用于电力潮流控制的电力系统灵敏度的确定和使用

摘要

本发明涉及从电力潮流控制装置(PFC)的电力潮流参数和控制参数来计算电力系统灵敏度。为此，控制参数变化应用于PFC(20)或由PFC(20)产生，并且包括控制输入u、控制工作e(注入串联电压、插入串联电抗)或者控制作用q(电力潮流、有功功率传输、移相、电流)的变化。电力潮流响应测量单元(40)以与控制参数变化充分同步的方式来测量例如电流、有功或视在功率等的电力潮流响应的变化，以便允许建立采取电力系统灵敏度形式的明确因果关系或对应性。后者可以在线修改，以连续反映电力系统行为的更新方面，并且因此实现包括具有连接两个区域或子系统的两个平行流路或通道的网状电力网的电力系统中改进的快速和可靠的电力潮流控制。

说明书

技术领域

本发明涉及包括互连不同区域的多个输电通道的电力系统中的电力潮流控制(power flow control)领域。

背景技术

随着电力市场正进行的非管制化，从遥远的发电机到本地消费者的电力的负荷转移和转运已经成为一般惯例。由于电力企业与优化资产的新需求之间的竞争，实质增加的电量通过现有网络传送，从而有时引起阻塞、输电瓶颈和/或输电系统的部分的振荡。在这方面，输电网是高度动态的，并且响应变化的网络状态、发电单元所注入的负荷或功率，备选传输路径上的电力潮流可能需要再分配。

因此，在没有发电重新调度或拓扑结构变化的传输系统中的电力潮流的重定向和均匀再分配的基于网络的控制成为独立输电系统运营机构(TSO)掌握的非常重要的手段。按照输电网的当前拓扑结构和电力流情况进行变更，优选地通过用于控制母线电压(bus voltage)、线路电流或相位角以及设计成供应无功功率以支持电压并提供稳定性增强的网络控制器或电力潮流控制装置(PFC)。这些装置安装在输电线站(transmission line station)，以便调整各输电线中的电力潮流，使得可引导电力在输电网的大量线路中以安全稳定且平衡的方式流动。

例如移相变压器(PST)、柔性交流输电系统(FACTS)装置或高压直流(HVDC)装置等PFC改进输电网的动态性能。可执行电力潮流控制的FACTS装置的示例是统一电力潮流控制器(UPFC)、静态同步串联补偿器(SSSC)、晶闸管控制串联补偿器(TCSC)和晶闸管开关串联补偿器(TSSC)。PFC经由控制或操作参数来控制，从而产生来自PFC装置的离散(例如PST和TSSC)或连续响应，视其性质而定。

常规惯例是以相当静态的方式来改变PFC的控制或操作参数，和/或基于在其中安装了PFC装置的变电站中执行的局部测量来使用闭环控制。例如，在PST的情况下，分接开关(tap changer)的位置基于将各种组件的传输极限考虑在内的全局损失最小化或最佳电力潮流计算以及由操作员手动设置并且通常以小时为单位的时标进行更新的位置来计算。这样，也可考虑在与直接控制下的路径不同的路径上的传输极限。典型操作惯例意味着，在任一个网络组件因故障而断开连接时，PFC设置成使得也满足传输极限而无需附加电力潮流控制工作。通常称作N-1安全性限制的这种安全性限制构成在扰动的情况下传输网络的有效操作与网络的安全性之间的折衷。因此，在扰动之前的时间周期中，网络因安全性限制而不太有效地进行操作。此外，在更严重扰动、即安全性限制中没有包含的扰动的情况下，响应很慢，因为在循环中存在操作人员，以及通常通过SCADA系统得到的状态快照和状态估计可能没有足够可靠或快速更新以确保遵守传输极限。这又可导致逐级线路跳闸，因为如果SCADA/EMS系统和操作人员的组合响应时间过长，则过载线路通过局部保护断开连接。

基于功率电子半导体组件并且其主要功能性不依靠机械开关的快速网络控制器或电力潮流控制装置(PFC)实现毫秒范围的响应时间。它们其中还包括上述柔性交流输电系统(FACTS)装置以及高电压DC(HVDC)装置。HVDC装置包括用于将AC有功功率整流为DC功率以及将DC功率又转换回AC有功功率的线路换相换流器(linecommutated converter)或电压源换流器(voltage source converter)，其中换流器基于由换流器控制器的栅极驱动或其它控制硬件所产生的控制信号单独控制的大量半导体组件或模块。

举例来说，嵌入FACTS装置的主控制器通常属于P或PI类型，其中具有临时补充控制器(occasional supplementary controller)，如阻尼控制器。FACTS装置的设定点通常保持为恒定或者基于市场活动或最佳电力潮流计算以慢时标手动改变。典型FACTS装置控制器完全基于相当简单的局部目标进行操作，例如保持恒定或者尽可能接近指定参考值、某个线路上的电力潮流或者网络的一个点的电压、或者改进输电通道的传输能力。

通过这种快速但局部的控制，可防止控制路径过载，因为流量可由PFC转移，但是没有考虑对网络的其它部分的影响。在扰动情况下，对某些路径的局部控制可促成其它电路的过载和跳闸，其结果是逐级线路跳闸。为此，电力潮流控制对整体系统稳定性可具有决定性影响，并且因此电力公司在为PFC装备自动控制时特别谨慎。

电力系统在一个特定时间点的状态或状况可从对于电力系统或输电网所采集的多个同步相量测量或快照得到。相量是例如电流、电压和负载流量(load flow)等局部电量(local electric quantity)的经过时间标记的复值、如幅度和相位，并且可通过独立相量测量单元(PMU)来提供。这些单元涉及例如通过使用全球定位卫星(GPS)系统或者任何其它相似部件并且允许来自不同位置的时间标记值的同步所得到的非常准确的全局时间参考。相量以20至60Hz的速率来取样，并且因此可提供关于超出如SCADA/EMS所提供的相当静态视图的瞬态或次瞬态状态的视图。按常规，PMU将其测量相量值转发给控制级的系统保护中心或者备选地转发给充当主控的PMU。数据交换还可在系统保护中心与其它控制和保护系统之间来建立，以便允许基于振荡检测和频率偏移的最佳数据共享和控制动作。

EP1134867公开一种评估输电网的稳定性的方法。它包括：测量网络的多个位置处的电压和电流；将后者以及与至少一个变电站的开关状态有关的信息传送给系统保护中心，以及从其中生成输电网的至少一个稳定性余量值。这样，与网络的状态有关的详细实时信息在网络的系统级来收集，由此允许对信息的相应全局分析。

由于管理输电网或电网中的流量的物理法则，电力潮流按照“最小阻力法则(law of least resistance)”分布。其结果是，并非网络中的所有组件均同时达到其极限(可以是热过载或者基于例如电压或瞬时稳定性等的其它考虑因素的极限)。因此，如果将流量从过载的线路转移到具有更高热余量或稳定性极限的线路上，则可允许电网的增加的利用率。

在M.Larsson等人的论文“Improvement of Cross-border TradingCapabilities through Wide-area Control of FACTS”(Proceedings of BulkPower System Dynamics and Control VI，22-27 August，Corina D’Ampezzo，Italy，2004)中，提出多个FACTS装置的协调。辅助控制回路基于全局或广域信息来产生主FACTS控制器的设定点。后者包括来自包括相对大数量的相量测量单元(PMU)的广域测量系统的状态快照。FACTS设定点的后续数学优化针对例如避免过载通道、将电力潮流控制到预定义参考、电压安全性评估和/或准确的稳定性余量来实时进行。辅助广域控制器逻辑的设计依靠网络拓扑结构的详细检查和各种控制目标的优先化。必须至少在每次更新基础信息时运行基于与拓扑结构和系统状态相关的信息的计算量大的优化过程。

发明内容

本发明的目的是实现包括具有连接两个区域或子系统的两个平行流路或通道的网状电力网(meshed power network)的电力系统中改进的、快速和可靠的电力潮流控制。这个目的通过根据权利要求1和10所述的确定电力系统灵敏度及其使用的方法来实现。其它优选实施例通过从属专利权利要求是显而易见的。

根据本发明，电力系统灵敏度或归一化电力潮流响应将特定流路的电力潮流响应与不同流路中的电力潮流控制装置(PFC)的控制参数相关。为此，控制参数的变化以及对所述控制参数的变化敏感的电力潮流响应的变化以充分同步和/或相关的方式来确定，以便允许建立采取电力系统灵敏度形式的明确因果关系。电力系统灵敏度可通过有限的计算工作来实时更新，并且随后可用于控制或重新分配具有至少两个平行电力潮流或传输路径的网状电力网中的电力潮流。

电力潮流响应可以是通过适当的电力潮流响应测量单元或传感器所测量的实际有功或视在电力潮流或电流。但是，根据本发明的第一优选变体，电力潮流响应可以是随相应的特定线路中的实际电力潮流而定的推导或诊断量、如线路导体温度(line conductor temperature)或线路垂度(line sag)。

在第二优选实施例中，PFC的控制参数是PFC的局部或内部控制量，其任何瞬时或瞬态值确实与电力潮流响应的瞬时值相关，并且它响应但不同于如人类操作员或分级上级控制器所指定的PFC的全局或外部控制输入。因此，这种控制输入的变化与电力潮流响应的相关变化之间可能的PFC固有时间延迟不需要考虑或补偿。

具体来说，PFC的所述局部或内部控制量可以是由控制输入直接设置或定义的控制工作(control effort)或控制输出，即局部正控制量(local controlling quantity)，例如注入串联电压、插入串联电抗、发射功率或分接位置。另一方面，如果PFC配备了具有作为设定点或参考的控制输入的局部或主控制器，则PFC的局部或内部控制量可以是PFC的控制作用(control effect)，即局部已控制量(local controlled quantity)，例如电力潮流、有功功率传输、通过PST的移相或者在PFC处或在PFC附近所测量的电流。这种控制作用显然受到控制工作影响，并且按照本发明的第三优选实施例可用作控制器的反馈量。在这种情况下，提供用于测量反馈量的控制作用测量单元同时可以为了电力系统灵敏度而确定控制作用的变化。

在一个有利实施例中，通过由系统控制单元产生控制输入的变化，并且通过将后者应用于PFC，来特意引起PFC的控制量的变化，以便探测电力潮流响应。另一方面，控制量的变化可作为PFC所发起的常规校正动作的部分并且响应电力系统状态或拓扑结构的变化来产生，或者通过时间安排来触发。可同样评估在没有控制输入的变化的情况下发生的这后一种变化连同电力潮流响应的对应变化，以便计算电力系统灵敏度。

在另一个有利实施例中，灵敏度不只是计算为近似导数的两个相关变化之比，而是通过回复到复杂的参数估计或相关性分析技术来计算。

在本发明的又一个有利变体中，电力潮流响应在远离PFC的位置的多个位置以及对于与PFC所控制的不同流路来测量。为了满足同步要求，利用相量测量单元(PMU)所提供的同步时标，即使实际电力潮流响应为均方根(RMS)值而不是相量。

与基于SCADA的优化过程相比，根据本发明的基于电力系统灵敏度的电力潮流控制更为准确并且需要较少处理能力，特别在后者在线修改以连续反映电力系统行为的更新方面时。这又允许在扰动之前更有效地使用电力网，从而减轻因热限制引起的阻塞，以及此外对不在“N-1意外事故列表”中的更严重扰动的快速和准确的响应。因此，灵敏度优选地或者以范围从数秒至数分钟的固定取样时间定期地修改或更新，或者在检测到电力系统的拓扑结构的变化之后、或者在已经实现PFC控制参数变化以便修改控制路径之一上的流量之后、或者所述方法的任何组合来修改或更新。与常规惯例相比，可在一天的每个小时中可优化电力潮流的所提出的主动和自动控制策略更好地利用提供昂贵的PFC的可能性。

附图说明

下文中参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括：

图1示出具有电力潮流控制装置(PFC)的网状电力网，

图2描绘了一种确定电力系统灵敏度的方法的流程图，

图3示出另一个网状电力网，以及

图4描绘了一种控制电力系统中的电力潮流的方法的流程图。

附图中所使用的参考标号及其含义在参考标号的列表中以概括形式列出。附图中，基本上对相同的部分提供相同的参考标号。

具体实施方式

图1示出具有多个平行流路或输电通道的网状电力网10。下文中，术语“平行流路”表示互连网络10中的两个节点或区域11、12、13、14的任何两个流路。举例来说，图1中，节点11和12通过平行流路11-12、11-13-12和11-13-14-12来连接。电力网是具有以环状配置互连的多个电源G和负载(示为箭头)的AC网络。电力潮流控制装置(PFC)20设置成控制流路11-12中的电力的流量，但是还将影响通过节点11与12之间的上述备选平行流路的流量。

在本发明的意义上，存在控制电力潮流可用的许多不同类型的PFC，其中不同类型的PFC经由不同的控制工作以不同方式来控制流量。举例来说，PFC通过注入串联电压(例如PST、UPFC和SSSC)、通过插入串联电抗元件(例如TCSC和TSSC)或者通过直接控制发射功率(例如HVDC)进行操作。因此，其中安装了PFC的线路与平行流路之间的功率和/或电流分配可在PFC的额定值所设置的极限内控制。

按常规，上面提到的控制工作e(即注入串联电压、插入串联电抗或发射功率)或者施加到PFC的相应控制输入u的值作为日前离线规划过程的一部分、通过以小时为单位的时标的时间分辨率来确定。控制输入可以是PFC的内部反馈控制器的设定点，或者在这种控制器不存在或者极快的情况下分别是装置或者其控制工作的显式设定。任何控制输入变化Δu引起PFC装置的控制工作的变化Δe，以及最终引起整个网络的电力潮流响应的变化Δf_i。系统控制单元30设置成计算和馈送对PFC 20的控制输入的值。系统控制单元30可集成在PFC 20中，或者作为一个或多个独立模块来提供，或者实现为网络控制系统中的软件功能。如果附加PFC设置在环状网络10中以便获得对电力潮流增加的控制，则系统控制单元30可优选地协调所有PFC。

一个或多个电力潮流响应测量单元40优选地在线路11-12、12-13和13-14上提供，为了便于本示例，假定这些线路从热的角度来看是“临界的”并且在扰动的情况下存在过载的风险。电力潮流响应的示例是电流I、有功功率P和视在功率S。类似地，随电力潮流而定的诊断量、如线路垂度或线路导体温度可通过适当的测量单元或传感器40来测量以及通过系统来评估。以下步骤的电力潮流响应的特定选择取决于网络的特性，因为在通过电力线的电力的流动的限制中存在若干可能的原因。限制因素的一个示例是与电流I直接相关的热过载。相应地，虽然假定只要操作是按照规划进行则没有违反热限制，但是在扰动之后，线路和/或变压器的一个或多个可能热过载。

图2描绘了根据本发明的一种确定电力系统灵敏度的方法的结构或流程图，包括以下步骤

210：通过例如使系统控制单元30调制控制输入u，人为地干扰作为示范的第一控制参数的PFC 20的控制工作e，以便随电力的电流或流量的变化而引起电力潮流响应f的变化，

220：对系统控制单元30检索从PFC的局部控制系统所得到的控制工作的变化Δe的时间同步值以及由电力潮流响应测量单元40所测量的电力潮流响应的变化Δf的时间同步值，以及

230：对于其中已经登记(register)电力潮流响应变化Δf的各流路，从时间同步电力潮流响应变化Δf和关联控制工作变化Δe、优选地以Δf/Δe之比来确定电力潮流灵敏度或归一化电力潮流响应s。

在一个实施例中，对于m个电力潮流响应和n个控制参数的相互灵敏度可写成矩阵形式，从而产生灵敏度矩阵

不采用简单比率Δf/Δe，而可采用更复杂的技术，包括例如最小平方技术或其它标准系统标识方法，用于识别电力潮流变化与控制参数变化之间的相关性，并且在下列形式的基础模型中结合噪声项n

Δf＝S(s)*Δu+n

在这里，灵敏度矩阵S(s)为增益矩阵，或者，如果还将包含PFC的局部或内部控制器的动态，则为对应于微分方程或差分方程的传递函数的矩阵。如果控制输入u用作控制参数，以及如果内部控制器很慢和/或包含如PST情况中一样的机械执行器，则后者特别适合。在影响控制量和电力潮流响应的未知扰动(例如线路跳闸)的情况下，上述模型显然必须通过包含Δe或Δq的附加项来扩展。

当网状电力网的流路中的电力的流量为高度动态时，控制工作变化必须足够大，使得对应流量参数响应相对于流量的其它变化非常明显。控制工作变化可采取分立步骤或连续变化的形式。特别是在扰动条件时，可能激活相当多的不协调校正动作，这使对测量进行时间标记有价值，因为它提供控制工作的变化与流量参数响应之间的可利用匹配的可能性。

至少一个电力潮流响应的时间同步登记的步骤220可通过任何适当方式进行，例如通过网络中的现有测量单元或者通过特殊适配的测量单元40。非限制性示例是例如电压互感器、电流互感器、来自继电器的双态信号、有功和无功功率换能器、发电机速度换能器和温度换能器。也可使用在一些情况下作为广域监测系统的部分已经安装的更特定的换能器、如相量测量单元(PMU)。

电力系统的拓扑结构的任何变化或者在平行于PFC的路径上因扰动引起的网络元件的损耗(线路断开连接)将可能影响灵敏度。此外以及如上所述，电力系统的拓扑结构的任何变化或者在平行于PFC的路径上的网络元件的损耗可引起控制工作和/或作用的变化，以便满足局部反馈回路，尽管与控制参数u对应的局部设定点未改变。因此，灵敏度在每个控制周期至少更新一次，并且优选地遵照并甚至利用作为预计校正动作的部分的控制工作和/或作用的变化。备选地，确定灵敏度的方法可按照固定时间安排、如每秒钟一次重复执行。

本发明所确定的灵敏度的精度在很大程度上取决于控制参数的变化和电力潮流响应的变化的登记的时间同步的精度。因此，PFC 20的任何局部控制系统配备了时间同步登记，使得控制工作或控制作用的变化可经过时间标记。由于网状电力网的流路之间的大距离，时间同步对测量单元40、PFC和系统控制单元30之间的同步和通信施加高要求，并因此促进使用PMU所提供的基于GPS的时间同步。

图3示出另一个网状电力网10，它包括三个区域A、B、C，各通过两个或更多平行电力输送通道或流路连接，其中各个段(section)通过标号1至7来标识。下面具体考虑区域A，图3中将流路1至5编组的由虚线所示的传输切口，通过其发生进入或离开区域A的总电力潮流FA。在物理上，这些传输路径可能是多电路电力线上的各个电力线和电路。另一方面，这些区域不一定需要是地理上远离的区域，而是可以在地理上重叠并且以网络频率和电压电平唯一地区分。

对于所选路径(标号i)，确定反映路径的工作状态的电力潮流响应f_i，以及指定按照那个电力潮流响应的极限值c_i。如上所述，所述电力潮流响应可以是具有对应最大容许操作值的有功电力潮流或RMS电流，但也可能是例如导体温度估计、电压测量或最大线路垂度，它们随相应线路上的电力潮流而定，并且它们是可分配的对应预定义极限。在这些所选路径之中，电力潮流路径1和5是控制路径(标号j)，各配备了PFC 20并且与优先对应于有功电力潮流的控制输入u_j关联。如图3对于电力潮流路径1所示，这个控制输入u₁充当局部或主控制器21的设定点或参考，它例如基于闭环流量控制，并且它影响PFC的控制工作e₁。PFC的控制作用q₁、即由控制作用测量单元22在PFC处或者附近所测量的例如电力潮流、有功功率传输或电流等局部已控制量用作控制器21的反馈量。

问题是以如下方式设置控制输入u_j：

-使多个PFC的交互为最少，

-没有违反传输极限，也就是说，对于所有所选路径考虑f_i<c_i，

-各PFC的控制输入的值u_j设置成尽可能接近参考时间安排R_j，其中各装置的参考时间安排R_j可先验地给出、由操作员手动设置或者从路径中的一条或多条上的电力潮流响应f_i的测量来计算。

因此，除了如上所述的局部或主控制器之外，根据本发明的电力系统灵敏度的使用还针对要采用的自动辅助控制方案。控制输入u_j被修改以确信不同的PFC进行合作，以便优化整个电网上的传输模式而不是仅单独优化每一条控制电力潮流路径。图3中，这例如将要求系统控制单元与两个PFC控制器20连接。

图4描绘了辅助控制方案的结构，即系统控制单元30的细节，其中包括以下步骤

410：优选地离线通过由操作员研究或者设置的最佳电力潮流(例如按照通过预期通过各路径的传输切口的总流量的百分比)来确定参考时间安排R_j。在标准状态中，只要不存在限制违反，则控制器基于这个参考时间安排来选择设定点，

420：使用时间同步测量作为通过传输切口的各路径上的电力潮流的函数来测量通过传输切口的总电力潮流F，

430：基于总流量F的测量和预定义时间安排R_j来计算每个控制装置的标称设定点r_j，

440：测量参与辅助控制方案的每个控制或无控制路径上的电力潮流响应f_i、如实际流量或线路温度，并且提供各路径的可容许电力潮流响应的量度、即极限值c_i。例如通过特定线路的热能力、按照电流、有功视在电力潮流或者与其相关的任何其它因素、如导体温度或最大线路跨距垂度来确定极限。一般来说，极限c_i在规划电力系统期间来建立，并且实际上可按照预定义时间安排在一天或一星期改变。电力潮流响应及其极限用于通过比较来检测过载情况或模式。

450：各PFC控制器设定点的校正项或校正因子Δr_j根据来自前一级并且涉及灵敏度s_i，j的已识别过载模式来计算。如果后者尚未相对控制输入u来定义，则在这个步骤中可需要从控制量e、q映射回到控制输入u。过程可按照相反顺序，从预计要减轻的已识别过度电力潮流响应开始，或者可涉及试探预测多个电力潮流情况以及随后选择优选控制输入设定。因此，为了避免在过载情况下使网状电力网中的负荷情况实际变坏的电力潮流响应的校正，所得流量情况的在线预测可在实际运行PFC控制工作的任何校正之前调用。为了说明装置限制，来自各PFC的内部信号可需要反馈到设定点校正级。

460：实际设定点u_j计算为在步骤430所计算的标称设定点r_j以及在步骤450所计算的校正项Δr_j的函数。这些设定点随后以u_j＝r_j+Δr_j应用于局部PFC控制器。

在一个实施例中，协调系统控制单元30对局部控制器21串行、即一个接一个地进行处理(address)，并且保留相应控制输入u_j的值的变化之后的时隙。这防止将会使得很难区别各控制器对电力潮流响应的变化的影响的多个局部控制器同时动作。

电力潮流响应的校正可在一个步骤或者通过多个较小步骤来执行，取决于所使用的PFC的类型。作为示例，具有分接开关的PST本质上将每5秒进行一步，而功率电子装置可根据需要在一个步骤进行整个改变。但是，为了避免电力网中的大波动，可能适合的是以已识别方向进行逐步改变，甚至在使用可在一个步骤进行完全改变的PFC时。此外，逐步改变准许确定各步的更新电力潮流响应、并因此控制输入的优选变化的更新预测。具体来说，当针对热极限时，对于控制的速度不存在过度需要。相反，可能适合的是具有PFC流量的相当缓慢变化，以便没有超过所需地干扰系统。因此，即使最终设定点的估计在扰动之后立即获得，这个估计也将在朝最终操作点前进期间被多次更新。

标号列表

10  网状电力网

11，12，13，14  节点

20  电力潮流控制装置(PFC)

21  局部PFC控制器

22  控制作用测量单元

30  系统控制单元

40  电力潮流响应测量单元