俞秋陽，王新寶，蘇志達，畢兆東

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

穩(wěn)定控制系統(tǒng)以電網(wǎng)運行方式和預(yù)想故障作為輸入信息，以穩(wěn)控措施作為輸出信息，用于構(gòu)建電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第二道防線，屬于緊急控制范疇[1-3]。策略表是穩(wěn)控系統(tǒng)的核心要素，制定和更新穩(wěn)控策略表是構(gòu)建穩(wěn)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[4-6]。

目前業(yè)界采用離線分析方法制定穩(wěn)控策略，即通過對典型運行方式預(yù)想故障所需穩(wěn)控措施量的歸納總結(jié)形成策略表[7-10]。運維人員每年將穩(wěn)控系統(tǒng)停運后進行穩(wěn)控策略現(xiàn)場升級[11]。

對穩(wěn)控策略而言，電力系統(tǒng)存在3 種運行域：實際出現(xiàn)的在線運行域、求取策略時所考慮的策略求取域、所有可能存在的可運行域。

在線運行域小于等于可運行域，策略求取域通常小于可運行域，理想狀態(tài)下等于可運行域，并包含在線運行域。通常情況下，策略求取域接近于可運行域，但并不完全包含在線運行域。因為這三者間相互關(guān)系的不確定性，使得當(dāng)前穩(wěn)控系統(tǒng)在精確性、適配性、合理性這3 個方面面臨挑戰(zhàn)。

離線穩(wěn)控策略以多項式函數(shù)來表達穩(wěn)控措施量與系統(tǒng)特征量之間的關(guān)系，并確保該函數(shù)的計算結(jié)果大于等于實際所需控制量。策略求取域劃分為幾個子區(qū)域，由不同的公式來計算策略[12-15]。但策略求取域但不會劃分得太細(xì)，所以穩(wěn)控措施量可能遠(yuǎn)大于實際所需，離線穩(wěn)控策略不夠精確。

策略求解域與在線運行域完全重合時，穩(wěn)控策略具有最佳適配性。當(dāng)策略求解域包含在線運行域時，穩(wěn)控策略也具適配性。但新型電力系統(tǒng)環(huán)境下，電網(wǎng)方式變化頻度與廣度加劇[16-17]，導(dǎo)致策略求解域與在線運行域重疊但不重合，離線穩(wěn)控策略容易失配。

策略求取域是多維連續(xù)空間，制定離線穩(wěn)控策略時，無法窮舉該空間中所有運行點，僅以數(shù)十種典型運行方式來代表整個策略求取域。當(dāng)?shù)湫瓦\行方式數(shù)目不足時，歸納得出的離線策略表多項式函數(shù)，在某些區(qū)間無法計算出合理的穩(wěn)控措施量。

為解決現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)存在的問題，業(yè)界一直在探索可行解決方案，智能化與在線化是其中頗具前景的兩個方向[18-21]。從智能化升級的思路出發(fā)，本文提出智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)；從在線化轉(zhuǎn)變的思路出發(fā)，本文提出在線穩(wěn)控系統(tǒng)。智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)是穩(wěn)控系統(tǒng)未來發(fā)展的兩條路線，本文論述兩者的基本架構(gòu)與典型特征，闡述它們的區(qū)別與聯(lián)系，并進一步給出推薦的技術(shù)方案。

1 智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)方案

1.1 設(shè)計思路

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的設(shè)計思路是用智能化技術(shù)來升級當(dāng)前穩(wěn)控系統(tǒng)。

首先解決人工制定穩(wěn)控策略的替代問題。當(dāng)前穩(wěn)控策略的制定，全部依賴人工，工作量大[22]，且存在隱患。只采用有限個數(shù)的典型運行方式近似作為策略求解域，導(dǎo)致穩(wěn)控策略涵蓋的電網(wǎng)運行方式不全面，歸納得出的策略公式精確性不足，與運行方式失配風(fēng)險大。智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)則采用智能化決策技術(shù)替代人工制定策略，涵蓋盡可能多的電網(wǎng)運行方式，可有效避免策略失配問題。

其次解決穩(wěn)控策略人工編程的替代問題。當(dāng)前穩(wěn)控系統(tǒng)主要依賴人工編程生成可執(zhí)行代碼，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化手段，產(chǎn)品質(zhì)量與編程人員的水平密切相關(guān)。同一策略，不同編程人員的理解和實現(xiàn)方式存在差異。智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)求解得到穩(wěn)控策略后自動形成標(biāo)準(zhǔn)化電子策略表，發(fā)送至穩(wěn)控裝置，由穩(wěn)控裝置自動轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，并完成策略更新。

通過對人工決策和人工編程兩部分工作的替代，智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)自動完成策略制定、策略編程、策略更新全過程。穩(wěn)控系統(tǒng)進化為能夠?qū)崿F(xiàn)不斷自我升級的智能體。

1.2 方案架構(gòu)

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)由智能決策主站和穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)成，其典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of smart decision-making selfupgrading stability control system

智能決策主站可由當(dāng)前穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)升級而來[23-25]。其主要功能可描述為：自動形成策略求解域海量運行方式和預(yù)想故障集[26]，分析預(yù)想故障后電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，計算穩(wěn)控措施量，歸納與預(yù)想故障相對應(yīng)的穩(wěn)控策略，形成電子化策略表。

穩(wěn)控系統(tǒng)則定期式或觸發(fā)式接收來自主站的電子化策略表，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，完成策略更新。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計思路與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)一脈相承，沿用了分析、歸納、演繹的邏輯體系。其創(chuàng)新點在于將分析、歸納部分采用智能化技術(shù)處理，并在傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了由電子化策略表到可執(zhí)行程序的自動轉(zhuǎn)換和自動更新。

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)包含3 種關(guān)鍵技術(shù)：

1）策略求解域自動生成技術(shù)。自動形成海量運行方式，包括實際運行方式、規(guī)劃預(yù)想方式等各類運行方式。

2）穩(wěn)控策略自動生成技術(shù)。根據(jù)海量的穩(wěn)定性分析與穩(wěn)控措施計算結(jié)果，自動歸納得出策略表公式，利用人工智能方法，以大批量計算結(jié)果為樣本，訓(xùn)練出合理有效的策略公式。

3）穩(wěn)控策略自動更新技術(shù)。按照標(biāo)準(zhǔn)格式形成電子化策略表，將電子化策略表發(fā)送至穩(wěn)控裝置，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行代碼，自動完成程序升級。

這3 個關(guān)鍵技術(shù)均具有突破性，其中主站系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)1）和2），穩(wěn)控系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)3）。關(guān)鍵技術(shù)1）和2）實現(xiàn)難度較大，關(guān)鍵技術(shù)3）中涉及的電子化策略表，目前已初步實現(xiàn)，但目前僅為自下而上的使用方式，即先有穩(wěn)控系統(tǒng)或裝置中的可執(zhí)行程序，然后形成電子化策略表發(fā)送至主站系統(tǒng)。而智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)3）中的電子化策略表為雙向使用，不但有自下而上的通道，還具有自上而下的通道。主站系統(tǒng)生成電子化策略表發(fā)送至穩(wěn)控系統(tǒng)，穩(wěn)控系統(tǒng)將電子化策略表轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，并完成程序自動升級。因此目前雖然已經(jīng)有一定技術(shù)基礎(chǔ)，但完全實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)3）還需進一步開展工作。綜上所述，關(guān)鍵技術(shù)1）和2）是研發(fā)智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難點。

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)目前尚無具體工程案例，其中策略求解域自動形成技術(shù)和穩(wěn)控策略自動生成技術(shù)在當(dāng)前穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)中已有雛形，但未應(yīng)用人工智能技術(shù)，與滿足智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)需求仍有相當(dāng)大的差距。

2 在線穩(wěn)控系統(tǒng)方案

2.1 設(shè)計思路

在線穩(wěn)控系統(tǒng)的思路由來已久，迄今已得到應(yīng)用的在線預(yù)決策系統(tǒng)、綜合防御系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）中的動態(tài)穩(wěn)定評估（Dynamic Stability Assessment，DSA）子系統(tǒng)都與在線穩(wěn)控系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系[27-28]，是構(gòu)建在線穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)之一。

在線穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前運行方式求解穩(wěn)控策略，稱之為在線策略。在線策略只針對系統(tǒng)當(dāng)前運行點，并不覆蓋策略求解域。因此在線穩(wěn)控系統(tǒng)的構(gòu)建方法與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)有很大不同，采用的是一種以快制動、以時間換空間、化繁為簡的思路。

這種思路的提出，其根本原因在于我國正在大力建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，新能源的間歇性、波動性使得系統(tǒng)穩(wěn)定性呈現(xiàn)變化幅度大、變化速度快的特征，離線策略失配概率增大。在線策略不依賴于策略求解域，僅針對當(dāng)前運行方式，通過快速更迭來不斷跟蹤和適應(yīng)電網(wǎng)穩(wěn)定特性變化，因此新型電力系統(tǒng)環(huán)境下發(fā)展在線穩(wěn)控系統(tǒng)的必要性再次凸顯。

2.2 方案架構(gòu)

在線穩(wěn)控系統(tǒng)由在線分析主站和穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)成，其典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 在線穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of online stability control system

在線分析主站由在線預(yù)決策系統(tǒng)、綜合防御系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)中的動態(tài)穩(wěn)定評估模塊升級而來，其主要功能為周期式或觸發(fā)式對電網(wǎng)當(dāng)前運行方式進行預(yù)想故障分析，尋找有效控制措施，形成電子化策略表，發(fā)送到穩(wěn)控系統(tǒng)。在線分析主站的策略計算周期在技術(shù)允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能短，當(dāng)前技術(shù)水平下，可縮短至分鐘級[29-30]。除周期式計算外，當(dāng)系統(tǒng)運行方式發(fā)生突變時具備觸發(fā)式計算功能。

穩(wěn)控系統(tǒng)接收在線分析主站發(fā)來的電子化策略表，下載至策略定值區(qū)，并解釋執(zhí)行。因為在線策略是當(dāng)前系統(tǒng)運行點所對應(yīng)的穩(wěn)控措施，所以穩(wěn)控系統(tǒng)無需經(jīng)過查表匹配。這與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)存在較大技術(shù)差異。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

在線穩(wěn)控系統(tǒng)包含以下2 種關(guān)鍵技術(shù)：

1）在線穩(wěn)控策略自動形成技術(shù)。即根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運行方式，計算出預(yù)想故障穩(wěn)控措施，形成電子化策略表。目前在線預(yù)決策、綜合防御等系統(tǒng)已經(jīng)能夠求取在線穩(wěn)控策略，但暫未形成電子化策略表，并且在線策略合理性未得到充分實踐檢驗，需進一步評估與驗證。

2）電子化策略表解釋執(zhí)行技術(shù)。在線穩(wěn)控系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)控策略的方式與現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)存在較大差異。電子化策略表由在線分析主站發(fā)送至穩(wěn)控系統(tǒng)后，并不需要轉(zhuǎn)換為穩(wěn)控裝置可執(zhí)行程序，而是由穩(wěn)控裝置的策略解釋器解釋執(zhí)行，這種技術(shù)使得穩(wěn)控裝置無需停運更新可執(zhí)行程序，即可完成策略更新，適應(yīng)了在線穩(wěn)控系統(tǒng)高頻度策略刷新需求。

關(guān)鍵技術(shù)2）是研發(fā)在線穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難點，它與目前穩(wěn)控裝置中的策略實現(xiàn)方式有根本性的差異，更類似于一種通用穩(wěn)控策略解釋器。

在線穩(wěn)控系統(tǒng)的雛形在福建電網(wǎng)已有工程案例，其與本文所論述的在線穩(wěn)控系統(tǒng)的差異在于：采用私有格式的電子化策略表，缺乏通用性；采用專用光纖通訊，成本較高，推廣應(yīng)用存在一定困難；未實現(xiàn)電子化策略解釋執(zhí)行技術(shù)，僅通過刷新固定格式的策略表定值項來調(diào)整穩(wěn)控策略，這種方式存在較大局限。

3 方案對比

通過對智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)的分析可知，兩者存在較為明顯的差異，主要體現(xiàn)在以下2 個方面：

1）構(gòu)建思路不同。智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的構(gòu)建思路與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)基本一致，重點在于將策略制定、策略更新這兩部分工作利用智能化技術(shù)實現(xiàn)，并將策略制定、策略編程、策略更新整個流程串聯(lián)形成智能閉環(huán)體系。而在線穩(wěn)控系統(tǒng)的構(gòu)建思路與傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)存在較大差異，在線策略僅針對電力系統(tǒng)當(dāng)前運行點，通過策略刷新、解釋執(zhí)行來快速跟蹤和適應(yīng)電力系統(tǒng)運行方式的變化。

2）技術(shù)難點不同。智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難點在主站系統(tǒng)，需要利用人工智能新技術(shù)實現(xiàn)求解域構(gòu)建、策略表歸納等一系列工作，技術(shù)跨度較大。在線穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難點在穩(wěn)控裝置，需要改變現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)的策略更新與執(zhí)行方式，采用全新的穩(wěn)控策略解釋執(zhí)行技術(shù)。

除此以外智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)在很多細(xì)節(jié)上還存在差異，如表1 所示。

表1 兩種系統(tǒng)的差異表Table 1 Differences between two stability control systems

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)在構(gòu)建思路、關(guān)鍵技術(shù)、實現(xiàn)方法上均存在明顯差異。兩者可以視作穩(wěn)控系統(tǒng)科技樹上兩個不同的分支。

4 方案改進與應(yīng)用

4.1 方案改進

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)這兩種方案可以相互借鑒，進一步改進。

首先在主站系統(tǒng)層面，智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)依賴的策略求解域可由實際運行方式和自動調(diào)整方式共兩部分組成。其中實際運行方式，等價于在線運行方式及其歷史記錄，而自動調(diào)整方式其中一部分可以利用在線方式為基礎(chǔ)，結(jié)合規(guī)劃、預(yù)測、檢修等信息后得到新的運行方式，如圖3 所示。

圖3 策略求解域的形成方法Fig.3 Method of derive strategy solution domain

因此，智能決策主站可以借鑒在線分析主站的部分技術(shù)，獲取在線運行方式及其歷史記錄，并以此作為基礎(chǔ)，調(diào)整出新的運行方式用于策略計算。

其次在穩(wěn)控裝置層面，智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)仍采用現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)的程序升級的方式，只是可執(zhí)行程序由電子化策略表自動轉(zhuǎn)換而來，省去了人工編程，但穩(wěn)控裝置仍需停運更新程序后再重啟。而在線穩(wěn)控系統(tǒng)的策略則為解釋執(zhí)行，無需停運重啟，在技術(shù)上更為先進，智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的策略更新也可借鑒這種方式來實現(xiàn)。

當(dāng)智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)和在線穩(wěn)控系統(tǒng)相互借鑒部分技術(shù)后，兩種方案的融合架構(gòu)如圖4 示。

圖4 兩種方案融合架構(gòu)圖Fig.4 Integration architecture for two schemes

4.2 方案應(yīng)用

改進后的融合方案已在渤中墾利油田群岸電項目中得到初步應(yīng)用。

該岸電項目包含1 座220 kV 陸地開關(guān)站、3 座220 kV 海上變電站、1 座110 kV 海上變電站，由于油田產(chǎn)能波動大、新能源供電比例提升等因素，對穩(wěn)控系統(tǒng)提出了非常高的要求。為了適應(yīng)運行方式的快速大幅變化，保障油田電網(wǎng)穩(wěn)定運行，初步采用了本文提出的新型穩(wěn)定控制系統(tǒng)融合改進方案，主要包括以下功能模塊：（1）電網(wǎng)實時運行狀態(tài)接口模塊，負(fù)責(zé)從岸電調(diào)度系統(tǒng)獲取電網(wǎng)實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)；（2）電網(wǎng)方式管理模塊，搜集并存儲實際運行方式，并按預(yù)先設(shè)定的調(diào)整原則，自動形成典型運行方式；（3）預(yù)想故障管理模塊，根據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)和風(fēng)險概率，形成和優(yōu)選預(yù)想故障集；（4）控制集管理模塊，根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)運行狀態(tài)，形成可控措施集合；（5）穩(wěn)控策略決策模塊，根據(jù)方式集、故障集、控制集相結(jié)合的穩(wěn)定性分析結(jié)果，形成標(biāo)準(zhǔn)格式的在線穩(wěn)控策略；（6）穩(wěn)控策略更新模塊，下發(fā)并更新穩(wěn)控裝置中的策略表。

該新型穩(wěn)控系統(tǒng)已經(jīng)完成現(xiàn)場調(diào)試并投入試運行，實現(xiàn)了穩(wěn)控策略的智能決策與在線更新，能夠快速適應(yīng)電網(wǎng)方式變化。

5 結(jié)論

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)與在線穩(wěn)控系統(tǒng)是穩(wěn)控系統(tǒng)發(fā)展的2 種技術(shù)路線。本文從構(gòu)建思路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、典型特征、關(guān)鍵技術(shù)、實現(xiàn)難度等幾個方面對兩者進行了介紹和對比分析，具體結(jié)論如下：

1）智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的構(gòu)建思路更接近于現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)，是對當(dāng)前穩(wěn)控系統(tǒng)的智能化升級。在線穩(wěn)控系統(tǒng)則是另辟蹊徑，利用以快制動的思路更好地適應(yīng)新型電力系統(tǒng)。

2）智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難度在于其主站系統(tǒng)，采用人工智能方法，技術(shù)跨度較大；在線穩(wěn)控系統(tǒng)的技術(shù)難度在于其穩(wěn)控裝置部分，需要研制穩(wěn)控策略解釋器，這是全新的穩(wěn)控策略實現(xiàn)機制，但目前業(yè)界具有一定技術(shù)基礎(chǔ)，而其在線分析主站則與當(dāng)前類似系統(tǒng)無本質(zhì)差異。

智能決策自升級穩(wěn)控系統(tǒng)的總體技術(shù)實現(xiàn)難度要大于在線穩(wěn)控系統(tǒng)，在線穩(wěn)控系統(tǒng)的構(gòu)建思路更加適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，是較為推薦的新型穩(wěn)控系統(tǒng)技術(shù)路線。