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摘 要：在电网保护控制中，稳控系统是基本定位于常规保护及数据采集和监测控制系统/能量管理系统（SCADA/EMS）之间的系统保护控制手段，是互联大电网不可少的保护措施。1965年北美大停电后，开始了这类系统装置的开发应用，到80年代已积累了不少的实际运行经验。各大电网的规划、运行、调度均对这类系统的功能及运行提出了明确的要求。随着计算机技术及通信技术的发展，新一代的稳控技术正在形成，这就是基于广域测量系统及在线动态安全分析的广域保护。广域测量系统已经在北美运行5年以上，而基于广域测量系统的稳定控制及其它应用也逐渐在实际电网中有一些试运行的成果。 关键词：稳定控制；广域保护；特殊保护系统；补救控制系统； 广域测量系统；相角测量设备 1 引言 由于世界上发生的多起稳定事故造成了巨大损失，现代大电网的运行已经对系统的稳定与控制提出明确的需求。国际大电网会议、国际电子电工协会、北美的区域性系统可靠性委员会均成立了专门的工作小组对大电网的稳控问题进行交流研究[1-4]。稳控系统在电网保护控制中是基本定位于常规保护及数据采集和监测控制系统/能量管理系统（SCADA/EMS）之间的系统保护控制手段，参见图1。1965年北美大停电后，开始了这类系统装置的开发应用。遗憾的是，北美1996年以及2003年的大停电均是由电网稳定引起的。传统上这类保护控制被称为特殊保护系统（Special Protection System，SPS）、补救控制系统（Remedial Action Scheme，RAS）或稳控系统。随着计算机技术和通信技术的发展，新一代的稳控技术正在形成，这就是基于广域测量系统（Wide-Area Measurements System，WAMS）及在线动态安全分析（On-Line Dynamic Security Assessment，DSA）的广域保护（Wide-Area Protection，WAP）技术。 这里我们分两部分就广域保护技术及稳控技术现状进行技术分析。第一部分为广域保护技术展望，第二部分为稳控技术运行现状及实例介绍。 常规保护是隔离故障、保证设备、人员安全，而广域保护及SPS是保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。常规保护主要通过开关动作来实现故障隔离，而SPS及广域保护则是通过调节发电机组和负荷的有功、无功及节点电压，即调节系统的P-δ和Q-V来实现。其中可能会有本地、远程开关的动作。参见图1。 2 广域保护技术展望 2.1 广域保护（稳控）的目标 从应用的角度来看，电力系统广域保护（稳控）及相应的监视测量系统有三方面的功能：保证大电网的安全稳定运行；实时掌握及充分利用电网的输电能力，是电力市场运行的有力工具；提供更准确的电网规划方案。 第一功能显然是广域保护的首要目标，而第二、三功能则是WAMS及DSA实现带来的成果。国际大电网会议（CIGRE）将广域保护的功能及控制手段和目标进行了定义，参见图1。 从这个定义中可以看见，广域保护（稳控）的动作时间范围在100ms到100s之间。 电网稳定问题可以大致分为三大类：暂态稳定（包括功角稳定、低频振荡、暂态电压稳定）、中长期快速电压稳定及频率稳定。传统保护通常只锁定在单一元件上发生的单一稳定现象，如低频切机。而在现代互联电力系统的实际运行中，威胁区域甚至全网的稳定问题通常涉及到多元件上的复杂现象。如何在实时运行所要求的时间内制定出合适的全网运行方案（包括控制保护装置的整定值）是广域保护（稳控）要解决的关键问题。例如，互联系统因故障失去关键联络线后，输入功率的孤立子系统的频率会下跌。如仅依赖传统的低频切机，系统很可能会因连锁切机而崩溃（这类事故曾在许多电力系统中发生过）。但如使用广域保护（稳控）在系统中的关键点协调实施切机、切负荷、甚至人为解列，系统中的大部分负荷有可能被保存。因此，广域保护（稳控）和传统保护类似，都是在系统出现某些最能影响电网稳定的事件后，正确判别及迅速确定控制策略，并迅速准确地执行这些控制策略。不同于传统保护的是，在信息获取及控制策略执行的整个过程中，可能涉及到较广阔的地理范围，而控制策略的制定往往需要复杂的计算。 除了稳定控制功能，广域保护（稳控）系统还能对电网的运行状态做完整的实时监测。由于功角测量设备（PMU）能提供实时、同步的电网运行数据，基于WAMS的系统状态估计比现有的技术将有一个飞跃。快速准确的状态估计使一些高级系统分析成为可能。例如，电压失稳及低频振荡的监视及报警，系统动稳极限输电功率的确定等。 2.2 广域保护（稳控）的性能要求 一个成功的广域保护（稳控）系统应具有以下的性能特点： （1）可测性：有足够的采样点来准确获得所需的系统状态，包括正常运行状态及故障状态（如跳线等）。 （2）选择性：能根据运行准则准确判别不安全的系统状态（包括对预警及安全运行域的确定）。这是广域保护（稳控）系统的核心要求。它不仅需要准确可靠的测量数据，还依赖于系统的实时分析能力。同时，还必须选择正确的控制策略，以避免大面积的甩负荷。 （3）安全性：广域保护（稳控）系统在不必须时能随时退出运行，它不能作为紧急控制的手段，除非在系统崩溃的情况下。 （4）可靠性：整个广域保护（稳控）系统要有足够的可靠性。这牵涉到各个环节，包括数据采集、通信系统、软件分析和执行终端（切机、切负荷等）。应考虑适当的冗余及备份，并保证关键设备故障时备用件能自动切换。 （5）有效性：主要指稳控措施的实施速度和精度。任何稳控措施的实施都有速度要求，满足这样的要求需要硬件和软件的协调配合。稳控措施的实施精度直接影响到稳控的效果，因而也需仔细考虑。 （6）鲁棒性：即稳控系统在动态运行或稳态运行的情况下能可靠、安全、稳定地运行。广域保护（稳控）系统的设计应考虑到各种可能的系统运行方式，对未考虑的运行方式应有反误动措施。 （7）易维护及易扩展性：这些要求是显而易见的。采用开放式及模块式的系统结构能较好地满足这样的要求。 （8）其他：在广域保护（稳控）系统的设计中，还应考虑其他的一些因素，例如，和现有稳控系统的协调、外部等值网的处理等。 2.3 广域保护（稳控）的实现 广域保护（稳控）是近几年发展起来的新技术，还处在逐步完善当中。从一些在建的系统来看，一个广域保护（稳控）系统应包括以下部分或全部结构。图2展示了广域保护（稳控）系统的基本框架，主要包括监视测量、系统分析控制、稳控终端设备、通信等主要系统，以及数据库、与SCADA/EMS的接口、显示等辅助系统。 （1）功角矢量测量设备（PMU） 功角矢量测量设备（Phasor Measurement Unit）的基本功能为：①GPS同步采样。功角测量设备的A/D转换的采样是按GPS标准时钟同步进行，因此无论系统覆盖的地理范围有多大，采样点有多少，所有测得的数据都有精确的同步性。②实时测量采样点电压/电流的幅值及正序功角。更新速率至少为 1/30s或 1/25s。③故障记录功能。类似传统的故障录波仪，录波点的时间精度为微秒，并按 IEEE 1344规定的格式记录。 除了功角测量设备采集的系统运行数据外，常规测量设备所能提供的其他数据（如开关位置，发电机组投切状态，继电保护动作信号等）也可作为广域保护（稳控）系统的输入数据。 （2）功角数据集中器（PDC） 功角数据集中器（Phasor Data Concentrator）的基本功能为接受、集成、储存功角测量设备（或其他测量设备）采集的数据，并将它们传输给上一级分析软件。储存在PDC内的数据还可用于各种离线分析。 （3）数据库 数据库是电力系统稳控中心计算机系统的一个重要部分。数据库用于存储实时的功角数据及系统的潮流解（状态估计输出），并管理各种分析所需的数据（如预想事故集、稳控策略、功率交易方案、稳定数据等）。系统稳控中心的计算机系统的通信数据库之间还必须进行数据交换。 （4）显示 显示系统的功能是提供人机界面和可读的系统及设备实时状态、监视分析结果、稳控策略选择及动作结果等。 （5）系统分析软件 系统分析软件是广域保护（稳控）系统的心脏。它包括如下应用软件：拓扑状态估计（Topology State Estimator，TSE）；广域保护（Wide-Area Protection，WAP）；有效输电容量计算（Available Transmission Capacity，ATC）；动态安全分析 （Dynamic Security Assessment，DSA）；其他，如电压及低频振荡失稳的监视及报警等。 （6）稳控装置终端（SPS） 稳控装置终端的基本功能为：①根据本身测量的数据以及和其它设备的通信数据，实时判别系统的非正常运行状态（如功角不稳定、频率不稳定、电压不稳定等）及事故类型；②控制逻辑的计算或接受；③执行控制逻辑；④控制逻辑的投入或退出。 （7）通信 广域保护（稳控）系统的通信要求分两个方面，一方面是监测测量（即PMU与PDC之间的通信），另一方面是稳控系统和稳控装置终端之间的通信。监测测量，常常也称为广域测量系统 （WAMS），包括两个内容——实时功角测量和动态性能/扰动监视（Dynamics Performance and Disturbance Monitoring）。实时功角测量必须具有专用通信通道，能连续实时通信，保证每秒25次（50Hz系统）或30次（60Hz系统）的更新速率；动态性能/扰动监视的功能是收集、管理、分析扰动事件或故障后的数据，不必为实时数据。其数据为PMU数据及故障录波仪、SOE记录仪等其它设备的录波信息。 稳控系统和终端装置之间的通信因稳控系统的控制要求不同相差很大。在分散方式下，稳控装置可以独立运行，其控制方式只需预先设定。如果控制方式是集中方式，系统需要将WAMS的数据和各稳控装置采集的设备状态实时整定并下载到各稳控装置，整个控制实施时间在秒级以下。这时，稳控系统和装置终端之间的通信要求就非常高，为保证通信速率，需有备份的通信通道。某些情况下，稳控装置之间可能还需要直接通信。 2.4 广域保护（稳控）的应用前景 随着广域测量系统及动态安全分析技术的快速发展，广域保护（稳控）有着广泛的应用前景。以下是一些可能的应用领域： （1）系统监测及事故记录。这是广域测量系统最基本的应用之一。记录下的数据可用来复现事故过程，对控制及保护系统进行评估，从而提高电力系统的安全性。 （2）状态估计。由于功角测量设备可以得到实时同步的系统工况（电压/电流相量的幅值及正序功角），在此基础上进行状态估计可大大提高结果的精度。 （3）自适应保护。广域保护（稳控）技术在原理上非常适应于自适应保护的整定，特别是当这类保护的整定值依赖于大区域系统的运行状况（如失步保护）时。 （4）各类广域稳控系统。广域测量系统和动态安全分析技术的结合使得在线广域稳控成为可能。这项技术可在实时系统工况上对预想事故集进行稳定分析扫描（以功角、低频振荡、电压或频率的稳定性作为准则）。对于潜在的不安全事故，可根据一定的稳控策略来制定相应的稳控措施，从而大大改善系统的安全性。 3 稳控技术运行现状及实例介绍 3.1 传统稳控系统SPS/RAS 北美早在20世纪80年代中期，就明确规定了稳控设备/系统的性能及运行维护的要求。NERC （北美电力可靠委员会）制定的全北美规划标准中[1]，专门有一个章节阐述电网使用稳控的必要性及必须遵循的原则，并对稳控进行了被广泛接受的定义。其定义是“特殊保护系统SPS或补救策略RAS监测系统非正常状态并采取预先制定的校正措施（而不是故障的切除）从而提供可接受的电网系统指标。在可接受的电压或者可接受的负荷水平下，SPS和其它控制设备联合动作，通过改变电网需求（如切负荷）、发电量或电网结构来维持系统稳定。”各电网根据NERC的标准，制定了更详细的要求[5-7]。 从这个定义可以看出，稳控保护的保护对象并不象常规保护一样有明确的目标，并且稳控的动作对象及控制策略也不是靠修改整定值所能实现的。这就导致稳控系统没有一个通用的系统设备。北美及国际上其它电网20年的稳控运行经验也表明了这一点。 IEEE/CIGRE 1992年的报告中对国际上使用稳控系统的情况进行了总结[4]。在111套统计的稳控系统中，各种稳控策略使用的比例为： 切机组（Generator rejection） 21.6% 切负荷（ Load rejection） 10.8% 分散励磁控制（Discrete excitation control）1.8% 系统解列（System separation） 6.3% 稳定器（Stabilizers） 4.5% 高压直流控制 （HVDC controls） 3.6% 失步保护（Out-of-step relaying） 2.7% 电气制动（Dynamic braking） 1.8% 机组滑降（Generator runback） 1.8% 无功补偿（VAR compensation） 1.8% 各种组合（Combination of schemes） 11.7% 切机组负荷（Load and generator rejection）4.5% 汽轮机阀门控制（Turbine valve control） 6.3% 低频切负荷（Under-frequency load shedding）8.2% 其它 12.6% 在NERC的标准中，对稳控系统设备的可靠性要求高于常规的保护。在已投运的传统的电网稳控系统中，除中心控制的双通信通道外，双CPU控制器甚至3 CPU控制器的冗余结构是非常普遍的。 3.2 典型实例 （1）加拿大的 Hydro－Quebec 电力公司自行开发的可编程减负荷系统 PLSS己有20年的经验。Hydro－Quebec电网的特点是：长距离输电，距离可达1000km。在2000年底，Hydro－Quebec电网投运了一套自称世界上第一个类似规模的稳控系统，以满足NPCC（Northeast Power Coordinating Council）的电网要求。稳控系统包括4个子系统，涉及的稳定问题包括电压崩溃和暂态稳定，要求的系统反应时间在200ms左右。这4个子系统为：严重扰动检测子系统（ECDS）；远程系统减负荷子系统（RLSS）；发电机切除子系统（GRS）；可编程减负荷子系统（PLSS）。系统结构参见图3。 （2） 1999年3月，巴西发生了巴西历史上最严重的大停电，一个440kV母线故障导致HVDC和750kV线路跳闸，失去24731MW负荷。此后，巴西在稳控方面做了大量工作。他们重新审查原有稳控系统的稳控策略，设计并投入快速考虑各种严重故障的SPS系统。巴西稳控系统将整个电网分为多个稳定安全区。各个稳定安全区依各区电网情况投入SPS系统，各区SPS的主PLC（可编程逻辑控制器）安装在变电站，各安全区域的SPS之间通信也有充分的保证。巴西的SPS系统完全采用商业化的PLC组成，通信通道为双通道备用，整个SPS的响应时间在200ms左右。 （3）日本东京电力公司TEPCO的稳控系统为解列系统。东京市及市郊的发电容量远远不能满足本地电力负荷的需求，因此在发生大故障时, TEPCO的目标是解列系统以保证重要用户的供电。 TEPCO的稳控系统按计算出的相角差来作为稳定判定的指标，双机热备用的中心计算机与9个变电站的控制采集设备RTU通过高速双通道通信。中心计算机在500ms内完成一次相角稳定计算，并且每2s计算一次。在正常运行条件下，计算出减负荷及电抗器容量，以供解列后的电压控制使用。监视的模拟量为202个，开关量为271个。整个系统花费约2.3×107USD。TEPCO的稳控系统在1999年 11月曾成功动作，当天下午13:42，一架飞机撞上了给东京供电的275kV线路，虽然损失负荷1610MW，但稳控系统的正确动作却保证了约400MW重要用户的供电。 3.3 基于相角测量的广域测量系统/广域保护实例 （1）基于相角测量值进行广域测量系统/广域保护实例之一是采用相角测量值进行状态估计。西班牙的 CSE（Sevillana de Electricidad ）电力公司第一个利用相角测量来进行状态估计，并建立了SCADA/EMS在线系统。CSE修改了SCADA系统，使其能够直接和相角测量设备进行通信，读取电压正序向量。CSE还修改了传统的状态估计算法，利用相角测量的电压正序向量来改善状态估计的迭代过程。其结果是，估计温差指标降低，其状态估计值比测量值更接近真实值。CSE的经验还表明，相角测量的同步精度不能小于20ms，否则状态估计值没有明显的改善；相角测量也不能完全取代常规测量。 （2）法国EDF电力公司的稳控系统。EDF电网由20个稳控区域组成，该稳控系统类似SPS系统，但采用各区的相角测量值来判别稳定。EDF建立了一个集中广域保护（稳控）中心计算机系统。广域保护（稳控）的目标是，在检测到电网失去暂态稳定时，解列电网并进行减负荷。从监测到系统失稳到广域保护动作完成，必须在1.3s内完成，整个系统花费5×107USD。 （3）加拿大Hydro-Quebec的稳控系统利用相角测量值作为发电机的PSS控制输入，以改善互联电网的振荡衰减。分析发现，在某些振荡模式及运行方式下，仅仅是一少部分发电机的PSS获得了全网功角信息，这些发电机的PSS对这些振荡模式的控制效果较好。PSS控制具有两个反馈控制信号，一个是常规的发电机转速，一个是由相角采集系统采集的两个远程电网的频率差。相角测量系统由一个数据集中器和分别安装在9个电网区域中的功角测量设备组成。数据集中器给各发电机的PSS提供所需信息。结果证明，这种控制方式可以稳定一系列已知的不稳定事故，还可以改善不稳定事故时的母线电压。如果PSS进一步使用远方的频率测量值，能大大改善对远方母线电压的支持。 （4）北美 WSCC的基于相角测量的广域测量系统WAMS可以说是目前规模最大的，参见图4。其中，BPA、SCE和加州ISO电网的三个相角数据集中器相互连接。系统总共有77台采集设备，包括47台专用功角测量设备，20台基于PC的功角测量PPSM，10台其它测量设备，监视约1200个信号[3]。 WSCC的广域测量系统WAMS的目的是实现系统的动态扰动监视。NERC在1997年就制定了相应的标准，但是，电网没有实现基于WAMS的控制。 WSCC 的 WAMS的功能主要是实时连续测量监视和记录事件，因此需要定义要记录的事件触发，称其为事件监测逻辑EDL（Event Detection Logic）。 每个输入通道保证30次/s的更新速率。PDC记录最近3min内所有输入通道的数据和事件前55s的数据。 PDC的功能有：采用VME工控机对系统进行实时操作；与多个高速串口通信；提供多个网络通信口；具有与SCADA通信的能力；对数据按IEEE 1344格式进行格式化。 WSCC的WAMS另外具有非常强的分析建模功能。WSCC的WAMS读取分析系统 （工程师站）具有特殊的数据库管理工具来管理功角矢量数据，称为WAMS数据库管理器。 WSCC的WAMS分析包（Dynamic System Identification，DSI）有三个目标: 识别电网暂态响应的模式（频率、衰减等）；识别电网降阶线性模型参数；识别电网每个动态子系统或分量的参数。 DSI分析包的基本算法采用傅里叶变换及 PRONY 算法。 WSCC的WAMS分析包对北美1996年大停电事件进行了分析[8]，其中一个结论是，当时有6min时间可避免系统解列。 WSCC的WAMS在2001年5月对WSCC电网成功进行了FRR（Frequency Responsive Reserves）测试，同时在2000年及2001年出现的几个大事故中，记录了非常有用的数据。从某种角度而言，WAMS在 WSCC中被称为电网性能监视系统 （Performance Monitoring）。运行到现在，WSCC的WAMS还有不少问题需要解决，除规约、传感器、GPS对时等问题外，主要问题是如何充分利用这些非常有价值的大量数据。 4 结束语 广域保护（稳控）系统已有近20年的历史。传统的SPS/RAS系统已经积累了丰富的运行经验，成为各个互联电网不可缺少的保护稳定、避免灾难性事故的手段。新一代的基于在线相角测试技术的产品为互联电网的稳定运行监视、电网性能动态特性监视以及广域保护提供了更有效的手段。基于在线相角测试的广域测量系统WAMS在北美已逐步成熟。 |
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广域保护（稳控）技术的现状及展望
时间:2014-03-24 09:56来源: 作者:鄂电电力 点击:
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