摘要：隨著中國現(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)展過程中的各個問題而自然出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設(shè)計，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(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

國家電網(wǎng)公司科技項目“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這四個階段，其特征可以這樣大致概括為：工業(yè)1.0實現(xiàn)了“大規(guī)模機械化生產(chǎn)”，工業(yè)2.0實現(xiàn)了“電氣化生產(chǎn)”，工業(yè)3.0實現(xiàn)了“自動化生產(chǎn)”，而工業(yè)4.0實現(xiàn)了“定制化生產(chǎn)”。對照工業(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(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)自動化的發(fā)展(電力系統(tǒng)及其自動化)，第三階段則側(cè)重于構(gòu)建一個具有智能、協(xié)調(diào)、融合、互動、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，中國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)，中國還將進一步形成特高壓交直流混合電網(wǎng)[2-5]，并與周邊國家互聯(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、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(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”控制保護系統(tǒng)，主要由各種附屬于一次設(shè)備的控制保護裝置構(gòu)成，主要用于實現(xiàn)物理系統(tǒng)本體的自身控制功能，是信息物理系統(tǒng)的初級體現(xiàn)形式;第三層可認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，強調(diào)信息的全局獲取、互聯(lián)與共享，強調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)感知和靈活可控，強調(diào)數(shù)據(jù)挖掘與知識發(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)的三個發(fā)展階段與上述三個層次存在著較強的對應(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、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、防御體系、調(diào)度系統(tǒng)、運行能力等方面進行了闡述。而現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)是一個復(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)等新理論對目前電力系統(tǒng)中已有的各種控制系統(tǒng)進行梳理反思、協(xié)調(diào)優(yōu)化和頂層設(shè)計，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)在線運行方式的識別與匹配要求高，對系統(tǒng)的全局運行信息需要進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時生成難度大，需要大量知識和經(jīng)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(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。針對上述需求，可采用先進的信息通信技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)信息的多層共享和系統(tǒng)的全局可觀，實現(xiàn)高度智能的策略生成，實現(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)建多層級主動相互協(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)展過程中的各個問題而自然出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設(shè)計，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(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)合若干工程示例進行了闡述。

1 現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及對電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的分析

1.1 電力系統(tǒng)中各種控制保護的發(fā)展、特點和層級

目前，電力系統(tǒng)中廣泛存在各種各樣的控制保護設(shè)備，如發(fā)電機的勵磁控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer, PSS)和各種保護、直流輸電的控制保護系統(tǒng)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)以及各種常規(guī)繼電保護等。

電力系統(tǒng)控制保護設(shè)備為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用，但縱觀這些控制保護設(shè)備的發(fā)展歷史，可以看出，它們都是為了有針對性的解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個問題而自然地、陸續(xù)地出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設(shè)計，從而在整體上呈現(xiàn)出無序、雜散的特點。比如為了維持和調(diào)節(jié)發(fā)電機的機端電壓，出現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)控制器;而為了進一步提高發(fā)電機的調(diào)壓性能和響應(yīng)速度，同時提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，由此進一步發(fā)展出了高倍數(shù)的快速勵磁控制器;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態(tài)穩(wěn)定問題的顯現(xiàn)，于是又進一步發(fā)展出了PSS，作為勵磁附加控制。

對照電力系統(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)出分層分級的特點，根據(jù)其功能定位，大體上也可分為元件級、設(shè)備級、區(qū)域級和全系統(tǒng)級，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)分級特點示意圖

Fig. 1 Scheme of the hierarchical acteristic of control systems in modern power system

其中，元件級控制器主要包括發(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、變壓器、晶閘管、負荷等的控制器，其主要目的和定位是實現(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)有的元件級和設(shè)備級控制系統(tǒng)的功能定位是實現(xiàn)元件或集成設(shè)備自身的單一控制目標和功能，各種元件和設(shè)備通過交流電網(wǎng)這一介質(zhì)來實現(xiàn)彼此之間的被動適應(yīng)和自洽，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(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)是針對各個設(shè)備所獨立設(shè)計的，但是接入電網(wǎng)后一般都能夠平穩(wěn)運行，具有較好的適應(yīng)性。分析其原因主要有如下兩個方面：

(1)“二次”系統(tǒng)設(shè)計時一般把本體設(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)來實現(xiàn)天然的、被動的協(xié)調(diào)自洽。交流電網(wǎng)的“柔性”體現(xiàn)在同步電機的慣性、網(wǎng)絡(luò)方程的線性等方面。

但是，被動協(xié)調(diào)的“二次”系統(tǒng)不是主動協(xié)調(diào)的趨優(yōu)系統(tǒng)，會存在如下問題：

(1)設(shè)備控制對系統(tǒng)強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(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)提供較強的并網(wǎng)電壓，新能源電源對此電壓進行鎖相并對電網(wǎng)產(chǎn)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(tǒng)的同步發(fā)電機則是一個具有不可突變內(nèi)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(wǎng)絡(luò)決定，所以傳統(tǒng)同步機對外部電網(wǎng)的電壓支撐性很強，同時其抗擾性也很強，其內(nèi)電勢可以在擾動前后保持不變，外部網(wǎng)絡(luò)的擾動都體現(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)同步電機占比下降，同步電網(wǎng)的強度和支撐性都在逐漸減弱，對新能源發(fā)電接入的承載能力也在逐漸下降。

(2)元件和設(shè)備級控制與系統(tǒng)級控制的協(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)，即底層瞬時值控制需要與上層有效值目標之間進行協(xié)調(diào)。如果協(xié)調(diào)不好，往往帶來諧波超標、鎖相環(huán)時滯、超同步及次同步諧振以及其他更嚴重的問題，當(dāng)電力電子設(shè)備的容量和數(shù)量達到一定規(guī)模時，這些問題將更加突出。

(3)設(shè)備控制目標與系統(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，這可能會對系統(tǒng)帶來正反饋不穩(wěn)定的負面影響。如具有自調(diào)節(jié)能力的現(xiàn)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(tǒng)的白熾燈、電阻絲等恒阻抗負荷則像交流電網(wǎng)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(shè)備功率控制目標與系統(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(shè)備來說，所接入的電網(wǎng)就是一個無窮大系統(tǒng)，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(wǎng)內(nèi)其他機組的調(diào)峰和備用來解決，隨著新能源以及電動汽車的飛速發(fā)展，這一協(xié)調(diào)問題越來越突出。

針對以上問題，隨著先進信息通信技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)理論研究的不斷深入，對網(wǎng)內(nèi)各種已有控制系統(tǒng)進行主動的協(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)的特征是基于先進的信息通信和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(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)建多層級主動相互協(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妷旱燃壱苍絹碓礁撸腋邏褐绷鬏旊姷目刂票Ｗo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“二次”控制系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響，以及直流“二次”控制系統(tǒng)主動參與系統(tǒng)級的智能協(xié)調(diào)控制對電網(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)、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，本節(jié)以高壓直流輸電系統(tǒng)為例，闡述設(shè)備控制對電網(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，直流閉鎖會給交流電網(wǎng)帶來較大的有功功率盈缺沖擊，將會引起送受端系統(tǒng)內(nèi)的潮流重新分布以及頻率、電壓等問題，嚴重時將引起系統(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)的時間不夠長，將不會導(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，將會導(dǎo)致送受端系統(tǒng)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(yīng)。

但從系統(tǒng)全局控制的角度來看，直流輸電也是可以充分利用的優(yōu)質(zhì)控制資源，可參與到系統(tǒng)級的智能協(xié)調(diào)控制中，具體如下：

(1) 直流輸電的緊急功率調(diào)制、頻率調(diào)制、附加阻尼控制、附加次同步振蕩阻尼控制等控制功能可用來充分提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性等性能。

(2) 直流輸電的緊急功率調(diào)制功能可以在一定程度上替代切負荷等安控措施。對于非交直流并列系統(tǒng)，在交流系統(tǒng)內(nèi)速降外送直流的輸送功率，即等效于在此交流系統(tǒng)內(nèi)采取切負荷措施，既可以達到切負荷措施的效果，又可以避免真正的負荷損失，是高效有力的有功控制資源。對于交直流并列系統(tǒng)，速升直流系統(tǒng)的輸送功率，即相當(dāng)于減輕并列交流通道的潮流壓力，有利于提高交直流并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，一定程度上可以達到送端切機、受端切負荷的控制效果。

與直流系統(tǒng)類似，現(xiàn)代電網(wǎng)中其他設(shè)備或元件的控制系統(tǒng)在完成自身控制功能的同時，也可為系統(tǒng)全局特性提供控制資源。因此，有必要研究構(gòu)建現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制體系框架，以充分協(xié)調(diào)整合系統(tǒng)內(nèi)的各種控制資源，為全系統(tǒng)安全穩(wěn)定服務(wù)。

2 現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與構(gòu)建原則

2.1 技術(shù)需求

現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，僅針對局部功能需求而完成的各分散控制子系統(tǒng)并不能滿足系統(tǒng)全局優(yōu)化控制的要求，而需要將現(xiàn)代系統(tǒng)理論的方法和觀點應(yīng)用到現(xiàn)代電網(wǎng)的系統(tǒng)控制領(lǐng)域中，加強頂層設(shè)計，構(gòu)建現(xiàn)代電網(wǎng)的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

2.2 理論基礎(chǔ)

按照系統(tǒng)科學(xué)的觀點，任何系統(tǒng)都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要素在孤立狀態(tài)下所沒有的性質(zhì)。研究系統(tǒng)的目的在于調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)各要素關(guān)系，使系統(tǒng)達到優(yōu)化目標。

根據(jù)協(xié)同論的觀點，在每個等級上，系統(tǒng)都是其下層組成部分的整體，同時又是上層系統(tǒng)的參加者。大系統(tǒng)中的許多小系統(tǒng)既相互作用，又相互制約，它們的平衡結(jié)構(gòu)，以及由舊的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕Y(jié)構(gòu)，具有一定的規(guī)律。

協(xié)同論還指出，有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不一定非要遠離系統(tǒng)平衡態(tài)(此處的平衡態(tài)指無序結(jié)構(gòu)狀態(tài)、對應(yīng)沙堆模型的坍塌態(tài))，系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的協(xié)同動作也能夠?qū)е孪到y(tǒng)演化至另一個新結(jié)構(gòu)。

通過以上理論可以得出：

(1)系統(tǒng)由若干層級和子系統(tǒng)構(gòu)成，且各層級和子系統(tǒng)之間都具備相對獨立性，相對獨立是進行相互協(xié)調(diào)的前提，各要素相互協(xié)調(diào)可使系統(tǒng)優(yōu)化。

(2)系統(tǒng)在其內(nèi)部各要素之間的協(xié)同作用下，由一個有序結(jié)構(gòu)演化至另一個新的有序結(jié)構(gòu)，且這一協(xié)同作用具有規(guī)律可循。

這將成為構(gòu)建現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架的理論基礎(chǔ)。

2.3 構(gòu)建原則

根據(jù)以上理論基礎(chǔ)，結(jié)合各控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的構(gòu)建原則如下：

(1)應(yīng)當(dāng)充分利用現(xiàn)有各種控制資源，構(gòu)建分散—集中型智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

1)高度集中的智能控制系統(tǒng)很脆弱，分散—集中型的智能控制系統(tǒng)與之相比可靠性更高，抗打擊能力也更強，包括抵御外界信息攻擊和物理沖擊的能力。

2)分散—集中型的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)并不破壞下層控制系統(tǒng)的原有功能和結(jié)構(gòu)，只是通過引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量的方式來從更高一層實現(xiàn)原有多個控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。

3)分散—集中型的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是建立在原有的下層控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，而且通過電網(wǎng)物理系統(tǒng)實現(xiàn)大閉環(huán)，因此分散—集中型的智能控制系統(tǒng)更易獲取全局可行解。

(2)應(yīng)注意保持各層子系統(tǒng)的智能化和相對獨立性，構(gòu)建上層控制系統(tǒng)時，不應(yīng)將下層控制系統(tǒng)簡單退化為執(zhí)行單元。

(3)電力系統(tǒng)中的各當(dāng)?shù)仉姎饬恳惨欢ǔ潭壬咸N含了系統(tǒng)的全局信息，應(yīng)注意充分利用電力系統(tǒng)的自然時空分布特性實現(xiàn)多層級控制之間的自然解耦與協(xié)調(diào)。多層級控制之間需要引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量時，應(yīng)注意簡化、高效的優(yōu)化原則。

(4)協(xié)調(diào)控制層定位于提供增值服務(wù)和全局優(yōu)化，通過“協(xié)調(diào)”實現(xiàn)“協(xié)同”。

(5)在一些基本功能上，下層控制系統(tǒng)一定程度上具有上層控制系統(tǒng)的就地后備作用。

上述原則在一些電力系統(tǒng)工程實現(xiàn)與研究的案例中已有不同程度的體現(xiàn)和應(yīng)用，詳見第3節(jié)所述，分別體現(xiàn)了跨不同層級之間的協(xié)調(diào)控制。

3 體現(xiàn)電力系統(tǒng)跨層級協(xié)調(diào)控制原則的案例分析

3.1 區(qū)域級與全系統(tǒng)級之間的協(xié)調(diào)控制

3.1.1 交直流協(xié)調(diào)控制

圖2 交直流協(xié)調(diào)控制示意圖

Fig. 2 The scheme of AC-DC coordinated control

如圖2所示的區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，若發(fā)生直流C-B雙極閉鎖故障，區(qū)域A-B之間的交流聯(lián)絡(luò)線上會涌過大量潮流來補足區(qū)域B的功率缺額，為保持區(qū)域A對B的暫態(tài)穩(wěn)定，需要切除區(qū)域B負荷5800 MW，而速降區(qū)域B送D直流功率5500 MW也可保持暫態(tài)穩(wěn)定，可替代切負荷措施，減小了控制代價。該案例體現(xiàn)了上述原則(1)和(3)，即充分利用直流控制資源和電力系統(tǒng)的時空分布特性，將暫態(tài)穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為更大范圍內(nèi)的功率缺額問題。

3.1.2 廣域自適應(yīng)解列控制

圖3 廣域自適應(yīng)解列示意圖

Fig. 3 The scheme of wide-area adaptive islanding control

如圖3所示的區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，區(qū)域B和C之間若發(fā)生三個雙回線聯(lián)絡(luò)通道同時跳閘，則區(qū)域C與外部電網(wǎng)的剩余4個雙回線聯(lián)絡(luò)通道將于2.5 s內(nèi)陸續(xù)振蕩解列(順序如圖3中所示)，解列后區(qū)域C內(nèi)還需切除大量負荷才能恢復(fù)區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定。但如果采用基于系統(tǒng)全局功角信息的廣域自適應(yīng)解列控制，則可根據(jù)發(fā)電機功角的全局動態(tài)特征，盡早判別系統(tǒng)失穩(wěn)，并結(jié)合機組分群失穩(wěn)模式，在1.5 s時就將區(qū)域B與區(qū)域A、C之間的剩余四個通道同時解列，解列后區(qū)域C內(nèi)的低頻減載量顯著減少，區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)更快恢復(fù)穩(wěn)定。該案例體現(xiàn)了上述原則(1)～(5)，上層的集中式廣域自適應(yīng)解列控制利用全局功角信息作為協(xié)調(diào)變量，致力于提供控制速度更快和控制效果更優(yōu)的全局優(yōu)化增值控制，下層已有的分散式傳統(tǒng)解列裝置作為就地后備，充分利用當(dāng)?shù)仉姎饬啃畔⒆鳛閰f(xié)調(diào)變量來推測系統(tǒng)全局狀態(tài)，并充分利用系統(tǒng)的自然時空分布特性實現(xiàn)被動的就地觸發(fā)式序貫控制，當(dāng)上層的集中廣域控制失效時仍可分散就地獨立動作。

3.2 區(qū)域級與元件級之間的協(xié)調(diào)控制

3.2.1 基于直流SSDC的SSO控制

圖4 基于直流SSDC的SSO控制示意圖

Fig. 4 The scheme of SSO control based on HVDC SSDC

在火電機組就近通過直流送出，且與送端交流電網(wǎng)聯(lián)系較弱時，可能出現(xiàn)SSO(次同步振蕩)現(xiàn)象，可以通過采用直流SSDC(附加次同步阻尼控制)的附加控制功能實現(xiàn)SSO的阻尼控制。該案例在如圖4所示的控制系統(tǒng)框圖設(shè)計中，體現(xiàn)了上述原則(2)～(4)，將換流站交流母線電壓作為協(xié)調(diào)(約束)變量引入，從中提取次同步信號分量，在直流自身主控制功能的基礎(chǔ)上，通過SSDC附加控制功能，可實現(xiàn)SSO的抑制[18]。

3.2.2 AVC與SVC、CSR協(xié)調(diào)控制

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在電網(wǎng)中出現(xiàn)了一系列動態(tài)無功補償裝置，如SVC(靜止無功補償器)、STATCOM (靜止無功發(fā)生器)、CSR(可控高抗)等。這些設(shè)備一般都具有獨立的系統(tǒng)控制功能，能夠根據(jù)接入點的電壓或無功進行自主就地控制，輸出動態(tài)無功。而隨著電網(wǎng)全局自動電壓控制系統(tǒng)(AVC)的發(fā)展，AVC與這些無功補償設(shè)備之間的協(xié)調(diào)問題就越來越突出了。關(guān)于AVC與動態(tài)無功補償設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制目前有兩種思路，一種是將這些已有動態(tài)無功補償設(shè)備的控制功能退化，使其成為簡單的執(zhí)行單元，由AVC統(tǒng)一發(fā)出無功指令，動態(tài)無功補償設(shè)備只是根據(jù)指令執(zhí)行，這種思路實際上是統(tǒng)一控制;另一種思路是保留已有動態(tài)無功補償設(shè)備的就地控制功能，而將控制目標與響應(yīng)范圍與AVC相協(xié)調(diào)，比如SVC或CSR一般都具有一個設(shè)定的電壓控制范圍，即控制目標的上下限(當(dāng)系統(tǒng)電壓低于下限時則發(fā)出容性無功，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于上限時則發(fā)出感性無功，直至系統(tǒng)電壓進入控制目標的上下限之間，此時動態(tài)無功補償設(shè)備停止動作)。

該案例中，根據(jù)上文提出的協(xié)調(diào)控制原則(1)～(5)，筆者更傾向于后一種協(xié)調(diào)控制思路，即將SVC或CSR的帶狀電壓控制范圍的上下限定值作為與AVC的協(xié)調(diào)(約束)變量引入，該電壓控制范圍的上下限定值可由AVC根據(jù)系統(tǒng)全局情況在線設(shè)定和調(diào)整，而動態(tài)無功補償設(shè)備的具體動作行為則由其根據(jù)自身的控制功能完成。在該思路設(shè)計中，上層AVC為下層的設(shè)備控制提供優(yōu)化后的控制目標和邊界范圍，下層設(shè)備在合理的邊界范圍內(nèi)進行獨立控制，同時作為上層AVC的后備，各司其職，彼此協(xié)同，從而實現(xiàn)真正意義上的協(xié)調(diào)控制。

4 現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體框架

根據(jù)原則和應(yīng)用案例，可提出現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架示意圖

Fig. 5 The scheme of framework of smart coordinated control system in hybrid AC-DC power system

現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架具有如下宏觀演進特征：從“功能達標”控制模式向“主動趨優(yōu)”控制模式轉(zhuǎn)變，從孤立控制模式向協(xié)調(diào)控制模式轉(zhuǎn)變，從孤島信息支撐向廣域信息共享轉(zhuǎn)變，從單純物理系統(tǒng)向物理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

在多層級、分散—集中型的現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中，各層級控制系統(tǒng)的功能定位如下所述：

(1) 全系統(tǒng)級智能協(xié)調(diào)控制主要實現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制功能，包括區(qū)域間解列，跨區(qū)域的交直流協(xié)調(diào)控制，區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線潮流控制，跨區(qū)域AGC等。

(2)區(qū)域級控制主要實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)層面的控制功能，包括區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、區(qū)域電網(wǎng)AVC、區(qū)域電網(wǎng)AGC等。

(3) 設(shè)備(元件)級控制主要實現(xiàn)設(shè)備(元件)自身的控制功能。

在現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中，各不同層級控制系統(tǒng)在保持下一層級控制系統(tǒng)相對獨立的前提下，通過引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量來實現(xiàn)各層級之間的協(xié)調(diào)控制。對于區(qū)域級控制系統(tǒng)，如果實現(xiàn)起來比較簡單，也可以只通過引入同一層級間的協(xié)調(diào)(約束)變量，而不經(jīng)過上一級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)區(qū)域?qū)蛹壷g的協(xié)調(diào)控制。各層級控制系統(tǒng)常用的協(xié)調(diào)(約束)變量如表1所示。

表1 現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中各層級控制系統(tǒng)的常用協(xié)調(diào)(約束)變量

Table 1 The coordination/constraint variables of each layer system in the framework of smart coordinated control system in modern grid

本文提出方法和原則，應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的框架設(shè)計和實際案例中予以注意和反思，并結(jié)合具體案例具體分析，以指導(dǎo)工程實際應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)中協(xié)同論等觀點，對目前電力系統(tǒng)中已有的各種控制系統(tǒng)的功能目標、發(fā)展歷史和協(xié)調(diào)特性進行梳理，在總結(jié)和反思的基礎(chǔ)上，提出電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的頂層設(shè)計理念、框架和若干原則，主要結(jié)論如下：

(1)電力系統(tǒng)現(xiàn)有多種控制系統(tǒng)的簡單疊加并不能構(gòu)成真正意義上的現(xiàn)代電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。

(2)電力系統(tǒng)現(xiàn)有的各種設(shè)備的“二次”控制系統(tǒng)大都是為了實現(xiàn)設(shè)備的自身功能，通過接入交流電網(wǎng)來實現(xiàn)各設(shè)備之間的被動協(xié)調(diào)，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。

(3)應(yīng)從系統(tǒng)論、控制論、協(xié)同論等方法入手，以整個電網(wǎng)為控制對象，從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構(gòu)建多層級、分散—集中型、主動相互協(xié)調(diào)的智能控制系統(tǒng)，以取得更大的增值效益。

(4)在現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，構(gòu)建上層控制系統(tǒng)時，應(yīng)注意保持各層子系統(tǒng)的智能化和相對獨立性，不應(yīng)將其簡單退化為執(zhí)行單元。

(5)分散—集中型的智能控制系統(tǒng)比高度集中的智能控制系統(tǒng)具備更強的魯棒性。

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作者簡介：

李柏青(1963)，男，中國電科院副總工程師，系統(tǒng)所所長，教授級高級工程師，長期從事電力系統(tǒng)分析與控制研究工作。

秦曉輝(1979)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制研究工作，E-mail: qinxh@ epri.sgcc.com.cn。

原標題: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