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今天带给大家的是国电南瑞电网安全稳定控制技术分公司方勇杰副总经理关于电力系统安全稳定预防控制在线计算方法的详细内容, 该文原文发表在2015年《电力系统自动化》第11期, 敬请品读。
电力系统安全稳定预防控制在线计算方法评述
DOI：10.7500/AEPS20140812003
方勇杰, 鲍颜红, 徐伟, 杨君军, 阮晶晶, 夏小琴, 耿天翔
预防控制作为安全稳定规程中的第一道防线, 对应预想故障为规程规定的第一级标准不严重故障。预防控制在线自适应优化是指不断跟踪电网拓扑和工况的变化, 及时更新最优决策。一般采用开环控制方式, 计算机进行决策分析后, 向调度员提供建议, 由后者进行博弈决策。本文针对实际工程中经常面对的暂态稳定、静态安全、静态电压稳定, 以及多种安全稳定问题的综合辅助决策问题, 分析了各类预防控制计算方法对复杂大电网和在线分析控制的适应性。
对于实际大电网而言, 考虑了多种安全稳定约束的预防控制计算是一个非常复杂的高维非线性规划问题。
灵敏度系数是运行点的局部信息, 故非线性优化需要迭代搜索, 可以按性能代价比选择优化方向, 但需要尽量避免陷入局部最优点。预防控制措施需要以主导模式为特征, 将预想事故集划分为若干子集, 将问题降阶为各子集的优化。不同子集的解耦优化及其相互协调构成了“解耦后的局部优化-聚合中的全局协调”的优化策略。
此外, 在当前的在线安全稳定分析与控制系统中, 通常采用同构的计算节点组成计算集群, 利用分布式并行计算技术以满足对计算速度的要求。
防止设备过载的预防控制
将静态安全预防控制问题处理成最优潮流问题, 以往采用的牛顿法和内点法等非线性优化技术均存在计算量和收敛性等问题, 限制了它在实际工程中的应用。
不采用数学规划的方法, 基于灵敏度的启发式算法没有收敛性问题, 计算速度快, 但不能保证数学意义上的最优。可在此基础上增加计算控制节点的综合加权灵敏度, 并按照综合加权灵敏度决定节点的控制方向。
负荷转供也是实际工程中可以采取的控制措施, 将过载支路供电区域中的一部分负荷转由其他支路供电, 可以消除或减少支路过载量。
防止电压越限的预防控制
一般情况下电压问题具有局部性和区域性的特征, 将主导或中枢节点电压控制到满足要求, 即可解决主导节点所在区域内的节点电压越限问题, 同时也缩小了计算规模和提高计算速度。
对于低谷负荷电压偏高的问题, 机组进相往往是有效的控制手段, 但需要对电压预防控制给出的控制措施进行暂态稳定的校核。
保持暂态功角稳定性的预防控制
结合时域仿真与数学规划的方法约束规模非常庞大, 无法满足在线应用对计算速度的要求。轨迹灵敏度方法中控制变量对所定义的控制指标的轨迹灵敏度仅仅是可观性指标, 并不是可控性指标。而更为重要的问题是理论上无法确定角度门限值与系统稳定性的严格对应关系, 基于角度判据的稳定准则不可靠。
能量函数直接法在考虑复杂模型和各种负荷模型特性时, 计算精度难以保证; 而人工智能算法不但训练集的规模和代表性难以确定, 而且其启发性的本质使得出现错误结论的可能性难以消除。
对于扩展等面积准则, 如果各个控制变量对稳定裕度的灵敏度的计算仍然采用摄动、仿真和裕度计算的完整过程来获得, 则难以满足在线计算对计算速度的要求。
在实际应用中采用了扩展等面积准则来计算机组的参与因子, 按多个预想故障下稳定裕度加权并计及控制代价得到控制性能指标, 排序后首尾配对依次参与控制, 逐步调整直至所有故障下稳定裕度均满足要求。在绝大多数情况下可以得到可行和优化的调整方案, 而且无需修改目前成熟的数值仿真程序, 仅仅需要对仿真结果进行数据挖掘。软件结构简单, 具有很好的鲁棒性。
在采用分布式并行计算技术的集群计算系统中, 可以采用枚举并行的方式, 将参与因子首尾配对后得到的可能调整方案同时下发至计算节点并行计算, 最终在计算结果中选择满足要求的方案作为辅助决策措施, 极大地提高了计算速度。
保持暂态电压安全性的预防控制
暂态电压安全约束包括防止故障后系统发生暂态电压失稳和暂态电压延时恢复两个方面。
故障后电压曲线变化类似的母线可以定义为同调母线, 考虑无功控制的区域性和母线的同调性, 可找到对系统暂态电压不安全点起主导作用的无功电源和无功功率负荷点, 将多个故障扰动下的电压分区与安全模式进行合并, 可以减少计算量。
在实际的工程应用中, 通过计算节点无功注入对主导电压薄弱母线的静态灵敏度, 选择灵敏度大的节点采用启发式方法进行控制, 也可以得到良好的效果。
系统对静态电压稳定的要求不仅仅是预想故障后保持稳定, 还要求留有一定的稳定裕度。在预防控制优化模型中通常作为约束条件处理, 这样可以满足实际运行的需要; 并且采用将优化控制问题与稳定裕度计算问题分开迭代求解, 相对而言计算量较小, 求解更为灵活。
该方法的主要问题在于计算速度。对关键的灵敏度计算而言, 其推导基础是临界点处潮流方程的雅可比矩阵奇异(鞍结型分岔)或正好发生了导致约束诱导型分岔的转换, 要求在临界点附近的步长不能太大。大型电力系统的PV曲线仅是分段连续且不光滑的, 需要考虑线性灵敏度的有效区间, 经过多次迭代才能得到控制解。而通常的连续潮流法难以并行计算, 无法充分利用计算集群。
鉴于在线控制对计算速度的要求, 预防控制计算需要在计算精度和速度之间进行很好的平衡。首先采用普通的潮流计算, 可以在不收敛的前一个点开始连续潮流计算, 适当采用较大步长, 之后采用曲线拟合的方法近似估算出电压崩溃点和稳定极限。在接近电压崩溃点时进行Q-V模态分析, 节点参与因子能够提供改善静态电压稳定性的相对量度。可以采用启发式方法, 按照临近电压崩溃点时参与因子大小的先后顺序依次采取措施, 直至系统稳定。基于并行计算平台进行计算, 可以进一步扩展为将可能的功率调整方案同时下发并行计算, 进一步提高了计算速度。
在统一的在线安全稳定分析和预防控制框架下, 对于故障后潮流不收敛的预防控制问题, 将暂态稳定预防控制措施加到初始潮流场景中, 一般情况下可以得到一个收敛的潮流解。
目前互联大电网由于各类安全稳定问题相互交织, 需要在预防控制计算中考虑多种安全稳定问题之间的协调优化。
对此, 可以考虑将预想故障后存在的多种安全稳定问题按重要和复杂程度进行排序, 获得各问题的计算队列, 预防控制按计算队列的先后顺序分别进行串行计算。前一预防控制计算完成后, 根据计算结果调整电网运行方式, 后续的预防控制计算在前面的计算基础上进行, 每一预防控制计算完成后均须输出安全稳定裕度指标对候选控制措施的灵敏度或参与因子, 后续的预防控制计算将其作为对控制方向的约束加以考虑。
对于耦合关系不强的多个安全稳定问题的预防控制可以进一步考虑采用分解协调的方法提高计算速度。将考虑的多种安全稳定问题进行分类, 关系密切、耦合程度较强的问题分为同一类别, 而不同类别的预防控制可以考虑并行计算以提高计算速度。计算流程见下图:
未来研究方向包括: 针对新能源发电的波动性和间歇性, 在预防控制计算中引入风光功率预测信息, 以减少控制偏差和运行方式的频繁调整; 融合现有设防标准与运行中的不确定因素, 基于风险理念进行电网运行控制决策的实用算法; 融合广域动态实时测量与在线稳定分析的预防控制辅助决策方法。
作者介绍
方勇杰, 博士, 研究员级高工, 国电南瑞科技股份有限公司电网安全稳定控制技术分公司副总经理, 兼任华北电力大学博士生导师, 主要从事电力系统安全稳定分析与控制领域的研究、开发和应用工作。
鲍颜红, 国电南瑞科技股份有限公司电网安全稳定控制技术分公司研究员级高级工程师, 主要从事电力系统在线安全稳定分析与控制计算方法的研究、开发和工程应用工作。
徐伟, 博士, 国电南瑞科技股份有限公司电网安全稳定控制技术分公司高级工程师, 主要研究方向: 电力系统安全稳定分析和控制。
本文引文信息：
方勇杰,鲍颜红,徐伟,等.电力系统安全稳定预防控制在线计算方法的评述[J].电力系统自动化,2015,39(11):199-207. DOI: 10.7500/AEPS20140812003.
FANG Yongjie,BAO Yanhong,XU Wei, et al.Review of On-line Calculation Methods of Preventive Control for Power System Security and Stability[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(11):199-207. DOI: 10.7500/AEPS20140812003.
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