华中电网在线稳定控制系统的研究与开发
>吕东晓¹，李　勇¹，肖昌育¹，卢　放¹，黄永皓²，何南强²
1　引言　　随着电网结构的逐步完善和电源分布的日趋合理，华中电网的稳定水平有了较大提高，已连续19年未发生重大稳定破坏事故。但由于负荷水平的增长、电网规模的扩大和对供电可靠性要求的提高，防止系统暂态稳定破坏仍然是当前电力系统中极为重要的任务之一。另外，随着电力市场的逐步形成，系统运行方式变得越来越复杂、快速多变，也要求有更加快速、准确有效的稳定控制手段。这些新的变化和要求使传统的基于“离线计算、在线匹配”的就地型稳定控制装置越来越不适应电力系统发展的需要。此外，传统稳定控制装置还存在应用和管理不够方便、控制分散单一、不能实现统一协调和综合优化等缺陷。
　　目前计算机技术和网络通信技术已较为成熟，华中电网新一代的能量管理系统（EMS）也已建成投运，电力系统通信网络正在不断完善，以及在线稳定控制系统的研究成果^［1，2］和实际经验^［3，4］，使基于EMS实时信息的区域性稳定控制成为可能。鉴于这一形势，国家电力公司华中公司于1998年立项，与华中科技大学联合研究开发华中电网在线稳定控制系统，该项目目前已取得阶段性成果。
　　本系统的设计思想是：根据从EMS获得的电网实时信息，利用PSASP或BPA等程序，自动评估电力系统稳定水平，自动生成最优策略表并传输到各区域稳定控制系统；各区域控制系统根据该最优策略表和实际故障情况，确定本区域的稳定措施并向各就地执行装置发出执行命令，由此构成一个分层决策、分层控制的全网在线稳定控制系统。理论分析和试验表明，各子站策略表能够在5～10min内刷新一次，可以满足在线稳定控制需要。

2　华中电网在线稳定控制系统的理论基础

　　电力系统是一个典型的大系统，可以引入大系统理论的分层决策、分层控制原理，实现电力系统在线暂态稳定优化控制。所谓大系统是指具有某种特定功能、结构可分为多级或控制过程按其特点可分为多段的复杂系统。互联电力系统即为一个典型的大系统，具有高维数、多目标、关联性、随机性等特点。电力系统区域性稳定控制的范围包括该区域内所有发电厂和变电站，很难把各厂站的控制截然分开，因此是一个典型的大系统控制问题。
　　大型互联电力系统的控制如果采用传统的简单局部控制，显然难以获得所要求的动态特性；如果采用集中控制，实施统一决策，则系统各部分与集中控制器之间要交换大量信息，要求大量长距离实时通信联系，这在技术上、经济上都是不合理的，甚至是不可能的；如果只采用分散决策分散控制方式，则电力系统各孤立厂站的稳定控制装置之间和各种稳定措施之间，缺乏统一协调、统一优化策略，不能进行准确的稳定控制。而采取分层决策、分层控制的模式，可以较好地解决这些问题。该控制模式的基本方法是：首先根据系统的结构和特点，应用大系统理论的分散控制解耦方法，将整个系统分成可能被解列的若干个子系统（称区域系统），各子系统按各自的结构特点，组成综合考虑安全稳定运行要求的区域控制装置。然后再应用上层决策系统将这些分散的控制装置进行集中管理，并实行上、下层间分层决策、分层控制，从而达到全网统一协调、优化决策的目的。

3　华中电网在线稳定控制系统的体系结构

　　华中电网在线稳定控制系统结构如图1所示，整个系统由上层的自动决策系统、中层的决策控制系统和下层的控制执行装置三部分组成。　　上层的自动决策系统是整个在线稳定控制系统的中枢部分。在硬件上它由连接在局域网上的多个服务器、多个计算机组成，形成一个分布式计算机系统，一般安放在电网调度部门。它负责从EMS获取电网的实时信息，形成网络结构拓扑，对预想事故集进行准实时自动预决策，并将预决策的控制方案以策略表的形式通过通信网络传输给各中层决策控制系统，同时还能接受运行人员的指令性决策。
　　中层的决策控制系统主要由各区域稳定控制决策装置组成，一般安装在大型枢纽发电厂或变电站，负责接收并自动匹配从上层自动决策系统发送过来的策略表。当电力系统中有扰动发生时，实时判别扰动的严重程度，根据本区域故障前的运行工况，并参考上层自动决策系统的策略表，快速采取最优稳定控制措施，包括向下层控制执行机发出切机和切负荷命令以及发送和接收远方控制命令，以保证本区域内发电厂和变电站的稳定运行，保证电力系统的稳定。
　　下层的控制执行装置由安装在各发电厂和变电站的执行机组成，负责接收由中层决策控制系统或远方控制系统发送过来的切机、切负荷或电气制动等命令。为防止误动，一般需增加对各电气量波动的就地判别，以提高装置可靠性。

4　华中电网在线稳定控制系统的关键技术

　　在线稳定控制系统涉及的内容很多，本文仅就该系统的几个关键技术进行讨论。
4．1　数据管理
　　本系统涉及的数据种类繁多、数量巨大，为了提高整个系统的计算、决策速度，有利于系统的功能扩展、便于与其它程序接口，本系统采用标准数据库进行数据存储，采用最先进的工业标准ODBC（开放的数据库联接方式）进行数据库联接。通过ODBC驱动程序，本系统可以和任何商业数据库接口。
　　从数据的角度表示本系统的控制过程如图2所示。系统首先将从EMS获取的实时信息备份送到电网实时信息数据库，然后形成实时网络拓扑数据库和PSASP或BPA所需的潮流稳定计算数据库（称为运行方式数据库），最后将计算结果汇总存放到稳定水平评估数据库，系统根据该数据库的内容形成策略表。不难发现，后三个数据库间存在一一对应关系。若借用三维空间的概念，可以将后三个数据库统一到一个如图3所示的三维数据库中。采用三维数据库后，不仅使数据关系更加明确、数据管理更加有效，而且有利于加强系统的自学习功能，从而提高系统的决策速度。本系统投运后，网络拓扑和运行方式数据库会随时间越来越充实。当系统的网络拓扑或运行方式变化时，系统首先识别当前的网络拓扑和运行方式在三维数据库中是否存在。若存在，则不需进行仿真计算，直接对相应的稳定水平评估数据库生成策略表。4．2　系统决策的快速性
　　尽管在线稳定控制只需要在当前网络结构和运行方式下对各种可能的故障地点和故障类型进行在线稳定分析，以获得相应的控制策略，但对于一个多达数百台发电机、上千个节点的系统来说，要在5～10min的时间内完成上述任务也是很艰巨的。本系统采用以下方法来加快对预想事故的稳定分析速度，以提高本系统对电力系统跟踪的实时性。
（1）任务分解，并行处理
　　根据大系统理论和实际工作经验，电网可以按联网情况划分为若干区域（如华中电网初步划分为湖北、河南、湖南和江西四个区域），由多台计算机同时对各区域进行预想事故的仿真计算，再将这些计算结果汇总，生成稳定控制策略表。
（2）对预想事故进行快速筛选
　　在进行详细的稳定仿真计算前，首先用能量函数法对预想事故集进行快速筛选，仅对稳定裕度较小或不稳定的预想事故进行暂态稳定仿真计算。
（3）增强系统的自学习功能
　　本系统投入运行后，系统中的三维数据库会不断自动扩充，并通过自学习功能积累经验。当电力系统再次出现类似的电网结构和运行方式时，可不进行稳定仿真计算，而直接根据以前的计算结构形成策略表。当三维数据库扩充到一定程度以后，仿真计算量会很少。
（4）设置系统的紧急起动
　　系统在运行中，若发现电网结构或运行方式发生较大变化，立即转入对当前电网运行情况的稳定分析，以加快对电力系统故障、投停线路或开停机组等重要事件的响应速度。
4．3　系统的实用性
　　为了提高系统的运行可靠性、对电网变化的适应性，便于专业人员的维护、管理，本系统从实用性角度进行了以下研究：
（1）上层计算机系统采用局域网连接
　　上层计算机系统是本系统的核心部分，经对多种方案进行比较后，认为采用局域网是最合适的硬件设计方案。在该局域网中，根据各自功能不同，有专门从EMS获取数据的计算机，有专门进行稳定仿真计算的计算机群，有负责与中层稳定控制系统进行通信的计算机，有专门从事协调管理、数据存储的计算机。采用局域网的优点是在硬件配置上很灵活，可根据实际需要进行扩展。
（2）潮流稳定计算采用标准程序
　　为了保证稳定计算结果的正确性，本系统采用PSASP或BPA作[1][2]下一页