扁平化安全稳定控制系统薄弱环节辨识

李生虎， 周慧敏， 颜云松， 韩伟， 任建锋， 宋闯

(1. 合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；
2. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；
3. 国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052)

安全稳定控制系统(security and stability control system,SSCS)由通信通道和控制站点组成，主要用于维护电网频率和功角稳定[1—4]。通信通道一般采用光纤通信，长度可达几十、几百甚至上千公里；
控制站点包括多层站点，其中底层站点连接不同类型的控制资源，如水电[5]、抽蓄、可切负荷[6]、储能、高压直流换流站等[7]，通过切泵、减载、直流调制等维持电网有功平衡。

SSCS可基于动态数据参数，也可由严重事件直接驱动。低频减载属于前者，启动须等待几个摇摆周期，时间长达数秒。在此过程中可能发生机组停运和大面积停电，恶化电网暂态过程。因此，在电网发生重大事件(如特高压直流受端单极或双极闭锁)时，可立即启动SCCS，快速增加有功出力或减少有功缺额，加快频率恢复过程。

我国能源基地和负荷中心不重叠，有必要采取大容量、远距离交/直流输电[8—10]，例如西南到华东、青海到华中、西北到华中直流工程等。这些跨区线路实现分区电网互联，便于共享稳定控制资源，但是需要增加对各分区SSCS的控制层，增加了SSCS结构复杂程度，降低了SSCS通信网络可靠性。

SSCS一般采用树状结构[11—12]，一个上层站点控制一个或多个下层站点。其优点是层级清晰，同级站点间相互独立，易于设计和实现控制策略。但若站点或其上游通道故障，下游所有站点和通道将失效。层级越多，上述缺点越明显。为增加可靠性，可在协控总站增加异地备用，但是备用越多，建设和维护成本越高，控制越复杂，误动可能性越大，因此须改进树状SSCS结构以提高其可靠性。

SSCS结构设计需要考虑经济成本、控制复杂性、可靠性等因素。对于SSCS可靠性，现有研究方法包括状态空间[13—15]、故障树[16—17]、蒙特卡洛抽样[18]、复杂网络方法[19—21]等。文献[22]提出互联系统SSCS扁平化概念。扁平化SSCS可靠性评估中，站点间存在双向/环状通道，因此不易确定所有控制路径。SSCS扁平化改造效果可由控制能力量化，控制能力不仅取决于通道可用与否，还取决于底层站点可控容量。同时，扁平化的SSCS中站点、路径间关系更加复杂，不易识别薄弱环节、判断关键元件对SSCS控制能力的影响。

文中在树状SSCS中增加双向/环状通信通道，实现扁平化设计。搜索顶层至底层站点间有向路径，计及元件可用率和可控容量，量化SSCS的控制能力；
定义站点平均控制能力指标和站点平均关联路径数指标，量化扁平化设计效果；
提出SSCS控制能力对站点和通道可用率的灵敏度的解析表达，以确定扁平化SSCS薄弱环节；
通过算例分析验证了所提算法的正确性。

1.1 传统SSCS结构

图1(a)为传统电网SSCS树状结构，其中S，R分别为站点和控制资源。顶层站点S1通过通道连接中间站点，控制6个底层站点站及其资源。当有站点或通道故障时，系统将失去对部分资源的控制。为提升系统控制能力，可适当增加站点或通道。例如，为避免S8和S11故障时失去对R1和R4的控制，增加热备用站点S14和S15，实现对R1和R4的控制以保全系统功能，见图1(b)。但若S2故障，无论S10是否有备用，R2和R3都将失去控制。图1(c)增加中间站点备用，可以提高系统控制能力，但是将增加成本、控制复杂程度和误动可能性。

图1 SSCS A的结构Fig.1 Configuration of SSCS A

1.2 扁平化SSCS结构

对于图1(a)，图2给出扁平化设计思路。在中间站点S6和S7间增加横向联系，实现两者相互备用。然后在S2以下，以环网代替第三层站点，此时S2通过环网直接控制S8—S10。扁平化后，站点间路径不唯一，例如S3可直达S6，也可经S7到达S6，从而提升了系统的控制能力。

图2 SSCS A扁平化设计Fig.2 Flat design of SSCS A

从分区电网互联角度出发，图3通过环形通信通道将3个SSCS顶层站点联系起来。若一个电网有功需求得不到满足，可以从其他电网获得支援。

图3 3个分区电网SSCS互联Fig.3 Integration of SSCS of three regional systems

实际跨区电网SSCS扁平化设计，还须考虑以下因素：

(1) 跨区电网SSCS设计主要针对有功平衡和频率稳定，很少考虑无功/电压，因为无功很少进行大容量、远距离传输。

(2) 扁平化设计须兼顾站点功能和重要性、通道建设和维护成本等。有些站点位于枢纽变电站、大机组、负荷中心附近，扁平化设计过程中这些站点必须保留。

(3) 扁平化淡化了站点间层级关系，可能会增加控制复杂程度，实际系统不可能也没必要全部采用环网，只要对部分薄弱站点或通道扁平化，因此薄弱环节辨识对扁平化设计非常重要。薄弱环节辨识取决于控制路径可用率和控制容量。

定义从顶层站点到底层站点的任意通路为控制路径。对树状系统，通过观察可以确定所有路径，如图1(a)中从S1出发有6条控制路径，分别控制R1—R6；
图1(b)中有2个底层备用子站，增加2条路径；
而图1(c)、图2和图3中考虑中间站点备用、站点局部扁平化及多个SSCS互联，路径数大幅增加，手动查找容易遗漏，因此建立以下SSCS路径算法。

2.1 邻接矩阵计算

从拓扑结构来说，可以视站点为顶点，通道为边，用邻接矩阵D中的元素dij来描述SSCS的连通特性。若站点i有路径指向j，定义dij=1；
否则dij=0。将图2站点重新排序并标记各通道得到图4，根据图4结构可得出11阶D矩阵，如式(1)所示。树状结构SSCS的D矩阵只有上三角有非零元素，而扁平化SSCS的D矩阵在下三角也有非零元素。

图4 站点重新编号后的SSCS AFig.4 SSCS A with renumbering to stations

(1)

2.2 路径搜索

以D矩阵为基础，从每个顶层站点出发，沿着有向路径逐步搜索到底层站点，可得所有控制路径：

(1) 从D矩阵第1行至第11行，依次展开。如果第i行对应顶层站点，记录站点i，从第1列到第11列依次展开；
否则转下一行。

(2) 对第i行第j列，如果dij=0，站点i和j间没有通信通道，分析下一列。如果dij=1且j不是底层站点，记录通道ij和站点j。对第j行从第1列到第11列类似分析djk。如果djk=1且k是底层站点，记录站点k，路径数加1，终止该路径搜索。

(3) 为避免在双向或环状通道中循环，在记录站点和通道时，需要避免搜索路径的重复。

按照上述原则，S1指向S2和S3。S2指向底层站点S6、S7、S8，因此得到3条控制路径，如图5所示。S3指向S4和S5，S4指向底层站点S9，路径数加1；
S4还指向S5，S5指向底层站点S10和S11，路径数加2。由此可得所有控制路径。

图5 控制路径的拓扑搜索Fig.5 Topology search to control path

增加横向联系后，SSCS可能出现环路，这在变电站通信和电网稳定控制系统中都可能存在。文中在建立连接矩阵时，已经避免环路重复搜索。和树状网络一样，环路控制也须明确上下级关系，只是前者上下级关系静态不变而后者动态变化。

3.1 SSCS对各控制资源的可控概率

控制路径所关联元件成串联关系，因此第n条路径可用率an是各关联元件可用率ak的乘积，如式(2)所示。与树状系统相比，扁平化后同一元件关联不同路径的场景大大增加。

(2)

(3)

(4)

实际通道如专用光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW)的可靠性包括电气、机械、光学等方面，任一方面性能下降都可能导致通信功能失效。文献[23]采用Weibull函数描述光纤失效概率，但实际光纤可用率受设备材料完好程度、接地方式、沿线地理气候条件(雷击等)、人为因素等影响[24]，须结合运行方式和故障类型具体分析，然后代入文中所提模型计算分析。

各控制路径间为并联关系，资源n可控概率An见式(5)，其中m为SSCS控制资源n路径的总数。

(5)

3.2 SSCS的控制能力

路径可用率越高、可调容量越大，SSCS控制能力越强。因此定义系统对资源n的控制能力Cn为顶层站点对底层站点的可控概率An与其底层站点可控容量Pn的乘积：

Cn=AnPn

(6)

Pn与当前运行方式有关。对于高压直流系统，当前载荷越大，可上调出力越小；
对于储能系统，抽蓄电站中抽水机组越少，允许切泵量越少。

SSCS的控制能力为对各资源控制能力之和CSSCS，见式(7)，其中M为控制资源总数。

(7)

联立式(4)、式(5)和式(7)可得CSSCS为：

(8)

3.3 站点平均控制能力指标和站点利用率

扁平化对SSCS的影响是增加了光纤成本和控制路径，提升了控制能力，减少了站点和层级数。为量化扁平化正面效果，定义站点平均控制能力αSSCS为控制能力与站点数量Nstation的比值：

(9)

定义SSCS站点平均关联路径数为βSSCS，表达式见式(10)。路径起止于站点，因此关联元件数Mn必为奇数。

(10)

3.4 SSCS薄弱站点辨识

(11)

式中：Ni为控制路径i中站点序号集合。

类似可推导系统控制能力对通道可用率的灵敏度。对灵敏度较大的通道，需要降低故障率、减少修复时间，或者加强扁平化设计。

SSCS站点可靠性参数参考文献[25]，光纤通道可靠性参数参考文献[26]。分区电网A中，R1可控容量为300 MW，R2可控容量为200 MW，R3可控容量为100 MW，R4可控容量为100 MW，R5可控容量为50 MW，R6可控容量为100 MW。

4.1 不同结构SSCS控制能力计算

计算树状结构、底层备用、中间备用和扁平化结构下SSCS对各控制资源的控制能力，见表1。与传统树状结构和增加站点备用设计方案相比，增加横向通信通道/环状结构实现扁平化可显著提高SSCS控制能力。

表1 树状SSCS控制能力Table 1 Controllability of SSCS with tree structure

4.2 不同结构下分区电网A的可靠性指标

针对电网A，图6给出不同SSCS结构的平均控制能力。相比于树状结构，增加站点备用会降低系统对站点的平均控制能力。相比于增加底层站点备用，增加第二层站点备用，系统平均控制能力指标提高更加明显。局部扁平化增加了通道，减少了站点层级，从而加强了SSCS控制能力。图7给出站点平均关联路径数。可以看出，增加备用或局部扁平化都可提高βSSCS以及系统对站点的利用率。

图6 不同结构下分区SSCS的αSSCSFig.6 αSSCS of SSCS with different structures

图7 不同结构下SSCS的βSSCSFig.7 βSSCS of SSCS with different structures

4.3 扁平化系统薄弱站点确定

SSCS控制能力对站点可用率的灵敏度见图8。站点1层级最高，灵敏度也最大。分别分析站点3、5、10，对于同一支路的树状结构，站点层级越高，控制路径越多，故障后果越严重。

图8 CSSCS对的灵敏度Fig.8 Sensitivity of CSSCS to

SSCS控制能力对通道可用率的灵敏度见图9。通道2控制R4、R5、R6的所有路径且不可替代，因此对SSCS影响最大。通道1和3均控制R1、R2、R3控制资源的所有路径，故两者灵敏度相同。通道4、5、7、9对SSCS控制能力的灵敏度相同，因此重新量化通道4、5、7、9对各控制资源控制能力Ci的灵敏度，见表3。系统对R4和R6控制能力分别受通道7和9的影响较大。

图9 CSSCS对的灵敏度Fig.9 Sensitivity of CSSCS to

表3 Ci对的灵敏度Table 3 Sensitivity of Ci to

文中针对电网SSCS扁平化需求，搜索顶层/底层站点间所有路径，量化扁平化SSCS控制能力及评估指标，提出灵敏度模型以确定薄弱环节，得到以下结论：

(1) SSCS控制能力与控制路径的可用率和可控容量有关。路径可用率越高，可控容量越大，系统控制能力越好。可以通过增加可用率或路径以提高系统控制能力。

(2) 增加备用或采用扁平化结构能增加SSCS的控制路径。优先增加层级较高站点备用。相比于增加备用，扁平化设计对提高SSCS控制能力的效果更明显。

(3) 站点或通道所关联的路径越多，路径控制容量越大，站点或通道越薄弱，故障影响越大。在SSCS设计中，应优先考虑这些薄弱元件。

文中SSCS扁平化设计考虑了系统可靠性和控制能力。实际扁平化设计还须考虑控制难度和光纤成本等因素，有待进一步研究。

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