現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架探討
日期：2018-8-14 瀏覽次數(shù): 6682
摘要：隨著中國(guó)現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)的不斷發(fā)展，如何整合協(xié)調(diào)已有的各種控制子系統(tǒng)，構(gòu)建現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。首先總結(jié)了直流輸電對(duì)交直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的顯著影響，分析了電網(wǎng)中控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，進(jìn)而指出當(dāng)前各種控制子系統(tǒng)都是為了解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個(gè)問題而自然出現(xiàn)的，并非有計(jì)劃性的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動(dòng)協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制，“二次”控制系統(tǒng)需要向深度融合的物理信息系統(tǒng)演化。從系統(tǒng)論、控制論及協(xié)同論的觀點(diǎn)入手, 提出了構(gòu)建分散—集中型現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的若干原則和總體框架，并舉例闡述了體現(xiàn)這些原則的工程實(shí)例。
關(guān)鍵詞 : 現(xiàn)代電網(wǎng);協(xié)調(diào)控制;分散—集中型;協(xié)同論
國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模及承載能力與平衡結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究”。
0 引言
世界范圍內(nèi)工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0這四個(gè)階段，其特征可以這樣大致概括為：工業(yè)1.0實(shí)現(xiàn)了“大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)”，工業(yè)2.0實(shí)現(xiàn)了“電氣化生產(chǎn)”，工業(yè)3.0實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化生產(chǎn)”，而工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)了“定制化生產(chǎn)”。對(duì)照工業(yè)1.0～工業(yè)4.0，縱觀世界范圍內(nèi)電網(wǎng)的發(fā)展歷程[1]，大體上也可分為三個(gè)階段，即“電氣化”、“自動(dòng)化”與“智能化”階段。這三個(gè)階段的主要特征分別是：第一階段側(cè)重一次設(shè)備的建設(shè)(發(fā)電廠及電力系統(tǒng))，第二階段側(cè)重電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展(電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化)，第三階段則側(cè)重于構(gòu)建一個(gè)具有智能、協(xié)調(diào)、融合、互動(dòng)、可持續(xù)發(fā)展等特征的綜合能源網(wǎng)(智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng))。
中國(guó)電網(wǎng)目前總體上處于第二階段，并正在向第三階段發(fā)展。回顧中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，以大型水電基地的開發(fā)外送為契機(jī)，中國(guó)逐漸形成了交直流混合電網(wǎng)的格局;未來隨著特高壓交直流輸電工程的建設(shè)，中國(guó)還將進(jìn)一步形成特高壓交直流混合電網(wǎng)[2-5]，并與周邊國(guó)家互聯(lián)形成更大范圍內(nèi)的能源互聯(lián)網(wǎng)。以特高壓交流構(gòu)建骨干網(wǎng)架，滿足晉陜蒙川等地區(qū)大型能源基地開發(fā)外送需要，并充分發(fā)揮特高壓交流輸送容量大、聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)、運(yùn)行靈活的特點(diǎn);以特高壓直流遠(yuǎn)距離送電[6-9]，特別在解決疆電外送、川電外送和藏電外送以及跨國(guó)輸電等問題中發(fā)揮重要作用。
從信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS)的角度來看，電力系統(tǒng)大體上可以分為三層：第一層是“一次”本體物理系統(tǒng)，主要由各種發(fā)輸變電一次設(shè)備構(gòu)成;第二層是“二次”控制保護(hù)系統(tǒng)，主要由各種附屬于一次設(shè)備的控制保護(hù)裝置構(gòu)成，主要用于實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)本體的自身控制功能，是信息物理系統(tǒng)的初級(jí)體現(xiàn)形式;第三層可認(rèn)為是深度融合的信息物理系統(tǒng)，主要由各種廣域的信息通信與測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成，定位于信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的深度融合，強(qiáng)調(diào)信息的全局獲取、互聯(lián)與共享，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)感知和靈活可控，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，從而極大地提升系統(tǒng)的全局可觀性與可控性。
可以看出，電力系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)展階段與上述三個(gè)層次存在著較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即第一階段“電氣化”階段主要側(cè)重于“一次”物理系統(tǒng)的發(fā)展，第二階段“自動(dòng)化”階段主要側(cè)重于“二次”控制裝置的發(fā)展，第三階段“智能化”階段主要側(cè)重于信息物理系統(tǒng)的深度融合。
在中國(guó)電網(wǎng)智能化發(fā)展技術(shù)方面，許多學(xué)者提出了研究思路和解決措施[10-16]，分別從發(fā)展趨勢(shì)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、防御體系、調(diào)度系統(tǒng)、運(yùn)行能力等方面進(jìn)行了闡述。而現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的廣域巨型系統(tǒng)，呈現(xiàn)出高電壓、大電流、高維度、非線性、復(fù)雜性等諸多特性，需要站在歷史發(fā)展角度，應(yīng)用現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)等新理論對(duì)目前電力系統(tǒng)中已有的各種控制系統(tǒng)進(jìn)行梳理反思、協(xié)調(diào)優(yōu)化和頂層設(shè)計(jì)，目前這方面的研究還很少。
從電網(wǎng)控制系統(tǒng)的角度來看，與設(shè)備的功能控制相比，電網(wǎng)的系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制有其特殊性，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)在線運(yùn)行方式的識(shí)別與匹配要求高，對(duì)系統(tǒng)的全局運(yùn)行信息需要進(jìn)行一定程度上的狀態(tài)感知;控制的快速性要求高，控制策略的在線和實(shí)時(shí)生成難度大，需要大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的前饋投入;故障識(shí)別的快速性和精準(zhǔn)度要求高，需要多種判據(jù)綜合使用;控制策略和定值的適應(yīng)性和魯棒性要求高，要能一定程度上覆蓋系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性和仿真誤差。因此，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)中對(duì)智能化要求程度極高的一種控制，在電網(wǎng)第三階段“智能化”的發(fā)展過程中大有可為。針對(duì)上述需求，可采用先進(jìn)的信息通信技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的多層共享和系統(tǒng)的全局可觀，實(shí)現(xiàn)高度智能的策略生成，實(shí)現(xiàn)分層分散的協(xié)調(diào)控制，目的是從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構(gòu)建多層級(jí)主動(dòng)相互協(xié)調(diào)的智能控制系統(tǒng)。
本文分析了現(xiàn)代電網(wǎng)中各種控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，指出當(dāng)前各種控制系統(tǒng)都是為了解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個(gè)問題而自然出現(xiàn)的，并非有計(jì)劃性的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動(dòng)協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。本文從系統(tǒng)論、控制論及協(xié)同論[17]方法入手，提出了構(gòu)建分散—集中型現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的若干原則和總體框架，并結(jié)合若干工程示例進(jìn)行了闡述。
1 現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的分析
1.1 電力系統(tǒng)中各種控制保護(hù)的發(fā)展、特點(diǎn)和層級(jí)
目前，電力系統(tǒng)中廣泛存在各種各樣的控制保護(hù)設(shè)備，如發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer, PSS)和各種保護(hù)、直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)以及各種常規(guī)繼電保護(hù)等。
電力系統(tǒng)控制保護(hù)設(shè)備為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用，但縱觀這些控制保護(hù)設(shè)備的發(fā)展歷史，可以看出，它們都是為了有針對(duì)性的解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個(gè)問題而自然地、陸續(xù)地出現(xiàn)的，并非有計(jì)劃性的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，從而在整體上呈現(xiàn)出無序、雜散的特點(diǎn)。比如為了維持和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，出現(xiàn)了勵(lì)磁系統(tǒng)控制器;而為了進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的調(diào)壓性能和響應(yīng)速度，同時(shí)提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，由此進(jìn)一步發(fā)展出了高倍數(shù)的快速勵(lì)磁控制器;但又一定程度上導(dǎo)致了電力系統(tǒng)阻尼特性的減弱和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題的顯現(xiàn)，于是又進(jìn)一步發(fā)展出了PSS，作為勵(lì)磁附加控制。
對(duì)照電力系統(tǒng)自身一次設(shè)備固有的分層結(jié)構(gòu)，其各種控制系統(tǒng)一定程度上也呈現(xiàn)出分層分級(jí)的特點(diǎn)，根據(jù)其功能定位，大體上也可分為元件級(jí)、設(shè)備級(jí)、區(qū)域級(jí)和全系統(tǒng)級(jí)，如圖1所示。
其中，元件級(jí)控制器主要包括發(fā)、輸、變、用電各環(huán)節(jié)中關(guān)鍵單一元件的控制器，包括發(fā)電機(jī)、變壓器、晶閘管、負(fù)荷等的控制器，其主要目的和定位是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵元件自身某方面的單一或綜合控制功能。設(shè)備級(jí)控制器則主要指由若干元件集成的較復(fù)雜的設(shè)備的高級(jí)控制器，如FACTS設(shè)備、HVDC工程、智能變電站的上層控制器等。
現(xiàn)有的元件級(jí)和設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)的功能定位是實(shí)現(xiàn)元件或集成設(shè)備自身的單一控制目標(biāo)和功能，各種元件和設(shè)備通過交流電網(wǎng)這一介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)彼此之間的被動(dòng)適應(yīng)和自洽，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動(dòng)協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。
1.2 電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)從“二次”向全局智能協(xié)調(diào)的演化
以上所述這些用于實(shí)現(xiàn)本體設(shè)備自身功能的控制系統(tǒng)一般稱之為“二次”系統(tǒng)。以區(qū)別于“一次”本體設(shè)備。但值得指出的是，雖然這些“二次”系統(tǒng)是針對(duì)各個(gè)設(shè)備所獨(dú)立設(shè)計(jì)的，但是接入電網(wǎng)后一般都能夠平穩(wěn)運(yùn)行，具有較好的適應(yīng)性。分析其原因主要有如下兩個(gè)方面：
(1)“二次”系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般把本體設(shè)備與交流電網(wǎng)接口處的電壓等電氣量作為邊界接口變量，接口變量較為明確和單一，設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性較好。
(2)這些“二次”控制系統(tǒng)通過接入交流電網(wǎng)這一較為“柔性”的介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)天然的、被動(dòng)的協(xié)調(diào)自洽。交流電網(wǎng)的“柔性”體現(xiàn)在同步電機(jī)的慣性、網(wǎng)絡(luò)方程的線性等方面。
但是，被動(dòng)協(xié)調(diào)的“二次”系統(tǒng)不是主動(dòng)協(xié)調(diào)的趨優(yōu)系統(tǒng)，會(huì)存在如下問題：
(1)設(shè)備控制對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度的依賴和支撐問題。
新能源發(fā)電一般通過電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，與同步機(jī)工作機(jī)制不同，它不是有效的獨(dú)立電壓源，而是一個(gè)受控電流源，對(duì)外部電網(wǎng)系統(tǒng)的依賴度很高，但支撐性很弱。具體來說，新能源電源需要外部電網(wǎng)提供較強(qiáng)的并網(wǎng)電壓，新能源電源對(duì)此電壓進(jìn)行鎖相并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一個(gè)受控的注入電流，以達(dá)到輸出指定功率的控制目標(biāo)。而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)則是一個(gè)具有不可突變內(nèi)電勢(shì)的獨(dú)立電壓源，且其電角速度具有很大的慣性，其輸出電流則由外部網(wǎng)絡(luò)決定，所以傳統(tǒng)同步機(jī)對(duì)外部電網(wǎng)的電壓支撐性很強(qiáng)，同時(shí)其抗擾性也很強(qiáng)，其內(nèi)電勢(shì)可以在擾動(dòng)前后保持不變，外部網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)都體現(xiàn)在輸出電流的變化上。因此，隨著電力電子并網(wǎng)電源占比上升和旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)占比下降，同步電網(wǎng)的強(qiáng)度和支撐性都在逐漸減弱，對(duì)新能源發(fā)電接入的承載能力也在逐漸下降。
(2)元件和設(shè)備級(jí)控制與系統(tǒng)級(jí)控制的協(xié)調(diào)問題。
現(xiàn)代電網(wǎng)的電力電子設(shè)備日趨增多，電力電子設(shè)備本質(zhì)上是基于波形瞬時(shí)值控制的裝置，但是為了較好地接入交流電網(wǎng)，往往需要將設(shè)備的外特性表現(xiàn)為工頻相量有效值(濾波器除外)，即底層瞬時(shí)值控制需要與上層有效值目標(biāo)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。如果協(xié)調(diào)不好，往往帶來諧波超標(biāo)、鎖相環(huán)時(shí)滯、超同步及次同步諧振以及其他更嚴(yán)重的問題，當(dāng)電力電子設(shè)備的容量和數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，這些問題將更加突出。
(3)設(shè)備控制目標(biāo)與系統(tǒng)安全的協(xié)調(diào)問題。
設(shè)備的“二次”系統(tǒng)一般傾向于保持本體設(shè)備的功能特性要求，這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來正反饋不穩(wěn)定的負(fù)面影響。如具有自調(diào)節(jié)能力的現(xiàn)代負(fù)荷的恒功率控制器在邊界母線電壓下降時(shí)，為了保持負(fù)荷的恒功率會(huì)試圖按電壓的平方減小負(fù)荷的等值阻抗，而這反過來將會(huì)引起負(fù)荷母線電壓的進(jìn)一步下降。與之相比，傳統(tǒng)的白熾燈、電阻絲等恒阻抗負(fù)荷則像交流電網(wǎng)一樣具備較好的“柔性”，即負(fù)荷功率隨著母線電壓下降而下降。
(4)設(shè)備功率控制目標(biāo)與系統(tǒng)供給和消納能力的協(xié)調(diào)問題。
新能源發(fā)電的功率控制目標(biāo)是追蹤最大出力(maximum power point tracking，MPPT)，具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn);電動(dòng)汽車負(fù)荷的功率控制也具備時(shí)空隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)。對(duì)這些設(shè)備來說，所接入的電網(wǎng)就是一個(gè)無窮大系統(tǒng)，它們只需要把目標(biāo)功率注入和抽取即可，而其實(shí)由此帶來的功率不平衡都需要靠網(wǎng)內(nèi)其他機(jī)組的調(diào)峰和備用來解決，隨著新能源以及電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，這一協(xié)調(diào)問題越來越突出。
針對(duì)以上問題，隨著先進(jìn)信息通信技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)理論研究的不斷深入，對(duì)網(wǎng)內(nèi)各種已有控制系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化顯得越來越重要，即傳統(tǒng)的“二次”控制系統(tǒng)需要向智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)演化。該系統(tǒng)的特征是基于先進(jìn)的信息通信和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全局可觀、分層分散協(xié)調(diào)控制，目的是從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構(gòu)建多層級(jí)主動(dòng)相互協(xié)調(diào)的自趨優(yōu)智能控制系統(tǒng)。
鑒于現(xiàn)代電網(wǎng)中高壓(特高壓)直流輸電的比重逐漸增加[2-5]，傳輸?shù)墓β试絹碓酱螅妷旱燃?jí)也越來越高，而且高壓直流輸電的控制保護(hù)系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此高壓直流輸電在現(xiàn)代電網(wǎng)的智能協(xié)調(diào)控制體系中占有重要地位，下面以高壓直流輸電為例，分析說明直流設(shè)備級(jí)“二次”控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響，以及直流“二次”控制系統(tǒng)主動(dòng)參與系統(tǒng)級(jí)的智能協(xié)調(diào)控制對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的提升作用。
1.3 高壓直流輸電系統(tǒng)將在未來電網(wǎng)控制體系中發(fā)揮重要作用
高壓直流輸電因其調(diào)控范圍廣(距離遠(yuǎn))、調(diào)控力度大(容量大)，將在未來智能電網(wǎng)控制體系中發(fā)揮重要作用，本
以高壓直流輸電系統(tǒng)為例，闡述設(shè)備控制對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性正反兩方面的影響。
高壓直流輸電為大型能源基地的大容量、遠(yuǎn)距離送出提供了有效的技術(shù)手段，但也給交直流混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性帶來了如下挑戰(zhàn)：
(1) 為保護(hù)換流閥等關(guān)鍵設(shè)備，直流線路故障和換流閥故障都有可能導(dǎo)致直流閉鎖。現(xiàn)有的特高壓直流輸送容量一般為8000～12000 MW，因此在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，直流閉鎖會(huì)給交流電網(wǎng)帶來較大的有功功率盈缺沖擊，將會(huì)引起送受端系統(tǒng)內(nèi)的潮流重新分布以及頻率、電壓等問題，嚴(yán)重時(shí)將引起系統(tǒng)穩(wěn)定破壞;在交直流并聯(lián)系統(tǒng)中，直流閉鎖會(huì)給并聯(lián)的交流電網(wǎng)帶來較大的有功潮流轉(zhuǎn)移沖擊，可能引起并聯(lián)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定破壞，影響范圍大，一般需要采取相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制措施。
(2) 基于LLC(電流源型換流器)的高壓直流輸電技術(shù)，需要受端交流電網(wǎng)提供足夠的換相電壓，因此需要從兩側(cè)交流系統(tǒng)吸收大量的無功，而且在換相失敗后的功率恢復(fù)過程中從交流系統(tǒng)吸收的無功功率將更多，從而引發(fā)電壓穩(wěn)定問題。多饋入直流之間的電氣距離短、相互影響大，因此多饋入直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題將更加突出。
(3) 在直流換流站附近的交流系統(tǒng)短路故障，可能會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)換相失敗，從而導(dǎo)致直流輸送功率受阻。與直流閉鎖不同的是，如果直流換相失敗持續(xù)的時(shí)間不夠長(zhǎng)，將不會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖。但在直流換相失敗期間，直流的輸送功率已經(jīng)受阻，相應(yīng)的潮流轉(zhuǎn)移和功率盈余已經(jīng)發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致送受端系統(tǒng)電壓、潮流和頻率的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能帶來進(jìn)一步的連鎖反應(yīng)。
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