常乃超，何光宇，盧強(qiáng)

(1．國家電網(wǎng)公司，北京100032;2．清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

基于UEMS的電力系統(tǒng)精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)

常乃超1，何光宇2，盧強(qiáng)2

(1．國家電網(wǎng)公司，北京100032;2．清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

作為電力系統(tǒng)安全保障體系的第二道防線，先進(jìn)的緊急控制技術(shù)對電網(wǎng)災(zāi)變防治不可或缺。為克服現(xiàn)有緊急控制系統(tǒng)切負(fù)荷方式固有的粗放性、無選擇性等局限，基于用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)(UEMS)，提出了電力系統(tǒng)精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)和模型，并基于非線性最優(yōu)控制理論提出了切機(jī)/切負(fù)荷量的計(jì)算方法。所構(gòu)建的精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有選擇性的精細(xì)化切負(fù)荷功能，即優(yōu)先短時(shí)切除不影響用戶用電體驗(yàn)的負(fù)荷。數(shù)值仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性和正確性。

精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);用戶側(cè)能量管理系統(tǒng);非線性最優(yōu)控制

1 引言

2008年6月，由清華大學(xué)主持完成了中國科學(xué)院學(xué)部咨詢項(xiàng)目“超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障”咨詢報(bào)告［1］，研究成果最終得到國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的高度肯定。該報(bào)告首次提出了現(xiàn)代電力系統(tǒng)智能能量管理系統(tǒng)(Smart Energy Management System，SEMS)理論及方法論，其核心創(chuàng)新在于明確提出將電力系統(tǒng)安保體系的“三道防線”功能賦予SEMS，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)內(nèi)部各種可控資源進(jìn)行統(tǒng)一、自動(dòng)、協(xié)同和科學(xué)調(diào)控，使電力系統(tǒng)真正成為多目標(biāo)自趨優(yōu)閉環(huán)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，從而使理論界和工程界十年來夢寐以求的電力系統(tǒng)多目標(biāo)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)控夢想不再遙不可及［2，3］。理論創(chuàng)新來源于實(shí)際，其終極目標(biāo)還是解決實(shí)際工程問題。但也正因?yàn)槔碚撦^工程應(yīng)用的超前性，具體應(yīng)用時(shí)還要克服具體困難。本文即是在此背景下研究并提出如何將電力系統(tǒng)緊急自控(第二道防線)賦予SEMS。所謂第二道防線，即指在電力系統(tǒng)經(jīng)受大擾動(dòng)時(shí)，在常規(guī)控制手段已不能保證電力系統(tǒng)安全的前提下，通過緊急切機(jī)、切負(fù)荷等較為激烈的控制手段以有效防止出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰等大規(guī)模災(zāi)變事故［4-6］，這是一種“失微保整”的控制策略。但僅對負(fù)荷而言，此種“失微保整”既與國家有關(guān)條例也與電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行存在深刻的不協(xié)調(diào)性。

首先，2011年9月1日，《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》(國務(wù)院599號令，以下簡稱《條例》)正式頒布實(shí)施［7］。《條例》主要依據(jù)造成電網(wǎng)減供負(fù)荷的比例對事故等級進(jìn)行了劃分。例如，對于負(fù)荷在2000萬kW以上的省、自治區(qū)電網(wǎng)，減供負(fù)荷13%以上，30%以下，則構(gòu)成重大事故;減供負(fù)荷30%以上，則構(gòu)成特別重大事故。目前，我國即使單個(gè)特高壓交直流輸電工程輸送容量也不可小覷。例如，錦蘇直流額定輸送功率達(dá)720萬kW，長治-南陽-荊門特高壓交流示范工程額定輸送功率達(dá)500萬kW。在特高壓交直流輸電形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前，單個(gè)特高壓輸電通道故障后無潮流轉(zhuǎn)移通道，對兩端電網(wǎng)造成較大沖擊，容易造成較大比例的切機(jī)、切負(fù)荷的后果。顯然，在《條例》規(guī)范下，即使SEMS采取的緊急切負(fù)荷措施避免了電力系統(tǒng)崩潰［8］，但也難逃被定性為“重大”或“特別重大”事故之命運(yùn)。

另一方面，現(xiàn)有電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的切負(fù)荷裝置一般設(shè)置在110kV及以上變電站［9］，切負(fù)荷時(shí)拉停出線開關(guān)，具有“一黑黑一片”的特點(diǎn)，切負(fù)荷的方式屬于粗放型。此外，對不同負(fù)荷設(shè)備無選擇性，精細(xì)程度不夠。事實(shí)上，對于用戶用電體驗(yàn)來說，各類設(shè)備對供電的實(shí)時(shí)性、可中斷性的要求是不同的。例如，對于沐浴用的熱水器，若只停電幾分鐘，用戶使用熱水器時(shí)是察覺不到的;再比如，大廈中央空調(diào)停電幾分鐘，大廈內(nèi)的溫度并不會(huì)明顯上升，用戶體驗(yàn)并不會(huì)受到影響。而緊急控制系統(tǒng)通常主要考慮電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，其時(shí)間尺度為秒級(通常為5～10s之內(nèi))，因此，大量用戶側(cè)的可中斷時(shí)間達(dá)到分鐘級的熱水器、空調(diào)等可中斷負(fù)荷對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)具有巨大作用。

綜合上述兩個(gè)方面，本文提出一種基于精細(xì)化切負(fù)荷的緊急控制方法，其基本思路是:設(shè)想將切負(fù)荷裝置安裝在用戶戶內(nèi)各類電器開關(guān)處，以直接控制用戶戶內(nèi)各類電器如空調(diào)、熱水器等的啟停，從而實(shí)現(xiàn)有選擇性的精細(xì)化切負(fù)荷控制。如此則在不影響用戶用電體驗(yàn)的前提下，電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)的切負(fù)荷量可以超過《條例》中規(guī)定的量但不致引起重大停電事故。因此，筆者認(rèn)為《條例》中依據(jù)切負(fù)荷量劃分事故等級不盡合理，應(yīng)該改為按照對用戶用電體驗(yàn)的影響劃分事故等級更為科學(xué)。例如，對于負(fù)荷在2000萬kW以上的省、自治區(qū)電網(wǎng)，考慮精細(xì)化切負(fù)荷控制后，如果切除的負(fù)荷類型為熱水器、空調(diào)等可短時(shí)中斷負(fù)荷且負(fù)荷中斷時(shí)間在一定時(shí)間內(nèi)，即便是切負(fù)荷比例超過13%，但由于不影響用戶用電體驗(yàn)更可避免大停電事故，因此不能認(rèn)定為重大事故。

文獻(xiàn)［10，11］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［12-14］率先提出了用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)(UEMS)的概念。事實(shí)上，UEMS可以視為SEMS的一個(gè)子系統(tǒng)［2］。文獻(xiàn)［11］進(jìn)一步建立了UEMS原型系統(tǒng)。UEMS旨在對大量用戶戶內(nèi)負(fù)荷及用戶側(cè)儲能裝置、分布式發(fā)電等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，提升用戶用電效率和大電網(wǎng)運(yùn)行性能。簡而言之，UEMS為構(gòu)建電力系統(tǒng)精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐，即在盡量不影響用戶用電體驗(yàn)更不引發(fā)大停電事故的前提下，實(shí)施精細(xì)化切負(fù)荷控制，這樣能夠大幅提升電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制能力并實(shí)現(xiàn)災(zāi)變防治。

總之，《條例》中劃分事故等級的原則只適合于目前采用的粗放型的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，而若采用電力系統(tǒng)精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)后，《條例》中劃分事故等級的原則可以改進(jìn)為按照切除不可中斷負(fù)荷的比例劃分事故等級。

此外，精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)直接面對各個(gè)負(fù)荷設(shè)備建模，從而一定程度上避免了現(xiàn)有電力系統(tǒng)分析與控制遇到的負(fù)荷建模難題。

2 UEMS簡介

UEMS作為SEMS的有機(jī)組成部分，是基于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)技術(shù)而構(gòu)建的，該技術(shù)將無處不在(Ubiquitous)的末端設(shè)備(Devices)和設(shè)施(Facilities)，通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)和/或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，充分提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、決策支持等功能，從而實(shí)現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營”一體化［11-13］。自2009年8月中國政府提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，已寫入“政府工作報(bào)告”，受到全社會(huì)極大的關(guān)注。

具體到電力系統(tǒng)，各類負(fù)荷設(shè)備均可視為“末端設(shè)備”，通過帶有無線通信、遙測和遙控功能的智能插座、無線網(wǎng)絡(luò)使得各類負(fù)荷設(shè)備和用戶側(cè)能量控制中心之間具備通信功能，從而在用戶側(cè)能量控制中心實(shí)現(xiàn)對大量的用戶負(fù)荷設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和操控。文獻(xiàn)［10，11］深入探討了用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)和功能模塊，并搭建了原型系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)具備大量接入用戶負(fù)荷的功能，用戶戶內(nèi)各負(fù)荷設(shè)備通過智能插座中的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊與戶內(nèi)網(wǎng)關(guān)機(jī)通信，后者與戶內(nèi)服務(wù)器通過局域網(wǎng)相連，戶內(nèi)服務(wù)器通過有線或無線方式與用戶側(cè)能量控制中心通信，該控制中心可以遠(yuǎn)方操控智能插座，從而獲取來自智能插座的電流、電壓、功率等信息。用戶側(cè)能量控制中心的主站系統(tǒng)運(yùn)行在商業(yè)級云計(jì)算平臺上，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，支持大量用戶負(fù)荷設(shè)備的接入。

3 精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)包含三個(gè)子系統(tǒng):在線預(yù)決策子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)匹配子系統(tǒng)和控制執(zhí)行子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)Fig．1Refined power system stability control systems

其中，在線預(yù)決策子系統(tǒng)從區(qū)域電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)及用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)電網(wǎng)模型和可切負(fù)荷及機(jī)組信息，通過求解電網(wǎng)穩(wěn)定控制模型生成針對每個(gè)預(yù)想故障的控制策略，然后將所得控制策略傳送到實(shí)時(shí)匹配子系統(tǒng)的決策機(jī)上存儲。當(dāng)預(yù)想故障較多、電力系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，計(jì)算控制策略的計(jì)算量比較大，為此可將預(yù)想故障進(jìn)行分組，采用多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算。該子系統(tǒng)決策機(jī)上控制決策表更新的周期一般為15～30min，其量測設(shè)備時(shí)刻檢測輸電網(wǎng)的故障信息，一旦有故障發(fā)生就把故障信息送至決策機(jī)，決策機(jī)根據(jù)故障信息查詢相應(yīng)的控制策略，并把控制策略送給出口單元，出口單元通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)把控制策略發(fā)送到控制執(zhí)行子系統(tǒng)。

精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)與現(xiàn)有穩(wěn)定控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于控制執(zhí)行子系統(tǒng)。前者的控制執(zhí)行子系統(tǒng)收到切負(fù)荷命令后，通過用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)將切負(fù)荷命令分配到各個(gè)可中斷負(fù)荷設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)有選擇性的精細(xì)化切負(fù)荷控制。

4 精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

4.1 負(fù)荷建模

長期以來，負(fù)荷建模一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)直接控制到單個(gè)負(fù)荷，而單個(gè)負(fù)荷的模型是相對明確的，因此，可避免現(xiàn)有切負(fù)荷控制系統(tǒng)遇到的負(fù)荷建模困難。從理論上講，精細(xì)化穩(wěn)定控制系統(tǒng)的負(fù)荷建模應(yīng)詳細(xì)到每個(gè)負(fù)荷，但由于負(fù)荷成千上萬，若對每個(gè)負(fù)荷詳細(xì)建模，則全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型將變得非常復(fù)雜。為此，提出如下解決思路:首先將負(fù)荷進(jìn)行分類，然后再采用聚合方法建模。例如，將連接于某個(gè)110kV母線下的所有空調(diào)負(fù)荷等值成一個(gè)大的空調(diào)，將所有熱水器等值為一個(gè)大的熱水器等。由于聚合建模方法基于各個(gè)負(fù)荷的類型和參數(shù)等精確信息，故其建模精度要高于常規(guī)負(fù)荷聚合建模方法。

4.2 數(shù)學(xué)模型及求解方法

設(shè)n機(jī)系統(tǒng)中以第n臺機(jī)為參考機(jī)，暫態(tài)過程于t=t0開始，定義如下功角積分型指標(biāo)

作為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性量化指標(biāo)，式(1)中

式中，δin(t)為t時(shí)刻第i臺機(jī)相對于參考機(jī)的角度，該值由時(shí)域仿真得到;tf為觀察時(shí)間區(qū)間終點(diǎn)。

很明顯，Js的物理意義在于其表征了系統(tǒng)暫態(tài)過程中功角振蕩最劇烈的機(jī)組的功角振蕩劇烈程度，而功角暫態(tài)失穩(wěn)情況下的Js遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于暫態(tài)功角穩(wěn)定情況下的Js。對于暫態(tài)穩(wěn)定情況下Js的上限，可以粗略估計(jì)如下:

假定t0～tf時(shí)間內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)上均為π，則有

假設(shè)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定約束條件如下:

由于暫態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)失穩(wěn)情況下Js相差懸殊，M可以在很寬的范圍內(nèi)選擇。當(dāng)然，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定約束條件也可采用其他暫態(tài)穩(wěn)定量化分析方法如EEAC、BCU、PEBS等提供的穩(wěn)定量化指標(biāo)［15］。本文提出的功角積分型穩(wěn)定量化指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地解析計(jì)算其對控制變量的靈敏度。

綜上，基于功角積分型指標(biāo)Js的緊急控制問題歸結(jié)為如下非線性最優(yōu)控制模型［12］

式中，c=［c1，c2，…，cN］T為單位控制量(切機(jī)、切負(fù)荷)的控制代價(jià);u=［u1，u2，…，uN］T為切機(jī)、切負(fù)荷控制向量;式(6)和式(7)為描述電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的微分-代數(shù)(DAE)方程組;x為狀態(tài)向量;y為代數(shù)向量;式(8)為功角積分型暫態(tài)穩(wěn)定約束;式(9)為控制量取值約束。

上述數(shù)學(xué)模型可以使用解決最優(yōu)控制問題的梯度法進(jìn)行求解［16，17］。

構(gòu)造如下增廣泛函指標(biāo)

因此

J的增量可表示為

選取λ、ξ使得

因此增廣目標(biāo)泛函J(u)對控制向量u的梯度為

基于式(18)所示的增廣指標(biāo)對控制向量的梯度，可構(gòu)造如下求解算法進(jìn)行非線性最優(yōu)控制問題式(5)～式(9)的求解:

(1)置k=0，設(shè)定控制向量uk=0;

(2)用數(shù)值積分方法求解式(6)和式(7)所示的微分代數(shù)方程組得到xk、yk，然后代入式(15)和式(16)，求出乘子向量λk、ξk。將xk、yk、λk、ξk代入式(18)，求出增廣目標(biāo)函數(shù)對控制向量的梯度

5 數(shù)值仿真

本節(jié)以圖2所示的IEEE 39系統(tǒng)為算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)母線3、4、7、18處的負(fù)荷中空調(diào)負(fù)荷占30%，以這些母線處的切負(fù)荷比例構(gòu)成切負(fù)荷控制向量uLi(i=1，2，3，4)。設(shè)發(fā)電機(jī)8～10的切機(jī)比例構(gòu)成切機(jī)控制向量uGi(i=1，2，3)，各控制量單位控制代價(jià)均為1。故障設(shè)置為:t=0s時(shí)母線3處發(fā)生三相對地短路故障，t=0.2s短路故障清除。若不采取任何控制措施，則系統(tǒng)將失去穩(wěn)定，如圖3所示。

若于故障后0.3s采用本文所提出的緊急控制策略，則控制流程和實(shí)施效果簡述如下:給定求解精度ε=0.01，梯度法步長因子α=0.05，基于所提出的非線性最優(yōu)控制算法求解切機(jī)/切負(fù)荷量，求得切機(jī)控制策略為

切負(fù)荷控制策略為

綜上，發(fā)電機(jī)8切除比例為13.2%，負(fù)荷4切除比例為15.1%。施加上述控制后，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)相對角度如圖4所示。

圖2 新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig．2New England 10 machine 39 bus power

圖3 無控制發(fā)電機(jī)相對角度響應(yīng)Fig．3Relative generator angle responses without control

圖4 發(fā)電機(jī)2～9相對于發(fā)電機(jī)1的角度Fig．4Generator 2～9 rotor angles relative to generator 1

6 結(jié)論

現(xiàn)有緊急控制系統(tǒng)切除負(fù)荷時(shí)直接拉停變電站出線開關(guān)，未能考慮各類負(fù)荷設(shè)備對供電實(shí)時(shí)性、可中斷性的不同要求，特別對不同負(fù)荷設(shè)備無選擇性，導(dǎo)致控制的精細(xì)程度明顯不足，使得電網(wǎng)EMS并不具備自趨優(yōu)閉環(huán)控制功能。為此，本文基于SEMS新理論，明確提出了將緊急控制賦予SEMS的工程實(shí)現(xiàn)方法，其創(chuàng)新之處在于基于UEMS構(gòu)建電力系統(tǒng)精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)，包括精細(xì)化切負(fù)荷控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)、數(shù)學(xué)模型及其求解方法。該控制

系統(tǒng)能夠在不影響用戶用電體驗(yàn)的前提下避免大停電事故的發(fā)生，不僅是對現(xiàn)有第二道防線的有力補(bǔ)充，也是SEMS的一個(gè)重要組成部分。

［1］盧強(qiáng)(Lu Qiang)．“超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障”咨詢報(bào)告(Consultation report of security guarantee of very large scale power transmission and distribution and power grid)［R］．中國科學(xué)院院士咨詢項(xiàng)目(CAS A-cademician Consultation Project)，2008．

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Refined power system stability control systems based on UEMS

CHANG Nai-chao1，HE Guang-yu2，LU Qiang2
(1．State Grid Corporation of China，Beijing 100032，China;2．State Key Lab of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

As the second defense line of power systems stability control architecture，advanced emergency control technologies are indispensable for power grids catastrophe preventing．Current power system emergency control systems are extensive and have no selectivity for different loads．In order to overcome these intrinsic shortcomings，the concept，structure and model of Refined Power System Stability Control Systems(RSCS)are proposed based on User Energy Management Systems(UEMS)，and the algorithm for calculating generation/load shedding proportion is proposed based on optimal control theories．RSCS can achieve selective and accurate load shedding through UEMS，e．g．，loads which doesn’t affect power consumers’experiences if they are shed for a short time are firstly shed．Numerical simulation results manifest the correctness and validity of the proposed algorithm．

refined power system stability control;internet of things;user energy management systems;nonlinear optimal control

TM712

A

1003-3076(2015)02-0001-05

2014-06-26

國家電網(wǎng)公司(SGCC-MPLG001(001-031)-2012)、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體(51321005)資助項(xiàng)目

常乃超(1977-)，男，河南籍，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定控制;何光宇(1972-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄茈娏ο到y(tǒng)(通訊作者);盧強(qiáng)(1936-)，男，安徽籍，中國科學(xué)院院士，研究方向?yàn)閿?shù)字電力系統(tǒng)、智能電力系統(tǒng)。