基于广域测量系统的发电机强励控制方案.pdf

第４１卷第６期２０１３年３月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｌ０１．４１ＮＯ．６Ｍａｒ．１６．２Ｏ１３基于广域测量系统的发电机强励控制方案黄弘扬，徐政，华文，刘异（浙江大学电气工程学院，浙江杭州３１００２７）摘要：基于扩展等面积准则（ＥＥＡＣ），分析了发电机强励控制对电力系统暂态稳定性的影响机理和作用规律，并指出：强励机组、强励控制量、强励启动和退出时刻是发电机强励控制效果的主要影响因素；如果不能选择合适的机组进行强励控制或者未能在恰当的时机启动和退出强励控制，则强励控制将有可能反而不利于系统稳定。在此基础上，提出了一种基于广域测量系统的发电机强励控制方案，以克服传统强励控制方案对上述因素考虑的不足。基于实际南方电网系统的仿真结果表明当通信时延在０．３Ｓ以内时，上述广域强励控制方案可以保持良好的控制性能，有效提升系统的暂态稳定性。关键词：强励；广域测量系统；暂态稳定；扩展等面积准则Ｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｗｉｄｅ－ａｒｅａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍＨＵＡＮＧＨｏｎｇ・ｙａｎｇ，ＸＵＺｈｅｎｇ，ＨＵＡＷｅｎ，ＬＩＵＳｈｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｅｔ：ＴｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔｍｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎＥＥＡＣ．Ｉｔｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｔｏｂｅｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉ￣ｄ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｑｕａｎｔｉｔｙ，ｔｈｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇａｎｄｄｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅｐｌａｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｔｍａｙｅｖｅｎｂｒｉｎｇｎｅｇａｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｏｒｔｈｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇｊｄｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇｔｉｍｅａｌｅｎｏｔｐｒｏｐｅｒｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｇｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｓｈａｖｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｓｅａｆｏｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｎｏｖｅｌｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｉｄｅ－ａｒｅａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｅｒｎＰｏｗｅｒＧｒｉｄｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ—ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｗｉｄｅａｒｅａｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｗｈｅｎｔｈｅｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｄｅｌａｙｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．３Ｓ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）（Ｎｏ．２０１１ＡＡ０５ＡＩ１９）．Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｗｉｄｅａｒｅａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ：￣ａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙ：ＥＥＡＣ中图分类号：ＴＭ７６文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４３４１５（２０１３）０６００４９．０８０引言发电机励磁控制是提高电力系统暂态稳定性的有效措施，长期以来一直备受重视曲Ｊ。常规发电机励磁系统都是以发电机的机端电压为控制目标：当交流系统发生短路故障时，励磁系统只在短路发生到机端电压恢复至额定值期间发挥强励功能，而这段时间通常远小于励磁控制可有效发挥作用的从短路发生到系统首摆或最危险摆次结束的这段时间，因而励磁系统对系统暂态稳定性的改善作用并未得到充分的发挥；当直流系统发生闭锁故障时，基金项目：国家８６３高技术基金项目（２０１１ＡＡ０５Ａ１１９）由于直流换流站内滤波器和并联电容器的容性无功过剩，交流系统电压将略有升高，所以发电机在故障后将先减磁，对系统暂态稳定性更是会产生不利影响。发电机强励控制的基本思想是在系统发生故障后的暂态稳定过程中，强行使发电机在一段特定的时间内一直处于强励状态，从而弥补常规励磁控制方式的上述缺陷，改善故障后励磁系统的暂态响应特性，充分发挥励磁系统对系统暂态稳定性的提升作用。这种强励控制思想最早是由文献［７】提出的，被用于提升严重交流故障后系统的暂态稳定性，并在加拿大安大略省的多个电厂得到实际应用。文献［８］在此基础上对其强励控制策略及方案进行了电力系统保护与控制改进。其后，文献【９］提出了一种基于直流系统闭锁信号启动的强励控制方案，以改善直流系统闭锁故障后系统的暂态稳定性，并将其实际应用于北美大古力电厂。本文基于扩展等面积准￣ＪＪ（ＥＥＡＣ）分析了发电机强励控制对系统暂态稳定性的影响机理和作用规律，并指出强励机组、强励控制量、强励启动和退出时刻是强励控制效果的主要影响因素，如果不能选择合适的机组进行强励控制或者未能在恰当的时机启动和退出强励控制，强励控制将有可能反而不利于系统稳定。为了克服传统强励控制方案对上述因素考虑的不足，进一步提出了一种广域强励控制（Ｗｉｄｅ－ａｒｅａＦｏｒｃｅｄＥｘｃｉｔａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＷＦＥＣ）方案，并分析了通信时延对其实际控制效果的不利影响。最后以实际南方电网系统为例，验证了该控制方案的有效性。１强励控制对系统暂态稳定性的影响１．１基本机理根据ＥＥＡＣ理论，受扰后系统中所有发电机分为两群：临界群ｓ和余下群Ａ，系统最终可被等值为一个时变的单机无穷大系加］。Ｍ６＝ｅｍ一（１）其中：∑，㈤：＋）∑Ｍ，４‘－一Ａ（２）∈Ｉｌｌ＼一，＝，Ｐｍｓ（ａ）＝Ｚ：，‰∑：。＋把）式中，、尸ｍ和Ｐｅ分别为等值系统的广义惯性时间常数、转子角、机械功率和电磁功率。根据功率守恒原理，在忽略网损的条件下，式（２）中。和Ｐｅ还可进一步写成＝尸Ｌ。＋＋。（３）Ｐ朗＝ＰＬ一只一尸ｄ。（４）式中：尸Ｌ。和凡分别为Ｓ群和Ａ群区域内部负荷所消耗的有功功率；为Ｓ群区域由交流线路向Ａ群区域输送的有功功率；。为Ｓ群区域由直流线路向Ａ群区域输送的有功功率。由ＥＥＡＣ理论可知，整个系统的稳定性问题就是ｆｉ（ｔ）的稳定性问题，而系统的暂态稳定裕度可表示为ｒｌ＝（一）ｄ（５）式中：ｏ为故障前初始运行点；ｓ为动态鞍点。在强励控制的作用下，强励机组附近区域电压①将升高，并造成如下三方面影响：由于负荷的电压调节特性，强励机组附近区域的负荷功率将上升，②即ＰＬ和尸Ｌ上升；由于交流线路两侧系统电压上升，各回交流线路的输送功率将上升，即Ｉ尸ａ。Ｉ上升；③由于直流换流站电压上升，故障后直流功率的恢复速度将加快，即Ｉ。Ｉ上升。上述三方面的变化均将改变尸ｅ，并最终导致系统稳定裕度叩的变化。由式（２）～式（５）可知，在采取强励控制后，等值系统电△磁功率的提升量和系统稳定裕度的提升量Ａｒ１分别为ａｐｅ＝一Ｍｓ￣Ｌ．＋（６）Ｍ十ＭＭ＋Ｍ、Ａｔ］＝ＡＰ￣ｄｄ（７）式中，、、和。分别为采取强励控制后Ｓ群／Ａ群区域负荷功率和两区域间交直流输电通道输送功率的提升量。从式（６）和式（７）中可以看出，强励控制是通过改变系统等值电磁功率来影响稳定性的。当强励控制△的作用效果为＞０时，强励控制将增大Ｓ群的制动转矩和ｆ或１Ａ群的加速转矩，ｓ群相对于Ａ群的正向发散将被遏制，系统正摆稳定性将得到改善，但系统反摆稳定性将被恶化。同理，当强励控制的作用效果为＜０时，强励控制将改善系统反摆稳定性而恶化系统正摆稳定性。１．２作用规律及影响因素对于实际电力系统，在考虑一定的负荷电压调节特性的前提下，强励控制对系统暂态稳定性的一般作用规律可大致分以下三种情况作进一步讨论。１１Ｓ群和Ａ群区域均分布有大量负荷。当Ｓ群机组强励时，ｓ群区域的负荷功率将显著上升，并△在整体效果上占主导作用，即有ＡＰＬ。＞＞。，△△只，。由式（６）可知，此时强励控制的作用效果为＞０。同理，当Ａ群机组强励时，强励控制△效果为＜０。２Ｓ群区域负荷较少，系统负荷主要集中于Ａ群区域。由于本地负荷较少，ｓ群机组功率将主要通过交直流输电线路传输至Ａ群区域，即有，＞０。当ｓ群机组强励时，ｓ群区域的负荷功率和交直流通道的外送功率均将有所上升，即有黄弘扬，等基于广域测量系统的发电机强励控制方案．５１．△△△。、只、＞０。由式（６）可知，此时强励控制的整体作用效果为＞０。当Ａ群机组强励时，强励控制的作用效果与情况１相同。３）Ａ群区域负荷较少，系统负荷主要集中于Ｓ群区域。由于本地负荷较少，Ａ群机组功率将主要通过交直流输电线路传输至ｓ群区域，即有，＜０。当Ａ群机组强励时，Ａ群区域负荷功率和交直流通道的外送功率均将有所上升，即有，一，一＞０。由式（６）可知，此时强励控制的整体作用效果为＜０。当Ｓ群机组强励时，强励控制的作用效果与情况１相同。由以上三种情况的分析结果可以看出：ａ）在大多数情况下，ｓ群（Ａ群）机组的强励控△制效果为＞０（＜０），故其将有利于系统正摆（反摆）稳定而不利于反摆（正摆）稳定。此时较合理的强励控制策略为：在正摆过程中，使Ｓ群（Ａ群）机组启动（退出）强励；在反摆过程中，使Ｓ群（Ａ群）机组退出（启动）强励。这样，便可在有效发挥ｓ群（Ａ群）机组强励对系统正摆（反摆）稳定性的改善作用的同时，也能较好地抑制其对系统反摆（正摆）稳定性的不利影响。ｂ）强励机组、强励控制量、强励启动和退出时刻是影响强励控制效果的主要因素。选择不合适的机组进行强励控制，将可能反而不利于系统稳定。应适时启动和退出强励控制，启动过晚或退出过早将无法提供足够的强励控制力度，退出过晚将产生过制动而影响系统下一摆的稳定性。在合理选择强励机组及其启动和退出时刻的前提下，强励控制量越大，对稳定性的改善效果越好。２强励控制的基本实现方法发电机强励控制的直接执行装置是发电机组的强励控制器。强励控制器的基本结构如图１所示，图中：Ｕ为强励控制器的输出信号，。为电力系统稳定器（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＳｔａｂｉｌｉｚｅｒ，ＰＳＳ）的输出信号，Ｕ为机端电压，Ｕｆ为参考电压，为励磁电压。当系统发生严重故障时，外部控制装置将向强励控制器发送强励启动指令。在收到强励启动指令后，强励控制器的输出信号。将立即跃升。由于励磁系统（自动电压调节器）输入信号的突增，励磁系统输出的励磁电压如将立即升至顶值，发电机端电压也将随之迅速上升，发电机组就此进入强励状态。在经过一段时间后，外部控制装置将选择合适的时机向强励控制器发送强励退出指令。在收到强励退出指令后，强励控制器的输出信号Ｕ。将立即恢复至０（在大容量直流双极闭锁等故障下，可将下降至０．０５ｐ＿ｕ．，具体将在４．２节说明）。由于励磁系统输入信号的突降，励磁电压将立即大幅下降，发电机端电压继而也将迅速下降，发电机组随即退出强励。强励控制指令ｆ启动／Ｎ出图１强励控制器的基本结构Ｆｉｇ．１Ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｏｒｃｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ在不引起系统过电压的前提下，强励期间强励控制器的输出信号Ｕ。越大，强励控制力度越大，发电机端电压的上升速度和幅度就越大，对系统稳定性的改善效果也就越明显。在本文的控制方案中，强励期间强励控制器的输出信号为Ｕｃ＝／／ｍａｘ－／／ｆ＇－Ｚ／ｐｓｓ－－ｇ，其中ａｘ和￡分别为发电机端电压的最高允许值（通常整定为１．２０ｐ－ｕ．［１１－１２Ｊ）和为防止过电压而预留的强励控制裕度（一般可取０．０２－－０．０５ｐ＿ｕ．）。这样做的好处是在强励过程中可利用自动电压调节器使发电机端电压迅速上升并维持在Ｕｍａｘ－Ｃ左右，一方面保证了足够的强励控制力度，另一方面通常也能防止超过，同时还避免了ＰＳＳ输出信号Ｕ。。。对强励控制信号。的干扰。如果在某些情况下仍然超过，则还可进一步通过图１中的过电压限制器降低。，从而使迅速下降至以下。另外还需指出参与强励控制的发电机组必须①同时满足以下两个条件：机组装机容量大；只有对大容量机组实施强励控制，才可能对系统暂态稳②定性产生明显的改善效果；励磁系统为具有高顶值励磁电压并且能够逆变产生负向电压的快速系统；这样，在强励控制启动（退出）期问，励磁电压才能快速升至项值（降至负值），从而迅速提升（降低）机端电压；通常只有他励晶闸管系统和静态白并励系统才能满足该条件ＩｌＪ。３广域强励控制方案３．１基本思想如前文所述，强励机组、强励控制量、强励启动和退出时刻是强励控制效果的主要影响因素，但是文献［７．９］中所提出的传统强励控制方案对上述各因素的考虑都存在一定的缺陷（具体将在３．４节说明）。为此，本文提出了一种基于广域测量系统的发电力系统保护与控制电机强励控制方案，其采用基于事件驱动的控制方式Ｌｌ并分如下两个阶段实施：第一阶段为离线／在线预算阶段，即通过离线或在线故障前仿真确定预想故障下的强励控制策略；第二阶段为实时匹配控制阶段，即在故障实际发生后根据安全稳定控制装置反馈的故障信息和相量测量单元（ＰｈａｓｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ，ＰＭＵ）￣Ｎ得的发电机功角信息Ｌ１，判断系统当前状态并执行预先制定的强励控制策略。整个广域强励控制系统的基本框架如图２所示。图２广域强励控制系统的框架结构Ｆｉｇ．２ＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＷＦＥＣｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ３．２具体实施方案３．２．１离线／在线预算阶段该阶段的主要任务是针对具体工况和故障，确定最优紧急控制措施组合并形成控制策略表。如前所述，同一机组强励控制对系统正摆和反摆稳定性的作用效果往往相反；只有选择合适的时机启动和退出发电机强励，才能充分发挥其对系统稳定性的改善作用并同时抑制其负效应。为此，在文献［１５］提出的紧急控制措施优化模型的基础上，进一步将系统暂态稳定过程按照摆次划分为若干个时段，并考虑在系统各摆的起始时刻启动或退出发电机强励，从而形成如下优化决策模型。∑ⅣⅣⅣ…ｍｉｎＪ＝（ｆ（１），ｆ（：一，ｆ（）Ｉ＝ｌｓ．ｔ．ｒ／（、Ⅳ…Ⅳｆｆ（８）（）Ⅳｆ（）…Ⅳ（）＋（）＋ｆ式中：ｋ为摆次；ｔ／（ｋ）为第ｋ摆的稳定裕度；ｆ为措施ｉ在第ｋ摆的控制量（在第ｋ摆的起始时刻执行），Ⅳｆ为其最大值；．为措施ｉ的控制代价。在式（８）所示的优化模型中，约束１为系统各摆的稳定约束，约束２为控制量上限约束（如切机或强励机组的数目不能多于该电厂的机组总数），约束３为某些控制措施的不可逆约束（如切机后机组无法在很短时间内重新开机，强励控制不受此约束限制），约束４为多种控制措施之间的互斥约束（如切机后机组不能再进行强励控制）。由于上述优化模型与文献［１５１中原优化模型的数学本质完全相同，故仍可沿用文献［１５］所提出的优化搜索算法对其进行求解。对于系统首摆失稳故障，通常只需在首摆期间施加一定强度的紧急控制，便能保证系统首摆以及随后多摆的稳定性。因此对于这类故障，可将式（８）……中的决策变量Ｎｉ（１２），，Ｍｆ肋，缩减至只保留ｌ１，即假定只在首摆期间启动发电机强励并在首摆结束后便退出强励，从而达到加快控制策略寻优速度和降低控制方案复杂度的目的。３．２．２实时匹配控制阶段该阶段的主要任务是在系统实际运行过程中实时监测和判断故障状态，并在预想故障实际发生后执行预先制定的紧急控制措施。假定某预想故障的紧急强励控制策略是在系统第ｋ摆对机群…Ｇｋ（ｋ＝ｌ，２，）进行强励。故障在ｌ＝ｔ】时刻实际发生后，上述强励控制策略的具体执行流程如下。△１）在经过的时延后，分布式稳定控制装置将监测并判断出故障类型。根据预先制定的控制策略，稳定控制装置将立即向机群Ｇ发出强励控制启动指令，并同时将故障信息上传至监控中心。△２）在经过ｆ的通信时延后，机群Ｇ】收到强励启动指令，便立即通过强励控制器启动强励控制。监控中心在收到故障信息后，将根据该故障下互补群的划分方式（可在离线／在线预算阶段得到），由ＰＭＵ提供的发电机功角信息，按式（２）实时计算并监测ｓ群和Ａ群之间的等值转子角。３）第１摆期间，将持续上升。在户时刻转而开始回降，系统第１摆结束并进入第２摆。此时监控中心将向机群Ｇｌ下达强励退出指令，并同时向机群Ｇ２发出强励启动指令。４）在经过Ａｔ２的通信时延后，机群Ｇ１和机群Ｇ２将分别收到强励退出和强励启动指令，各机组将立即通过其强励控制器执行相应的控制操作。５）通过类似的控制方式，重复执行步骤３～步骤４，便可在系统后续多摆过程中，按照既定的控制策…略继续对机群Ｇ（ｋ＝－２，３，）进行强励控制。为便于说明，图３给出了上述广域强励控制方案的控制时序。３．３通信时延对控制效果的影响时滞是广域强励控制方案控制性能变差的主要①因素，其具体包括：故障状态判断时延，即故障发生后稳定控制装置判断故障类型及状态所需的时△间（图３中ｆ０）。该时延主要取决于故障类型和继电黄弘扬，等基于广域测量系统的发电机强励控制方案．５３．故障监测机群ＧＩ强励状态机群Ｇ２强励状态＼／＾ｉｉｌ摆＼／ｉ第第２摆＼；；△ｆ；■斗；；图３广域强励控制方案的控制时序图Ｆｉｇ．３ＳｅｑｕｅｎｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆＷＦＥＣｓｃｈｅｍｅ②保护的动作时间，通常较为固定。通信时延，即ＰＭＵ信息和控制指令在通信网络中的传输时延（图△△３中Ａｔ１、Ａｔ２和如，其中：ｆ１仅为控制指令下达的时延，而Ａｔ２和Ａｔ３为ＰＭＵ信息上传和控制指令下达的时延之和）。该时延主要与通信网络的传输媒介和当前流量状况有关，具有一定的分布特性，并且对控制性能的影响较大。结合图３可以看出，通信时延对广域强励控制效果的不利影响具体表现在以下两方面。△１）第ｋ摆期问，因通信时延的存在，机群Ｇ的强励控制将延时启动。由于这部分机组强励有利于系统第ｋ摆稳定，故强励的延时启动将不利于发挥控制方案对第ｋ摆稳定性的改善作用。△２）第１摆期间，因通信时延】的存在，机群Ｇ的强励控制将延时退出。此时机群Ｇ继续强励将对系统第抖ｌ摆造成过制动，故强励的延时退出将不利于系统第抖１摆的稳定性。通过降低广域强励控制方案的通信数据量，可以避免通信网络拥堵并提高通信速度，从而抑制通信时延对广域强励控制性能的负面影响。例如在上述控制过程中，可以不必要求系统中所有机组的功角信息都实时上传至监控中心。由于系统的暂态稳定过程主要由处于电网关键位置的大容量机组所决定，故可只上传Ｓ群和Ａ群内关键位置的大容量机组的功角信息，并利用这些功角信息近似计算，从而在保证控制性能基本不变的前提下达到降低通信数据量的目的。另外在式（８）所示的优化模型中，宜根据通信网络的实际状况，按某一固定时延（如１００ｍｓ［１６－１８］）考虑时滞对广域强励控制效果的影响，以避免在预算阶段对控制效果的估计过于乐观，而在实际控制阶段出现紧急强励控制力度不足的情况。３．４与传统强励控制方案的比较１）强励机组的选择。如前所述，选择不合适的—机组进行强励将反而不利于系统稳定。在文献［７８】的控制方案中，发电机强励的启动逻辑是机端电压突降超过一定限值且发电机转速偏差亦超过一定限值。这种启动逻辑在某些情况下将有可能引起上述负效应。以南方电网为例，当直流逆变站附近交流系统发生短路故障，送端即整流站附近机组将构成ｓ群，受端即逆变站附近机组将处于Ａ群。根据前述的启动逻辑，故障后短路点附近的Ａ群机组将可能进入强励状态。这通常将增大Ａ群机组的制动转矩，加速Ｓ群相对Ａ群的正向发散，从而不利于系统正摆稳定性。本文通过求解式（８）确定预想故障下的广域强励控制方案，而式（８）中己充分考虑强励控制的上述负效应，故通常均可保证强励机组选择的合理性。此外，由于预想故障的强励控制策略可随系统工况的变化而变化，故其对电网结构和运行工况改变的适应能力也较强。２）强励退出时机的选择。文献［７，９］没有充分考虑发电机强励退出时机的选择问题，有可能出现因强励退出过早而导致控制力度不足或者因强励退出过迟而造成过制动。文献［８］选择在发电机第１摆结束后立即退出强励，但是系统中某台机组第１摆的结束时刻与系统第１摆的结束时刻往往不同，所以从整个系统稳定性的角度来看，该方案对强励退出时机的选择也并非最优。本文根据系统暂态稳定过程的摆次，逐摆启动和退出发电机强励，一方面可保证对关键摆次施加足够的强励控制力度，另一方面也可防止部分发电机强励对系统后续摆次产生过制动，故在理论上要相对优越于传统强励控制方案。３）强励控制力度。文献［７．８］采用本地机端电压和发电机转速作为强励控制的启动信号，所以通常只有短路点附近机组能明显感受到故障冲击而启动强励控制，远端机组所受扰动较小通常并不会启动强励控制。由于故障期间实际参与强励控制的机组较少，其对系统稳定性的改善效果也较为有限。在本文提出的广域强励控制方案中，故障后系统中关键机组均将参与强励控制。故障期间实际参与强励控制的机组较多，控制力度强，对系统稳定性的改善效果较为明显。４）故障处理能力。文献【７．８］的控制方案只能处理交流短路故障，文献【９］的控制方案只能处理直流闭锁故障，本文的控制方案可处理包括上述两类故障在内多种形式的预想故障。５）通信时延的影响。文献［７．８］的控制方案只需要本地测量信号并不涉及远方通信，故其控制效果电力系统保护与控制完全不受通信时延的影响。文献［９】和本文的控制方案必须涉及远方通信，通信时延对实际控制效果将产生很大的影响，而且通信时延过长往往是导致控制性能变差的主要原因。综合上述分析可以看出：与传统强励控制方案相比，本文提出的广域强励控制方案在理论上具有一定的优越性；而这种优越性能否在实际控制效果中得到充分的体现，则还将主要取决于通信网络的实际通信时延。４算例分析以南方电网为例验证广域强励控制方案的实际控制效果。在故障仿真过程中，假定安全稳定控制装置对交直流系统故障的故障状态判断时延均为０．１Ｓ（图３中Ａｔｏ），通信网络的站间单向通信时延ｆ△为０～０．３Ｓ（图３中ｆ１＝Ａｔ２＝２ｒ）。４．１交流系统严重故障考察南方电网５００ｋＶ交流线路发生三相短路并延时０．１Ｓ误切双回线路清除故障后系统的暂态稳定情况。表１中的前两列给出了引起系统失稳的故障线路及其故障临界切除时间。故障分析结果表明：上述故障的失稳形式均为系统首摆失稳；系统首摆期间，对位于送端的云南和贵州机组进行强励控制，将有利于系统稳定。因此，在上述故障的广域强励控制方案中，将选择云南和贵州电网内２０个关键电厂的发电机组作为强①励控制参与机组。具体的控制策略为在故障发生后的系统首摆过程中，启动上述机组的强励控制，②使这些机组迅速进入强励状态；在系统首摆结束后，令上述机组强励控制器的输出信号Ｕ。恢复至０，使这些机组迅速退出强励。表１中的后四列给出了在不同通信时延下，采取广域强励控制后上述交流系统故障的故障临界切除时间的变化情况。从表１中可以看出：１）广域强励控制可以大幅度提高交流系统失稳故障的故障临界切除时间，明显改善交流系统严重故障后系统的暂态稳定性。２）通信时延对广域强励控制方案的实际作用效果影响较大。通信时延越大，广域强励控制对系统稳定性的改善效果越不明显。当通信时延ｆ在０．３Ｓ以内时，上述广域强励控制方案可以保持良好的控制性能。以表１中的贺州一罗洞线路故障为例说明广域强励控制对系统暂态稳定过程的具体作用情况。图４给出了当通信时延ｆ为０．１Ｓ时，云南电网漫湾电厂机组的相对功角、机端电压Ｕ、励磁电压Ｅｌｍ、控制信号Ｕ。和。＋。＋甜ｆ的响应曲线。图中虚线和实线分别为未加和加入广域强励控制时的仿真曲线。表１交流系统Ｎ．２故障的故障临界切除时间Ｔａｂｌｅ１ＣｒｉｔｉｃａｌｃｌｅａｒｔｉｍｅｏｆＡＣｓｙｓｔｅｍＮ－２ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｉｅｓ一６ｊ１．２０１１５＋１．１０§１．０５１．０００．２０Ｏ１５ｊ０．１０＼ｕ０．０５０．００一Ｏ．Ｏ５、＿…●，、、ＪＪ一一———————————一ｌＩＩｓ图４加入广域强励控制前后漫湾电厂机组响应曲线Ｆｉｇ．４ＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＭａｎｗａｎｕｎｉｔｗｉｔｈ／ｗｉｔｈｏｕｔＷＦＥＣ从图４中可以看出：ａ）当无广域强励控制时，短路期间发电机励磁电压将短时上升至较高水平，但在故障被清除后励磁电压将迅速下降。在系统首摆期间，机组励磁系统的强励作用时间仅为０．１０Ｓ，对系统稳定性的改善作用有限，系统最终将首摆失稳。ｂ）当有广域强励控制时，由于通信时延的存在，３０３．ｊ＿ｄ，黄弘扬，等基于广域测量系统的发电机强励控制方案一５５－机组励磁电压在故障被清除后仍将迅速下降至负值。但是在经过０．１ｓ的通信时延后，机组强励控制器将启动，励磁电压将迅速上升至顶值，发电机会再次进入强励状态。这将显著提升系统首摆期间发电机端电压，有效抑制机组功角的正向发散。在系统首摆结束并经过一定时延之后，发电机强励控制结束，励磁电压迅速下降，机端电压也随之迅速下降。在系统首摆期间，发电机励磁系统的强励作用时间为０．９６ｓ，系统最终可以保持稳定。当有广域强励控制时，所有参与强励控制机组的机端电压响应曲线如图５所示。从图５中可以看出所有机组的机端电压都未超过１．２０Ｐ＿ｕ．，系统不会因广域强励控制而产生危险的过电压。图５加入广域强励控制后发电机端电压响应曲线Ｆｉｇ．５ＴｅｒｍｉｎａｌｖｏｌｔａｇｅｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｗｉｔｈＷＦＥＣ４．２直流系统严重故障考察南方电网各回直流线路发生双极闭锁故障后系统的暂态稳定情况。计算结果表明：云广直流、糯扎渡直流或乌东德直流双极闭锁后，故障将引起送端云南电网大量有功功率无法送出，并最终导致整个系统首摆失稳。针对上述故障，选择云南电网１５个关键电厂的发电机组参与广域强励控制，并采取如下强励控①制策略：在故障发生后的系统首摆过程中，启动②这些机组的强励控制，使其迅速进入强励状态；在系统首摆结束后，使上述机组强励控制器的输出信号。立即降至０．０５。这虽然一定程度上增大了回摆幅度，但就总体效果而言，由于机端电压被维持在一个较高的水平（约１．０５ｐ．ｕ．），送端电网的电压支撑能力将得到提升，从而保证了大容量直流双极闭锁故障后送端电网大量有功功率可以通过各回交流输电通道顺利地送出。表２给出了采取广域强励控制前后上述直流系统双极闭锁故障的稳定性和最少切机量的变化情况。从表２中可以看出：１）广域强励控制可以有效改善直流双极闭锁故障后系统的暂态稳定性，明显减少故障后送端电网的切机量。２）当通信时延ｆ在０．３ｓ以内时，上述广域强励控制方案可以保持良好的控制性能。表２直流系统双极闭锁故障的稳定情况Ｔａｂｌｅ２ＳｔａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒＤＣｓｙｓｔｅｍｂｉｐｏｌａｒｏｕｔａｇｅｓ５结论１）强励机组、强励控制量、强励启动和退出时刻是影响发电机强励控制效果的主要因素。在系统暂态稳定过程中，如果选择不合适的机组进行强励控制或者未能在恰当的时机启动和退出强励控制，则强励控制将可能反而不利于系统稳定。２）本文提出的广域强励控制方案可以有效克服传统强励控制方案对上述影响因素考虑的不足，更好地发挥发电机强励控制对系统暂态稳定性的改善作用。实际南方电网系统的仿真结果表明当通信时延在０．３ｓ以内时，上述广域强励控制方案可以保持良好的控制性能，明显改善系统的暂态稳定性。参考文献［１］刘取．电力系统稳定性及发电机励磁控制［Ｍ】．北京：中国电力出版社，２００７：４４８．４６３．［２］兰洲，甘德强，倪以信．跟踪ＣＯＩ思想应用于多机系—统励磁控制［Ｊ】＿电力系统自动化，２００６，３０（１７）：１４１８．—ＬＡＮＺｈｏｕ，ＧＡＮＤｅ－ｑｉａｎｇ，ＮＩＹｉ－ｘｉｎ．ＣＯｌｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｃｅｐｔｆｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｍｕｌｔｉ－ｍａｃｈｉｎｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００６，—３０（１７）：１４１８．［３］戚军，江全元，曹一家．一种简单实用的分散非线性励磁控制方法［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（２０）：３２３６．ＱＩＪｕｎ，ＪＩＡＮＧＱｕａｎ－ｙｕａｎ，ＣＡＯＹｉ－ｊｉａ．Ａｓｉｍｐｌｅａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００８，—３２（２０）：３２３６．［４］陈新琪，俞鸿飞，卢嘉华，等．电力系统电压调节器原理及试验分析［Ｊ】．电力系统自动化，２０１２，３６（３）：９２．９５．ＣＨＥＮＸｉｎ－ｑｉ，ＹＵＨｏｎｇ・ｆｅｉ，ＬＵＪｉａ－ｈｕａ，ｅｔａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２０１２，３６（３）：９２．９５．５６．电力系统保护与控制［５］阮阳，袁荣湘．采用输出反馈方式的电力系统非线性励磁控制［Ｊ】．中国电机工程学报，２０１１，３１（３４）：６８．７６．—ＲＵＡＮＹａｎｇ，ＹＵＡＮＲｏｎｇｘｉａｎｇ．Ｏｕｔｐｕｔｆｅｅｄｂａｃｋｂａｓｅｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．—ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２０１１，３１（３４）：６８７６．［６］孟超，沈宇，姚谦．发电机励磁实时监测系统研究与应用［Ｊ】．电力系统自动化，２０１０，３４（６）：１０７．１１０．ＭＥＮＧＣｈａｏ，ＳＨＥＮＹｕ，ＹＡＯＱｉａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｒｅａｌ・ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２０１０，３４（６）：１０７－１１０．［７］ＢａｙｎｅＪＫｕｎｄｕｒＷａｔｓｏｎＳｔａｔｉｃｅｘａｃｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，１９７５，ＰＡＳ一９４（４）：１１４１－１１４６．［８］刘取，马维新，秦荃华，等．发电机励磁附加断续控制对提高电力系统暂态稳定性的研究［Ｊ］．清华大学学报，—１９８０，２Ｏ（３）：４３５１．—ＬＩＵＱｕ，ＭＡＷｅｉ・ｘｉｎ，ＱＩＮＱｕａｎｈｕａ，ｅｔａ１．Ａｓｔｕｄｙｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９８０，２０（３）：４３－５１．［９］ＴａｙｌｏｒＣＷＭｅｃｈｅｎｂｉｅｒＪ＆ＭａｔｔｈｅｗｓＣＥ．ＴｒａｎｓｉｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｂｏｏｓｔｉｎｇａｔＧｒａｎｄＣｏｕｌｅｅｔｈｉｒｄｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ；ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ—ｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，１９９３，８（３）：１２９１１２９７．［１Ｏ］薛禹胜．运动稳定性量化理论［Ｍ］．南京：江苏科学技术出版社，１９９９：１７３．１８６．［１１］吴跨宇，周平，高春如，等．基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究［Ｊ】＿电力系统保护与控制，—２０１１，３９（２）：９８１０１．ＷＵＫｕａ－ｙｕ，ＺＨＯＵＰｉｎｇ，ＧＡＯＣｈｕｎ－ｒｕ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｅｔｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｎｏ－ｌｏａｄｆａｕｌｔｆｏｒｃｉｎｇｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（２）：９８－１０１．［１２］ＤＬ／Ｔ６８４．１９９９大型发电机变压器继电保护整定计算导则［Ｓ］．１９９９．［１３］袁季修．防御大停电的广域保护和紧急控制［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００７：８－１５．［１４］鞠平，代飞．电力系统广域测量技术［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００８：１－８．［１５］方勇杰，范文涛，陈永红，等．在线预决策的暂态稳定控制系统［Ｊ］．电力系统自动化，１９９９，２３（１）：８－１１．ＦＡＮＧＹｏｎｇ－ｊｉｅ，ＦＡＮＷｅｎ－ｔａｎ，ＣＨＥＮＹｏｎｇ－ｈｏｎｇ，ｅｔａ１．Ａｎｏｎ－ｌｉｎｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，１９９９，２３（１）：８－１１．［１６］胡志祥，谢小荣，肖晋宇，等．广域测量系统的延迟分析及其测试［Ｊ］．电力系统自动化，２００４，２８（１５）：３９．４３．ＨＵＺｈｉ－ｘｉａｎｇ，ＸＩＥＸｉａｏ－ｒｏｎｇ，ＸＩＡＯＪｉｎ－ｙｕ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｅｓｔｏｎｄｅｌａｙｓｉｎｔｈｅｗｉｄｅａｒｅａｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００４，２８（１５、：３９－４３．［１７］彭静，卢继平，汪洋，等．ＷＡＭＳ中的通信网络平台构建［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（１２）：６２．６７．ＰＥＮＧＪｉｎｇ，ＬＵＪｉ－ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＹａｎｇ，ｅｔａ１．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒＷＡＭＳ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１２）：６２．６７．［１８］谈苏伟．中国南方电网调度自动化实时通信的现状分析和研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（２２）：ｌ０９．１１４．—ＴＡＮＳｕｗｅｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｐｏｗｅｒｄｉｓｐａｔｃｈａｕｔｏｍａｔｉｏｎｆｏｒＣｈｉｎａｓｏｕｔｈｐｏｗｅｒｇｒｉｄ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（２２）：１０９－１１４．—收稿日期；２０１２－０５０４；—修回Ｅｌ期：２０１２－０８３１作者简介：黄弘扬（１９８７一），男，博士研究生，研究方向为大规膜交直流电力系统分析；Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｅｈｏｎｇｙａｎｇｈｕａｎｇ￣！ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ徐政（１９６２一），男，博士，教授，博导，研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电技术与风电场并网技术；华文（１９８６一），男，硕士研究生，研究方向为大规模交直流电力系统分析。