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新世纪电力系统科技发展方向

北极星电力网技术频道    作者:卢强   2010/5/25 18:57:03   

 关键词:  数字电力系统 DPS

摘要:提出数字电力系统(DPS)的全新概念,介绍它所涵慨的相关内容和具有的丰富功能,认为该系统可在管理和决策的科学化、安全稳定性实时评估与改善及紧急控制实施等方面发挥巨大作用;指出实现DPS需要有相当的基础性研究成果和硬件作为支撑。

0  概述
    电力系统是由原动机、发电机、电力网络、负荷、控制中心等组成的。原来的电力网络是不可控的。近年来,随着电力电子技术的发展,FACTS设备引入了电力网,使电力网络也变成是可控的了。在电力系统增加了灵活性的同时,也增加了它的复杂性。
  在这里提出数字电力系统(Digital Power System)的概念。首先给数字电力系统一个定义:它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地、形象化地、实时地描述与再观。如果做到了这一点,就可以说建立了该实际电力系统的数字电力系统。仅仅给出一个简单的定义还不够,让我们来讨论这个定义所包含的内容。某个电力系统的数字电力系统可能包含以下内容:(1)电力系统的物理结构 (也即真实结构)、其各组成部件(单元)及整体的物理性能、运行方式和运营策略、管理的模式、人员的信息等。(2)电力系统各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量(State Variables)。(3)各种自动控制装置的动作特性(包括继电保护装置)。(4)发电厂、变电站主要设备的“健康”状态。(5)经济结构、市场信息。下个世纪,中国的电力市场必然要实行。将来的电价类似股票那样是要波动、变化的,比如半个小时刷新一次电价。电力市场的出现提出了新的问题,这就是“经济结构和市场的信息”包含的内容。(6)影响电力系统安全的特殊自然环境。比如某一条超高压线路正处于落雷区或者台风袭击中,可能造成灾害;数字电力系统应能及时提示运行人员给予特别关注,以免发生重大灾难。(7)科技管理阶层、技术人员管理信息。(8)环保指标和环保设备投入及运行情况。我国环保指标和环保问题被提到非常重要的高度,关系到可持续发展的问题。我国环保法将对于不能达到环保要求的工厂、企业给予重罚。环保设备水平和设备情况,也应由DPS实时地通报。(9)电力系统各个环节的实时效率。热力系统、汽轮机、发电机系统、网络损耗、用户、电压等环节的效率,数字电力系统应实时显报。(10)重要的信息。如人才信息、科教活动信息在数字电力系统上应有所记录和通报。
1  数字电力系统的功能
1.1  管理和决策的科学化
    要利用DPS帮助我国电力系统实现管理和决策的科学化。依助DPS可知晓管理层下达的指令在实际电力系统中产生的效果。这就是“指令效果反馈”。有了这样的反馈,管理层可进一步改进管理和决策,使效率提高。此外,电力系统是分层的,每一层要向上一级管理层通报信息,有了数字电力系统,就能很快地把这些信息及时收集起来,加以科学处理,向上一级通报。最终目的是实现全系统的高效管理。这就是DPS所含有的高级MIS(管理信息系统)功能。
1.2  安全稳定性实时评估与改善
    对于电力系统最重要的是运行的安全性,这个问题在全世界均未得到很好解决,我国电力系统也出现过稳定破坏的重大事故。20世纪,美国发生过六七次大范围、灾难性的稳定破坏停电事故。这告诫我们要更加关注电力系统的安全与稳定问题。首先要实时地对系统进行安全评估。在系统正常运行时,应给出“忧患预告”,实时告知系统薄弱所在,需给以特别注意。系统实时稳定域的变化和状态点所处位置应予以实时显现。实际上电力系统有一个稳定域,而这个稳定域是随运行情况的变化而改变的,但因为没有DPS,运行人员不能看到它。稳定域的实时变化和状态点在稳定域中的运动轨迹可依助DPS图形化地显示。同时,还可给出改善安全稳定性的建议和策略。有了数字电力系统,就可以不断地对电力系统的安全稳定性进行再评估、再调整,以达到最佳的安全运行状态。
1.3  经济运行策略制定和实行
    在日常运行中,DPS可给出在满足安全稳定约束条件下、在市场运行规则指导下的全系统经济运行策略(这里讲的经济运行不是“自私”的经济运行,它必须考虑环保指标的确保)及在正常运行时,DPS应给出使运行状态恶化的因素提示,如某个节点的电压指标在下降,或某2个主要节点之间的功率角在不断扩大等。虽然没有发生事故,DPS应告诉人们恶化的原因及应采取的措施,即在正常运行时,DPS将对系统经济指标作实时显报,不断地给出现时系统整体经济效率、网络损耗和热效率等信息,并且给出如何减少损耗、提高效率的建议和方案。
1.4  紧急控制的实施
    电力系统遭受故障后,可通过紧急控制加以镇定,达到保持安全运行的目的。DPS可告知运行人员,故障发生的地点及何种故障。如单相短路,重合闸是否成功等。故障后,电力系统要进入暂态过程,重要发电机组的摇摆曲线应能依助DPS加以显示,并给出采取何种紧急控制的建议。在最紧急的情况下,DPS亦可越过调度人员而直接施行控制,称“越权紧急控制”;但DPS这种越权要有严格规定,只有在最必要的情况下才能实行;经过DPS建议下的调度人员或DPS的直接紧急控制,最后使电力系统状态重新回到安全稳定域内。
1.5  最适解列方案实施
    对于一个电力系统,无论采取多么好的控制,如果把干扰视为一个球的话,球的半径超过一定限度时,电力系统的稳定将会遭到破坏。这时,DPS将给出最佳的解列方案。把一个大系统分解成几个独立的孤岛:解列后的系统,每一个孤岛的电源和负荷应基本平衡,不要象美国1996年事故那样,有的孤岛主要是电源,有的主要是负荷,这样会扩大事故。
1.6  最速恢复策略制定
    系统解列后,DPS将给出最佳的恢复策略建议,以流程图形式给出恢复操作程序。
1.7  科学研究、系统规划设计
    DPS在电力系统科学研究和系统规划设计中将起到重要作用。如对于正在规划设计中的三峡电力系统要做一系列研究工作。我们曾在俄罗斯一个70多台模拟发电机组的物理模拟电力系统中,进行三峡系统的研究工作。事实上,有了DPS,就可以利用它对现实和未来系统进行深入细致的研究。

      图1给出了数字电力系统图像化的思考。图的右边是一个运行中的电力系统,左边是一个DPS。 DPS通过实时数据通信,软跟踪这个实时的电力系统。如上所述,DPS在正常运行时给出建议,通过调度人员进行闭环;在最紧急的情况下,紧急地、不通过调度人员进行闭环,再“通知”调度人员,刚才进行了什么操作,产生了什么效果等。如果没有DPS(现在的系统就是这样),调度管理人员在运行中是相当盲目的,发生突然故障后不知道电力系统中发生了什么问题,产生什么后果,稳定域如何变化,状态点在稳定域的什么位置。如果发生了故障,调度人员茫然不知所措,甚至进行误操作,1996年、1997年美国西部电力系统发生事故后的情况就是如此。如果有DPS帮助,电力系统运行的安全性和稳定性会得到极大提高。

    现在对以上所述的内容用图形化的方式加以概括。图3表示一个电力系统某一时刻的稳定域。调度运行人员在调度中心中依靠DPS能实时地看到立体的稳定域。实际电力的稳定域和状态点在域中的位置都是不断变化的。运行条件或系统发生故障,稳定域就会缩小,状态点也会向域的边界移动。如果状态点处于危险的位置(见图2点A),这时DPS应及时给出控制策略或按产生的控制策略自动闭环执行,使状态在最短时间内回到安全区域(点B1)。如果在更危急的情况下,状态点已经移到稳定域的边缘(点C),DPS应能采取紧急控制策略,使之回到安全区(点B2)。抑或,从理论上看,系统已失去稳定(点D),DPS将采取反事故措施或采取最适合解列方案和最佳恢复策略,使该电力系统状态回到安全区。至于在正常情况下,DPS应给出按经济运行策略和按照电力市场经济法则调节各发电机组功率配置等,这也即常说的最佳潮流的运行法则。以上这些任务都是DPS应该且能够完成的。 2  基础性研究
    为实现DPS需要有相当的基础性研究成果作为支撑,需要有新理论和新算法。
2. 1  整体模型
    动态电力系统是用非线性微分方程描述的。由于FACTS设备的投入,电力网络中的动态设备更多了,整个电力系统微分方程的阶数提高了。此外,电力系统网络的潮流方程是大规模非线性代数方程组。把这2个方程组联立起来后就组成了大规模奇异非线性动态大系统(见图3)。这个问题在数学上称作DAE问题(Differential and Algebraic Equation problems)。高维非线性DAE问题至今在理论上还是个重要挑战。

2.2  整体稳定性测度论
    要研究电力系统各个层面相互作用的规律和对稳定性的影响,研究稳定域的拓扑结构、稳定域边界及其影响因素。所以,要对运行中的电力系统的稳定域进行实时测度。
2.3  稳定性在线实时评价方法体系
    如上所述,电力系统稳定性问题是一个高维的DAE问题,这就要求对高维DAE模型采取降阶或简约化的方法。可能的方法是发展一套中心流型 (Central Manifold)方法。利用中心流型和微分动力学的Possion括号法研究中心流型的稳定性可能是有效的。我们还要发展大规模数值科学计算方法,可能用到基于辛几何(Symplectic Geometry)算法的并行计算方法。在辛几何算法方面,中国科学院的冯康院士开创的学派到现在为止仍然在世界上处于领先地位。
2.4  混杂系统的多目标优化调度理论
    混杂系统(Hybrid System)是系统科学领域中新提出的概念和理论。电力系统是一个标准的混杂系统,它的上层(调度中心)给出的调度决策主要是逻辑性的操作指令;而下层控制(如发电机励磁与调速控制)主要是连续型的,如何将不同性质的上层和下层控制恰当地对合起来以达到电力系统多目标优化控制的目的,是一个重要理论问题和应用问题。
    至于电力系统的多目标控制,说到底就是安全稳定性与经济性的双目标控制。进入按电力市场机制运行后,人们主要考虑的是它的经济问题,即各个投资体的赢利问题及如何降低电价等问题,很少考虑安全和稳定问题。要为市场化运作的电力系统提供安全稳定的保障,这是一个新的、极具挑战性的课题。现在是该结束安全稳定和经济调度割裂的时候了。进入电力市场后,电力系统潮流的随机性加大了,将通过DPS绘出相适应的保证系统安全运行的调度策略,这是一个新问题。我认为美国1996年以来的大停电事故和马来西亚大停电事故,与他们对于电力市场化运行下的安全稳定性没有加以考虑有密切关系。
2.5  区域性紧急暂稳控制
    电力系统区域性的紧急控制问题在世界上并未解决。目前只能针对某一系统通过大量的仿真计算,得到该系统区域紧急控制的一些规则:如果在某地发生短路,就相应地在哪些厂切几台机,哪些地方切一些负荷等。人们只是根据经验和仿真结果得到一些策略。但实际的电力系统状态是千变万化的,单靠仿真得到的几条策略是不够的,所以要研究区域性紧急控制理论。现在没有现成理论可寻。我主张研究和发展Hamilton系统和广义Hamilton系统理论,以建立一套电力系统的区域紧急控制理论,可以把切机和切负荷都看作是能量的注入,只不过是正符号能量或负符号能量而已。基于这个观点,有可能发展一套基于广义Hamilton理论和方法的电力系统区域紧急控制理论和方法。
2.6  巨大的软件工程
    以上所讲的是一个巨大的软件工程。美国副总统戈尔曾经提出数字地球概念,这个数字地球可以用作研究全球气象情况、厄尔尼诺现象及世界资源、森林、环境等。这给我们建立数字电力系统以启发。当然,数字地球这样一个巨大的软件工程要世界各国共同完成。同样,DPS也是一个相当大的软件工程。现有的软件成果不能废弃,要加以利用。还要把新理论的成果软件化。同时,我们要发展高可视化建模的问题。任何一个最优秀的调度人员,每分钟给他 2 000个新数据组成的数据表,都不可能进行任何有效的处理。而图象化的处理却可使人“一目了然”。我们要尽量创造性地利用多媒体技术,还要借用虚拟现实技术有用的思路来建立DPS。
3  硬件支撑
    在2年多以前,我们曾经有建立DPS的想法,但直到最近才提出这个概念。因为DPS需要硬件来支持,需要超大规模的PC机网络,因为第一,PC机价格便宜,比专用芯片便宜很多,便于推广和使用;第二,这样一个超大规模的PC机网络最近已由清华大学计算机系研制成功。现在有了硬件支持,再提出DPS,具有更高的可行性。图4是16个计算节点的超大规模PC机计算网络,每个计算节点由2个PentiumⅢ的CPU组成。PC机之间快速数据交互传递由 67.584Gbit/s的高频宽聚合动态寻址开关完成。这样,就能建立每秒600亿次高速计算网络,提供建立多机电力系统的DPS硬件支撑条件。在未来5-10a中,我国各省电力系统有可能完成这样的数字电力系统。

4  结束语
    这里提出的DPS与已有的EMS、DTS是不抵触的,且前者包括后者。现有的EMS可以看作是初级阶段的DPS,正像高射炮的功能溶入了地-空导弹之中那样。(1)DPS是逐步发展而且是“步步可用”的。以数字地球举例说明,这是个巨大的软件工程。不能说它哪一天建成,它是在不断的建立过程中不断地被人们利用的。如果人类最关心的是环境,那就首先在数字地球上建立环境污染的数据库;又如人们关心厄尔尼诺现象,就可以在沿海国家建立海水监测,从数字地球上了解海水温度变化和厄尔尼诺的关系及厄尔尼诺与全球气象的关系。还可进一步建立全世界的森林、资源、人口、宗教等,一步一步地加以丰富扩展。我们的DPS也是不断地建成、不断地被利用的。处于初级阶段的EMS不是也在使用吗?在没有建立EMS以前的SCADA不是也被使用吗?要一步一步地由简到全,步步可用。阶段成果的可用性与DPS推广有重大意义。阶段性成果如果可以应用,可能能够获得更多的支持。(2)作为DPS的第一步,要建立实时仿真系统。这个“实时”包括电磁暂态、机电暂态及稳态运行。希望中国各个大学、研究所、企业单位的科技人员及国际同行一起来完成这个伟大的工程。

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