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0引言
; d6 Y+ e! S* `" k" K& W8 T& E社会与经济的发展，对电力的需求日益增加，同时对于电力系统的安全稳定性提出了更高的要求。在我国“西电东送”、“全国联网”战略的实施，以及电力市场化的进行，对电网的安全稳定控制研究提出了新的问题。
9 [) h* p" ?7 N- K; l通信技术的进步使得电力系统载波、微波、卫星、光纤等多种通信方式的可靠性大大提高，已能满足远程数据传输和远方控制的要求。新型电力电子器件和超导技术的发展，为电力系统暂态稳定控制提供了新的手段。信息技术的发展使得能获取精确的广域同步信息；特别是同步相量测量装置（PMU）在电力系统中的成功应用，使得构建实时的广域控制系统成为可能[1]。
3 U% j6 e$ w# g7 |我国电力系统发展的研究有如下特点：大电网的互联、分散发电厂的入网和考虑环保制约、市场竞争等。这些因素不但使电力系统运行在越来越临界的条件下，并且大大增加了运行条件的不可预知性，使调度员面临更大的压力和更少的选择性；区域振荡和电压稳定性问题越来越成为制约电力传输的重要因素，安全稳定因素将显著地影响输电服务价格，导致对优化问题的重新考虑和定义[2]。当运行的风险增加时,预防控制和紧急控制之间的协调和自适应能力就格外地重要。以上问题都需要严格的定量化分析方法来支持。因此，稳定性与经济性平衡的在线量化分析将成为控制中心必须引进的功能,现有的电力系统离线稳定评估方法和控制策略将面临严峻的挑战。
e, O: K6 T G+ i) y4 ]1 |电力系统安全稳定控制引起了人们越来越多的关注，动态安全分析评估也是EMS中的重要功能，因此探讨安全稳定分析方法具有现实意义。( @" t9 A; C! R7 G Z8 _ T
1安全控制的类型和作用* W9 c' T) ?3 ~: ]1 d! _* h
安全稳定控制是保证电力系统安全运行，防止系统出现大的灾变事故的有效手段。安全稳定控制可分为两类，一类是当系统出现紧急状态，为防止事故扩大而采取的紧急控制；另一类是当系统稳定运行时安全裕度不够，为防止出现紧急状态而采取的预防控制。
: z8 a% n( W& p/ O+ j+ {5 X( n- A1 l- { 1.1预防控制
/ m) E% O- y. v: E( A$ F预防控制是电力系统处于警戒状态的安全控制。电力系统进入警戒状态时，各项参数虽然仍在正常范围之内，但已接近其极限水平。系统安全水平已经下降到不能承受干扰的程度，在出现干扰时可能出现不正常运行状态 。
' x# Q5 Q/ C y& a# x; f8 P# y1.2紧急控制
" w v, x) L3 [' o9 \+ J, q! c1 L紧急控制是电力系统由于受到大的干扰后进入紧急状态，为了防止系统稳定的破坏，运行参数严重超出允许范围，防止事故的发展和扩大而进行的安全控制。紧急控制的主要措施有切机、切负荷、快关汽门、电气制动、发电机快速励磁、再同步控制以及解列等。% q4 X( |) A9 t C, C7 U! c
2电力系统运行状态/ @1 Z7 t9 I. d( }
目前，电力系统运行状态的分类尚没有严格的定义，一般将其分为正常状态、警戒状态、紧急状态、崩溃状态和恢复状态。# n, X- _, Y' p5 u' v
一般情况下系统处于正常运行状态。由于扰动的作用，使系统安全水平逐步降低而进入警戒状态。这时，虽然所有约束条件仍能满足，但是安全储备系数降低，使系统安全受到威胁，应采取预防控制使系统恢复到正常状态。 B4 }' n+ h g
在采取预防控制之前，如果系统发生足够严重的干扰，系统就进入紧急状态。此时，不等式约束被破坏，系统安全水平为零。但是，系统仍然完整，应启动紧急控制措施使系统至少恢复到警戒状态，或者以至恢复到正常状态。如果紧急控制措施未能及时实施或失效，系统将解列并进入崩溃状态。在崩溃状态中，等式和不等式约束都被破坏，系统不再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制应尽可能的挽救解列后的子系统，以避免整个系统完全崩溃。一旦崩溃停止，如果仍有设备运行在额定容量之内，或某些设备在崩溃状态后重新启动，则系统可能进入恢复状态。这时，采取恢复控制措施重新带上所有失去的负荷和重新连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常状态。
* }. R& a7 J0 b4 t7 Q按照安全稳定装置的组成和分布范围，可以将安全稳定装置分为就地型和区域型。就地型稳定控制装置单独安装在各个厂站，相互之间不交换信息，没有通信联系，解决的是本厂站元件故障时出现的稳定问题。区域型稳定控制指的是为解决一个域电网内的稳定问题而安装在两个以上厂站的稳定控制装置，经通道和通信设备联系在一起组成稳定控制系统，相互间交换运行信息，传送控制命令，在较大范围内实施稳定控制。
; j, X# D: }7 [# S z+ T4 U3预防控制和紧急控制的策略, c5 { t1 y5 M) j
3.1暂态稳定控制的分析方法
* H q) P0 V6 f5 |% e' ?4 S4 z暂态稳定分析控制课题的难点是运算量大。由于计算机硬件技术在近年来取得了迅猛发展，因此开发满足实际生产要求的预防控制方法和软件已经成为可能。暂态稳定控制的另一个难点是判断故障切除时刻系统状态是否在稳定域内非常困难。原因在于还没有有效的计算稳定域边界的方法。$ [5 S' l- C$ r% D1 L
暂稳分析的算法基本分为两类:直接法和传统的时域仿真(SBS)法。直接法具有速度快,能给出稳定指标的优点,但缺点是精度不能得到保证,而且模型适应性差。传统的时域仿真法适用于任何复杂模型而且可以保证精度,但缺点是速度慢,而且较难给出稳定指标。将仿真方法和直接法结合形成的混和算法，兼有两种方法的优点，受到普遍关注并已用于实际大型电力系统的在线稳定性分析中。1 C2 F/ S. @5 a- J6 r# F
文[3]总结出动态安全评价方法分为三类：人工智能法；暂态能量函数法和扩展等面积法。. d4 x# J& C" A. }
人工智能法包括模式识别、专家系统、诱导推理、人工神经网络或模糊逻辑等。基于人工智能的方法首先对预想事故进行大量的离线仿真计算,从中获得系统动态行为的重要的稳定性特征，然后构造一个分类器用来在线地对新的、不可预见的偶然事故进行正确分类。
3 G. x, F: o0 j1 C0 O; u. J, `系统的暂态势能及动能函数分别定义如下：
# w* T0 w) i& s, Z+ B2 P' j5 G 8 W+ y1 u8 `3 G+ d' H8 z
其中n发电机电力系统的发电机转子相对于系统惯性中心的运动方程表示为：
: k6 q7 I5 p. X4 n
% c& j0 @$ O& k通过定性分析中人们注意到：不管是在稳定情况下的故障后轨迹开始回摆时刻，还是在临界不稳定情况下的故障后轨迹抵达故障后系统势能界面(PEBS)时刻暂态动能皆不等于零。因而[4]对暂态动能按下式做了修正，并将其修正值与暂态势能的和定义为TEF。
/ T7 S& z- a" q8 t* ^$ l ，其中( ?6 d7 \' k6 P6 Q& _
2 G& L+ O( ?- y1 a. ?
- p1 X3 X) p. G a5 r/ m上式中符号A表示系统的临界发电机集合，B表示其余发电机集合。ω为A的惯性中心相对于B的惯性中心的转速差。显然上述修正使得TEF在应用中更接近于故障后系统失稳时的物理过程。在此基础上提出的混合算法所得的稳定性裕度曲线不但在其临界点处一阶导数不连续，而且在系统稳定性临界点附近的稳定性裕度经常表现出反常的非线性现象。文[4]认为这种不守恒性是导致计算结果不准确根本原因，且提出了改进方案。
9 K9 R7 n2 e# d W) H0 @6 Q R文[5]通过投影变换将复杂的多机系统摇摆过程转化为一维坐标上的简单运动,并在此基础上提出了构造新暂态能量函数的方法。2 z( @6 g" g7 b% m! \. U
为了确定系统的临界能量或稳定域,有最接近不稳定平衡点(UEP)法、相关不稳定平衡点(UEP)法、势能界面(PEBS)法和基于相关UEP的电力系统暂态稳定分析(BCU)法。
9 L2 f7 t% o, u0 V1 `/ E扩展等面积法建立在对可能失步分离为2群的多机电力系统的辨识上,先将2群电机等值,再进一步等值为单机无穷大母线(OMIB)系统,然后应用适当的等面积法则(EAC)判定暂态稳定性和稳定裕度。) y3 Z+ V& b* c/ E/ [
新发展起来的算法还有轨迹灵敏度方法。文[6]利用轨迹灵敏度方法研究系统暂态稳定水平与运行参数（如发电机的有功功率、地区负荷等）之间的关系，提出了一种不受系统模型限制的电力系统在线动态安全预防控制新算法。该方法首先根据最严重故障的临界切除时间与其最领先机组有功输出之间的近似线性关系，求取最领先机组的输出极限，然后依据故障后设定时刻最领先发电机的转子角对各发电机有功输出的轨迹灵敏度数值，重新调整各发电机的有功输出。该方法的基本思路如下：
0 y) p4 V- S: I首先建立系统模型，电力系统的暂态过程方程可以统一用微分—代数方程组描述为:
" V5 N+ u. W5 b% m! V" g! h ! p k- I5 `! q* }; U
式中x是由各发电机及其调节系统的状态变量组成的向量；y 是有关代数变量向量；η是由发电机有功输出、地区有功负荷、线路阻抗等参数组成的参数向量； 是初始时刻； 和 分别为x和y的初始值。
O7 o- d' Q6 l2 K" u! ~轨迹灵敏度能反映任意时刻的参数变化对系统稳定性的影响程度，它可通过对式(1)、(2)的左右两边同时对参数η求偏导数得到：6 f4 c# F& I" ~3 w8 j& p! C5 [
, H/ c3 k# n$ s# A. H0 `# E% W7 A
式中 ， 是状态变量及代数变量的轨迹灵敏度矩阵。 的初值为0，表示为 。将 代入上式并假设 非奇异，可以得到
' e# g% Q) f* v: [& ^" y& b9 k
, f' y* M- \4 C% Y2 P该方法提出的发电机有功输出再分配算法的第一步是求取临界机组的发电稳定极限，其依据是故障临界切除时间和其最领先发电机有功输出之间的近似线性关系。# w- B& G$ d J/ I4 _3 A8 Q, N& a7 z
实用动态安全域（PDSR）法，可以将复杂的暂态稳定约束用注入功率线形组合与一个一维常数的比较来描述。文[7]提出新的方法，通过选择不同的措施控制安全域临界面的推移，使扩展后的实用动态安全域能涵盖当前系统运行点，保证系统不会发生暂态失稳现象。$ c% z3 @& g6 c+ O* R* d. Z
3.2紧急控制的分类
5 t5 J1 Y/ k0 X3 o& K0 Z e2 |1.紧急控制按目标可分为两类：一类是防止稳定破坏的稳定性控制；另一类是防止系统参数严重偏离允许值的校正性控制。当系统中发生严重故障的时候，紧急控制是保证系统稳定运行的有效手段。
: P) i" {& h( i7 x( f1 k$ B. E提高暂态稳定的紧急控制措施可以分为以下三类：& [$ ?- ]* n) K$ q8 Y: c
① 加快故障切除速度及进行适当的重合闸，如三相重合闸、单相重合闸以及多相（按相）重合闸；5 f/ e5 a" S; _2 A9 Q
② 提高系统输送能力的控制，主要是保持和提高系统各节点的电压，减小输电系统的阻抗等，如发电机和调相机的强行（顶值）励磁、串（并）联电容强补偿和切除并联电抗器等；
/ O1 v4 u6 j# {③ 减小送、受两端的功率不平衡程度，如送端切机、汽轮机快关汽门、受端切负荷、电气制动和直流输电系统调制等。文[8]讨论了电气制动和阀门控制的配合使用方法。 o/ T( G" Q' S w
以上各措施可单独采用，也可同时采用。措施①费用低且效果好，应优先采用。措施②主要是控制电压和无功功率，容易灵活实现控制，特别是随着电力电子技术的迅速发展，使得有条件更广泛和灵活地实现这类控制。措施③主要是控制有功功率，在暂态过程中大幅度改变有功功率实现起来较困难，对电力系统影响也较大，通常是前两类控制不能满足要求时才采用。
( C* j$ y3 p/ |3 ]1 o/ H I9 O- S2.按照对控制措施评估和选择的时机可以将紧急控制的决策方式系统分为三类。“离线预算，实时匹配”方案、“在线预算，实时匹配”方案和“实时计算，实时控制”方案。目前国内外广泛采用的是“离线预算、实时匹配”方案，控制装置实时的检测当前的运行工况和故障，然后从离线准备好的策略表中查找控制措施并执行。
! C$ i9 X; w1 B* I基于扩展等面积准则(ＥＥＡＣ)的“在线预算，实时匹配”的在线紧急控制方案不是按照预想工况，而是根据实际工况来制作策略表，并假定实际工况在几分钟之内不会变化，避免了工况的失配问题，并能够自动适应系统的发展变化。0 T& {) B7 Q& s8 z+ m' S
“实时计算、实时控制”决策方案是最为理想的，这方面的研究主要有同步功角测量和在线实时建模，它按实时采集的信息和检测到的故障，实时判断系统的稳定性，如果不稳定则做出控制决策并执行。该方案对算法的要求极高，在现有计算机、控制技术和理论条件下还难以满足要求，在可预计的将来也还是很难实现的。
. W, J9 e1 h$ j/ B$ P& f这方面的研究目前集中在如何预测得到电网的状态曲线，赢得时间，并且采用合适的方法判断系统稳定与否，文献有[9，10建，11，12]，PMU和WAMS的如何具体应用成为当前研究的问题。" _2 J- q# x$ W: t, H7 o* C5 g1 |
3.紧急控制策略有如下几种：最优目标策略，微分几何控制，不确定性方法。( U; b' U; B3 P
Barnard基于系统轨迹概念提出的非线性系统的最优目标控制策略（OSA）是将状态向量X(t)驱动到一个目标状态X0(t)。该目标状态可以是系统的平衡状态或其他适当选择的目标。控制策略是通过代数优化方法,将当前的状态X(t)驱动到目标状态X0(t)。另一种目标策略是使范数最小。这种控制策略还容许考虑控制极限的物理约束。OAS的优点是能得到封闭形式的最优解,形成闭环自适应反馈控制,可以应用于一般的非线性系统。5 n( h9 g6 V+ M% O) p
微分几何控制方法可适用于大干扰问题。从实用观点来说,微分几何控制的核心是反馈精确线性化,它通过局部微分同胚变换,对仿射型非线性系统在满足可控性、矢量场生成、对合性和凸性4个条件下,将非线性系统化为线性控制问题。卢强等首次将微分几何控制用于电力系统中。微分几何控制用于电力系统的研究,取得了许多有意义的成果,这种控制方法已用于发电机励磁,快关汽门,电力系统稳定器,交直流联合输电系统,静止无功发生器、可控串补、移相器、统一潮流控制器等灵活交流输电系统装置的控制中[3]。4 w# L) D3 r+ K" B3 K* U
在考虑到结构或参数不确定问题时，常使用 方法，结构奇异值分析（ 分析）方法。
/ _. Y- i: p. n8 P/ F4研究存在的问题3 ?9 f& G1 P* U& f
电力系统是非线性时变大系统,基于线性化模型的传统或经典的控制器设计方法显然满足不了紧急控制的要求。虽然目前已开发了若干种方法,但是自适应在线稳定分析仍然是个问题。, Y, p, Q F5 Q/ x$ \
控制系统覆盖若干个电网,控制设施多种多样,如何进行分层控制或分散协调控制,还有许多课题值得研究。
% e8 t6 f* B3 U, L9 k( X现有的安全稳定紧急控制系统利用局部信息、采取事故预想策略对付可能的常见事故，难以抵御概率很低、损失巨大的灾难性事故;现有的稳定性预测与紧急控制策略是根据仿真计算结果得到的，依赖于系统的模型和网络参数，而系统的模型和参数又是不准确的，因此缺乏适应性强、预测速度快、控制效率高、可靠性好的紧急控制系统;现有的互联系统的解列(点)面是固定设置的，不能适应失稳模式的变化，难以起到缩小停电范围、避免事故扩大的作用。另外，我国西电东送和全国联网所致的巨型电力系统的出现，将对传统的紧急控制理论和装置带来了前所未有的挑战[2]。
0 ^# `$ E' n7 ]+ \文[13]描述了美国太平洋西北部的Bonneville Power Administration (BPA)。基于PMU和EMS数据的集中控制平台方案,使用正同步PMU信号输入，大部分控制措施离散进行，对于国内研究具有参考价值。
/ C. H) {4 e6 \4 W+ q5总结$ K* ?, l) ?0 F6 D T
目前关于电力系统的研究具有如下特点：1.从市场的角度考虑电力系统的安全问题，考虑成本和安全之间的平衡；2.利用广域信息技术研究电力系统安全；3.系统互联产生了新问题（低频震荡，故障传播等），从大范围考虑电网的安全性，从整体上构建继电保护装置。
, ^0 }" M6 O9 g) O8 j5 R$ X6 L本文阐述了电力系统安全稳定的机理（如运行状态等），安全控制的类型（预防控制和紧急控制）、各自发挥的作用，概述了电力系统预防控制与紧急控制的主要方法，并指出其中存在的问题，最后总结了安全稳定控制研究的几个特点。 |
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发表于 2007-9-25 18:58:18
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