（农业电气化与自动化专业论文）电力系统静态电压安全评估方法的研究.pdf

中国农业大学博士学位论文摘要 摘要 上个世纪七十年代后期以来，世界范围内先后发生了多起由电压崩溃引起的大面积停 电事故，造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。我国虽然没有发生过大范围的恶性电 压崩溃。但由于电网网架结构薄弱，并联电容器使用较多，电压不稳定和电压崩溃出现的 条件同样存在。因此开展电力系统静态电压安全评估具有重要的意义。 本论文对电力系统静态电压安全评估所涵盖的系统静态电压安全紧急程度的评估、薄 弱节点，节点集的确定、系统载荷能力极限的计算方法和n 1 严重预想事故集的选择等内容 作了较为深入的研究和探讨，具体内容如下： ( 1 ) 首次提出了能够根据电力系统当前运行状态评估静态电压安全紧急程度的预警 方法本文采用模糊聚类方法综合多个由当前运行状态确定的电压稳定指标中携带的信息 实现了对系统承受单一节点负荷增长能力的分段标识，将所有载荷节点分为薄弱、较薄弱 和非薄弱三个节点群，按预警惯例分别着上红、黄、绿三种预警颜色，并给出各节点群载 荷能力的界域。该方法最大的贡献在于突破了不用计算载荷能力就能确定当前静态电压安 全紧急程度这个技术难点，与以往评估薄弱节点方法相比还具有可以保证所确定的非薄弱 节点群中没有载荷能力较小的节点、能够给出容易转变为薄弱节点的较弱节点群并用黄色 预警提醒运行人员特别关注、同时可以获得节点载荷能力界域等优点 ( 2 ) 本文首次将t s 型模糊逻辑推理系统用于计算电力系统载荷能力极限。构造了适 用于电压失控型系统进入紧急状态时计算系统载荷能力极限的t s 模糊逻辑推理系统。通 过定义能够表征系统载荷能力极限变化的物理量为推理系统的输入变量和确定相应的逻辑 规则函数，实现了t s 模糊逻辑推理系统输出到电力系统载荷能力极限的映射。本文提出 的这种基于t s 模糊逻辑推理系统的电力系统载荷能力极限计算方法最大的特点是不用对 任何负荷增长模式作计算，仅用当前s c a d a 系统获得的状态信息就能快速的得到电力系 统载荷能力极限。文中对系统拓扑不变化、发生n 1 变化和n 2 变化分别作了仿真实验， 验证了该方法的有效性和计算结果的正确性 ( 3 ) 提出了适用于功率阻塞型电力系统系统载荷能力极限计算的直线法，基于前人提 出的节点s m 和b 指标，本文构造了具有良好线性性的节点型电压稳定指标函数，基于该线 性函数采用直线法来估算功率阻塞型系统的载荷能力极限。由于该方法是通过系统电压稳 定最薄弱节点的指标函数进行计算的，所以计算速度较快。 ( 4 ) 本文针对在线预想事故评估快速计算的要求，提出了用于n 1 严重预想事故集选 择的多行为组合指标法。定义了反映预想事故对系统薄弱节点群电压偏移影响大小的节点 电压偏移行为指标、反映预想事故对系统无功储备影响大小的无功储备行为指标和开断支 路输送潮流行为指标，再将这三个行为指标的线性组合作为评定预想事故严重程度的多行 为组合指标。该方法的优点在于不需要估算事故后的状态信息，由当前系统的运行状态就 能将所有n 1 预想事故按照对系统电压安全威胁程度的大小顺序排列，大大简化了计算过 中国农业大学博十学位论文摘要 程。 关键词：电力系统，静态电压安全评估。安全裕量，载荷能力极限，预想事故，多行为组 合指标 n 中国农业大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sr e p o r t e dt h a tt h e r ew e r es e v e r a lp o w e ru t i l i t i e sr e l a t e dt ov o l t a g ei n s t a b i l i t y , a n dt h e i n s t a b i l i t yr e s u l t e di nl a r g ee c o n o m i cl o s sa n ds i g n i f i c a n ts o c i a li n f l u e n c e t h o u g hl a r g e - s c a l e v o l t a g ec o l l a p s eh a sn o ta p p e a r e di nc h i n au n t i ln o w , t h ev o l t a g ei n s t a b i l i t ya n dv o l t a g e c o l l a p s em a y o c c u rb e c a u s eo f t h ev u l n e r a b l ee l e c t r i c a ln e t w o r ka n dl a r g en u m b e ro f c a p a c i t o r s i nu s e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o ps t a t i cv o l t a g es e c u r i t ya s s e s s m e n tt o o l sf o rp o w e r s y s t e mo n - l i n eo p e r a t i o n t h ei s s u e so ut h ep o w e rs y s t e ms t a t i cv o l t a g es e c u r i t ya s s e s s m e n ta r ed e e p l yr e s e a r c h e d a n dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，i n c l u d i n gt h ee v a l u a t i o ns y s t e ms t a t i cv o l t a g es e c u r ee m e r g e n t s t a t u s ，i d e n t i f i c a t i o n o f t h es y s t e m v u l n e r a b l e n o v e l ，m e t h o do f s y s t e m m a x i m u m l o a dc a p a c i t y c a l c u l a t e da n dt h em e t h o do f c o n t i n g e n c ys c r e e n i n ga n dr a n k i n g t h ef o r e w a r n i n gt e c h n i q u e w h i c he v a l u a t e st h es y s t e ms t a t i cv o l t a g es e c u r ee m e r g e n t s t a t u so nt h er e a l t i m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n i sp r o p o s e dh e r ew h i c hh a sn o tb e e nr e p o r t e d t h e f u z z yc l u s t e r i n gi su s e dt oc o m b i n es e v e r a lv o l t a g es t a b i l i t yi n d i c e s ，w h i c ha r ec a l c u l a t e do nt h e c u r r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o nt oa c h i e v et h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ec a p a c i t o ro fs i n g l en o v e l i n c r e a s i n gl o a dw i t h i nt h es y s t e mc a p a c i t y t h em e t h o dd i v i d e dt h en o d e si n t ot h r e es e t s ， s u c ha sv u l n e r a b l e ，l i t t l ev u l n e r a b l ea n dn o n v u i n e r a b l e ，w h i c ha r el a b e l e da sd i f f e r e n tc o l o r s 。 y e l l o wa n dg r e e n i na d d i t i o n ，t h eb o u n d a r yo f t h es e ti sa l s op r o v i d e d t h em o s tc o n t r i b u t i o ni s t h a tt h er e a l t i m es t a t i cv o l t a g es e c u r ee m e r g e n ts t a t u si si d e n t i f i e dw i t h o u tt h el o a de a p a c i t y c a l c u l a t e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a y , t h en o d ew i t hl i t t l el o a dc a p a c i t yi sn o ti n c l u d e d j nt h es 打o n gs e t f u r t h e r m o r e 。t h et i t t l ev u l n e r a b l es e t , w h i c hi st e n dt ob ev u l n e r a b l e ，i sl a b e l e d a sy e l l o wt or e m i n dt h eo p e r a t o r t h et sf u z z y1 0 9 i ci l l a t i o ns y s t e mi sf i r s t l yu s e dt oa c h i e v et h es y s t e mm a x i m u ml o a d c a p a c i t yi nt h i sp a p e r t h et sf u z z yl o g i ci l l a t i o ns y s t e m w h i c hi sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h e m a x i m u ml o a dc a p a c i t yo ft h e “l o s so fv o l t a g ec o n t r o l ”v o l t a g ei n s t a b i l i t ys y s t e mi ne m e r g e n c y s t a t u s ，i sc o n d u c t e dh e r e t om a pt h eo u t p u to ft h ei l l a t i o ns y s t e mo n t ot h em a x i m u ml o a d c a p a c i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，t h ev a r i a b l e si n d i c a t i n gt h ed e c l i n eo fs y s t e mm a x i m u ml o a d c a p a c i t ya r ed e e m e da st h ei n p u tv a r i a b l e so ft h ei l l a t i o ns y s t e ma n dt h el o g i cr u l ef u n c t i o n r e l a t i v e l y t h ea d v a n t a g eo ft h em e t h o db a s e do nt h et sf u z z yl o g i ci l l a t i o ns y s t e mi st h a tt h e m a x i m u ml o a dc a p a c i t yo ft h ep o w e rs y s t e mi sa c q u i r e df r o mt h es c a d as y s t e m s i m u l a t e d t e s t sc o n f i r mt h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo f t h em e t h o dw h i c hd e a lw i t ht h en o r m a lc o n d i t i o n ，n - i c o n t i n g e n c y , a n dn 一2c o n t i n g e n c y t h em e t h o dw h i c hi su s e dt oc a l c u l a t et h es y s t e mm a x i m u ml o a dc a p a c i t yo ft h e c l o g g i n g v o l t a g ei n s t a b i i t ys y s t e m ”t h en o v e lv o l t a g es t a b i l i t yi n d e xf u n c t i o nw i t hg o o dl i n e a r i t yi s c o n d u c t e do ut h es mi n d e xa n dbi n d e x ，s ot h em e t h o di sp r o p o s e dh e r et oe v a l u a t e dt h es y s t e m i 中国农业大学博士学位论文 a b s t r a c t m a x i m u ml o a dc a p a c i t y t h em o t h o di sl i t t l et i m e c o m s u m e db e c a u s ei ti sc a l c u l a t e db a s e do n t h ei n d e xf u n c t i o no fs y s t e mm o s tv o l n e r a l b en o v e l c o n s i d e r i n gt h er e q i r e m e n to ft h ec o m p u t a t i o n a lc o s to ft h eo l l - l i n ec o n t i g e n c yr a n k i n g ， t h em e t h o do fm s t 佃l ec o m b i n e dp e r f o r m a n c ei n d i c e si sp r o v i d e dh e r e t h e r ea r et h r e e d e f l n a t i o n so ft h ep e r f o r m a n c ei n d e x t h ev o l t a g ec h a n g ep e r f o r m a n c ei n d e xi su s e dt oi n d i c a t e t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n t i n g e n c yo l lt h ev o l n e r a b l es e tv o l t a g e n ”r e a c t i v ep o w e rr e s e r v e p e r f o r m a c ei n d e xi su s e dt oi n d i c a t et h ec o n t i n g e n c yi n f l u e n c eo nt h es y s t e mr e a c t i v ep o w e r r e s e r v e a n dt h ec o n t i n g e n c yf l o w 妞u s e dt od e f i n et h ef l o wp e r f o r m a n c ei n d e x 1 1 1 ei n t e g a t e d p e r f o r m a n c ei n d e xi s c o n d u c t e dh e r et or a n kt h ec o n t i n g e n c y i nt h i sm e t h o d ，i ti se a s yt o e v a l u a t et h es e v e r ed e g r e eo ft h ec o n t i n g e n c y b e c a u s et h ei n f o r m a t i o no fp o s t c o n t i n g e n c yi s n o tr e q i r e da n y m o r e k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s t a t i cv o l t a g es e c u r i t ya s s e s s m e n t ，s e c u r i t ym a r g i n ，m a x i m u m l o a d c a p a c i t y , p r e d i c t e dc o n t i n g e n c y , m u t i p l ec o m b i n e dp e r f o r m a n c ei n d i c e s i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名； ；玖毛时间；沙刁年月，f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：弓度磊 时间：弘刁年月吖百 导师签名：时间：年月日 第一章绪论 1 1 课题研究解决的问题、背景和意义 上个世纪七十年代后期以来，世界范围内先后发生了多起由电压崩溃引起的大面积停 电事故，造成了巨大的经济损失和严重的社会影响【1 4 j 。我国虽然没有发生过大范围的恶性 电压崩溃事故，但电压不稳定和电压崩溃出现的条件同样存在。另外，电力系统的广域互 联和电力市场重组过程中对经济性考虑的趋重使系统运行接近其稳定边界这一现状，更加 重了电压稳定问题对系统安全的威胁。作为电力系统稳定问题的一个重要分支，电力系统 电压稳定问题越来越得到研究人员的关注【1 “i 。 电压不稳定性电压崩溃的研究必须紧紧地依据工业界的需要开展。电力系统静态电压 安全评估首先应当使运行人员了解有关系统整体安全状况的信息，例如当前系统是否安全、 系统电压安全的紧急程度、允许系统总体负荷增长的裕量、在系统中哪些节点负荷的增长 对系统电压稳定威胁较大等等，以便在系统电压稳定受到不同程度威胁时及时向运行人员 预警，使得运行人员能够及时采取有效的控制措施。电力系统静态电压安全评估另一项内 容是对预想事故后的系统电压安全状况作出评估，以便运行人员提前作出防范措施。 到目前为止，基于当前系统运行状态的静态电压安全评估方法主要是用于识别系统的 薄弱节点薄弱节点集1 2 5 - 3 6 】。由于这类方法很难建立与节点载荷能力之间的联系因此很难保 证在确定的非薄弱节点集中没有承受负荷增长能力较小的节点。更重要的是很难直接由这 类方法的分析结果来判断系统电压稳定受威胁的程度。系统静态电压稳定问题本质上是负 荷稳定问题，因此系统的静态电压安全紧急程度通常用系统载荷能力极限来评估。考虑到 计算系统载荷能力极限所需的计算耗费很难满足在线评估的要求，长期以来，如何不通过 计算载荷能力就能评定当前静态电压安全紧急程度是一个尚未解决的问题和技术难点，也 是本课题首先研究解决的问题。 现有的计算电力系统载荷能力极限的方法p 。7 ”，对处于安全运行状态下电力系统的载 荷能力计算大多都适用。但是当系统进入紧急或高度紧急状态之后，要求计算方法能够快 速地给出系统载荷能力极限的大小，现有方法都很难满足要求。这是因为这些方法至少需 要两到三个负荷增长模式下系统运行状态的信息才能求出系统载荷能力极限。能否由系统 进入紧急或高度紧急状态时对应当前的运行状态信息赢接求出系统的载荷能力极限是本课 题研究解决的第二个问题。 对预想事故后的系统电压安全状况的评估方法与对当前系统正常运行时安全状况的评 估方法没有本质差别，需要解决的问题是如何在所有可能的预想事故中快速地选择出所有 可能对系统静态电压稳定有威胁的预想事故，组成用于静态电压评估的严重预想事故集 目前已提出的方法【7 “”】大多是由预想事故后的运行状态对静态电压稳定影响程度按某种 指标对所有预想事故排序，而大量的预想事故后运行状态的估算会带来很大的计算耗费， l 中国农业大学博十学位论文第一章绪论 因此如何快速地得到系统严重预想事故集是本文课题研究的第三个问题 1 2 电压安全问题概述 1 2 1 电压稳定和电压安全的概念和意义 长期以来，无论是经典的还是现代的电力系统稳定性理论及分析方法，其关注的重点 均为系统的角度稳定性，尤其是集中在系统受到大的扰动或故障冲击后其暂态行为特征方 面。对这一问题的机理，大家已有了较清楚的认识，并发展出一套完备的分析方法和控制 措施。但是，上世纪七、八十年代电力系统发生的一些事故用原有的分析方法不能给出令 人满意的解释。这类事故的一个共同特点是：系统发生扰动时，系统频率和角度基本不变， 而某些节点电压持续下降且不可控制，最终导致系统损失大量负荷或系统瓦解，这类事件 被称为电压失稳或电压崩溃 c h a r l e s c o n c o d i a ”】将电压稳定定义为“电力系统在合适的无功支持下维持负荷点电压 在规定范围内的能力。它使得负荷导纳增加时，系统功率也增加，功率和电压都是可控的” “电压不稳定表示为负荷导纳增加时，负荷电压降低很多以致负荷功率降低或至少不增 加。”与此相应，c w t a y l o r t ”1 将电压失稳定义为“电压稳定的丧失，导致电压逐步衰减的 过程”，而电压崩溃则为“故障或扰动后的节点电压值已超出了可接受的范围”。e k u n d u r i ”j 将电压稳定性定义为“电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受值的 能力”，而电压失稳是指“扰动引起的持续或不可控制的电压下降过程”，至于电压崩溃则 是指“伴随着电压失稳的一系列事件导致系统的部分电压低到不可接受的过程” g i g r e t f 3 8 0 2 1 0 1 ”】在1 9 9 3 年的年度报告出指出，电压稳定性是整个电力系统稳定性 的一个子集。一个电力系统在给定运行状态下是小扰动电压稳定的，只要任何小扰动之后， 负荷附近的电压等于或接近扰动前的值。一个电力系统在给定运行下遭受一个扰动后市电 压稳定的，只要扰动后负荷附近的电压达到扰动后的一个稳定的平衡点值。而电压崩溃是 由电压不稳定( 也可能是角度不稳定) 导致系统相当大的一部分负荷点电压很低的系统失 稳过程。一个电力系统在给定的运行状态下，遭受一个给定的扰动而经受电压崩溃，只要 扰动后负荷点附近的电压低于可接受的限制值。 i e e e 在“电力系统电压稳定性：概念、分析工具和工业经验”的报告中 s 4 1 提出：电压 稳定性是系统维持电压的能力，它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加，即功率和电压 都是可控的。电压崩溃是电压不稳定导致系统相当大一部分负荷点电压很低的过程。电压 安全性是指系统不仅能稳定地运行，而且在任何合理可信的事故或有害的系统变化后，能 维持稳定的能力。一个系统进入电压不稳定状态，是指当扰动、负荷增加或系统变化时引 起电压快速下降或向下偏移而运行人员和自动控制系统都不能停止这种衰变的过程 1 2 2 电压稳定的分类 从扰动大小出发，k u n d u r 和t a y l o r 仿照功角稳定问题的分类将电压稳定分为小扰动电 2 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 压稳定和大扰动电压稳定，这符合一般的线性系统和非线性系统的稳定性定义。这种分类 主要是把必须利用非线性动态分析来检验的现象和可以用静态分析来检验的现象解耦开 来。这种分类可以简化分析工具的研制和应用，同时可以产生一些附加的信息。 大扰动电压稳定性关心的是大扰动( 如系统故障、失去负荷、失去发电机) 之后系统 控制电压的能力。确定这种稳定形式需要检验一个充分长的时间周期内系统的动态行为。 以便能捕捉到发电机磁场电流限制器等设备的相互作用。大扰动电压稳定性可以用包含合 适的非线性时域仿真来研究。小扰动电压稳定性关心的是小扰动( 如负荷的缓慢变化) 之 后系统控制电压的能力。小扰动电压稳定性可以用静态方法( 在给定运行点系统动态方程 线性化的方法) 进行有效的研究。 根据研究的方法，有些学者还将电压稳定问题分为三类，即静态电压失稳、动态电压 失稳和暂态电压失稳。 静态电压失稳是指负荷的缓慢增加导致负荷端母线电压缓慢的下降，在到达电力系统 承受增加能力的临界值时导致的电压失稳，在电压突然下降之前的整个过程中发电机转子 角度及母线电压相角并未发生明显的变化。 动态电压失稳是指系统发生故障后，为保证其功角暂态稳定及维持系统频率，除进行 了网络操作外，也可能进行切机、切负荷等操作，由于系统结构变得脆弱或全系统( 或局 部) 由于支持负荷的能力变弱，缓慢的负荷恢复过程导致的电压失稳。由于电力系统在失 去电压稳定前已处于动态过程中，发电机及其控制装置、负荷的动态行为都会对动态电压 失稳产生影响。 暂态电压稳定问题是指电力系统发生故障或其他类型的大扰动后，伴随系统处理事故 的过程中发电机之间的相对摇摆，某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程， 而此时系统发电机间的相对摇摆可能并未超过使电力系统功角失稳的程度。 本文将主要对系统静态电压稳定分析的方法进行研究。 1 2 3 静态电压稳定 电压崩溃通常被概括具有以下特征； 1 ) 电压崩溃前的系统能够往往处于重负荷运行系统，系统运行备用( 特别是无功紧张) ， 传输线潮流接近最大功率极限； 2 ) 电压崩溃的核心是系统满足无功需求的不稳定。通常。电压崩溃包括系统具有重负 荷线路的情况，当从邻近区域传输无功功率发生困难时，此时想要再增加无功功率支持就 可能导致电压崩溃； 3 ) 分析电压崩溃事故，事故的起因是某个偶然的事件。和角度失稳不同，事故从起始 到达系统崩溃经历的时问较长崩溃前系统电压跌落的程度( 可视为临界电压) 视各系统 不同。 可见，对于系统在电压崩溃前很长一段时间内，系统在给定运行点可以将动态方程线 性化，即以静态电压稳定的方法来分析系统电压稳定性。静态分析方法的基本模型是电力 系统潮流方程或扩展潮流方程f ( x ，= 0 ，其中五通常是负荷节点的负荷量p l 、q l 或其 3 中国农业大学博十学位论文 第一章绪论 等价形式增长的参数。静态分析方法理论上认为电压稳定是一个潮流方程是否存在可行界 的问题，因而把临界潮流解看作是电压稳定的极限；另一方面也由于静态分析技术较为成 熟，易于给出电压稳定裕度指标及其对状态量的灵敏度信息。由于f ( x ，a ) = o 的强非线 性特征，满足f ( x ，= 0 的解与a 的关系成为该问题的核心。纹桡非线性方程组得各种性 质的研究，即由界条件、五一定时解的个数、a 变化时解结构的变化及其最终的消失，逐 渐发展成为静态电压稳定分析方法的不同分支，如平衡点的存在性分析，系统裕度的计算 等等 1 3 本课题研究现状 1 3 1 电力系统薄弱节点集确定方法的研究现状 电力系统静态稳定分析的重要任务之一就是要给出系统电压崩溃从那些节点开始，随 着负荷的加重，系统的电压不稳定区会发生什么样的变化，即给出电力系统电压稳定的弱 节点弱节点集。弱节点和不稳定区域的判定是事故选择和扫描分析的前提，也是电压安全 性评估的重要组成部分，方法的正确与否直接决定了对系统安全状况判定的准确度。目前 对弱节点识别这一领域的研究主要集中于用节点型电压稳定指标指标排序的方法来判断系 统薄弱节点节点集。 在这一领域，早期研究主要从系统电压崩溃的物理意义出发，定义系统的灵敏度指标， 如节点灵敏度指标、支路灵敏度指标以及发电机灵敏度指标【2 ”这类指标都是把系统向负 荷节点输送功率的极限能力作为电压稳定的l 临界状态，以反映临界状态的不同灵敏度作为 安全特性。灵敏度方法是最早应用的静态稳定分析的方法之一，其原理和实现都比较简单， 且其不仅给出电压崩溃的指标，而且从其提供的有用信息中提供控制措施的参考。但其指 标较为简单，且其作为电压稳定分析判据时，准确性有一定的局限性。 文2 6 2 7 提出以特征结构分析法得出的节点参与因子可以较准确的判断出系统中节 点失稳的程度，但其计算量较大。通常用于离线分析，另外，利用该参与因子得到的薄弱 节点集只能反映节点的相对薄弱程度。 文 2 8 1 提出以l 指标评价系统稳定性，即从一个已解的潮流中取得变量和参数来计算电 压稳定性指标。该指标在应用时，以l 中最大值l 对1 的接近程度来表示潮流的发散程度。 该指标应用比较广泛，且局部指标l 可以直接表明从哪些节点开始容易发生电压崩溃，但 仿真试验表明，该指标准确性有待提高 文 2 9 1 采用了基于负荷节点戴维南等值的电压稳定性指标，由于采用了电力系统外部 系统等值技术，该方法应用简便，但该指标不能提供任何有关支路和发电机参与情况的信 息，而且在线运行时戴维南参数的跟踪估计仍是一待解决问题。 随着电网中同步相量测量装置的推广和应用，基于广域测量系统，文 3 0 j 3 1 1 提出利 用同步电压相量测量反映系统的运行状态。并且利用局部同步电压相量测量，即被监测负荷 节点的同步电压相量及与其相邻的同步电压相量，建立等价两节点系统的电压稳定指标 文【3 2 】提出系统电压不稳定的根本原因分为两种，即有功负荷过重和无功功率不足。 4 中国农业大学博+ 学位论文第一章绪论 因此基于本地相量，提出了一种可以明确区分有功功率过重和无功功率缺乏两种情况的电 压稳定指标，该指标实现简便，可以为电压稳定控制或保护提供更加明确的参考信息和依 据。但其只适用于安装了广域测量装置的系统。 上述指标在构造过程中，一般将所有负荷考虑为恒功率负荷，当系统中存在其他负荷 时，指标将会给出过于乐观或过于保守的结果。以下文考虑了负荷特性对系统电压稳定的 影响。 文 3 3 1 在原有电力系统电压稳定局部指标l 的基础上，提出了改进的局部指标l i ，它可以 计及系统负荷模型( z i p 负荷模型和依电压呈指数变化的负荷模型) 的影响，准确而快速地指 示系统的鞍节点( s n ) 分岔。 文 3 4 1 在任意时间断面上可以从某一负荷节点向系统看进去，将整个系统等值为一个 电压源经输电线路向所研究的负荷节点供电的两节点系统，在此基础上计及动态感应电动 机负荷，提出了负荷节点在线小干扰电压稳定指标。利用实时等值得到的系统等值电势和 阻抗，经过简单的计算，可以得到被监测负荷节点的电压稳定指标 文 3 5 1 提出了一种可以考虑负荷功率因数波动的节点静态电压稳定指标，该指标通过构 造可以较好的反映功率因数波动的负荷矩形模型和扇形模型，根据负荷波动的范围和边界 曲线之间的关系判断节点静态电压稳定情况。该指标物理意义明确，但对于复杂系统，需 要得到各节点的戴维南等值电路。 文l 3 6 在最小奇异值分析的基础上，给出了最小奇异值对负荷功率的灵敏度，提出将 最小奇异值灵敏度用于薄弱节点的分析及无功补偿点的确定。算例表明在所确定的最弱节 点处进行无功补偿，可更有效地提高系统电压水平和电压稳定性。但这一方法目前主要用 于由于计算量的限制主要用于规划领域。 总的来说，以往的方法得到的分析结果主要将系统所有节点分为薄弱节点集和非薄弱 节点集这两类节点集，无法提示运行人员注意非薄弱节点中存在可能转化为薄弱的节点。 1 3 2 系统载荷能力极限计算方法的研究现状 本文提出对于电压失稳机理不同的电力系统，采用不同的载荷能力极限计算方法主 要涉及直接求解系统载荷能力极限的方法以及基于电压稳定指标来计算系统载荷能力极限 的方法，因此分别从这两个方面来具体介绍目前的研究现状： 1 3 2 1 直接求解系统载荷能力极限 ( 1 ) 连续潮流法求解 文 3 7 5 0 1 提出以连续潮流法求取p v 曲线的拐点，这样可以避开常规潮流计算中的奇异 点，能较准确地找到分歧点。同时连续潮流法通过解路径不但可以获得系统电压崩溃点还 可通过关键节点在负荷增加过程中的电压变化曲线获得更多的信息。在实现时，它是从当 前工作点出发，髓负荷不断增加，依次求解潮流，直到通过临界点，在得到整条p v 曲线的 同时，也获得负荷临界状态的潮流解。 文 5 1 1 提出了一种用于电力系统电压稳定分析的扩展潮流模型并用连续潮流法求解， 5 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 该方法考虑了如发电机等关键设备的动态特性，克服了传统潮流计算中的不合理假设，所 得系统裕度指标更为准确。 考虑到包括连续潮流法在内的求解潮流方程的数值迭代方法通常都需要设定初始值， 只能求出正常运行状态下的局部解，无法求出潮流方程的所有解文【5 2 通过运用吴消元 法求解电力系统潮流方程，求得了全部实域精确解，同时避免了因以数值迭代方法求解出 现雅可比矩阵奇异的现象，探讨了吴消元法应用于实际大系统的过程中出现的问题和解决 方法。 ( 2 ) 分岔理论求解 由于电力系统是一个典型的非线性系统，因此，近年来研究者开始引入非线性动力学 的研究方法来分析电力系统的稳定性。求解系统稳定裕度的问题也可以看作是求取非线性 动力系统分岔点的问题。 分岔理论最初是针对电力系统非线性微分一差分一代数方程组( d i f f e r e n c e - - d i f f e r e n t i a l - - a l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d d a e ) 的非线性动力学的研究而提出的。由于d d a e 模型分析的困难，c a c a n i z a r e s 【”1 用潮流雅可比矩阵的奇异代替非线性d d a e 雅可比矩 阵来求取系统分岔点，这一方法本质上都忽略了系统中元件的动态，属于静态分岔的研究 领域。 另外。文【5 4 】采用分岔、拓朴理论及诱导向量场概念，形成了一种能灵活控制步长， 一次连续完成大范围追踪平衡解流形、搜索及判别平衡解流形，搜索及判别平衡解流形上 分叉点及类型、确定新分支方向的新算法，实现了一般电力系统pv 曲线的连续追踪和临 界参数的搜索。 ( 3 ) 直接法求解 直接法的求解思路首先假定在电压临界崩溃点潮流方程雅可比矩阵奇异。因此可以直 接求解一组决定性方程1 5 s - s 7 1 。它的优点是能够同时得到雅可比矩阵零特征值的左右特征向 量。这些特征向量对于电压崩溃时识别薄弱位置和对可能的控制行为的检验是有用的文 5 s 提出一种降阶求解静态电压稳定临界点的新方法。其特点是原直接法的( 2 n + 1 ) 维牛顿迭 代方程组可降阶为( n + 1 ) 维线性方程组求解。与解高维方程的传统直接法相比该方法计算 量小、易于采用稀疏技术实现，相比前者更适合于大规模电力系统电压稳定临界点的在线 求解。需要注意的是直接法只能给出系统由分歧导致的电压崩溃点。其指标不能反映系统 中不同设备到达极限时对电压的影响 ( 4 ) 非线性规划法 非线性规划法将电压崩溃点的求取化为非线性目标函数的优化问题。它以总负荷实在 功率最大或任意负荷节点的有功功率最大作为目标函数由于载荷能力极限对应于潮流方 程有解的最大负荷值，因此可以把载荷能力极限的确定表达为一个最优化问题【”】f 。】。文 6 1 】 建立了电压崩溃点的非线性规划模型，并用预测校正原对偶内点法求解。这种方法便于考 虑发电机的无功处理以及o l t c 等因素的约束，可避免i 临近电压稳定极限时潮流亚柯比矩阵 奇异及潮流不收敛的情形，但随着系统规模的扩大，约束方程数急剧增加，非线性规划求 6 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 解的困难大大增加，到目前为止计算规模有限。 ( 5 ) 其他方法 文 6 2 】提出了在p - q 平面评估系统负荷裕度，基于系统戴维南等值模型，由最严重节点 的p q 曲线可评估系统功率裕度。该方法结果直观。能够给出系统的稳定域，可考虑负荷 节点不同功率因数对系统稳定的影响，但需要确定最严重节点，同时给出系统的戴维南等 值模型。同样，文【6 3 】使用u - i 曲线求解裕度指标，该方法物理意义明确，简便可行，但同 样要给出系统的戴维南等值模型，不适于在线运行应用。 总的来说，上述方法由于求解时间长，计算速度较慢，在线应用较少。因此有必要研 究适合于在线应用的系统载荷能力极限计算方法。 1 3 2 2 电压稳定系统状态指标 电压稳定性指标的构造目的是估计系统距离不稳定还有多远如果指标线性性不好， 在系统接近崩溃点时才发生明确变化，运行人员就无法及时做出反应，因此对于在线运行 的系统，指标的线性性尤为重要另外，对于系统电压稳定评估，基于系统当前运行状态 量的状态指标，计算简便，时间代价较小，较适用于电力系统实时电压安全评估。 文 6 4 】提出基于线性化潮流方程的最小特征值，奇异值指标，该指标基于当系统达到临 界点时。雅可比矩阵发生奇异，则其最小特征值奇异值为零的思想定义系统的电压稳定指 标。通过求解与最小特征值相关的特征向量，可以获得系统的关键节点以及功率变化最灵 敏的方向，包含信息量较大，但其计算量较大，且在系统还未到临界状况时，其指标变化 比较平缓，因此其对电压崩溃的预测性比较差 文 6 5 1 提出利用潮流方程在崩溃点附近仅仅保留一对解，然后在崩溃点两个解变为一 个解的特性，可以构造基于潮流解对的邻近电压崩溃指标v i p i 来预报电压不稳定的接近程 度，该方法对于运行条件变化的反应非常灵敏，但这个信息无明确物理意义，能直接和电 力系统任何实际变量相关联。此外，低电压界的求解也需要专门的技术。 上述指标从应用的角度来看，很难获得很好的线性特性因此，文【6 6 】提出通过构造 系统的二阶指标，可以实现比较好的线性性，现就几种二阶指标做如下讨论： 文【6 7 提出一种基于临界试验函数的二阶指标，表现为负荷裕度x 的“二次型”函数，但 通常只有属于关键区域节点的试验函数才显示这种“二次型”在电压崩溃点属于关键区域 的节点，t e e 指标显示为二次型，而在其它节点，试验函数对参数变化很不灵敏，不显示这 种二次型。该方法的难点是关键节点的确定。 文【6 8 】提出基于最小奇异值的二阶指标，随着负荷增长，最小奇异值的二阶指标k m i n 呈现比较好的线性特性。这种方法实现不需指定关键节点，缺点是运算量又比较大，计算 速度较慢。因此在实际应用中受到限制。 文 6 9 1 1 7 0 提出基于网损灵敏度的二阶指标，当运行点接近电压崩溃点时，雅可比矩阵 行列式的值趋于零。则经过矩阵求逆运算得到的网损灵敏度趋于无穷大。在实际计算中发 现，利用网损灵敏度的倒数按照构成二阶指标可以呈现很好的线性性，该指标物理概念明 确，计算速度快，准确性好。 7 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 由此可见，对于电压稳定指标不会发生突变的系统，通过构造适合在线运行分析的、 线性度较好的电压稳定指标，可以来评估当前电力系统的系统载荷能力极限这也是本文 的工作之一。 1 3 3 预想事故的选择方法 预想事故集选择是在线电压稳定评估的一个重要组成部分，大多是由预想事故后的运 行状态对静态电压稳定影响程度按某种指标对所有预想事故排序一般来讲，这类指标可 以分为系统结构性指标以及物理量指标，下面分别介绍之： ( 1 ) 基于系统结构性指标的事故捧序 文【7 1 】提出了一种基于二阶指标的事故排序方法，这一二阶指标是由最小特征值构造 的，由于指标良好的线性性，该方法能够较为准确的预测事故的严重程度。但其计算量较 大，不适合大规模系统应用。 文f 7 2 提出了利用一个快速节点电压稳定指标来预测事故后的运行点距离电压崩溃 的远近，从而找出比较严重的事故该指标计算简便，且指标的附加信息可以为调度员提 供关于事故发生后系统电压失稳的严重程度。 文 7 3 1 将停运的线路作为参数引进潮流方程，通过计算事故前鞍点对停运线路的灵敏 度估计事故后的稳定裕度，并据此对停运线路排序。 文【7 4 】通过计算故障对系统最小奇异值的影响对事故的严重程度排序，并用函数拟合 方法推导出具有物理意义的指标文通过比较事故后平衡点的切向量的d u d p 的大小，对 事故严重性捧序。 文【7 5 】根据p u 曲线的二次曲线特征，采用广义的曲线拟合技术，利用3 个运行点估计 预想事故后的负荷裕度。并据此进行事故排序。该方法取事故前最接近曲线鼻点的3 个拟 合点进行曲线拟合，从而提高了拟合的精确度。 文【7 6 】以电压崩溃点和现有运行点之间的裕度作为电压稳定性的标准，将迭千览过滤 筛选技术和改进广义曲线拟合法结合起来，构成了一种新的事故筛选和排序方法这种方法 采用迭代过滤技术进行筛选，快速地在大量可能的预想事故中选择出少部分危险性较大的 事故，然后采用改进广义曲线拟合法对这少部分较严重的事故进行排序。 ( 2 ) 基