电力系统紧急控制

电力系统紧急控制第一部分：设计准则和系统框架0引言电力工业的目标是满足用电需求，并尽可能降低价格和保证电能质量。为了达到这个目标，系统需要一定的备用容量。备用容量的多少取决于各个系统的主要特性和事故假设所决定的优化程度。在水、火电各占一半的系统中，备用容量应为装机容量的25～30%。因此，现代电力工业的主要特征是发展大型互联电力系统。它可以减少备用容量，相互进行功率支援，以最有效的方式利用经济的能源，从而提高系统的可靠性和经济性[1]。然而，互联电网的缺点是，由于对事故连锁反应，可能出现大面积停电[2，3]。1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故的关键特征是，解列一条线路后，其余线路被迫承担被解列线路的负荷，而已失去一条线路的网络进一步过载，从而引起连锁反映和导致系统崩溃。经验表明，大多数这样的灾难性事故是因为对紧急控制缺乏应有的重视。估计发生这种事故的几率还将增加。随着电力市场的发展，电力系统的重构和解除管制，在主网基础上建立起来的现代互联网在区域之间传输的功率将日益增加。这种需求进一步增加了电力传输系统的压力。最明显的解决方法是新建输电线。但是新建线路投资高、除峰荷外利用率低，从环境保护的角度也对线路走廊提出了限制，因此新建线路的方案是缺乏吸引力的。在这种情况下，互联电网的可靠性只有借助于发展紧急控制系统来予以保证[4，5]。与现代电力系统可靠性有关的问题很多而且非常复杂。这就必须弄清有哪些重要问题和需要什么新的控制功能来保证当前系统的可靠性。本文将较系统地综述与电力系统紧急控制有关的问题：紧急控制的定义及其主要目标、已有的紧急控制措施、集中紧急控制系统的框架和设计准则。而在相关的另一篇文章中进一步阐述有关紧急控制的理论研究和未来发展的趋势[6]。2电力系统的运行状态和稳定性电力系统的运行条件一般可用三组方程式来描述：一组微分方程式用来描述电力系统元件及其控制设备的动态行为；另两组代数方程式则分别构成电力系统运行的等式和不等式约束条件。等式约束表示系统总的发电量和总负荷量的平衡；不等式约束表示某些系统变量，如电压和电流，不得超过物理设备的最大极限。根据这些约束条件是否满足，系统的运行分为5个状态，如图1所示[7，13，14]。正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正/正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正1正正正正正正正正Fig.1Powersystemoperationstates在正常运行状态下，所有等式和不等式约束条件都满足，表明发电和负荷平衡，没有设备过载，有足够的备用储备使系统能承受一定的干扰而保持在适当的安全水平。当扰动概率增加，使系统安全水平逐步降低而进入警戒状态。此时，虽然所有约束条件仍然满足，但是备用储备减少，某些干扰可能导致不等式约束破坏（如设备过载），使系统安全受到威胁。在这种状态下，应采取预防控制使系统恢复到正常状态。在采取预防控制之前，如果发生足够严重的干扰，系统就进入紧急状态。此时，不等式约束被破坏，系统安全水平为零。但是，系统仍然完整，应启动紧急控制使系统至少恢复到警戒状态。如果紧急控制措施未及时采取或失效，系统将解列和进入极端紧急状态。在极端紧急状态中，等式和不等式约束都被破坏，系统不再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制作用应尽可能多地挽救解列后的子系统，以避免整个系统的完全崩溃。一旦崩溃停止，如果仍有设备运行在额定容量之内，或某些设备紧跟崩溃而重新启动，则系统可能进入恢复状态。采取恢复控制措施，重新带上所有失去的负荷和连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常状态则视情况而定。为了保证系统的可靠性，首先要对系统稳定性，即受到扰动后回到正常或接近正常运行条件，进行详细的研究。通常按扰动性质将稳定性进行分类[8]：(1)静态稳定或小干扰稳定性：由于负荷和发电的动力学性质，电力系统中任何一个地方相对小的扰动所引起的转子摇摆能够恢复。为了维持静态稳定性，必须严格约束运行参数——主要是电压水平和潮流。(2)暂态稳定性：系统遭受严重的暂态扰动，如输电线故障、切除发电机或大的负荷，引起发电机转子角、母线电压和其它系统变量大幅度波动，而能够维持同步运行的能力。如果系统的暂态稳定性比较脆弱，就要考虑附加的调节手段：多个发电机的作用，或附加运行约束。对电力系统紧急控制而言，虽然在各种特定条件下产生紧急条件的扰动性质可能有极大的不同，但主要原因如下：l电力系统元件（线路、变压器、母线、发电机）短路；l将故障元件与主网隔离；由于运行员的错误，或由于继电保护或其自动化设备的误动，将无故障元件解列；l互联电网的各区域中的有功平衡破坏；l系统解列后形成有功或无功缺乏或过剩的孤岛。值得指出的是，从上述紧急状态的定义及其产生的原因可以看出，紧急控制虽然与暂态稳定密切相关，但不仅仅只是考虑暂态稳定问题，而应该从整个系统的要求出发。对于系统紧急状态来说，个别电机的不稳定性既不是必要条件，也不是充分条件。系统演变到紧急状态，可能不会直接威胁个别电机的连续同步运行；危及个别电机连续稳定运行的扰动可能（但不需要）出现在系统紧急状态出现之前或演变过程中。防止某台发电机失步或防止某个元件损坏的当地控制作用甚至可能恶化整个系统的性能。例如，1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故中，系统进入紧急状态都没有经历暂态稳定问题。换言之，这种当地紧急控制作用的后果是，使主要联络线或干线以故障前最小静态稳定裕度运行，大多数情况下会进一步加载，从而超过故障后功角特性的最大幅值。按照CIGRE和IEEE提出的术语，这种情况称之为“条件稳定性”[4]。此外，电力系统紧急状态的出现不仅表现在发电和输电设备的极限的破坏上，而且表现在基本变量频率和电压的极限破坏上。在电源开断或负荷突然增大时，由于电源和负荷间功率的严重不平衡，会引起系统频率突然大幅度下降。如果系统备用容量不足和不及时采取措施，将使频率进一步下降，而产生频率崩溃，导致全系统的瓦解。由于无功电源不足或无功电源突然切除时，当负荷（特别是无功负荷）逐渐增加到一定程度时，有可能使电压大幅度下降，以致发生电压崩溃现象[7]。因此，按照文献[8]所述，紧急控制的定义是，当系统遭受一个事件的扰动后，部分或整个系统现有容量暂时不再能充分满足负荷需求时，使系统能够维持和恢复到可行的运行状态、而且不会出现不可忍受的过载或不正常的频率或电压所采取的措施和过程。2紧急控制系统的设计准则和框架经典地和广泛地采用的“紧急控制”都是当地控制，主要是防止单台发电机（个别情况是对发电机群）失去暂态稳定性。IEEE工作组的报告[10]对已有的稳定控制方法作了较全面的综述：l继电保护（单相或三相、重合闸或无重合闸）；l电阻制动；l快关汽门（短暂减功率和持续减功率）；l励磁控制；l串联和并联补偿装置的投切；l发电机解列；l直流联络线调节；l低周减载。目前，北美、欧洲和日本的预防控制大多是针对单条线路过载或单个事件作出反应。经验证明，在大多数情况下，仅仅采用一种控制措施对于大型互联电网是不可接受的。96年美国西部大停电事故表明，必须从整体考虑系统的可靠性，而不能仅从当地控制或单个控制措施分别来考虑。互联电网紧急控制的主要目的是将紧急状态局部化和避免故障扩展到相邻区域。这就需要综合和协调各种控制措施，形成一个集中和分层协调的紧急控制系统[2]。在这方面，俄罗斯取得了丰富的经验和成功。前苏联在发展电力系统过程中的关键策略是节约投资，因此系统的输电容量非常紧张。为了保证系统的可靠运行，前苏联工程师开发了先进的集中的紧急预防自动控制（CEPAC）系统，并一直不断改进和完善。CEPAC系统的框架如图2所示，该系统共分四层：第一层：紧急控制区域内的当地控制设备；在紧急状态期间，这些设备直接动作；第二层：一个紧急控制区域内的集中控制；这一层确定了第一层设备在故障前条件下的调节；第三层：对第二层控制进行协调；当区域间发生紧急状态时，如有必要，则通过第二层对第一层的当地紧急控制设备进行调节；第四层：（俄罗斯联合电力系统层）：对第三层进行协调。当发生区域间故障时，如有必要，则通过第二层和第三层对第一层的当地紧急控制设备进行调节。正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正图2集中的紧急预防自动控制（CEPAC）系统的框架CEPAC系统选择控制作用是基于它们对电力系统的综合效果，其目的是利用当前系统中所有紧急预防控制手段来保证整个电力系统的稳定运行。在CEPAC系统中，紧急预防控制的基础是：l在线计算静态和暂态稳定；l保证可靠运行所需要的控制作用；l如果机组或线路的切除导致线路过载（超过静稳、暂稳或热极限），控制系统就启动所设计的控制动作来防止系统崩溃。CEPAC系统的硬件实现包括计算机、通信和控制通道、数据采集系统。由专门的控制器和当地自动控制系统一设置控制作用。如图3所示。CEPAC系统包括了多种自动化方案：自动电压调节器（预防控制）；自动潮流限制（预防控制）；继电保护（保护控制），第一道防线；稳定控制方案（校正控制），第二道防线；失步保护（保护控制），第三道防线；低周减载（保护控制），第四道防线；发电机启动和加载（校正控制），第四道防线。正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正/正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正正图3集中紧急预防自动控制系统（CEPAC）最后当切机和甩负荷之后，还不能恢复稳定性，则将系统分片解列。按照主电网和超级电网的安全要求：这些电网由于故障引起的年停电时间不得超过5—6系统分钟，而且多年不会发生系统崩溃。俄罗斯的CEPAC系统是目前世界上最先进的集中紧急预防自动控制系统，多年来都能相对可靠地运行，莫斯科最后一次大面积停电事故发生在1948年12月18日。在1997年，俄罗斯全国停电总量仅为总发电量的0.014%此外加拿大魁北克水电管理局（Hydro-Que'bec）为了提高输电系统的可靠性，主要是提高系统承受极端的偶然事故（通常由多重事件或输电线相继跳闸引起）的能力，于1990年启动了一个对付极端偶然事故的防卫计划。该计划的总费用为13亿美元，占总输电系统资产的1%少一点，已于1998年投运[11]。新的输电系统设计准则反映了东北电力协调委员会（NPCC）的更高的可靠性要求[12]，考虑了魁北克水电系统的特征，从而包含了魁北克水电系统的附加要求。满足新的设计准则的解决方案中最吸引人之处是加上了串联补偿、并联电抗器和专门的保护系统。新的设计遵循两个基本出发点：(1)系统不会中断服务或不必借助于专门的保护系统就能对付通常的偶然事故（指多半最可能出现的事故）；(2)在极端的偶然事故条件下，系统必须有措施来避免出现系统范围的瓦解因此，魁北克防卫系统的目标是，使用简单、可靠和安全的自动化措施来保持电力系统的完整性，并在最大可能的范围和和程度上来御防一切可能的极端偶然事故。为了能在极端的偶然事故后保持系统的完整性要求所施加的控制作用既快而且是集群的。为此，魁北克采用了专门的保护系统和确定了大量的设计原则。基中，最重要的设计原则如下：1.专门保护系统的非期望动作不影响系统的安全。在任何情况下，控制作用的容量不超过魁北克系统中最大发电站