CN105406464A - 一种超高压电网故障稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种超高压电网故障稳定控制方法,包括建立分层电网网架，最优控制策略的选择，以及故障操作手段的判断选择；其中，建立分层超高压电网网架是由于在不同运行方式和初始触发故障条件下，超高压电网生存性所需的骨干网架不完全相同。从众多骨干网架中抽取在各种运行方式和初始触发故障条件下，对超高压电网生存性起到有效支撑作用的关键线路，对于有针对性地实施生存性增强措施具有重要作用。本发明的控制方法能够在超高压电网故障时，及时地根据超高压电网的网架结构，快速的搜索出故障点以及故障形式，并在控制策略中优选出最佳的控制策略进行应对，以及根据不同的故障形式采用不同的故障处理方式，以防止保护装置的不触发或误触发。

Description

一种超高压电网故障稳定控制方法

技术领域

本发明设计一种电网的稳定性控制的技术领域，具体的来说，是一种超高压电网故障稳定控制方法。

背景技术

随着互联超高压电网区域和交换容量的扩大，由互联超高压电网故障引起的特大停电事故对社会生活的影响几乎成为社会灾难，而保障互联超高压电网的运行安全性，避免重大、特大停电事故的发生却变得越来越困难。发生大面积停电往往是由多种偶然因素所致，尽管这种故障发生的概率很低，但后果却异常严重。因此，需要一种控制方式在电力***在极端严重和难以预料的故障时及时反应并快速地进行故障应对，并且不会被电网的小波动频繁触发。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提出一种超高压电网故障稳定控制方法，所述超高压电网故障稳定控制方法包括建立分层超高压电网网架，最优控制策略的选择，以及故障操作手段的判断选择。

其中，建立分层超高压电网网架是由于在不同运行方式和初始触发故障条件下，超高压电网生存性所需的骨干网架不完全相同。从众多骨干网架中抽取在各种运行方式和初始触发故障条件下，对超高压电网生存性起到有效支撑作用的关键线路，对于有针对性地实施生存性增强措施具有重要作用

因此，为了超高压电网故障时能够及时准确的定位，需要预先对超高压电网进行结构化，主要分四个步骤。

1)建立分层次的结构模型：

在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次。

2)构造判断矩阵：

通过构造相对重要度判断矩阵，确定针对上一层次某因素，本层次任意2个因素间的相对重要性。该判断矩阵的构造表明，发生概率较大骨干网架中的线路具有相对更大的重要度。

3)层次单排序及其一致性检验：

对于每一个判断矩阵，计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量(归一化后)，即为权重向量：若不通过，需重新构造判断矩阵。

4)层次总排序及其一致性检验：

确定最低层各对象相对于最高层目标的权重向量，并做一致性检验，若检验通过，则可按照权重向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造判断矩阵。

在获得了完整的超高压电网分层结构概况后，由故障诊断、辨识部分得到的信息可知当前***的超高压电网结构和运行情况，如***正常运行还是发生了故障以及故障的地点、范围和严重程度等情况。仅有这些信息作为紧急控制的决策还远远不够，还要根据从SCADA(监控和数据采集)***中得来的大量测量信息，如有功功率P，有功功率的变化量△P，转差δ，转差的变化量△δ，电流I及电流的变化量△I，无功功率Q和电压U及电压的变化量△U等等。

电力***的稳定控制按目标可分为两类：一类是防止稳定破坏的稳定性控制：另一类是防止***参数严重偏离允许值的校正性控制。后者包括限制频率异常、电压异常、过负荷和制止失步运行等，每一项控制目标都对应好几种控制手段，这也就是说可以采取不同的控制手段来达到相同的控制目标,所以对控制手段而言存在最优的选择。

控制策略的优选问题是一个非常重要的问题，这一部分优化的好坏直接影响到后面执行部分的效果。它不仅要考虑到区域间的相互协调作用，还要考虑到控制执行的程度、几种控制措施之间的协调控制等。

电力***稳定控制最优策略优选的模型要考虑到最优目标函数的确定(包括安全稳定评价和代价函数)及约束条件的确定(包括稳定裕度、控制措施的负效应约束等)。

控制策略优选的目标函数和相应的约束条件为：

$\min J=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n\left(t\right)}{\Σ}}{C}_{ij}{U}_{ij}$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{n\left(t\right)}{\Σ}}{U}_{ij}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i$

U_ij≤k_ij(i＝1...m，j＝1...n(i))

F(U)＞ε

g(X，U)＝0

h(X，U)≤0

其中

J：操作费用最小目标函数：

C_ij：采取第i种控制措施的j控制点所需要的单位操作费用

U_ij采取第i种控制措施j控制点的控制量；

m：可采取的控制措施数目；

n(i)：第i种控制措施的控制点数目；

第i种控制措施的控制总量；

k_ij：采取第i种控制措施的j控制点的最大控制量；

X：***的状态变量；

U：***的控制变量；

F(U)：对应各种控制量的稳定裕度函数

ε：为一给定小正数；

g(X，U)：潮流平衡方程：

h(X，U)：函数型不等式约束；

在故障发生后，依据检测到的工况和故障形态，或***出现的各种不安全的动态行为，通过***中的计算机、通讯及稳控装置自动投入预先选定好的最优控制策略。对于此类控制而言，故障后的控制时间弥足珍贵，控制时机越早，控制效果越好，加之***在故障发生后的失稳过程非常短暂，可能短至200ms，所以这一类控制措施的执行不再受调度员的直接干预，完全依赖各种稳控设备自动执行，为自动控制，主要的自动控制措施有切机、切负荷、解列、快关、电阻制动等。

切机是由于资源分布的不均衡，电源中心往往远离负荷中心，这就需要远距离传输电能。如果运行中出现了直流闭锁或重要联络线故障，就可能导致线路过载、暂态稳定破坏等问题，切机是解决上述问题的一种常用措施。在***解列或丢失大量负荷的情况下，往往会因为功率过剩而导致电网频率偏高，这时需要切除一部分发电功率来抑制频率上升。此外，在***频率低于特定值时，也需要将部分机组切除，以保护机组安全和对厂用电等重要负荷的连续供电。

通过检测故障形态，或判断某些状态量，比如重要传输线三相永久短路、支路潮流、发电机转速等，以就地或远方遥控的方式切除某些机组以防止稳定破坏、消除异步运行方式、限制频率升高及设备过载。切机使机组承受了机械负荷和电气负荷的突然变化，从而对发电机、原动机和供能***产生了相应的冲击。对于发电机而言，会产生以下三个问题：(1)由切机而引起的超速；(2)负荷快速变化产生的热应力；(3)连续扰动造成的高位轴转矩。

切负荷是当超高压电网中突然失去大电源后，将导致***频率和电压大幅下降，严重情况下会使电力***失去稳定。切负荷措施是维持***中电源和负荷平衡的最有效的离散控制方法之一，当故障后***出现功率缺额时，正确切除***中的某些负荷可以解决以下***问题：(1)防止稳定破坏，消除异步运行方式；(2)限制频率和电压降低；(3)限制设备过载。

解列是***出现异步振荡时，电流、电压和功率将发生强烈振荡，若未能及时抑制这种振荡，就有可能对各种***设备产生不利影响，甚至造成***瓦解。解列是指在适当的断面和时间将***分为非同步运行的若干部分，是消除***振荡和避免停电范围扩大的重要措施。

稳定控制主要针对以下***故障状态，并在出现以下故障状态时判断启动执行：

(1)对外联络的断面上发生功率突变，使得***内有功功率出现较为严重的不平衡，此时依据电网内功率不平衡功率的状态和方向判断是执行机组控制还是负荷控制；

(2)在对外联络线的对外输送功率达到稳定极限的情况下，区内重要负荷突然断开，使***有功功率出现较大剩余，此时稳定控制主要动作为机组控制；

(3)在对外联络线的对内输入功率达到稳定极限的情况下，区内重要电源突然断开，使***有功功率出现较大缺额，此时稳定控制的主要动作为负荷控制。

在稳定控制中，不满足条件的其他故障(如单相故障及重合闸过程等)不应触发稳定控制动作，同时，对故障扰动应设置一个阀限值P_c，set，，这是考虑到功率扰动P_c小于P_c，set时，对***不会造成重大冲击，频率和电压不会有太大的波动，不需要采用稳定控制，同时，限制稳定控制的灵敏度以避免其频繁地触发，也是出于减少***二次扰动的目的。因此，当当P_c＞P_c，set时时，启动稳定控制，对于***内可控节点上的负荷或者电源进行操作；而当P_c＜P_c，set时，调度不应发出稳定控制命令，应转而采取其他稳定控制措施，P_c，set的值在不同***网络架构及负荷水平时应有不同的设置，须通过离线仿真计算给出。

以上所述的一种稳定控制方法能够在超高压电网故障时，及时地根据超高压电网的网架结构，快速的搜索出故障点以及故障形式，并在控制策略中优选出最佳的控制策略进行应对，以及根据不同的故障形式采用不同的故障处理方式，以防止保护装置的不触发或误触发。

附图说明

图1是本发明的一种超高压电网故障稳定控制方法的控制流程

具体实施方式

一种超高压电网故障稳定控制方法，所述超高压电网故障稳定控制方法包括建立分层超高压电网网架，最优控制策略的选择，以及故障操作手段的判断选择。

其中，建立分层超高压电网网架是由于在不同运行方式和初始触发故障条件下，超高压电网生存性所需的骨干网架不完全相同。从众多骨干网架中抽取在各种运行方式和初始触发故障条件下，对超高压电网生存性起到有效支撑作用的关键线路，对于有针对性地实施生存性增强措施具有重要作用

因此，为了超高压电网故障时能够及时准确的定位，需要预先对超高压电网进行结构化，主要分四个步骤。

1)建立分层次的结构模型

在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次。

2)构造判断矩阵

通过构造相对重要度判断矩阵，确定针对上一层次某因素，本层次任意2个因素间的相对重要性。该判断矩阵的构造表明，发生概率较大骨干网架中的线路具有相对更大的重要度。

3)层次单排序及其一致性检验

对于每一个判断矩阵，计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过，特征向量(归一化后)，即为权重向量：若不通过，需重新构造判断矩阵。

4)层次总排序及其一致性检验

确定最低层各对象相对于最高层目标的权重向量，并做一致性检验，若检验通过，则可按照权重向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造判断矩阵。

在获得了完整的超高压电网分层结构概况后，由故障诊断、辨识部分得到的信息可知当前***的超高压电网结构和运行情况，如***正常运行还是发生了故障以及故障的地点、范围和严重程度等情况。仅有这些信息作为紧急控制的决策还远远不够，还要根据从SCADA(监控和数据采集)***中得来的大量测量信息，如有功功率P，有功功率的变化量△P，转差δ，转差的变化量△δ，电流I及电流的变化量△I，无功功率Q和电压U及电压的变化量△U等等。

电力***的稳定控制按目标可分为两类：一类是防止稳定破坏的稳定性控制：另一类是防止***参数严重偏离允许值的校正性控制。后者包括限制频率异常、电压异常、过负荷和制止失步运行等，每一项控制目标都对应好几种控制手段，这也就是说可以采取不同的控制手段来达到相同的控制目标,所以对控制手段而言存在最优的选择。

控制策略的优选问题是一个非常重要的问题，这一部分优化的好坏直接影响到后面执行部分的效果。它不仅要考虑到区域间的相互协调作用，还要考虑到控制执行的程度、几种控制措施之间的协调控制等。

电力***稳定控制最优策略优选的模型要考虑到最优目标函数的确定(包括安全稳定评价和代价函数)及约束条件的确定(包括稳定裕度、控制措施的负效应约束等)。

控制策略优选的目标函数和相应的约束条件为：

$\min J=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n\left(t\right)}{\Σ}}{C}_{ij}{U}_{ij}$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{n\left(t\right)}{\Σ}}{U}_{ij}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i$

U_ij≤k_ij(i＝1...m，＝1...n(i))

F(U)＞ε

g(X，U)＝0

h(X，U)≤0

其中

J：操作费用最小目标函数：

C_ij采取第i种控制措施的j控制点所需要的单位操作费用

U_ij采取第i种控制措施j控制点的控制量；

m：可采取的控制措施数目；

n(i)：第i种控制措施的控制点数目；

第i种控制措施的控制总量；

k_ij：采取第i种控制措施的j控制点的最大控制量；

X：***的状态变量；

U：***的控制变量；

F(U)：对应各种控制量的稳定裕度函数

ε：为一给定小正数；

g(X，U)：潮流平衡方程：

h(X，U)：函数型不等式约束；

在故障发生后，依据检测到的工况和故障形态，或***出现的各种不安全的动态行为，通过***中的计算机、通讯及稳控装置自动投入预先选定好的最优控制策略。对于此类控制而言，故障后的控制时间弥足珍贵，控制时机越早，控制效果越好，加之***在故障发生后的失稳过程非常短暂，可能短至200ms，所以这一类控制措施的执行不再受调度员的直接干预，完全依赖各种稳控设备自动执行，为自动控制，主要的自动控制措施有切机、切负荷、解列、快关、电阻制动等。

切机是由于资源分布的不均衡，电源中心往往远离负荷中心，这就需要远距离传输电能。如果运行中出现了直流闭锁或重要联络线故障，就可能导致线路过载、暂态稳定破坏等问题，切机是解决上述问题的一种常用措施。在***解列或丢失大量负荷的情况下，往往会因为功率过剩而导致电网频率偏高，这时需要切除一部分发电功率来抑制频率上升。此外，在***频率低于特定值时，也需要将部分机组切除，以保护机组安全和对厂用电等重要负荷的连续供电。

通过检测故障形态，或判断某些状态量，比如重要传输线三相永久短路、支路潮流、发电机转速等，以就地或远方遥控的方式切除某些机组以防止稳定破坏、消除异步运行方式、限制频率升高及设备过载。切机使机组承受了机械负荷和电气负荷的突然变化，从而对发电机、原动机和供能***产生了相应的冲击。对于发电机而言，会产生以下三个问题：(1)由切机而引起的超速；(2)负荷快速变化产生的热应力；(3)连续扰动造成的高位轴转矩。

切负荷是当电网中突然失去大电源后，将导致***频率和电压大幅下降，严重情况下会使电力***失去稳定。切负荷措施是维持***中电源和负荷平衡的最有效的离散控制方法之一，当故障后***出现功率缺额时，正确切除***中的某些负荷可以解决以下***问题：(1)防止稳定破坏，消除异步运行方式；(2)限制频率和电压降低；(3)限制设备过载。

解列是***出现异步振荡时，电流、电压和功率将发生强烈振荡，若未能及时抑制这种振荡，就有可能对各种***设备产生不利影响，甚至造成***瓦解。解列是指在适当的断面和时间将***分为非同步运行的若干部分，是消除***振荡和避免停电范围扩大的重要措施。

稳定控制主要针对以下***故障状态，并在出现以下故障状态时判断启动执行：

(1)对外联络的断面上发生功率突变，使得***内有功功率出现较为严重的不平衡，此时依据超高压电网内功率不平衡功率的状态和方向判断是执行机组控制还是负荷控制；

(2)在对外联络线的对外输送功率达到稳定极限的情况下，区内重要负荷突然断开，使***有功功率出现较大剩余，此时稳定控制主要动作为机组控制；

(3)在对外联络线的对内输入功率达到稳定极限的情况下，区内重要电源突然断开，使***有功功率出现较大缺额，此时稳定控制的主要动作为负荷控制。

在稳定控制中，不满足条件的其他故障(如单相故障及重合闸过程等)不应触发稳定控制动作，同时，对故障扰动应设置一个阀限值P_c，set，，这是考虑到功率扰动P_c小于P_c，set时，对***不会造成重大冲击，频率和电压不会有太大的波动，不需要采用稳定控制，同时，限制稳定控制的灵敏度以避免其频繁地触发，也是出于减少***二次扰动的目的。因此，当当P_c＞P_c，set时时，启动稳定控制，对于***内可控节点上的负荷或者电源进行操作；而当P_c＜P_c，set时，调度不应发出稳定控制命令，应转而采取其他稳定控制措施，P_c，set的值在不同***网络架构及负荷水平时应有不同的设置，须通过离线仿真计算给出。

以上所述的一种稳定控制方法能够在超高压电网故障时，及时地根据超高压电网的网架结构，快速的搜索出故障点以及故障形式，并在控制策略中优选出最佳的控制策略进行应对，以及根据不同的故障形式采用不同的故障处理方式，以防止保护装置的不触发或误触发。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种超高压电网故障稳定控制方法，其特征在于，所述超高压电网故障稳定控制方法包括建立分层超高压电网网架，最优控制策略的选择，以及故障操作手段的判断选择；

所述建立分层超高压电网网架包括建立分层次的结构模型、构造判断矩阵、层次单排序及其一致性检验和层次总排序及其一致性检验；

所述构造判断矩阵通过构造相对重要度判断矩阵，确定针对上一层次某因素，本层次任意2个因素间的相对重要性；

所述层次单排序及其一致性检验，对于每一个判断矩阵，计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验，若检验通过，特征向量即为权重向量：若不通过，需重新构造判断矩阵。

2.如权利要求1所述的一种超高压电网故障稳定控制方法，其特征在于，所述建立分层次的结构模型是在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。

3.如权利要求1所述的一种超高压电网故障稳定控制方法，其特征在于，所述层次总排序及其一致性检验为确定最低层各对象相对于最高层目标的权重向量，并做一致性检验，若检验通过，则按照权重向量表示的结果进行决策，否则需要重新考虑模型或重新构造判断矩阵。

4.如权利要求1所述的一种超高压电网故障稳定控制方法，其特征在于，所述最优控制策略的选择包括控制策略优选的目标函数和相应的约束条件：

U_ij≤k_ij(i＝1...m，j＝1...n(i))

F(U)＞ε

g(X，U)＝0

h(X，U)≤0

其中

J：操作费用最小目标函数：

C_ij:采取第i种控制措施的j控制点所需要的单位操作费用

U_ij:采取第i种控制措施j控制点的控制量；

m：可采取的控制措施数目；

n(i)：第i种控制措施的控制点数目；

第i种控制措施的控制总量；

k_ij：采取第i种控制措施的j控制点的最大控制量；

X：***的状态变量；

U：***的控制变量；

F(U)：对应各种控制量的稳定裕度函数

ε：为一给定小正数；

g(X，U)：潮流平衡方程：

h(X，U)：函数型不等式约束。

5.如权利要求1所述的一种超高压电网故障稳定控制方法，其特征在于，所述稳定控制主要针对以下***故障状态，并在出现以下故障状态时判断启动执行：

(1)对外联络的断面上发生功率突变，使得***内有功功率出现较为严重的不平衡，此时依据超高压电网内功率不平衡功率的状态和方向判断是执行机组控制还是负荷控制；

(2)在对外联络线的对外输送功率达到稳定极限的情况下，区内重要负荷突然断开，使***有功功率出现较大剩余，此时稳定控制主要动作为机组控制；

(3)在对外联络线的对内输入功率达到稳定极限的情况下，区内重要电源突然断开，使***有功功率出现较大缺额，此时稳定控制的主要动作为负荷控制；

在稳定控制中，不满足条件的其他故障不应触发稳定控制动作，同时，对故障扰动设置一个阀限值P_c，set，当P_c＞P_c，set时，启动稳定控制，对于***内可控节点上的负荷或者电源进行操作；而当Pc＜P_c，set时，调度不应发出稳定控制命令，应转而采取其他稳定控制措施，P_c，set的值在不同***网络架构及负荷水平时应有不同的设置，须通过离线仿真计算给出。