适应新型电力系统的稳定控制系统构建方法研究

2023-07-17俞秋阳王新宝苏志达毕兆东

智慧电力 2023年6期

关键词：主站电子化控系统

俞秋阳，王新宝，苏志达，毕兆东

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

稳定控制系统以电网运行方式和预想故障作为输入信息，以稳控措施作为输出信息，用于构建电力系统安全稳定的第二道防线，属于紧急控制范畴[1-3]。策略表是稳控系统的核心要素，制定和更新稳控策略表是构建稳控系统的关键技术[4-6]。

目前业界采用离线分析方法制定稳控策略，即通过对典型运行方式预想故障所需稳控措施量的归纳总结形成策略表[7-10]。运维人员每年将稳控系统停运后进行稳控策略现场升级[11]。

对稳控策略而言，电力系统存在3 种运行域：实际出现的在线运行域、求取策略时所考虑的策略求取域、所有可能存在的可运行域。

在线运行域小于等于可运行域，策略求取域通常小于可运行域，理想状态下等于可运行域，并包含在线运行域。通常情况下，策略求取域接近于可运行域，但并不完全包含在线运行域。因为这三者间相互关系的不确定性，使得当前稳控系统在精确性、适配性、合理性这3 个方面面临挑战。

离线稳控策略以多项式函数来表达稳控措施量与系统特征量之间的关系，并确保该函数的计算结果大于等于实际所需控制量。策略求取域划分为几个子区域，由不同的公式来计算策略[12-15]。但策略求取域但不会划分得太细，所以稳控措施量可能远大于实际所需，离线稳控策略不够精确。

策略求解域与在线运行域完全重合时，稳控策略具有最佳适配性。当策略求解域包含在线运行域时，稳控策略也具适配性。但新型电力系统环境下，电网方式变化频度与广度加剧[16-17]，导致策略求解域与在线运行域重叠但不重合，离线稳控策略容易失配。

策略求取域是多维连续空间，制定离线稳控策略时，无法穷举该空间中所有运行点，仅以数十种典型运行方式来代表整个策略求取域。当典型运行方式数目不足时，归纳得出的离线策略表多项式函数，在某些区间无法计算出合理的稳控措施量。

为解决现有稳控系统存在的问题，业界一直在探索可行解决方案，智能化与在线化是其中颇具前景的两个方向[18-21]。从智能化升级的思路出发，本文提出智能决策自升级稳控系统；从在线化转变的思路出发，本文提出在线稳控系统。智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统是稳控系统未来发展的两条路线，本文论述两者的基本架构与典型特征，阐述它们的区别与联系，并进一步给出推荐的技术方案。

1 智能决策自升级稳控系统方案

1.1 设计思路

智能决策自升级稳控系统的设计思路是用智能化技术来升级当前稳控系统。

首先解决人工制定稳控策略的替代问题。当前稳控策略的制定，全部依赖人工，工作量大[22]，且存在隐患。只采用有限个数的典型运行方式近似作为策略求解域，导致稳控策略涵盖的电网运行方式不全面，归纳得出的策略公式精确性不足，与运行方式失配风险大。智能决策自升级稳控系统则采用智能化决策技术替代人工制定策略，涵盖尽可能多的电网运行方式，可有效避免策略失配问题。

其次解决稳控策略人工编程的替代问题。当前稳控系统主要依赖人工编程生成可执行代码，缺乏标准化手段，产品质量与编程人员的水平密切相关。同一策略，不同编程人员的理解和实现方式存在差异。智能决策自升级稳控系统求解得到稳控策略后自动形成标准化电子策略表，发送至稳控装置，由稳控装置自动转化为可执行程序，并完成策略更新。

通过对人工决策和人工编程两部分工作的替代，智能决策自升级稳控系统自动完成策略制定、策略编程、策略更新全过程。稳控系统进化为能够实现不断自我升级的智能体。

1.2 方案架构

智能决策自升级稳控系统由智能决策主站和稳控系统构成，其典型系统架构如图1 所示。

图1 智能决策自升级稳控系统结构图Fig.1 Structure diagram of smart decision-making selfupgrading stability control system

智能决策主站可由当前稳控信息管理系统升级而来[23-25]。其主要功能可描述为：自动形成策略求解域海量运行方式和预想故障集[26]，分析预想故障后电力系统稳定性，计算稳控措施量，归纳与预想故障相对应的稳控策略，形成电子化策略表。

稳控系统则定期式或触发式接收来自主站的电子化策略表，转化为可执行程序，完成策略更新。

1.3 关键技术

智能决策自升级稳控系统设计思路与传统稳控系统一脉相承，沿用了分析、归纳、演绎的逻辑体系。其创新点在于将分析、归纳部分采用智能化技术处理，并在传统稳控系统基础上实现了由电子化策略表到可执行程序的自动转换和自动更新。

智能决策自升级稳控系统包含3 种关键技术：

1）策略求解域自动生成技术。自动形成海量运行方式，包括实际运行方式、规划预想方式等各类运行方式。

2）稳控策略自动生成技术。根据海量的稳定性分析与稳控措施计算结果，自动归纳得出策略表公式，利用人工智能方法，以大批量计算结果为样本，训练出合理有效的策略公式。

3）稳控策略自动更新技术。按照标准格式形成电子化策略表，将电子化策略表发送至稳控装置，转化为可执行代码，自动完成程序升级。

这3 个关键技术均具有突破性，其中主站系统实现关键技术1）和2），稳控系统实现关键技术3）。关键技术1）和2）实现难度较大，关键技术3）中涉及的电子化策略表，目前已初步实现，但目前仅为自下而上的使用方式，即先有稳控系统或装置中的可执行程序，然后形成电子化策略表发送至主站系统。而智能决策自升级稳控系统关键技术3）中的电子化策略表为双向使用，不但有自下而上的通道，还具有自上而下的通道。主站系统生成电子化策略表发送至稳控系统，稳控系统将电子化策略表转化为可执行程序，并完成程序自动升级。因此目前虽然已经有一定技术基础，但完全实现关键技术3）还需进一步开展工作。综上所述，关键技术1）和2）是研发智能决策自升级稳控系统的技术难点。

智能决策自升级稳控系统目前尚无具体工程案例，其中策略求解域自动形成技术和稳控策略自动生成技术在当前稳控信息管理系统中已有雏形，但未应用人工智能技术，与满足智能决策自升级稳控系统的技术需求仍有相当大的差距。

2 在线稳控系统方案

2.1 设计思路

在线稳控系统的思路由来已久，迄今已得到应用的在线预决策系统、综合防御系统、能量管理系统（Energy Management System，EMS）中的动态稳定评估（Dynamic Stability Assessment，DSA）子系统都与在线稳控系统有着千丝万缕的联系[27-28]，是构建在线稳控系统的技术基础之一。

在线稳控系统根据电网当前运行方式求解稳控策略，称之为在线策略。在线策略只针对系统当前运行点，并不覆盖策略求解域。因此在线稳控系统的构建方法与传统稳控系统有很大不同，采用的是一种以快制动、以时间换空间、化繁为简的思路。

这种思路的提出，其根本原因在于我国正在大力建设以新能源为主体的新型电力系统，新能源的间歇性、波动性使得系统稳定性呈现变化幅度大、变化速度快的特征，离线策略失配概率增大。在线策略不依赖于策略求解域，仅针对当前运行方式，通过快速更迭来不断跟踪和适应电网稳定特性变化，因此新型电力系统环境下发展在线稳控系统的必要性再次凸显。

2.2 方案架构

在线稳控系统由在线分析主站和稳控系统构成，其典型系统架构如图2 所示。

图2 在线稳控系统结构图Fig.2 Structure diagram of online stability control system

在线分析主站由在线预决策系统、综合防御系统、能量管理系统中的动态稳定评估模块升级而来，其主要功能为周期式或触发式对电网当前运行方式进行预想故障分析，寻找有效控制措施，形成电子化策略表，发送到稳控系统。在线分析主站的策略计算周期在技术允许范围内，应尽可能短，当前技术水平下，可缩短至分钟级[29-30]。除周期式计算外，当系统运行方式发生突变时具备触发式计算功能。

稳控系统接收在线分析主站发来的电子化策略表，下载至策略定值区，并解释执行。因为在线策略是当前系统运行点所对应的稳控措施，所以稳控系统无需经过查表匹配。这与传统稳控系统存在较大技术差异。

2.3 关键技术

在线稳控系统包含以下2 种关键技术：

1）在线稳控策略自动形成技术。即根据当前系统运行方式，计算出预想故障稳控措施，形成电子化策略表。目前在线预决策、综合防御等系统已经能够求取在线稳控策略，但暂未形成电子化策略表，并且在线策略合理性未得到充分实践检验，需进一步评估与验证。

2）电子化策略表解释执行技术。在线稳控系统实现稳控策略的方式与现有稳控系统存在较大差异。电子化策略表由在线分析主站发送至稳控系统后，并不需要转换为稳控装置可执行程序，而是由稳控装置的策略解释器解释执行，这种技术使得稳控装置无需停运更新可执行程序，即可完成策略更新，适应了在线稳控系统高频度策略刷新需求。

关键技术2）是研发在线稳控系统的技术难点，它与目前稳控装置中的策略实现方式有根本性的差异，更类似于一种通用稳控策略解释器。

在线稳控系统的雏形在福建电网已有工程案例，其与本文所论述的在线稳控系统的差异在于：采用私有格式的电子化策略表，缺乏通用性；采用专用光纤通讯，成本较高，推广应用存在一定困难；未实现电子化策略解释执行技术，仅通过刷新固定格式的策略表定值项来调整稳控策略，这种方式存在较大局限。

3 方案对比

通过对智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统的分析可知，两者存在较为明显的差异，主要体现在以下2 个方面：

1）构建思路不同。智能决策自升级稳控系统的构建思路与传统稳控系统基本一致，重点在于将策略制定、策略更新这两部分工作利用智能化技术实现，并将策略制定、策略编程、策略更新整个流程串联形成智能闭环体系。而在线稳控系统的构建思路与传统稳控系统存在较大差异，在线策略仅针对电力系统当前运行点，通过策略刷新、解释执行来快速跟踪和适应电力系统运行方式的变化。

2）技术难点不同。智能决策自升级稳控系统的技术难点在主站系统，需要利用人工智能新技术实现求解域构建、策略表归纳等一系列工作，技术跨度较大。在线稳控系统的技术难点在稳控装置，需要改变现有稳控系统的策略更新与执行方式，采用全新的稳控策略解释执行技术。

除此以外智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统在很多细节上还存在差异，如表1 所示。

表1 两种系统的差异表Table 1 Differences between two stability control systems

智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统在构建思路、关键技术、实现方法上均存在明显差异。两者可以视作稳控系统科技树上两个不同的分支。

4 方案改进与应用

4.1 方案改进

智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统这两种方案可以相互借鉴，进一步改进。

首先在主站系统层面，智能决策自升级稳控系统依赖的策略求解域可由实际运行方式和自动调整方式共两部分组成。其中实际运行方式，等价于在线运行方式及其历史记录，而自动调整方式其中一部分可以利用在线方式为基础，结合规划、预测、检修等信息后得到新的运行方式，如图3 所示。

图3 策略求解域的形成方法Fig.3 Method of derive strategy solution domain

因此，智能决策主站可以借鉴在线分析主站的部分技术，获取在线运行方式及其历史记录，并以此作为基础，调整出新的运行方式用于策略计算。

其次在稳控装置层面，智能决策自升级稳控系统仍采用现有稳控系统的程序升级的方式，只是可执行程序由电子化策略表自动转换而来，省去了人工编程，但稳控装置仍需停运更新程序后再重启。而在线稳控系统的策略则为解释执行，无需停运重启，在技术上更为先进，智能决策自升级稳控系统的策略更新也可借鉴这种方式来实现。

当智能决策自升级稳控系统和在线稳控系统相互借鉴部分技术后，两种方案的融合架构如图4 示。

图4 两种方案融合架构图Fig.4 Integration architecture for two schemes

4.2 方案应用

改进后的融合方案已在渤中垦利油田群岸电项目中得到初步应用。

该岸电项目包含1 座220 kV 陆地开关站、3 座220 kV 海上变电站、1 座110 kV 海上变电站，由于油田产能波动大、新能源供电比例提升等因素，对稳控系统提出了非常高的要求。为了适应运行方式的快速大幅变化，保障油田电网稳定运行，初步采用了本文提出的新型稳定控制系统融合改进方案，主要包括以下功能模块：（1）电网实时运行状态接口模块，负责从岸电调度系统获取电网实时拓扑结构及运行状态；（2）电网方式管理模块，搜集并存储实际运行方式，并按预先设定的调整原则，自动形成典型运行方式；（3）预想故障管理模块，根据电网运行状态和风险概率，形成和优选预想故障集；（4）控制集管理模块，根据稳控系统结构和电网运行状态，形成可控措施集合；（5）稳控策略决策模块，根据方式集、故障集、控制集相结合的稳定性分析结果，形成标准格式的在线稳控策略；（6）稳控策略更新模块，下发并更新稳控装置中的策略表。

该新型稳控系统已经完成现场调试并投入试运行，实现了稳控策略的智能决策与在线更新，能够快速适应电网方式变化。