一種考慮儲能的電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障阻斷控制策略

王巖, 李琰, 徐天奇

(云南民族大學云南省高校電力信息物理融合系統(tǒng)重點實驗室, 昆明 650504)

隨著中國智能電網建設的不斷推進和信息化水平不斷提高,電網已成為高度融合的電力信息物理系統(tǒng)(cyber-physical power system,CPPS)。近年來在印度、烏克蘭和委內瑞拉[1-3]等地發(fā)生的多起大停電事故表明,信息系統(tǒng)在提高電力系統(tǒng)可觀可控性的同時,也因系統(tǒng)間風險因素相互疊加而使連鎖故障更為復雜。信息系統(tǒng)影響下的連鎖故障已成為引發(fā)眾多大停電事故的重要起因,因此研究如何快速地對連鎖故障采取有效的阻斷控制策略對維持CPPS穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前,對于單一電力系統(tǒng)連鎖故障[4]的預防和控制研究已有較多成果。文獻[5-6]基于復雜網絡理論主要從拓撲角度提出對關鍵線路的保護策略,分析其在連鎖故障演化進程中的作用。而復雜網絡理論主要從系統(tǒng)宏觀特性對連鎖故障進行評估,難以考慮系統(tǒng)實際運行狀態(tài),不適合用來分析連鎖故障的具體傳播過程,所提出的優(yōu)化策略也不適合及時展開。文獻[7-9]從線路可靠性角度闡述了過載主導型連鎖故障的傳播過程,并基于多階段最優(yōu)潮流分析了該類型的連鎖故障傳播路徑與阻斷控制策略。文獻[10]在此基礎上同時考慮安全性與經濟性,采用多目標粒子群優(yōu)化算法對多重連鎖故障建立協(xié)調控制模型。文獻[11]進一步充分考慮控制策略與連鎖故障傳播路徑間的交互影響并建立了多階段阻斷控制模型。以上連鎖故障阻斷控制方案大多基于切機、切負荷等控制措施保證電網持續(xù)穩(wěn)定運行。而在雙碳目標以及新型電力系統(tǒng)建設下儲能技術得到廣泛應用和發(fā)展。機械、電化學和電磁儲能響應速度已達毫秒級別[12],可將其作為連鎖故障應急協(xié)調控制手段用于緊急支撐電網功率,保證電網的安全穩(wěn)定運行[13]。

同時,為有效應對信息物理融合系統(tǒng)復雜工況下的連鎖故障,文獻[14]在電網潮流模型基礎上構建了信息網中的動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸模型,并分析信息網絡結構和路由策略對連鎖故障的影響。文獻[15]則考慮了信息系統(tǒng)的監(jiān)測和控制供能對電網連鎖故障傳播的影響,并基于連鎖故障的最優(yōu)潮流模型提出了一種關鍵線路的辨識方法。文獻[16]則進一步構建了基于信息流的電力信息物理一體化模型。因此,如何考慮信息物理交互對連鎖故障傳播路徑的影響,是制定連鎖故障阻斷控制方案過程中不可忽視的問題。

基于上述分析,在CPPS背景下,考慮儲能配置構建一種計及信息系統(tǒng)影響的連鎖故障阻斷控制模型。首先,基于CPPS故障交互機理對過載型連鎖故障建立了相應的可觀可控性模型,并分析了CPPS連鎖故障傳播及其阻斷控制過程。然后進一步提出了儲能安全入網模型,提高了儲能配置區(qū)域母線功率與負荷之間的同步穩(wěn)定性[17],一定程度上避免了連鎖故障傳播過程中功率不平衡引起的線路過載現(xiàn)象。最后,基于信息系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的可觀可控性,根據(jù)控制中心對過載型連鎖故障的觀測與控制約束建立多階段控制最優(yōu)潮流模型,輸出變量的邊界約束表示為機會約束,以保證求得控制方案的安全性和經濟性。最后通過仿真分析驗證了所提控制模型的有效性,并分別從量測元件和儲能分布的角度分析了信息系統(tǒng)和規(guī)模儲能接入對連鎖故障阻斷控制的影響。

1 CPPS連鎖故障模型

采用連鎖故障發(fā)展模式多,根據(jù)不同誘因主要分為結構主導型、過載主導型和配合主導型[18]。本文主要基于過載主導連鎖故障進行分析。當電力系統(tǒng)存在元件故障或退出運行時會引發(fā)潮流大規(guī)模轉移。若潮流重新分配后電網剩余支路過載或觸發(fā)保護誤動,就會導致新一輪的支路開斷。目前針對過載主導型連鎖故障的研究涉及諸多方面,然而鮮有人關注過載線路能否被及時有效觀測和控制。事實上,新型電力系統(tǒng)的可觀可控能力主要受信息網絡的鏈路結構,測控裝置的配置水平以及當前電力系統(tǒng)的拓撲結構影響。故本文考慮CPPS可觀可控性對連鎖故障及其阻斷控制過程的影響,建立連鎖故障的傳播模型。

1.1 CPPS可觀可控性

CPPS在原有電力系統(tǒng)基礎上融合了信息系統(tǒng)和表示不同業(yè)務功能的耦合網絡組成。根據(jù)復雜網絡理論,電力線路和母線構成電力線路集Ep和節(jié)點集Vp,拓撲模型用Ap=(Vp,Ep)。信息系統(tǒng)由Bc=(Vc,Ec)表示,其中Vc為控制中心和各通信終端構成的節(jié)點集,Ec表示信息鏈路集。為考慮連鎖故障傳播過程中信息系統(tǒng)對電力控制過程的影響,系統(tǒng)間的耦合網絡主要由監(jiān)測和控制業(yè)務構成。分別采用Cin和Cout表示量測系統(tǒng)信息上傳過程和控制中心控制任務下達過程。

為表示電力節(jié)點的可觀可控狀態(tài),建立ZM和ZC向量。ZM狀態(tài)向量由供能母線工作狀態(tài)和同步向量檢測單元(phasor measurement unit,PMU)直接量測域共同決定,即

(1)

式(1)中:XB和XU為PMU供能狀態(tài)矩陣和監(jiān)測域矩陣,其元素都為0-1變量;I為單位向量。

當電力母線的帶負荷能力低于某一閾值時,則認為該區(qū)域供能狀態(tài)不足。同時,PMU可直接測量所安裝節(jié)點的電壓幅值和相角以及相鄰節(jié)點的電壓向量。根據(jù)對電力節(jié)點的監(jiān)測狀態(tài)構成PMU監(jiān)測域矩陣。而電力線路兩端節(jié)點均可觀測,則認為該段線路處于可觀測域內。在多階段連鎖故障過程中,故障線路能否被觀測決定了控制中心能否及時采取阻斷控制措施。而ZC狀態(tài)主要由系統(tǒng)故障反映能力和信息節(jié)點工作狀態(tài)共同決定。并且假設故障反映能力只受信息鏈路傳輸過程影響。即

(2)

1.2 CPPS連鎖故障及其控制過程

與單一電力系統(tǒng)連鎖故障過程相比,CPPS連鎖故障的跨空間傳播過程主要由以下4個階段構成,如圖1所示。其中,階段1是由于電力網內部故障元件動作導致潮流轉移,引起新的線路過載。階段2,電力線路故障導致部分信息節(jié)點故障,主要原因是部分線路故障引發(fā)部分母線對信息終端的供能不足。階段3,由于信息中繼節(jié)點故障引發(fā)的通信鏈路變化,導致部分信息終端之間通訊失效,故障在信息網內部傳播。階段4,部分具有控制業(yè)務來往的信息節(jié)點失效將無法控制相應機組出力或相應負荷削減。

圖1 跨空間連鎖故障交互過程Fig.1 Cross-space cascading failure interaction process

同時如果一條線路兩端母線對應的信息節(jié)點故障,控制中心將無法接收PMU的量測信息。這將導致電力線路處于不可觀測狀態(tài)中。具體連鎖故障及其阻斷過程如圖2所示。本文將連鎖故障傳播階段k近似為故障傳播所需時間t。用于標識連鎖故障傳播的不同階段,是抽象的時間尺度。

圖2 連鎖故障阻斷控制流程圖Fig.2 Cascading failure blocking control flow chart

2 含儲能有源配電網的安全運行

阻斷控制采取切機切負荷等控制措施以達到遏制故障發(fā)展擴散的目的,以部分停電代價化解 系統(tǒng)的穩(wěn)定危機,阻止事故向更大范圍和更深層次發(fā)展。而新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下,儲能通過與配電網靈活的雙向功率交換,可以避免連鎖故障傳播過程中功率不平衡而引起線路過載的情況。

配電網在某時刻發(fā)生安全性事件,需要儲能在一定時間內提供持續(xù)可靠的安全性服務[19],即

Pi(t)=ANGPG(t)+ANPPES(t)-ANDPD(t)

(3)

式(3)中:Pi(t)表示電力節(jié)點功率。ANG、ANP和AND分別為電力節(jié)點-發(fā)電節(jié)點關聯(lián)矩陣、電力節(jié)點-儲能節(jié)點關聯(lián)矩陣和電力節(jié)點-負荷節(jié)點關聯(lián)矩陣;PG(t)和PD(t)為發(fā)電節(jié)點功率和負荷功率;PES(t)為儲能的充/放電功率。儲能的實時安全服務功率不超過儲能變流器(power control system,PCS)的最大充/放電功率,即

(4)

由于基于在線分析的連鎖故障事件更關注有功分布和求解速度,故引入直流潮流線性模型中節(jié)點注入功率與支路功率之間的關系,通過儲能技術和自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)實現(xiàn)了節(jié)點功率Pi和節(jié)點負載之間的同步穩(wěn)定性。

同時儲能的實時安全服務能力與其充/放電功率的維持時間有關,需保證儲能提供功率支持需維持的時間滿足連鎖故障阻斷控制過程,即儲能參與連鎖故障阻斷控制至系統(tǒng)故障恢復期間所需的時間。本文中未考慮故障恢復時間,并假設所有儲能容量均能支持阻斷控制至恢復過程。

3 連鎖故障阻斷控制模型

考慮電力信息物理系統(tǒng)連鎖故障傳播路徑受控制中心的可觀可控能力影響,基于電力線路的觀測狀態(tài)采用多階段的控制措施以防止連鎖故障的進一步發(fā)展。在調整機組出力和削減負荷的控制手段外,考慮儲能技術廣泛應用于新型電力系統(tǒng)并參與優(yōu)化運行中。

3.1 目標函數(shù)

連鎖故障阻斷控制的目的是在保證電網安全穩(wěn)定運行的基礎上盡可能滿足用戶用電需求的。同時考慮各種阻斷控制手段之間的經濟成本最小,目標函數(shù)為

(5)

3.2 等式約束

基于CPPS的連鎖故障多階段阻斷控制模型等式約束條件主要包括功率平衡約束和不可控約束。功率約束為

(6)

(7)

3.3 不等式約束

考慮儲能配置的連鎖故障多階段阻斷控制模型不等式約束條主要包括各個階段的線路功率約束、發(fā)電機出力約束、可調節(jié)負荷范圍約束和儲能雙向功率交換約束,即

(8)

4 案例分析

本文采用IEEE-118系統(tǒng)作為電力一次系統(tǒng)。信息系統(tǒng)鏈路基于無標度網絡,通信方式為基于同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy,SDH)技術的光纖通信。信息節(jié)點與電力節(jié)點一一對應,以度數(shù)最大的信息節(jié)點9作為控制中心。設置在母線供能水平不低于正常供能的70%的條件下信息設備工作正常。考慮系統(tǒng)PMU配置的經濟性,引入貪婪算法計算不同數(shù)量PMU各自的安裝位置。并且設置電力系統(tǒng)運行時的可調負荷水平為20%。

選定初始故障線路為初始線路負載率最大的線路。場景1為初始故障后的連鎖故障過程,場景2為在場景1的基礎上根據(jù)線路運行可靠性理論設定的新一輪故障線路,場景3與場景2設置方式相同。運行結果如圖3所示。連鎖故障初始階段并未及時采取阻斷控制措施,是由于本次仿真PMU配置水平較低為20%。在PMU配置水平不高的情況下,仍能在系統(tǒng)故障范圍明顯擴大時監(jiān)測到過載線路,采取進一步阻斷控制。這是因為貪婪算法優(yōu)先選取度數(shù)高的電力節(jié)點作為PMU配置位置。由圖3中阻斷控制點可知,阻斷后均無線路過載情況,故本文方法在每個場景下均能有效阻斷連鎖故障。

圖3 阻斷控制過程的系統(tǒng)狀態(tài)Fig.3 System states during the blocking control process

而傳統(tǒng)基于控制機組出力和負荷削減的阻斷控制方法,會受到負荷可調節(jié)范圍限制,以及機組和負荷的可控能力限制,因此出現(xiàn)了階段性阻斷優(yōu)化失敗而導致連鎖故障阻斷控制時間滯后的情況。而本文針對以上情況,采用了儲能技術和切機切負荷相結合的方式,能夠一定程度減少阻斷優(yōu)化失敗的情況。基于場景1,對比傳統(tǒng)阻斷控制方法和本文考慮儲能的阻斷控制方法進行實驗仿真,如表1所示。PCS的最大充/放電功率設為10 MW,設置電力系統(tǒng)運行時的可調負荷水平為20%。并且考慮了信息物理故障跨空間傳播過程對電力系統(tǒng)可控能力的影響。如表1所示,本文阻斷控制模型更早收斂,更早采取阻斷控制而使得負荷損失較少。

表1 各阻斷控制方法運行結果Table 1 Operational results of different blocking control methods

為綜合展示場景1下不同控制方法的各項性能,將仿真的初始故障線路遍歷IEEE-118系統(tǒng)各個線路,得到各方法的綜合評估結果。其中PMU配置水平為40%,PCS的最大充/放電功率設為10 MW。如仿真結果如表2所示,本文考慮儲能配置的阻斷控制策略一定程度上提高了阻斷優(yōu)化模型求解的成功率,減少了故障傳播時間。

表2 各方法綜合性能Table 2 Comprehensive performance of different methods

同時,考慮到不同PMU配置水平可能對CPPS的可觀可控性有一定的影響,因此進一步分析了不同PMU水平下傳統(tǒng)方法和本文方法對連鎖故障的阻斷控制效果,如圖4所示。

圖4 不同PMU配置水平下的連鎖故障阻斷控制Fig.4 Cascading failure blocking control at different PMU configuration levels

根據(jù)貪婪算法得到的PMU配置結果表明,在當配置水平達到20%時基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的全范圍可觀。因此將PMU配置的前20%稱為擴大可觀測范圍,其后則稱為增強可觀測能力。隨著PMU配置比例的不斷增大,連鎖故障的平均故障時間、故障線路數(shù)量和負荷損失均有不同程度的減少。這是由于可觀測性對連鎖故障阻斷控制的影響,只有可觀測線路才會被調度工作人員及時發(fā)現(xiàn),并采取阻斷控制措施。并由各數(shù)據(jù)點間斜率可知,PMU配置比列在40%～45%這一提升是最有效的。同時PMU配置水平在25%～40%區(qū)間內兩種控制方法的性能差別最為突出。這是由于本文阻斷控制II考慮了儲能配置,增加了配置區(qū)域節(jié)點功率的同步穩(wěn)定性,減少了阻斷時間。而在這段區(qū)域的阻斷時間差別最大,增加了故障在信息系統(tǒng)內的傳播時間,導致調度人員發(fā)現(xiàn)并采取阻斷控制措施時對電力系統(tǒng)的可控能力差別較大,因此兩種方案的故障線路數(shù)和負荷損失差距也隨之增大。并且阻斷控制時間的差異是由于二者阻斷成功率所決定的。在阻斷成功率與PMU配置比例的關系中,前期成功率較高是由于系統(tǒng)對過載線路的不可觀測導致未能觸發(fā)阻斷控制。并且在僅有的幾個觸發(fā)事件中發(fā)現(xiàn)故障都發(fā)生在前期。此時CPPS系統(tǒng)的通信網鏈路較完備,較少的出現(xiàn)不可控機組和不可體調節(jié)負荷,故阻斷成功了較高。綜合結果表明,儲能配置完善的情況下,本文所提阻斷控制策略能有效提升連鎖故障阻斷控制效果。

同時實際儲能配置應考慮經濟性和技術能力,因此本文進一步對儲能不同規(guī)模進行仿真分析。根據(jù)以上仿真得出不同情況下的儲能綜合使用情況,如表3所示。根據(jù)儲能使用頻率情況決定儲能前期投入情況,并基于此分析儲能規(guī)模對連鎖故障阻斷成功率的影響,如圖5所示。在IEEE-118系統(tǒng)中,若PCS的最大充/放電功率為10 MW,配置數(shù)量達到6個時,基本可以保證本文所提阻斷控制策略的成功實施。

表3 各區(qū)域儲能使用頻率Table 3 Energy storage usage frequency in different regions

圖5 不同儲能配置規(guī)模下的連鎖故障阻斷控制Fig.5 Cascade failure blocking control with different energy storage configuration scales

5 結論

從CPPS可觀可控性對連鎖故障阻斷過程的影響角度出發(fā),構建了一種計及信息監(jiān)測和控制影響的連鎖故障阻斷控制模型。并在傳統(tǒng)調控手段上考慮了儲能技術參與阻斷控制過程。主要有以下結論。

(1)考慮信息系統(tǒng)參與下,電力系統(tǒng)連鎖故障阻斷控制會受可觀可控性影響。并且隨著故障程度加深可觀可控性下降,出現(xiàn)不能及時阻斷故障的情況。

(2)本文提出了儲能參與下的阻斷控制方法,能夠在一定程度解決系統(tǒng)可控性較差時阻斷優(yōu)化不收斂的問題,減少了故障傳播時間和用戶損失。

(3)從儲能配置數(shù)量的角度分析了不同儲能配置規(guī)模對連鎖故障阻斷控制成功率的影響。并考慮配置的經濟性得出了理想的配置位置和數(shù)量。

未來將結合儲能容量和連鎖故障阻斷控制后的系統(tǒng)故障恢復過程,進一步研究儲能容量的優(yōu)化配置問題。