試論電力系統(tǒng)災(zāi)變防治策略與分析

柏久海

摘 要：本文主要分析電力系統(tǒng)災(zāi)變的國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究意義，分析了電力系統(tǒng)災(zāi)變的特點、原因和災(zāi)變防治策略。重點分析了用先進(jìn)勵磁控制的線性勵磁控制和非線性勵磁控制，采取理論研究與仿真相結(jié)合的方法來分析了勵磁調(diào)節(jié)器對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用，最后，對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試，調(diào)節(jié)PID勵磁控制器的參數(shù)，實現(xiàn)了在系統(tǒng)擾動和故障情況下能很好地維持發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的重要作用。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；災(zāi)變特點和原因；防治策略；勵磁控制

引題

電力系統(tǒng)災(zāi)變防治是一個重要的系統(tǒng)工程。減少電力系統(tǒng)災(zāi)變發(fā)生的可能性、使電力系統(tǒng)災(zāi)變的范圍盡可能小、持續(xù)的時間盡可能短是一個電力系統(tǒng)災(zāi)變防治的目標(biāo)。電力系統(tǒng)災(zāi)變防治要求電網(wǎng)及其監(jiān)控系統(tǒng)具備對系統(tǒng)危險的預(yù)見性、判斷的準(zhǔn)確性、執(zhí)行的快速性和易恢復(fù)性等特點。

1 當(dāng)前電力系統(tǒng)災(zāi)變的特點及電力系統(tǒng)災(zāi)變的原因

1.1 具有極強(qiáng)的綜合性。

1.2 連鎖性故障是導(dǎo)致電力系統(tǒng)災(zāi)變發(fā)生的主要原因。

1.3 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。

1.4 輸電線路過負(fù)荷或故障跳閘，引起大量負(fù)荷轉(zhuǎn)移，最終造成一系列線路和電源的連鎖反應(yīng)跳閘。

1.5 負(fù)荷增長過快，系統(tǒng)無功不足而導(dǎo)致電壓崩潰。

1.6 系統(tǒng)元件的保護(hù)或自動裝置拒動或誤動。

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

1.8 大機(jī)組跳閘，引起連鎖反應(yīng)，最終發(fā)展成穩(wěn)定破壞事故。

1.9 不可抗拒的自然災(zāi)害或人為因素（如地震、戰(zhàn)爭等）。

2 電力系統(tǒng)災(zāi)變防治策略

電力系統(tǒng)災(zāi)變防治研究是一項復(fù)雜的綜合性工作，電力系統(tǒng)災(zāi)變防治研究需要及時引入各種新理論，推動研究層次的不斷提高。當(dāng)前應(yīng)用的研究方法有以下三種。

2.1 基于模型的研究方法

這種方法雖然具有很多優(yōu)點，但實施起來是比較困難的。因為精確的模型往往不易得到（即便能夠得到也常會使問題在規(guī)模和算法上復(fù)雜化，滿足不了電力系統(tǒng)災(zāi)變防治在線實時性的要求）；而且，隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式和運(yùn)行點的改變，同一系統(tǒng)的參數(shù)也會發(fā)生變化；此外，電力系統(tǒng)中還含有大量未建模的動態(tài)部分。

2.2 準(zhǔn)確方法和智能方法有機(jī)結(jié)合起來開展研究

綜合智能控制技術(shù)集多種智能方法和現(xiàn)代控制方法于一體，對解決復(fù)雜電力系統(tǒng)的控制問題具有一定的潛力；協(xié)調(diào)控制是解決電力系統(tǒng)中許多目標(biāo)沖突問題（如執(zhí)行的快速性要求與判定的準(zhǔn)確性要求）的一個重要手段，致力于多智能體協(xié)作及控制研究的多智能體技術(shù)亦有望在此方面帶來一些好的收效。

2.3 采取理論研究與仿真相結(jié)合的方法

仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與仿真軟件的優(yōu)劣、建模過程的正確性和有效性等因素有關(guān)。怎樣進(jìn)行高度可視化的實時仿真技術(shù)研究并確保仿真結(jié)果可信，是理論研究與仿真研究有效結(jié)合的關(guān)鍵。

3 電力系統(tǒng)勵磁控制技術(shù)

經(jīng)過多年努力，當(dāng)前供電企業(yè)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(yùn)于十多臺機(jī)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(jì)和社會效益。目前，國家實驗室在東北電力集團(tuán)公司支持下，研制了雙工控機(jī)，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，目前已投入白山水電廠30萬kW機(jī)組運(yùn)行。

3.1 PID控制

許多年來，在工業(yè)自動控制領(lǐng)域中，按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。在20世紀(jì)40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。隨著科技術(shù)的發(fā)展特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的控制方式，然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它原理簡單，使用方便，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)過程中仍得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 PID控制器在各校正環(huán)節(jié)的作用如下

（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小誤差。當(dāng)輸入偏差e=O時，控制作用也為0，因此比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。

（2）積分環(huán)節(jié)：通過對誤差記憶，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無靜差度。但是它存在滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)霉，Z越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，向系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，減小超調(diào)量，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其不利之處是微分作用對擾動敏感，使系統(tǒng)抑制干擾能力減弱。PID控制要取得較好的控制效果，就必須通過調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制約的關(guān)系，這種關(guān)系不一定是簡單的“線性組合”，從變化無窮的非線性組合中可以找出最佳的。

3.3 勵磁系統(tǒng)的組成

同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個部分構(gòu)成。勵磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵磁電流；勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁自動控制系統(tǒng)是由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個反饋系統(tǒng)。

3.4 勵磁系統(tǒng)的性能要求

為了充分發(fā)揮同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的作用，完成其各項任務(wù)，對勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器的性能有包括高度可靠和快速響應(yīng)兩個方面的要求：

（1）同步發(fā)電機(jī)的勵磁及其控制應(yīng)當(dāng)能保證在各種運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性，包括：起勵狀態(tài)，空載狀態(tài)、負(fù)荷狀態(tài)、強(qiáng)勵狀態(tài)、滅磁狀態(tài)等。

（2）正常工作狀態(tài)時，同步發(fā)電機(jī)的電壓控制和無功功率控制應(yīng)當(dāng)?shù)玫胶芎玫捻憫?yīng)，并有足夠的調(diào)節(jié)范圍。

（3）勵磁控制系統(tǒng)應(yīng)能迅速反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。

（4）具有較小的時間常數(shù)，能迅速響應(yīng)輸入信息的變化。

結(jié)束語

綜上所述：電力系統(tǒng)災(zāi)變防治體系災(zāi)變防治策略需要采取理論研究與仿真相結(jié)合的方法來分析了勵磁調(diào)節(jié)器對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用。主要分析了調(diào)節(jié)PID勵磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)來實現(xiàn)發(fā)電機(jī)各種參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它能夠起到保證電壓質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性等作用，因此勵磁控制對整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有決定性的意義。論文在分析發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)并建立了以狀態(tài)方程表示的單機(jī)-無窮大電力系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型。最后，對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試，調(diào)節(jié)PID勵磁控制器的參數(shù)，實現(xiàn)了在系統(tǒng)擾動和故障情況下能很好地維持發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的重要作用。