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摘要：電力系統(tǒng)災變的特點、災變原因及災變防治策略。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)災變特點災變原因防治策略

一．電力系統(tǒng)災變概況

電力是國家的支柱能源和經(jīng)濟命脈。目前我國電網(wǎng)裝機容量2.5億千瓦，居世界第二位。隨著三峽等大型電廠建成，必將出現(xiàn)超大規(guī)模的聯(lián)合電力系統(tǒng)。我國計劃在2010～2020年間建成安全可靠、滿足電能傳輸和市場化運作的全國范圍聯(lián)合大電網(wǎng)。如何保證其安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行，是一個及其重大和迫切的研究課題。

而自60年代以來，在世界范圍內(nèi)已發(fā)生了多起災變性的重大電力系統(tǒng)事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。如美國1965.11的東北停電事故，停電2100千瓦，停電面積達20萬平方公里；1977.7美國東北停電25h；1978.12法國停電75％，時間7h；1982.12加拿大魁北克州全停；1983.12瑞典停電67％，時間6～7h；1987.8東京大停電，時間6h；1996.9馬來西亞全國大停電；1996.8美國西部大停電，損失3200萬千瓦負荷，停電時間7h。這些事故的起因均為某一局部故障，但由于控制措施采取不當或不及時、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不合理、繼電保護裝置的誤動或拒動，或者是上述多種因素的綜合作用,最終導致了系統(tǒng)的連鎖性故障以致于大面積停電，即所謂災變的發(fā)生。大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)和電力市場機制的引進在給人們帶來巨大利益的同時，也帶來了潛在的威脅，電網(wǎng)的運行增加了更多的不可預知性，電網(wǎng)運行在穩(wěn)定極限邊緣的可能性也大為增加。這些事實告訴我們，只按現(xiàn)有的可靠性準則來保證電力系統(tǒng)的安全是不夠的。應建立電力系統(tǒng)的第三道安全穩(wěn)定防線，即必須對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最壞情況做好準備。盡早開展電力系統(tǒng)災變防治系統(tǒng)的研究，避免災難的重演已成為目前電力系統(tǒng)研究的當務之急。

二．電力系統(tǒng)災變的特點

現(xiàn)實的電力系統(tǒng)同復雜的甚至是不可預測的環(huán)境相聯(lián)系，它隨時都可能受到來自自然或人為因素的干擾，要完全防止事故的發(fā)生是不可能的。電力系統(tǒng)災變是指電力系統(tǒng)主要由連鎖性事故導致的電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞而發(fā)生的大面積停電。電力系統(tǒng)事故可分為兩大類：一是可逆性事故，即電力系統(tǒng)受干擾后，能從一種正常工作狀態(tài)走向另一種或回到原來的工作狀態(tài)。二是不可逆事故。即電力系統(tǒng)受干擾后，電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定破壞，或電壓穩(wěn)定破壞即電壓崩潰，或頻率穩(wěn)定破壞即頻率崩潰，或三者中的任意二者或全部破壞，電力系統(tǒng)瓦解，大量損失負荷。

下面例舉了電力系統(tǒng)的一類災變的發(fā)生發(fā)展過程。

圖1為一個三機四母線的電力系統(tǒng)。

圖1說明災變過程的4節(jié)點系統(tǒng)

1．假設

l事故前潮流如圖1所示，且節(jié)點2、節(jié)點3聯(lián)絡開關(guān)通過功率很大；線路1～2，1～4接近穩(wěn)定限制功率運行。

l線路配置較完整的繼電保護和重合閘，且線路1～2，1～4跳閘可聯(lián)切電源1號機組和分別聯(lián)切節(jié)點2、4部分負荷，但事故當時聯(lián)切裝置停運檢修中。

l變壓器配有常規(guī)保護；發(fā)電廠配有常規(guī)保護和自動控制裝置。

l電源節(jié)點2與系統(tǒng)聯(lián)絡開關(guān)有振蕩解列、低電壓解列聯(lián)系；節(jié)點3與系統(tǒng)聯(lián)絡開關(guān)有振蕩解列、低頻率解列聯(lián)系。

2．災變發(fā)生和發(fā)展過程

（1）線路1～4永久故障，兩側(cè)保護正確動作掉閘。1號電源因離故障點近，沖擊較大。

（2）線路1～4負荷轉(zhuǎn)移至線路1～2，1～3，線路4～3潮流反向。

（3）電源1，3間功角穩(wěn)定破壞，系統(tǒng)振蕩，1號電源側(cè)頻率大幅上升，3號電源側(cè)頻率大幅下降；電源1，3之間聯(lián)絡阻抗二分之一處（電源2附近）為振蕩中心，電壓穩(wěn)定破壞。

（4）1號電源部分發(fā)電機過速解列停機。2號電源與系統(tǒng)聯(lián)絡開關(guān)振蕩解列、低電壓解列供電地區(qū)，但因事故前該地區(qū)受進功率很大，事故時電壓很低，低頻切負荷裝置啟動功率不足，大都未動，故解列以后，頻率陡降，最終該地區(qū)所有發(fā)電廠被迫解列，部分停機，局部系統(tǒng)瓦解。3號電源與系統(tǒng)聯(lián)絡開關(guān)振蕩解列、低頻解列動作供電地區(qū)，但因事故前所在局部系統(tǒng)功率外送較大，加之在系統(tǒng)振蕩過程中部分低頻減載動作，解列后功率過剩，頻率上升，部分發(fā)電機組被迫減出力或解列停機。負荷節(jié)點4，因在振蕩過程中頻率很低，低頻減載動作，大部分負荷損失。

災變最終結(jié)局是：2、3號電源解列，系統(tǒng)損失大量負荷，全網(wǎng)和局部系統(tǒng)2均瓦解，局部系統(tǒng)3解列后也幾近瓦解。

由上述簡單系統(tǒng)災變的示例以及結(jié)合多次實際電力系統(tǒng)災變事故經(jīng)驗，可將電力系統(tǒng)災變的主要特點總結(jié)如下：

1.具有極強的綜合性。電力系統(tǒng)災變幾乎涉及到電力系統(tǒng)中的所有重要問題，幾乎每一起電力系統(tǒng)災變事故均與系統(tǒng)失去穩(wěn)定有關(guān)，災變是系統(tǒng)失去穩(wěn)定并導致大面積停電的結(jié)果。因此在研究中必然會遇到電力系統(tǒng)原有的眾多難題，如系統(tǒng)的動態(tài)等值與簡化、穩(wěn)定判據(jù)的選擇、負荷的動態(tài)模型難以獲得、控制方法的適應性以及系統(tǒng)的強非線性和時變性等問題。

2.連鎖性故障是導致電力系統(tǒng)災變發(fā)生的主要原因,它表現(xiàn)為一系列線路和電源的連鎖反應跳閘,并最終發(fā)展為系統(tǒng)的解列、頻率或電壓崩潰。連鎖性故障往往由極其罕見的嚴重事故造成,具有偶然性和不可預測性。典型的嚴重事故包括同一走廊的輸電線路全部同時斷開、樞紐變電所全停或占系統(tǒng)容量較大的一個發(fā)電廠全停等。目前人們對連鎖性故障發(fā)生的機理只有一些定性的認識,對連鎖性故障發(fā)生機理的系統(tǒng)性研究仍不多見。

3.連鎖性故障發(fā)生時的控制方式及策略與常規(guī)情形不同，要求在災變研究中應考慮罕見嚴重故障發(fā)生時的控制方式和策略，這與以往的基于個別故障發(fā)生后采用的控制方式和策略明顯不同，目前這方面的研究還很少見諸于文獻。

三．電力系統(tǒng)災變原因

仔細考察過去發(fā)生的多起重大電力系統(tǒng)災變事故，可知導致事故擴大的原因大體可分為以下幾種：

a)輸電線路過負荷或故障跳閘,引起大量負荷轉(zhuǎn)移,最終造成一系列線路和電源的連鎖反應跳閘。1961年英國東北部、1965年美國東北部和1967年美國東部的大停電等事故均是由上述原因引起。

b)負荷增長過快,系統(tǒng)無功不足而導致電壓崩潰。1978年法國和1987年日本大停電事故便是由這一原因造成的。

c)系統(tǒng)元件的保護或自動裝置拒動或誤動。

d)線路多重多次故障,導致一系列跳閘,最終發(fā)展成穩(wěn)定破壞事故。

e)大機組跳閘,引起連鎖反應,最終發(fā)展成穩(wěn)定破壞事故。

f)不可抗拒的自然災害或人為因素(如地震、戰(zhàn)爭等)。

災變是系統(tǒng)穩(wěn)定破壞的結(jié)果，根據(jù)系統(tǒng)失穩(wěn)的特征不同，穩(wěn)定問題包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及電力系統(tǒng)非管制后所呈現(xiàn)的電力市場穩(wěn)定問題。

l電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定

所謂電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定就是要求保持電力系統(tǒng)中所有同步發(fā)電機并列同步運行。交流電力系統(tǒng)的正常運行條件是各發(fā)電機按同一供電頻率同步運行以保證為用戶提供統(tǒng)一頻率的電能。電力系統(tǒng)失去功角穩(wěn)定的原因是在運行中不斷受到內(nèi)部和外界的干擾，使電氣連接在一起的各同步發(fā)電機的機械輸入轉(zhuǎn)矩于電磁轉(zhuǎn)矩失去平衡，出現(xiàn)各發(fā)電機轉(zhuǎn)子不同程度的加速和減速，以及各發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對功率角的變化，如果這種變化隨時間增大，則最后將使發(fā)電機失去同步運行。由于各發(fā)電機的頻率不相同，電力系統(tǒng)中的電流和電壓將發(fā)生很大幅度的振蕩，用戶得不到正常供電，保護裝置動作，一般要斷開受影響的發(fā)電機、線路等元件，有可能使系統(tǒng)解列為幾個子系統(tǒng)并不得不切除負荷及發(fā)電機，從而導致全系統(tǒng)的崩潰。失去穩(wěn)定的現(xiàn)象可能是發(fā)生一臺發(fā)電機與其余發(fā)電機間，或者發(fā)生在幾群發(fā)電機間，每群發(fā)電機內(nèi)還是同步運行的。

l電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定

電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)維持負荷電壓于某一規(guī)定的運行極限之內(nèi)的能力，它與電力系統(tǒng)中的電源配置，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及運行方式、負荷特性等因素有關(guān)。在電力需求不斷增加，受端系統(tǒng)不斷擴大，負荷容量不斷集中，而電源又是遠離負荷中心的情況下，以及輸電系統(tǒng)帶重負荷時，會出現(xiàn)電壓不可控制連續(xù)下降的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，即電壓崩潰。它往往由于電力系統(tǒng)電壓的擾動（如發(fā)生短路，大容量電動機的啟動，沖擊負荷等）、線路阻抗突然增大（斷開線路或變壓器）、無功功率減小（斷開發(fā)電機或無功補償裝置）或節(jié)點負荷的增大而誘發(fā)，使大量用戶斷開和大面積停電。

l電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定

在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行情況下，全系統(tǒng)的發(fā)電機出力和負荷（包括線損）是平衡的，電力系統(tǒng)頻率是一個全系統(tǒng)一致的運行參數(shù)。在實際運行時，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)干擾使發(fā)電機的總出力和負荷的總功率出現(xiàn)不平衡時，相應地將導致各發(fā)電機轉(zhuǎn)速和頻率的變化。在頻率變化的第一階段調(diào)速器和調(diào)頻系統(tǒng)還沒有動作，系統(tǒng)的平均頻率將下降或增大，各發(fā)電機間將產(chǎn)生振蕩；第二階段發(fā)電機的調(diào)頻系統(tǒng)以及負荷的頻率調(diào)節(jié)效應，導致發(fā)電機有功出力以及負荷的變化，隨著電力系統(tǒng)容量的增大，頻率的微小偏移均將發(fā)生很大的有功潮流波動和調(diào)整，如果電力系統(tǒng)頻率進行的監(jiān)視和調(diào)節(jié)不夠，就會導致系統(tǒng)頻率的進一步惡化，這又將導致系統(tǒng)電廠中鍋爐出力的變化，以及電動機負荷的變化，使得電力系統(tǒng)的出力和頻率進一步變化，最終使系統(tǒng)走向頻率崩潰，一致全系統(tǒng)大面積停電。

l電力市場穩(wěn)定性

當前電力市場化浪潮席卷諸多國家，我國也在積極推行市場化改革。先進國家電力工業(yè)走向市場的經(jīng)驗表明：電力系統(tǒng)的市場化運作由于打破了壟斷，引入了有序競爭機制一般將使發(fā)電成本降低30％，電價降低26％左右，這對降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競爭力具有特別重要的意義。但是電力市場的發(fā)展在帶來明顯經(jīng)濟效益的同時，也對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性提出了新的課題，即電力市場經(jīng)濟穩(wěn)定性。從而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將由兩部分組成，即前述的電力系統(tǒng)物理穩(wěn)定性和電力市場經(jīng)濟穩(wěn)定性，而且兩種穩(wěn)定性緊密交織在一起，災變發(fā)生的可能性將大為增加。比如1996年發(fā)生的兩次美國西部大停電以及馬來西亞大停電就是市場化改革帶來的慘痛教訓。

電力市場穩(wěn)定性指電力市場必須保證其經(jīng)濟活動的穩(wěn)定性。政府部門和電力市場的各參與方都希望評估影響電力市場穩(wěn)定性的各種因素，了解電力市場在受到預想擾動時的動態(tài)行為和穩(wěn)定程度，并希望可靠的算法支持其決策，防止市場的崩潰。

影響電力市場穩(wěn)定的因素有：

1）市場經(jīng)濟下的系統(tǒng)運行工況將由市場需求來決定，系統(tǒng)間大量的電能交換和交易、不可預測的潮流和線損等因素都增加了運行調(diào)度的不確定因素，更容易遇到離線分析未考慮的工況。

2）電力市場下，發(fā)電、輸電、供電將各自成為獨立的經(jīng)濟實體，電網(wǎng)公司將不再具有在傳統(tǒng)垂直一體化電力結(jié)構(gòu)下的調(diào)度能力，網(wǎng)絡的安全問題將更為突出。

3）在宏觀經(jīng)濟方面，能源政策、環(huán)境法規(guī)和國民經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢的調(diào)整

4）在微觀經(jīng)濟方面電力市場規(guī)則的修改，各參與者的博弈

5）在技術(shù)方面，電力系統(tǒng)的物理特性、安全穩(wěn)定導則、穩(wěn)定傳輸極限引起的阻塞、分析技術(shù)和控制技術(shù)

電力市場穩(wěn)定性的研究內(nèi)容是：

1）在市場均衡價格下，研究市場價格微小偏離市場均衡價格時的市場穩(wěn)定性

2）研究市場在大擾動情況下，系統(tǒng)是否能夠保持足夠多的發(fā)電公司、充裕的可發(fā)電容量及可輸電容量，也即電力市場的大擾動穩(wěn)定性問題。美國加州電力市場崩潰時發(fā)電成本上漲和發(fā)電容量不足，造成加州批發(fā)電力市場價格飛速上漲，而當時的用電端是按照凍結(jié)電價售電的，這樣就失去了電價調(diào)節(jié)的杠桿作用，用戶的用電彈性作用完全喪失，市場價格失衡

3）研究電力市場的動態(tài)品質(zhì)問題，如電價的漸進性、對振蕩的阻尼等。

四．電力系統(tǒng)災變防治策略

電力系統(tǒng)災變防治研究是一項復雜的綜合性工作，涉及到電力系統(tǒng)的方方面面，尤其是在連鎖性故障的機理及其發(fā)生時的控制方式和策略、電力系統(tǒng)隱患的探測和預防、決策準確性與快速性的兼顧以及完善預警系統(tǒng)的建立等方面存在的諸多問題。

電力系統(tǒng)災變防治系統(tǒng)（PowerSystemCollapsePreventionSystem，縮寫為PSCPS）研究的目標

1)準確地進行判斷并給出正確的控制措施是對PSCPS的基本要求。電力系統(tǒng)擾動發(fā)生后，要求PSCPS能在盡可能短的時間內(nèi)完成對系統(tǒng)的有效控制。在緊急情況下，只有準確的決策和快速的執(zhí)行才能有助于電力系統(tǒng)狀態(tài)或性能的改善，否則會加劇系統(tǒng)的崩潰。然而,目前研究中采用的算法和方法多數(shù)仍難以滿足PSCPS的實時性要求。快速性和準確性要求一直是電力系統(tǒng)研究中的一對矛盾，同時滿足快速性和可靠性要求的安全及穩(wěn)定控制算法才具有實用價值，機理可行而缺少實時性的算法雖具有研究價值，但卻不宜采用。

2)PSCPS應具有魯棒性和適應性，不應受到某些虛假現(xiàn)象的影響而產(chǎn)生誤判。電力系統(tǒng)的時變性要求采用的控制方法和策略具有適應性和魯棒性，即要求針對不同的問題采用不同的控制方法和策略以確保控制的準確性。電力系統(tǒng)的擾動具有不確定性，危險形式也千差萬別。不同的擾動和危險方式具有各自不同的特點，需要各自不同的判定方法和控制策略。PSCPS必須能正確地識別各種危險發(fā)生或即將發(fā)生時系統(tǒng)的相應特點，并做出合理的決策。此外，PSCPS還應能正確識別系統(tǒng)正常的擾動和真正的危險，并做到“去偽存真”。

3)PSCPS的算法應能反映系統(tǒng)的實際，采用的假設應具有合理性，其對系統(tǒng)危險指標的判據(jù)應是充要的。這主要體現(xiàn)在研究中采用模型的適應性、系統(tǒng)等值的準確性、預想事故集篩選的合理性以及判定方法的選取等多方面。在PSCPS研究中，針對不同的問題應采用更接近實際的系統(tǒng)模型。首先，假設應是合理的，在做系統(tǒng)簡化和等值時，需使簡化后的系統(tǒng)符合實際的未簡化系統(tǒng)，或者保證簡化引起的誤差不使PSCPS做出虛假或錯誤的判斷；其次，所采用的預想事故篩選原則應是準確的，不應遺漏任何具有潛在危險的預想事故。

4)PSCPS包括的一系列重要穩(wěn)定裕度指標如電壓穩(wěn)定、功角穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定指標等應是基于參數(shù)空間的，且具有可操作性和直觀性。它能回答諸如某條或某幾條母線上可同時增加的負荷有功和無功功率數(shù)量，某條或某幾條輸電線上可同時增加的有功傳輸功率等具有實際物理意義的問題。基于系統(tǒng)狀態(tài)空間的性能指標雖然具有一定的理論意義，但常常缺少實際可操作性。

5)在緊急或事故情況下，PSCPS給出的控制決策除了要考慮系統(tǒng)安全性外，還應使控制代價最小。保守的決策雖能保證系統(tǒng)的安全,但卻會帶來不必要的損失，因此要求PSCPS具有優(yōu)化控制決策的功能。

6)在電力市場環(huán)境下，PSCPS應能準確在線度量當前市場的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有界穩(wěn)定性，基于發(fā)電及用戶側(cè)的市場報價，解決含動態(tài)穩(wěn)定約束的阻塞問題，優(yōu)化調(diào)度，以及提供高質(zhì)量的各種輔助服務決策。

因此電力系統(tǒng)災變防治急需解決以下問題：

1)電力物理大系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論

包括建立電力物理大系統(tǒng)的整體建模；電力大系統(tǒng)全局穩(wěn)定性的定量測度理論，研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定域的拓撲結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)模式及其演化規(guī)律；電力大系統(tǒng)穩(wěn)定性的在線快速評價方法體系。

2)電力市場穩(wěn)定性理論

建立電力市場的動力學模型，研究電力市場競價、交易、調(diào)度運營等動態(tài)行為對市場穩(wěn)定性的影響，研究物理系統(tǒng)與經(jīng)濟系統(tǒng)穩(wěn)定性的交互關(guān)系。

3)連鎖性故障發(fā)生的機理和控制策略

研究連鎖性故障發(fā)生的條件和特征，探索研究連鎖性故障的理論和方法，制定反連鎖性故障的相應措施。

4)電力大系統(tǒng)的非線性優(yōu)化控制和優(yōu)化調(diào)度理論

研究電力大系統(tǒng)的非線性魯棒控制原理，使得系統(tǒng)具有魯棒穩(wěn)定性和高干擾抑制能力；研究混雜系統(tǒng)復合控制理論，解決非線性高維、分塊、多層、連續(xù)信號和離散信號并存的控制系統(tǒng)設計及求解方法；研究混雜系的調(diào)度策略。

5)電力大系統(tǒng)的實時仿真決策系統(tǒng)

建立全新概念的發(fā)電廠與電網(wǎng)控制與調(diào)度的計算機實時信息處理系統(tǒng)，即需研究電力大系統(tǒng)整體和各個組成部分的實時仿真決策系統(tǒng)，分層分塊地建立運行中各發(fā)電廠與整個電力系統(tǒng)的在線實時仿真決策系統(tǒng)，它可實時給出潮流調(diào)度最優(yōu)方案和反事故緊急措施的合理建議等。

6)建立電力市場的實時仿真決策系統(tǒng)。

五、電力系統(tǒng)災變防治策略示例——先進勵磁控制技術(shù)運用

電力系統(tǒng)國家重點實驗室（依托清華大學）在國家自然科學基金資助下，在中電聯(lián)合水力發(fā)電學會自動化專委會推動幫助下，與長辦機電處、水科院自動所、華中電力集團公司、內(nèi)蒙電力公司、廣東電力集團公司以及葛洲壩能達公司等單位合作，經(jīng)過近十年的努力，已成功地研制了GEC-I性全數(shù)字式非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)裝置，并已投運于豐滿水電廠、海渤灣電廠、沙角電廠（A）、焦作電廠、沙嶺子電廠等十多臺機組，提高了有關(guān)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟和社會效益。近期內(nèi)豐滿第二臺和廣東連州、韶關(guān)、華北大同一電廠以及浙江鎮(zhèn)海等電廠的該型裝置即將投入運行。目前，該國家實驗室在東北電力集團公司支持下，研制了雙工控機，具有彩色平板數(shù)據(jù)和波形顯示器（PPC）的新型非線性最優(yōu)控制裝置GEC-II，可望于1999年三季度以前投入白山水電廠30萬kW機組試運行，為三峽機組勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化作進一步技術(shù)準備。

上述勵磁調(diào)節(jié)器，從理論、軟件到結(jié)構(gòu)完全具有我國自主產(chǎn)權(quán)。其理論上的領(lǐng)先地位已為國際有關(guān)專家公認；對提高和改善電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要作用不僅被理論和仿真證明，而且已為內(nèi)蒙電網(wǎng)實際發(fā)生的故障所驗證；也為華中、西北、浙江、四川等電網(wǎng)科技人員獨立進行的物理和數(shù)字仿真（用“綜合穩(wěn)定程序”）所證實。本文將對這已具有我國完整知識產(chǎn)權(quán)的高科技裝置從理論優(yōu)勢、裝置特點、仿真結(jié)果和實際運行等方面作扼要闡述。

5.1理論上的創(chuàng)新性

首先讓我們對勵磁調(diào)節(jié)器設計的理論基礎發(fā)展過程作簡要的回顧。

5.1.1單參量輔助控制

60年代，隨著美國電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是發(fā)電機快速勵磁（自并勵方式）的廣泛應用，工程控制論中的一對最基本的矛盾即控制系統(tǒng)的靈敏性與穩(wěn)定性的矛盾便日益顯露出來。美國一些電網(wǎng)產(chǎn)生了多起“低頻振蕩”（LFO，Low-FrequencyOscillations），這種LFO現(xiàn)象從物理觀念上可歸為“欠阻尼”問題。約30年前（1969年）美國deMelloF等人提出了可用輔助勵磁控制（SEC，SupplementaryExcitationControl）來提高系統(tǒng)阻尼[1]，并給出了輔助勵磁控制通道的具體傳遞函數(shù)為：

式中，是輔助控制環(huán)節(jié)的輸出；是轉(zhuǎn)速偏差。

由于轉(zhuǎn)速的導數(shù)近似地與發(fā)電機有功功率成正比，故上式中的反饋量亦可換成，當然傳遞函數(shù)亦應作相應的改變。

以上這種單參量（或）輔助控制環(huán)節(jié)，發(fā)明者將其稱為PSS（PowerSystemStabilizer）。從那以后北美大多機組都裝上了“PSS”，隨后其他國家和我國也不同程度上引用這項技術(shù)。

國際勵磁控制界權(quán)威學者，加拿大溫哥華B.C大學終身教授YuYaonan（余耀南），對PSS做過精細深的研究，發(fā)展了deMello等人的方法，提出了一套算法和設計方法，其成果載于他的ELECTRICPOWERSYSTEMDYNAMICS（《電力系統(tǒng)動態(tài)學》）這本名著中[2]。雖然不少學者就按單機系統(tǒng)模型設計的PSS在多機系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)問題上想了不少辦法，但仍然存在著如上述著作第3和第4章中所指出的問題：①盡管北美大多數(shù)電廠裝有PSS，但LFO現(xiàn)象仍時有發(fā)生；②由于設計方法本質(zhì)上是單機單參量的相位補償法，其所適應的系統(tǒng)振蕩頻帶相當狹窄。

我國華南電力系統(tǒng)原打算采用“PSS”來提高系統(tǒng)小干擾的穩(wěn)定性，

但在計算中發(fā)現(xiàn)難以用一種不變的PSS參數(shù)來適應系統(tǒng)運行方式的變化。

5.1.2線性最優(yōu)化勵磁控制（LOEC）

為了對勵磁控制技術(shù)作進一步改進，余耀南教授于1970年在IEEE期刊上發(fā)表了他在電力系統(tǒng)線性最優(yōu)控制領(lǐng)域的開篇文獻[3]，隨即在國際電工界掀起了線性最優(yōu)勵磁控制（LOEC，LinearOptimalExcitationControl）研究熱潮。這種控制理論與技術(shù)和以往相比，主要有以下兩點革新：第一，將單參量輔助反饋改進為多參數(shù)反饋（反饋量為電壓，功率，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電壓。）；第二，運用“線性、二次型、黎卡梯”，（LQR）這一成熟的控制方法，求得多個反饋量之間的最恰當?shù)姆糯蟊稊?shù)匹配關(guān)系，因而實現(xiàn)“最優(yōu)化控制”。

70年代后期和80年代初，本文第一作者等在高景德教授、余耀南教授指導下，在LOEC的設計理論的系統(tǒng)化和工程實用化等方面做了大量的研究工作。這種以LQR方法為理論基礎的線性優(yōu)化勵磁控制裝置從1986年第一臺在碧口水電廠試驗并成功投運后。在國內(nèi)得到了推廣與運用，該技術(shù)被成功地用于紅石和劉家峽等水電廠（調(diào)節(jié)器由洪山電工所制造）。在國外，法國EDF比我國約晚5年，也獨立的研制出線性多變量優(yōu)化勵磁控制器，稱為“四通道控制”，解決了法國電力系統(tǒng)的低頻振蕩（LFO）問題。

由于LOEC有如上所述的兩點革新，故顯著拓寬了所適用的振蕩頻帶（亦即增強了對振蕩頻率變化的魯棒性）；更加有效地抑制LFO，這一點不僅為動態(tài)模擬實驗、數(shù)字仿真所反復證實，也被碧口水電廠和紅石水電廠令人信服的現(xiàn)場試驗結(jié)果所驗證。1990年清華大學進一步改進的線性優(yōu)化控制——“零動態(tài)最優(yōu)勵磁控制”，在微機勵磁調(diào)節(jié)器上得以實現(xiàn)。至此，我國已從理論和裝置上占據(jù)線性化勵磁控制技術(shù)的制高點。

5.1.3近似線性化模型的局限性

上述兩種控制方式雖有種種差異。但它們本質(zhì)上部是基于單機系統(tǒng)在一個特定的平衡點（即特定潮流）處近似線性化的數(shù)學模型設計的。雖然PSS模型是以傳遞函數(shù)G（S）表示的，LOEC是以線性定常系數(shù)微分方程組表示的。但我們知道，傳遞函數(shù)只是線性微分方程的拉氏變換形式而已。

電力系統(tǒng)實際上是一個強非線性的系統(tǒng)，其中第i臺發(fā)電機有以下模

型：

（1）

式中，—皆為常數(shù)，和分別為轉(zhuǎn)速和暫態(tài)電勢；為轉(zhuǎn)子電壓，是控制量。和是關(guān)于和的非線性函數(shù)，分別為：

（2）

式中，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角；為常數(shù)。

把非線性函數(shù)在某一特定狀態(tài)下近似線性化后，代入原方程即可得近似線性化數(shù)學模型。其近似線性化的處理方法是把和在某一特定狀態(tài)處按臺勞多項式展開后只保留首項，而把二次方和高次方項統(tǒng)統(tǒng)忽略。該處理方法在微分學中稱為“以非線性函數(shù)在某一特定點處的全微分代替其在該點處的增量”。用幾何學的觀點來看，即以狀態(tài)空間中在點處某曲面的切平面代替其曲面（參見圖1）。

圖1以處的切平面近似代替曲面示意圖

問題很清楚，這種近似只是在當實際運行的狀態(tài)點離開點很近時才是對的。在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，實際運行點必然會遠離初狀態(tài)。由圖可知，這時近似線性化的數(shù)學模型就完全不對了。因此按這種模型設計的勵磁控制器，在大干擾下控制效果將會大大削弱，甚至產(chǎn)生負作用。為此PSS環(huán)節(jié)的輸出必須加嚴格限幅（美國學者堅持限幅在土5％）；LOEC雖尚未發(fā)現(xiàn)有負作用產(chǎn)生，但對提高暫態(tài)穩(wěn)定作用甚微。

5..1.4非線性最優(yōu)勵磁控制

目前我國電網(wǎng)，低頻振蕩和小干擾穩(wěn)定性的改善固然重要，但更具重要意義的是要提高其暫態(tài)穩(wěn)定水平，為此迫切需要發(fā)展直接按多機系統(tǒng)精確非線性模型設計的最優(yōu)勵磁控制器。在過去的十年里，國際上基于微分幾何方法的非線性系統(tǒng)控制理論有了較系統(tǒng)的發(fā)展，美國將其用于如飛行器和機器人等控制系統(tǒng)。在我國，本文作者首先將其用于復雜電力系統(tǒng)，并發(fā)展了這種理論，在IEEE/PES，1989年第一期上發(fā)表了該領(lǐng)域的開篇文獻[4]；隨后MIT的Ilic教授和多國學者在該領(lǐng)域進行了跟蹤研究。1993年科學出版社出版了《電力系統(tǒng)非線性控制》專著[5]，奠定了基于微分幾何方法的電力系統(tǒng)控制理論基礎。1996年11月IEEE電力系統(tǒng)卷發(fā)表了本文作者的“分散非線性最優(yōu)勵磁控制”一文[6]，該文在國際上首次給出了關(guān)于這類非線性控制解最優(yōu)性質(zhì)嚴格數(shù)學證明，使這種理論上升到“非線性最優(yōu)”的高度。論文為SCI收錄，被各國學者多次引用，使我國在該前沿學科領(lǐng)域占有國際上一席之地。

90年代初，IEEE自動化學會主席華盛頓大學TarnTJ教授對我國學者這一成果是這樣評價的：對非線性系統(tǒng)微分幾何方法的發(fā)展有重要意義，且這種理論和方法開辟了一個嶄新的應用領(lǐng)域。他們明確指出：研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，這種非線性控制方法在改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)品質(zhì)優(yōu)化方面有著突出的優(yōu)越性。最后他得出結(jié)論：中國這方面在國際上處于領(lǐng)先地位。美國科學院院士ZoborszkyJ教授熱情評論道：非線性幾何方法是一種高新而精深的科學方法，加之電力系統(tǒng)模型的極其復雜性，中國作者成果是一個通過精確與博識的分析使問題得到明澈無疑解決的范例，是一項極具吸引力與挑戰(zhàn)的新貢獻。

其實這種理論和方法的主要思路是相當簡單明了的。

電力系統(tǒng)中運行的發(fā)電機組的數(shù)學模型有以下形式（具體模型見（1））：

（3）

式中，是狀態(tài)量；是的非線性函數(shù)向量；是常數(shù)向量；是勵磁控制量。

方法是要求找到一組非線性坐標變換：

（4）

同時又找到非線性控制律（狀態(tài)量非線性反饋）（5）

這里都是的非線性函數(shù)。使得發(fā)電機組勵磁控制模型（3）精確地在全動態(tài)過程意義上轉(zhuǎn)化為Z坐標下的線性系統(tǒng)（故稱作“通過反饋的精確非線性化”方法）：

（6）

根據(jù)線性優(yōu)化原理很容易找到（6）式中最優(yōu)的，將代入（5）式，即可得到非線性勵磁控制策略。

（7）

上述結(jié)果已由本文作者在1996年IEEE上發(fā)表的論文證明：以上非線性控制解對原非線性系統(tǒng)(3)也是最優(yōu)的。

用以上方法得到的非線性最優(yōu)勵磁控制規(guī)律為：（8）

式中，分別為發(fā)電機有功功率、無功功率、端電壓、轉(zhuǎn)速，其它皆為這臺發(fā)電機本身的參數(shù)。

勵磁控制規(guī)律（8）有以下特點：第一，其中僅含有受控發(fā)電機可測的狀態(tài)變量，所以實現(xiàn)了真正的分散控制；第二，僅含有受控機組本身的參數(shù)等，故對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化有完全的自適應能力（魯棒性）；第三，由于在求解該控制律中，未對模型作近似線性處理，該控制規(guī)律對“小干擾”和“大干擾”同樣適用；第四，文獻[6]業(yè)己證明，該控制規(guī)律對一類二次型性能指標是最優(yōu)的。

應指出（8）式所示的是發(fā)電機全狀態(tài)量非線性最優(yōu)反饋策略，這種策略對電力系統(tǒng)起著鎮(zhèn)定（Stabilizing）作用（無論對于小干擾還是大干擾）。從這個意義上可以說它是：全狀態(tài)量非線性最優(yōu)PSS（PowerSystemStabilizer）。

5.2．裝置的先進性

由我國自主開發(fā)的高科技產(chǎn)品GEC-I型微機非線性勵磁調(diào)節(jié)裝置是在先進理論指導下

設計的并采用現(xiàn)代微機技術(shù)，集先進性與可靠性于一身，專為大、中型發(fā)電機組設計的勵磁調(diào)節(jié)裝置。

通過近十個電廠中的運行，顯示出該裝置除采用了先進的勵磁控制理論外，還有諸多的特點：

(1)實現(xiàn)了全數(shù)字化設計。該勵磁調(diào)節(jié)裝置從交流輸入到控制脈沖全部實現(xiàn)了數(shù)字化，完成了交流采樣、數(shù)控脈沖等一系列先進的微機技術(shù)，取消了模擬環(huán)節(jié)和電位器調(diào)整環(huán)節(jié)，在硬件結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了最小系統(tǒng)配置，提高了裝置的可靠性和調(diào)節(jié)精度。

(2)實現(xiàn)了國際標準化的軟件設計。該勵磁調(diào)節(jié)裝置在實現(xiàn)了最小系統(tǒng)配置的條件下，保護與調(diào)節(jié)功能均采用軟件設計得以實現(xiàn)，如TV（電壓互感器）斷線保護、強勵反時限保護、低勵限制保護、V/F限制保護，以及功能齊全的調(diào)節(jié)方式，如非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)方式，線性最優(yōu)調(diào)節(jié)方式，PSS方式以及PID調(diào)節(jié)方式，恒無功和恒功率因素方式也在考慮之列。

(3)實現(xiàn)了設備調(diào)試智能化。該裝置具有方便直觀的人機接口；運行中不僅能直觀地了解裝置的工作狀態(tài)和發(fā)電機的運行狀態(tài)，而且一切調(diào)試均能由計算機系統(tǒng)的功能鍵完成，如零起升壓、土10％階躍響應。調(diào)節(jié)器參數(shù)和保護參數(shù)的整定均能由加有密碼的鍵盤來完成。

（4）實現(xiàn)了系統(tǒng)元件板的故障自診斷功能。整個調(diào)節(jié)裝置在運行過程中，具有完整的故障自診斷系統(tǒng)，一旦故障出現(xiàn)能明確地指出故障板，使之可達到最快修復的目的。

（5）故障信息記錄也是該勵磁調(diào)節(jié)裝置較為突出的優(yōu)點之一。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或操作人員誤操作引起的故障，以及裝置本身故障都可由故障信息記錄系統(tǒng)查明原因，對于分析故障原因起到十分重要的作用。

5．3．非線性勵磁控制對提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的重要作用

同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用早在四五十年代就已引起了充分重視，非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)對提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定方面己發(fā)表了多篇研究論文。從計算機仿真研究、動態(tài)模擬實驗研究、直至現(xiàn)場故障的實際動作行為都證實了非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)的重要作用。在上述研究的基礎上，己完成了華中電網(wǎng)、西北電網(wǎng)、新疆電網(wǎng)、浙江電網(wǎng)的仿真研究，華北電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)以及西南電網(wǎng)仿真工作正在進行中。仿真研究是基于電科院電力系統(tǒng)分析綜合程度（PASSP）進行的，幾個系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下。

5.3.1對提高西北電網(wǎng)穩(wěn)定性的仿真研究

西北電網(wǎng)包括陜西、甘肅、青海、寧夏四省。截止1996年底全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)容量1300萬kW。西北電網(wǎng)主網(wǎng)架為330kV電壓等級。主網(wǎng)聯(lián)接是一個環(huán)形網(wǎng)，其環(huán)網(wǎng)總長度近2000km，而東西部之間的輸電距離為500km.，位于北部的寧夏網(wǎng)是通過雙回線以三角環(huán)網(wǎng)的形式與主網(wǎng)聯(lián)絡，西北電網(wǎng)的接線示意圖參閱文獻［7］。

就運行的穩(wěn)定性而言，目前西北電網(wǎng)存在以下主要問題：

（1）西電東送方式存在弱阻尼現(xiàn)象，動穩(wěn)極限僅為80萬kW，無法滿足功率交換的要求；

（2）東電西送時存在暫態(tài)穩(wěn)定問題。暫穩(wěn)極限僅為73萬kW；

（3）區(qū)域網(wǎng)的局部穩(wěn)定問題也較突出，特別是寧夏網(wǎng)、陜南網(wǎng)和漢中網(wǎng)都存在電壓穩(wěn)定性問題亟待解決。

通過對西北電網(wǎng)詳細的仿真研究，可得出以下結(jié)論：西北電網(wǎng)在安康、渭河、碧江、清遠、龍羊峽、大壩、大武口7個電廠中裝設非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)器，西電東送的動態(tài)穩(wěn)定極限可由原80萬kW提高到100萬kW。東電西送的暫態(tài)穩(wěn)定極限由73萬kW提高到80萬kW，對區(qū)域網(wǎng)中的各局域網(wǎng)的穩(wěn)定水平和電壓水平也有顯著的改善。典型的仿真結(jié)果參閱文獻［7］。

5.3.2R4華中電網(wǎng)穩(wěn)定性改善的仿真研究

在華中電網(wǎng)中，由于湖北電網(wǎng)與江西電網(wǎng)之間的弱聯(lián)系，當500kV葛鳳線發(fā)生三相短路后，葛洲壩大江機組對南昌機組的功角搖擺出現(xiàn)等幅（甚至增幅）的低頻振蕩，鄂東下陸至江西柘林線路的有功潮流出現(xiàn)等增幅的低頻振蕩。研究表明，若在葛洲壩電廠、漢川電廠和南昌電廠的機組上裝設非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)器，不僅可有效抑制上述的低頻振蕩問題，而且還可改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，其仿真結(jié)果見圖2所示。

葛洲壩大江機組對南昌機組功角搖擺曲線

虛線為常規(guī)控制實現(xiàn)為NOEC控制

圖2華中電網(wǎng)仿真結(jié)果

從以上幾個系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，發(fā)電機非線性勵磁調(diào)節(jié)器對于同時改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)、定暫態(tài)穩(wěn)定和電莊穩(wěn)定均能起到重要的作用。

5.4．結(jié)論

“一個沒有創(chuàng)新的民族是沒有希望的”。我國政府強調(diào)要特別重視“研制開發(fā)出一批具有我國知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)產(chǎn)品”。本節(jié)所介紹、評述的全數(shù)字化非線性最優(yōu)勵磁調(diào)節(jié)器；從理論到裝置具有完整的我國知識產(chǎn)權(quán)。

本節(jié)所介紹、推薦的控制裝置是在我國的基礎理論研究成果電力系統(tǒng)非線性控制理論指導下設計的。該理論在電力系統(tǒng)小干擾和大于擾穩(wěn)定控制的統(tǒng)一性，控制對于電力網(wǎng)參靈敏和結(jié)構(gòu)改變的魯棒性，各發(fā)電機控制所需反饋量的獨立性以及控制規(guī)律的最優(yōu)性這4個長期希望解決但未能解決的問題方面，取得了突破性進展，在國際一領(lǐng)域起著“挑頭”作用。

裝置實現(xiàn)了從采樣到脈沖輸出的全數(shù)字化和100％的冗余度，并且以國際上最可靠的工控機總線為硬件核心和依托，可靠性高；新改進的產(chǎn)品具有彩色平板顯示器，可顯示和記錄運行狀態(tài)和波形，這一點也比國外同類產(chǎn)品先進。在我國目前已有24套裝置投入運行。

國務院領(lǐng)導同志和三峽總公司的負責同志對三峽發(fā)電機組控制系統(tǒng)和二次系統(tǒng)國產(chǎn)化問題十分重視。鑒于三峽電廠的特殊重要性，我們在為三峽而研制的勵磁控制器中除其硬件核心部分采用國際上最可靠的工控機外（這一點已做到），其它部件，包括開關(guān)、插件、端子等所有零部件也應采用國際上最先進可靠的產(chǎn)品。這樣做與自主知識產(chǎn)權(quán)絲毫也不矛盾。如果我們在硬件上采用國際最先進可靠的產(chǎn)品，在理論和軟件上我國已經(jīng)領(lǐng)先，二者結(jié)合起來，就能使整個產(chǎn)品跨入到國際先進水品行列。

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