电力系统控制介绍

1、电力系统控制讲座,周念成,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,1、电力系统控制概述,电力系统运行控制的目标（八字目标） 安全、优质、经济、环保 1）保证电力系统运行的安全 2）保证电能符合质量标准 3）保证电力系统运行的经济性 4）保证符合环境保护的要求,1、电力系统控制概述,现代电力系统2个发展方向 1）电网互联（庞大的跨区域输电、单机容量越来越大、高压直流输电容量比例变大） 2）分布式发电接入及微电网 电力系统中的可控点 1）发电机：调速器（P）、励磁（Q） 2）变压器：档位（变比，调节U） 3）断路器：投切发电机/变压器/

2、线路/负荷/电容器/电抗器等等 4）其他补偿设备：SVC/调相机等,控制的 复杂性,1、电力系统控制概述,三大自动控制系统（3A系统） 1）自动发电控制（AGC） 2）自动电压控制（AVC） 3）自动稳定控制（ASC）,1、电力系统控制概述,自动发电控制（AGC） 利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行（分配）装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。 它是电力系统调度自动化的主要内容之一。,1、电力系统控制概述,自动电压控制（AVC） 指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功电压情况，进行在线优化计算，分层调节控制电网无功电源及变压器分接头，

3、调度自动化主站对接入各节点的无功补偿可控设备实行实时的最优闭环控制，满足全网安全电压约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。 系统电压的全局控制分为三个层次，一级电压控制、二级电压控制、和三级电压控制。,1、电力系统控制概述,自动稳定控制（ASC） 为防止电力系统出现稳定事故而采取的控制措施。 如为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制 切机、切负荷、解列等等,1、电力系统控制概述,电力系统的运行状态,1、电力系统控制概述,正常状态 首要任务是监视不断变化的电力系统运行状态（发电机出力、母线电压、系统频率、线路潮流、系统间交换功率)。 根据日负荷曲线调节运行方式和进行正常的操作控制

4、（如启停发电机、调节发电机出力、调整变压器分接头等），使系统运行参数维持在规定范围内，以满足对负荷正常供电需要。 在正常运行状态时应注意和及早发现电力系统由正常运行状态向警戒状态的转变。,1、电力系统控制概述,警戒状态 (1)系统中可用出力减小。如计划外负荷逐步增长、燃料供应不足、发电机计划外停运以及某地外界条件（如循环水温度升高）的变化等都会使发电机出力减小。 (2)输出能力减少。计划外输电线或变压器断开、负荷的不正常分配以及高温等自然现象都会使输电能力减少。 (3)干扰概率增大。风暴水灾地震等自然灾害,以及社会治安等因素. 因此，在警戒状态时应及时采取预防性控制措施（例如增加和调整发电机出

5、力，调整附和的配置，切换线路等），使系统尽快恢复到正常状态，以免在随后一个不大的干扰或负荷逐渐增大时，有可能使系统进入紧急状态。,1、电力系统控制概述,紧急状态 电力系统紧急状态控制是电力系统在遭受大的干扰或事故（例如短路故障，切除大容量机组等）或出现异常现象后的运行状态。这时，电力系统偏离正常运行方式，电力供需失去平衡，某些保证系统安全性的不等式约束条件遭到破坏（如线路潮流或系统其它元件的负荷超过或低于允许值，直接影响对负荷的正常供电。,1、电力系统控制概述,紧急状态控制 及时正确地采取一系列紧急措施，使系统恢复到警戒状态乃至正常状态。 如果不及时采取措施，或者措施不够有效，就会使系统的运行

6、条件进一步恶化，或者使故障扩大和发展，从而有可能使系统失去稳定而解列成几个子系统 ，并大量切除负荷及发电机组，导致大面积停电和全系统崩溃。 迅速抑制事故及异常现象的发展和扩大，尽量缩小故障延续时间及其对电力系统其它非故障部分的影响，使电力系统能维持和恢复到一个合理的运行水平。 这种紧急状态控制一般氛围 -选择性切除故障阶段 -防止事故扩大阶段,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,2、电力系统频率控制,对于一个大型互联系统，必须实现有功功率和频率的及时调整，使整个系统的发电功率和负荷功率维持平衡，保证系统频率和联络线交换功率维持恒

7、定。 发电总有功功率=（负荷+损耗）的有功功率 当系统频率变化时，整个系统的有功负荷也要随着改变, 这种有功负荷随频率而改变的特性叫做负荷的功率频率特性。,2、电力系统频率控制,电力系统频率和有功功率自动控制系统称为自动发电控制（AGC)，亦称负荷与频率控制（LFC)； 由自动装置和计算机程序对频率和有功功率进行二次调整实现。,控制的 目标,2、电力系统频率控制,AGC的目的：控制系统频率和区域净交换功率。 控制区域（Control Area) 基本含义：整个电力系统是由多个子系统通过联络线连接起来的互联系统，每个子系统及其控制中心构成一个控制区域，每个控制区域的用户负荷由本区域的电源和从其它

8、控制区域交换的电力来满足。 区域控制误差（Area Control Error)： 由于负荷变化和机组出力波动而产生的误差,2、电力系统频率控制,2、电力系统频率控制,2、电力系统频率控制,国内电网AGC实施简介,2、电力系统频率控制,电网AGC不同控制方式时的区域控制目标,2、电力系统频率控制,电网(AGC)运行管理办法 为提高电网AGC运行质量，确保电网频率质量和网间联络线控制水平，参照电力行业标准 DL/T 6571998 “火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程”（测试规程）有关内容，结合各电力集团公司颁发的有关调度规程所制定的AGC 系统调度管理的内容制定。,2、电力系统频率控制,

9、AGC机组的相关试验与技术管理,2、电力系统频率控制,AGC主要功能与性能的测试,2、电力系统频率控制,电力市场条件下AGC的应用管理 电力市场建立后，厂网逐步分离，厂网成为电力市场的买卖双方，运营方式的转变使传统的电网AGC面临一系列问题。 四川省调提出了电力市场条件下AGC技术的改进方法。 安徽省调根据AGC机组性能的差异，贡献的大小，进行了AGC机组调节效能的定量评估与补偿方式的研究。,2、电力系统频率控制,电力市场对AGC投运的选择 按 “电力系统调度自动化设计规程DL5003-01”条件选择 根据最大的可调容量、最大的加减负荷速率，由高到低的顺序依次选择 根据计划上网电量成交电价，由

10、低到高的顺序依次选择 根据备用容量及AGC辅助服务价格，由低到高的顺序依次选择。,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,3、电力系统电压控制,无功功率分布对系统的影响： 1）网损及线损-影响系统的经济性 2）电压-影响系统的安全性,3、电力系统电压控制,电压指标 35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。（如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。） 10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%。 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。 线路末端电压合格率90%

11、配电线路电压允许波动范围为标准电压的7%； 低压线路到户电压允许波动范围为标准电压10%。 功率因数指标： 农村生活和农业线路 cos0.85; 工业、农副业专用线路 cos0.90。,3、电力系统电压控制,电压控制的措施： 改变发电机端电压调压； 改变变压器变比调压； 补偿设备调压。 电压控制的方式： 电压中枢点的逆调压和顺调压。 自动电压控制的必要性： 改善电能质量的要求； 提高电压安全性的要求； 大规模电力系统中，人工调压的方式难以胜任。,3、电力系统电压控制,电压控制的特点 无功电源的设备种类繁多，运行状况和特性差别很大。 系统电压主要受本地区无功平衡情况的制约，具有很强的区域性。 从

12、系统正常运行的角度看，允许电压在相对较大的范围内变化。,3、电力系统电压控制,电压控制的特点 实现全网统一的AVC在结构上要解决以下两个问题 1）是动态性问题，即AVC要在时域上分级，至少要有控制周期内的统筹计划、运行模式发生变化时的局部调整以及实时控制三个环节。 2）是空间上的关联问题，即AVC要在地域上分层，层上分区，这是由电压控制和无功平衡的特点决定的。,3、电力系统电压控制,电压控制的模式 借鉴欧洲一些国家普遍采用的三级电压优化控制模式，一般将AVC分成三级控制，即 一级电压控制(primary voltage control)， 二级电压控制(secondary voltage co

13、ntrol)， 三级电压控制(tertiary voltage control)。,3、电力系统电压控制,三级电压控制,3、电力系统电压控制,一级电压控制 为本地控制（local control），只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机的自动电压调节器（AVR）、有载调压分接头（OLTC）及可投切的电容器组成，控制时间常数一般为几秒钟。在这级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压的快速的和随机的变化。,3、电力系统电压控制,二级电压控制 时间常数约为几十秒钟到分钟级，控制的主要目的是保证中枢母线（Pilot Node）电压等于设定值，如果中枢母线的电压幅值产生偏差，

14、二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定参考值，二级电压控制是一种区域控制（Region Control），只用到本区域内的信息。,3、电力系统电压控制,三级电压控制 是其中的最高层，它以全系统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值，供二级电压控制使用。在三级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统（System-wide）的信息来进行优化计算，一般来说它的时间常数在十几分钟到小时级。,3、电力系统电压控制,一级电压控制-VQC装置,3、电力系统电压控制,二级电压控制-分区原则： (1)枢纽母线(Pilot Bus)电压的典型性：

15、在区域内，枢纽母线是少量最重要的高压母线，它们的电压行为足以代表区域的电压行为 (2)区域可控性：在区域内，有足够的无功容量用于电压控制 (3)区域间的解藕性：区域内的控制受区域外的控制操作影响很小,3、电力系统电压控制,我国地区电网的运行特点,3、电力系统电压控制,电网中安装配置有一级或一级以上变压器有载调节分接头。目前，绝大部分220kV变电所主变的220kV和110kV绕组的有载分接头不具备远方遥调的条件。110V变电所主变的110kV绕组有载分接头中，只有部分具备远方遥调的条件，其余只能就地操作。 电网中110kV变电所的二次侧母线（10kV或6kV），一般均安装有并联电容器。这些并联

16、电容器中，只有部分具备远方遥控的条件，其余只能就地操作。,3、电力系统电压控制,地区二级电压控制采用启发式搜索方法： 最大优化控制范围 设置：具有远方遥控遥调条件的110kV变电所以及供其电源的220kV变电所 控制目标 主要目标：提高各110kV变电所的10kV 考核母线的电压合格率 第二目标：提高各220kV变电所高压侧绕组的功率因数合格率,3、电力系统电压控制,国内AVC发展现状 江苏、河南、湖南、福建、安徽以及山东等省的电力系统都在开展对AVC的研究，一些系统也做了初步的工程实现。 例子：安徽省电网AVC系统 安徽电网按地理位置分为七个控制区。 枢纽母线取区域内重要厂站的高压母线。 电

17、压上下限的确定满足在此电压范围内，区域内所有厂站的母线电压都在合格范围内。,主要内容,1、电力系统控制概述 2、电力系统频率控制 3、电力系统电压控制 4、电力系统安全稳定控制,4、电力系统安全稳定控制,大停电事故将产生非常大的影响 2003年8月14日北美发生了震惊世界的大停电，随后相继又发生了澳大利亚、伦敦、瑞典、丹麦、意大利大停电，接着在2004年7月12日希腊首都雅典、11月18日西班牙首都马德里市中心发生大停电，2005年1月8日瑞典南部飓风袭击引起的大停电、5月25日上午11时10分莫斯科发生俄罗斯历史上规模最大的停电事故。 “814”大停电历时29小时、损失负荷6180万千瓦,影

18、及5千万人口, 损失达300亿美元；意大利数小时的大面积停电，仅直接经济损失就达数亿欧元；莫斯科大停电直接经济损失至少10亿美元，200万人停水断电，两万人被困在地铁，间接损失无法估计。,为什么 产生？,怎么防止,4、电力系统安全稳定控制,“814”事故的最终调查报告已经公布，事故的直接原因已比较清楚。但更深层次的原因仍值得分析，从中接收教训： （1）电网整体结构不合理：美国电网建设缺乏总体规划，高低压电磁环网运行；区域电网间信息交换较少，调度员无法监视跨区域电力系统系统全貌。 （2）继电保护定值不协调：美国继电保护距离三段定值不能区分线路短时过负荷，定值缺乏统一协调；保护装置的振荡闭锁功能不

19、完善，当线路出现严重过载或系统发生振荡时会误跳闸，引发连锁反应。 （3）安稳控制装置的配置不完善：如过负荷控制、失步解列、低频低压解列、低压切负荷等配置不足或根本就没有，不能及时有效制止电网事故的扩大。,4、电力系统安全稳定控制,（4）调度过分依靠计算机系统，一旦计算机系统异常，造成信息不全、不可靠，电网调度就无所作为，陷于瘫痪状态。 （5）电网运行追求高经济效益，送电接近输送极限，安全稳定裕度很小。一旦线路跳闸引起潮流转移时，就往往引起线路的严重过载，再加上述原因，就容易发生一系列连锁反应，事故扩大。 (6) 按北美电力可靠性委员会（NERC）标准，“事故时互联电网不要解列，以获得相互支援”

20、，致使电网各参与者在本次事故中未采取任何主动解列操作措施。对这项标准值得重新反思。,4、电力系统安全稳定控制,我国电力系统迅猛发展，实行“西电东送、南北互济、大区联网”的战略方针。但由于电网的建设滞后于电源的建设，输电能力不足的问题日益突出，加剧了电网与电源发展不协调的矛盾，存在国外电网类似问题，甚至更加严峻： （1）我国大区电网之间采用弱联网，某些电网存在结构上的不合理；电网的枢纽点及负荷中心电压支撑不足；一些电网的500kV与220kV高低压电磁环网仍在运行；电网负荷越来越重，大城市空调负荷比重已占高峰负荷30%40%，高峰备用严重不足（尤其无功更不足）。 （2）某些电网的规划设计中过于依

21、赖二次系统，一些工程把稳控装置作为正常方式送电的基本措施。,4、电力系统安全稳定控制,（3）近年来高压微机保护装置动作可靠性有了显著提高，但还存在一些问题，例如，保护级差时间过长、保护的距离三段定值的配合问题（有的躲不过严重过载）、某些进口保护振荡闭锁不完善等。 （4）不少电网尚未按导则要求建立起三道防线的防御体系，例如，只考虑N-1事故，没有N-2、N-3时的对策；高低压环网运行，高压电网解开时低压电网措施准备不足；不少电网没有设置合适的解列点，甚至没有配备解列装置；防止电压崩溃的基本措施低电压切负荷装置没有配或没有投或不知如何整定；低频、低压减载的容量没有随电网负荷的增长相应增加 （5）安

22、全自动装置的管理体制不够健全，现场误操作引起自动装置的误切机、切负荷事故多次发生;尚未形成全国统一的安全稳定控制装置的技术条件、运行与检验标准，稳控装置误动作的事件仍有发生。 （6）电网安全自动装置培训工作有待加强。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统安全性 是指电力系统在运行中承受故障扰动的能力，通过两个特征表征 （1）电力系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行工况，不发生稳定破坏、系统崩溃或连锁反应； （2）在新的运行工况下，各种运行条件得到满足，设备不过负荷、母线电压、系统频率在允许范围内。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统稳定性 电力系统稳定性问题就是当系统在某一

23、正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题。如果能，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的。不能，则系统是不稳定的。 包括功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性。 根据功角失稳的原因和发展过程，功角稳定可分为如下三类： 静态稳定（小干扰） 暂态稳定（大干扰） 动态稳定（长过程）,静态稳定(Static Stability),定义：指电力系统在某一正常运行状态下受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到原始运行状态的能力。如果能，则认为系统在该正常运行状态下是静态稳定的。不能，则系统是静态失稳的。,特点：静态稳定研究的是电力系统

24、在某一运行状态下受到微小干扰时的稳定性问题。系统是否能够维持静态稳定主要与系统在扰动发生前的原始运行状态有关，而与小干扰的大小、类型和地点无关。,暂态稳定 (Transient Stability),定义：指电力系统在某一正常运行状态下受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来的稳态运行状态的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。如果能，则认为系统在该正常运行状态下该扰动下是暂态稳定的。不能，则系统是暂态失稳的。,特点：研究的是电力系统在某一运行状态下受到较大干扰时的稳定性问题。系统的暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行状态有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间均有关。,动态

25、稳定 (Dynamic Stability),定义：指电力系统在某一正常运行状态下受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程运行稳定性的能力。如果能，则认为系统在该正常运行状态下是动态稳定的。不能，则系统是动态失稳的。 特点：动态稳定的过程较长，参与动作的元件和控制系统更多、更复杂。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统稳定控制 （1）按电网运行状态稳定控制分为：预防性控制、紧急控制、失步控制、解列后控制及恢复性控制； （2）按控制范围划分：局部稳定控制、区域电网稳定控制、大区互联电网稳定控制； （3）按稳定类型分为： 暂态稳定控制； 动态稳定控制； 频率紧急控制； 电压紧急

26、控制； 失步控制（解列）；设备过负荷控制（热稳定）,4、电力系统安全稳定控制,局部稳定控制与区域稳定控制 局部稳定控制：单独安装在12个厂站，解决的是本厂站母线、主变或出线故障时出现的稳定问题。 区域电网稳定控制：为解决一个区域电网内的稳定问题而安装在多个厂站的稳定控制装置，经通道和通信接口联系在一起，组成稳定控制系统，站间相互交换运行信息，传送控制命令，可在较大范围内实施稳定控制。区域稳定控制系统一般设有一个主站、多个子站和执行站，主站一般设在枢纽变电所或处于枢纽位置的发电厂。主站负责汇总各站的运行工况信息，识别区域电网的运行方式，并将有关运行方式信息传送到各个子站。 大区互联电网稳定控制：

27、按分层分区原则，互联电网稳定控制主要解决与联络线有关的紧急控制，必要时需交换相关区域电网内的某些重要信息。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统安全稳定导则规定我国电力系统承受大扰动能力的标准分为三级： 第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电出现概率较高的单一故障； 第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷出现概率较低的单一严重故障; 第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃，并尽量减少负荷损失出现概率很低的多重性严重事故。,4、电力系统安全稳定控制,为满足三级标准的要求，首先应规划、建设一个结构合理的电网，好的网架是电力系统运行的基础，同时在我国多年来已经形成了“三道防线”

28、的概念，电网的建设应按三道防线进行规划和配置，电网安全运行应按三道防线调度管理。,4、电力系统安全稳定控制,针对电网可能遇到的扰动设置三道防线 ： 第一道防线：快速可靠的继电保护快速切除故障元件，确保电网发生常见的单一故障时稳定运行和正常供电； 第二道防线：采用稳定控制装置及切机、切负荷等稳定控制措施，确保电网在发生概率较低的严重故障时能继续保持稳定运行； 第三道防线：设置失步解列、频率及电压紧急控制装置，当电网遇到多重严重事故而稳定破坏时，依靠这些装置防止事故扩大、防止出现大面积停电。,4、电力系统安全稳定控制,4、电力系统安全稳定控制,4、电力系统安全稳定控制,为保证电力系统承受第II类大

29、扰动时的安全稳定要求，应采取紧急控制措施，防止系统稳定破坏和参数严重越限，实现电网的第二道防线。 常用的紧急控制措施有切除发电机（简称切机）、集中切负荷（简称切负荷）、互联系统解列（联络线）、 HVDC功率紧急调制、可控串联补偿等，其他措施（如快关汽门、电气制动等）目前应用很少。 解决功角稳定控制的装置其动作速度要求很快（50ms内），解决设备热稳定的过负荷控制装置的动作速度要求较慢（数秒数十秒）,4、电力系统安全稳定控制,为保证电力系统承受第III类大扰动时的安全要求，应配备防止事故扩大避免系统崩溃的紧急控制，如系统失步解列(或有条件时实现再同步）、频率和电压紧急控制等，同时应避免线路和机组

30、保护在系统振荡时误动作，防止线路及机组的连锁跳闸，以实现保证电力系统安全稳定的第三道防线。 失步解列装置按设定的振荡周期次数动作，500kV失步解列装置一般12个振荡周期动作；解决电压稳定与频率稳定的紧急控制装置的动作延时为0.10.5s（一般整定延时为0.2s）。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统由于受到严重扰动引起部分停电或事故扩大引起大范围停电时，为使系统恢复正常运行和供电，各区域系统应配备必要的全停后的黑启动 (black start)措施，并采取必要的恢复控制（包括自动控制和人工控制 ）。 自动恢复控制包括电源自动快速启动和并列，输电线路自动重新带电，系统被解列部分自动恢复并列运行

31、，以及用户恢复供电等。,4、电力系统安全稳定控制,电力系统在线安全分析 电力系统在线动态安全评估主要是对当前运行的电网在发生各种预想事故时系统的暂态稳定性、事故后的过载能力、频率与电压的稳定性等方面进行分析，并希望能给出电力系统的稳定运行极限或安全稳定裕度，而且在发现裕度不足时能够给出提高稳定裕度的调整、控制措施，因此在线安全评估是调度员了解当前电网安全运行状态和进行预防性控制的重要依据。,4、电力系统安全稳定控制,频率紧急控制 电力系统发生突然的有功功率变化时，系统的频率将要发生变化，当功率缺额时频率下降，功率过剩时频率上升。当功率变化较大时若不及时采取措施，频率将超越正常范围，甚至引起系统

32、频率崩溃。 频率紧急控制的措施：频率下降时，基本措施是自动低频减负荷（低频减载）；频率上升时，基本措施是过频自动切机（高周切机）；联络线低频解列。 频率紧急控制的判据：按频率值、频率变化率及动作延时综合进行判断，但必须防止暂态过程中频率测量的不正确及系统内负荷反馈等问题引起的装置误动作。（低频减载、过频切机） 当系统功率缺额过大（例如缺额达20）时，应装设联络线跳闸或大机组跳闸时联切负荷（或联切蓄能电厂的抽水机组），可有效制止频率的大幅度降低。,4、电力系统安全稳定控制,电压稳定及低电压紧急控制 电压稳定性是指系统维持电压的能力,电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力，并且功率和电压都是能控的。当发生扰动