電力系統設備的局部同步

核心概念

本文提出了一種基於設備端電壓和電流複頻率差異的電力系統設備局部同步的新概念，並探討了其在電力系統建模和穩定性分析中的應用。

摘要

電力系統設備的局部同步

論文資訊

Ponce, I., & Milano, F. (2024). Local Synchronization of Power System Devices. arXiv preprint arXiv:2407.02661v2.

研究目標

本研究旨在提出一個新的局部同步概念，以評估並聯連接設備與電網其他部分的動態行為是否一致。

方法

• 本文基於設備連接點的電壓和電流複頻率之差，定義了兩個與模型無關的局部同步定義：有界局部同步 (BLS) 和漸近局部同步 (ALS)。
• 本文推導了常見電力系統設備（同步發電機、ZIP 負載、感應電機、電網跟隨型和電網形成型變流器）的局部同步條件。
• 本文通過多個模擬案例研究，驗證了局部同步概念的有效性和在不同場景下的適用性。

主要發現

• 局部同步與穩定性是兩個獨立的概念，設備可以在系統不穩定的情況下保持局部同步，反之亦然。
• 不同類型的設備具有不同的同步機制，這取決於其內部動態和與電網的相互作用。
• 局部同步概念可以幫助識別電力系統中潛在的穩定性問題，並為設備控制器的設計提供指導。

主要結論

局部同步概念為評估電力系統設備的動態行為提供了一個新的視角，並為電力系統建模和穩定性分析提供了有價值的見解。

意義

本研究為電力系統同步的概念提供了更全面和精確的理解，有助於提高現代電力系統的可靠性和穩定性。

局限性和未來研究方向

• 未來研究可以進一步探索局部同步概念在更複雜電力系統中的應用，例如包含多種不同類型設備的系統。
• 可以開發基於局部同步概念的實時監控和控制策略，以提高電力系統的動態性能。
• 可以研究局部同步與其他電力系統現象（例如，電壓穩定性和頻率穩定性）之間的關係。

統計資料

本文模擬了一個三相短路故障，故障清除時間為 120 毫秒。
本文考慮了一個負載過載率為 20% 的運行場景。
本文模擬了一個三相故障，故障清除時間為 100 毫秒。

引述

“A key feature of this definition is to be fully decoupled and independent from stability.”
“Even though synchronization and stability are commonly achieved (or not) together, we show that stability does not imply local synchronization, nor the other way around.”
“The proposed concept brings completeness to the theoretical requirements for an adequate system operating condition.”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Local Synchronization of Power System Devices

by Ignacio Ponc... 於 arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.02661.pdf

深入探究

在包含大量分佈式能源的電力系統中，如何有效地評估和控制局部同步？

在大量分佈式能源接入的電力系統中，有效評估和控制局部同步是一個重要的議題，需要綜合考慮以下幾個方面：
1. 分佈式量測與資訊共享：

傳統電力系統依靠少數幾個同步發電機維持系統頻率和相位穩定，而大量分佈式能源接入後，系統呈現出更强的分散性和波动性。
為了有效評估局部同步，需要部署大量的相量量測單元 (PMU)，實時監測各個節點的電壓和電流相量，並通過高速通訊網路將資訊共享給區域控制器或中央控制器。
2. 基於複頻率的局部同步指標：

如文中所述，可以利用電壓和電流複頻率之差（即導納複頻率 ¯χ）作為評估局部同步的指標。
通過監測 ¯χ 的軌跡，可以判斷設備是否處於局部同步狀態，並根據其收斂情況評估同步程度。
3. 分層分佈式控制策略：

針對大量分佈式能源的控制，可以採用分層分佈式控制策略。
區域控制器負責監測和控制區域內設備的局部同步狀態，而中央控制器則負責協調各個區域，維持整個系統的穩定運行。
4. 考慮通訊延遲和故障：

在設計控制策略時，需要考慮通訊延遲和故障對系統穩定性的影響。
可以採用一些容錯控制方法，例如基於事件觸發的控制、自适应控制等，提高系統的可靠性和魯棒性。
5. 基於模型預測的控制：

可以利用電力系統模型和量測數據，預測系統未來一段時間內的運行狀態，並基於預測結果優化控制策略，提前採取措施預防局部同步問題的發生。
總之，在包含大量分佈式能源的電力系統中，評估和控制局部同步需要綜合運用先進的量測技術、通訊技術、控制理論和電力系統分析方法，才能確保系統的安全穩定運行。

局部同步概念是否可以用於設計新的保護策略，以防止電力系統故障的擴散？

是的，局部同步概念可以用於設計新的保護策略，以防止電力系統故障的擴散。以下是一些思路：
1. 基於局部同步指標的故障識別：

如文中所述，導納複頻率 ¯χ 可以作為局部同步的指標。當電力系統發生故障時，故障點附近的設備會失去局部同步，¯χ 的軌跡會出現異常變化。
可以設定閾值，當 ¯χ 超過閾值時，保護裝置動作，隔离故障设备，防止故障擴散。
2. 分佈式保護策略：

傳統的保護策略通常基於集中式控制，需要將所有資訊傳輸到中央控制器進行處理，存在通訊延遲和單點故障的風險。
利用局部同步概念，可以設計分佈式保護策略。每個區域控制器根據區域內設備的局部同步狀態，自主判斷是否需要採取保護動作，提高保護的快速性和可靠性。
3. 自适应保護策略：

電力系統的運行狀態是不斷變化的，固定的保護策略難以適應各種複雜情況。
可以利用局部同步概念，設計自适应保護策略。保護裝置根據系統的實時運行狀態，動態調整保護參數和動作邏輯，提高保護的靈活性和適應性。
4. 基於廣域量測的保護策略：

結合廣域量測系統 (WAMS)，可以獲取更全面的系統運行資訊，例如各個節點的電壓、電流、相角等。
基於這些資訊，可以更準確地判斷故障位置和類型，並採取更有針對性的保護措施，有效防止故障擴散。
總之，局部同步概念為電力系統保護策略的設計提供了新的思路，可以有效提高保護的快速性、可靠性、靈活性和適應性，保障電力系統的安全穩定運行。

如果將局部同步的概念應用於其他網絡化系統，例如交通網絡或通信網絡，會產生什麼影響？

將局部同步的概念應用於其他網絡化系統，例如交通網絡或通信網絡，將會帶來以下潛在影響：
1. 交通網絡：

擁堵控制和流量優化： 將交通流類比為電流，道路容量類比為電壓，可以利用局部同步的概念監測和控制交通流量。例如，通過動態調整交通信號燈的時序，引導車輛在不同道路上保持一定的同步性，可以有效緩解交通擁堵，提高道路通行效率。
事故預警和應急疏散： 當交通事故發生時，事故點附近的交通流會出現局部失同步現象。通過監測交通流的局部同步狀態，可以及時發現交通事故，並採取相應的應急措施，例如封閉道路、疏導交通等，減少事故造成的損失。
2. 通信網絡：

網路擁塞控制： 將數據包類比為電流，網路带宽類比為電壓，可以利用局部同步的概念監測和控制網路流量。例如，通過動態調整路由器的轉發策略，引導數據包在不同路徑上保持一定的同步性，可以有效緩解網路擁塞，提高網路传输效率。
網路安全防禦： 當網路攻擊發生時，攻擊目標附近的網路流量會出現局部失同步現象。通過監測網路流量的局部同步狀態，可以及時發現網路攻擊，並採取相應的安全措施，例如封鎖攻擊源、隔離受感染設備等，保障網路安全。
總體影響：

提高系統效率： 通過監測和控制局部同步狀態，可以優化資源配置，提高系統運行效率。
增強系統穩定性： 局部同步可以作為系統穩定運行的指標，及時發現和處理異常情況，防止系統崩潰。
促進新技術發展： 局部同步概念的應用將促進跨學科研究，推動新技術和新方法的發展，例如分佈式控制、自适应控制、基於數據驅動的控制等。
然而，需要注意的是，不同網絡化系統具有不同的特性和運行機制，將局部同步的概念應用於其他領域需要進行深入研究和分析，才能取得良好的效果。