关键词：电力系统稳定；自适应稳定控制装置；分散解耦控制；在线实时控制1 设计思想1．1 电力系统稳定控制装置目前应用中的不足 电力系统扰动形式复杂，扰动量时变，扰动地点随机。而电力系统稳定控制装置目前能达到的状况是“在线预决策”的策略表方式：实时测量系统工况，快速搜索最佳控制策略，在线刷新控制策略表（5min之内），对系统工况和电网发展变化具有较强的适应性。它作为正常运行时预防稳定事故的发生是有效的工具，但对故障情况只能做到利用保护装置判别故障类型和故障发生区段。存在的根本问题是： （1）准确性差 根据在线运行方式，假定各种故障扰动，装置周期性（5min）地进行计算并周期性地更新计算结果。当故障发生时，调用故障前最后一次的计算结果。其优点为运行工况为实际情况，能满足200～300 ms内按策略表要求处理完毕，而缺点为准确性差。 电力系统中的故障是不可预知的，离线计算无法考虑故障点的过渡电阻及电力系统自动装置实际发挥的作用，无法考虑实际单相故障可能比三相故障更严重等，因而可能出现当系统发生故障而稳定控制装置拒动时，系统仍能稳定运行的情况。同时存在离线计算的根本问题，无法保证控制量的准确性，无法保证电力系统不发生大面积停电事故，即无法阻止发生失步振荡、电压崩溃、频率崩溃及非故障线 路因过负荷连续跳闸。 （2）不能满足快速性 衡量系统是否会失步，关键量是功角变化的大小。功角测量时滞太大，当实测到临界功角时，来不及进行控制，系统就已经解列了。众所周知，电力系统运行从整体上看是一个能量的产生与传输的问题，功角之所以变化是由于系统发生故障时发电机组的机械功率与送出的电功率不平衡产生的暂态能量引起的，且在保护装置切除故障的同时，注入系统的暂态能量就已经知道了。问题在于采用什么方法计算。目前采用的离线（即使5分钟更新一次）的策略表方式是采用全系统能量函数的计算方法，考虑暂态过程中系统所有发电机的能量变化，包括非失稳机组之间作相互摇摆的能量和失稳机组从其余部分分离出去的能量。在暂稳过程中，只有失稳机组的能量才对系统的稳定起决定作用。把非失稳机组间作相互摇摆的能量也计入的全局能量函数的计算结果就不够准确，且计算工作量太大。现有计算机的规模及速度无法满足实时在线控制的要求。1．2 构成紧急稳定控制装置的出发点（1）采用专用装置 现有计算机在规模与速度上只能满足能量管理系统对预防静态稳定事故和经济运行要求的调节及恢复供电的功能，而无法满足紧急在线稳定控制装置的要求。 电力系统是典型的非线性系统。当系统运行点改变时，如负荷大幅度波动或发生严重故障时，系统的动态特性会显著改变，必须采取切机、切负荷等措施才能保证系统的稳定性，即必须进行非线性控制。 电力系统稳定控制装置与保护装置一样，属于断续性的紧急控制装置。要想根本解决电力系统的安全稳定问题，必须使稳定装置与保护装置一样满足快速、准确的要求。当电力系统出现发电与用电不平衡时，要求在200～300 ms内快速、准确地完成紧急控制，才能确保系统稳定。而且装置不宜太庞大，因为元件越多，故障率越高，不符合保护装置对可靠性的要求。应该使紧急稳定控制装置与潮流管理等彻底分开，成为专用装置。 （2）控制量应该快速、准确 稳定控制装置的动作速度是装置的灵魂。有资料证明：故障切除时间延迟20 ms，就要求从切1台机加到切3台机才能保持系统稳定。不言而喻，快而不准，只能增加干扰源，是绝不允许的。 （3）在线计算与策略表相互配合 对单一故障，由策略表中的人工智能部分进行处理；对复杂多重故障，通过实时在线计算暂态能量进行控制。其中策略表部分是指模式识别，按照可能的运行方式，通过大量的离线计算构成样本集，从中抽取能表征系统稳定性的特征量（如电压、输出功率等），列出特征量判别式，用于快速在线判别。而当保护或开关拒动时，则由故障开始时即在线计算暂态能量进行控制，当功角达到临界值时发出控制命令；如果在保护动作时将开关固定跳闸时间（60 ms左右）引入的暂态能量预算功角，则尚可提前60ms，即电力系统无论发生单一故障或多重复杂故障，均可在故障由保护切除的同时给出控制量，使电力系统发生任何故障时均可实时送出最佳控制量，使策略表与在线计算相互配合。1．3 稳定控制装置实现在线控制的可能性 建立在下述三个实际情况上： （1）系统失稳决定于单机能量 由文献［1］可知，“电力系统这个多变量非线性的时变大系统的稳定域的确定变得异常复杂”，“全系统的暂态能量只有部分能量真正对稳定性起作用”。文献［2］指出：“用单机能量函数分析电力系统暂态稳定较全局能量函数法可以更好地反映暂态稳定的本质。因为系统失稳解列并不依赖全系统的能量，而主要取决于倾向从系统的其余部分分离开的单个电机或局部电机群的能量。” 系统暂态稳定性主要取决于影响失步的这部分能量能否被系统网络（输电线和负荷）所吸收。如果能够完全吸收，则系统是稳定的，否则系统失去稳定。 在发电机运动的实际轨迹上计算上述积分才能代表每个发电站的暂态能量，以故障开始时刻为计算起点，向时间增加的方向进行积分，依赖于发电机在暂态过程中运动的实际轨迹描述的才是在暂态过程系统动能真实的变化。同调机组中每个电厂暂态能量变化各不相同，与各厂所在系统位置、运行参数、故障位置等多种因素有关。有的电厂暂态能量可以被网络吸收，不造成危害，它们可能在快速处理导致失步的害群之马后，又拉入同步。这部分暂态能量应予扣除，不必处理。 应用单机能量函数可以识别失稳机组。发电机受扰后暂态特性的重要信息是不平衡功率。在故障过程中实时计算功角的变化，由于可以分散在各个控制点同时并行进行，只对功角大于临界值者处理，使稳定控制装置具有鲁棒性和高抑制扰动的能力。 由此可知：只有分散计算，才能找到真正的临界机群。只有直接应用受扰后发电机的动态方程，直接按运动轨迹进行梯形积分路径，才能精确的求出功角变化值。也只有分散计算，才能简化计算，实现实时在线计算，在故障切除时结束计算，得到定量判据。 （2）双机失稳模式可以等值为单机无穷大系统电力系统是一个强非线性的结构多变的大型动态系统。能否对网络结构和系统运行点以及故障情况变化具有良好的鲁棒性和控制功能，是稳定控制装置成败的关键。 首先分析系统失稳过程，从实际资料可见：一般开始均是双机系统失稳模式，失稳只与其间相对相角的变化有关。装置所在处的等值机相对于受端的相对功角是系统稳定的最重要标志。其二，失稳只和机械功率与电功率的差值ΔP导致功角的变化有关，即所受功率冲击的大小是决定系统失稳与否的关键因素。系统中只要有一对发电机组失去同步，整个系统就会失稳。其三，不是全部暂态能量均能造成功角位移，只有局部能量造成功角位移。其四，如果系统中每个发电厂稳定，则全系统稳定。 当切机（或快关等）为唯一控制手段时，则选择装置所在处等值机相对于受端无穷大电源的相对功角是唯一有效的，当计算得出注入的暂态能量将使装置所在处功角超过临界值时（系统将振荡），即可提前发出切机命令。其相对功角按二阶非线性微分方程（发电机运动方程）计算，就能得出最佳控制量。 当电力系统受到大干扰时，可按故障点用同调动态等值法离线仿真等值为单机无穷大系统，求出单个发电厂（或变电所）对无穷大系统的功角临界值。使研究区小到以电厂（或变电所）为单位，则每个机组的动态特性完全是一致的。如果电厂高压母线有分段开关等，在故障中的动态特性可能不一致，则按运行方式及故障元件组合，使每个研究区机组的动态特性完全一致。一个电厂最多也只有两三种组合。 （3）多项稳定控制措施可供选用 系统稳定控制措施，已由电气制动扩展为发电机调速系统控制、励磁控制、串联电容开关控制、并联电抗器控制、切机、汽轮机旁路阀门、切负荷、解列、解环等，可按实际情况进行选择。其中机组控制更具优越性：不需很多附加投资，能在较短时间内投切发电机；由于热备用存在，当需要增加发电机功率时，能迅速调动热备用出力；另外控制投切本电厂机组更有效。 从发生故障开始到保护、开关动作切除故障，一般在100ms左右。根据已有电力系统记录，一般系统失步至少在故障发生后200ms以后，只要在此时间内进行相应的准确控制，就可以避免失步，有效地阻止系统发生大面积停电。 可见，实时在线计算功角变化可以满足在线控制，是阻止电力系统出现大面积停电的重要手段。2 自适应稳定控制装置的构成原理2．1 采用分散解耦控制 电力系统是一个由许多发电机耦合在一起的大型非线性系统。要解决如此复杂的动态系统的稳定控制问题，只有根据分解协调的关联思想，采用分散解耦控制方法才是解决电力系统紧急控制的理想方式。实测每个电厂在干扰中机械功率与电功率的不平衡差值ΔP（多机组之间的耦合、电网结构的改变、系统运行条件的变化全通过本地测量量反映；ΔP值反映系统的非线性、机组间的关联作用、时变参数的不确定性、负荷动态变化及外部故障严重性的多变性，为解耦以后的状态量），根据ΔP实测值快速、按实时轨迹确定实际注入的暂态能量的大小，算出相对功角可能达到的角度。此时算出的功角预测值远远超前实际功角由于惯性达到的时间，一般最少超前100ms。如果在保护动作时将开关固有跳闸时间（60ms左右）引入的暂态能量预算功角，还可以再超前60ms左右，达到几乎与保护同时出口，可以全部实现实时在线控制，阻止系统失步，将系统损失限制在最小。并且当故障延时切除或发生转换性故障，而计算功角已超过临界值时，可直接发出控制命令，保证在多重事故下也不会失稳。控制命令反映了机组间实际的能量关系。只有进行分解协调使每个电厂稳定，才能达到全系统稳定。使控制装置的输出自动适应运行状态与外部故障状态的变化、实时在线给出相应的控制措施、就地消耗暂态能量的分散解耦控制是电力系统稳定控制装置理想的控制方法。 只要双机失稳模式假定合理，上述方法是目前实现在线控制的基本方法，计算结果与短路结束同步完成。分散协调解耦控制使装置结构简单，易于实现，且控制快速、有效。合理的电网结构是电力系统安全稳定的重要物质基础，稳定装置的任务是在电网的发展过程中，保证电网在受到大扰动时能保证系统不失稳。分散解耦控制可使现有电网发挥最大效益。2．2 实时在线解发电机运动方程，给出暂态稳定性控制量 （1）将计算机和人工智能技术结合，预先按各电厂可能涉及的运行方式及可能引起失稳的各种故障，建立对应的无穷大系统，离线仿真求出一系列相应的相对功角临界值，存入计算机中。 （2）正常运行时，利用全球定位系统将相应的无穷大系统的基准相角通过低速通道定时送入稳定控制装置所在处。各电厂根据自己的相角和基准相角，可得到本厂相对于参考点的角度δ0，并周期性刷新δ0。（3）发生故障时，用差分法根据实测ΔP轨迹，解发电机运动方程，计算功角δ的变化。式中 δ0为故障前最后一次测量本厂的相对起始功角；Δδ为故障时由于输送功率突变引起的功角变化；为故障前后本厂功率的实测值之差。 当δ大于临界值时送出控制量，达到实时自适应，完成控制输出。2．3 在线计算与策略表配合解决电力系统稳定问题 在故障切除后网络传输能力变小，电网的输送能力小于电源出力时，必须相应减少电源或负荷，才能维持电力系统的稳定运行。1997年美国西部电网发生两次事故大停电，开始为某线路对树放电，保护动作跳闸后，未作功率平衡处理，听任线路负荷转移，产生连锁反应，继而由线路保护切除多条过负荷线路，最后造成不可收拾的局面。正确处理方法应由稳定装置根据网络结构的变化，在联络线事故跳闸后，直接切除多余的电源或负荷，在线路后备保护动作前消除网络过负荷现象，使电网传输能力与发电能力相符，以保持非故障线路的继续运行，使电力系统损失最小。 1999年7月29日发生的台湾大停电，也仅仅是由于一个铁塔倾倒引起负荷转移，造成多条线路过负荷，大量切除输电线路而导致大面积停电。 无论美国西部大停电或台湾大停电，只要及时阻止跳闸线路的功率向其他线路转移形成过负荷，就能阻止事故扩大。 为了保证电力系统的安全稳定运行，装置可以根据实际情况考虑故障切除后按动态稳定性（策略表法）采取切机、切负荷或按线路热稳定允许时间切除相应的负荷［3］。3 自适应稳定控制装置的功能、特点和应用效果3．1 功能和特点 （1）采用实时暂态能量在线计算与策略表相配合的方法，使稳定控制装置动作迅速、可靠、定量准确、有效、选择性强。 （2）利用本厂参数变化的信息保护本厂，能自动适应电力系统运行工况及不同严重程度的故障，送出最佳控制量。采用就地消耗暂态能量的分散协调解耦控制方法，做到按工况、故障元件自动改变定值，按有效扰动量，在它可能破坏系统稳定时才给出控制量。按实际系统模型离线仿真计算功角临界值，使计算精度提高，在不同的故障情况下按不同的功角临界值出口或不出口。 （3）电力系统失稳解列后，由于各小系统中有功、无功分配不均衡，在恢复过程中可能造成频率崩溃或电压崩溃，装置实施有效控制，可以杜绝失步解列现象出现，也就根本解决了大面积停电问题。非故障线路过负荷连续跳闸是由于切除故障元件使网络结构变化造成的，可分动稳定性用策略表或热稳定性按允许过负荷时间予以解决。 （4）只要将装置装于每一个需要操作的发电厂（或变电站），对任何网络结构的多机电力系统处于任何运行点和受任何类型的干扰都具有恢复稳定的最佳效果。 （5）处理故障信息时，不需要远距离传输信息和交叉反馈；仅在远距离操作电源或负荷时，需通过通道进行。 （6）各遭受扰动的电厂（变电站）同时并行处理，可取得最大效果，使电网损失最小。 （7）有通道时，调度所可直接改变临界功角的整定值。 （8）可以促进电力系统向市场化运作，装置可保证在系统事故时分散吸收暂态能量，即允许各电厂正常时多送电，事故下稳定送电。 （9）可以进行系统稳定的在线实时评价。3．2 应用效果 装于江苏500kV任庄变电站的稳定控制装置（任庄变电站是彭城电厂的主要输出通道），自1996年10月投运以来，取得了明显的经济、社会效益。1999年6月18日15：00：04时，500kV任江线江都侧高压电抗器积水，保护只跳开线路一侧，高频信号没送到任庄，但任庄的稳定控制装置检测到500kV任江线无故障跳闸，按模式识别的策略表中的规定，15ms后即发出切彭城一台机组的信号，避免了电磁环网中的220kV线路过负荷，从而避免了一次可能的大面积停电。4 结论 电力系统自适应稳定控制装置是现阶段实现在线实时稳定控制的有效工具，适应任何随机故障，具有快速、准确、可靠、选择性强、经济的特点，可在需要紧急控制的电厂或变电所普遍装设，以阻止电力系统出现灾变性事故。 由于装置可确保电力系统不失稳，则可进一步发挥输电系统的潜力，线路的输送功率有望逐渐接近其极限能力。参考文献：［1］ 万秋兰，单渊达．对应用直接法分析电力系统暂态稳定性的再认识［J］．电力系统自动化，1998，22（9）：13－15．［2］ 万秋兰，单渊达．局部能量函数法及其在电力系统暂态安全分析中的应用［J］．江苏电机工程，1991，10（2）：6－12．［3］ 朱琪，汪明，袁彦，等．电力系统自适应稳定控制装置［J］．电网技术，1998，22（6）：29－33．
