两种新型稳控系统的对比研究

2024-02-22俞秋阳王新宝毕兆东

电气自动化 2024年1期

俞秋阳, 王新宝, 毕兆东

(南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京 211102)

0 引言

稳定控制系统是构建电力系统安全稳定第二道防线的主要手段,属于紧急控制的范畴[1-2]。电网运行方式与预想严重故障是输入信息,稳定控制措施是输出信息,联系这两者的是稳控策略表。因此稳控策略表是稳控系统的核心要素,制定和更新稳控策略表是实现稳控系统的关键技术[3-4]。

目前制定稳控策略均采用离线分析方法,即针对多种典型运行方式,分析预想故障发生后的电网稳定性,甄别需要采取稳控措施的电网方式和严重故障,并计算控制措施量,通过归纳同一故障在不同方式下的控制量与电网运行方式特征量的关系形成稳控策略表[5-6]。

目前稳控系统中的策略更新,均采用现场升级的方式,将稳控系统停运后,更新可执行程序,并重启稳控装置,时间间隔一般以年为单位[7-8]。

对某一稳控系统而言,目标电力系统存在三种运行域。其一,实际出现的运行状态集合,可视为状态变量的多维空间,称之为“在线运行域”;其二,求取稳控策略时所应考虑的运行方式,即满足电力系统安全稳定导则中N-1原则的所有“可运行域”,可运行域理应包含在线运行域;其三,求取稳控策略时并不能完美地考虑到所有可运行域,实际考虑到的只能称之为“策略求取域”。

在线运行域通常小于可运行域,最大时等于可运行域。策略求取域通常也小于可运行域,理想状态下应等于可运行域,并包含了在线运行域。但实际情况是,策略求取域的范围虽然更接近于可运行域,但并不能完全包含在线运行域,三者的关系如图1所示。

图1 三种运行域之间的关系

由这三者的关系,引申出当前面临的三个问题:

一是精细化问题。在策略求取域内通过归纳法将控制量与特征量的关系总结为某种公式,并确保由该公式演绎出的控制量大于等于实际所需控制量。当策略求取域中的某子区域内,由该公式得出的控制量远大于实际所需时,则应归纳出新的公式以替换原有公式。策略求取域最终被划分为数个子区域,在各子区域内控制措施量将由不同的公式来计算。但离线稳控策略通常不会将策略求取域划分得太细[9-10],因此控制量通常都大于实际所需,存在不够精细化的问题。

二是适配性问题。当策略求解域与在线运行域完全重合时,离线稳控策略具有最理想的适配性。当策略求解域完全包含在线运行域时,稳控策略也具有适配性。但通常情况下策略求解域与在线运行域并不完全重合,策略求解域无法完全包裹在线运行域。新型电力系统环境下新能源波动性与间歇性加剧了方式变化的频度与广度[11-12],在线运行域有扩大的趋势,策略求解域无法完全包裹在线运行域的概率大为增加,稳控策略的适配性将进一步下降。

三是合理性问题。策略求取域是一个多维连续空间,但目前制定稳控策略时,无法穷举该空间内的所有运行方式,仅选取几种典型运行方式来研究和拟合整个策略求取域内的控制量变化规律。这种以点代面的做法使得稳控策略的合理性受到不利影响。

针对上述三个问题,业界一直在探索可行解决方案,智能化与在线化是其中两个极具前景的方向。以智能化为目标,稳控策略交由稳控系统自己制定,并实现策略自动更新,具有这种特征的稳控系统,本文称之为智能决策自升级稳控系统。以在线化为目标,策略求解域缩小为电力系统当前运行方式附近的局部空间[13-14],通过稳控策略的不断更新来适应系统稳定性的动态变化,这是一种以时间换空间的思路,具有这种特征的稳控系统,本文称之为在线稳控系统。

智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统是稳控系统的两种发展形态,本文论述其各自的基本架构与典型特征,并进一步阐述两者之间的区别与联系。

1 智能决策自升级稳控系统

智能决策自升级稳控系统是用智能化技术来升级当前稳控系统。

首先是替代人工制定稳控策略。当前稳控策略制定,全部依赖人工,工作量极大[15],只采用几种典型运行方式近似作为策略求解域,与系统可运行域差异较大,导致稳控策略考虑不全面。在此基础上归纳得出的策略公式,精细度不足,容易发生失配。因此需要利用智能化技术对海量方式进行策略计算和归纳以替代人工制定策略。

其次是替代稳控策略人工编程。当前稳控策略主要依赖人工编程,生成可执行代码,标准化程度低,产品质量与编程人员的水平密切相关。智能决策自升级稳控系统将自动制定稳控策略后形成标准化电子策略表,发送至稳控装置,转化为可执行程序,完成策略更新。

通过上述两部分替代工作,智能决策自升级稳控系统自动完成策略制定、策略编程和策略更新全过程。稳控系统成为能够实现不断自我升级的智能体。

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,系统架构如图2所示。

图2 智能决策自升级稳控系统结构图

智能决策主站由当前稳控信息管理系统升级而来[16],其主要功能为:形成策略求解域海量运行方式和预想故障集[17];分析预想故障稳定性计算稳控措施量;归纳形成电子化策略表。稳控系统定期式或触发式接收主站下发的电子化策略表,转化为可执行程序,完成策略更新。

智能决策自升级稳控系统的设计思路与传统稳控系统一脉相承,沿用了分析、归纳和演绎的逻辑顺序。其创新在于将分析、归纳部分交由智能化技术来处理,实现了电子化策略表的自动更新。

智能决策自升级稳控系统需实现三种关键技术:

(1) 策略求解域自动形成技术。策略求解域由海量运行方式组成,包括了实际运行方式、预想运行方式和规划运行方式等。

(2) 稳控策略自动形成技术。借助人工智能方法,根据大量的稳定分析与控制措施计算结果,自动归纳出策略表公式。

(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,并转化为可执行代码,自动完成程序升级。

以上三个关键技术均具有突破性,主站系统依赖关键技术1和2,稳控系统依赖关键技术3。关键技术1和2与现状跨度较大。关键技术3中的电子化策略表目前已部分实现,但目前是自下而上的使用方式,即先有稳控装置中的可执行程序,后形成电子化策略表上送主站系统。而关键技术3中电子化策略表为双向使用,主站系统生成电子化策略表并发送至稳控系统,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。因此完全实现关键技术3还需进一步开展工作。

2 在线稳控系统

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)中的动态安全评估(dynamic security assessment, DSA)模块都与在线稳控系统有着千丝万缕的联系[18-21],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预想故障对应的稳控策略,称之为在线策略。在线策略并不覆盖上文所述的策略求解域,而仅针对系统当前运行点。因此构建在线稳控系统是一种以快制动、以时间换空间和化繁为简的思路。

这种思路由来已久,为何被再次提起?新型电力系统以新能源为主体,新能源间歇性、波动性使得电网稳定特性呈现变化幅度大、变化速度快的特征。传统稳控系统使用策略求解域归纳出的稳控策略的失配风险加剧。而在线策略不依赖于策略求解域,仅针对电网当前方式,通过快速更新来跟踪和适应稳定特性变化。新型电力系统环境下发展在线稳控系统的必要性突出。

在线稳控系统由在线分析主站和稳控系统构成,其典型的系统架构如图3所示。

图3 在线稳控系统结构图

在线分析主站可由在线预决策系统、综合防御系统和能量管理中的DSA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稳定分析,寻找有效控制措施,形成电子化策略表,发送至稳控系统。在线分析主站的策略计算周期在技术允许范围内,尽可能短,目前可缩短至分钟级[22-23]。除周期触发外,当电网状态突变时具备触发计算功能。

稳控系统接收在线分析主站发来的电子化策略表,下装至策略定值区,供解释执行。因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差异。在线稳控系统需实现以下两种关键技术。

(1) 在线稳控策略自动形成技术。即根据当前系统运行方式,计算出预想故障的在线策略,并形成电子化策略表。目前在线预决策和综合防御等系统中已能够求解在线策略,但暂未形成电子化策略表,同时其在线策略的合理性未得到实践检验,需要进一步评估与验证。

(2) 电子化稳控策略解释执行技术。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,无需转换成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,这种技术将使得稳控装置无需进行可执行程序的更新,即可完成控制策略更新,适应了在线稳控系统高频度的策略刷新要求。

在线稳控系统实现的难点在于关键技术2,它与目前稳控装置中的策略实现方式有根本性的差异,需要实现通用稳控策略解释器。

3 两者的区别

通过上文对智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统的论述可知,两者存在较为明显的区别,主要体现在以下两方面。

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,重点是用智能化技术实现策略制定、策略更新这两部分工作,并串联策略制定、策略编程和策略更新整个流程。在线稳控系统的构建思路与传统稳控系统存在较大差异,在线策略仅针对电网当前运行方式,通过策略刷新和解释执行来快速适应电网运行方式的变化。

技术难点不同。智能决策自升级稳控系统的技术难点集中在主站系统,需要利用人工智能技术实现构建求解域、稳定性分析、措施量计算和策略表归纳等一系列工作,技术跨度大。在线稳控系统技术难点集中在稳控装置,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器技术。

智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统之间的差异总结如表1所示。

表1 两种系统的差异表

综上所述:智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统在构建思路、关键技术和实现方法上均存在明显差异。两者可视为稳控系统科技树上两个不同的发展分支。

4 两者的联系

智能决策自升级稳控系统与在线稳控系统在以下两方面产生技术上的关联。

首先,智能决策自升级稳控系统所用的策略求解域可由实际运行方式和自动调整得出的运行方式共两部分组成。其中实际运行方式,等价于在线运行方式及其历史记录,而调整得出的运行方式其中一部分可以以在线方式为基础,进行拓展和修改后形成新的运行方式,以上工作之间的关系如图4所示。因此,智能决策主站可以借鉴在线分析主站的相关技术和功能,用以获取在线运行方式及其历史记录。