現代交直流混合電網安全穩定智能協調控制系統框架探討
日期：2018-8-14 瀏覽次數: 6662
摘要：隨著中國現代交直流混合電網的不斷發展，如何整合協調已有的各種控制子系統，構建現代電網的安全穩定智能協調控制系統越來越受到關注。首先總結了直流輸電對交直流混合電網安全穩定性的顯著影響，分析了電網中控制系統的現狀，進而指出當前各種控制子系統都是為了解決電力系統發展過程中的各個問題而自然出現的，并非有計劃性的統籌設計，缺乏來自系統全局角度的主動協調和趨優控制，“二次”控制系統需要向深度融合的物理信息系統演化。從系統論、控制論及協同論的觀點入手, 提出了構建分散—集中型現代電網智能協調控制系統的若干原則和總體框架，并舉例闡述了體現這些原則的工程實例。
關鍵詞 : 現代電網;協調控制;分散—集中型;協同論
國家電網公司科技項目“電網發展規模及承載能力與平衡結構演化規律研究”。
0 引言
世界范圍內工業的發展歷經了從工業1.0到工業4.0這四個階段，其特征可以這樣大致概括為：工業1.0實現了“大規模機械化生產”，工業2.0實現了“電氣化生產”，工業3.0實現了“自動化生產”，而工業4.0實現了“定制化生產”。對照工業1.0～工業4.0，縱觀世界范圍內電網的發展歷程[1]，大體上也可分為三個階段，即“電氣化”、“自動化”與“智能化”階段。這三個階段的主要特征分別是：第一階段側重一次設備的建設(發電廠及電力系統)，第二階段側重電力系統自動化的發展(電力系統及其自動化)，第三階段則側重于構建一個具有智能、協調、融合、互動、可持續發展等特征的綜合能源網(智能電網與能源互聯網)。
中國電網目前總體上處于第二階段，并正在向第三階段發展。回顧中國電網的發展歷程可以發現，以大型水電基地的開發外送為契機，中國逐漸形成了交直流混合電網的格局;未來隨著特高壓交直流輸電工程的建設，中國還將進一步形成特高壓交直流混合電網[2-5]，并與周邊國家互聯形成更大范圍內的能源互聯網。以特高壓交流構建骨干網架，滿足晉陜蒙川等地區大型能源基地開發外送需要，并充分發揮特高壓交流輸送容量大、聯網能力強、運行靈活的特點;以特高壓直流遠距離送電[6-9]，特別在解決疆電外送、川電外送和藏電外送以及跨國輸電等問題中發揮重要作用。
從信息物理系統(cyber physical system，CPS)的角度來看，電力系統大體上可以分為三層：第一層是“一次”本體物理系統，主要由各種發輸變電一次設備構成;第二層是“二次”控制保護系統，主要由各種附屬于一次設備的控制保護裝置構成，主要用于實現物理系統本體的自身控制功能，是信息物理系統的初級體現形式;第三層可認為是深度融合的信息物理系統，主要由各種廣域的信息通信與測控系統構成，定位于信息系統與物理系統的深度融合，強調信息的全局獲取、互聯與共享，強調系統的狀態感知和靈活可控，強調數據挖掘與知識發現，從而極大地提升系統的全局可觀性與可控性。
可以看出，電力系統的三個發展階段與上述三個層次存在著較強的對應關系，即第一階段“電氣化”階段主要側重于“一次”物理系統的發展，第二階段“自動化”階段主要側重于“二次”控制裝置的發展，第三階段“智能化”階段主要側重于信息物理系統的深度融合。
在中國電網智能化發展技術方面，許多學者提出了研究思路和解決措施[10-16]，分別從發展趨勢、電網結構、防御體系、調度系統、運行能力等方面進行了闡述。而現代交直流混合電網是一個復雜的廣域巨型系統，呈現出高電壓、大電流、高維度、非線性、復雜性等諸多特性，需要站在歷史發展角度，應用現代系統科學等新理論對目前電力系統中已有的各種控制系統進行梳理反思、協調優化和頂層設計，目前這方面的研究還很少。
從電網控制系統的角度來看，與設備的功能控制相比，電網的系統安全穩定控制有其特殊性，主要表現在：系統在線運行方式的識別與匹配要求高，對系統的全局運行信息需要進行一定程度上的狀態感知;控制的快速性要求高，控制策略的在線和實時生成難度大，需要大量知識和經驗的前饋投入;故障識別的快速性和精準度要求高，需要多種判據綜合使用;控制策略和定值的適應性和魯棒性要求高，要能一定程度上覆蓋系統運行的不確定性和仿真誤差。因此，系統的安全穩定控制是電力系統中對智能化要求程度極高的一種控制，在電網第三階段“智能化”的發展過程中大有可為。針對上述需求，可采用先進的信息通信技術和數據挖掘技術，實現信息的多層共享和系統的全局可觀，實現高度智能的策略生成，實現分層分散的協調控制，目的是從系統全局角度出發，構建多層級主動相互協調的智能控制系統。
本文分析了現代電網中各種控制系統的現狀，指出當前各種控制系統都是為了解決電力系統發展過程中的各個問題而自然出現的，并非有計劃性的統籌設計，缺乏來自系統全局角度的主動協調和趨優控制。本文從系統論、控制論及協同論[17]方法入手，提出了構建分散—集中型現代電網智能協調控制系統的若干原則和總體框架，并結合若干工程示例進行了闡述。
1 現代電網控制系統現狀及對電網安全穩定影響的分析
1.1 電力系統中各種控制保護的發展、特點和層級
目前，電力系統中廣泛存在各種各樣的控制保護設備，如發電機的勵磁控制、電力系統穩定器(power system stabilizer, PSS)和各種保護、直流輸電的控制保護系統、電網安全穩定控制系統以及各種常規繼電保護等。
電力系統控制保護設備為電力系統的安全穩定運行發揮了重要的作用，但縱觀這些控制保護設備的發展歷史，可以看出，它們都是為了有針對性的解決電力系統發展過程中的各個問題而自然地、陸續地出現的，并非有計劃性的統籌設計，從而在整體上呈現出無序、雜散的特點。比如為了維持和調節發電機的機端電壓，出現了勵磁系統控制器;而為了進一步提高發電機的調壓性能和響應速度，同時提高電力系統的靜態和暫態穩定性，由此進一步發展出了高倍數的快速勵磁控制器;但又一定程度上導致了電力系統阻尼特性的減弱和動態穩定問題的顯現，于是又進一步發展出了PSS，作為勵磁附加控制。
對照電力系統自身一次設備固有的分層結構，其各種控制系統一定程度上也呈現出分層分級的特點，根據其功能定位，大體上也可分為元件級、設備級、區域級和全系統級，如圖1所示。
其中，元件級控制器主要包括發、輸、變、用電各環節中關鍵單一元件的控制器，包括發電機、變壓器、晶閘管、負荷等的控制器，其主要目的和定位是實現關鍵元件自身某方面的單一或綜合控制功能。設備級控制器則主要指由若干元件集成的較復雜的設備的高級控制器，如FACTS設備、HVDC工程、智能變電站的上層控制器等。
現有的元件級和設備級控制系統的功能定位是實現元件或集成設備自身的單一控制目標和功能，各種元件和設備通過交流電網這一介質來實現彼此之間的被動適應和自洽，缺乏來自系統全局角度的主動協調和趨優控制。
1.2 電力系統的控制系統從“二次”向全局智能協調的演化
以上所述這些用于實現本體設備自身功能的控制系統一般稱之為“二次”系統。以區別于“一次”本體設備。但值得指出的是，雖然這些“二次”系統是針對各個設備所獨立設計的，但是接入電網后一般都能夠平穩運行，具有較好的適應性。分析其原因主要有如下兩個方面：
(1)“二次”系統設計時一般把本體設備與交流電網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，設備對電網的適應性較好。
(2)這些“二次”控制系統通過接入交流電網這一較為“柔性”的介質來實現天然的、被動的協調自洽。交流電網的“柔性”體現在同步電機的慣性、網絡方程的線性等方面。
但是，被動協調的“二次”系統不是主動協調的趨優系統，會存在如下問題：
(1)設備控制對系統強度的依賴和支撐問題。
新能源發電一般通過電力電子設備接入電網，與同步機工作機制不同，它不是有效的獨立電壓源，而是一個受控電流源，對外部電網系統的依賴度很高，但支撐性很弱。具體來說，新能源電源需要外部電網提供較強的并網電壓，新能源電源對此電壓進行鎖相并對電網產生一個受控的注入電流，以達到輸出指定功率的控制目標。而傳統的同步發電機則是一個具有不可突變內電勢的獨立電壓源，且其電角速度具有很大的慣性，其輸出電流則由外部網絡決定，所以傳統同步機對外部電網的電壓支撐性很強，同時其抗擾性也很強，其內電勢可以在擾動前后保持不變，外部網絡的擾動都體現在輸出電流的變化上。因此，隨著電力電子并網電源占比上升和旋轉同步電機占比下降，同步電網的強度和支撐性都在逐漸減弱，對新能源發電接入的承載能力也在逐漸下降。
(2)元件和設備級控制與系統級控制的協調問題。
現代電網的電力電子設備日趨增多，電力電子設備本質上是基于波形瞬時值控制的裝置，但是為了較好地接入交流電網，往往需要將設備的外特性表現為工頻相量有效值(濾波器除外)，即底層瞬時值控制需要與上層有效值目標之間進行協調。如果協調不好，往往帶來諧波超標、鎖相環時滯、超同步及次同步諧振以及其他更嚴重的問題，當電力電子設備的容量和數量達到一定規模時，這些問題將更加突出。
(3)設備控制目標與系統安全的協調問題。
設備的“二次”系統一般傾向于保持本體設備的功能特性要求，這可能會對系統帶來正反饋不穩定的負面影響。如具有自調節能力的現代負荷的恒功率控制器在邊界母線電壓下降時，為了保持負荷的恒功率會試圖按電壓的平方減小負荷的等值阻抗，而這反過來將會引起負荷母線電壓的進一步下降。與之相比，傳統的白熾燈、電阻絲等恒阻抗負荷則像交流電網一樣具備較好的“柔性”，即負荷功率隨著母線電壓下降而下降。
(4)設備功率控制目標與系統供給和消納能力的協調問題。
新能源發電的功率控制目標是追蹤最大出力(maximum power point tracking，MPPT)，具有間歇性、隨機性的特點;電動汽車負荷的功率控制也具備時空隨機性和間歇性的特點。對這些設備來說，所接入的電網就是一個無窮大系統，它們只需要把目標功率注入和抽取即可，而其實由此帶來的功率不平衡都需要靠網內其他機組的調峰和備用來解決，隨著新能源以及電動汽車的飛速發展，這一協調問題越來越突出。
針對以上問題，隨著先進信息通信技術的發展，以及系統理論研究的不斷深入，對網內各種已有控制系統進行主動的協調優化顯得越來越重要，即傳統的“二次”控制系統需要向智能協調控制系統演化。該系統的特征是基于先進的信息通信和數據挖掘技術，實現全局可觀、分層分散協調控制，目的是從系統全局角度出發，構建多層級主動相互協調的自趨優智能控制系統。
鑒于現代電網中高壓(特高壓)直流輸電的比重逐漸增加[2-5]，傳輸的功率越來越大，電壓等級也越來越高，而且高壓直流輸電的控制保護系統非常復雜，因此高壓直流輸電在現代電網的智能協調控制體系中占有重要地位，下面以高壓直流輸電為例，分析說明直流設備級“二次”控制系統對電網安全穩定的影響，以及直流“二次”控制系統主動參與系統級的智能協調控制對電網安全穩定性的提升作用。
1.3 高壓直流輸電系統將在未來電網控制體系中發揮重要作用
高壓直流輸電因其調控范圍廣(距離遠)、調控力度大(容量大)，將在未來智能電網控制體系中發揮重要作用，本
以高壓直流輸電系統為例，闡述設備控制對電網安全穩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、遠距離送出提供了有效的技術手段，但也給交直流混合電網的安全穩定性帶來了如下挑戰：
(1) 為保護換流閥等關鍵設備，直流線路故障和換流閥故障都有可能導致直流閉鎖。現有的特高壓直流輸送容量一般為8000～12000 MW，因此在交直流混聯電網中，直流閉鎖會給交流電網帶來較大的有功功率盈缺沖擊，將會引起送受端系統內的潮流重新分布以及頻率、電壓等問題，嚴重時將引起系統穩定破壞;在交直流并聯系統中，直流閉鎖會給并聯的交流電網帶來較大的有功潮流轉移沖擊，可能引起并聯交流系統的穩定破壞，影響范圍大，一般需要采取相應的安全穩定控制措施。
(2) 基于LLC(電流源型換流器)的高壓直流輸電技術，需要受端交流電網提供足夠的換相電壓，因此需要從兩側交流系統吸收大量的無功，而且在換相失敗后的功率恢復過程中從交流系統吸收的無功功率將更多，從而引發電壓穩定問題。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的電壓穩定問題將更加突出。
(3) 在直流換流站附近的交流系統短路故障，可能會導致直流系統換相失敗，從而導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的時間不夠長，將不會導致直流閉鎖。但在直流換相失敗期間，直流的輸送功率已經受阻，相應的潮流轉移和功率盈余已經發生，將會導致送受端系統電壓、潮流和頻率的波動，嚴重時可能帶來進一步的連鎖反應。
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