专利名称：基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法
技术领域：
本发明属电力系统及其自动化技术领域，更准确地说本发明涉及 一种 基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法。
背景技术：
当大电网系统中个别元件停运或负荷变化，系统强度被削弱，系统的 运行不再能承受常见单一故障扰动时，系统进入警戒状态。此时的电力系 统是很脆弱的，应尽快调整运行方式，以恢复到正常状态。从警戒状态恢 复到正常状态的控制称之为预防控制。
预防控制针对的是大电网系统某种运行方式下可能的多种故障条件， 目标是通过改变系统的运行工作点，使之在这些故障条件下都能安全稳定 运行，预防控制本身是开环控制，措施依靠调度员的操作实现闭环。
预防控制的目标是涵盖电力系统以下三态下的安全性静态(设备过 载)、暂态(功角稳定、电压安全、频率安全)、动态(阻尼)。控制措施包 括以下电力系统的可控注入发电有功/发电无功、负荷有功/负荷无功、 无功补偿(电容/电抗)。
预防控制的目标是在故障实际发生前将运行工作点移到可控注入空间 的安全域内，鉴于电力系统的性质，预防控制是一个高维数、强非线性、 需满足多种约束条件的大规模协调优化问题。目前尚未见实际电力系统的在线应用。
发明内容
本发明的发明目的是克服电力系统现有预防控制技术不能在线应用 的缺点，提供一种基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方 法。
本发明根据电网的实时运行状态、模型和参数、预想故障场景以及候 选措施空间(包含发电机出力调整、负荷调整、无功补偿调整等)，通过研 究电网在给定预想故障场景下的暂态功角稳定性、暂态电压安全性、暂态
频率安全性、事故后设备过载安全性，以扩展等面积准则(EEAC)量化分 析理论、暂态电压/暂态频率定量分析算法、过载评估算法为基础，对改善 系统静态和暂态安全性所需的敏感控制对象(如发电机、负荷、无功补偿 节点)进行识别，在候选措施空间获取同时满足暂态功角稳定性、暂态电 压安全性、暂态频率安全性、事故后设备过载安全性约東且控制代价最优 或者次优的调整方案，形成最终预防性安全稳定控制措施输出，该控制措 施可为调度人员提供辅助决策支持，也可送入EMS经AVC/AGC通道进行闭 环安全稳定控制。
具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的 一种基于静态和 暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法，包括下列步骤
1)根据电网的实时运行状态、模型和参数、预想故障场景，进行潮流 和暂态稳定仿真计算，获得考察的预想故障集下系统的稳态场景和暂态过 程；
2 )利用EEAC量化分析理论、暂态电压/暂态频率安全稳定定量分析算法、过载评估算法进行数据挖掘，求取系统在各故障场景中的暂态和静态 安全裕度(暂态功角稳定裕度、暂态电压安全稳定裕度、暂态频率安全裕 度、事故后设备过载安全裕度)；
3) 若存在故障场景使得系统暂态或静态不安全，则对此类故障进行模 式分类，对属于同一模式的故障，取其中裕度最低者作为限制性故障作进
一步研究；
4) 对暂态功角不稳定的故障模式，利用EEAC分别计算各自的功角稳
定机组参与因子，结合机组的控制代价综合各个模式的机组参与因子，剔
除互斥的机组并排序。按照功角稳定机组排序结果，利用EEAC提供的控制
效果灵敏度，逐步试探得到满足所有故障模式的调整方案；
5) 在步骤4)调整方案基础上，对暂态电压、频率不安全的故障模式， 利用电压无功灵敏度、元件潮流灵敏度分别计算各候选控制措施的参与因 子，结合控制代价综合各个模式的参与因子并排序，按照各候选控制措施 排序结果，利用暂态电压/暂态频率定量分析算法提供的控制效果灵敏度， 逐步试探得到满足所有故障模式的调整方案；
6) 在步骤5)得到的满足暂态安全调整方案基础上，对事故后设备过 载的故障，分别计算各候选控制措施的参与因子(灵敏度)，结合控制代价 综合各个故障的参与因子并排序，按照各候选控制措施排序结果，逐步试
探得到满足所有故障的调整方案；
7) 把得到的调整方案应用到基础方式上，获得调整后的新的方式数
据，在此基础上进行暂态和静态安全性校核，若系统在每一故障场景下均
暂态和静态安全，则已获得预防性控制策略，否则转第3)步，直至达最大迭代次数。
本发明的有益效果如下在电力系统的运行实践中，预防控制是确保
系统安全稳定性的重要措施。本发明建立在EEAC量化分析理论以及电压、 频率暂态安全性定量评估算法基础上，从电网安全稳定模式中抽取有效的 预防控制作用信息，通过综合各个模式的控制措施参与因子，并在暂态功 角、暂态电压/频率和静态设备过载预防控制之间进行协调优化，得到满足 工程实用要求的优化安全稳定预防控制措施。本发明成功地解决了高维 数、强非线性、需满足多种约束条件的大规模协调优化的预防控制问题， 必将在电力系统的运行实践中发挥重要作用。
图l是实施例中基于安全稳定模式的预防控制协调方法的流程图。
具体实施例方式
下面参照附图，对本发明方法进行详细描述。 基于安全稳定模式的预防控制协调方法的流程如图1所示。 在本发明实施例中，披露了确定安全稳定模式与限制性故障的方法。 大型多机电力系统的动态行为十分复杂，当系统中不同地点发生故障时， 往往呈现为不同的失稳模式。EEAC理论从多机系统运动轨迹出发，把系统 划分为 一对主导互补群(临界群S,余下群A},它们描述了系统的失稳模式。 同类控制措施施加在临界群S中与施加在剩余群A中对系统稳定的影响相 反，具有相同失稳模式的多种故障场景具有相同的控制方向。只是由于各 自稳定裕度存在差异，因此所需要的控制量是不同的，为了实现整体的安 全稳定控制，只需要着重研究其中最严重故障的控制策略即可。把具有相同失稳模式的多种故障场景中裕度最低的故障作为该失稳模式的限制性故 障。
在功角稳定的前提下，分别通过发电机无功出力调整、无功补偿调整
以及必要时的有功出力调整逐步解决暂态电压安全问题。每个存在电压不
安全性的故障各定义一个主导电压薄弱母线，把主导电压薄弱母线相同的
故障列入一个电压薄弱模式类型，把属于同一电压薄弱模式的故障中裕度
最低者作为该模式的限制性故障。
每个存在频率不安全性的故障各定义一个主导频率薄弱母线，把主导
频率薄弱母线相同的故障列入一个频率薄弱模式类型，把属于同一频率薄
弱模式的故障中裕度最低者作为该模式的限制性故障。
安全稳定模式的概念不仅具有重要的理论意义，也具有重要的实用价值。
在本发明中，披露了基于安全稳定模式的预防控制方法。预防控制策 略搜索优化模型的目标函数为
min / = ZCM(AFJ
式中Q是可调措施指标集，C^(A/^)是措施A的调整代价(表达为注入
修正量A/>*的线性函数)。
优化模型中需考虑系统的功率平衡约束和变量限值约束。 考虑任一失稳/不安全模式下可控措施对系统安全稳定性影响的程度 (将其指标化并规格化到区间[-l，l],称为可控措施的参与因子)，仅从安 全稳定分析和控制的角度可知，同一模式的限制性故障中位于该区间两端的可控措施可以首尾顺次配对参与控制。
对每一可控措施k计算一个如下的控制性能指标
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中&为i模式下可控措施k的参与因子，而W、(M')n为S〖的权重， 其中，M、l-77,， /A为i模式的裕度，系数n根据具体情况选择。H,为釆取 控制措施k的权重，它反映调节的经济代价，调节经济代价低的节点将拥 有较高的权重。N。为模式总数。
根据以上控制性能指标对各候选控制措施排序。按照排序结果，结合 灵敏度分析技术，逐步试探得到满足所有故障的调整方案。
当预想故障集存在多种失稳/不安全模式时，按模式裕度由小到大顺序 的进行上述处理，后一次均在前一次调整基础上进行，直至得到满足所有 模式的控制策略。
在本发明中，披露了基于安全稳定模式的暂态功角预防控制方法。EEAC 理论可以得到可控机组对功角稳定性的参与因子。结合机组的控制代价综 合各个模式的机组参与因子并排序。考虑到问题的强非线性和复杂性，剔 除各个模式之间互斥的机组(即机组调整对不同模式有相反的作用)。按照 功角稳定机组排序结果，利用EEAC提供的机组调整对控制效果(模式裕度) 的灵敏度，逐步试探得到满足所有模式故障的调整方案。
在本发明中，披露了基于安全稳定模式的暂态电压/频率预防控制方 法。对基于无功调整的控制而言，预防控制将调整节点按优先级别区分为 两类，发电机无功出力调整节点、无功补偿调整节点，前一类控制量是连 续性节点注入修正量，后一类控制量是离散性节点注入修正量，将无功调整分为发电机无功出力调整和无功补偿调整两个步骤。
用无功注入调整手段解决暂态电压不安全的问题时，以各电压薄弱模 式的主导薄弱母线的电压对各候选无功调整节点的无功注入量的灵敏度为 可控措施的参与因子，结合控制代价综合各个模式的参与因子并排序。按 照各候选控制措施排序结果，利用暂态电压定量分析算法提供的控制效果 灵敏度，逐步试探得到满足所有模式故障的调整方案。
上述无功注入调整量的确定方法同样适用于发电机无功出力调整和无 功补偿调整两个步骤，只是在后一种情况下，调整量需按照容抗器配置情 况进行归整处理。
暂态频率预防控制方法与暂态电压预防控制方法类似。
在本发明中，披露了基于安全稳定模式的事故后设备过载预防控制方 法。根据节点效率指标来选择参与预防控制的调节节点，而该指标的定义 如下假设网络中有j^…L条监视设备，故障集中有N个故障，其中有Nc个 严重故障造成过载，每一个严重故障k"…Nc中，有L(k)条监视线路处于紧
急状态，定义
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中T为限值,可取为0.9, Pj，^是设备j的额定功率，Pi,是故障k下设备 j的实际功率，对每一节点i计算如下的控制性能指标
廿i k=l j=l
其中sj;为k故障下节点i对于线路j的灵敏度，而-Mjk为s;的权重， 而H,采取控制措施i的经济代价。根据以上控制性能指标对各候选控制措施排序。按照排序结果，结合 灵敏度分析技术，逐步试探得到满足所有故障的调整方案。
在本发明中，披露了基于安全稳定模式的预防控制协调方法。首先进 行暂态功角预防控制的策略计算，解决相对复杂和非线性程度强的问题； 其次，进行暂态电压和暂态频率的预防控制策略计算；再次，解决线性程 度较好的事故后设备过载的预防控制策略计算。每一步骤均在前一步骤基 础上进行。考虑到问题的复杂性，最后需进行暂态和静态安全性校核，若 系统在每一故障场景下均暂态和静态安全，则已获得预防性控制策略，否 则在本次计算基础上开始新一次计算，直至达最大迭代次数。
总之，本发明根据电网的实时运行状态、模型和参数、预想故障场景 以及候选措施空间(包含发电机出力调整、负荷调整、无功补偿调整等)， 通过研究电网在给定预想故障场景下的暂态功角稳定性、暂态电压安全性、 暂态频率安全性、事故后设备过载安全性，以扩展等面积准则(EEAC)量 化分析理论、暂态电压/暂态频率定量分析算法、过载评估算法为基础，对 改善系统静态和暂态安全性所需的敏感控制对象(如发电机、负荷、无功 补偿节点)进行识别，在候选措施空间获取同时满足暂态功角稳定性、暂 态电压安全性、暂态频率安全性、事故后设备过载安全性约束且控制代价 最优或者次优的调整方案，形成最终预防性安全稳定控制措施输出，该控
制措施可为调度人员提供辅助决策支持，也可送入EMS经AVC/AGC通道进 行闭环安全稳定控制。
权利要求
1、基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法，包括下列步骤1)根据电网的实时运行状态、模型和参数、预想故障场景，进行潮流和暂态稳定仿真计算，获得考察的预想故障集下系统的稳态场景和暂态过程；2)利用EEAC量化分析理论、暂态电压/暂态频率安全稳定定量分析算法、过载评估算法进行数据挖掘，求取系统在各故障场景中的暂态和静态安全裕度，包括暂态功角稳定裕度、暂态电压安全稳定裕度、暂态频率安全裕度、事故后设备过载安全裕度；3)若存在故障场景使得系统暂态或静态不安全，则对此类故障进行模式分类，对属于同一模式的故障，取其中裕度最低者作为限制性故障作进一步研究；4)对暂态功角不稳定的故障模式，利用EEAC分别计算各自的功角稳定机组参与因子，结合机组的控制代价综合各个模式的机组参与因子，剔除互斥的机组并排序，按照功角稳定机组排序结果，利用EEAC提供的控制效果灵敏度，逐步试探得到满足所有故障模式的调整方案；5)在步骤4)调整方案基础上，对暂态电压、频率不安全的故障模式，利用电压无功灵敏度、元件潮流灵敏度分别计算各候选控制措施的参与因子，结合控制代价综合各个模式的参与因子并排序，按照各候选控制措施排序结果，利用暂态电压/暂态频率定量分析算法提供的控制效果灵敏度，逐步试探得到满足所有故障模式的调整方案；6)在步骤5)得到的满足暂态安全调整方案基础上，对事故后设备过载的故障，分别计算各候选控制措施的参与因子的灵敏度，结合控制代价综合各个故障的参与因子并排序，按照各候选控制措施排序结果，逐步试探得到满足所有故障的调整方案；7)把得到的调整方案应用到基础方式上，获得调整后的新的方式数据，在此基础上进行暂态和静态安全性校核，若系统在每一故障场景下均暂态和静态安全，则已获得预防性控制策略，否则转第3)步，直至达最大迭代次数。
2、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于安全稳定模式与限制性故障包括l)根据EEAC 理论从多机系统运动轨迹出发，把系统划分为一对主导互补群(临界群s, 余下群A),它们描述了系统的暂态功角失稳模式。把具有相同失稳模式的 多种故障场景中裕度最低的故障作为该失稳模式的限制性故障；2)每个 存在电压不安全性的故障各定义一个主导电压薄弱母线，把主导电压薄弱 母线相同的故障列入一个电压薄弱模式类型，把属于同一电压薄弱模式的故障中裕度最低者作为该模式的限制性故障；3)每个存在频率不安全性的故障各定义一个主导频率薄弱母线，把主导频率薄弱母线相同的故障列入 一个频率薄弱模式类型，把属于同一频率薄弱模式的故障中裕度最低者作为该模式的限制性故障。
3、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的预防控制方法为对每一可控措施k计算一个如下的控制性能指标Pik=+S(spw')Hk ,=1其中为i模式下可控措施k的参与因子，而W1 = (M，为St的权重， 其中，M、l-77,，；/,为i模式的裕度，Hk为采取控制措施k的经济代价，Nc为模式总数，根据以上控制性能指标对各候选控制措施排序，按照排序结 果，结合灵敏度分析技术，逐步试探得到满足所有故障的调整方案。
4、 根据权利要求3所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于当预想故障集存在多种失稳/不安全模式时，按 模式裕度由小到大顺序的进行上述处理，后一次均在前一次调整基础上进 行，直至得到满足所有模式的控制策略。
5、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的暂态功角预防控制方为 EEAC理论得到可控机组对功角稳定性的参与因子。结合机组的控制代价综 合各个模式的机组参与因子并排序，剔除各个模式之间互斥的机组。按照 功角稳定机组排序结果，利用EEAC提供的机组调整对控制效果-模式裕度-的灵敏度，逐步试探得到满足所有模式故障的调整方案。
6、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的暂态电压预防控制方法为 以各电压薄弱模式的主导薄弱母线的电压对各候选无功调整节点的无功注 入量的灵敏度为可控措施的参与因子，结合控制代价综合各个模式的参与 因子并排序，按照各候选控制措施排序结果，利用暂态电压定量分析算法 提供的控制效果灵敏度，逐步试探得到满足所有模式故障的调整方案。
7、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的暂态频率预防控制方法为以各频率薄弱模式的主导薄弱母线的频率对各候选无功调整节点的无功注 入量的灵敏度为可控措施的参与因子，结合控制代价综合各个模式的参与 因子并排序，按照各候选控制措施排序结果，利用暂态频率定量分析算法 提供的控制效果灵敏度，逐步试探得到满足所有模式故障的调整方案。
8、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的事故后设备过载预防控制 方法为假设网络中有j^…L条监视设备，故障集中有N个故障，其中有Nc 个严重故障造成过载，每一个严重故障l^l…Nc中，有L(k,条监视线路处于紧急状态，定义<formula>formula see original document page 5</formula>其中T为限值，Pj^e是设备j的额定功率，P^^是故障k下设备j的实际功率，对节点i计算如下的控制性能指标<formula>formula see original document page 5</formula>其中S;为k故障下节点i对于线路j的灵敏度，而= M}为S;的权重， 而H,采取控制措施i的经济代价，根据以上控制性能指标对各候选控制措 施排序，按照排序结果，结合灵敏度分析技术，逐步试探得到满足所有故 障的调整方案。
9、 根据权利要求1所述的基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线 预防控制方法，其特征在于基于安全稳定模式的预防控制协调方法首先进行暂态功角预防控制的策略计算，解决相对复杂和非线性程度强的问题；其次，进行暂态电压和暂态频率的预防控制策略计算；再次，解决线性程 度较好的事故后设备过载的预防控制策略计算，每一步骤均在前一步骤基 础上进行，最后进行暂态和静态安全性校核，若系统在每一故障场景下均 暂态和静态安全，则已获得预防性控制策略，否则在本次计算基础上开始 新一次计算，直至达最大迭代次数。
全文摘要
基于静态和暂态安全稳定模式的大电网在线预防控制方法，包括下列步骤1)获得暂态过程，2)求取系统暂态和静态安全裕度，3)对故障进行模式分类，4)试探得到满足所有故障模式的调整方案，5)计算暂态电压、频率不安全各候选控制措施的参与因子，并排序，6)计算事故后设备过载的各候选控制措施的参与因子的灵敏度，并排序，7)获得调整后的新的方式数据，进行暂态和静态安全性校核。本发明通过综合各个模式的控制措施参与因子，并在暂态功角、暂态电压/频率和静态设备过载预防控制之间进行协调优化，得到满足工程实用要求的优化安全稳定预防控制措施。
文档编号G06F17/00GK101299539SQ200710135089
公开日2008年11月5日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者刘华伟, 徐泰山, 李海峰, 李碧君, 苏大威, 鲍颜红 申请人:国网南京自动化研究院;江苏省电力公司