CN1129368A

CN1129368A - 在线预决策的自适应稳定保护系统

Info

Publication number: CN1129368A
Application number: CN 95110946
Authority: CN
Inventors: 薛禹胜
Original assignee: ELECTRIC-POWER AUTOMATION ACADEMY MINISTRY OF ELECTRIC-POWER INDUSTRY
Current assignee: Nari Technology Co Ltd
Priority date: 1995-02-25
Filing date: 1995-02-25
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2015-02-25
Also published as: CN1120555C

Abstract

在线静态安全分析功能已经在全世界范围内的能量管理系统中广泛实现，但上述系统则是唯一得到工程实用的在线暂态安全分析系统。本发明为电力系统的能量管理系统(EMS)提供了一种计算机程序，使电力系统的预防控制能力从静态安全水平提高到动态安全水平。根据电力系统在线采集的各种状态量和量测量所反映的实际工况或者根据预报的研究工况，用集成化的EEAC快速计算各种故障的临界切除时间(CCT)和极限功率。

Description

在线预决策的自适应稳定保护系统

本发明属电力系统稳定紧急控制领域，是一种电力系统中按实际工况周期性更新决策表的自适应紧急控制系统。

从经济和现实的观点出发，预防控制并不总是可行和/或足够的。对于小概率的严重事故，事故发生后采用紧急控制可能比事先采取预防控制更合理。

现有的紧急控制决策方案有以下几种方案：

第一种是实时计算方案，其方案是根据实际的工况X₁和实际的故障Y₁，用快速算法实时计算控制量。这样得到的量完全针对实际情况，其优点是除了算法和在线数据本身的误差之外，没有其它附加的误差，其不足是要求算法具有超实时的速度和足够的精度和强壮性，又远超出了目前的技术水平。

第二种是实时测量伴以实时预报方案，但其决策方案没有解决如何按照具体的情况来给定判断失稳的阀值。

第三种是离线预先计算在线实时匹配方案，该方案的离线计算负担非常沉重，如辽西区域稳定控制系统需要一万多张决策表。另一方面，在线应用时电网工况仍可能失配。其后果是要么控制系统无所适从，或者控制的效果极差，或者不必要的中断供电。有些电网增加人为的干预，如遇到对于控制系统很难适应的一些运行方式，则由电网调度员下命令停用控制系统(即加压板)，这些给调度员带来许多不必要的麻烦(参见施鸣鹤、薛禹胜《大电网稳定控制系统综述》，1992年南京自动化研究所)。

图1给出了现有稳定控制装置中主站系统的硬件配置框图，主站的上位处理机由三组STD微机构成，每组STD微机的数据处理及事故处理程序相同，微机3是主处理机，兼作裁决机进行三中取二的表决，并负责面板管理，输出打印与PC机通信等。

前置处理机完成交流输入信号的采样与计算，完成开关量输入信号的读入，进行启动判别、无故障跳闸判别、PT、CT回路异常判别，并将结果经数据交换总线、总线接口板送到上位微机部分的总线接口板内。AC变换器把输入的电压信号、电流信号变换为适合于前置处理机字样的弱信号，并进行幅度调整和相位补偿，时序板将晶振分频及产生时序信号，总线接口板用于数据总线与STD总线接口。更详细的描述可以参见《SSC型神头地区安全稳定控制系统神头一电厂主控制站技术说明书》，电力部南京自动化研究所，1993年12月。

整个紧急控制过程，包括远程通讯、决策和实施，必须在一个很短的时间间隔(例如200ms)内完成。国内外现有的稳定紧急控制系统广泛采用“离线计算决策表，实时匹配”方案，也即离线准备好决策表，将预先指定的运行工况和事故情况作为表的索引。一旦检测到某一事故，用实际运行工况和事故情况与决策表的索引作近似匹配，挑选出控制策略。这一方案需要大量的离线计算，并且对系统变化的灵活性很差。一方面，离线分析提供的信息难以覆盖实际运行中遇到的全部运行工况；另一方面，实时工况的匹配仍可能会失败。因此，使用中拒动或者措施过甚的情况十分严重。此外，即使只考虑常见的运行方式，一个区域控制系统也可能需要几万张决策表和几个人年的计算量，而一旦系统新增电厂或干线，原有决策表将作废。另一些系统实时跟踪本地的功角或加速功率，但是却回避了它们的临界值随工况、故障，计算模型和控制措施而变的关键问题。由于临界值被固定或仍依赖离线预先计算，因此既不能说是实时计算，也不能说是具有自适应能力。有些国外研究工作使用离线计算决策表方案而在迂到在线工况失配的情况时，简单地将外系统处理为无限大母线，而在线预先计算临时应付的决策表以避免控制系统的无解，显然这也谈不到自适应能力。由于不能真正做到在线计算，则理想的自适应紧急控制系统难以为之。

EEAC(扩展等面积准则)是本申请发明人发明的一种暂态稳定快速分析法。它在国际上被一致公认为直接法三大流派中最具有在线应用前景的一个。它是唯一能以解析近似公式求解多机系统稳定性的直接法，也是迄今为止唯一得到严格证明的直接法。

EEAC从1986年间世以来，经历了静态(SEEAC)、动态(DEEAC)和集成(IEEAC)三个阶段。关于SEEAC和DEEAC已发表了30多篇国际论文，被本领域广泛引用，被国外选为研究生教材，并由国际权威专著作为专章介绍。其早期成果已在中国和法国电力系统的实际工程应用中得到电力企业的首肯。本申请人提出的另一件专利申请9510在现有技术描述中给出了EEAC应用的现状。

但是SEEAC和DEEAC还存在以下问题：(1)只能反映首摆和第2摆的稳定性(当今其它直接法均只能反映首摆稳定性)，无法处理多摆稳定性；(2)与当今所有方法包括数值积分法在内一样，都无法处理孤立稳定区现象；(3)对首摆稳定性的精度和速度之间的矛盾解决得还不够理想；(4)对于复杂模型，上述矛盾更为突出，以至于EEAC对于数值积分法不再具有明显的速度优势。

IEEAC克服了上述困难，并已在中国电力系统中通过了工程应用的考验。有关IEEAC的技术内容至今仍是一个黑盒子而未在会议、杂志及谈话中公开过，但已在提出的另一份发明专利申请书(申请为9510的“电力系统暂态稳定的在线监视和预防控制系统”)。

本发明的目的是利用IEEAC能快速计算稳定裕度并进行灵敏度分析的特点来评估各种紧急控制措施的效果和极限值。由于可以在线跟踪实际工况，在较短的时间内算完全部预想故障并刷新决策表，成千上万无关工况就不必再在决策表中出现。这样不但避免了大量的离线计算，并且最大程度地利用了所有的准实时信息。在这个意义上讲，当然也就不存在工况失配的可能性。

由本申请的发明人提出的关于在线预先计算决策表实时匹配的紧急控制系统的初步方案于1990年发表于国内，1993年发表于国际，但该方案对于复杂模型下稳定性直接分析仍然要依靠离线的大量计算来提取知识，可行性较差；另一方面专家系统的知识质量直接影响了控制精度，因此决策的强壮性不好。本申请的新方案很好地解决了上述问题，其技术方案和细节也未公开过。

本发明技术解决方案是：

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，而在紧急状态下只需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。其特征是(1)在线预算决策表时，尽量利用就地的专用数据采集装置得到的就地信息，以及能量管理系统汇总的实际工况信息，对缺乏实时数据的量则自动采用计划预报值。(2)与规划类型及预防控制类型的应用不同，不是通过临界切除时间或其它临界参数的概念，而是直接用规范化以后的稳定裕度(η)概念来指导决策。(3)利用IEEAC，在所需模型下选择各预想故障所需采用的紧急控制对策。先用经典模型(CM)下的IEEAC来排除极其稳定的场景，而对其它场景提供有关临界映象OMIB(记为R_C ¹(CM))，及其时变度σ(CM)，稳定裕度η对重要控制量X的近似灵敏度系数，以及是否可能存在多摆失稳和孤立稳定区等有用信息。再用DEEAC考虑复杂发电机模型及负荷模型的影响，并作专家系统技术来综合不同因素各自的影响，得到复杂模型且为实际切除时间下的动能增加面积A_inc，及未加控制时的η。如果η足够大且σ足够小，则可结束对该故障场景的分析；如果η大，但σ也大，则不必考虑紧急措施，直接进入多摆校核。(4)对一个预想的紧急控制措施进行评估时，只需要从控制投入时刻形式开始作积分映衬，直到等值角返回或遇到动态鞍点为止，计算动能减速面积A_dec。按所得η＝A_dee—A_inc值判断该措施是否不足或过分。(5)对复杂的发电机模型的多机积分采用各机EQi逐段恒定的方案，从而可以用变步长的高阶台劳级数展开。对控制器的动态方程用小步长积，而将负荷和其它网络型元件的复杂模型处理为逐段恒阻抗。(6)用σ(DM)＝(η^DE(DM)—η^SE(CM))/η^SE(CM)来反映复杂模型OMIB映象的时变程度，其中η^DE(DM)和η^SE(CM)分别对应于复杂模型(DM)下动态EEAC(DEEAC)和经典模型(CM)下的静态EEAC(SEEAC)。如果σ(DM)太大，则要验算是否可能反向多摆失稳；如果σ(DM)负得很大，则要验算是否可能发生正向多摆失稳。用专家系统技术处理深层知识，来加快预决策的速度，但不直接影响决策精度。这些作用包括在计算过程中局部松弛对复杂模型的要求，提出初值建议，提出对各种控制措施的试探策略，识别潜在多摆失稳和孤立稳定区的可能性。为加速在线更新决策表的速度可以采用分布计算技术，其任务调度是以故障场景为单位的。其工作步骤分为在线预算和实时匹配两部分。在线环境中，按实时采集的工况信息和预定义的故障场景用IEEAC不断计算适当的紧急控制措施，并存入决策表；一旦检测到电力系统发生的故障，就可以按故障信息查表得到应采取的措施并自动执行。其实现既可以针对局部紧急控制，也可以针对区域紧急控制；故障表的计算可以在一个CPU中串行进行，也可以在多个CPU中并行进行。

IEEAC比当前任何可望实用的稳定分析方法都快得多，并且从原理上保证了其精度和可靠性。一台20MIPS的工作站能在5分钟内对复杂电力系统完成20个稳定分析，控制决策的算例。这就为理想的在线更新决策表的方法创造了条件。

以下根据附图和实例对发明作详细描述。

图2是自适应稳定保护系统(虚框内)的原理图。图3为工业控制计算机对故障场景预决策的处理方法程序框图。图1的结构图可继续被采用。通过与能量管理系统(EMS)的远动通信或计算机通信，取到尽量多的外部信息，至少应该有系统及各分区的总发电量总负荷量，以及必要的网络柘朴信息。本地的实时信息还被直接导入本保护装置。

任何有可能得到的量都应该尽量保留在计算模型中，在因故偶而未能得到某量的实时值时，沿用上次值，但在一定时间后，自动采用对应的计划值。这些在线信息和计划值经信息处理以后，定期刷新数据库中反映实际工况的数据。协调层专家系统ES_o管理若干个并行的工业控制机，对各预想事故下的紧急措施作出决策。计算任务是以预想事故为单位分配给各工业控制机，后者作出的预决策返回给ES，统一填写决策表。若干个工业控制机CPU₁～CPU_n按IEEAC算法更新决策表，表1和表2轮流承担前、后台决策表，前台表的内容送往表3供实时故障匹配用，而后台表则处于更新状态。当故障被检测到后，立即在表3中查到相应的决策(如切机，切负荷，快关汽门等)措施并实施之。

每个工业控制机每次负责一个故障场景的预决策，图3是其处理流程，虚线左面是专家系统部分，右面是EEAC算法部分。工业控制机向上层ES_o领取一个故障场景以后，用ES_i指导EEAC进行决策预算，并在完成以后向ES_o报告决策内容。

第(1)框用IEEAC(CM)计算经典模型下的临界群(CC)、临界切除时间t_c及映象OMIB的时变度σ(CM)。第(2)框滤去极其稳定的场景，即仅在不够稳定时才进一步计算。第(3)框用DEEAC(DM)计算复杂模型在实际故障切除时间且未加控制的情况下的η及A_inc。第(4)框进一步滤除足够稳定的故障场景，并按可能采用的各控制措施的优先级及灵敏度信息推荐试算的紧急控制措施X。第(5)框针对该项控制。用DEEAC(DM)计算对应的A_dec(X)、η(X)以及dη/dx值。第(4)框将依此建议下一次尝试，直到η(x)在满意的区间中为止，此时，将由第(6)框预测是否存在多摆及孤立稳定区的可能性，若有则由第(7)框用IEEAC(DM)搜索修正X。

本申请人已为浙江电网的一个紧急控制系统进行了大量的可行性分析，其技术性能得到用户单位的首肯。进一步的实施正在进行之中。

总之，本发明提供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。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。

由于本发明集成了EEAC的快速性和灵敏度分析能力，数值积分法的准确性，以及建立深度知识上的专家系统的智能性，不但避免了大量无关的离线计算和实际工况条件之间的失配误差，并且对电力系统的扩展，在线信息的删补，控制设备种类和数量的变化，以及对电力系统数学模型的改变均有极好的适应性和强壮性。另一方面，本紧急控制系统还有模块化好，适应批量性生产，生产周期短及生命周期长的优点。对已投入运行的，按离线预算进行决策的紧急控制系统也只需更换与决策表有关的软件，就可以获得上述优点，而不需要更新主要的硬件设备。

Claims

1、一种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，而在紧急状态下只需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，其特征是(1)在线预算决策表时，尽量利用就地的专用数据采集装置得到的就地信息，以及能量管理系统汇总的实际工况信息，对缺乏实时数据的量则自动采用计划预报值；(2)与规划类型及预防控制类型的应用不同，不是通过临界切除时间或其它临界参数的概念，而是直接用规范化以后的稳定裕度(η)概念来指导决策；(3)利用IEEAC，在所需模型下选择各预想故障所需采用的紧急控制对策；先用经典模型(CM)下的IEEAC来排除极其稳定的场景，而对其它场景提供有关临界映象OMIB(记为R_C ¹(CM))，及其时变度σ(CM)，稳定裕度η对重要控制量X的近似灵敏度系数，以及是否可能存在多摆失稳和孤立稳定区等有用信息；再用DEEAC考虑复杂发电机模型及负荷模型的影响，并作专家系统技术来综合不同因素各自的影响，得到复杂模型且为实际切除时间下的动能增加面积A_inc，及未加控制时的η；如果η足够大且σ足够小，则可结束对该故障场景的分析；如果η大，但σ也大，则不必考虑紧急措施，直接进入多摆校核；(4)对一个预想的紧急控制措施进行评估时，只需要从控制投入时刻形式开始作积分映衬，直到等值角返回或遇到动态鞍点为止，计算动能减速面积A_dec；按所得η＝A_dec—A_inc值判断该措施是否不足或过分；(5)对复杂的发电机模型的多机积分采用各机E_Qi逐段恒定的方案，从而可以用变步长的高阶台劳级数展开，对控制器的动态方程用小步长积，而将负荷和其它网络型元件的复杂模型处理为逐段恒阻抗；(6)用σ(DM)＝(η^DE(DM)－η^SE(CM))/η^SE(CM)来反映复杂模型OMIB映象的时变程度，其中η^DE(DM)和η^SE(CM)分别对应于复杂模型(DM)下动态EEAC(DEEAC)和经典模型(CM)下的静态EEAC(SEEAC)；如果σ(DM)太大，则要验算是否可能反向多摆失稳；如果σ(DM)负得很大，则要验算是否可能发生正向多摆失稳。

2、由权利要求1所述的自适应稳定控制系统，其特征是用专家系统技术处理深层知识，来加快预决策的速度，但不直接影响决策精度；这些作用包括在计算过程中局部松弛对复杂模型的要求，提出初值建议，提出对各种控制措施的试探策略，识别潜在多摆失稳和孤立稳定区的可能性。

3、由权利要求1、2所述的自适应稳定控制系统，其特征是为加速在线更新决策表的速度可以采用分布计算技术，其任务调度是以故障场景为单位的。

4、由权利要求1、2所述的自适应稳定控制系统，其特征是其工作步骤分为在线预算和实时匹配两部分。在线环境中，按实时采集的工况信息和预定义的故障场景用IEEAC不断计算适当的紧急控制措施，并存入决策表；一旦检测到电力系统发生的故障，就可以按故障信息查表得到应采取的措施并自动执行。

5、由权利要求1、2所述的自适应稳定控制系统，其特征是其实现既可以针对局部紧急控制，也可以针对区域紧急控制；故障表的计算可以在一个CPU中串行进行，也可以在多个CPU中并行进行。