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2021-6-12 16:50 |
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数字电力系统（DPS) 0 E. S9 x8 @4 y9 N
--新世纪电力系统科技发展方向
0 \- [2 s& ~8 e& M1 {" f4 o& o; g6 U% r6 d; @
卢强 - n# N$ b9 z/ r: q7 q( T1 W5 k8 O
- e/ w: S9 q) Q5 |" \+ o; |5 c5 U1 数字电力系统的定义与内涵
9 }5 v8 l$ m! {; U' `% D/ R% e' Q9 D9 M3 n8 @0 @0 s" w8 `, b
首先让我们给数字电力系统一个定义：它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特 9 p$ A3 L* J; U8 u) V
性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地形象化地描述与再现。如果 j' a4 h0 S7 o- J- R5 S, t# f4 | [1 w; R
做到了这一点，就可以说我们建立了该系统实际电力系统的数字电力系统。仅仅给出一个简单的 Q$ n/ Q S7 y. t. d0 r) F+ ?
定义是不够的，让我们来讨论这个定义所包含的内容。某个电力系统的数字电力系统可能包含以
4 G# {8 {* D) }6 N: L下内容与功能： & t% @% `/ M9 U# d
6 m$ k# j$ r1 j* j; L8 E *电力系统的物理结构（也即真实结构）的其组成部件（单元）及整体的物理性能、运行方式
8 X# I. d( U: G* B和运营策略、管理的模式、人员的信息等。
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*电力系统的各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量； * c/ h& e7 |5 g7 O' w
! a6 g8 `% W5 B" q% A& w *各种自动控制装置的动作特性（包括继电保护装置）； $ Q1 j! q7 m% Q; W1 L- w+ b
( d' @" s2 O, x; {6 T# b( d2 j3 L* @4 \
*发电厂、变电所的主要设备的"健康"状态； 3 e% {4 R& ] I: A* z% u( F
. } E! O4 Y3 i* ~ *经济结构、市场信息。
; P5 ?! U" ^/ h
# B4 ^/ C4 i7 R! F9 R+ i 21世纪，中国的电力市场必然要实行。将来的电价类似股票那样是要波动的、变化的，比如
: k: q2 U3 K) K; ?2 N! S( q: k( j半个小时刷新一次电价。电力市场的出现提出了新的问题，这就是这里所说的"经济结构和市场的 2 |, G( r: e' ]$ R: {* h
信息"包含的内容。 & W4 X4 i1 R2 D
8 O; P5 ]: P9 h x1 a
*影响电力系统安全的特殊自然环境： 比如某一条超高压线路正处于落雷区或者台风袭击 " v- w, Q& U: w/ T9 j7 e6 e) j
中，可能造成灾害。数字电力系统应能及时提示运行人员给予特别关注，以免发生重大灾害。 + n6 h. H: D1 \9 U
0 d' ^* c6 U2 D5 b, B *科技管理阶层、技术人员管理信息。
! I( A+ N6 Z. M, d7 i( ~
/ M/ p7 v- N! h& |$ | *环保指标和环保设备投入及运行情况： 21世纪，我国环保指标和环保问题将被提到非常 ' H f" @" h1 \. X! z! t8 V+ k3 d
重要的高度，关系到是不是可持续发展的问题。我国环保法将对于不能达到环保要求的工厂、企 $ ~( Q8 m# m7 C
业给予重罚。环保设备的水平和设备情况，也应该由DPS实时地通报。 ＊电力系统各个环节的实
: i' T. u2 v6 \' T* n& R7 q时效率： 热力系统、汽轮机、发电机系统、网络损耗、拥护、电压等环节的效率，数字电力系统 b) P8 k+ K* Z9 }. q
应实时显报。
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7 ?( q7 k4 T- @7 G; b7 i5 \ 重要的信息：比如人才的信息、科教活动的信息在数字电力系统上应有所记录和通报。 ~/ W* ?' F8 m% q, l" d! P5 c8 O
1 A3 `% \7 K. Y
2 数字电力系统能做什么
$ {+ o0 }# Z3 H5 E
( [+ C: R! O: s+ d# h; O, @2．1 管理和决策的科学化
% u, C& l$ y9 m# m
7 }9 v8 |: e) n2 ~0 v' O# P 朱镕基总理在MIT作报告后，有人问他目前中国最缺什么，他立即回答："管理"。所以要利用
+ i. k0 K* E5 Z$ f1 QDPS来帮助我国电力系统实现管理和决策的科学化。依助DPS可知晓管理层下达的指令在实际电力
+ o6 i7 m* o0 ^" e系统中产生什么样的效果，这就是"指令效果反馈"。有了这样的反馈，管理层可以进一步改进管
3 B( d% s$ F7 c4 K$ J, y2 p+ q2 ~理和决策，使得效率提高。此外，电力系统是分层的，每一层要向上一级管理层通报信息。有了 ' L$ g( [$ g2 _
数字电力系统就能很快地把这些信息及时收集起来，加以科学处理，向上一级通报，最终目的是 * }- n" ]0 d3 i) } F' T2 M
实现全系统的高效管理。这就是DPS所包含的高级MIS(管理信息系统)功能。
5 h3 @" X2 I9 n$ J9 `; d1 T5 t' d/ h0 U- c
2．2 安全稳定性实时评估与改善 # P$ `$ d6 b9 b* o
/ Q$ y1 T% k" F, l' `! z9 a
对于电力系统最重要的是运行的安全性，这个问题在全世界均未得到很好解决。我国电力系 4 P( h$ ~5 E( {0 j7 |! P& E
统也出现过稳定破坏的重大事故。本世纪，美国发生过六、七次大范围灾难性的稳定破坏停电事 ) [! Y9 x2 Q7 i4 z9 }/ E9 Z
故，这告诫我们要更加关注电力系统的安全与稳定问题。
. ~5 u |' f# L& M" T1 t8 c
9 j/ C. q0 y- h* I0 i" K 首先要实施地对系统进行安全评估。在系统正常运行时应给出"忧患预告"，实时告知系统薄
& N5 O: Z, }9 i7 [8 i弱所在，需给以特别注意。系统的实时稳定域变化和状态电所处位置应予以实时显示。实际上电 1 k7 T: N1 V2 I" u5 o- \
力系统是由一个稳定域的，而这个稳定域是随运行情况的变化而改变的，但因为没有DPS，运行人
" x6 z% `8 B) s0 h员不能看到它。稳定域的实时变化和状态点在稳定域中的运动轨迹可依助DPS图形化地显示。同
; ?' Y4 i/ M0 O) S, \" S时，还可给出改善安全稳定性的建议和策略。有了数字电力系统，我们可以不断地对电力系统的
* }/ H( ~7 Y/ a安全稳定性进行评估、在调整，已达到最佳的安全运行状态。 + O0 M9 Z) N: \& N. P" f$ j
8 ] W+ d# Y, ~" E# z2．3 经济运行策略制定和实行 - ~) }/ V! y$ x! B
( j3 E2 C* ]- S0 S6 @ 在日常运行中，DPS可给出在满足安全稳定约束条件下、在市场化运行规则指导下的全系统的
3 ~& _) w( o8 C$ O, Y. ^( H经济运行策略（这里讲的经济运行不是"自私"的经济运行，它必须考虑环保指标的确保），在正
5 u/ X% Z" J) E. ?! t+ I* m常运行时，DPS应该给出使运行状态恶化的因素的提示。例如某一个节点的电压指标在下降，或者 * {6 `- m# A" p% y( \
某两个主要节点之间的功率角在不断扩大等等。虽然没有发生事故，DPS应该告诉人们恶化的原因
' D- `$ b% S8 y1 t+ M( m以及应该采取的措施。这就是在正常运行时候，DPS将对系统经济指标做实时显报，即不断地给出
4 ^) t3 b7 M8 T! [& b5 W B现时系统整体经济效率、网络损耗和热效率等信息，并且给出如何减少损耗、提高效率的建议和
1 R' H. f; r3 y& ?+ f& U方案。 ( _1 h9 T, V8 M5 n' k4 D
7 R* {7 ]! o, `; D4 {
2．4 紧急控制的措施 7 E( n/ y. ?: ], p7 e. J
% ~: J7 o& w& G% W
我们知道在电力系统遭受故障后，可通过紧急控制来加以镇定，以达到保持安全运行的目
; k+ X- J5 D! ^. g- T5 }: X的。DPS可告知运行人员，故障发生的地点以及何种故障，如是单相短路，重合闸是否成功等等。 7 |0 h! s! L) K7 h/ e+ f( ]9 R2 ]- j
故障后，电力系统要进入暂态过程，暂态过程中的重要发电机组的摇摆曲线应能依助DPS加以显 5 I6 @; E# N8 ?& ~& f
示，并给出采取何种紧急控制的建议。在最紧急的情况下，DPS亦可越过调度人员而直接施行控
7 e. h" `# k1 P6 D& k5 w制，称"越权紧急控制"。但DPS的这种越权要有严格规定，只有在最必要情况下才能施行。经过在
! A/ S2 Z3 b8 k5 t: {" p8 tDPS建议下的调度人员的或DPS的直接紧急控制，最后使电力系统状态重新回到安全稳定域内。 & P) k; u" \: x, {3 }0 C4 `
- X' o j4 f# `1 d1 H; R$ j, T6 D8 a! ?
2．5 最适解列方案实施 & q& w0 ?% c8 O1 M" @0 J0 ^. n
6 q7 ]0 E, C) j' V# }; q, i
对于一个电力系统，无论采取多么好的控制，如果把干扰视为一个球的话，球的半径越过一 1 j1 `# ?0 m0 q7 ?/ \7 L. b! b
定的限度时，电力系统的稳定将会遭到破坏。这时，DPS将会给出最佳的解列方案。把一个大系统
5 U7 ^/ l7 f5 u8 Z2 k分解成几个孤立的孤岛。解列后的系统，每一个孤岛上的电源和负荷应该是基本平衡的。不要像
( X8 j4 }/ u3 l/ a- G" t! \2 X美国1996年的事故那样，有的孤岛主要是电源，有的孤岛主要是负荷，这样会扩大事故。
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2．6 最速恢复策略制定 8 N3 g1 z- G5 u3 K8 {6 o; Q3 l
8 R* N, z! q$ K R, t: r 系统解列后，DPS将给出最佳的恢复策略的建议，将以流程图的形式给出恢复操作程序。 % M( P' b @7 D! J- ^
8 Q; |7 Q9 e) g' u/ ^
2．7 科学研究、系统规划设计 / D4 [7 M, c( P' }3 K: T
3 S5 y* H: A* }4 X DPS在电力系统科学研究和系统规划设计中将起重要作用，譬如对于正在规划设计中的三峡电
1 e7 v/ f& X2 u力系统要做一系列的研究工作。我们曾经在俄罗斯一个70多台模拟发电机组的物理模拟电力系统 5 W' s/ @7 h( Q/ u8 p& L
中进行三峡系统的研究工作。事实上，有了DPS，我们就可以利用它对现实的和未来的系统进行深 . e/ H) j: x' f0 B* a- }( {
入细致的研究。 ……
% L) S2 Z N' m6 T6 G
( q% t$ ^# t% o% r1 j3 基础性研究
2 S$ {# _/ {4 R/ W5 p% B* T& V
( K6 B6 @# v& x0 c# \$ B 为了实现DPS需要有相当的基础性研究成果作为支持，需要有新理论和新算法。 u/ g& \8 d# [7 [# _, F1 c% i
2 t c3 f5 W. k1 H3.1 整体模型 5 d) a0 l3 M7 g1 v
! f: r# Q2 g, E, y+ W7 ?
动态电力系统使用非线性微分方程来描述的。由于FACTS设备的投入，电力网络中的动态设备
: b+ D- w5 P) L/ Z' h: ]$ U更多了，整个电力系统微分方程的阶数提高了。此外电力系统网络的潮流方程是大规模非线性代 ) L- @2 q& p; K9 Z4 {. P$ t0 q
数方程组。把这两个方程组联立起来就组成了大规模奇异非线性动态大系统，这个整体规模在数 - T4 ^. T$ V3 {/ t4 l7 h( |
学上称作DEA问题（Differential and Algebraic Equation problems）。
7 p# h1 p7 Q# Y' `0 N \1 W* g. H7 W. x. P! i+ E" c
3.2 整体稳定性测度论 ( v0 e( c1 h6 b3 y$ H
& ?3 w2 ` w0 m+ K% b9 J6 N0 e! p, e 要研究电力系统各个层面相互作用的规律和对稳定性的影响，必须研究稳定域的拓扑结构、 * A4 }; K) e' U$ a1 ^" R' ~- i. K
稳定域边界及其影响因素，所以要对运行中的电力系统的稳定域进行适时测度。
/ K, G" }: y) F5 [0 p+ b0 F6 ~$ z1 \$ N2 o# h
3.3 稳定性在线实时评价方法体系
! ^) k Q" P; R6 S# n1 v& g( Q
$ m1 U* v k9 Q5 h% w+ I& L+ H r 如上所述电力系统稳定性问题是一个高位的DAE问题，这就要求对高维DAE模型采取降阶或简
D% o2 D8 V8 v3 K R7 N/ [1 b! S约化的方法，可能的方法是发展一套中心流型（Central Manifold）方法。利用中心流型和微分
4 x, P. l4 V1 @动力学的Possion括号法来研究中心流型的稳定性可能是有效的。我们还要发展大规模数值科学计 , [, B3 i9 S8 z- F; x H
算方法，可能用到基于辛几何（SymplecticGeomertry）算法的并行计算方法。在辛几何算法方
% z% {( T8 |4 L6 B面，中国科学院的冯康院士开创的学派到现在为止仍然在世界上处于领先地位。 ) f# |& g$ m" P8 U: R/ }
% z# l- V7 P% Y/ B" C+ L# Z2 A z1 I
3.4 混杂系统的多目标优化调度理论 % B% R- Q6 W x$ N0 Y
% k1 s! y# c+ J$ |0 {2 P0 d9 t 混杂系统（Hybrid System)是系统科学领域中新提出的概念和理论。电力系统是一个标准的
* ]4 ~! k, d; j; c( W! ?混杂系统，它的上层（调度中心）给出的调度决策主要是逻辑性的操作指令，而下层控制（如发
/ f. X% W5 y; Y' U+ w3 h电机的历次控制和调速）主要是连续型的。如何将不同性质的上层和下层控制恰当的对合起来， # q3 [$ Y0 Y7 u1 L0 i
以达到电力系统的多目标优化控制的目的，这是一个重要理论问题和应用问题。
3 O+ u0 t9 L# ~0 i% \3 [
; q# T3 k$ X8 b 至于电力系统的多目标控制，说到底就是安全稳定性与经济性的双目标控制。进入按电力市
2 K, l& E+ v2 w+ _6 t场机制运行后，人们主要考虑的是它的经济问题，即各个投资体的盈利问题以及如何降低电价问
- A& B6 K, C0 ~) e% _6 U题，很少考虑安全和稳定的问题。要为市场化运作的电力系统提供安全稳定的保障，这是一个新
" Z; l+ R2 W# }- S+ k的极具挑战性的课题，现在是该结束安全稳定和经济调度割裂的时候了。进入电力市场后，电力 ! S9 z3 ~. K( y# {% ?4 n
系统的潮流的随机性加大了，将通过DPS绘出相适应的保证系统安全运行的调度策略，这是一个新
R5 f5 t# Z' _" N g4 }; L2 u# t的问题。我认为美国1996年以来的大停电事故和马来西亚的大停电事故，和他们对于在电力市场 6 T- ~" G/ z$ Y2 @7 }3 O# u" g
运行下的安全稳定性没有加以综合考虑是有密切关系的。
; p( [' ]1 A- S0 N9 y( i4 Q5 k7 ~. Y' R7 ]+ l1 O% K) g
3.5 区域性紧急暂稳控制 9 C0 N9 C5 `! S& Y+ `7 z: O
: q8 M2 x1 e$ z3 z
电力系统区域性的紧急控制问题在世界上并未解决，目前只能针对某一系统通过大量的仿真 . ^3 N* E3 F" D C6 A
计算，得到该系统区域紧急控制的一些规则：譬如说如果在某地发生短路，就相应地在那些厂切 8 o j- C% X+ i9 i: L
机台机，哪些地方切一些负荷等等。人们只是根据一些经验和仿真结果得到一些策略，但实际的
. g8 }0 d# Z0 a8 e电力系统状态是千变万化的，单靠仿真得到的机条策略是不够的，所以要研究区域性紧急控制理
) N( S8 I ~7 h5 ~论。现在没有现成理论可寻，我主张研究和发展Hamilton系统和广义Harmilton系统理论以建立一 " ]2 S' k1 a7 ~. L6 U, Q5 w
套电力系统的区域控制理论，可以把切机和切负荷都看作是能量的注入，只不过是正的符号的能
% I: f: y2 {# G% R. f+ K# k量或负的符号的能量而已。基于这个观点有可能发展一套基于广义的Hamilton理论和方法的电力 6 x/ s+ X/ L; r$ {( i, K% R( n
系统区域紧急控制的理论和方法。
7 N0 |6 C8 P- ~* o, t
. }" N3 G) G1 R3.6 巨大的软件工程
. H% d- ` G# p- [( i" ]4 Q1 D5 d A, S! H- ?
以上所讲的是一个巨大的软件工程，美国副总统戈尔曾经提出数字地球的概念。这个数字地
. G% K; C7 `0 C1 e球可以用作研究全球气象情况、厄尔尼诺现象以及世界资源、森林、环境等。这给我们建立数字 ! R1 |8 j& W8 ?/ a3 B
电力系统以启发。当然，数字地球这样一个庞大的软件工程要世界各国来共同去完成，同样，DPS
+ p" m* [, o. k' M* G1 Q4 Q也是一个相当大的软件工程。现有的软件成果，不能废气，要加以利用，还要把新理论的成果软 * ~; {) r# I* R8 p
件化，同时我们要发展高可视化建模的问题。任何一个最优秀的调度人员，每分钟给他2000个新 8 F, L8 z3 k- Z/ e" U
的数据组成的数据表，都不可能进行任何有效的处理，而图像化的处理却可使人“一目了然”。 + O* ~% _2 p* v
我们要尽量创造性的利用多媒体的技术，还要借用虚拟现实技术的有用的思路来建立DPS。 ) E& O: Z* d, Q. F& P2 ~
1 c5 m7 G; b% m4 硬件支撑
: }3 A6 _' ?: ]9 P
4 R5 t" C! k) b* } 我们在两年多以前，曾经有建立DPS的想法，但是直到最近，才提出这个概念，因为DPS需要
8 A8 @( w8 \1 c8 Y) F硬件来支撑，并需要超大规模的PC机网络。为什么要用超大规模的PC机网络呢？第一，因为PC机 % n) N. E/ t! d
价格便宜，比专用芯片便宜很多，便于推广和使用。第二，这样一个超大规模的PC机网络最近已 - ?; j- S% d* v5 F3 Z: P
经由清华大学计算机系研制成功。我们现在有了硬件支持，再提出DPS，具有更高的可行性。
4 l7 D0 o; [- \; {" I( b8 ^$ x+ D( p, O
...... 3 X; x3 P, i* D: `+ F1 x
I' j/ l& N* {4 c' a5 结束语 4 |' a. ^* {5 G1 Y. N' G
' H5 `2 u( G; c; D; g6 U
这里提出的DPS与已有的EMS、DTS是不抵触的，不仅不抵触，而且前者包括后者。现有的EMS 3 z% o1 l( i J: O; B8 L
可以看作是初级阶段的DPS，正像高射炮的功能融入了地-空导弹之中那样。 % B( W, C0 R1 |" e* M
- ^* Y h2 |# {: o* w7 a
DPS逐步发展是“步步可用”的。以数字地球为例说明，这是个巨大的软件工程，我们不能说 + M" X- X8 p# C' C U7 J) ~* W
它那一天建成了，它是在不断地被人们利用的。如果人类最关心的是环境，那就首先在数字地球
, A; U! K6 ]" g' ^% L3 L! L上建立环境污染的数据库，又如人们关心厄尔尼诺现象，就可以在沿海国家建立海水检测，从而 0 D; w6 l1 V4 a5 U* E
从数字地球上了解海水温度变化和厄尔尼诺的关系以及厄尔尼诺与全球气象的关系。我们还可以
4 E4 o2 o8 r1 Y+ U3 f: J进一步建立全世界的森林、资源、人口、宗教等，一步一步地加以丰富扩展，我们的DPS也是不断
2 `" k# F0 K& I( d+ a5 I地建成不断地被利用的。处于初级阶段的EMS不是也在使用吗？在没有建立EMS以前的SCADA不是也 & b7 L" T) s2 t) s1 Y
被使用吗？我们要一步一步地又见到权，不不可用。阶段成果的可用性与DPS推广有重大的意义。 : g, V8 Z9 T0 v5 c4 [* ~
阶段性的成果如何可以应用，可能能够获得更多的支持。 / ]9 N/ _- X X2 {2 \
2 T! V3 ]3 T7 x: w
作为DPS的第一步，我们要建立实时仿真系统，这个“实时”包括电磁暂态、机电暂态以及稳 ! q( ^' [! u0 g
态运行。我希望中国的各个大学、研究所、企业单位的科技人员、国际同行一起来完成这个伟大 8 X( I& ?; R5 A% H, h' s
的工程。 # |6 x9 o6 U8 H' C8 D
, f" ~( u+ M3 ?6 O2 E7 C文章载自：高严.《面向21世纪电力科学技术讲座》.中国电力出版社.2000.11-%-1124-%--%-3509-%--%-3636-%- |
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狗仔卡
发表于 2006-8-25 19:47:55
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显身卡
发表于 2006-12-3 23:08:43
