现代交直流混合电网安全稳定智能协调控制系统框架探讨

摘要：随着中国现代交直流混合电网的不断发展，如何整合协调已有的各种控制子系统，构建现代电网的安全稳定智能协调控制系统越来越受到关注。首先总结了直流输电对交直流混合电网安全稳定性的显著影响，分析了电网中控制系统的现状，进而指出当前各种控制子系统都是为了解决电力系统发展过程中的各个问题而自然出现的，并非有计划性的统筹设计，缺乏来自系统全局角度的主动协调和趋优控制，“二次”控制系统需要向深度融合的物理信息系统演化。从系统论、控制论及协同论的观点入手, 提出了构建分散—集中型现代电网智能协调控制系统的若干原则和总体框架，并举例阐述了体现这些原则的工程实例。

关键词 : 现代电网;协调控制;分散—集中型;协同论

国家电网公司科技项目“电网发展规模及承载能力与平衡结构演化规律研究”。

0 引言

世界范围内工业的发展历经了从工业1.0到工业4.0这四个阶段，其特征可以这样大致概括为：工业1.0实现了“大规模机械化生产”，工业2.0实现了“电气化生产”，工业3.0实现了“自动化生产”，而工业4.0实现了“定制化生产”。对照工业1.0～工业4.0，纵观世界范围内电网的发展历程[1]，大体上也可分为三个阶段，即“电气化”、“自动化”与“智能化”阶段。这三个阶段的主要特征分别是：第一阶段侧重一次设备的建设(发电厂及电力系统)，第二阶段侧重电力系统自动化的发展(电力系统及其自动化)，第三阶段则侧重于构建一个具有智能、协调、融合、互动、可持续发展等特征的综合能源网(智能电网与能源互联网)。

中国电网目前总体上处于第二阶段，并正在向第三阶段发展。回顾中国电网的发展历程可以发现，以大型水电基地的开发外送为契机，中国逐渐形成了交直流混合电网的格局;未来随着特高压交直流输电工程的建设，中国还将进一步形成特高压交直流混合电网[2-5]，并与周边国家互联形成更大范围内的能源互联网。以特高压交流构建骨干网架，满足晋陕蒙川等地区大型能源基地开发外送需要，并充分发挥特高压交流输送容量大、联网能力强、运行灵活的特点;以特高压直流远距离送电[6-9]，特别在解决疆电外送、川电外送和藏电外送以及跨国输电等问题中发挥重要作用。

从信息物理系统(cyber physical system，CPS)的角度来看，电力系统大体上可以分为三层：第一层是“一次”本体物理系统，主要由各种发输变电一次设备构成;第二层是“二次”控制保护系统，主要由各种附属于一次设备的控制保护装置构成，主要用于实现物理系统本体的自身控制功能，是信息物理系统的初级体现形式;第三层可认为是深度融合的信息物理系统，主要由各种广域的信息通信与测控系统构成，定位于信息系统与物理系统的深度融合，强调信息的全局获取、互联与共享，强调系统的状态感知和灵活可控，强调数据挖掘与知识发现，从而极大地提升系统的全局可观性与可控性。

可以看出，电力系统的三个发展阶段与上述三个层次存在着较强的对应关系，即第一阶段“电气化”阶段主要侧重于“一次”物理系统的发展，第二阶段“自动化”阶段主要侧重于“二次”控制装置的发展，第三阶段“智能化”阶段主要侧重于信息物理系统的深度融合。

在中国电网智能化发展技术方面，许多学者提出了研究思路和解决措施[10-16]，分别从发展趋势、电网结构、防御体系、调度系统、运行能力等方面进行了阐述。而现代交直流混合电网是一个复杂的广域巨型系统，呈现出高电压、大电流、高维度、非线性、复杂性等诸多特性，需要站在历史发展角度，应用现代系统科学等新理论对目前电力系统中已有的各种控制系统进行梳理反思、协调优化和顶层设计，目前这方面的研究还很少。

从电网控制系统的角度来看，与设备的功能控制相比，电网的系统安全稳定控制有其特殊性，主要表现在：系统在线运行方式的识别与匹配要求高，对系统的全局运行信息需要进行一定程度上的状态感知;控制的快速性要求高，控制策略的在线和实时生成难度大，需要大量知识和经验的前馈投入;故障识别的快速性和精准度要求高，需要多种判据综合使用;控制策略和定值的适应性和鲁棒性要求高，要能一定程度上覆盖系统运行的不确定性和仿真误差。因此，系统的安全稳定控制是电力系统中对智能化要求程度极高的一种控制，在电网第三阶段“智能化”的发展过程中大有可为。针对上述需求，可采用先进的信息通信技术和数据挖掘技术，实现信息的多层共享和系统的全局可观，实现高度智能的策略生成，实现分层分散的协调控制，目的是从系统全局角度出发，构建多层级主动相互协调的智能控制系统。

本文分析了现代电网中各种控制系统的现状，指出当前各种控制系统都是为了解决电力系统发展过程中的各个问题而自然出现的，并非有计划性的统筹设计，缺乏来自系统全局角度的主动协调和趋优控制。本文从系统论、控制论及协同论[17]方法入手，提出了构建分散—集中型现代电网智能协调控制系统的若干原则和总体框架，并结合若干工程示例进行了阐述。

1 现代电网控制系统现状及对电网安全稳定影响的分析

1.1 电力系统中各种控制保护的发展、特点和层级

目前，电力系统中广泛存在各种各样的控制保护设备，如发电机的励磁控制、电力系统稳定器(power system stabilizer, PSS)和各种保护、直流输电的控制保护系统、电网安全稳定控制系统以及各种常规继电保护等。

电力系统控制保护设备为电力系统的安全稳定运行发挥了重要的作用，但纵观这些控制保护设备的发展历史，可以看出，它们都是为了有针对性的解决电力系统发展过程中的各个问题而自然地、陆续地出现的，并非有计划性的统筹设计，从而在整体上呈现出无序、杂散的特点。比如为了维持和调节发电机的机端电压，出现了励磁系统控制器;而为了进一步提高发电机的调压性能和响应速度，同时提高电力系统的静态和暂态稳定性，由此进一步发展出了高倍数的快速励磁控制器;但又一定程度上导致了电力系统阻尼特性的减弱和动态稳定问题的显现，于是又进一步发展出了PSS，作为励磁附加控制。

对照电力系统自身一次设备固有的分层结构，其各种控制系统一定程度上也呈现出分层分级的特点，根据其功能定位，大体上也可分为元件级、设备级、区域级和全系统级，如图1所示。

图1 现代电网控制系统分级特点示意图

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

其中，元件级控制器主要包括发、输、变、用电各环节中关键单一元件的控制器，包括发电机、变压器、晶闸管、负荷等的控制器，其主要目的和定位是实现关键元件自身某方面的单一或综合控制功能。设备级控制器则主要指由若干元件集成的较复杂的设备的高级控制器，如FACTS设备、HVDC工程、智能变电站的上层控制器等。

现有的元件级和设备级控制系统的功能定位是实现元件或集成设备自身的单一控制目标和功能，各种元件和设备通过交流电网这一介质来实现彼此之间的被动适应和自洽，缺乏来自系统全局角度的主动协调和趋优控制。

1.2 电力系统的控制系统从“二次”向全局智能协调的演化

以上所述这些用于实现本体设备自身功能的控制系统一般称之为“二次”系统。以区别于“一次”本体设备。但值得指出的是，虽然这些“二次”系统是针对各个设备所独立设计的，但是接入电网后一般都能够平稳运行，具有较好的适应性。分析其原因主要有如下两个方面：

(1)“二次”系统设计时一般把本体设备与交流电网接口处的电压等电气量作为边界接口变量，接口变量较为明确和单一，设备对电网的适应性较好。

(2)这些“二次”控制系统通过接入交流电网这一较为“柔性”的介质来实现天然的、被动的协调自洽。交流电网的“柔性”体现在同步电机的惯性、网络方程的线性等方面。

但是，被动协调的“二次”系统不是主动协调的趋优系统，会存在如下问题：

(1)设备控制对系统强度的依赖和支撑问题。

新能源发电一般通过电力电子设备接入电网，与同步机工作机制不同，它不是有效的独立电压源，而是一个受控电流源，对外部电网系统的依赖度很高，但支撑性很弱。具体来说，新能源电源需要外部电网提供较强的并网电压，新能源电源对此电压进行锁相并对电网产生一个受控的注入电流，以达到输出指定功率的控制目标。而传统的同步发电机则是一个具有不可突变内电势的独立电压源，且其电角速度具有很大的惯性，其输出电流则由外部网络决定，所以传统同步机对外部电网的电压支撑性很强，同时其抗扰性也很强，其内电势可以在扰动前后保持不变，外部网络的扰动都体现在输出电流的变化上。因此，随着电力电子并网电源占比上升和旋转同步电机占比下降，同步电网的强度和支撑性都在逐渐减弱，对新能源发电接入的承载能力也在逐渐下降。

(2)元件和设备级控制与系统级控制的协调问题。

现代电网的电力电子设备日趋增多，电力电子设备本质上是基于波形瞬时值控制的装置，但是为了较好地接入交流电网，往往需要将设备的外特性表现为工频相量有效值(滤波器除外)，即底层瞬时值控制需要与上层有效值目标之间进行协调。如果协调不好，往往带来谐波超标、锁相环时滞、超同步及次同步谐振以及其他更严重的问题，当电力电子设备的容量和数量达到一定规模时，这些问题将更加突出。

(3)设备控制目标与系统安全的协调问题。

设备的“二次”系统一般倾向于保持本体设备的功能特性要求，这可能会对系统带来正反馈不稳定的负面影响。如具有自调节能力的现代负荷的恒功率控制器在边界母线电压下降时，为了保持负荷的恒功率会试图按电压的平方减小负荷的等值阻抗，而这反过来将会引起负荷母线电压的进一步下降。与之相比，传统的白炽灯、电阻丝等恒阻抗负荷则像交流电网一样具备较好的“柔性”，即负荷功率随着母线电压下降而下降。

(4)设备功率控制目标与系统供给和消纳能力的协调问题。

新能源发电的功率控制目标是追踪最大出力(maximum power point tracking，MPPT)，具有间歇性、随机性的特点;电动汽车负荷的功率控制也具备时空随机性和间歇性的特点。对这些设备来说，所接入的电网就是一个无穷大系统，它们只需要把目标功率注入和抽取即可，而其实由此带来的功率不平衡都需要靠网内其他机组的调峰和备用来解决，随着新能源以及电动汽车的飞速发展，这一协调问题越来越突出。

针对以上问题，随着先进信息通信技术的发展，以及系统理论研究的不断深入，对网内各种已有控制系统进行主动的协调优化显得越来越重要，即传统的“二次”控制系统需要向智能协调控制系统演化。该系统的特征是基于先进的信息通信和数据挖掘技术，实现全局可观、分层分散协调控制，目的是从系统全局角度出发，构建多层级主动相互协调的自趋优智能控制系统。

鉴于现代电网中高压(特高压)直流输电的比重逐渐增加[2-5]，传输的功率越来越大，电压等级也越来越高，而且高压直流输电的控制保护系统非常复杂，因此高压直流输电在现代电网的智能协调控制体系中占有重要地位，下面以高压直流输电为例，分析说明直流设备级“二次”控制系统对电网安全稳定的影响，以及直流“二次”控制系统主动参与系统级的智能协调控制对电网安全稳定性的提升作用。

1.3 高压直流输电系统将在未来电网控制体系中发挥重要作用

高压直流输电因其调控范围广(距离远)、调控力度大(容量大)，将在未来智能电网控制体系中发挥重要作用，本节以高压直流输电系统为例，阐述设备控制对电网安全稳定性正反两方面的影响。

高压直流输电为大型能源基地的大容量、远距离送出提供了有效的技术手段，但也给交直流混合电网的安全稳定性带来了如下挑战：

(1) 为保护换流阀等关键设备，直流线路故障和换流阀故障都有可能导致直流闭锁。现有的特高压直流输送容量一般为8000～12000 MW，因此在交直流混联电网中，直流闭锁会给交流电网带来较大的有功功率盈缺冲击，将会引起送受端系统内的潮流重新分布以及频率、电压等问题，严重时将引起系统稳定破坏;在交直流并联系统中，直流闭锁会给并联的交流电网带来较大的有功潮流转移冲击，可能引起并联交流系统的稳定破坏，影响范围大，一般需要采取相应的安全稳定控制措施。

(2) 基于LLC(电流源型换流器)的高压直流输电技术，需要受端交流电网提供足够的换相电压，因此需要从两侧交流系统吸收大量的无功，而且在换相失败后的功率恢复过程中从交流系统吸收的无功功率将更多，从而引发电压稳定问题。多馈入直流之间的电气距离短、相互影响大，因此多馈入直流系统的电压稳定问题将更加突出。

(3) 在直流换流站附近的交流系统短路故障，可能会导致直流系统换相失败，从而导致直流输送功率受阻。与直流闭锁不同的是，如果直流换相失败持续的时间不够长，将不会导致直流闭锁。但在直流换相失败期间，直流的输送功率已经受阻，相应的潮流转移和功率盈余已经发生，将会导致送受端系统电压、潮流和频率的波动，严重时可能带来进一步的连锁反应。