自适应外部环境的电网安全稳定控制措施集的在线动态调整

王昊昊，金学成，徐泰山，李碧君，徐伟，彭慧敏

（1. 国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 211102；2. 江西省电力公司，

江西 南昌 330077）

基于电力系统实时运行信息的在线安全稳定控制（预防、紧急与校正控制）的自适应优化和协调，是电力系统安全稳定运行的重要保证[1]。在线安全稳定控制决策就是针对预想故障集和候选控制措施集来搜索消除各类安全稳定问题的优化措施。候选控制措施集包括控制对象、控制动作、控制范围、优先级及代价函数等要素，目前主要依靠人工离线设定，难以适应外部环境的变化[2]，也无法对灾害条件下控制措施的控制范围、优先级和控制代价的变化做出反应，从而导致控制结果的经济性变差，甚至不符合电网调度运行的实际情况。

2008年中国南方大面积冰灾发生后，学术界在电网应对灾害的调度防御技术方面已开展了大量的研究。文献[3-4]在传统的在线预防控制、紧急控制、校正控制及其协调优化研究[5-8]的基础上，进一步提出构建应对灾害的在线防御系统及其关键环节，并提出极端灾害条件下“主动解列、分区供电”的防御思路。文献[9]指出应加强自适应环境变化的候选措施集调整技术的研究，以及多级调度协同控制的研究。文献[10]将雷电实时监测信息引入在线防御系统，提出了利用雷电实测信息识别落雷区域、预测雷电移动趋势的方法，并进行线路雷击跳闸概率的在线动态评估，该方法已在实际电网投入应用。文献[11]分析台风对于在线预想故障集的影响，并以指数函数模拟台风对于设备故障率的影响。文献[12]提出了综合考虑台风实时信息、线路设计参数和地形因素的线路故障概率在线评估方法。

上述研究提升了在线安全稳定防御技术对于自然灾害的适应性水平，但还很少涉及灾害对候选控制措施的影响。本文基于已有研究成果，尤其是在灾害引发线路故障概率量化评估方法的基础上[10，12]，着重阐述在实现环境信息自动采集及根据环境变化动态评估线路故障概率的前提下，如何实现多时间尺度的候选措施集自动调整，从而使得安全稳定控制决策结果适应外部环境的变化，保证控制决策的可行性与经济性。

1 候选控制措施集动态识别与调整的框架设计

1.1 控制措施分类及其特点

常规情况下电网的安全稳定预防控制措施一般以运行方式调整为主，例如机组出力调整、容抗器投退、变压器分接头调整、负荷转供等。但在灾害环境下，故障所引发的安全稳定风险较大时，可以考虑代价较大甚至非常规的控制措施，如停运元件、拉停负荷甚至实施主动解列。

紧急状态下的校正控制，由于不安全现象已经出现，因此除常规的运行方式调整外，往往允许采取代价较大的控制措施，如切机、切负荷、解列等，这些措施可以通过人工执行或由装置自动执行。

紧急控制措施包括切机、切负荷、直流调制等，紧急控制中离线制定的控制策略仅依靠本地采集的信息无法自适应优化调整，对于在线模式下紧急控制策略优化功能，其候选控制措施集的自适应调整方法与预防控制和校正控制类似。

本文重点讨论输电网安全稳定预防控制以及紧急状态下针对过载、电压越限等问题进行校正控制的候选措施集的在线自适应优化调整。

1.2 候选控制措施集的识别与调整过程

候选控制措施全集（简称“全集”）依据全网结构及设备调节特性生成。在线可用候选控制措施集（简称“在线子集”）对应于电网实际运行状态，是全集的子集。根据环境因素对在线子集进行动态调整，得到自适应外部环境的在线候选措施集（简称“环境子集”），因此环境子集是由在线子集衍生而来，但并非后者的子集，因为控制措施的优先级可能发生变化。

生成环境子集的过程如图1所示。首先根据电网实时运行信息和指定规则从全集中筛选出在线子集，例如根据实时运行信息剔除掉与停运元件关联的控制措施；根据计划检修信息，将检修结束具备投运条件的线路作为负荷转供或消除过载的候选措施。

图1 生成环境子集的过程Fig. 1 The flow chart of generating subset self-adapting natural environment

灾害影响评估模块根据线路故障概率评估[10-12]、运行信息和环境信息，评估发电厂、变电站以及厂站内设备受灾害影响的程度，给出相应的灾害影响因子。自适应调整模块根据灾害影响因子确定可用控制措施及其调整范围、调整代价以及优先级的变化，生成环境子集。

2 厂站、设备受灾害影响程度评估

2.1 评估流程

如图2所示，评估厂站、设备受灾害影响程度包括识别受灾害影响的厂站、设备和评估灾害影响因子2个步骤。

图2 灾害厂站、设备识别流程图Fig. 2 The flow chart of recognizing thedisaster-affected stations

2.2 识别受灾害影响的厂站、设备

根据线路故障概率评估结果，识别到线路受灾害影响（故障概率大于某一限值）时，自动将线路两端的厂站加入受灾害影响的厂站集，这些厂站内机组、负荷母线加入受灾害影响的设备集。

对Ns个受灾害影响厂站，令i=1，2，…，Ns，Ldi为第i个受灾害影响厂站连接的受灾线路总数，以下式计算这些线路总的故障概率：

2.3 厂站、设备的灾害影响因子

根据电网静态模型参数，对Ns个受灾害影响厂站，令i=1，2，…，Ns，分别统计第i个灾害影响厂站连接的线路总数Lni。根据非计划停运设备信息和检修计划信息，分别统计第i个灾害影响厂站连接的非计划停运线路总数Loi（这些非计划停运线路可视作故障概率为1）和计划检修线路总数Lpi。

然后，按下式评估第i个灾害影响厂站的灾害影响因子βi：

可以看出，1≥βi>0，一个厂站所连接的受灾线路越多，概率越大，非计划停运线路越多，灾害影响因子越大。

对于受灾害影响的发电厂，根据机组调节的历史信息，如果电厂内机组的出力在一定时段内被压低，则以修正因子ki（ki>1）修正βi。

对发电厂，如果厂内所有机组连至同一电压等级，则厂内所有机组的灾害影响因子与所属电厂相同。如果厂内机组连至不同电压等级，可将同一电压等级的机组视作一个电厂，采用上述方法评估其灾害影响因子，这样不同电压等级的机组可以获得不同的灾害影响因子。

对变电站内负荷母线的灾害影响因子与所属变电站相同。

3 候选控制措施集的自适应动态调整

3.1 环境因素对安全稳定控制的影响分析

如图3所示，环境因素对安全稳定控制的影响包括以下3方面。

图3 环境因素对安全稳定控制的影响Fig. 3 The impact of natural environment on security and stability control

1）环境因素导致电网控制原则的变化。在不同的外部环境下，电网安全稳定运行控制原则可能有所区别。例如，通常要求保证电网运行的整体性，而在极端外部灾害下，为了减小受影响的范围，可以采取主动解列的措施，使部分电网脱离主网运行。

2）环境因素导致设备调节范围的变化。一般情况下，未满发的机组出力可以向上或向下调节，但当机组所在电厂的送出线路受到灾害影响较为严重，故障概率较大时，该机组出力应避免向上调节，否则一旦送出线路发生故障，将会增加对于系统的冲击。

3）环境因素对控制措施的经济代价或优先级的影响。前者表现在设备的调节代价随环境因素而变化，例如，对处于丰水期且水位接近上限的水电站，下调其出力将导致弃水，如果当前所在区域持续强降雨，则弃水更为严重，从而导致下调出力的经济代价进一步增大。又例如，当需要切除负荷来解决过载或电压越限问题时，受灾地区负荷被切除的优先级将高于外部环境正常的负荷。

3.2 控制措施集自适应调整的总体流程

控制措施自适应调整的总体流程如图4所示，根据电网运行状态、外部环境的动态变化，结合电网设备静态模型参数及其他参数，动态判断机组出力和负荷调整的调节范围及其调节代价，以及电容/电抗器投切措施的调节范围及其调节代价。修正负荷调整范围时需要保留的最小负荷，这主要是针对电厂。

图4 控制措施的动态调整Fig. 4 Dynamical adjustment of control measures

3.3 有功/无功调节措施的自动调整

3.3.1 修正相关预防控制措施

修正灾害设备（发电机、负荷、电容/电抗器等）相关的预防控制措施的调节范围、代价的方法如下。

对第i个灾害设备Di：

1）如果0<βi<βlim，则与Di相关的机组出力向上调节代价的修正模型为：

式中，Cdi0、Cdi分别是修正前后的机组调节代价；kdi（kdi>1）为调节系数，kdi=f（βiη′m）。

设ηm是βi关联设备所组成的预想故障集的安全稳定裕度均值，1≥ηm≥-1，η′m=1-ηm。可见，若βi越大且η′m越大，则意味着灾害下机组送出线路故障概率越大，预期的安全裕度越低，因此βiη′m能够同时计及灾害对于设备和电网安全性的影响预期。对于机组，kdi可设置为形如下式的分段线性函数：

各段的系数a、b以及上下限εjmin、εjmax通过对历史数据的统计分析得到，或对典型方式下上调机组出力所造成的预期损失进行拟合得到。

机组向下调节代价不变。Di相关的负荷向下调节，相关的电容/电抗器的调节代价同样乘以调节系数kdi（kdi>1）。βlim根据分析实际电网中灾害影响因子与实际线路跳闸的关联数据得到。

2）如果βi≥βlim，则与Di相关的机组出力不再向上调节，即调节上限设置为机组当前出力，调节下限不变；与Di相关的负荷优先向下调节（方法同上），只保留重要负荷；将与Di相关的电容/电抗器调节措施设置为无效。

3.3.2 识别恢复正常环境的设备集

比较前后2个时间断面上的灾害设备集Sj－1和Sj，如果某设备Di∈Sj－1且Di埸Sj，则Di为恢复正常环境的设备，将其调节方向、范围、代价等恢复正常值。

3.3.3 修正水电机组调节代价

根据水电厂的丰水期以及实时的强降雨信息，得出水电厂的基础水位βHi和第i个时刻水位增速Vi，则修正机组向下调整的经济代价的数学模型为：

式中，Ci0为该电厂原有的调节代价；βmax为水位上限；cdi为单位弃水对应的经济代价。类似的方法获得向上调整系数（小于1）用以降低向上调节代价。

3.3.4 识别恢复正常环境的水电厂

根据降雨信息和电网运行信息的动态变化，将恢复正常运行环境的水电厂中机组出力的调节范围或调节代价恢复正常。

3.3.5 识别并修正已调节机组的参数和代价

对于给定的机组调节量、调节完成时刻、调节方向、有效时长等信息，判断当前时刻减去调节完成时刻的差值是否大于有效时长，如果是，则清除该信息。

根据机组调节的历史信息，对于最近某一时段（有效时长）内已经调节的机组，增加其反方向调节的控制代价，修改其反方向调节的技术参数，如爬坡率。应当记录修改信息，避免同一有效时长内重复修改控制代价和爬坡率。当超过这一时段后，将机组的调节代价及参数恢复正常。

3.4 拓扑调整（含主动解列措施）自动识别

根据计划检修信息和设备状态实时判断当前能够用作拓扑调整措施的可投运线路、变压器等一次设备，将其加入候选措施集。

受灾设备的故障概率或群发性故障概率大于某一限值时，在预防控制措施集中增加拓扑调整（线路停运）和主动解列措施。

3.5 负荷调节范围和代价的考虑

对于受灾害影响的厂站，灾害条件下要考虑优先保证重要用户的供电，因此根据厂站供电范围内重要用户数量设置负荷调节范围。根据电网方式不同设置多个典型值，然后根据在线方式变化进行匹配。对于非重要负荷，由于受灾害影响发生停电概率较大，因此调低负荷节点的调节代价，优先控制不重要的负荷，但仍采用分段函数的设置方式。

3.6 多时间尺度的调整

基于本文所述的方法，根据不同灾害的特点，以及信息的时间尺度（实时、超短期、短期等）不同，能够实现多时间尺度下的候选控制措施集自动调整，不仅能够适应在线电网安全稳定分析与控制的需要，也能够适应不同时间尺度下计划运行方式安排的需要。

4 算例分析

基于已有的在线防御系统平台（IBM P6 570服务器），本文的方法能够在线自动连续运行，动态跟踪环境变化及其对可用措施集的影响情况。本节给出某省级电网（如图5所示）的计算结果。图中，虚线所标识的输电断面由2回500 kV线路（WS-GZ）和4回220 kV线路组成，其中220 kV（JGZ-BT）线路处于停运检修状态，（WZ-HG）II线因故障临时停运。

计算速度方面，以本节给出的对实时性要求最高的雷电灾害为例，雷电定位系统采集到实时落雷信息并推送到在线防御系统，耗时约0.8 s，随后在线防御系统执行线路雷击故障概率评估和措施集调整等计算环节，耗时约0.5 s，因此本方法的计算速度能够满足在线调整的需求。

该区域当天发生了持续23 h的雷电活动，表1是某一雷电活动高峰期的雷击跳闸概率较大的线路列表，根据概率评估结果生成预想故障列表（如表2所示），其中，裕度最低故障为WS-GZ双回500 kV线路同跳，将导致WZ-YF线路过载19 MW，系统将给出预防控制辅助决策措施。

图5 实际电网接线图Fig. 5 Topological graph of a real power grid

表1 雷电活动高峰时刻上的雷电风险设备Tab. 1 Lightening risk equipment at the peak of the lightning activity

在计算辅助决策措施前，系统根据设备故障概率的评估结果，自动调整相关控制措施。表3给出了控制措施调整结果以及辅助决策结果。辅助决策结果的计算采用了在线系统已有的预防控制优化功能[5-6]。

从中可以看出：雷电导致WA、TC电厂送出线路故障概率增加，因而增加了电厂内机组的有功出力的上调代价，降低了下调代价，保证了优先降低受灾害影响的电厂的出力，提升了电网的安全裕度。电厂RC未受雷电影响因而调节代价未发生变化。

表2 雷电活动高峰时段上的新增N-2预想故障Tab.2 New N-2 faults at the peak of the lightning activity

表3 候选措施集变化及预防控制辅助决策结果Tab.3 Results of change of the candidate control measures set and preventive control decision making

没有雷电影响的情况下，TC电厂向上综合调节指标（调节灵敏度与调节代价的乘积）优于RC电厂。由于受到雷电影响，上调TC电厂出力虽然能够消除过载，但会恶化断面的过载程度，增加了电网安全稳定风险，因此给出的最优调整措施是增加RC电厂的出力。显然，这样的结果更符合调度运行的实际情况。

5 结语

在线安全稳定控制根据候选控制措施空间搜索消除基态条件下或预想故障后的安全稳定问题的最优措施组合，保证电网的安全稳定运行。如何根据环境因素的变化，构造合理的候选措施空间，保证控制措施的正确性、合理性，是电网安全稳定控制要解决的问题。

本文提出的灾害影响因子评估方法，以及根据该因子调整候选措施集的方法，综合考虑了灾害引发电网安全稳定问题的概率与后果，实现了控制措施空间的合理调整，结合已有的安全稳定控制决策的研究成果，能够实现适应环境变化的预防控制优化、紧急状态下校正控制优化以及二者的协调优化。后续应加强灾害（环境）影响因子与调节代价间的量化关系研究，尤其是基于风险理念的调整方法研究。

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