基于逻辑运算的新能源电网安稳控制策略研究

唐建兴,翟 勇,刘明顺,马覃峰,赵维兴,姚 瑶,3

（1.贵州电网有限责任公司 电力调度控制中心，贵州 贵阳 550000；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；3.贵州大学，贵州 贵阳 550025）

0 引言

为达到我国2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的目标，大规模新能源发电并网逐步成为未来电网向着清洁、低碳的新型电力系统发展的重要途径之一[1]，[2]。大规模新能源发电并网后，将改变原有电网的网架结构。可再生能源的出力具有波动性、随机性的特点，该特性对电网的安全稳定运行及控制装置的可靠性产生不利的影响[3]。尤其是在大规模新能源特高压交直流输电线路并网投运后，电网的安全稳定运行控制须要考虑的系统变化影响因素更为复杂[4]，[5]。在实际操作中，电网安全稳定控制策略必须基于大量的计算工作，在明确电网运行方式和保护范围内的电网故障形式后，根据确定的典型检修方式和控制策略，进行更大范围的计算工作，用以确定电网安全稳定控制策略的最终形式[6]。为了提高计算效率，减少工作人员的计算量，有必要对电网安全稳定控制策略进行标准化描述。

目前，针对不同地区新能源电网建设水平及运行状况的差异，各地方新能源电网对于运行过程中安全、稳定运行的需求相差较大，所须考虑的与电网安稳控制有关的影响因素和控制目标的运行状态也更加复杂。文献[7]～[9]分别分析了西藏电网、泰安电网、广东电网在不同安全稳定控制需求下的运行特性及相应的控制策略。通过分析显示，综合考虑多种影响电网安全稳定运行的因素，研究建立标准化的安全稳定控制策略，有利于实现电网运行状态精准的逻辑控制，更有利于满足未来新型电力系统的发展要求[10]。

为建立标准化的电网安全稳定控制策略，提高控制策略计算的效率，一些学者在相关领域进行了研究。文献[11]通过分析新型电力系统安全稳定运行所面临的影响因素和挑战，提出了基于VPP集群参与调控的电网安全稳定控制机制。文献[12]采用自动匹配、动态校验的方法，提出了一种电网安全稳定控制策略的通用化建模方法。文献[13]基于换流阀控系统结构、功能、通讯等方面的分析，实现了柔性直流输电系统的安全稳定运行。文献[14]通过编制更加精准、规范的电网稳控策略表，提出了一种电网稳定控制策略的规范化思路。以上研究或侧重于分析影响电网安全稳定控制的因素，或侧重于采用信息处理技术对电网进行自动安全稳定控制，但对于具体制定标准、规范的电网安全稳定控制策略及其用于控制设备的控制策略表，以提高电网安全稳定控制效率的相关研究相对较少。

本文通过构建新能源电网安稳控制启动判据，提出了考虑控制成本的新能源电网安全稳定优化控制策略，应用逻辑运算法对不同控制策略下的启动条件、触发事件、控制措施进行了描述；根据控制策略逻辑运算式进行计算，形成可用于控制设备的不同运行状态下的新能源电网安全稳定控制策略表。通过实际案例分析，验证了所提方法的有效性和可行性。

1 新能源电网安全稳定状态演化模型

当大规模风电、光伏等波动性新能源电源接入电网时，电网输出功率的波动会使原有电网中燃煤、燃气等发电机组的运行功角、转速和电网运行状态发生改变。如果通过控制设备对当前时刻电网的运行状态进行调整和控制，会使电网运行状态更加复杂，影响整个电网的稳定运行水平。综合考虑上述因素对电网安全稳定运行造成的影响，对处于正常稳定运行时的新能源电网运行状态进行描述，其运行状态方程如式（1）所示。

式中：x（t）为新能源电网发电机功角、转速等状态向量；u（t）为新能源电网安全稳定控制设备控制输入向量；d（t）为新能源电网安稳控制设备运行延滞；ω为过程噪声向量；α为新能源电网状态矩阵；β为电网运行受到新能源出力波动、控制设备转台参数偏差等其他外界扰动因素参数向量；β′为β的加权平均向量。

α和β具体可以表示为

式中：α0，β0为扰动因素参数基准向量；Δα，Δβ为扰动因素参数变化向量。

若某一运行时刻，新能源电源出力发生较大改变或电网发生短时故障时，新能源电网的安全稳定运行状态参数和运行控制设备的控制参数均会发生较大改变。采用马尔科夫理论对此时扰动或故障状态下电网状态参数变化进行描述，可表示为

式中：α（ζ）为故障时电网状态矩阵；β（ζ）为故障时受外界扰动因素影响的扰动因素参数马尔科夫向量；β′（ζ）为β（ζ）的加权平均向量；dmax为最大运行延滞；ε为运行延滞的变化上限；ζ为故障时新能源电网运行状态向量空间取值，用于描述故障过程中电网运行状态变化情况；Px为故障时新能源电网运行状态变化概率；pij为电网运行状态马尔科夫变化概率矩阵元素，用于描述故障状态下电网从t时刻运行状态i变化到t+Δt时刻运行状态j的概率，pij＞0。

2 新能源电网安全稳定运行优化控制模型

2.1 安稳控制启动判据

在新能源电网安稳状态方程所建立的状态演化空间中，电网运行状态参数所处空间位置与其处于安稳运行所允许边界间的距离，即与安稳运行域边界之间的距离，是一个动态变化的参数。通过判断这一距离参数的大小，即可判断新能源电网是否进入须要采取安全稳定控制措施的状态。本文假设新能源电网的安全稳定运行域在任意维度上的投影均为圆形区域，则可定义新能源电网安全稳定半径值：

式中：R为新能源电网安全稳定半径；αi（ζ）为故障中新能源电网运行状态为i时的状态矩阵；ρ(·)为新能源电网状态矩阵的谱半径；｜·｜表示取矩阵所有元素的绝对值；K[αn，i（ζ）]=αn，i×In+In+In。

新能源电网安稳控制的启动条件为

对于式（6）而言，若此时新能源电网运行状态发生改变或电网发生故障，电网状态矩阵参数变化量大于安全稳定半径值，则新能源电网处于不稳定状态。此时，须要采取安全稳定控制措施，对电网中原有的燃煤、燃气等发电机组的运行进行调整，以保证电网能够平稳运行。若电网状态矩阵参数变化量小于安全稳定半径值，则电网始终保持稳定，无须进行运行调整。

2.2 考虑控制成本最优的电网安全稳定优化控制模型

在电网进行运行状态控制时，考虑以控制成本最优为目标，建立如式（7）所示的新能源电网安全稳定优化控制模型。

式中：F为新能源电网安全稳定运行控制成本；C（t）为t时刻的电网安全稳定运行控制单位成本向量。

式（7）中，约束条件第1项为新能源电网发电机功角安全稳定约束，δ为新能源电网发电机功角上限；约束条件第2项为新能源电网输出功率约束，在运行控制过程中须要保证电网功率平衡；约束条件第3项为新能源电网进行安全稳定运行控制时控制设备运行约束。

根据式（7），运行人员计算新能源电网进行安全稳定运行控制的最低成本，选取控制成本最低的发电机组进行运行方式调整，形成相应的新能源电网控制措施。

3 基于逻辑运算的控制策略描述

在新能源电网运行控制过程中，运行人员通过制定控制策略，输出相对应的控制量至电网状态控制设备，对电网进行安全稳定控制。对于电网中的实际电力电子控制设备来说，是按照控制策略表来执行相应的控制操作[10]。为了能够更好地契合电网运行控制过程和降低电网运行控制计算复杂程度，须构建一种可用于控制设备的不同运行状态下新能源电网安全稳定控制策略表[10]。

控制策略表的具体内容分为触发事件、方式描述、运行状态、控制措施4部分，前3部分是新能源电网安全稳定控制的启动条件，最后一部分是动作行为。根据以上所建立的考虑控制成本最优的电网安全稳定优化控制策略，进一步应用逻辑运算方法对其进行划分和描述，形成控制策略逻辑运算式，用于电力电子控制设备进行动作，提高调控效率和新能源电网安全稳定运行水平。

3.1 控制策略描述

制定的新能源电网安全稳定控制优化策略可以用逻辑运算式（8）描述：

式中：xi为某一个电网运行状态；yi为某一个运行方式；νi为某一个触发事件；ui为对应的控制策略。

式（8）通过计算控制策略逻辑运算式fi判断所制定的新能源电网安全稳定控制措施ui是否由控制设备执行动作。

考虑到新能源电网运行状态受较多干扰因素影响，控制策略启动条件的具体内容和形式体现出多样化，因此对式（9）进行更加详细的描述。

(1)电网运行状态描述

电网运行状态主要是通过对新能源电网元件和线路的输送功率、各节点电压等电气量进行分析，判断制定的安全稳定控制策略是否由控制设备执行。因此，式（9）第1项可以具体描述为

式中：ki为电网元件i的电气量值；k1，k2分别为电气量值的上限和下限。

(2)电网运行方式描述

电网运行方式描述主要是指控制设备是否动作的新能源电网拓扑描述，包含电网元件投运状态、接线方式等。以新能源电网单个元件的投运状态进行电网运行方式描述：

(3)触发事件描述

控制策略的触发事件主要是指新能源电网安全稳定控制策略执行所设定的电网元件运行故障。对触发事件进行描述，可以按电网元件运行故障类型关键字和故障元件名称的组合来描述某一具体触发事件：

应该注意的是，某些故障描述本身含有电网运行方式描述的条件，在解析这类故障的时候，应该将隐含的电网运行方式描述条件也解析出来。例如：“元件m和元件n发生N-1三相短路故障”，这条故障描述中隐含了“元件m和元件n都投运”的电网运行方式描述条件。此外，“元件m”和“元件n”的任何一个发生三相短路故障都会满足触发故障的条件。因此，这条控制策略的触发事件描述应该解析为式（13）～（16），并在构建控制逻辑时注意式（13）和式（14）之间是“与”逻辑，式（15）和式（16）之间是“或”逻辑。

(4)控制策略描述

在对电网运行状态、运行方式和控制策略的触发事件进行统一描述后，依据式（8）进行逻辑描述，可对提出的新能源电网安全稳定控制策略做进一步详细、标准的描述。但由于控制策略受到实际新能源电网运行因素的影响，控制策略中的具体控制措施和实际设备控制量复杂多样，使控制策略难以实现统一化。因此，须对新能源电网安全稳定控制策略中不同设备具体控制措施和实际设备控制量进行分析。

①设备控制措施

按照控制设备控制对象的不同，设备具体控制措施可以分为切除发电机、切除负荷、直流闭锁等。按照设备控制顺序不同，设备具体控制措施可以分为直接指定切除元件、按给定的元件优先级切除，按给定的控制顺序优先级切除。

②设备控制量

按照控制约束的不同，设备控制量可以分为控制量和保留量。控制量按照预定的控制设备控制量进行电网安全稳定控制，保留量按照当前量和预定的保留量决定控制量。

新能源电网安全稳定控制策略的实际设备控制量大多数都采用保留量模式计算，即：

式中：Pctl为控制设备实际控制量；Pnow为新能源电网的当前量；Pset为新能源电网的保留量；K为控制设备控制系数。

根据以上分析和新能源电网运行的实际情况，以控制元件序列和控制参数的组合来描述不同运行状态下的控制策略，其表达式为

式中：〈unitset〉为按优先级排序的控制对象序列。

在对新能源电网安全稳定控制策略的电网运行状态、运行方式、触发事件进行描述后，将所有的控制策略运用逻辑运算式描述，各条件以集合表示，构建新能源电网安全稳定控制策略表。如果用X={x1，x2，…，xn}表示电网运行状态的集合，Y={y1，y2，…，yn}表示电网运行方式描述的集合，V={ν1，ν2，…，νn}表示控制策略的触发事件集合，U={u1，u2，…，un}表示控制策略的集合，用F={f1，f2，…，fn}表示控制逻辑的集合，则新能源电网安全稳定控制策略表可以用逻辑运算式（19）进行描述。

3.2 控制策略描述结果验证流程

在构成电网安全稳定控制策略表后，可以根据电网当前状态和预想故障，计算策略表中各控制措施启动条件的表达式，然后计算对应的控制逻辑运算式，即可得到对应电网控制设备当前控制措施。采用仿真模拟验证控制策略的准确性，其流程如图1所示。模拟验证的具体步骤如下。

图1 电网安全稳定控制策略模拟验证流程图Fig.1 Simulation and verification diagram of power grid security and stability control strategy

（1）控制策略的启动条件表达式计算

根据新能源电网的运行状态，计算如式（10）所示的所有电网运行状态条件表达式。根据新能源电网网架结构计算如式（11）所示的所有电网运行方式描述条件表达式。根据故障操作，计算如式（12）所示的所有触发事件条件表达式。

（2）控制策略逻辑运算式计算

根据控制策略的启动条件表达式的结果，计算如式（7）所示的电网进行安全稳定运行控制的最低成本和式（19）所示的所有新能源电网安全稳定控制策略逻辑运算式，得到新能源电网当前须要执行的控制策略。

（3）新能源电网安全稳定控制策略模拟

根据式（7）和式（19）的计算结果计算式（17）或（18）的结果，得到具体的新能源电网元件控制量，形成相应的切机，并在新能源电网仿真中进行模拟验证。

4 仿真分析

以GZ电网某安全稳定控制系统和该电网运行数据为示例，搭建电网安全稳定控制仿真模型（图2）。

图2 电网安全稳定控制系统图Fig.2Diagram ofpowergrid security and stability controlsystem

该系统安全稳定控制策略描述如下：

①在线路5检修方式下，断面1（由线路1/线路2、线路3/线路4和线路5组成）的有功功率在[PCutMin1，PCutMax1]之间、[PCutMin2，PCutMax2]之间时，如果发生线路1和线路2的N-2故障，则启动切机措施。切机量依据断面功率来判断，计算公式分别为K1（PCut1-PCutSet1）、K2（PCut2-PCutSet2）；

②在线路1或线路2检修方式下，当断面1有功功率在[PCutMin3，PCutMax3]之间时，如果发生线路3和线路4的N-2故障，则启动切机措施。切机量依据断面功率来判断，计算公式为K3（PCut3-PCutSet3）；

③在线路3或线路4检修方式下，当断面1有功功率在[PCutMin4，PCutMax4]之间时，如果发生线路1和线路2的N-2故障，则启动切机措施。电网切机量依据断面功率来判断，计算公式为K4（PCut4-PCutSet4）。

该系统的安全稳定控制策略分为启动条件、控制措施和启动条件判断表3个部分，如表1～3所示。

表1 启动条件标准化Table 1 Standardization of trigger conditions

表2 控制措施标准化Table 2 Standardization of controlmeasures

表3 启动条件判断表Table 3 Table of trigger condition judgement

以GZ电网2019年度方式数据（PSD-BPA格式）为例，按照上述方法配置标准化的安全稳定控制策略，使用E数据格式进行存储，并使用C++语言编写安全稳定控制策略生成程序，生成新能源电网安全稳定控制策略。取线路5检修方式，断面1功率在[PCutMin2，PCutMax2]之间，模拟故障采用线路1和线路2的N-2故障。按照切机量计算公式，须要切机两台，根据切机序列，切机机组为机组01和机组02。

使用PSD-BPA暂态稳定程序进行计算，结果如图3～5所示。电网在故障后如果不切机或者切1台机，系统失稳，如果切两台机，则系统保持稳定。

图3 N-2故障线路有功仿真曲线-不切机Fig.3 Simulation curve of line active power in N-2 fault with no generator tripped

图4 N-2故障线路有功仿真曲线-切1台机Fig.4 Simulation curve of line active power in N-2 fault with one generator tripped

图5 N-2故障线路有功仿真曲线-切两台机Fig.5 Simulation curve of line active power in N-2 fault with two generators tripped

利用软件同时记录求解控制策略所耗费的时间，结果如表4所示。从表4中可以看出，与文献[12]方法相比，本文所提方法计算耗时较少，有利于提高控制策略的计算效率。

表4 N-2故障时控制策略计算时间Table 4 Calculation time of control strategy in N-2 fault

仿真结果与新能源电网安全稳定控制策略的目标完全匹配。结果表明，基于逻辑运算的新能源电网安全稳定控制方法便于计算机存储、辨识和处理，能有效为电网仿真计算提供支撑。

5 结论

基于逻辑运算的方法，研究了新能源电网运行状态方程，提出了新能源电网安全稳定控制策略。通过将控制策略解析为启动条件、控制措施和控制逻辑，建立了三者的逻辑运算表达式，提出了一种基于逻辑运算的控制策略的描述方法。通过搭建的仿真模型，对所提出的方法进行了算例验证。

新能源电网安全稳定控制策略表描述了启动条件和控制策略之间的关联关系，可以通过启动条件到控制措施的逻辑运算式描述，形成新能源电网安全稳定控制策略表，有利于提高新能源电网安全稳定控制的效率。

根据当前电网状态和故障类型，利用控制策略中的启动条件的表达式，计算所有的控制逻辑运算式，得到系统当前的电网安全稳定控制策略，实现新能源电网的安全稳定运行。