兩種新型穩控系統的對比研究

俞秋陽, 王新寶, 畢兆東

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

0 引 言

穩定控制系統是構建電力系統安全穩定第二道防線的主要手段,屬于緊急控制的范疇[1-2]。電網運行方式與預想嚴重故障是輸入信息,穩定控制措施是輸出信息,聯系這兩者的是穩控策略表。因此穩控策略表是穩控系統的核心要素,制定和更新穩控策略表是實現穩控系統的關鍵技術[3-4]。

目前制定穩控策略均采用離線分析方法,即針對多種典型運行方式,分析預想故障發生后的電網穩定性,甄別需要采取穩控措施的電網方式和嚴重故障,并計算控制措施量,通過歸納同一故障在不同方式下的控制量與電網運行方式特征量的關系形成穩控策略表[5-6]。

目前穩控系統中的策略更新,均采用現場升級的方式,將穩控系統停運后,更新可執行程序,并重啟穩控裝置,時間間隔一般以年為單位[7-8]。

對某一穩控系統而言,目標電力系統存在三種運行域。其一,實際出現的運行狀態集合,可視為狀態變量的多維空間,稱之為“在線運行域”;其二,求取穩控策略時所應考慮的運行方式,即滿足電力系統安全穩定導則中N-1原則的所有“可運行域”,可運行域理應包含在線運行域;其三,求取穩控策略時并不能完美地考慮到所有可運行域,實際考慮到的只能稱之為“策略求取域”。

在線運行域通常小于可運行域,最大時等于可運行域。策略求取域通常也小于可運行域,理想狀態下應等于可運行域,并包含了在線運行域。但實際情況是,策略求取域的范圍雖然更接近于可運行域,但并不能完全包含在線運行域,三者的關系如圖1所示。

圖1 三種運行域之間的關系

由這三者的關系,引申出當前面臨的三個問題:

一是精細化問題。在策略求取域內通過歸納法將控制量與特征量的關系總結為某種公式,并確保由該公式演繹出的控制量大于等于實際所需控制量。當策略求取域中的某子區域內,由該公式得出的控制量遠大于實際所需時,則應歸納出新的公式以替換原有公式。策略求取域最終被劃分為數個子區域,在各子區域內控制措施量將由不同的公式來計算。但離線穩控策略通常不會將策略求取域劃分得太細[9-10],因此控制量通常都大于實際所需,存在不夠精細化的問題。

二是適配性問題。當策略求解域與在線運行域完全重合時,離線穩控策略具有最理想的適配性。當策略求解域完全包含在線運行域時,穩控策略也具有適配性。但通常情況下策略求解域與在線運行域并不完全重合,策略求解域無法完全包裹在線運行域。新型電力系統環境下新能源波動性與間歇性加劇了方式變化的頻度與廣度[11-12],在線運行域有擴大的趨勢,策略求解域無法完全包裹在線運行域的概率大為增加,穩控策略的適配性將進一步下降。

三是合理性問題。策略求取域是一個多維連續空間,但目前制定穩控策略時,無法窮舉該空間內的所有運行方式,僅選取幾種典型運行方式來研究和擬合整個策略求取域內的控制量變化規律。這種以點代面的做法使得穩控策略的合理性受到不利影響。

針對上述三個問題,業界一直在探索可行解決方案,智能化與在線化是其中兩個極具前景的方向。以智能化為目標,穩控策略交由穩控系統自己制定,并實現策略自動更新,具有這種特征的穩控系統,本文稱之為智能決策自升級穩控系統。以在線化為目標,策略求解域縮小為電力系統當前運行方式附近的局部空間[13-14],通過穩控策略的不斷更新來適應系統穩定性的動態變化,這是一種以時間換空間的思路,具有這種特征的穩控系統,本文稱之為在線穩控系統。

智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統是穩控系統的兩種發展形態,本文論述其各自的基本架構與典型特征,并進一步闡述兩者之間的區別與聯系。

1 智能決策自升級穩控系統

智能決策自升級穩控系統是用智能化技術來升級當前穩控系統。

首先是替代人工制定穩控策略。當前穩控策略制定,全部依賴人工,工作量極大[15],只采用幾種典型運行方式近似作為策略求解域,與系統可運行域差異較大,導致穩控策略考慮不全面。在此基礎上歸納得出的策略公式,精細度不足,容易發生失配。因此需要利用智能化技術對海量方式進行策略計算和歸納以替代人工制定策略。

其次是替代穩控策略人工編程。當前穩控策略主要依賴人工編程,生成可執行代碼,標準化程度低,產品質量與編程人員的水平密切相關。智能決策自升級穩控系統將自動制定穩控策略后形成標準化電子策略表,發送至穩控裝置,轉化為可執行程序,完成策略更新。

通過上述兩部分替代工作,智能決策自升級穩控系統自動完成策略制定、策略編程和策略更新全過程。穩控系統成為能夠實現不斷自我升級的智能體。

智能決策自升級穩控系統由智能決策主站和穩控系統構成,系統架構如圖2所示。

圖2 智能決策自升級穩控系統結構圖

智能決策主站由當前穩控信息管理系統升級而來[16],其主要功能為:形成策略求解域海量運行方式和預想故障集[17];分析預想故障穩定性計算穩控措施量;歸納形成電子化策略表。穩控系統定期式或觸發式接收主站下發的電子化策略表,轉化為可執行程序,完成策略更新。

智能決策自升級穩控系統的設計思路與傳統穩控系統一脈相承,沿用了分析、歸納和演繹的邏輯順序。其創新在于將分析、歸納部分交由智能化技術來處理,實現了電子化策略表的自動更新。

智能決策自升級穩控系統需實現三種關鍵技術:

(1) 策略求解域自動形成技術。策略求解域由海量運行方式組成,包括了實際運行方式、預想運行方式和規劃運行方式等。

(2) 穩控策略自動形成技術。借助人工智能方法,根據大量的穩定分析與控制措施計算結果,自動歸納出策略表公式。

(3) 穩控策略自動更新技術。按照標準格式形成電子化策略表,將電子化策略表發送至穩控裝置,并轉化為可執行代碼,自動完成程序升級。

以上三個關鍵技術均具有突破性,主站系統依賴關鍵技術1和2,穩控系統依賴關鍵技術3。關鍵技術1和2與現狀跨度較大。關鍵技術3中的電子化策略表目前已部分實現,但目前是自下而上的使用方式,即先有穩控裝置中的可執行程序,后形成電子化策略表上送主站系統。而關鍵技術3中電子化策略表為雙向使用,主站系統生成電子化策略表并發送至穩控系統,穩控系統將電子化策略表轉化為可執行程序,并完成程序自動升級。因此完全實現關鍵技術3還需進一步開展工作。

2 在線穩控系統

在線穩控系統的思路由來已久,迄今已得到應用的在線預決策系統、綜合防御系統、能量管理系統(energy management system, EMS)中的動態安全評估(dynamic security assessment, DSA)模塊都與在線穩控系統有著千絲萬縷的聯系[18-21],是構建在線穩控系統的技術基礎之一。

在線穩控系統根據電網當前運行方式求解預想故障對應的穩控策略,稱之為在線策略。在線策略并不覆蓋上文所述的策略求解域,而僅針對系統當前運行點。因此構建在線穩控系統是一種以快制動、以時間換空間和化繁為簡的思路。

這種思路由來已久,為何被再次提起?新型電力系統以新能源為主體,新能源間歇性、波動性使得電網穩定特性呈現變化幅度大、變化速度快的特征。傳統穩控系統使用策略求解域歸納出的穩控策略的失配風險加劇。而在線策略不依賴于策略求解域,僅針對電網當前方式,通過快速更新來跟蹤和適應穩定特性變化。新型電力系統環境下發展在線穩控系統的必要性突出。

在線穩控系統由在線分析主站和穩控系統構成,其典型的系統架構如圖3所示。

圖3 在線穩控系統結構圖

在線分析主站可由在線預決策系統、綜合防御系統和能量管理中的DSA模塊升級而來,其主要功能為周期式或觸發式對電網當前運行方式進行預想故障穩定分析,尋找有效控制措施,形成電子化策略表,發送至穩控系統。在線分析主站的策略計算周期在技術允許范圍內,盡可能短,目前可縮短至分鐘級[22-23]。除周期觸發外,當電網狀態突變時具備觸發計算功能。

穩控系統接收在線分析主站發來的電子化策略表,下裝至策略定值區,供解釋執行。因在線策略是當前系統運行點所對應的穩控措施,所以穩控系統無需經過查表匹配。這與傳統穩控系統存在較大差異。在線穩控系統需實現以下兩種關鍵技術。

(1) 在線穩控策略自動形成技術。即根據當前系統運行方式,計算出預想故障的在線策略,并形成電子化策略表。目前在線預決策和綜合防御等系統中已能夠求解在線策略,但暫未形成電子化策略表,同時其在線策略的合理性未得到實踐檢驗,需要進一步評估與驗證。

(2) 電子化穩控策略解釋執行技術。在線穩控系統實現穩控策略的方式與現有穩控系統存在較大差異。電子化策略表由在線分析主站發送至穩控系統后,無需轉換成穩控裝置可執行程序,而是由穩控裝置的策略解釋器解釋執行,這種技術將使得穩控裝置無需進行可執行程序的更新,即可完成控制策略更新,適應了在線穩控系統高頻度的策略刷新要求。

在線穩控系統實現的難點在于關鍵技術2,它與目前穩控裝置中的策略實現方式有根本性的差異,需要實現通用穩控策略解釋器。

3 兩者的區別

通過上文對智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統的論述可知,兩者存在較為明顯的區別,主要體現在以下兩方面。

構建思路不同。智能決策自升級穩控系統的構建思路與傳統穩控系統基本一致,重點是用智能化技術實現策略制定、策略更新這兩部分工作,并串聯策略制定、策略編程和策略更新整個流程。在線穩控系統的構建思路與傳統穩控系統存在較大差異,在線策略僅針對電網當前運行方式,通過策略刷新和解釋執行來快速適應電網運行方式的變化。

技術難點不同。智能決策自升級穩控系統的技術難點集中在主站系統,需要利用人工智能技術實現構建求解域、穩定性分析、措施量計算和策略表歸納等一系列工作,技術跨度大。在線穩控系統技術難點集中在穩控裝置,需要改變現有穩控系統的策略更新與執行方式,采用全新的穩控策略解釋器技術。

智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統之間的差異總結如表1所示。

表1 兩種系統的差異表

綜上所述:智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統在構建思路、關鍵技術和實現方法上均存在明顯差異。兩者可視為穩控系統科技樹上兩個不同的發展分支。

4 兩者的聯系

智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統在以下兩方面產生技術上的關聯。

首先,智能決策自升級穩控系統所用的策略求解域可由實際運行方式和自動調整得出的運行方式共兩部分組成。其中實際運行方式,等價于在線運行方式及其歷史記錄,而調整得出的運行方式其中一部分可以以在線方式為基礎,進行拓展和修改后形成新的運行方式,以上工作之間的關系如圖4所示。因此,智能決策主站可以借鑒在線分析主站的相關技術和功能,用以獲取在線運行方式及其歷史記錄。

圖4 策略求解域的形成方法

其次,智能決策自升級穩控系統仍采用現有穩控系統的程序升級方式,僅是程序由電子化策略表自動轉化而來,省去了人工編程步驟,但穩控裝置仍需停運和重啟。而在線穩控系統的策略則能實現不掉電刷新,依靠的是電子化策略解釋執行技術,在技術上更為先進。智能決策自升級穩控系統的策略更新也可借鑒這種方式。

當智能決策自升級穩控系借鑒了在線穩控系統的上述技術后,其架構升級如圖5所示。

圖5 智能決策自升級穩控系統改進結構圖

5 結束語

智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統是穩控系統發展的兩種形態,本文從構建思路、系統結構、典型特征、關鍵技術和實現難度等幾個方面對兩者進行了介紹和對比分析。

智能決策自升級穩控系統的構建思路更接近于現有穩控系統,是對當前穩控實現方式的智能化升級。在線穩控系統另辟蹊徑,利用以快制動的思路來更好適應新型電力系統的發展。

智能決策自升級穩控系統的技術難度在于主站系統,利用人工智能等新技術。在線穩控系統的技術難度在于其穩控裝置部分,需要實現通用型電子化穩控策略解釋器,是全新的穩控策略實現機制,而其在線分析主站則與當前類似系統無本質差異。

綜上所述,智能決策自升級穩控系統與在線穩控系統的區別大于聯系,智能決策自升級穩控系統的總體技術難度要大于在線穩控系統。在線穩控系統的構建思路則更加適應新型電力系統的發展趨勢。綜合考慮以上兩點,筆者認為在線穩控系統是更加值得發展的技術方向。