CN104505827B - 基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法，控制主站收集测量单元依据故障后实测的各发电机响应，预测下一时刻各发电机功角，按照功角间隙大小排序并实时将其分为两群即超前群和滞后群，预测两群间的暂态稳定性；对于将要失去暂态稳定性的两群系统，实时计算在超前群中需要施加的减发电量及减发电的机组，执行减发电后，维持系统稳定运行；对于不会失去暂态稳定性的系统，不施加紧急控制措施，保持其稳定运行；本发明方法能够用于复杂电力系统的在线实时闭环控制。

Description

基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统闭环控制方法，具体涉及一种基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法。

背景技术

目前电力系统中的安全稳定紧急控制系统的体系结构一般是由分散测量、执行控制的前置单元和集中决策的控制中心经高速、专用通信网络构成。前置单元是以微机为基础的数字测量、通信及控制装置，控制中心主站以专用计算机网络工作站担任，构成紧急控制系统的网络技术已经成熟。

目前电力系统制定和投入紧急控制策略主要有两种方法，1：大量离线计算大扰动场景，提取特征量，用特征量的组合反应暂态稳定性，对不稳定场景，通过反复试凑计算获得稳定控制方案，将其植入稳定控制系统，称为“稳控策略表”。大扰动发生后，根据稳定控制系统实测的特征量组合，查询预植的策略表，判别是否需要执行紧急控制及何种控制方案，简称“离线预决策，实时匹配”；由于电力系统在逐季发展、电网方式不停变化，离线预决策需要考虑的样本量太大，且制定的控制策略难于保证在各种系统方式、运行状态下的有效与经济性。为了适应系统的发展和减少样本的计算量，结合计算手段的进步，尝试采用2：大量简化实际系统，根据当前的在线潮流，稳定控制中心根据给定的预想大扰动事故集，进行在线稳定性仿真计算，总结特征量及其组合的门限，制定控制启动决策表，而控制策略表难于自动详细计算匹配，可以离线计算给定几种策略。大扰动发生后根据实时测量的特征量查询事先制定的控制策略表执行控制，称为“在线预决策，实时匹配”。这两种方式都是基于预想的大扰动事故集，稳定性的判别与制定的控制策略，取决于实际的扰动与事故集的贴近度，并且依赖于系统模型及参数的仿真计算方法，而系统的模型(特别是负荷模型)和参数(特别是调节器响应参数)是难于精确获得的(系统在不断的发展)，因此仿真结果存在可信性问题。

随着PMU在各发电厂和变电站的安装和现代通讯技术的发展，广域测量系统(WAMS)在电力系统已经逐步建立，如果系统中每个发电厂都装有相角测量装置(APMU)，且信息更新周期为10ms-30ms,解决了过去很难获取的状态量(如发电机的功角、角速度、功率等)同步获取问题，而这些状态量又是电力系统暂态稳定性状况最直接的反映和体现，直接使用这些实时测量的状态量对暂态稳定性进行评估与控制，比离线的仿真评估要准确得多。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法，能够用于复杂电力系统的在线实时闭环控制。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法，其特征在于：控制主站收集测量单元依据故障后实测的各发电机响应(如输出功率、速度、角度等)，预测下一时刻各发电机功角，按照功角间隙大小排序并实时将其分为两群即超前群和滞后群，预测两群间的暂态稳定性；对于将要失去暂态稳定性的两群系统，实时计算在超前群中需要施加的减发电量及减发电的机组，执行减发电后，维持系统稳定运行；对于不会失去暂态稳定性的系统，不施加紧急控制措施，保持其稳定运行。

上述基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法，：具体包括如下步骤：

步骤1：控制子站周期性采集本发电厂的发电机的机械输入功率和电磁输出功率、惯性、角速度及功角，并根据本周期输出功率、母线电压的变化，判别控制子站附近有无大扰动发生，将以上信息发送到控制主站；

步骤2：当系统中发生大扰动时，机组的功率会发生突变；控制主站通过收到控制子站送来的大扰动检出信号与监测发电厂功率是否发生突变来启动闭环控制系统；

步骤3：当大扰动发生后，进行不稳定性预测；

1)通过WAMS的实测数据，根据式(1)计算复合功角φ_i；

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)+100\mathrm{\π}[{\mathrm{\ω}}_i\left(t\right)+\frac{\mathrm{\Δ}{P}_i\left(t\right)}{2M_i}\mathrm{\ΔT}]\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式中：δ_i(t),ω_i(t),ΔP_i(t)分别为t时刻第i台机的功角、角速度和不平衡功率，M_i为第i台机的转动惯量，ΔT是数据时间间隔；

2)将复合功角从大到小对发电机排序，依次计算相邻两发电机间功角间隙，取最大角间隙处划界，其界上的发电机为超前机群S，其下的发电机为滞后机群A；

3)将上述两群等值为两机，再将两机等值为单机无限大母线系统；

4)根据式(2)和式(3)判别单机无限大母线系统的稳定性，当τ＞0&μ＞0，单机无限大母线系统将会失去稳定；

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}\left(i\right)-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}(i-1)}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-1)}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}(i-1)-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eq}}(i-2)}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-1)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-2)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\ΔP}\left(i\right)-\mathrm{\ΔP}(i-1)}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-1)}-\frac{\mathrm{\ΔP}(i-1)-\mathrm{\ΔP}(i-2)}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-1)-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{eq}}(i-2)}---\left(3\right)$

式中：τ和μ是系统的稳定性指标，δ_eq和Δω_eq分别是等值单机无限大母线系统的功角和角速度，ΔP是等值单机无限大母线系统的不平衡功率；

步骤4：控制策略的实时制定和控制命令的下达：

1)当判别出无限大母线系统不稳定时，根据式(4)计算等值单机无限大母线系统所需要的控制量η：

$=1-\frac{P_{\mathrm{ec}}}{P_m+\frac{M_T\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ω}}_c}^2}{{\mathrm{\δ}}_u-{\mathrm{\δ}}_c}}---\left(4\right)$

式中：P_m是等值单机无限大母线系统的机械功率，Δω_c和δ_c分别是等值单机无限大母线系统在控制时刻T_c时的角速度和功角，M_T是等值单机无限大母线系统的惯性时间常数，P_ec是等值单机无限大母线系统在控制时刻T_c时的电磁功率。δ_u是等值单机无限大母线系统的不稳定平衡点；

2)再根据等值单机无限大母线系统的切机量，通过式(5)归算到复杂电力系统超前群所需要的切机量ΔP_ms：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ms}}=\frac{(M_a+M_s)\·\mathrm{\η}\·P_m}{\frac{P_{\mathrm{ma}}}{P_{\mathrm{ms}}}{M}_s-M_a}---\left(5\right)$

其中，M_a和M_s是滞后机群A和超前机群S的惯性时间常数，P_ms是超前机群S的机械功率，P_ma是滞后机群A的机械功率；

3)计算超前机群S中各发电机的当前有符号动能与功角的乘积，按照有大到小排序：

$W_c\left(i\right)=\frac{1}{2}{M}_i\·\left|{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_c\right|\·{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_c\·{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_c---\left(6\right)$

其中，是第i台发电机在超前机群S局部惯性中心坐标下T_c时刻的角速度，是故障发生时刻到T_c时刻的功角差；

得到初始的优先切机地点集合Ω(i)：

Ω(i)＝{i|W_c(i)＞0,i∈S}

4)剔除超前机群中被动失稳机组；切机后如果等值单机无限大母线系统的机械输入功率减小，该机是切机控制负效应机组，应该从切机备选群中剔除，切机前等值机械功率与所有发电机的机械功率关系为式(7)

P_m＝(M_aP_ms-M_sP_ma)/(M_a+M_s) (7)

逐次试探计算切除超前机群S中的每台发电机，来观察其对等值系统机械输入功率P_m的影响，第i台发电机被切除时，则等值机械功率P′_m变为：

$P_m^{\text{'}}\left(i\right)=\frac{M_a(P_{\mathrm{ms}}-P_{\mathrm{mi}})-(M_s-M_i)P_{\mathrm{ma}}}{M_T-M_i}---\left(8\right)$

其中，P_mi为第i台机的机械输入功率。

如果P′_m(i)＞P_m，则第i台发电机就是被动失稳机组，应该从候选切机S群中除去这台发电机，则被切机组在以下集合中选取，记为Ω′(i)：

Ω′(i)＝{i|W_c(i)＞0且P′_M(i)＜P_M,i∈S}

5)在Ω′(i)中依次取机组作为被切除机组，当总容量大于ΔP_m且最接近于ΔP_m时所选出的机组就是最终的切机控制策略，将其下达给相应的发电厂控制子站执行切机；

步骤5：闭环控制的目标是保持系统暂态稳定，检测系统功角曲线连续三次摆动的最大摇摆角均逐次递减时，即可复归本次闭环控制计算，监视下次大扰动发生。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、通过应用广域动态信息系统(WAMS)数据平台，使得动态过程中各发电机组的运动曲线可以直接测量而不必依赖数值计算得到，利用发电机的动态响应(如输出功率、速度、角度)及其间的特定关系实时预测电力系统的暂态稳定性；

2、本发明的切机控制不是根据预先制定的控制策略表执行，而是根据系统实时的工况与响应计算获得的，有效地避免了预先制定的控制策略表中工况与故障组合有限的缺点，不会出现“失配”现象；

3、在诸多不确定性因素的影响下，仅进行一次控制并不能完全保证失稳的系统恢复稳定，同时，切机控制后，系统也可能出现导致失稳的其它故障；而本发明会持续监视电力系统的发展，重新进行稳定性判别，并对新的失稳情形重新制订切机控制规律，直到系统最终稳定为止。

附图说明

图1是计算示例WEPRI36系统接线图。

图2是基于响应的复杂系统闭环控制方案流程图。

图3是各发电机相对于系统惯性中心的功角曲线图。

图4是0.65s控制策略实施之后的系统功角曲线图。

具体实施方式

如图1所示，WEPRI36系统，故障设置为母线31和母线33之间靠近母线33侧发生三相短路接地故障，0.19秒跳开线路，根据策略表在0.35s的时候切除了G8发电机30％出力。

如图2所示，正常运行时，控制子站收集和保存各个测量单元测量的实时数据，并将数据上传至控制主站。

在0s、0.19s和0.35s分别监测到功率突变，在最后一次网络操作0.35s后，启动闭环控制。

根据此时的复合功角进行实时分群，在0.5s的时候，超前机群S为G7，G8发电机，滞后机群A为G1，G2，G3，G4，G5，G6发电机，并通过两个指标均大于零，判别出系统将要失稳，启动控制量的计算。图3给出了此时发电机相对于系统惯性中心的功角曲线图。

各发电机G1-G8的惯性时间常数如表1所示。

超前机群S、滞后机群A和等值单机无限大母线系统的惯性时间常数如表2所示。

表1(单位：s)：

G1	G2	G3	G4	G5	G6	G7	G8
								140.812	29.998	79.503	15.679	39.200	2.620	21.999	32.598

表2(单位：s)：

临界机群	其余机群	等值单机系统
			54.5975	307.8125	46.3723

0.5s时，超前机群S、滞后机群A和等值单机无限大母线系统的转子角、角速度、机械功率、电磁功率如表3所示：

表3

	转子角(度)	角速度(标幺值)	机械功率(标幺值)	电磁功率(标幺值)
					临界机群	130.2230	1.0116	4.5018	5.4091
其余机群	22.6624	1.0053	21.1514	17.6671
					等值单机系统	107.5606	1.0063	0.6371	1.9327

0.5s时，G7，G8发电机的机械功率、电磁功率如表4所示：

表4

	机械功率(标幺值)
		G7	2.30786
G8	2.19466

通过控制前的信息预测等值单机系统的不稳定平衡点为124.8947°，通过公式(5)计算等值单机系统的控制量η＝0.1502；通过公式(6)将计算得到的等值单机系统的控制量归算到多机侧ΔP_ms＝0.7021。由于临界机群包含两台机组G7和G8，需要通过式(7)计算W_c(i)进行排序，得到的切机顺序：G7，G8。通过式(8)，两台发电机P′_M(i)＜P_M，均为主动失稳机群，最终确定切机顺序为G7，G8。因此得到使得系统恢复稳定的紧急控制为切除G7发电机30％出力，在0.65s执行控制策略，控制策略动作之后的功角曲线图如图4所示。

继续监测系统轨迹，监测到连续三次摆动的最大摇摆角均逐次递减，复归本次闭环控制。

对于一个多机系统，闭环控制方法能够通过实时信息准确的判别出系统的稳定性，并在系统失稳之前施加控制使得系统恢复稳定，持续监测系统轨迹，能够保证电力系统安全稳定运行。

Claims (1)

1.基于响应信息的复杂电力系统闭环控制方法，控制主站收集测量单元依据故障后实测的各发电机响应，预测下一时刻各发电机功角，按照功角间隙大小排序并实时将其分为两群即超前群和滞后群，预测两群间的暂态稳定性；对于将要失去暂态稳定性的两群系统，实时计算在超前群中需要施加的减发电量及减发电的机组，执行减发电后，维持系统稳定运行；对于不会失去暂态稳定性的系统，不施加紧急控制措施，保持其稳定运行；其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：控制子站周期性采集本发电厂的发电机的机械输入功率和电磁输出功率、惯性、角速度及功角，并根据本周期输出功率、母线电压的变化，判别控制子站附近有无大扰动发生，将本发电厂的发电机的机械输入功率和电磁输出功率、惯性、角速度及功角，以及有无大扰动发生发送到控制主站；

步骤2：当系统中发生大扰动时，机组的功率会发生突变；控制主站通过收到控制子站送来的大扰动检出信号与监测发电厂功率是否发生突变来启动闭环控制系统；

步骤3：当大扰动发生后，进行不稳定性预测；

1)通过WAMS的实测数据，根据式(1)计算复合功角φ_i；

${\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)+100\mathrm{\π}\[{\mathrm{\ω}}_i\left(t\right)+\frac{{\mathrm{\ΔP}}_i\left(t\right)}{2M_i}\mathrm{\Δ}T\]\mathrm{\Δ}T---\left(1\right)$

式中：δ_i(t),ω_i(t),ΔP_i(t)分别为t时刻第i台机的功角、角速度和不平衡功率，M_i为第i台机的转动惯量，ΔT是数据时间间隔；

2)将复合功角从大到小对发电机排序，依次计算相邻两发电机间功角间隙，取最大功角间隙处划界，其界上的发电机为超前机群S，其下的发电机为滞后机群A；

3)将上述两群等值为两机，再将两机等值为单机无限大母线系统；

4)根据式(2)和式(3)判别单机无限大母线系统的稳定性，当τ＞0&μ＞0，单机无限大母线系统将会失去稳定；

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_{eq}\left(i\right)-{\mathrm{\Δ\ω}}_{eq}(i-1)}{{\mathrm{\δ}}_{eq}\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-1)}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_{eq}(i-1)-{\mathrm{\Δ\ω}}_{eq}(i-2)}{{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-1)-{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-2)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Δ}P\left(i\right)-\mathrm{\Δ}P(i-1)}{{\mathrm{\δ}}_{eq}\left(i\right)-{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-1)}-\frac{\mathrm{\Δ}P(i-1)-\mathrm{\Δ}P(i-2)}{{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-1)-{\mathrm{\δ}}_{eq}(i-2)}---\left(3\right)$

式中：τ和μ是系统的稳定性指标，δ_eq和Δω_eq分别是等值单机无限大母线系统的功角和角速度，ΔP是等值单机无限大母线系统的不平衡功率；

步骤4：控制策略的实时制定和控制命令的下达：

1)当判别出无限大母线系统不稳定时，根据式(4)计算等值单机无限大母线系统所需要的控制量η：

$\mathrm{\η}=1-\frac{P_{ec}}{P_m+\frac{M_T{{\mathrm{\Δ\ω}}_c}^2}{{\mathrm{\δ}}_u-{\mathrm{\δ}}_c}}---\left(4\right)$

式中：P_m是等值单机无限大母线系统的机械功率，Δω_c和δ_c分别是等值单机无限大母线系统在控制时刻T_c时的角速度和功角，M_T是等值单机无限大母线系统的惯性时间常数，P_ec是等值单机无限大母线系统在控制时刻T_c时的电磁功率，δ_u是等值单机无限大母线系统的不稳定平衡点；

2)再根据等值单机无限大母线系统的切机量，通过式(5)归算到复杂电力系统超前群所需要的切机量ΔP_ms：

${\mathrm{\ΔP}}_{ms}=\frac{(M_a+M_s)\·\mathrm{\η}\·P_m}{\frac{P_{ma}}{P_{ms}}{M}_s-M_a}---\left(5\right)$

其中，M_a和M_s是滞后机群A和超前机群S的惯性时间常数，P_ms是超前机群S的机械功率，P_ma是滞后机群A的机械功率；

3)计算超前机群S中各发电机的当前有符号动能与功角的乘积，按照有大到小排序：

$W_c\left(i\right)=\frac{1}{2}{M}_i\·\left|{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_c\right|\·{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_c\·{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_c---\left(6\right)$

其中，是第i台发电机在超前机群S局部惯性中心坐标下T_c时刻的角速度，是故障发生时刻到T_c时刻的功角差；

得到初始的优先切机地点集合Ω(i)：

Ω(i)＝{i|W_c(i)＞0,i∈S}

4)剔除超前机群中被动失稳机组；切机后如果等值单机无限大母线系统的机械功率P_m减小，该机是切机控制负效应机组，应该从切机备选群中剔除，切机前等值单机无限大母线系统的机械功率P_m与所有发电机的机械功率关系为式(7)

P_m＝(M_aP_ms-M_sP_ma)/(M_a+M_s) (7)

逐次试探计算切除超前机群S中的每台发电机，来观察其对等值单机无限大母线系统的机械功率P_m的影响，第i台发电机被切除时，则等值机械功率P′_m变为：

$P_m^{\′}\left(i\right)=\frac{M_a(P_{ms}-P_{mi})-(M_s-M_i)P_{ma})}{M_T-M_i}---\left(8\right)$

其中，P_mi为第i台机的机械输入功率；

如果P′_m(i)＞P_m，则第i台发电机就是被动失稳机组，应该从候选切机S群中除去这台发电机，则被切机组在以下集合中选取，记为Ω′(i)：

Ω′(i)＝{i|W_c(i)＞0且P′_M(i)＜P_M,i∈S}

5)在Ω′(i)中依次取机组作为被切除机组，当总容量大于ΔP_ms且最接近于ΔP_ms时所选出的机组就是最终的切机控制策略，将其下达给相应的发电厂控制子站执行切机；

步骤5：闭环控制的目标是保持系统暂态稳定，检测系统功角曲线连续三次摆动的最大摇摆角均逐次递减时，即可复归本次闭环控制计算，监视下次大扰动发生。