广域信息与网络保护

广域动态运行信息条件下的网络保护与紧急控制研究张 保 会西安交通大学 2006/03/25目 录v 国际大停电事故及其教训v 我国保障电网安全运行的 “ 三道防线 ”v 电力系统广域运行信息及其应用v 输电断面安全性保护研究v 利用广域动态信息的网络操作优化研究v 基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测研究v 结论一、国际大停电事故及其教训（ 1）国外 03年发生的大停电事故 特大停电事故是现代社会的灾难国家 发 生 时间 事故名称 事故后果 美国 2003.8.14 北美 东 部网损 失 负 荷 61.8GW， 停 电 8州 1省 5000万人，停 电 面 积 24000平方公里，最 长 停 电 29小 时 ， 损 失 300亿 美元。瑞典丹麦 2003.9.23 瑞典丹麦停 电 1800MW， 影响 500万人用 电 ，停 6.5小 时意大利 2003.9.28 意大利 6,400MW的功率缺 额 ，最后 导 致 频 率崩 溃 ，停 电 19小 时 。英国 2003.8.28 伦 敦地 铁 停 电 724MW， 影响 41万用 户 ， 50万乘客被困，停 电 37分 钟 1小时马 来西 亚 2003.9.1 马 来西 亚 马 来西 亚 北方 5个州 发 生大停 电 事故，停 电 持 续约 4个小 时 。一、国际大停电事故及其教训（2）美国发生的其它大停电事故 预防特大停电事故是对现代科学技术的挑战事故名称 时间 后果美国 东 北部大停 电 1965.11.9 最 长 停 电时间 达 13h， 影响居民 3000万人，直接 经济损 失达 1亿 美元。纽约 大停 电 事故 1977.7.13 停 电时间 达 25h， 停 电 引起 贫 民区 纵 火与 抢 劫， 华 尔 街 计 算机停 电 ， 损 失价 值 超 过 百万人小 时 。美国西部网大停 电 1994.12.14 系 统 解列成 东 西南北四个大 岛 ，事故影响到 14个州 200万人的用 电 。美国西部网大停 电 1996.7.2 系 统 解列成五个孤 岛 ，事故影响 14个州 200万用 户美国西部网大停 电 1996.8.10 系 统 解列成四个孤 岛 ，事故影响 9个州 750万用户一、国际大停电事故及其教训（ 3）大停电的直接原因分析：v 在部分元件停运检修状态下，局部发生故障；v 故障切除后运行状态转移中部分 输电元件运行异常 或保护误动；v 后备保护和自动装置 切除过载的输电元件 ；v 连锁过载被切除后的 输电通道转移及系统不稳定 ；v 输电网络 被大面积的 无序断开 后低周波、低电压、高周波等自动装置分散动作使系统崩溃。一、国际大停电事故及其教训（ 4）一、国际大停电事故及其教训（5）一、国际大停电事故及其教训（ 6）一、国际大停电事故及其教训（ 7）一、国际大停电事故及其教训（ 8）一、国际大停电事故及其教训（ 9）一、国际大停电事故及其教训（ 10）一、国际大停电事故及其教训（11）大停电事故的启示：v 任意坚强的网络都存在 较薄弱的运行方式和严重的运行状态；v 跟踪运行方式和适应运行状态的实时控制系统是 不可缺或的；v 分散安装、独立动作的自动装置可能保护电网， 也可能切跨电网 ；v 电网 主网架结构的不安全 ，是大停电事故的直接原因；v 电网的 无序解列、开断 造成了恢复的困难。一、国际大停电事故及其教训（ 12）可吸取的教训：v元件的故障或扰动，在局部系统内部采取措施来消除，影响， 不使其扩散到局部系统外 ；v区域系统之间输电断面上的故障，切除故障元件后尽量 保持输电断面的完整性 ；v反应元件 运行异常的保护 应与系统的安全自动装置协调动作，保证网络连接的强壮性，尽量满足输电能力与输电需求的平衡， 切不可独立、无序乱动 ；v互联系统失稳后，应按功率尽可能平衡的原则 有序解列 ，避免大面积停电，并有利快速恢复。二、我国保障 电网安全运行的 “ 三道防线 ” （ 1）第一道防线：高速、准确地切除故障元件的继电保护和反应被保护设备运行异常的保护被我国超高压电网普遍采用的装备 利用被保护元件两端的尽可能简单的信息； 超高压系统主保护动作速度 10 25毫秒； 超高压系统主保护动作正确率 99.82%;正在研究、未来可能装备电网的保护 利用被保护元件单端或两端故障暂态信息的继电保护 主保护动作速度 2 5毫秒以尽可能快的速度、在尽可能小的范围内切除故障，减少系统产生的 不平衡能量二、我国保障 电网安全运行的 “ 三道防线 ” （ 2）第二道防线：保障电网安全运行的安全自动装置 自动重合闸装置： 除减少重合于永久故障时系统不平衡能量外，尽量减少网络拓扑的变化，尽快恢复网络 输电能力； 备自投、事故减出力、自动切负荷、抽水改发电等： 快速保持 稳态 发输电能力与用电需求的平衡。 过负荷控制 ： 连锁切机、切负荷，远方切机、切负荷等。保持 稳态输电能力与输电需求 的平衡。 暂态稳定控制：逻辑式连锁切机、切负荷；利用局部量的稳定性预测与紧急控制装置；基于离线或在线计算的区域性稳定控制系统； 用于保持 动态 输电能力和输电 需求的的平衡。二、我国保障 电网安全运行的 “ 三道防线 ” （ 3）第三道防线：失步解列与频率、电压控制 失步解列：在互联电网失去同步后，在预定的地点解列，以求各子网能独立满足供电需求。 频率控制：通过低周减载、开启备用机组等满足频率要求，通过高周切机保证频率稳定、机组安全。 电压和无功控制：通过低压减载和增发无功维持电压水平，防止电压崩溃。争取各自平衡，尽量减少对用户的损失，维持各子网的安全，创造并网条件。二、我国保障 电网安全运行的 “ 三道防线 ” （ 4）市省级电网省 大区电网我国电网规模升级与稳定破坏事故我国电网规模升级与稳定破坏事故二、我国保障 电网安全运行的 “ 三道防线 ” （5）“三道防线 ”建设中应该加强的研究： 采用最佳重合闸技术 ，减少第二次故障冲击、尽可能减少网络结构和潮流的变化，维持稳态输电能力、提高暂稳极限。 构建输电断面或网络的输电能力保护 ，协调和优化在元件运行异常、特别是线路过负荷后采取的网络切换，保证网络的稳态传输能力与负荷的平衡，防止元件连锁过载被切除。 研制自适应电力系统模型和参数的暂态稳定预测与紧急控制系统 ，提高系统的暂态稳定极限，增加网络的输电能力。 研究自适应的失步解列与快速恢复控制系统 ，减少停电容量和停电时间。三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（1）1、电力系统广域稳态运行信息电力系统地域的广袤性、电力设备的众多性、电能传输的快速性以及电能实时的平衡特性，决定了反应电力设备运行状态和电力系统运行方式的实时信息系统，是保障电力系统安全、可靠和经济运行的基础系统。经过几十年与电网建设同步的发展，基于五级 SCADA静态信息采集系统的电力调度自动化系统已经建立，支撑着现代的电力生产。这些信息反应电力系统的稳态运行情况，以分层分布式信息流结构，数据更新周期为秒钟级。三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（2）2、电力市场信息支持系统电力市场化改革后，电能的商品属性日渐凸现，表达电能价值、价格的实时经济信息成为决定电能交易的决定性信息。因为电能在物理上的实时平衡特性，使得电能安全运行与经济交易互相制约、密不可分。同时表征二者特性的信息系统，成为市场环境下电力系统生产运行的基础信息系统。这些信息反应电力市场的交易、电价、电费和电力系统的稳态运行情况，以分层分布式信息流和点到点的信息流结构，数据更新周期为秒钟级。三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（ 3）3、电力系统广域动态运行信息描述电力设备及电力系统 动态行为 的信息，利用这些信息可以掌握和预计电力系统的动态变化规律， 通过施加适当的控制，调控电力系统向预定的目标变化。例如：具有同步时钟、同时测量的电压、电流、功率和功角信息及其高速的传递网络。随着全球同步时钟的出现和高速信息网络的发展，建设电力系统广域动态信息系统初步具备了条件。三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（ 4）4、电力系统广域动态运行信息的可能应用 快速切除故障元件的继电保护防线是不需要广域信息的；广域信息下的集中协调控制系统是不可能取代分散安装的继电保护装置的。 被保护的目标是 单一设备 ，使用两端信息判别故障已经足够了；保护的可靠性要求极高，越是简单越可靠；保护的动作速度要求极高，广域信息速度不够； 具备广域动态运行信息将使 保障整个 电力系统安全运行的第二道、第三道防线的水平发生 “ 质 ” 的提高。四、输电断面安全性保护（ 1）1. 输电断面安全性保护的任务通过协调断面上的过载保护和自动装置的动作，避免断面内的支路发生连锁过载跳闸，维持断面的输电能力，防止断面潮流的大幅度转移。预测 出并行输电断面存在 连锁过载跳闸 的可能时，迅速 闭锁 过载保护，通过安全稳定控制系统进行紧急控制， 消除支路过载 。反之，则允许过负荷保护延时跳闸。四、输电断面安全性保护（ 2）2. 实现安全性保护的信息条件输电断面安全性保护需要实时获取系统级的信息，快速收索当前的输电断面，快速评估线路开断后断面的潮流情况，并给出可行的控制方案执行之。提升 SCADA/EMS系统的数据更新速度或利用快速动态信息系统；将分散安装的过负荷保护和各种安全自动装置联网，构成安全稳定紧急控制系统；完成对电网的实时监视、实时计算真、实时控制。四、输电断面安全性保护（ 3）3. 实现 输电断面安全性保护 的关键技术输电断面的在线快速搜索：运行状态的变化，并行输电断面也会发生变化，研究的基于图论的并行输电断面快速搜索算法有两种：对于电源与负荷分布不均具有较明显断面的网络，简化原始网络； 进行系统分区，建立系统状态图； 在系统潮流状态图上， 寻找有相同电源区或负荷区的并行输电断面 。对于电源与负荷分布均匀的多环路网络，并行输电通道也许就不存在，对这样的网络提出了基于图论的 最短路径搜索算法， 确定过载元件跳闸后最易遭受大功率转移的线路。四、输电断面安全性保护（ 4）输电断面连锁过载的实时预测在当前状态或元件过载的紧急状态下，利用 直流潮流分布系数法进行快速安全性评估：四、输电断面安全性保护（ 5）消除输电断面过载的实时控制1、将节点分为加出力（切负荷）和减出力两类根据过载支路的过载量差异，评价节点对过载支路的总体作用，分为加出力和减出力两类。当 ，节点为加出力节点，反之为减出力节点 。四、输电断面安全性保护（ 6）2、定义控制效果综合指标： 以节点消除断面过载能力为依据，定义消除过载线路过载量、对未满载线路的过载影响的输电断面控制效果综合指标。根据该指标得到加出力节点控制序列 OS1(i