试论电力系统灾变防治策略与分析

柏久海

摘 要：本文主要分析电力系统灾变的国内外现状及研究意义，分析了电力系统灾变的特点、原因和灾变防治策略。重点分析了用先进励磁控制的线性励磁控制和非线性励磁控制，采取理论研究与仿真相结合的方法来分析了励磁调节器对电力系统稳定性的重要作用，最后，对所设计系统进行了仿真测试，调节PID励磁控制器的参数，实现了在系统扰动和故障情况下能很好地维持发电机运行的稳定性，实现了对电力系统的静态稳定、暂态稳定和电压稳定的重要作用。

关键词：电力系统；灾变特点和原因；防治策略；励磁控制

引题

电力系统灾变防治是一个重要的系统工程。减少电力系统灾变发生的可能性、使电力系统灾变的范围尽可能小、持续的时间尽可能短是一个电力系统灾变防治的目标。电力系统灾变防治要求电网及其监控系统具备对系统危险的预见性、判断的准确性、执行的快速性和易恢复性等特点。

1 当前电力系统灾变的特点及电力系统灾变的原因

1.1 具有极强的综合性。

1.2 连锁性故障是导致电力系统灾变发生的主要原因。

1.3 连锁性故障发生时的控制方式及策略与常规情形不同。

1.4 输电线路过负荷或故障跳闸，引起大量负荷转移，最终造成一系列线路和电源的连锁反应跳闸。

1.5 负荷增长过快，系统无功不足而导致电压崩溃。

1.6 系统元件的保护或自动装置拒动或误动。

1.7 线路多重多次故障，导致一系列跳闸，最终发展成稳定破坏事故。

1.8 大机组跳闸，引起连锁反应，最终发展成稳定破坏事故。

1.9 不可抗拒的自然灾害或人为因素（如地震、战争等）。

2 电力系统灾变防治策略

电力系统灾变防治研究是一项复杂的综合性工作，电力系统灾变防治研究需要及时引入各种新理论，推动研究层次的不断提高。当前应用的研究方法有以下三种。

2.1 基于模型的研究方法

这种方法虽然具有很多优点，但实施起来是比较困难的。因为精确的模型往往不易得到（即便能够得到也常会使问题在规模和算法上复杂化，满足不了电力系统灾变防治在线实时性的要求）；而且，随着系统运行方式和运行点的改变，同一系统的参数也会发生变化；此外，电力系统中还含有大量未建模的动态部分。

2.2 准确方法和智能方法有机结合起来开展研究

综合智能控制技术集多种智能方法和现代控制方法于一体，对解决复杂电力系统的控制问题具有一定的潜力；协调控制是解决电力系统中许多目标冲突问题（如执行的快速性要求与判定的准确性要求）的一个重要手段，致力于多智能体协作及控制研究的多智能体技术亦有望在此方面带来一些好的收效。

2.3 采取理论研究与仿真相结合的方法

仿真结果的准确性与仿真软件的优劣、建模过程的正确性和有效性等因素有关。怎样进行高度可视化的实时仿真技术研究并确保仿真结果可信，是理论研究与仿真研究有效结合的关键。

3 电力系统励磁控制技术

经过多年努力，当前供电企业已成功地研制了GEC-I性全数字式非线性最优励磁调节装置，并已投运于十多台机组，提高了有关电网的安全稳定性，产生了重大经济和社会效益。目前，国家实验室在东北电力集团公司支持下，研制了双工控机，具有彩色平板数据和波形显示器（PPC）的新型非线性最优控制装置GEC-II，目前已投入白山水电厂30万kW机组运行。

3.1 PID控制

许多年来，在工业自动控制领域中，按照偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在20世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。随着科技术的发展特别是计算机技术的发展，涌现出许多新的控制方式，然而直到现在，PID控制由于它原理简单，使用方便，鲁棒性强等优点，在工业生产过程中仍得到广泛的应用。

3.2 PID控制器在各校正环节的作用如下

（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小误差。当输入偏差e=O时，控制作用也为0，因此比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。

（2）积分环节：通过对误差记忆，提高系统的抗干扰能力，主要用于消除静差，提高系统的无静差度。但是它存在滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。积分作用的强弱取决于积分时间常数霉，Z越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，向系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减小调节时间，减小超调量，改善系统的动态特性。其不利之处是微分作用对扰动敏感，使系统抑制干扰能力减弱。PID控制要取得较好的控制效果，就必须通过调整好比例、积分和微分三种控制作用，形成控制量中既相互配合又相互制约的关系，这种关系不一定是简单的“线性组合”，从变化无穷的非线性组合中可以找出最佳的。

3.3 励磁系统的组成

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分构成。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈系统。

3.4 励磁系统的性能要求

为了充分发挥同步发电机励磁控制系统的作用，完成其各项任务，对励磁功率单元和励磁调节器的性能有包括高度可靠和快速响应两个方面的要求：

（1）同步发电机的励磁及其控制应当能保证在各种运行状态下的可靠性，包括：起励状态，空载状态、负荷状态、强励状态、灭磁状态等。

（2）正常工作状态时，同步发电机的电压控制和无功功率控制应当得到很好的响应，并有足夠的调节范围。

（3）励磁控制系统应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。

（4）具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。

结束语

综上所述：电力系统灾变防治体系灾变防治策略需要采取理论研究与仿真相结合的方法来分析了励磁调节器对电力系统稳定性的重要作用。主要分析了调节PID励磁调节器的参数来实现发电机各种参数的变化，从而实现提高电力系统的安全稳定性。

发电机励磁控制系统是电力系统的重要组成部分，它能够起到保证电压质量，提高电力系统运行的稳定性等作用，因此励磁控制对整个电力系统的运行具有决定性的意义。论文在分析发电机励磁控制系统原理的基础上，推导并建立了以状态方程表示的单机-无穷大电力系统的非线性数学模型。最后，对所设计系统进行了仿真测试，调节PID励磁控制器的参数，实现了在系统扰动和故障情况下能很好地维持发电机运行的稳定性，实现了对电力系统的静态稳定、暂态稳定和电压稳定的重要作用。