CN101340080A - 大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法 - Google Patents

Abstract

大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，步骤包括：采集大电网各类稳态和动态数据；实时匹配当前方式和历史严重故障形态，作为稳定分析计算的在线追加预想故障；利用扩展等面积法对电网仿真后的曲线数据进行数据挖掘，抽取系统的稳定性量化特征；当电网具有正的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行发电机极限出力、极限负荷和稳定断面极限功率计算；当电网具有负的安全稳定裕度时，进行预防控制计算、紧急控制计算，确定预防控制措施量及其控制代价、紧急控制措施量及其控制代价；自动搜索预防控制和紧急控制的优化组合。建立了安全稳定预警、预防控制和紧急控制的优化与协调的一体化框架。

Description

大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

长期以来，电网安全稳定预警和决策支持研究仅限于单纯的安全稳定评估、分析和预警功能，或在预警基础上增加的预防控制功能，或在局部电网实现的区域紧急控制功能，安全稳定预警、预防控制和紧急控制的研究缺乏统一、优化和协调。尤其是预防控制和紧急控制，一直被割裂开研究。一方面，对于小概率的严重事件，预防控制并不合理甚至不可行；另一方面，紧急控制的代价往往很高，并且不利于事后的恢复控制。在预防控制和紧急控制之间存在很强的互补性，它们的优化和协调对于市场环境中的互联电网的规划和运行极为重要。稳定性的量化分析是实施先进的预防控制和紧急控制及其协调的基础，而对于安全、经济、环保等方面要求不断增长的电力系统，安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法是关键技术。

对于预防控制来说，它在扰动未发生时就通过改变运行条件将系统运行点引入安全状态，因此预防控制在扰动瞬间就起作用，性能代价比好，但由于在没有扰动时也会增加运行费用，故不可能采用控制代价大的措施，总的控制效果也就有限；对于紧急控制来说，只在检测到特定扰动后才采取措施，以扩大稳定域，因此紧急控制措施在扰动初期来不及起作用，虽然平时并不增加运行费用，但一旦发生扰动，必须采用较激烈的措施，控制的代价大。

稳定控制决策是在保持系统稳定的前提下，使控制代价最小的优化问题。预防控制措施往往是连续量，对应于非线性连续规划；紧急控制往往是离散量，对应于非线性整数规划，其协调问题是混合型的非线性规划问题。如果可供选择的措施种类及数目较多，但没有可靠的量化指标及相关的灵敏度分析技术，或者没有一个有效的搜索策略，那么即使只对单个工况的单个故障进行控制策略的优化，也不是易事。

文献一《电力系统暂态稳定在线监视和预防控制的方法》(专利号ZL95110947.2)披露了一种用于电力系统暂态稳定的在线监视和预防控制的方法。该方法在对电网数据(如发电机、负荷、母线和支路的电压、电流、功率信号)进行采集、变换、监视的SCADA系统，对电力系统在线模型进行仿真分析的各种应用软件数据库的基础上实现对电力系统暂态稳定性的在线分析和对稳定预防控制的能量管理功能。其重要特征是利用集成化扩展等面积准则(IEEAC)为能量管理系统提供在线暂态稳定分析和预防控制决策。

文献二《电力系统自适应的系统保护方法》(专利号ZL95110946.4)披露了一种按电力系统实际工况不断更新决策表的自适应紧急控制系统的实现方法。该方法按本地采集的和从能量管理系统周期性送来的系统工况信息，用扩展等面积准则(EEAC)在线确定各预想故障(对称或不对称故障，可计及单相重合闸)下的紧急控制措施，并存入决策表。一旦发生故障，则从表中找出相应的快关、切机、切负荷、解列等局部或区域性控制措施，并通过相应的控制器实施这些措施。其重要特征是在电力系统中利用集成扩展等面积法(IEEAC)，按实际工况在线周期性更新决策表，而在紧急状态下按实际故障情况来查找决策表并加以实施的自适应稳定控制系统，由专用的数据采集监视子系统，在线决策子系统，控制实施子系统构成就地的或区域性的紧急控制系统，并与已有的能量管理系统在线交换信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，实现大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制功能的一体化，以及安全稳定一体化约束条件下的预防控制和紧急控制的协调。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，包括下列步骤：

1)、汇总数据采集系统采集的大电网各类稳态和动态数据，通过数据整合，提供给稳定分析计算；

2)、利用系统自学习能力，实时匹配当前方式和历史严重故障形态，作为稳定分析计算的在线追加故障；

3)、利用扩展等面积法对电网仿真后的曲线数据进行数据挖掘，抽取系统的稳定性量化特征，包括稳定模式和稳定裕度，进行大电网的安全稳定评估、分析和预警；

4)、当电网具有正的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行发电机极限出力、极限负荷和稳定断面极限功率计算；

5)、当电网具有负的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行大电网安全稳定预警基础上的预防控制计算，确定预防控制措施量及控制代价；同时进行大电网安全稳定预警基础上的紧急控制计算，确定紧急控制措施量及控制代价；

6)、利用预防控制和紧急控制的优化、协调的控制算法，自动搜索预防控制和紧急控制的优化组合，其步骤如下：

i.先在不采用紧急控制的条件下，针对扰动全集按照下式(1)求取预防控制的最优解。若不存在可能解，说明必须考虑紧急控制；

$\min C\left(x_T\right)=\min (C_P\left(x_T\right)+C_e(x_T,e))=\min (C_P\left(x_T\right)+\underset{i=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}(x_T,e_i))---\left(1\right)$

s.t.g(x_T)＝0    (2)

h(x_T，e)＝0     (3)

其中，C为一年中稳定控制的总代价，C_P为一年中预防控制代价；紧急控制C_e为紧急控制e的代价；紧急控制C_ei为紧急控制e_i的代价；n_f为需要考虑的扰动场景总数，式(2)为运行的等式约束，如潮流方程；式(3)包含控制量的容量限制和对稳定裕度的要求；

ii.将x₀取作x_T，对式(4)进行优化，否则，将式(1)的最优解P_opt和对应的靶点x_T作为对式(4)进行优化的条件，并将其代价记为C_P.min备查，再逐个地针对单个扰动，求取紧急控制子问题的初始可行解，

minC_ei(e_i(x_T))    (4)

s.t.g(x_T)＝0      (5)

f(e)≥0           (6)

λ_i(x_T，e_i)≥0    (7)

式(6)代表紧急控制设备的容量限制；式(7)保证系统的安全稳定性；

iii.以初始可行解为起点，沿具有最小性能代价比的措施方向减小控制量，直至系统不稳，此时的控制量记为e′；然后在性能代价比高于该控制量e′的措施子空间中按性能代价比的大小依次增加控制量，直至不但系统稳定、而且减小其任何措施的控制量后，都无法用性能代价比更高的措施来改进，此时的控制量即为在不采取预防控制措施的条件下使系统稳定且代价最小的最优紧急控制解C_ei.min；

iv.如果满足 $\underset{i=1}{\overset{n_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{C}_{\mathrm{ei}.\min }\left(x_T\right)<C_{p.\min },$ 说明紧急控制比预防控制合理，如果该不等式不成立，则需在紧急控制和预防控制两者之间进行协调，即以子问题的最优解为式(1)的初始解，开始优化，若该初始解各项紧急控制性能代价比中的最小值大于预防控制性能代价比中的最小值，则用后者取代之，如此不断寻优，直到两者相等。

本发明的有益效果如下：本发明的方法解决了现有在线安全稳定预警与决策支持系统所欠缺的统一和协调的问题，建立了安全稳定预警、预防控制和紧急控制一体化框架，实现了预防控制和紧急控制优化和协调。本发明采用了一种大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化框架，将安全稳定预警、预防控制和紧急控制纳入到统一的研究框架之中；采用了一种汇总大电网各类静态和稳态数据的数据整合方法，形成了稳定计算必需的电网模型数据；采用了一种利用系统自学习能力，实时匹配当前方式和历史严重故障形态在线追加预想故障的方法；采用了一种预防控制和紧急控制的优化、协调控制算法，实现预防控制和紧急控制决策协调的混合型的非线性规划问题。总之，本发明为在线安全稳定预警与决策支持系统提供了技术框架，实现了安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化和优化协调，提高了电网运行的安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明在线安全稳定预警与决策支持系统结构框图。

图2是本发明大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法的数据整合框图。

图3是本发明大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法的在线追加故障原理图。

图4是本发明的安全稳定预警、预防控制和紧急控制的统一框架图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本发明大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，包括下列步骤：

1)、汇总数据采集系统采集的大电网各类稳态和动态数据，通过数据整合，提供给稳定分析计算；

2)、利用系统自学习能力，实时匹配当前方式和历史严重故障形态，作为稳定分析计算的在线追加故障；

3)、利用扩展等面积法对电网仿真后的曲线数据进行数据挖掘，抽取系统的稳定性量化特征，包括稳定模式和稳定裕度，进行大电网的安全稳定评估、分析和预警；

4)、当电网具有正的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行发电机极限出力、极限负荷和稳定断面极限功率计算；

5)、当电网具有负的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行大电网安全稳定预警基础上的预防控制计算，确定预防控制措施量及控制代价；同时进行大电网安全稳定预警基础上的紧急控制计算，确定紧急控制措施量及控制代价；

6)、利用预防控制和紧急控制的优化、协调的控制算法，自动搜索预防控制和紧急控制的优化组合，其步骤如下：

i.先在不采用紧急控制的条件下，针对扰动全集按照下式(1)求取预防控制的最优解。若不存在可能解，说明必须考虑紧急控制；

$\min C\left(x_T\right)=\min (C_P\left(x_T\right)+C_e(x_T,e))=\min (C_P\left(x_T\right)+\underset{i=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ei}}(x_T,e_i))---\left(1\right)$

s.t.g(x_T)＝0  (2)

h(x_T，e)＝0  (3)

其中，C为一年中稳定控制的总代价，C_P为一年中预防控制代价；紧急控制C_e为紧急控制e的代价；紧急控制C_ei为紧急控制e_i的代价；n_f为需要考虑的扰动场景总数，式(2)为运行的等式约束，如潮流方程；式(3)包含控制量的容量限制和对稳定裕度的要求；

ii.将x₀取作x_T，对式(4)进行优化，否则，将式(1)的最优解P_opt和对应的靶点x_T作为对式(4)进行优化的条件，并将其代价记为C_P.min备查，再逐个地针对单个扰动，求取紧急控制子问题的初始可行解，

minC_ei(e_i(x_T))    (4)

s.t.g(x_T)＝0      (5)

f(e)≥0           (6)

λ_i(x_T，e_i)≥0    (7)

式(6)代表紧急控制设备的容量限制；式(7)保证系统的安全稳定性；

iii.以初始可行解为起点，沿具有最小性能代价比的措施方向减小控制量，直至系统不稳，此时的控制量记为e′；然后在性能代价比高于该控制量e′的措施子空间中按性能代价比的大小依次增加控制量，直至不但系统稳定、而且减小其任何措施的控制量后，都无法用性能代价比更高的措施来改进，此时的控制量即为在不采取预防控制措施的条件下使系统稳定且代价最小的最优紧急控制解C_ei.min；

iv.如果满足 $\underset{i=1}{\overset{n_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{C}_{\mathrm{ei}.\min }\left(x_T\right)<C_{p.\min },$ 说明紧急控制比预防控制合理，如果该不等式不成立，则需在紧急控制和预防控制两者之间进行协调，即以子问题的最优解为式(1)的初始解，开始优化，若该初始解各项紧急控制性能代价比中的最小值大于预防控制性能代价比中的最小值，则用后者取代之，如此不断寻优，直到两者相等。

在本发明中，披露了一种大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化框架。图1是一体化框架的原理图。在线安全稳定预警与决策支持系统依靠传统的仿真技术，利用EEAC量化分析理论，从仿真曲线中抽取电网的稳定性量化特征，实现电网的安全稳定评估、分析和预警功能；在此基础上，利用稳定性量化指标以及灵敏度分析技术，进行电网具有正的安全稳定裕度运行条件下的极限功率计算，以及具有负的安全稳定裕度运行条件下的预防控制、紧急控制的优化协调计算，从安全性和经济性两种角度提高电网的运行水平。

在本发明中，披露了一种汇总大电网各类静态和稳态数据的数据整合方法。图2是内网采用实时模型，外网采用离线模型或上一级电网转发的准实时模型的数据整合方案。数据整合主要有三部分内容：(1)如果外网采用离线模型，从反映不同边界条件和负荷水平的外网模型库中选择合理的离线模型作为外网模型；如果外网采用上一级电网转发的准实时模型，则将之直接作为外网模型；(2)在统一时标下，获取内网SCADA数据，安控装置的稳态数据，PMU动态数据，排除数据中的坏数据，进行内部电网的状态估计，获得满足安全稳定分析精度要求的实时内网模型；(3)外网模型与内网实时模型匹配、合并，得到完整的电力网络模型。

在本发明中，披露了一种利用系统自学习能力，实时匹配当前方式和历史严重故障形态在线追加预想故障的方法。图3是在线追加预想故障的原理框图。对于电网历史上发生的严重故障，由于其发生机率低，囿于在线安全稳定预警与决策支持系统实时性要求和运行资源饱和的矛盾，没有必要在每个计算轮次中都考虑。本发明披露的在线追加预想故障的方法，利用在线系统设置的历史严重故障库、运行方式和环境库，以及自学习规则库，实时匹配当前电网运行方式、气象运行条件、调度操作计划等历史故障重现要素，追加历史发生的研究故障到在线安全稳定预警和决策支持系统的预想故障库中。

在本发明中，披露了一种预防控制和紧急控制的优化、协调控制算法。预防措施必须同时考虑预想故障集中的每个故障，而紧急措施则分别针对不同故障。预防控制付出的代价与扰动是否发生无关，而紧急控制则只有在扰动确实发生时才付出代价。预防控制和紧急控制决策的协调问题是混合型的非线性规划。步骤如下：

假设通过预防控制P，将系统运行点由给定点x₀移到靶点x_T。x_T对于某些扰动可能仍然不稳定，故一旦发生危及系统安全的扰动i时立即执行专门针对该扰动的紧急控制e_i，以保证系统的稳定性。因此，协调的目标是使从x₀到靶点x_T的预防代价和x_T对应的各紧急控制代价的概率加权之和为最小。其数学模型可表示为：

$\min C\left(x_T\right)=\min (C_P\left(x_T\right)+C_e(x_T,e))=\min (C_P\left(x_T\right)+\underset{i=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ei}}(x_T,e_i))---\left(1\right)$

s.t.g(x_T)＝0    (2)

h(x_T，e)＝0     (3)

其中，C(或C_P)为一年中稳定控制的总代价(或预防控制代价)；C_e(或C_ei)紧急控制，为紧急控制或e(或e_i)的代价；n_f为需要考虑的扰动场景总数。式(2)为运行的等式约束，如潮流方程；式(3)包含控制量的容量限制和对稳定裕度的要求，后者必须通过稳定分析来判断。目标函数中的C_ei(x)由下面的紧急控制子问题给出：

minC_ei(e_i(x_T))    (4)

s.t.g(x_T)＝0      (5)

f(e)≥0           (6)

λ_i(x_T，e_i)≥0    (7)

式(6)代表紧急控制设备的容量限制；式(7)保证系统的安全稳定性。

高维的决策空间、措施间的非线性交互、稳定控制的负效应、稳定裕度的非凸性和目标函数的局部极值进一步增加了协调预防措施和紧急决策的复杂性，需要为寻优开发新算法。为此，计算各措施的性能代价比的大小来选择措施的种类；根据稳定裕度的灵敏度来选择措施强度。同时注意EEAC所揭示的机理，例如稳定控制的附效应增加了新的动态约束：当切机使某厂的机组从临界群移至剩余群时，进一步切这些机便会对当前稳定不利；当切机使得稳定裕度增加很小或甚至下降时，不应在切同类机；当快关使得反摆失稳时，不应再增加快关措施。

先在不采用紧急控制的条件下，针对扰动全集对式(1)求取预防控制的最优解。若不存在可能解，说明必须考虑紧急控制；将x₀取作x_T，对式(4)进行优化。否则，将式(1)的最优解P_opt和对应的靶点x_T作为对式(4)进行优化的条件，并将其代价记为C_P.min备查。再逐个地针对单个扰动，求取紧急控制子问题的初始可能解。过程如下：先求得x₀处各候选措施地性能代价比，按其大小顺序依次增加各措施地控制量，并考虑相关约束和控制附效应，直至找到能使系统稳定的措施组合。这个初始解往往不是控制总代价最小的解。

搜索紧急控制子问题最优解的过程如下。以初始可行解为起点，沿具有最小性能代价比的措施方向减小控制量，直至系统不稳；再在性能代价比高于该值的措施子空间中按性能代价比的大小依次增加控制量，直至不但系统稳定，而且减小其任何措施的控制量，都无法用性能代价比更高的措施来改进。这一稳定解就是在不采取预防控制措施的条件下，能使系统稳定且代价最小(记为C_ei.min)的最优紧急控制解。

如果 $\underset{i=1}{\overset{n_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{C}_{\mathrm{ei}.\min }\left(x_T\right)<C_{p.\min },$ 说明紧急控制比预防控制合理，这可能发生在远距离传输水电时，否则，就应该在两者之间进行协调，即以子问题的最优解为式(1)的初始解，开始优化。若该初始解各项紧急控制性能代价比中的最小值大于预防控制性能代价比中的最小值，则用后者取代之。如此不断寻优，直到两者相等。

Claims (1)

1、大电网安全稳定预警、预防控制和紧急控制的一体化协调控制方法，包括下列步骤：

1)、汇总数据采集系统采集的大电网各类稳态和动态数据，通过数据整合，提供给稳定分析计算；

2)、利用系统自学习能力，实时匹配当前方式和历史严重故障形态，作为稳定分析计算的在线追加故障；

3)、利用扩展等面积法对电网仿真后的曲线数据进行数据挖掘，抽取系统的稳定性量化特征，包括稳定模式和稳定裕度，进行大电网的安全稳定评估、分析和预警；

4)、当电网具有正的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行发电机极限出力、极限负荷和稳定断面极限功率计算；

5)、当电网具有负的安全稳定裕度时，利用稳定裕度及相关的灵敏度分析技术，进行大电网安全稳定预警基础上的预防控制计算，确定预防控制措施量及控制代价；同时进行大电网安全稳定预警基础上的紧急控制计算，确定紧急控制措施量及控制代价；

6)、利用预防控制和紧急控制的优化、协调的控制算法，自动搜索预防控制和紧急控制的优化组合，其步骤如下：

i.先在不采用紧急控制的条件下，针对扰动全集按照下式(1)求取预防控制的最优解，若不存在可能解，说明必须考虑紧急控制；

$\min C\left(x_T\right)=\min (C_P\left(x_T\right)+C_e(x_T,e))=\min (C_P\left(x_T\right)+\underset{i=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ei}}(x_T,e_i))---\left(1\right)$

s.t.g(x_T)＝0       (2)

    h(x_T，e)＝0    (3)

其中，C为一年中稳定控制的总代价，C_P为一年中预防控制代价；紧急控制C_e为紧急控制e的代价；紧急控制C_ei为紧急控制e_i的代价；n_f为需要考虑的扰动场景总数，式(2)为运行的等式约束，如潮流方程；式(3)包含控制量的容量限制和对稳定裕度的要求；

ii.将x₀取作x_T，对式(4)进行优化，否则，将式(1)的最优解P_opt和对应的靶点x_T作为对式(4)进行优化的条件，并将其代价记为C_P.min备查，再逐个地针对单个扰动，求取紧急控制子问题的初始可行解，

    minC_ei(e_i(x_T))    (4)

s.t.g(x_T)＝0          (5)

    f(e)≥0           (6)

    λ_i(x_T，e_i)≥0    (7)

式(6)代表紧急控制设备的容量限制；式(7)保证系统的安全稳定性；

iii.以初始可行解为起点，沿具有最小性能代价比的措施方向减小控制量，直至系统不稳，此时的控制量记为e′；然后在性能代价比高于该控制量e′的措施子空间中按性能代价比的大小依次增加控制量，直至不但系统稳定、而且减小其任何措施的控制量后，都无法用性能代价比更高的措施来改进，此时的控制量即为在不采取预防控制措施的条件下使系统稳定且代价最小的最优紧急控制解C_ei.min；

iv.如果满足 $\underset{i=1}{\overset{n_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{C}_{\mathrm{ei}.\min }\left(x_T\right)<C_{p.\min },$ 说明紧急控制比预防控制合理，如果该不等式不成立，则需在紧急控制和预防控制两者之间进行协调，即以子问题的最优解为式(1)的初始解，开始优化，若该初始解各项紧急控制性能代价比中的最小值大于预防控制性能代价比中的最小值，则用后者取代之，如此不断寻优，直到两者相等。

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