电力系统主动解列仿真平台的研究_沈沉

第 26卷 第 18期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.18 Sep. 2006 2006年 9月 Proceedings of the CSEE ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2006) 18-0013-06 中图分类号：TM77 文献标识码：A 学科分类号：470×40 电力系统主动解列仿真平台的研究 沈 沉 1，乔 颖 1，吴佳耘 1，卢 强 1，刘前进 2，Christian Rehtanz2 （1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京市 海淀区 100084； 2. ABB (中国)有限公司，北京市 朝阳区 100016) Studies on the Integrated Simulation Platform Designed for Active Splitting Control of Power Systems SHEN Chen1, QIAO Ying1, WU Jia-yun1, LU Qiang1, LIU Qian-jin2, Christian Rehtanz 2 (1.State Key Lab of Power Systems, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China； 2.ABB(China) Limited, Chaoyang District, Beijing 100016, China) ABSTRACT: Power system splitting (also called as system islanding) is to split the interconnected power grid into several islands when the system is subject to severe disturbances and system integrity can not be hold, so that the continuity of power service on the islands can be sustained. As a complex decision problem, the studies on splitting control are far below adequacy. In order to probe into splitting control more concretely and thoroughly, a simulation platform that integrates all necessary modules aiming at different procedures in a splitting process is introduced in this paper. The platform can not only simulate the entire physical process of system islanding but also possesses good compatibility to various approaches for further studies. Simulations on IEEE 68-system demonstrate the validity of the platform. Many scenarios that have not been expected before have been revealed. Future research directions are pointed out based on the simulation results. KEY WORDS： islanding control; integrated simulation platform; power system security 摘要：解列是电力系统在受到大的干扰，系统完整性无法保 持的情况下将系统分解成几个孤岛的控制。作为一个复杂的 综合决策问题，对电力系统解列控制的研究还很不充分。为 了深入完整地研究解列控制，该文专门构建了一个仿真平 台。该平台能够对解列控制的各个过程进行仿真，同时对各 过程的决策算法保留了较好的兼容性。对 IEEE-68节点系统 的仿真证明了该仿真平台的有效性。仿真结果揭示了一些新 的现象，同时为下一步的研究指明了方向。 关键词：解列控制；集成仿真平台；电力系统安全 基金项目：国家自然科学基金项目(50595411)。 Project Co-supported by National Natural Science Foundation of China ( 50595411). 0 引言 我国正在逐步形成全国联网的巨型电力系统。 联网可以带来相应的联网效益，但是，也使得 电网事故恶化的风险急剧增大。近年来，世界各国 大停电事故频发，造成了巨大的损失。因此，如何 防止故障扩散危害整个系统的安全始终是电力企业 关心的头等大事。失步解列作为防止系统崩溃的最 后一道防线在世界各国都得到了广泛的应用[1-4]。在 我国比较典型的有南方电网[5]。 传统的被动解列是通过安装于系统中的失步 解列装置来实现的。方案设计基于大量的离线分析 计算，根据分析结果将解列装置安装在系统可能的 失步断面上。该方法以离线计算、事先整定和配合、 就地控制为特征，无法适应失步情况和电网运行水 平的变化[6-9]。因此，有学者提倡从系统的角度出发， 利用高速通信手段整合分散的解列装置来构成自适 应的解列控制系统，称之为主动解列[10]。文献[10] 详细介绍了主动解列问题的构成和求解方案。其决 策过程包括解列必要性判断，解列点选择以及解列 策略实施等 3个主要阶段，涉及系统暂态稳定评估、 机组分群、孤岛紧急控制等电力系统安全稳定控制 的许多方面，该文同时指出很多问题特别是各问题 之间的相互影响还需要进行深入的研究。 本文介绍的仿真测试平台即是专门为开展对 上述问题的研究而建立的。平台模拟了主动解列的 整个物理过程，体现了主动解列“在线计算、全局 控制”的重要思路。在解列点求解时，采用了文献 [11-14]介绍的策略空间搜索算法，并重点研究了各 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 14 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26卷 子问题之间的相互影响。与此同时，该测试平台作 为一个研究用平台，它采用了类似 Frame的设计理 念，借用面向对象的设计思想，设计了一套适用于 解列问题的灵活的数据结构。各类算法通过各自的 接口都可与平台相联，平台不仅服务于更多的数据 测试，也提供对不同算法测试的支持。 针对 IEEE-68系统的测试结果表明，主动解列 问题的各子问题之间有深刻的依赖关系。另外，仿 真实验还发现了系统的暂态稳定性在解列控制过程 中一些特殊现象。这些新的现象为确定今后主动解 列控制的研究方向有很好的启发作用。 1 主动解列控制的仿真平台设计 1.1 仿真平台的基本功能模块 图 1显示了测试平台的主要功能模块。这些功 能模块按照实际仿真中的计算顺序从左到右依次排 列。在各模块上方标注了进行该模块计算时系统实 际对应的运行状态。暂态仿真模块作为整个测试平 台的底层模块为其它模块提供计算所需的各种动 态、静态数据，在图中被安排在最下方。 暂态仿真 正常 警戒 紧急 警戒 静 态 安 全 分 析 拓 扑 分 析 动 态 安 全 评 估 机 组 分 群 策 略 搜 索 策 略 校 验 策 略 执 行 孤 岛 紧 急 控 制 图 1 仿真平台的主要功能模块 Fig. 1 The function modules of the simulation platform 暂态仿真模块包括了发电机、励磁调节器、调 速器、动态负荷等元件模型。元件模型可以根据研 究需要方便地修改。除此之外，还包含以下模块： （1）静态安全分析。该模块包含 2部分内容： ①评估系统在正常运行状态下的静态安全稳定性 (以线路传输潮流是否越界作为指标)；②通过节点 聚合的方式完成网络收缩； （2）拓扑分析。该模块形成系统的图模型，完 成图的预处理和图的连通性分析。 （3）动态安全评估。该模块评估系统发生故障 的严重程度，并判断是否需要启动主动解列控制。 由于在线动态安全评估本身是一个尚未得到很好解 决的问题，因此目前这个模块功能是通过离线仿真、 实时匹配的方式来实现的。即事先进行了大量离线 仿真，将典型故障后系统的稳定情况进行了分类。 在平台运行时，该模块根据研究人员的故障设定， 在分类表中查找相对应的系统变化情况，以决定故 障的严重程度是否足以造成系统失稳。 （4）机组分群。该模块搜寻同调机组，并给出 正确的分群结果。 （5）策略搜索。在原始解空间搜寻满足异步机 群隔离约束 (synchronization separation constraint, abbr. SSC)和孤岛电力平衡约束 (power balance constraint, abbr. PBC)这 2个简单约束的可行解。 （6）策略校验。该模块用潮流计算检验搜索到 的解列策略是否符合严格的静态工作点约束(static equilibrium constraints, abbr. SEC)。 （7）策略执行。该模块用来计算和控制各个开 关的动作顺序和时间，由于问题的困难性，目前还 只是假设所有的开关同时动作。 （8）孤岛暂态稳定分析。模块对解列后各个孤 岛进行暂态仿真，并采取一些简单的控制手段如调 频、切机切负荷等来改善孤岛的暂态稳定性能。 1.2 仿真平台的技术架构 图 2展示了测试平台的实现架构，该图说明图 1中各功能模块的具体实现情况。从图 2可以看出， 测试平台包含了3个基础仿真环境和1个交换接口： （1）Matlab 环境。解列问题求解方案的主要 流程是在Matlab环境下完成的。这是由于电力系统 的分析计算在 Matlab 环境下有比较成熟的开放源 码工具包，只要加以适当的改造即可。本文在Matlab 环境下集成了暂态仿真计算、交流潮流计算、直流 潮流计算、同调机群分析计算等多个子功能模块。 利用现成的工具包时需要注意各工具包所使用 的模型和接口不统一的问题。为此设计了一套统一 的核心数据结构来整合这些工具包。在利用这些工 具包的时候，只需要为每个工具包添加各自针对核 心数据结构的双向接口就可以正常通信了。这套核 心数据结构遵循了面向对象的设计思想，借用了 外部仿真软件 Matlab环境(分析/仿真校验) 暂态仿真 暂态稳定分 析,机组分群 潮流校验 核心数据结构 图的化简 OBDD搜索 图的回溯 图的数据结构 Web环境(界面) 人机交互界面 SVG解释器 后台处理程序 数据准备 接口 C/C++环境(搜索) PHP网页 SVG图 接 口 接 口 图 2 仿真平台的技术架构 Fig. 2 The architecture of the simulation platform PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 第 18期 沈 沉等： 电力系统主动解列仿真平台的研究 15 Matlab的“Structure”结构，从而保证了该结构的 灵活性、可读性和可扩展性。 同时，由于解列问题中系统的拓扑变化很大， 直接破坏了系统的连通性，所以一般的故障/暂态分 析工具包都不能提供这样复杂的多重故障处理功 能。为此，本文设计了特殊的解列问题暂态仿真专 用接口专门处理这类问题。 （2）C/C++环境。C/C++环境下的工具包主要 完成图的预处理以及搜索阶段的工作，它以Matlab 环境中一个功能插件的形式接入测试平台主流程， 这样处理主要是考虑到计算的效率。这里用到了 C/C++与Matlab的混编技术。 C/C++环境下也有一套和Matlab环境下十分类 似的核心数据结构，但是它更加复杂，主要是为了 处理不同图层之间的映射、索引关系，它还必须包 含元件之间的各类检索信息。 （3）Web 界面环境。Web 环境主要负责提供 一个友好的、图形化的用户交互接口。它的交互网 页是用 PHP编写的，内嵌基于 SVG(Scalable Vector Graphic )技术的电力网络拓扑图。 （4）数据库交换接口。数据库主要是用来交换 主流程与Web界面之间的指令与数据。由于主流程 实际上是 Matlab 编写的，很难提供对多线程的支 持，所以借用数据库来支持二者之间的信息交换。 2 仿真算例及讨论 2.1 算例介绍 在仿真平台上利用 图3所示的 IEEE-68系统进 行了仿真计算。由此验证平台的可用性和正确性， 同时对各模块之间的相互影响进行研究。 IEEE-68节点系统共有16台发电机、35个负荷、 66条线路、20台变压器。发电容量为 18409 MW， 负荷为 18234 MW。该系统发电、负荷分布较均匀， 网架没有明显的送、受端特点；变压器较多，对系 统的无功分布有较大的影响。仿真中故障设置在 3 号到 18号母线的线路上， 0.1s母线 3近端发生三 相短路接地故障，保护第 1次动作失误， 0.4s故障 线路被切除。故障后系统发生异步振荡，16台发电 机分为 2 群，其中 1~9 号发电机为第①群，10~16 号为第②群，如图 4所示。通过对系统原始接线图 进行预处理，原系统被划分为 43个区域，各区域中 的节点聚合后系统的简化图保留有 43个节点。假定 搜索解列策略时，系统中所有的线路都允许断开。 通过搜索共找到 5个割集解，校验后得到一个可行 策略，将系统解列为 2个孤岛(图 5所示)。 14 15 16 10 11 13 12 2 1 3 8 9 5 4 6 7 图 3 IEEE-68节点系统 Fig. 3 The IEEE-68 bus system 0 2 4 6 8 10 t/s 0 10 20 30 40 δ/(°) 图 4 故障后系统中各机组振荡情况 Fig. 4 The swing curves of generators after faults 14 15 16 10 11 13 12 2 7 6 5 4 9 8 3 1 图 5 解列后的系统拓扑连接 Fig. 5 The system topology after splitting 2.2 讨论 上节的算例最终只得到了 1个可行解，实质上 解列问题的候选策略空间 S 发生了从 266(原始策略 空间，假定所有线路都可以断开)到 5(满足搜索阶段 约束 SSC⊙PBC)再到 1(满足交验阶段约束 SEC)的 急剧减小的过程。通过仿真发现：仿真平台各功能 模块的输出对最终获得的可行解空间的规模有重要 影响；一些通常被普遍接受的概念在解列控制中并 不适用。下面就不同功能模块对可行解空间大小的 影响以及解列策略对系统的影响进行介绍： （1）机组分群对求解可行解的影响。当仿真进 行到 0.3s时，除距离故障点最近的 1号发电机因摇 摆较剧烈尚未明确分群外，其余 15台发电机已分为 2群。10~16号发电机为第①群，2~9号发电机为第 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 16 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26卷 ②群。如果在此时启动策略搜索模块，认为 1号发 电机即可归为①群，也可归为②群，则可以得到 18 个既满足 SSC又满足 PBC的割集主解(显然包括本 节开头所提到的满足约束 SSC⊙PBC的 5个解)。此 时通过 SEC校验的有 3个策略，它们都可将系统解 列为 2个孤岛。该结果证明：发生严重故障时，越 早确定失稳模式，就越容易找到可行的解列策略。 从概率上讲也更可能保证解列后的孤岛具有一定的 稳定性。这是完全符合实际情况的。 （2）网络收缩对可行解空间的影响。网络收缩 的目的是为了简化网络的拓扑结构，从而减小原始 策略空间，并提高校验的速度。网络收缩的原则一 部分来自图论中的法则，去掉一些不会影响解空间 规模的冗余节点[14]，一部分则利用了电力系统本身 的特点进行节点聚合。本文希望节点聚合不改变网 络的潮流分布，同时也尽可能少地改变主要线路包 括(重载线路的潮流)，以此保证网络拓扑的简化不 会扭曲原始策略空间。但是通过仿真发现：由于节 点聚合而导致的节点粒度的改变同样会影响可行解 空间的大小。一般来讲，粒度小的节点(而不是粒度 大的节点)对可行解空间的影响更大。举例来说，某 个孤岛上有 1个大的发电节点，它必须要有一定数 量的负荷节点来平衡以满足 PBC。这时如果有一个 粒度很小的节点，它既可以被划分到这个孤岛上， 也可以被划分到别的孤岛上，且都不会致使孤岛的 功率不平衡量超过允许值，那么，可行策略就可能 有 2个以上。这从另一个侧面说明：节点聚合后， 这些节点需要达到多大的粒度才能既达到简化网络 的目的，又不至于丢失过多的可行解，对此需要进 行深入的研究。 （3）最大不平衡功率对可行解空间的影响。 PBC约束不是严格的等式约束，每个孤岛上发电和 负荷都会有一定的不匹配量。在校验潮流求解时， 这个不匹配量由平衡节点消除。显而易见，为寻找 更多的策略，可以增大允许的最大不匹配量。但是， 当其超过一定的数值时，搜索到的策略就无法再通 过潮流校验。同样，当最大不匹配量太小，比如小 于网损，孤岛几乎不可能寻找到潮流解。 一个策略中各个孤岛的不匹配量不一定相等。 并不是孤岛的不匹配量越小，策略就越容易通过校 验。这与整个孤岛负荷发电的分布、平衡节点的选 取都有很大的关系。 在本算例中，称第①群所在的孤岛为孤岛①， 第②群所在的孤岛为孤岛②。对搜索到的 18个策略 进行校验，同一个策略，无论孤岛②的有功不匹配 量是否大于孤岛①，孤岛②都比孤岛①更容易求得 潮流解。这主要是因为孤岛②的发电和负荷分布得 更加均匀。 （4）解列时间对孤岛暂态稳定性的影响。断开 母线 1~27、母线 1~2、母线 9~8，系统分为 2个孤 岛，孤岛①上 7台发电机，孤岛②上 9台发电机。 以此策略为例，分析解列后孤岛的暂态稳定性。 目前，测试平台只解决了解列断面的生成的问 题，对于如何实施该策略虽尚未做理论上的研究， 但基于大量测试，对于何时实施解列策略的问题有 了一些初步的认识。 为简便起见，假设解列时所有开关同时动作。 定义可行策略最早执行时间为 T1，即一旦搜索到该 可行策略，系统无延时即刻解列。可行策略可接受 的最大延迟时间为 T2，其含义是对于一个可行策 略，若超过这个时间，即使解列开关成功动作，孤 岛也不能保证暂态稳定性。希望 T1时刻越早越好， 但其是由故障发生时间及解列策略生成时间所决 定，T2则由故障严重程度和系统的暂态过程所决定。 表 1 解列时间对孤岛暂态稳定性的影响 Tab. 1 The impact of switch time to island stability 解列时间/s 孤岛①暂态稳定情况 0.93 同步稳定 1.60 1台发电机失稳 1.75 2台发电机失稳 1.98 同步稳定 2.55 1台发电机失稳 对 68节点系统而言，T1为 0.93s，这是由可行 解生成时间决定的；T2为 2.55s，超过这一时刻孤岛 将无法保持暂态稳定性。在[0.93，2.55]这个区间内， 不同的解列时间对孤岛①的稳定性影响大相径庭, 如表 1所示。这可能因为在暂态过程中第①群内发 电机功角振荡显著且相对差值呈周期性变化。如果 解列时，恰好有 1 台(或者 2 台)发电机的功角与其 余发电机功角达到最大，则孤岛①就可能暂态不稳 定；如果解列时，群①内的发电机功角相差恰好都 很小，则孤岛就会暂态稳定。68节点系统没有考虑 发电机阻尼，如果阻尼足够大，频率振荡迅速衰减， 就可能不会出现这种周期性的结果，当然积分步长 也可能会产生一定的影响。文献[14]中提及的 IEEE- 118节点系统也有类似的现象。 目前，针对解列时间对孤岛暂态稳定性的影响 尚不能给出统计意义上的结论，但是这个现象都提 示：一个可行策略的成功解列时间可能具有区间性 (甚至周期性)。如果第 1 次解列开关动作失败，可 能还会有第 2次机会。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 第 18期 沈 沉等： 电力系统主动解列仿真平台的研究 17 （5）孤岛稳定性问题。解列后孤岛的稳定性问 题非常复杂。如果足够幸运，解列后不用采取任何 控制措施，各个孤岛就可以迅速稳定下来，这种情 况是极少数的。一般情况下，系统解列后形成的孤 岛可能面临频率稳定问题、小干扰稳定问题、功角 稳定问题等，当然也可能发生暂态电压稳定问题。 因此，解列后各孤岛上还必须要采取种种其它紧急 控制措施，以使孤岛进入稳定运行状态。图 6给出 了 68 节点系统解列后孤岛①上出现的频率稳定问 题，图 7则表明，只要采取简单的调速控制即可改 变这种情况。 0 2 4 6 8 t/s 0.99 w/p.u. 1.00 1.01 1.02 图 6 无调速器控制时孤岛①发电机的频率变化 Fig. 6 The generator speeds on island ① when there is no governor control 0 4 8 12 16 t/s 0.99 w/p.u. 1.00 1.01 图 7 有调速器控制时孤岛①发电机的频率变化 Fig. 7 The generator speeds on island ① when there is governor control 2.3 未来的研究方向 主动解列控制问题由于覆盖的研究内容广泛， 许多子问题的求解目前并没有很好的解决手段，因 此，确定未来的研究重点以便使该问题的研究尽快 向前推进就显得非常重要。从文献[10]的研究结果 看，下面几个工作可以优先开展： （1）需要对更多的系统进行仿真观察，以确认 目前发现的一些现象是否具有普遍性。现阶段只对 68节点系统的一个故障样本进行了测试。随后将测 试不同失稳模式下，系统策略搜索和校验情况，以 及解列后孤岛的暂态稳定性。同时 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 选取与 68 节点系统差别较大的 IEEE-162 节点系统进行全面 测试，包括失稳模式、最大不匹配量对策略搜索和 校验结果的影响，网络收缩对校验的影响，解列时 间对孤岛暂态稳定性的影响等等。如果有可能，应 当用一套实际的系统进行测试。希望通过这些测试 能够验证前期工作中的一些结论，并保证其具有一 定的统计意义。 （2）网络收缩对可行解空间的大小影响很大。 如果说系统的拓扑结构、运行方式以及故障类型是 影响可行解列策略的客观因素，网络收缩的方式和 方法对可行解策略的影响则带有较大的主观性。可 选的网络收缩原则很多，如节点之间的电压相似性、 电气距离的远、近、节点之间电压灵敏度的大、小 等。目前采用的是电压相似性，而对于支路充电电 容较大或者有并联电抗器的系统而言，这种方法是 不准确的。另外，网络收缩节点的粒度对可行解空 间的大小也有很大的影响，因此，在进行网络收缩 时还必须考虑分区的大小。在以后的研究中希望能 够找到更具普遍性的指标来完成该项工作。比如考 虑用电气距离作为标准，以若干个大负荷为中心， 对系统进行收缩。同时，结合对孤岛最大允许不平 衡量的研究，确定收缩后节点聚合的粒度。 （3）机组分群方法的研究也是可能有所突破的 方向。由于机组的分群特点取决于系统结构、运行 状态和故障地点及类型，而系统结构相对固定，系 统的运行状态可以实时获取。因此，只要及时地获 取故障信息，从理论上讲就有可能在故障发生后计 算出同调机组[15-17]。这方面的研究已有很多成果见 诸文献。随着WAMS在电力系统的逐渐普及，对机 组摇摆曲线的量测并基于量测进行控制已有可能实 现[18-20]。如果能将理论分析方法和基于量测的方法 相结合，将有可能快速准确地在系统发生故障后判 断出机组的分群情况。 （4）应努力寻求更高效的策略校验方法。目前 在校验模块中采用了直流潮流转牛顿迭代的方法。 但直流算法有一定的误差，尤其是对于 R和 X差别 不大的网络，线路潮流误差甚至会高达 100%，这 个算法需要修正。另外，随着系统规模加大，迭代 校验必然成为整个计算过程中最为耗时的部分，寻 求高效算法减少迭代步骤或者寻找更合理的指标避 免迭代都能够在很大程度上改善算法的计算速度。 其它的研究方向如系统动态安全评估、暂态稳 定约束处理方式、解列时间及开关的时序配合等问 题虽重要，但在相关的理论研究没有取得突破之前， 或在没有找到有效的理论分析工具之前，只能寄希 望通过仿真获得感性的认识和统计意义上的规律。 3 结论 解列控制作为电力系统灾变防治体系的最后一 道防线意义重大。具有集中控制、在线计算和相互 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 18 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26卷 协调特点的主动解列控制是一种理想的解列方式。 由于解列问题本身的复杂性，解决好该问题还需要 进行大量深入细致的研究。由于解列控制各阶段的 决策结果相互影响，从系统的角度综合研究解列问 题极有必要，现阶段的平台建设为进一步的工作准 备了条件。 致 谢 .本项目受到 ABB(中国)研究中心资助，特此致 谢! 参考文献 [1] 袁季修． 试论防止电力系统大面积停电的紧急控制——电力系统 安全稳定运行的第三道防线[J]．电网技术，1999，23(4)：1-4． Yuan Jixiu．Emergency control for preventing wide spread blackout of power system - the third line of defense[J]．Power System Technology， 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