摘要：隨著中國現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)的不斷發(fā)展，如何整合協(xié)調(diào)已有的各種控制子系統(tǒng)，構建現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)越來越受到關注。首先總結了直流輸電對交直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的顯著影響，分析了電網(wǎng)中控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，進而指出當前各種控制子系統(tǒng)都是為了解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個問題而自然出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設計，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制，“二次”控制系統(tǒng)需要向深度融合的物理信息系統(tǒng)演化。從系統(tǒng)論、控制論及協(xié)同論的觀點入手, 提出了構建分散—集中型現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的若干原則和總體框架，并舉例闡述了體現(xiàn)這些原則的工程實例。

關鍵詞 : 現(xiàn)代電網(wǎng);協(xié)調(diào)控制;分散—集中型;協(xié)同論

國家電網(wǎng)公司科技項目“電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模及承載能力與平衡結構演化規(guī)律研究”。

0 引言

世界范圍內(nèi)工業(yè)的發(fā)展歷經(jīng)了從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0這四個階段，其特征可以這樣大致概括為：工業(yè)1.0實現(xiàn)了“大規(guī)模機械化生產(chǎn)”，工業(yè)2.0實現(xiàn)了“電氣化生產(chǎn)”，工業(yè)3.0實現(xiàn)了“自動化生產(chǎn)”，而工業(yè)4.0實現(xiàn)了“定制化生產(chǎn)”。對照工業(yè)1.0～工業(yè)4.0，縱觀世界范圍內(nèi)電網(wǎng)的發(fā)展歷程[1]，大體上也可分為三個階段，即“電氣化”、“自動化”與“智能化”階段。這三個階段的主要特征分別是：第一階段側重一次設備的建設(發(fā)電廠及電力系統(tǒng))，第二階段側重電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展(電力系統(tǒng)及其自動化)，第三階段則側重于構建一個具有智能、協(xié)調(diào)、融合、互動、可持續(xù)發(fā)展等特征的綜合能源網(wǎng)(智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng))。

中國電網(wǎng)目前總體上處于第二階段，并正在向第三階段發(fā)展?；仡欀袊娋W(wǎng)的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，以大型水電基地的開發(fā)外送為契機，中國逐漸形成了交直流混合電網(wǎng)的格局;未來隨著特高壓交直流輸電工程的建設，中國還將進一步形成特高壓交直流混合電網(wǎng)[2-5]，并與周邊國家互聯(lián)形成更大范圍內(nèi)的能源互聯(lián)網(wǎng)。以特高壓交流構建骨干網(wǎng)架，滿足晉陜蒙川等地區(qū)大型能源基地開發(fā)外送需要，并充分發(fā)揮特高壓交流輸送容量大、聯(lián)網(wǎng)能力強、運行靈活的特點;以特高壓直流遠距離送電[6-9]，特別在解決疆電外送、川電外送和藏電外送以及跨國輸電等問題中發(fā)揮重要作用。

從信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS)的角度來看，電力系統(tǒng)大體上可以分為三層：第一層是“一次”本體物理系統(tǒng)，主要由各種發(fā)輸變電一次設備構成;第二層是“二次”控制保護系統(tǒng)，主要由各種附屬于一次設備的控制保護裝置構成，主要用于實現(xiàn)物理系統(tǒng)本體的自身控制功能，是信息物理系統(tǒng)的初級體現(xiàn)形式;第三層可認為是深度融合的信息物理系統(tǒng)，主要由各種廣域的信息通信與測控系統(tǒng)構成，定位于信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的深度融合，強調(diào)信息的全局獲取、互聯(lián)與共享，強調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)感知和靈活可控，強調(diào)數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)，從而極大地提升系統(tǒng)的全局可觀性與可控性。

可以看出，電力系統(tǒng)的三個發(fā)展階段與上述三個層次存在著較強的對應關系，即第一階段“電氣化”階段主要側重于“一次”物理系統(tǒng)的發(fā)展，第二階段“自動化”階段主要側重于“二次”控制裝置的發(fā)展，第三階段“智能化”階段主要側重于信息物理系統(tǒng)的深度融合。

在中國電網(wǎng)智能化發(fā)展技術方面，許多學者提出了研究思路和解決措施[10-16]，分別從發(fā)展趨勢、電網(wǎng)結構、防御體系、調(diào)度系統(tǒng)、運行能力等方面進行了闡述。而現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)是一個復雜的廣域巨型系統(tǒng)，呈現(xiàn)出高電壓、大電流、高維度、非線性、復雜性等諸多特性，需要站在歷史發(fā)展角度，應用現(xiàn)代系統(tǒng)科學等新理論對目前電力系統(tǒng)中已有的各種控制系統(tǒng)進行梳理反思、協(xié)調(diào)優(yōu)化和頂層設計，目前這方面的研究還很少。

從電網(wǎng)控制系統(tǒng)的角度來看，與設備的功能控制相比，電網(wǎng)的系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制有其特殊性，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)在線運行方式的識別與匹配要求高，對系統(tǒng)的全局運行信息需要進行一定程度上的狀態(tài)感知;控制的快速性要求高，控制策略的在線和實時生成難度大，需要大量知識和經(jīng)驗的前饋投入;故障識別的快速性和精準度要求高，需要多種判據(jù)綜合使用;控制策略和定值的適應性和魯棒性要求高，要能一定程度上覆蓋系統(tǒng)運行的不確定性和仿真誤差。因此，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)中對智能化要求程度極高的一種控制，在電網(wǎng)第三階段“智能化”的發(fā)展過程中大有可為。針對上述需求，可采用先進的信息通信技術和數(shù)據(jù)挖掘技術，實現(xiàn)信息的多層共享和系統(tǒng)的全局可觀，實現(xiàn)高度智能的策略生成，實現(xiàn)分層分散的協(xié)調(diào)控制，目的是從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構建多層級主動相互協(xié)調(diào)的智能控制系統(tǒng)。

本文分析了現(xiàn)代電網(wǎng)中各種控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，指出當前各種控制系統(tǒng)都是為了解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個問題而自然出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設計，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。本文從系統(tǒng)論、控制論及協(xié)同論[17]方法入手，提出了構建分散—集中型現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的若干原則和總體框架，并結合若干工程示例進行了闡述。

1 現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及對電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響的分析

1.1 電力系統(tǒng)中各種控制保護的發(fā)展、特點和層級

目前，電力系統(tǒng)中廣泛存在各種各樣的控制保護設備，如發(fā)電機的勵磁控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer, PSS)和各種保護、直流輸電的控制保護系統(tǒng)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)以及各種常規(guī)繼電保護等。

電力系統(tǒng)控制保護設備為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用，但縱觀這些控制保護設備的發(fā)展歷史，可以看出，它們都是為了有針對性的解決電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的各個問題而自然地、陸續(xù)地出現(xiàn)的，并非有計劃性的統(tǒng)籌設計，從而在整體上呈現(xiàn)出無序、雜散的特點。比如為了維持和調(diào)節(jié)發(fā)電機的機端電壓，出現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)控制器;而為了進一步提高發(fā)電機的調(diào)壓性能和響應速度，同時提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，由此進一步發(fā)展出了高倍數(shù)的快速勵磁控制器;但又一定程度上導致了電力系統(tǒng)阻尼特性的減弱和動態(tài)穩(wěn)定問題的顯現(xiàn)，于是又進一步發(fā)展出了PSS，作為勵磁附加控制。

對照電力系統(tǒng)自身一次設備固有的分層結構，其各種控制系統(tǒng)一定程度上也呈現(xiàn)出分層分級的特點，根據(jù)其功能定位，大體上也可分為元件級、設備級、區(qū)域級和全系統(tǒng)級，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)分級特點示意圖

Fig. 1 Scheme of the hierarchical acteristic of control systems in modern power system

其中，元件級控制器主要包括發(fā)、輸、變、用電各環(huán)節(jié)中關鍵單一元件的控制器，包括發(fā)電機、變壓器、晶閘管、負荷等的控制器，其主要目的和定位是實現(xiàn)關鍵元件自身某方面的單一或綜合控制功能。設備級控制器則主要指由若干元件集成的較復雜的設備的高級控制器，如FACTS設備、HVDC工程、智能變電站的上層控制器等。

現(xiàn)有的元件級和設備級控制系統(tǒng)的功能定位是實現(xiàn)元件或集成設備自身的單一控制目標和功能，各種元件和設備通過交流電網(wǎng)這一介質(zhì)來實現(xiàn)彼此之間的被動適應和自洽，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。

1.2 電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)從“二次”向全局智能協(xié)調(diào)的演化

以上所述這些用于實現(xiàn)本體設備自身功能的控制系統(tǒng)一般稱之為“二次”系統(tǒng)。以區(qū)別于“一次”本體設備。但值得指出的是，雖然這些“二次”系統(tǒng)是針對各個設備所獨立設計的，但是接入電網(wǎng)后一般都能夠平穩(wěn)運行，具有較好的適應性。分析其原因主要有如下兩個方面：

(1)“二次”系統(tǒng)設計時一般把本體設備與交流電網(wǎng)接口處的電壓等電氣量作為邊界接口變量，接口變量較為明確和單一，設備對電網(wǎng)的適應性較好。

(2)這些“二次”控制系統(tǒng)通過接入交流電網(wǎng)這一較為“柔性”的介質(zhì)來實現(xiàn)天然的、被動的協(xié)調(diào)自洽。交流電網(wǎng)的“柔性”體現(xiàn)在同步電機的慣性、網(wǎng)絡方程的線性等方面。

但是，被動協(xié)調(diào)的“二次”系統(tǒng)不是主動協(xié)調(diào)的趨優(yōu)系統(tǒng)，會存在如下問題：

(1)設備控制對系統(tǒng)強度的依賴和支撐問題。

新能源發(fā)電一般通過電力電子設備接入電網(wǎng)，與同步機工作機制不同，它不是有效的獨立電壓源，而是一個受控電流源，對外部電網(wǎng)系統(tǒng)的依賴度很高，但支撐性很弱。具體來說，新能源電源需要外部電網(wǎng)提供較強的并網(wǎng)電壓，新能源電源對此電壓進行鎖相并對電網(wǎng)產(chǎn)生一個受控的注入電流，以達到輸出指定功率的控制目標。而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機則是一個具有不可突變內(nèi)電勢的獨立電壓源，且其電角速度具有很大的慣性，其輸出電流則由外部網(wǎng)絡決定，所以傳統(tǒng)同步機對外部電網(wǎng)的電壓支撐性很強，同時其抗擾性也很強，其內(nèi)電勢可以在擾動前后保持不變，外部網(wǎng)絡的擾動都體現(xiàn)在輸出電流的變化上。因此，隨著電力電子并網(wǎng)電源占比上升和旋轉(zhuǎn)同步電機占比下降，同步電網(wǎng)的強度和支撐性都在逐漸減弱，對新能源發(fā)電接入的承載能力也在逐漸下降。

(2)元件和設備級控制與系統(tǒng)級控制的協(xié)調(diào)問題。

現(xiàn)代電網(wǎng)的電力電子設備日趨增多，電力電子設備本質(zhì)上是基于波形瞬時值控制的裝置，但是為了較好地接入交流電網(wǎng)，往往需要將設備的外特性表現(xiàn)為工頻相量有效值(濾波器除外)，即底層瞬時值控制需要與上層有效值目標之間進行協(xié)調(diào)。如果協(xié)調(diào)不好，往往帶來諧波超標、鎖相環(huán)時滯、超同步及次同步諧振以及其他更嚴重的問題，當電力電子設備的容量和數(shù)量達到一定規(guī)模時，這些問題將更加突出。

(3)設備控制目標與系統(tǒng)安全的協(xié)調(diào)問題。

設備的“二次”系統(tǒng)一般傾向于保持本體設備的功能特性要求，這可能會對系統(tǒng)帶來正反饋不穩(wěn)定的負面影響。如具有自調(diào)節(jié)能力的現(xiàn)代負荷的恒功率控制器在邊界母線電壓下降時，為了保持負荷的恒功率會試圖按電壓的平方減小負荷的等值阻抗，而這反過來將會引起負荷母線電壓的進一步下降。與之相比，傳統(tǒng)的白熾燈、電阻絲等恒阻抗負荷則像交流電網(wǎng)一樣具備較好的“柔性”，即負荷功率隨著母線電壓下降而下降。

(4)設備功率控制目標與系統(tǒng)供給和消納能力的協(xié)調(diào)問題。

新能源發(fā)電的功率控制目標是追蹤最大出力(maximum power point tracking，MPPT)，具有間歇性、隨機性的特點;電動汽車負荷的功率控制也具備時空隨機性和間歇性的特點。對這些設備來說，所接入的電網(wǎng)就是一個無窮大系統(tǒng)，它們只需要把目標功率注入和抽取即可，而其實由此帶來的功率不平衡都需要靠網(wǎng)內(nèi)其他機組的調(diào)峰和備用來解決，隨著新能源以及電動汽車的飛速發(fā)展，這一協(xié)調(diào)問題越來越突出。

針對以上問題，隨著先進信息通信技術的發(fā)展，以及系統(tǒng)理論研究的不斷深入，對網(wǎng)內(nèi)各種已有控制系統(tǒng)進行主動的協(xié)調(diào)優(yōu)化顯得越來越重要，即傳統(tǒng)的“二次”控制系統(tǒng)需要向智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)演化。該系統(tǒng)的特征是基于先進的信息通信和數(shù)據(jù)挖掘技術，實現(xiàn)全局可觀、分層分散協(xié)調(diào)控制，目的是從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構建多層級主動相互協(xié)調(diào)的自趨優(yōu)智能控制系統(tǒng)。

鑒于現(xiàn)代電網(wǎng)中高壓(特高壓)直流輸電的比重逐漸增加[2-5]，傳輸?shù)墓β试絹碓酱?，電壓等級也越來越高，而且高壓直流輸電的控制保護系統(tǒng)非常復雜，因此高壓直流輸電在現(xiàn)代電網(wǎng)的智能協(xié)調(diào)控制體系中占有重要地位，下面以高壓直流輸電為例，分析說明直流設備級“二次”控制系統(tǒng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響，以及直流“二次”控制系統(tǒng)主動參與系統(tǒng)級的智能協(xié)調(diào)控制對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的提升作用。

1.3 高壓直流輸電系統(tǒng)將在未來電網(wǎng)控制體系中發(fā)揮重要作用

高壓直流輸電因其調(diào)控范圍廣(距離遠)、調(diào)控力度大(容量大)，將在未來智能電網(wǎng)控制體系中發(fā)揮重要作用，本節(jié)以高壓直流輸電系統(tǒng)為例，闡述設備控制對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性正反兩方面的影響。

高壓直流輸電為大型能源基地的大容量、遠距離送出提供了有效的技術手段，但也給交直流混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性帶來了如下挑戰(zhàn)：

(1) 為保護換流閥等關鍵設備，直流線路故障和換流閥故障都有可能導致直流閉鎖?，F(xiàn)有的特高壓直流輸送容量一般為8000～12000 MW，因此在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，直流閉鎖會給交流電網(wǎng)帶來較大的有功功率盈缺沖擊，將會引起送受端系統(tǒng)內(nèi)的潮流重新分布以及頻率、電壓等問題，嚴重時將引起系統(tǒng)穩(wěn)定破壞;在交直流并聯(lián)系統(tǒng)中，直流閉鎖會給并聯(lián)的交流電網(wǎng)帶來較大的有功潮流轉(zhuǎn)移沖擊，可能引起并聯(lián)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定破壞，影響范圍大，一般需要采取相應的安全穩(wěn)定控制措施。

(2) 基于LLC(電流源型換流器)的高壓直流輸電技術，需要受端交流電網(wǎng)提供足夠的換相電壓，因此需要從兩側交流系統(tǒng)吸收大量的無功，而且在換相失敗后的功率恢復過程中從交流系統(tǒng)吸收的無功功率將更多，從而引發(fā)電壓穩(wěn)定問題。多饋入直流之間的電氣距離短、相互影響大，因此多饋入直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題將更加突出。

(3) 在直流換流站附近的交流系統(tǒng)短路故障，可能會導致直流系統(tǒng)換相失敗，從而導致直流輸送功率受阻。與直流閉鎖不同的是，如果直流換相失敗持續(xù)的時間不夠長，將不會導致直流閉鎖。但在直流換相失敗期間，直流的輸送功率已經(jīng)受阻，相應的潮流轉(zhuǎn)移和功率盈余已經(jīng)發(fā)生，將會導致送受端系統(tǒng)電壓、潮流和頻率的波動，嚴重時可能帶來進一步的連鎖反應。

但從系統(tǒng)全局控制的角度來看，直流輸電也是可以充分利用的優(yōu)質(zhì)控制資源，可參與到系統(tǒng)級的智能協(xié)調(diào)控制中，具體如下：

(1) 直流輸電的緊急功率調(diào)制、頻率調(diào)制、附加阻尼控制、附加次同步振蕩阻尼控制等控制功能可用來充分提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性等性能。

(2) 直流輸電的緊急功率調(diào)制功能可以在一定程度上替代切負荷等安控措施。對于非交直流并列系統(tǒng)，在交流系統(tǒng)內(nèi)速降外送直流的輸送功率，即等效于在此交流系統(tǒng)內(nèi)采取切負荷措施，既可以達到切負荷措施的效果，又可以避免真正的負荷損失，是高效有力的有功控制資源。對于交直流并列系統(tǒng)，速升直流系統(tǒng)的輸送功率，即相當于減輕并列交流通道的潮流壓力，有利于提高交直流并聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，一定程度上可以達到送端切機、受端切負荷的控制效果。

與直流系統(tǒng)類似，現(xiàn)代電網(wǎng)中其他設備或元件的控制系統(tǒng)在完成自身控制功能的同時，也可為系統(tǒng)全局特性提供控制資源。因此，有必要研究構建現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制體系框架，以充分協(xié)調(diào)整合系統(tǒng)內(nèi)的各種控制資源，為全系統(tǒng)安全穩(wěn)定服務。

2 現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的理論基礎與構建原則

2.1 技術需求

現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)是一個典型的復雜巨系統(tǒng)，僅針對局部功能需求而完成的各分散控制子系統(tǒng)并不能滿足系統(tǒng)全局優(yōu)化控制的要求，而需要將現(xiàn)代系統(tǒng)理論的方法和觀點應用到現(xiàn)代電網(wǎng)的系統(tǒng)控制領域中，加強頂層設計，構建現(xiàn)代電網(wǎng)的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

2.2 理論基礎

按照系統(tǒng)科學的觀點，任何系統(tǒng)都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要素在孤立狀態(tài)下所沒有的性質(zhì)。研究系統(tǒng)的目的在于調(diào)整系統(tǒng)結構，協(xié)調(diào)各要素關系，使系統(tǒng)達到優(yōu)化目標。

根據(jù)協(xié)同論的觀點，在每個等級上，系統(tǒng)都是其下層組成部分的整體，同時又是上層系統(tǒng)的參加者。大系統(tǒng)中的許多小系統(tǒng)既相互作用，又相互制約，它們的平衡結構，以及由舊的結構轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕Y構，具有一定的規(guī)律。

協(xié)同論還指出，有序結構的出現(xiàn)不一定非要遠離系統(tǒng)平衡態(tài)(此處的平衡態(tài)指無序結構狀態(tài)、對應沙堆模型的坍塌態(tài))，系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的協(xié)同動作也能夠?qū)е孪到y(tǒng)演化至另一個新結構。

通過以上理論可以得出：

(1)系統(tǒng)由若干層級和子系統(tǒng)構成，且各層級和子系統(tǒng)之間都具備相對獨立性，相對獨立是進行相互協(xié)調(diào)的前提，各要素相互協(xié)調(diào)可使系統(tǒng)優(yōu)化。

(2)系統(tǒng)在其內(nèi)部各要素之間的協(xié)同作用下，由一個有序結構演化至另一個新的有序結構，且這一協(xié)同作用具有規(guī)律可循。

這將成為構建現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架的理論基礎。

2.3 構建原則

根據(jù)以上理論基礎，結合各控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的構建原則如下：

(1)應當充分利用現(xiàn)有各種控制資源，構建分散—集中型智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

1)高度集中的智能控制系統(tǒng)很脆弱，分散—集中型的智能控制系統(tǒng)與之相比可靠性更高，抗打擊能力也更強，包括抵御外界信息攻擊和物理沖擊的能力。

2)分散—集中型的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)并不破壞下層控制系統(tǒng)的原有功能和結構，只是通過引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量的方式來從更高一層實現(xiàn)原有多個控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。

3)分散—集中型的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是建立在原有的下層控制系統(tǒng)基礎之上的，而且通過電網(wǎng)物理系統(tǒng)實現(xiàn)大閉環(huán)，因此分散—集中型的智能控制系統(tǒng)更易獲取全局可行解。

(2)應注意保持各層子系統(tǒng)的智能化和相對獨立性，構建上層控制系統(tǒng)時，不應將下層控制系統(tǒng)簡單退化為執(zhí)行單元。

(3)電力系統(tǒng)中的各當?shù)仉姎饬恳惨欢ǔ潭壬咸N含了系統(tǒng)的全局信息，應注意充分利用電力系統(tǒng)的自然時空分布特性實現(xiàn)多層級控制之間的自然解耦與協(xié)調(diào)。多層級控制之間需要引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量時，應注意簡化、高效的優(yōu)化原則。

(4)協(xié)調(diào)控制層定位于提供增值服務和全局優(yōu)化，通過“協(xié)調(diào)”實現(xiàn)“協(xié)同”。

(5)在一些基本功能上，下層控制系統(tǒng)一定程度上具有上層控制系統(tǒng)的就地后備作用。

上述原則在一些電力系統(tǒng)工程實現(xiàn)與研究的案例中已有不同程度的體現(xiàn)和應用，詳見第3節(jié)所述，分別體現(xiàn)了跨不同層級之間的協(xié)調(diào)控制。

3 體現(xiàn)電力系統(tǒng)跨層級協(xié)調(diào)控制原則的案例分析

3.1 區(qū)域級與全系統(tǒng)級之間的協(xié)調(diào)控制

3.1.1 交直流協(xié)調(diào)控制

圖2 交直流協(xié)調(diào)控制示意圖

Fig. 2 The scheme of AC-DC coordinated control

如圖2所示的區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，若發(fā)生直流C-B雙極閉鎖故障，區(qū)域A-B之間的交流聯(lián)絡線上會涌過大量潮流來補足區(qū)域B的功率缺額，為保持區(qū)域A對B的暫態(tài)穩(wěn)定，需要切除區(qū)域B負荷5800 MW，而速降區(qū)域B送D直流功率5500 MW也可保持暫態(tài)穩(wěn)定，可替代切負荷措施，減小了控制代價。該案例體現(xiàn)了上述原則(1)和(3)，即充分利用直流控制資源和電力系統(tǒng)的時空分布特性，將暫態(tài)穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為更大范圍內(nèi)的功率缺額問題。

3.1.2 廣域自適應解列控制

圖3 廣域自適應解列示意圖

Fig. 3 The scheme of wide-area adaptive islanding control

如圖3所示的區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，區(qū)域B和C之間若發(fā)生三個雙回線聯(lián)絡通道同時跳閘，則區(qū)域C與外部電網(wǎng)的剩余4個雙回線聯(lián)絡通道將于2.5 s內(nèi)陸續(xù)振蕩解列(順序如圖3中所示)，解列后區(qū)域C內(nèi)還需切除大量負荷才能恢復區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定。但如果采用基于系統(tǒng)全局功角信息的廣域自適應解列控制，則可根據(jù)發(fā)電機功角的全局動態(tài)特征，盡早判別系統(tǒng)失穩(wěn)，并結合機組分群失穩(wěn)模式，在1.5 s時就將區(qū)域B與區(qū)域A、C之間的剩余四個通道同時解列，解列后區(qū)域C內(nèi)的低頻減載量顯著減少，區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)更快恢復穩(wěn)定。該案例體現(xiàn)了上述原則(1)～(5)，上層的集中式廣域自適應解列控制利用全局功角信息作為協(xié)調(diào)變量，致力于提供控制速度更快和控制效果更優(yōu)的全局優(yōu)化增值控制，下層已有的分散式傳統(tǒng)解列裝置作為就地后備，充分利用當?shù)仉姎饬啃畔⒆鳛閰f(xié)調(diào)變量來推測系統(tǒng)全局狀態(tài)，并充分利用系統(tǒng)的自然時空分布特性實現(xiàn)被動的就地觸發(fā)式序貫控制，當上層的集中廣域控制失效時仍可分散就地獨立動作。

3.2 區(qū)域級與元件級之間的協(xié)調(diào)控制

3.2.1 基于直流SSDC的SSO控制

圖4 基于直流SSDC的SSO控制示意圖

Fig. 4 The scheme of SSO control based on HVDC SSDC

在火電機組就近通過直流送出，且與送端交流電網(wǎng)聯(lián)系較弱時，可能出現(xiàn)SSO(次同步振蕩)現(xiàn)象，可以通過采用直流SSDC(附加次同步阻尼控制)的附加控制功能實現(xiàn)SSO的阻尼控制。該案例在如圖4所示的控制系統(tǒng)框圖設計中，體現(xiàn)了上述原則(2)～(4)，將換流站交流母線電壓作為協(xié)調(diào)(約束)變量引入，從中提取次同步信號分量，在直流自身主控制功能的基礎上，通過SSDC附加控制功能，可實現(xiàn)SSO的抑制[18]。

3.2.2 AVC與SVC、CSR協(xié)調(diào)控制

隨著電力電子技術的發(fā)展，在電網(wǎng)中出現(xiàn)了一系列動態(tài)無功補償裝置，如SVC(靜止無功補償器)、STATCOM (靜止無功發(fā)生器)、CSR(可控高抗)等。這些設備一般都具有獨立的系統(tǒng)控制功能，能夠根據(jù)接入點的電壓或無功進行自主就地控制，輸出動態(tài)無功。而隨著電網(wǎng)全局自動電壓控制系統(tǒng)(AVC)的發(fā)展，AVC與這些無功補償設備之間的協(xié)調(diào)問題就越來越突出了。關于AVC與動態(tài)無功補償設備之間的協(xié)調(diào)控制目前有兩種思路，一種是將這些已有動態(tài)無功補償設備的控制功能退化，使其成為簡單的執(zhí)行單元，由AVC統(tǒng)一發(fā)出無功指令，動態(tài)無功補償設備只是根據(jù)指令執(zhí)行，這種思路實際上是統(tǒng)一控制;另一種思路是保留已有動態(tài)無功補償設備的就地控制功能，而將控制目標與響應范圍與AVC相協(xié)調(diào)，比如SVC或CSR一般都具有一個設定的電壓控制范圍，即控制目標的上下限(當系統(tǒng)電壓低于下限時則發(fā)出容性無功，當系統(tǒng)電壓高于上限時則發(fā)出感性無功，直至系統(tǒng)電壓進入控制目標的上下限之間，此時動態(tài)無功補償設備停止動作)。

該案例中，根據(jù)上文提出的協(xié)調(diào)控制原則(1)～(5)，筆者更傾向于后一種協(xié)調(diào)控制思路，即將SVC或CSR的帶狀電壓控制范圍的上下限定值作為與AVC的協(xié)調(diào)(約束)變量引入，該電壓控制范圍的上下限定值可由AVC根據(jù)系統(tǒng)全局情況在線設定和調(diào)整，而動態(tài)無功補償設備的具體動作行為則由其根據(jù)自身的控制功能完成。在該思路設計中，上層AVC為下層的設備控制提供優(yōu)化后的控制目標和邊界范圍，下層設備在合理的邊界范圍內(nèi)進行獨立控制，同時作為上層AVC的后備，各司其職，彼此協(xié)同，從而實現(xiàn)真正意義上的協(xié)調(diào)控制。

4 現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體框架

根據(jù)原則和應用案例，可提出現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架示意圖

Fig. 5 The scheme of framework of smart coordinated control system in hybrid AC-DC power system

現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架具有如下宏觀演進特征：從“功能達標”控制模式向“主動趨優(yōu)”控制模式轉(zhuǎn)變，從孤立控制模式向協(xié)調(diào)控制模式轉(zhuǎn)變，從孤島信息支撐向廣域信息共享轉(zhuǎn)變，從單純物理系統(tǒng)向物理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

在多層級、分散—集中型的現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中，各層級控制系統(tǒng)的功能定位如下所述：

(1) 全系統(tǒng)級智能協(xié)調(diào)控制主要實現(xiàn)全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制功能，包括區(qū)域間解列，跨區(qū)域的交直流協(xié)調(diào)控制，區(qū)域間聯(lián)絡線潮流控制，跨區(qū)域AGC等。

(2)區(qū)域級控制主要實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)層面的控制功能，包括區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制、區(qū)域電網(wǎng)AVC、區(qū)域電網(wǎng)AGC等。

(3) 設備(元件)級控制主要實現(xiàn)設備(元件)自身的控制功能。

在現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中，各不同層級控制系統(tǒng)在保持下一層級控制系統(tǒng)相對獨立的前提下，通過引入?yún)f(xié)調(diào)(約束)變量來實現(xiàn)各層級之間的協(xié)調(diào)控制。對于區(qū)域級控制系統(tǒng)，如果實現(xiàn)起來比較簡單，也可以只通過引入同一層級間的協(xié)調(diào)(約束)變量，而不經(jīng)過上一級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)區(qū)域?qū)蛹壷g的協(xié)調(diào)控制。各層級控制系統(tǒng)常用的協(xié)調(diào)(約束)變量如表1所示。

表1 現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架中各層級控制系統(tǒng)的常用協(xié)調(diào)(約束)變量

Table 1 The coordination/constraint variables of each layer system in the framework of smart coordinated control system in modern grid

本文提出方法和原則，應當在系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的框架設計和實際案例中予以注意和反思，并結合具體案例具體分析，以指導工程實際應用。

5 結論

本文應用系統(tǒng)科學中協(xié)同論等觀點，對目前電力系統(tǒng)中已有的各種控制系統(tǒng)的功能目標、發(fā)展歷史和協(xié)調(diào)特性進行梳理，在總結和反思的基礎上，提出電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的頂層設計理念、框架和若干原則，主要結論如下：

(1)電力系統(tǒng)現(xiàn)有多種控制系統(tǒng)的簡單疊加并不能構成真正意義上的現(xiàn)代電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。

(2)電力系統(tǒng)現(xiàn)有的各種設備的“二次”控制系統(tǒng)大都是為了實現(xiàn)設備的自身功能，通過接入交流電網(wǎng)來實現(xiàn)各設備之間的被動協(xié)調(diào)，缺乏來自系統(tǒng)全局角度的主動協(xié)調(diào)和趨優(yōu)控制。

(3)應從系統(tǒng)論、控制論、協(xié)同論等方法入手，以整個電網(wǎng)為控制對象，從系統(tǒng)全局角度出發(fā)，構建多層級、分散—集中型、主動相互協(xié)調(diào)的智能控制系統(tǒng)，以取得更大的增值效益。

(4)在現(xiàn)代電網(wǎng)智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，構建上層控制系統(tǒng)時，應注意保持各層子系統(tǒng)的智能化和相對獨立性，不應將其簡單退化為執(zhí)行單元。

(5)分散—集中型的智能控制系統(tǒng)比高度集中的智能控制系統(tǒng)具備更強的魯棒性。

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作者簡介：

李柏青(1963)，男，中國電科院副總工程師，系統(tǒng)所所長，教授級高級工程師，長期從事電力系統(tǒng)分析與控制研究工作。

秦曉輝(1979)，男，博士，教授級高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與控制研究工作，E-mail: qinxh@ epri.sgcc.com.cn。

原標題:現(xiàn)代交直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框架探討