動態(tài)安全評估技術的研究與應用

動態(tài)安全評估技術的研究與應用

0廣域網(wǎng)絡安全防御技術根據(jù)美國能源部的調(diào)查報告，8.14號全國停止的調(diào)查報告指出，電力公司和電網(wǎng)監(jiān)測設施沒有及時進行正確的分析和評估，因此沒有在事故期間及時采取措施，因此系統(tǒng)在許多情況下變得脆弱，最終發(fā)展為大停滯。因此,要有效地防御大停電,就必須采集和處理廣域的靜態(tài)和動態(tài)信息,定量評估電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,自適應優(yōu)化控制決策,并協(xié)調(diào)好多道防線。在涉及的信息、分析和控制3個方面中,信息的可靠性是分析和決策的物質(zhì)基礎;機理分析和量化分析則通過數(shù)據(jù)挖掘來深刻掌握電網(wǎng)的行為特性;正確的決策是為了以最小的風險代價來最大程度地滿足電力需求。為此,必須在動態(tài)數(shù)據(jù)采集、廣域數(shù)據(jù)平臺、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信協(xié)議和應用軟件組織等方面采用先進技術,確保系統(tǒng)的開放性和信息的可靠性;增加基于軌跡的數(shù)據(jù)挖掘、暫態(tài)穩(wěn)定程度的量化評估、穩(wěn)定極限的在線搜索、穩(wěn)定控制決策表的在線優(yōu)化等功能。這意味著必須全面提升穩(wěn)定分析和控制技術,包括從定性到定量,從離線到在線,從保守的觀點到風險的觀點,從局部孤立的觀點到全局協(xié)調(diào)的觀點,從簡單的故障場景到復雜的相繼故障。運行工況或故障場景的不同都會影響穩(wěn)定水平和控制策略,目前普遍采用在離線環(huán)境下按照典型工況和典型故障預先確定運行指導或控制決策表的方式。但是,現(xiàn)代電網(wǎng)的工況越來越難用少數(shù)參量來描述,按典型工況來離線預算決策表的傳統(tǒng)方法不再適用,而必須改用跟蹤實際工況的在線預決策方式。決策表還應該反映交、直流通道之間,送、受端電網(wǎng)之間的相繼開斷。如果相繼開斷的演化過程比較緩慢,擾動場景的維數(shù)災問題就可以被轉(zhuǎn)換為一系列不同工況下的簡單故障;對于間隔時間在幾十毫秒內(nèi)的相繼故障,雖然可近似處理為復合故障,但要解決形態(tài)組合爆炸問題;其他情況下的控制量則還應該反映故障間隔時間的影響,維數(shù)災問題更加嚴重。文獻根據(jù)大停電的演化規(guī)律,提出了災變防御框架。這包括由相量測量單元(PMU)采集動態(tài)數(shù)據(jù),將監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)擴展為動態(tài)SCADA(DSCADA)系統(tǒng),并將能量管理系統(tǒng)(EMS)擴展為動態(tài)EMS(DEMS),實現(xiàn)穩(wěn)定性的分析與控制。本文討論防御系統(tǒng)的3個要點:①信息的完備性和安全性,由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺來整合所有采集到的廣域靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù);②功角、電壓、頻率等各類穩(wěn)定性的量化分析;③穩(wěn)定控制的自適應優(yōu)化。1美國“8148”大放電系統(tǒng)的應急模型信息子系統(tǒng)負責采集數(shù)據(jù),并將這些記錄下來的事實加工為信息,使數(shù)據(jù)的含義被認識。信息子系統(tǒng)的缺陷在北美“8·14”大停電中推波助瀾,充分證明了其可靠性對災變防御的重要性。為此,應該研究電力信息的定義、分類、測度、運動規(guī)律的模型;應該研究廣域測量的統(tǒng)一信息理論及方法,提高信息的可靠性,包括有效性、完備性和安全性等方面,提高數(shù)據(jù)挖掘的智能性。1.1區(qū)域信息的收集和整合1.1.1基于pmu的廣域測量系統(tǒng)遠方終端設備(RTU)和SCADA系統(tǒng)能經(jīng)濟地提供大量準實時的廣域數(shù)據(jù),滿足靜態(tài)可觀性的要求,對系統(tǒng)當時的靜態(tài)安全進行有效的監(jiān)視。PMU可以在全網(wǎng)統(tǒng)一時標下,實時提供快速采樣的同步相量信息;故障錄波和保護/控制信息管理系統(tǒng)可以就地記錄大量暫態(tài)信息,支持故障的事后分析。基于PMU的廣域測量系統(tǒng)(WAMS)的目標是從變量的過渡過程中直接抽取系統(tǒng)的動態(tài)特征。WAMS最早用于美國WSCC電網(wǎng),在1996年大停電中對事故過程的重現(xiàn)和事后分析發(fā)揮了巨大作用。西班牙CSE電網(wǎng)利用PMU進行狀態(tài)估計;法國國家電力公司(EDF)建立了廣域保護系統(tǒng),在檢測到失穩(wěn)時解列電網(wǎng)并減負荷;加拿大魁北克水電公司利用PMU量作為發(fā)電機的PSS控制輸入,以改善互聯(lián)電網(wǎng)的振蕩衰減。由于數(shù)據(jù)挖掘工具限于傅里葉變換及Prony分析,WAMS的應用功能和推廣應用受到很大影響。1.1.2冗余狀態(tài)量的估計現(xiàn)場偽量測是在對采集到的廣域數(shù)據(jù)的加工過程中自動產(chǎn)生的數(shù)據(jù),例如直接從廣域采集到的數(shù)據(jù)中挖掘出來的新數(shù)據(jù),利用量測冗余度估計出由于各種原因未能直接采集到的狀態(tài)量。仿真?zhèn)瘟繙y是在對數(shù)學模型進行仿真中產(chǎn)生和挖掘的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場偽量測能很好地反映系統(tǒng)過去和現(xiàn)在的狀態(tài)和行為,但難以預測將來,更無法在決策實施之前預估其效果。仿真?zhèn)瘟繙y受制于模型和參數(shù),可能與實際值差別很大,但可以評估各種虛擬的運行方式、擾動和決策的影響。1.1.3統(tǒng)一統(tǒng)一的廣域數(shù)據(jù)平臺RTU采集的廣域數(shù)據(jù)之間存在采樣時刻、傳輸時延的不一致性和不確定性,也不能反映系統(tǒng)的動態(tài)。在現(xiàn)有的RTU中增加統(tǒng)一時鐘的時標、高速采樣和高速通信,可以克服這些缺點,但改造的代價較高,并且現(xiàn)有的IEC60870-5-101傳輸協(xié)議不支持遙測量帶時標。數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)值仿真都會產(chǎn)生大量偽量測,后者既是可供進一步挖掘的數(shù)據(jù),又往往是深層信息。但是,偽量測數(shù)據(jù)的正確性不可能超過模型、參數(shù)、初值和算法的限制。SCADA系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫不能處理連續(xù)快速采樣的PMU數(shù)據(jù);而故障錄波和保護信息管理系統(tǒng)在正常狀態(tài)下并不記錄數(shù)據(jù),且上傳的滯后時間太長。PMU的價格限制了其大量采用,往往不能滿足可觀性。目前,各種廣域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相互獨立,不但數(shù)據(jù)不能共享,而且整體的分析和控制功能受到限制。為了提高分析和決策水平,應該建立統(tǒng)一、開放的廣域數(shù)據(jù)平臺,整合各種途徑采集到的時空數(shù)據(jù)。該平臺必須有處理海量信息的能力,以免在故障數(shù)據(jù)大量涌入時崩潰,還應該考慮與多個SCADA系統(tǒng)和多個控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。偽量測數(shù)據(jù)與采集的數(shù)據(jù)有很好的互補性,它們的整合可以提高可觀性,改進動態(tài)分析和控制功能。為了將簡單的動態(tài)顯示功能擴展到分析、決策、保護和控制,需要研究新的數(shù)據(jù)挖掘技術,識別物理參數(shù)與經(jīng)濟參數(shù),支持在線決策功能。上述數(shù)據(jù)平臺還應該能管理由不同EMS產(chǎn)生的靜態(tài)偽量測和DEMS產(chǎn)生的動態(tài)偽量測,協(xié)調(diào)實時數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫,進一步提升為決策支持平臺。該平臺應該符合CIM/CIS(IEC61970)和UIB(IEC61968)標準,解決異構系統(tǒng)的互操作問題,支持軟件的“即插即用”。1.2反饋控制方面SCADA系統(tǒng)的量測量沒有統(tǒng)一時標,采樣周期長,時延大。文獻分析了各量測數(shù)據(jù)所反映的時間斷面不一致性對狀態(tài)估計精度的影響及對策。反饋控制的時滯對動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大。文獻仿真了廣域測量控制的延時對IEEE39電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,結果表明網(wǎng)狀通信網(wǎng)的延時達233ms,系統(tǒng)失穩(wěn);星狀通信網(wǎng)的延時小于153ms,系統(tǒng)穩(wěn)定。文獻分析了PMU的延時對廣域阻尼控制的影響。在發(fā)生多個故障時,緊急控制決策必須識別它們是獨立故障,還是相繼故障,還是復合故障。數(shù)據(jù)的時間分辨率和時效性成為非常關鍵的因素。1.3穩(wěn)定性分析模型互為補充的PMU,RTU和數(shù)值仿真應該共同滿足系統(tǒng)在空間中和時間上的可觀性和可控性。如果數(shù)據(jù)不完備,某些關鍵狀態(tài)和動態(tài)就可能觀察不到。靜態(tài)數(shù)據(jù)的可觀性算法已經(jīng)成熟,但對于動態(tài)數(shù)據(jù)的可觀性,還缺乏合理方法來評估由于數(shù)據(jù)缺少或質(zhì)量不高而增加的風險。還需要研究在不完備數(shù)據(jù)下,如何達到效果最大化。文獻認為PMU數(shù)應為節(jié)點的30%,如果考慮零注入測量時PMU數(shù)還可減少。文獻在量化各PMU安裝點對反映電網(wǎng)主要動態(tài)特性的貢獻時,用擴展等面積準則(EEAC)識別各故障的主導模式,將發(fā)電機節(jié)點劃分為同調(diào)群,在每群中應該有一個電站安裝PMU。用暫態(tài)電壓安全分析算法識別可能出現(xiàn)暫態(tài)電壓問題的母線子集,在每個子集中應該有一條母線安裝PMU。確定各點對反映系統(tǒng)動態(tài)行為的貢獻,可按其排序分期安裝,或以盡量少的PMU來反映系統(tǒng)在各種擾動下的主要動態(tài)行為。為了降低信號傳遞的成本,需要合理設置不同數(shù)據(jù)的傳送速率、頻度和同步精度。據(jù)此,建設滿足數(shù)據(jù)傳輸要求的通信網(wǎng)絡。1.4信息的深入和有效表達1.4.1穩(wěn)定性分析的必要性PMU采集到的時間響應曲線不依賴對系統(tǒng)模型和參數(shù)的先驗知識,很真實。可用于傳輸功率實時監(jiān)視、事故追憶和分析、數(shù)學模型及參數(shù)的校核、低頻振蕩特性抽取、定性判穩(wěn)并識別失穩(wěn)模式、捕捉振蕩中心、快速確定解列面。用Hilbert,Fourier,Prony或小波等方法,可以直接從PMU提供的時間響應曲線中挖掘信息,包括故障定位、同調(diào)群和失穩(wěn)模式識別、時變低頻振蕩監(jiān)視與特性分析、輔助服務質(zhì)量監(jiān)測等。但如果要將PMU應用到穩(wěn)定的量化分析和預測控制方面,則必須在沒有數(shù)學模型支持的情況下,求取實測軌跡(特別是穩(wěn)定軌跡)的穩(wěn)定裕度和靈敏度值,并根據(jù)控制后的實際軌跡進行復盤和評估控制的效果。目前這方面的進展并不理想,非常不利于PMU的應用。不少文獻根據(jù)故障清除后幾十毫秒的軌跡來預測其后的動態(tài),但在強非自治因素下,這類方法存在本質(zhì)上的缺陷。1.4.2統(tǒng)一的平臺是數(shù)值仿真系統(tǒng)的應用基礎和目RTU可以真實反映實際的潮流,但不能代替假想的開斷仿真。同樣,PMU不能反映系統(tǒng)并未實際經(jīng)歷過的動態(tài),不能對參數(shù)變化后的影響進行預估,不能事先校核決策的效果,因此難以支持控制決策。數(shù)值仿真可以通過改變模型、參數(shù)或場景來了解不同因素對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響。一方面,在線穩(wěn)定分析和控制決策不能離開仿真;另一方面,不但仿真的模型和參數(shù)可以由廣域采集量來校核或修正,而且仿真的初值可以由廣域采集量來提供。因此,將各種廣域監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)值仿真系統(tǒng)置于統(tǒng)一的平臺中,有助于識別相繼故障的先兆特征,掌握相繼故障的臨界條件和傳播模式,從而提高預警水平,增強防御停電災難和事后分析的能力。用PMU做反饋信號,可以改進PSS,TCSC及其他連續(xù)控制。1.4.3會計方面的應用計算機領域的可視化故障發(fā)生前后,大量數(shù)據(jù)和告警信號的涌入往往導致調(diào)度員無所適從或判斷錯誤。為了避免有用信息被大量無用數(shù)據(jù)淹沒,需要對海量信息有效地預處理。例如將系統(tǒng)知識和局域信息相結合,應用智能報警處理、故障診斷技術、模糊專家系統(tǒng)和基于隱藏故障模型的方法處理誤動、拒動等復雜故障。應用計算機領域的可視化技術,將傳統(tǒng)方式表達的信息轉(zhuǎn)換為實時圖形、圖像信息。潮流、各種穩(wěn)定域、安全監(jiān)控和預警的可視化,可以大大減少數(shù)據(jù),增加信息。但是,筆者認為不能為可視化而可視化。一個例子是將采集到的Rn搖擺曲線表示為n個表針或n個平面向量的擺動。表面上似乎很生動,但是在任何時刻只能見到一個瞬間的n個值,而沒有其他時刻的信息,故得不到趨勢的信息。此外,原來在搖擺曲線的同一垂直線上的這n個值,現(xiàn)在要在不同的表上讀取。因此,這在增加數(shù)據(jù)的同時,反而減少了信息。1.5障體系的構建信息安全是一項包括技術層面、管理層面、法律層面的社會系統(tǒng)工程,信息安全保障體系的框架由組織管理、技術保障、基礎設施、產(chǎn)業(yè)支撐、人才培養(yǎng)、環(huán)境建設組成。系統(tǒng)的復雜性導致對氣象、工況、故障和人員錯誤的敏感,以及對通信系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的高度依賴,因此需要評估信息系統(tǒng)的可靠性對防御系統(tǒng)性能的影響。1.5.1電力信息傳輸?shù)目煽啃詥栴}信息的采集、傳輸、處理、施效,以及從數(shù)據(jù)庫的存取到信息的再生,都有其固有的運動規(guī)律。應該建立其動力學模型,研究信息源和傳輸?shù)目煽啃?信息的阻塞、淹沒、丟失和出錯;改進電力信息傳輸?shù)目焖傩耘c可靠性,包括在通信中斷后及時保存已傳輸?shù)臄?shù)據(jù),通信恢復后自動從斷點處繼續(xù)傳輸。在設計基于網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)時,應該考慮對信息丟失和通信延時的容錯能力。1.5.2scad系統(tǒng)和安全問題的安全分析“8·14”大停電前的幾個月,北美電力可靠性委員會(NERC)警告說,隨著電力業(yè)務的復雜化,越來越多的電力公司不遵循2002年發(fā)布的非強制性的安全導則,致使一些SCADA網(wǎng)絡被蠕蟲破壞。大停電的前一天,NERC發(fā)布了保護電力行業(yè)的計算機、軟件和網(wǎng)絡不受入侵的第一個強制性標準,取代了上述安全導則。出于企業(yè)管理的需求,電網(wǎng)公司往往會建立SCADA系統(tǒng)的遠程訪問連接,在SCADA網(wǎng)絡與企業(yè)信息網(wǎng)絡間建立數(shù)據(jù)連接。而電力企業(yè)網(wǎng)絡往往又具有向社會開放的訪問入口,給非法訪問留下可能性。隨著網(wǎng)絡安全威脅的增加,應該研究信息系統(tǒng)故障或受到攻擊時的行為、信息系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性,以及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。定期評估風險,識別漏洞,確定對策。必須抵御各種形式的黑客、病毒、惡意代碼等對系統(tǒng)的惡意破壞和攻擊,確保實時閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的安全。按對一次系統(tǒng)的影響程度進行安全分區(qū),橫向隔離,縱向認證,避免安全區(qū)縱向交叉;建立調(diào)度專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡物理隔離;建立網(wǎng)絡安全的監(jiān)視、預警、防御、檢測、響應與決策支持環(huán)節(jié),采用認證、加密、訪問控制等手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠方安全傳輸,以及強化邊界的安全防護。2穩(wěn)定的定量分析2.1穩(wěn)定邊界的存數(shù)值仿真法在求取受擾軌跡后,只能憑經(jīng)驗定性地判斷其是否穩(wěn)定,并通過反復積分試探,搜索穩(wěn)定極限。全面意義上的定性分析至少還應該包括潛在的失穩(wěn)模式、參數(shù)空間中失穩(wěn)模式的分布、指定方向上的臨界模式等信息。但數(shù)值仿真法難以提供這些信息。此外,數(shù)值仿真法無法評估穩(wěn)定的程度,難以比較不同控制的效果,甚至不能發(fā)現(xiàn)與控制意圖相反的情況。它也不能提供靈敏度信息,故難以在龐大的決策空間中搜索最優(yōu)解。當系統(tǒng)充分接近穩(wěn)定邊界時,無論多小的參數(shù)變化都可能使系統(tǒng)從穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。通過穩(wěn)定極限和穩(wěn)定域可以清楚地評估運行點離開穩(wěn)定邊界的遠近,這比系統(tǒng)是否穩(wěn)定的信息要有用得多。定量分析技術也是研究、揭示穩(wěn)定機理不可或缺的手段。穩(wěn)定性的量化分析算法除了要滿足精確性、強壯性、快速性、適用性、實用性、可視化要求外,還應該具有以下能力:①分別反映熱穩(wěn)定性、同步穩(wěn)定性、電壓安全穩(wěn)定性和頻率安全穩(wěn)定性的穩(wěn)定裕度;②給出穩(wěn)定裕度對于指定參數(shù)的靈敏度系數(shù);③給出參數(shù)極限值和穩(wěn)定域,包括電廠出力、關鍵斷面的輸電極限和負荷的極限水平;④反映潛在的危險模式,識別最有效的控制方向和最佳控制量;⑤對全部感興趣的故障場景逐個自動完成分析;⑥相繼開斷的分析,包括隨機故障和保護隱藏失效模型、誘發(fā)系統(tǒng)崩潰的薄弱環(huán)節(jié)、下一個可能的開斷、系統(tǒng)崩潰的概率指標。此外,算法應盡量排除假設或經(jīng)驗因素,允許引入概率和風險觀點,允許與電力市場運營的優(yōu)化和監(jiān)管的優(yōu)化相結合。2.2沒有動態(tài)鞍點高維電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析包括2個方面。首先是受擾軌跡的穩(wěn)定性問題。對于給定的高維搖擺曲線,其穩(wěn)定性評估問題可被描述如下:識別該軌跡上是否存在穿越狀態(tài)空間穩(wěn)定域邊界的點(稱為動態(tài)鞍點)?如果有,那么是在什么時刻穿越穩(wěn)定域的?如何量化該搖擺曲線離開動態(tài)鞍點的程度?如果曲線上沒有動態(tài)鞍點,那么該曲線離開穩(wěn)定域邊界還有多遠?進一步的問題是面對參數(shù)空間的。如果改變某個(或某些)參數(shù)的值,相同擾動下的系統(tǒng)受擾軌跡與狀態(tài)空間穩(wěn)定域的拓撲(是否相交)關系可能改變。因此,在參數(shù)空間中也有穩(wěn)定域問題。參數(shù)穩(wěn)定域邊界上的每一點都對應于臨界的受擾軌跡,而邊界外面的點都對應著有動態(tài)鞍點的受擾軌跡。狀態(tài)空間穩(wěn)定域針對的是受擾軌跡,軌跡穩(wěn)定裕度應該嚴格反映受擾軌跡離開狀態(tài)穩(wěn)定域邊界的最小距離。參數(shù)空間穩(wěn)定域針對的是系統(tǒng)或擾動的參數(shù);參數(shù)穩(wěn)定裕度應該嚴格反映參數(shù)點離開參數(shù)穩(wěn)定域邊界的最小距離。參數(shù)穩(wěn)定裕度反映了系統(tǒng)參數(shù)的安全程度,因此很直觀,容易理解。但它依賴于參數(shù)點在參數(shù)空間中的移動方向,因此在某個方向上裕度很大,并不代表在其他方向上也很安全。軌跡穩(wěn)定裕度是參數(shù)空間中給定點的特性,不涉及到參數(shù)點的移動,因此反映了穩(wěn)定性的本質(zhì),但不容易被理解。參數(shù)穩(wěn)定裕度必須通過對軌跡穩(wěn)定裕度的靈敏度分析才能得到。2.3eac方法2.3.1幾何特征的處理雖然立體圖很直觀,但機械設計師卻用三視圖來表達待加工的物體。只要按照三視圖加工,就可以精確地實施原設計(參見圖1)。這意味著,3維曲面和曲線上所有的幾何特征都被嚴格地保存在3個正交投影平面上了。不難理解,n維曲線上的全部信息可以嚴格地保留在任何n個正交平面的映象上。顯然,分析平面曲線的幾何特征要比分析高維曲線容易得多。如果三視圖與物體之間的位置選擇不當,例如圖1物體的正視圖旋轉(zhuǎn)一個角度,雖然保形降維變換的性質(zhì)不會破壞,但其他2個視圖上的映象曲線卻不再直觀了。這說明雖然任何正交的3維變換陣都有保形降維變換的性質(zhì),但為了能將空間物體的幾何特征解耦到各投影平面,必須正確選擇變換陣。2.3.2投資機群慣量中心相對運動軌跡的穩(wěn)定性數(shù)值積分法是目前分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的常規(guī)方法,但是只能憑經(jīng)驗來定性地解讀搖擺曲線。EEAC非但不是為了取代數(shù)值積分,相反它完全繼承,并將繼續(xù)繼承數(shù)值積分技術的新成果。因此無論n機電力系統(tǒng)的數(shù)學模型和受擾場景如何復雜,只要數(shù)值積分法可以求取系統(tǒng)的受擾軌跡,EEAC也得到同樣的軌跡(見圖2)。EEAC的貢獻僅僅是對該軌跡實施進一步的數(shù)據(jù)挖掘。因此,若其數(shù)據(jù)挖掘部分的理論和算法正確,則EEAC量化功能必定正確。直接判斷高維搖擺曲線的非線性動力學拓撲特性(例如軌跡上是否存在動態(tài)鞍點)的努力一直沒有成功。EEAC提出的互補機群慣量中心相對運動(CCCOI)變換是個滿秩的線性變換,它將Rn搖擺曲線映射到n個互不相關的狀態(tài)平面,映射步長等于原積分步長。在每個映象平面上,得到2條等值軌跡。不難證明,這n對搖擺曲線嚴格地保留了原n維搖擺曲線的拓撲特性,也即動態(tài)鞍點既不會增加,也不會減少,其位置可以通過相同的時間量互相索引。如果所有的映象平面軌跡穩(wěn)定,高維軌跡就一定穩(wěn)定;如果有任何一個映象平面軌跡不穩(wěn)定,高維軌跡就一定不穩(wěn)定。換句話說,原n維軌跡的穩(wěn)定充要條件與對應的n個映象平面軌跡的穩(wěn)定充要條件嚴格相等。高維系統(tǒng)穩(wěn)定性的定性分析與定量分析問題,被嚴格地變換為映象平面軌跡的數(shù)據(jù)挖掘問題。上述數(shù)據(jù)挖掘思路是針對仿真軌跡的,獨立于數(shù)學模型,因此能適應各種高維非自治非線性動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。2.3.3將比例水質(zhì)作為新的分析工具的方法在中國的應用數(shù)值積分方法采用的假設為:在且僅在同一個積分步長之內(nèi),多機系統(tǒng)的時變參數(shù)被“凍結”為常數(shù)(例如取為該積分步開始時的值),而非線性因素則被線性化。原時變非線性微分方程被逐個步長地變換為Rn定常的線性微分方程,從而可以對積分步結束時的變量和參數(shù)值進行預測及校正。顯然，對這樣逐個步長地定?；?、線性化的微分方程,可以通過逐段求取特征值的方法來判斷其穩(wěn)定性。對上述Rn逐段定常的線性微分方程施加CCCOI變換,得到的n個R2映象微分方程也都是逐段定常、線性的。顯然,映象微分方程的特征值與原方程的特征值相等。由于映象微分方程與前面得到的R2映象軌跡嚴格對應,因此,映象軌跡的拓撲特征與映象微分方程的特征值相符。由于映象軌跡的拓撲特征可以通過數(shù)據(jù)挖掘得到,故不難識別映象軌跡上的動態(tài)鞍點,進而識別出原高維軌跡上的動態(tài)鞍點。映象平面上兩條等值軌跡之間的暫態(tài)能量,以及動態(tài)鞍點的臨界能量,都可以在相應的擴展相平面上得到。這兩個能量值之差反映了映象軌跡的不穩(wěn)定程度。通過映象軌跡的穩(wěn)定裕度對于某參數(shù)的靈敏度分析,得到映象的穩(wěn)定極限,然后就可以按最小值準則來確定原系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度、極限值及主導模式。在多機系統(tǒng)積分精度的含義上,該方法是嚴格的定量方法,而其量化能力又大大減少了總計算量。美國國家科學基金會的電力系統(tǒng)工程研究中心在2005年2月發(fā)布了關于在線暫態(tài)穩(wěn)定分析的一份詳盡的調(diào)查報告。其中,對于“采用的在線動態(tài)安全分析工具的基礎是什么”的問題,被詢問的6個供應商中有3個采用EEAC技術,共有47個用戶;2個供應商采用了TEF方法,共有3個用戶;只有1個供應商僅僅采用數(shù)值積分法,且尚無用戶。由此可見,僅靠加快積分速度并不能實現(xiàn)在線穩(wěn)定分析的真正意義,而量化分析的重要性已成共識。由我國編寫的EEAC程序已被成功用于29個境內(nèi)用戶和35個境外用戶,包括美國的BPA,TVA,ERCOTISO,AmerenUE,CenterPointEnergy,SouthernCompanyServices,AmericanTransmissionCompany,EntergyServiccsInc.,加拿大的ManitobaHydro,HydroOne,IMO,墨西哥的CFE,愛爾蘭的ESBNationalGrid和我國香港的中華電力。特別在“8·14”事件后,已開始被美國電網(wǎng)實施到在線穩(wěn)定分析工程中。2.4暫態(tài)電壓暫態(tài)誤差在線分析靜態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)的電壓穩(wěn)定及可接受性的在線分析的必要性可從“8·14”大停電過程中記錄到的錄波圖中看出。電壓在0.5s內(nèi)跌到大約0.6(標幺值),大量感應電動機減速且在故障清除后吸收大量電流并堵轉(zhuǎn)。電壓在0.6(標幺值)附近停留了大約1min后,開始非常緩慢地上升,8min后恢復到0.9(標幺值)。期間,不少發(fā)電機由于低頻而跳閘,致使大量負荷被切除,最終導致大范圍停電。由此可見,先進的在線分析工具應該能定量地分析暫態(tài)頻率跌落問題。與之類似,需要對靜態(tài)和暫態(tài)電壓的可接受性進行在線分析。功角、頻率、電壓和電流是互相耦合的,必須同時保證各方面的穩(wěn)定裕度,整個系統(tǒng)才能稱為穩(wěn)定。因此,應該在統(tǒng)—的框架中綜合分析功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。2.5u3000有多個條件域的一維功率全為了求取注入功率空間中的穩(wěn)定域邊界,可取各發(fā)電功率為目標參數(shù)進行靈敏度分析。對一個給定的故障集,所有潛在臨界群的發(fā)電功率構成了一個極限值向量。其維數(shù)大致上等于發(fā)電機數(shù),如果某一故障對應于一個多機群,則注入功率空間中應該增加一維,以限制該多機群的總發(fā)電功率。如果若干個故障對應于同一個臨界群,則該群的功率極限應取為所求得的幾個極限值中的最小者。該向量在注入空間中定義了暫態(tài)穩(wěn)定域,只要工作點處于其內(nèi),則故障集中的故障就不會使系統(tǒng)失穩(wěn)。用棒狀圖分別把各臨界群的發(fā)電功率極限值表示為穩(wěn)定域的一維,就可以直觀地比較高維的運行向量與極限向量。這可以減小運行人員技術水平和心理狀態(tài)對系統(tǒng)安全的影響,并有效地提高他們的經(jīng)驗。要強調(diào)的是,工作點變化以后,穩(wěn)定域必須重新計算。3dems軟件的應用需要和提高穩(wěn)定性“8·14”大停電過程中,最早的5個相繼開斷(記為m=5)跨越了62min。由于組件數(shù)N高達數(shù)萬，離線計算能力連按照完整的N—2準則進行穩(wěn)定分析都有困難,更不用說N—5準則了。因此調(diào)度員不可能從離線編制的運行規(guī)程中找到指導。如果采用在線方式分析實際運行工況下的穩(wěn)定性,并且在3min內(nèi)完成N—1穩(wěn)定校核,那么不論m有多大,就可以達到離線N—m校核的效果。這將大大提高對相繼故障大停電的防御能力。在線穩(wěn)定分析軟件應該及時跟蹤系統(tǒng)的變化,在足夠短的時間內(nèi)完成對所有感興趣的故障場景的穩(wěn)定性評估。它必須工作在DEMS的應用軟件支撐環(huán)境中,與其他應用軟件共享各種資源。在線環(huán)境下,周期地讀取狀態(tài)估計的結果,并能最大程度地利用可以得到的外部電網(wǎng)的數(shù)據(jù),根據(jù)時段和聯(lián)絡線功率誤差最小原則,匹配不可觀部分的工況。它還應該支持實時、歷史、運行規(guī)劃和培訓等多種工作態(tài)。在線穩(wěn)定分析軟件應該具備各種定性分析和量化分析的能力,并全面評估電網(wǎng)的熱穩(wěn)定、靜態(tài)電壓安全、暫態(tài)功角穩(wěn)定、暫態(tài)電壓偏移安全和暫態(tài)頻率偏移安全,以及低頻振蕩的阻尼特性?？煽康刈R別電網(wǎng)運行的不安全因素并及時預警,需要時進行穩(wěn)定控制措施的評估和優(yōu)化,支持穩(wěn)定控制的自適應決策。先進的分析方法有利于充分利用輸電能力;快速的定量分析能有效地支持在線控制決策。對于運行人員和控制人員,系統(tǒng)在故障切除時刻的狀態(tài)只能通過數(shù)值積分來計算,運行人員無法憑經(jīng)驗估計也不能直接控制。因此,狀態(tài)空間穩(wěn)定域不能直接被運行人員接受。而在得到注入功率的穩(wěn)定域后,復雜的預防控制決策就像監(jiān)視電壓一樣簡單。不但能預警穩(wěn)定性危機,并可以建議如何預防性地改變運行工況。4自適應優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制“離線預算,實時匹配”方案是事先在離線環(huán)境下,針對系統(tǒng)不同的典型拓撲和初始工況,以及一組預定的事故逐個進行離線試探,為預防控制編制運行規(guī)程,或為緊急控制編制決策表。組合爆炸問題嚴重限制了可能考慮的工況特征的數(shù)量,以至許多工況都很難被決策表覆蓋。在線運行時,按實際工況和故障來匹配決策表,從中取出相關決策。但許多情況下,特別在相繼開斷后,很可能匹配失敗。決策表編制完以后,不可能輕易改變。顯然,該方案不但控制精度差,而且沒有自適應能力?！皩崟r分析,直接控制”方案在檢測到實際故障以后才開始決策分析。由于此時的工況和故障都已知,因此不再需要不相干的計算,因此有理想的自適應能力。但至少在可以預見的未來,在系統(tǒng)失穩(wěn)前最多允許的時間(例如50ms)內(nèi)不可能完成對控制策略進行校核或比較的仿真計算。即使假設將來能在50ms內(nèi)完成所有的分析,但由于拖延了緊急措施起作用的時刻,對控制效果的影響也是得不償失的。文獻基于PMU實測信息,用EEAC進行暫態(tài)穩(wěn)定預測,并實施控制。但是,用PMU可以得到系統(tǒng)實際的受擾軌跡,但無助于評估控制效果,故對“實時分析,直接控制”方案并無幫助?！霸诰€預算,實時匹配”方案由文獻首次提出,并已有成功的工程應用。如果能在2min～3min內(nèi),按N—1安全準則對一個工況下的所有預想故障完成控制決策的優(yōu)化分析,就可以根據(jù)在線采集到的實際工況,每3min刷新一次控制決策表。此時,決策表中只需要故障這一個索引項。該方案使費時的優(yōu)化搜索過程在擾動發(fā)生前就完成,而檢測到故障后僅需按實際故障來匹配決策表,所耗時間幾可忽略。在緩慢的相繼開斷過程中,如果兩個相鄰故障之間的間隔時間與該刷新周期相比有足夠的時間余量,就相當于采用了離線按N-m準則預想的決策表,可以應對任意個緩慢演化的相繼事件。如果在前一個故障發(fā)生后的10min內(nèi),下一個故障還沒有發(fā)生,則調(diào)度員就有可能在決策表的支持下實施必要的預防措施,以減小下一個事件的發(fā)生概率和嚴重性。對于緊急控制來說,由于沒有人的介入,故處理相繼故障的能力非常好。不論預防控制還是緊急控制,“在線預算,實時匹配”的框架和快速的定量算法都是自適應優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制的必要基礎。算法、并行處理和控制框架等方面的進步必將不斷縮短決策表的刷新周期,如果決策表的刷新周期只需要10s,那么“在線預算,實時匹配”方案的自適應效果就與理想的“實時計算,實時控制”方案基本相同,但控制的適時性卻是后者無法比擬的。5穩(wěn)定控制的優(yōu)化5.1安全穩(wěn)定的數(shù)學模型穩(wěn)定控制通過改變受擾狀態(tài)點與穩(wěn)定域的相對位置,使實際受擾軌跡不會逃逸出狀態(tài)空間中的穩(wěn)定域。因此,控制手段既可以將故障前的運行點移向穩(wěn)定域(即預防控制),也可以將后者移向前者(即緊急控制或校正控制)。大擾動穩(wěn)定控制的決策優(yōu)化,需要在龐大的決策空間中搜索風險代價最小的策略,包括控制時間、控制對象和控制量等方面。預測型控制(例如預防控制和緊急控制)針對的是預想故障集中的故障,而反饋型控制(例如校正控制)針對的是實際動態(tài)響應中的特征。其數(shù)學規(guī)劃問題的要素包括系統(tǒng)方程、反映經(jīng)濟性的目標函數(shù)、反映安全穩(wěn)定性的約束條件,以及控制變量、尋優(yōu)策略、決策時機和控制時機等。系統(tǒng)的數(shù)學模型中,除了代數(shù)微分方程外,還需要用差分方程和邏輯語句描述各種保護、控制及相繼開斷。其中含有高維的強非自治性、強非線性,例如開關特性、延遲特性,甚至方程形式和數(shù)量的切換。預防控制措施反映在改變大擾動前的數(shù)學模型和/或初始條件上;繼電保護、緊急控制和校正控制則施加在大擾動發(fā)生后的數(shù)學模型上。優(yōu)化的目標函數(shù)一般取為控制代價,例如預防控制所增加的日常運行費用,或緊急控制的控制措施的風險代價。如果要協(xié)調(diào)故障發(fā)生前實施的預防控制與故障發(fā)生后實施的緊急控制,就必須將兩種不同時間尺度的控制代價表達為可比項之和函數(shù)。系統(tǒng)的安全穩(wěn)定要求則反映在約束條件中。只有當其極限值可以表達為常數(shù)或顯函數(shù)時,才能用代數(shù)不等式約束來反映安全穩(wěn)定要求,例如熱穩(wěn)定性、靜態(tài)電壓的可接受性。為了考慮暫態(tài)安全穩(wěn)定性,大多數(shù)文獻用固定值來限制功角擺動值,另外一些則希望通過能量函數(shù)法來將穩(wěn)定要求表達為代數(shù)不等式。這些方法的共同缺陷是沒有反映穩(wěn)定的充要條件,因此不能引入量化分析技術。EEA