（电气工程专业论文）电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用.pdf

d e v e l o p m e n t o fr e a l t i m ev o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i ss o f t w a r e a n di t sa p p l i c a t i o ni nh u n a n b y z h a n g x i a o b i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo f a r t sa n ds c i e n c e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u z h e n g q i u m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：参获吣，兵日期：加i7 年f 月砷e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：旁次d 7 喜 日期： 导师 硕上学位论文 摘要 电力系统的静态电压稳定性是现代大规模电力系统所面临的需要特别关注的 问题。本论文致力于开发一种适用于大型电力系统的静态电压稳定实时快速分析 及预防调度软件，并介绍了该软件的算法、结构和功能，以及应用于实际大电网 的情况。 论文分析了电压稳定性研究的主要意义，电压稳定的定义和内容；阐述了电 压崩溃机理和电压稳定安全指标；介绍了故障情况下负荷裕度的计算方法；比较 了目前静态电压稳定分析的各种研究方法。 结合目前电压稳定分析方法在实际系统中的应用，考虑实时分析的速度与精 度要求，本文提出了一种基于灵敏度约束与局部曲线拟合相结合来快速寻找崩溃 点的方法，该方法能自适应负荷裕度步长选择，快速准确得到崩溃点信息。在预 防调度模块，提出了基于优化发电功率分配因子来提高系统负荷裕度的方法，该 方法以系统控制代价最小为目标函数，以n 1 负荷裕度、当前运行点节点电压为 约束条件，构造线性规划数学模型，得到预防调度策略使电力系统安全稳定运行。 基于这些静态电压稳定快速分析算法和优化预防调度模型，研制开发了一套 “在线电压稳定快速分析及预防调度 系统软件。该软件分为自动计算模块和自 定义计算模块。自动计算模块能实时获取最新e m s 数据对系统静态电压稳定性分 析，即时给出分析结果数据，当存在严重故障时自动启动预防调度功能，还能提 供最小调度代价的预防调度策略；自定义模块中，可以根据分析人员需求修改初 始数据，调整负荷增长方式、发电机调度方式，以及设置预想线路、变压器故障 等初始条件，详细分析基态和故障情况下静态电压稳定性。 论文介绍了该软件开发的流程、各个模块的功能和用户操作界面。分别采用 i e e e 3 0 、i e e e 1 1 8 和i e e e 3 0 0 系统和湖南电力系统的实际e m s 数据，使用该 软件对湖南电网静态稳定性进行算例分析，可以获得湖南系统裕度、薄弱节点和 发电机等电力设备对裕度的灵敏度信息。 关键词：静态电压稳定；软件开发；功率分配因子；预防调度；故障分析 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 a b s t r a c t s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mi sc u r r e n t l yap a r t i c u l a r l yi s s u et h a t t h em o d e r nl a r g e s c a l ep o w e rs y s t e mi sc o n f r o n t e dw i t ha n di sr e q u i r e dt ok e e pa w a t c h f u le y eo n t h et h e s i sc o m m i t st od e v e l o pat y p eo fs o f t w a r ea p p l i c a b l ef o rt h e r a p i da n a l y z i n ga n dp r e v e n t i o ns c h e d u l i n go fs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yi nl a r g e - s c a l e p o w e rs y s t e m f o l l o w i n gt h a t ，i ti n t r o d u c e st h ea l g o r i t h m ，s t r u c t u r e ，f u n c t i o n so ft h e s o f t w a r ea sw e l la si t ss t a t eo fa p p l i c a t i o ni nr e a ll a r g e s c a l eg r i d t h et h e s i s a n a l y z e st h es i g n i f i c a n c ev o l t a g e s t a t i c s t a b i l i t yr e s e a r c h ，t h e d e f i n i t i o na n dc o n t e n to fv o l t a g es t a b i l i t y m e a n w h i l e ，i te l a b o r a t e sv o l t a g ec o l l a p s e m e c h a n i s ma n dv o l t a g es t a b i l i t ys a f e t yi n d e x ，a sw e l la si n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fl o a dm a r g i ni nc a s eo ff a u l t s a n ds p o n t a n e o u s l yb yc o n t r a s t s ，av a r i e t yo f r e s e a r c hm e t h o d sf o rt h ea n a l y s i so fc u r r e n ts t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya r ep r e s e n t e d b yb r i n gt h ea p p l i c a t i o no fc u r r e n tv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y z i n gm e t h o di n r e a l s y s t e mi n t oc o n s i d e r a t i o n ，r e v i e w i n gs p e e da n dp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sf o rr e a l t i m e a n a l y s i s ，t h i st h e s i s ，a n c h o r e do nt h ec o m b i n a t i o no fs e n s i t i v i t yr e s t r i c t i o na n dl o c a l c u r v ef i t t i n g ，r a i s e sam e t h o dt h a tc a nd e t e c tc o l l a p s ep o i n tr a p i d l y , w h i c hi s e m p o w e r e d w i t ha d a p t a b i l i t yt ol o a dm a r g i ns t e ps e l e c t i o na n dw i t hc a p a c i t yt od e t e c t c o l l a p s ep o i n tr a p i d l ya n dp r e c i s e l y f u r t h e r m o r e ，i nt h ea s p e c to fp r e v e n t i o nm o d u l e ， t h et h e s i s ，g r o u n d e do nt h eo p t i m i z i n go fg e n e r a t e dp o w e rd i s t r i b u t i o nf a c t o r , c o m e s u p w i t ham e t h o do fr a i s i n gs y s t e ml o a dm a r g i nt h a t s e t t i n gm i n i m u ms y s t e m c o n t r o l l i n gc o s ta s t h eo b i e c t i v ef u n c t i o n ，n 一1l o a dm a r g i na n dc u r r e n tv o l t a g eo f o p e r a t i n gn o d e sa st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，a n dt h e nf o r m i n gal i n e a rp r o g r a m m i n g m o d e lt oa c h i e v ep r e v e n t i o ns c h e d u l i n gs t r a t e g yw h i c hs t a b i l i z e sa n ds e c u r et h e s y s t e mp o w e rs y s t e m b a s e do nt h er a p i da n a l y t i ca l g o r i t h mf o rs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya n do p t i m i z e d p r e v e n t i o ns c h e d u l i n gm o d e l ，t h ew r i t e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sas e to fs o f t w a r e s e r v i n gf o ro n l i n ev o l t a g es t a b i l i t yr a p i da n a l y z i n ga n dp r e v e n t i o ns c h e d u l i n g t h e s o f t w a r eh a sa u t o m a t i cc a l c u l a t i o nm o d u l ea n dc u s t o m e rc a l c u l a t i o nm o d u l e ，a m o n g w h i c ht h ef i r s to n ei sc a p a b l eo fa c q u i r i n gt h el a t e s te m sd a t af o rt h ea n a l y s i so f s y s t e ms t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya n dg e n e r a t i n gi m m e d i a t ea n a l y t i cd a t a i tc a n ，w h e n e n c o u n t e r e dw i t hs i g n i f i c a n tf a u l t ，a u t o m a t i c a l l ys t a r tp r e v e n t i o ns c h e d u l i n gf u n c t i o n a n do f f e rt h e p r e v e n t i o ns c h e d u l i n gs t r a t e g yo ft h em i n i m u ms c h e d u l i n gc o s t a n dt h e h i 硕上学位论文 s e c o n do n e ，c u s t o m e rc a l c u l a t i o nm o d u l e ，c a nm o d i f yp r i m a r yd a t aa c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fa n a l y s t m o r e o v e r , i tc a na d j u s tt h em a n n e ri nw h i c hl o a dg r o w sa n d m o t o rs c h e d u l e s ，s e ti n i t i a lc o n d i t i o n ss u c ha sp r e c o n c e i v e dr o u t e sa n df a u l t so f t r a n s f o r m e r , a sw e l la sc o n d u c td e t a i l e da n a l y s i so fg r o u n ds t a t ea n ds t a t i cv o l t a g e s t a b i l i t yu n d e rf a u l tc o n d i t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et e c h n i c a lp r o c e s s e sd u r i n gt h ep e r i o do fs o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n df u n c t i o n so fa l lm o d u l e sa n ds o f t w a r eu s e ri n t e r f a c e w i t ht h er e a l e m sd a t ao fi e e e - 3 0 、i e e e 一1 1 8a n di e e e 3 0 0s y s t e ma n dh u n a ne l e c t r i cp o w e r s y s t e ma d d e di nt h er e s e a r c h ，t h es o f t w a r ei se m p o w e r e dt op r o c e s sa ne x a m p l e a n a l y s i st ot h es t a t i cs t a b i l i t yo fh u n a ng r i d ，w h i c hi nt u r nh a r v e s t st h ei n f o r m a t i o no f h u n a ns y s t e mm a r g i na n dw e a kn o d e ，a n dm e a s u r e st h es e n s i t i v i t yr e a c t e df r o m p o w e re q u i p m e n t ，s u c ha sg e n e r a t o r ，t o w a r d sm a r g i n k e y w o r d s ：s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t y , s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，p o w e rd i s t r i b u t i o nf a c t o r ， p r e v e n t i o ns c h e d u l i n g ，f a u l ta n a l y s i s ； i v 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 目录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论一1 1 1 电压稳定研究背景和意义1 1 2 电压稳定研究内容和现状3 1 3 1 4 1 5 1 6 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 1 2 1 电压稳定的定义与分类4 1 2 2 电压稳定的安全指标5 1 2 3 电压崩溃的机理5 电压稳定的研究方法及其评价6 电压稳定的预防控制。8 电压稳定研究展望8 1 5 1 电压稳定分析方法8 1 5 2 电压稳定控制措施9 本文的主要工作。9 静态电压稳定分析方法1 1 电力系统潮流计算简介1 1 2 1 1 电力系统潮流计算发展现状1 1 2 1 2 电力系统潮流传统算法一1 2 2 1 3 复杂电力系统潮流计算数学模型。1 3 牛顿拉夫逊法。1 5 2 2 1 牛顿拉夫逊法的基本原理1 5 2 2 2 直角坐标表示的牛顿拉夫逊潮流计算。1 6 2 2 3 极坐标表示的牛顿拉夫逊潮流计算。2 0 连续潮流法2 1 2 3 1 数学模型2 1 2 3 2 参数化方程2 2 2 3 3 预测步长。2 3 2 3 4 步长校正与控制2 4 最小奇异值法2 5 卅、结。：2 6 v 硕上学位论文 第3 章在线电压稳定快速分析及预防调度软件开发”2 7 3 1 软件的核心方法与技术2 7 3 1 1 电压崩溃点快速追踪方法2 7 3 1 2 优化预防调度方式3 0 3 1 3 采用m v c 模式和e x t j s 技术。3 2 3 2 系统结构。3 3 3 2 1 软件开发工具。3 3 3 2 2 系统总体结构3 4 3 2 3 系统数据结构3 6 3 2 4 系统功能结构3 7 3 3 系统核心功能模块3 8 3 3 1 数据处理模块3 8 3 3 2 裕度分析运算模块3 9 3 3 3 预防调度模块4 0 3 3 4 结果显示模块4 1 3 4 系统界面介绍4 2 3 4 1 界面1 ：系统主页面。4 3 3 4 2 界面2 ：自动计算子页面4 4 3 4 3 界面3 ：自定义计算子页面4 5 3 4 4 界面4 ：用户管理子页面4 6 3 4 5 界面5 ：使用手册子页面4 7 3 5d 、坌吉4 7 第4 章湖南电网静态电压稳定算例分析4 9 4 1 湖南电网简介4 9 4 1 1 湖南电网分区5 0 4 1 2 计算网络5 0 4 2 求裕度算例分析。5 l 4 2 1i e e e 系统算例5 1 4 2 2 湖南系统算例5 3 4 3 预防调度算例分析5 3 4 4 卅、坌吉5 6 结论与展望5 7 参考文献5 9 致谢“6 4 附录a 攻读学位期间科研成果简介”6 5 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 电压稳定研究背景和意义 随着现代社会经济的飞速发展，电力发展的步伐不断加快，社会的用电量急 剧增长，导致电力系统规模和容量的不断扩大，电力系统运行的不可靠和不安全 因素也随着增多。电力网络结构的复杂化和电气元件的多样化，对电力系统供电 可靠性和安全性提出了更高的要求。不仅如此，供电质量标准不断提高，电压不 稳定也是电力系统稳定性的主要影响因素。根据国际能源机构的预测，在未来2 0 多年里，发展中国家及新兴国家的用电负荷将增加2 2 0 ，而工业化国家也增加 3 7 之多，负荷的大幅度增长会对现有电力系统安全运行具有重大挑战，电力系统 可能会产生瓶颈效应和可靠性问题。世界上许多国家相继发生了由电压稳定性问 题引起的大面积停电事件1 1 l ( 表1 1 所示) ，世界各国电力行业及其电力研究者极 为重视，并进行了大量的电压崩溃机理探讨以及电压崩溃安全计算的模型、分析 方法和预防措施的研究工作。1 2 j 表1 17 0 年代以来与电压崩溃相关的国际大停电事故 文献 3 总结了全球典型的大面积停电事故的经验和教训，分析得出在绝大部 分的数学建模中事故预测计算值和实际值存在误差，如图1 1 所示大规模停电几 率远高于数学建模计算的预测值，在功率损失很大时这种差异尤为突出。文献还 总结出了造成这种严重后果的主要原因有：电力系统现有的电压稳定保护和控 制系统太过复杂，导致在分析速度上不能满足应急调度的要求；相关电压稳定 监控系统属于静态跟踪，并不能精确的测试实际系统的动态过程；电力系统网 络设备缺乏维护，设备存有潜在事故威胁；工作人员应急程序操作培训不足， 在应急情况发生时难以熟练操作及时挽回危险现状；人为操作失误也是导致此 类严重后果的主要原因。 文献 4 分析了美加大停电事故的缘由，美加大停电事故是由多条线路的相继 跳闸，而导致大范围的转移系统潮流，随即局部线路传输容量严重过载而使部分 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 地区电压持续下降，事故起因和相继导致的后果叠加起来最终引发系统电压崩溃。 故障概率 1 0 0 0 0 5 0 0 o 1 0 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 心 实际 叭| 靠测值 l | 、 1 0 1 0 01 0 0 01 0 0 0 0 功率损失肌 图1 1 大停电的可能性 电力市场改革、放松管制的一个主要后果就是电力系统的输电分布更加广泛， 而且波动幅度大于规划设计时的标准。当系统元件的负荷达到了极限值时，存在 n 1 可靠性标准的风险。因此，对可能发生电压崩溃的事件实时监控和提前预防 是解决大型电力系统稳定性最主要的措施。如表1 2 详细分析了意大利大停电事 故的根本原因和所采用的应对策略。 表1 2 意大利大停电的根本原因及行动计划 2 硕士学位论文 随着我国国民经济的飞速发展，电力系统在向大电网、超高压、大机组、远 距离的趋势发展。但是目前经济发展的速度远远超过电力建设初期预想的发展速 度，导致当今我国电力建设落后于经济发展水平，电力系统运行接近电网极限传 输能力状态的机率大大增加。同时，随着电网规模的不断扩大，电力系统设备的 种类和数量都极大增加，使得电力系统运行的动态特性日趋复杂，导致了系统运 行的动态过程很难实时监测【5 】。因此，出现电压稳定事故的威胁也增大。不仅如 此，特殊的电网结构及电网中电源与负荷的分布不均也加大安全隐患的可能性。 我国大连地区和湖北、四川等电网也曾出现过电压不稳定的事故，尤其是广东在 上世纪末相继两次大面积停电及电压崩溃事故【引，灾难性的后果也突出了电压稳 定实时快速分析和预防调度的重要意义。 对于湖南电网而言，用电负荷随着工业的发展逐年迅猛增长，但是约束于传 输容量的限制，电力系统运行点越来越靠近其极限运行点。传输距离远、传输容 量大、电压等级高的输电线路特点，特别是湘南电网和长株潭电网存在的某些特 殊运行方式，一些5 0 0 k v 线路故障，都有可能使得电力系统电压稳定性问题变得 异常突出，电压稳定性问题已成为电力系统安全运行的主要威胁之一，影响电力 工业乃至国民经济的发展。 因此，借鉴国外恶性电压崩溃事件带来的灾难性和国内局部电力系统电压稳 定性事故的经验和教训，考虑湖南电网结构和运行特点，急切的需要对大规模电 力系统的电压稳定性进行全面的快速稳定分析及预防控制，确保实时监控电力系 统，确保电力系统的安全稳定运行。同时也对大规模电力系统稳定性分析的分析 工具和控制模型提出了更多更高的要求。研究电压稳定性的安全指标和电压崩溃 发生的机理，加强电压稳定预度快速分析力度，做好预想事故【7 棚】分析与控制， 对于避免电压失稳等引起的电力安全事故发生，具有特别重要的意义。 1 2 电压稳定研究内容和现状 近年来，随着计算机与通信技术的飞速发展，电力系统电压稳定性研究也发 展迅速，出现了大量的相关电力系统稳定运行分析与控制的设备及软件，为电力 系统安全稳定运行做出了很大的贡献。 电压稳定研究的主要内容包括以下几个方面：研究静态电压稳定裕度的快 速求解方法；研究电力系统严重故障的快速筛选与排序，及严重故障引发电压 失稳的可能性；研究防止严重故障引发电压失稳的调度策略；研究预防调度 中，快速确定需要切除的负荷量及极限切除时间以达到电压稳定状态。 电压稳定问题的关键之一乃电压崩溃的快速求取，目前，电压崩溃的机理仍 处于黑箱状态【1 0 】。对电压崩溃的研究，从理论上，主要是深入研究电压崩溃、电 压失稳的机理，以及电压稳定与功角稳定之间的关系【1 1 j ；从工程上，则研发出基 三l 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 于静态方法的电压稳定快速分析及预防调度系统，使用于实际系统中监控电力系 统安全稳定运行。电力系统电压稳定性将一直是电力系统领域的热点问题，在我 国电力变革发展中理论基础和实际应用的改进创新尤其重要。 1 2 1 电压稳定的定义与分类 不同领域的电压稳定性定义侧重点存在差异。从工程意义上，i e e e 最早在 1 9 9 0 年给出了电压稳定性、电压安全性和电压崩溃等概念的定义【1 2 】。i e e e 将电 压稳定性定义为电力系统维持稳定电压的能力，当负荷导纳增大时，负荷功率也 将随之增大，而且电压和功率是可以控制的；将电压崩溃定义为由于电压不稳定 所导致的系统大幅度、大面积的电压持续下降的过程；将电压安全性解释为出现 任何干扰和系统更变后，系统维持电压稳定的能力。而c i g r e 于1 9 9 3 年给出了 基于l y a p u n o v 意义下的电压稳定性定义，指出电力系统是一个非线性动态的系 统，电压稳定是电力系统稳定的一个子集。 被广泛认可的所谓电压稳定，是指当电力系统发生某种扰动而使运行状态偏 离稳定运行点时，是否能继续保持发电机组间同步运行，使电力系统恢复到原来 的稳定状态或者变化到一个新的稳定状态的能力。其一般准则是：正常运行情况 下，每条母线电压幅值与母线注入无功功率变化成正比；如果系统中至少有一条 母线的电压幅值与该母线注入无功功率成反比，即母线电压随该母线注入无功功 率的增加而降低，则该系统电压是不稳定的。然而，电压崩溃则要复杂的多，电 压崩溃往往是发生一系列的事件后致使一些母线电压持续性降低，其中夹杂着电 压和功角的不稳定现象。总之，在电力系统运行中在遭受干扰后的几秒或者几分 钟内系统某些节点或母线的电压可能持续大幅度降低，从而导致系统完整性和稳 定性遭到破坏，功率不能稳定的传输到用户。这种灾变称为电力系统电压不稳定， 其灾难性后果则是电压崩溃【l 引。 目前，在相关文献中，可以看到与电压稳定有关的词语主要有静态电压稳定、 动态电压稳定、暂态电压稳定、中长期电压稳定等，但是对他们的具体含义和定 义并没有一个统一的说法。文献 1 4 对电压稳定性问题进行了参考分类： ( 1 ) 静态电压稳定：指电力系统受到微小扰动后，能够恢复到原来运行的稳 定状态的能力。 ( 2 ) 动态电压稳定：用线性微分方程的形式来描述系统动态过程，参考电力 设备元件的动态作用，判别系统小扰动的电压稳定性。 ( 3 ) 暂态电压稳定：电力系统受到大扰动时，能从初始状态不失去同步地过 渡到另一种运行状态，并在该新的运行状态下稳定运行的能力。 ( 4 ) 电压崩溃：电力系统运行在遭受干扰后，系统内无功功率平衡状态遭到 4 硕上学位论文 破坏，依靠调节和控制后仍不能恢复电压至安全域内，致使局部或整个系统电压 急剧下降的物理过程。 1 2 2 电压稳定的安全指标 2 0 世纪4 0 年代初，“利用负荷的静态电压特性来估计电动机负荷的稳定性 被马尔科维奇i l5 j 提出之后，从事电力系统稳定性研究的学者们相继提出了各种电 压稳定判定指标。迄今为止，从不同角度提出的多种不同电压稳定指标大致可以 分为两类：裕度指标和状态指标。 ( 1 ) 裕度指标 从当前运行点出发，负荷功率按指定的方向增长直至电压崩溃，此时在功率 注入空间中运行点与崩溃点之间的距离即可作为电力系统稳定水平的性能度量指 标【1 6 , 1 7 1 。该距离指标称为裕度，电压稳定裕度又称为负荷裕度【1 8 1 ，反应当前电力 系统可再承受的负荷或故障扰动等维持电压稳定的能力。裕度指标计算分为直接 法、延拓潮流法2 类。直接法是直接求取潮流非线性方程组及优化问题得到崩溃 点系数r ，即可获得稳定裕度指标从。r 一如。值得注意的是，直接法只能得到系 统由分歧导致的电压崩溃点，而不能获得不同设备到达极限时对电压的影响。延 拓潮流法在获得电压崩溃点的同时还能获得电压的多种信息。 裕度指标虽然具有直观、容易理解等优点，但是裕度指标要计算电压崩溃临 界点，计算量较大。然而，当今应用裕度指标研究电力系统稳定性仍最为广泛， 并出现了很多关于直接法计算电压稳定性裕度的改进方法。比如为了减少直接法 的计算量，有局部裕度分析方法，即将系统看作研究节点和戴维南等值1 1 9 以3 l 电路 两部分组成，由此简单系统确定各个节点的裕度，其中裕度最低的节点的裕度值 即作为系统的电压稳定裕度值，该节点则为系统薄弱节点。 ( 2 ) 状态指标 状态指标包括各种灵敏度指标【2 4 1 、特征值和奇异值指标【2 5 , 2 6 1 、负荷状态空间 中潮流多解间距离指标1 2 7 j 等。灵敏度指标将系统离临界点的距离作为判断系统电 压稳定的准n t 2 引。特征值和奇异值指标分析类似，将系数矩阵的奇异值分解或特 征值分解作为电压稳定判据。潮流多解间距离指标以潮流解的个数情况作为电压 稳定性指标。 状态指标具有非线性，而且物理意义不清晰，只能利用当前系统状态信息得 到相对稳定的程度。因此，即使状态指标计算简单，但因准确度低而应用受局限。 1 2 3 电压崩溃的机理 对电压稳定问题认识深入程度反映在对电压失稳、电压崩溃机理的认识上。 5 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 对电压失稳、电压崩溃现象的本质在不同层面上进行研究，得出了不少有意义的 结论。最初的研究中电压稳定被认为是一个静态的问题，研究者们只是从静态的 角度去研究电压崩溃而提出基于潮流方程或扩展潮流方程的方法。被人们普遍认 可的电压崩溃机理解释为“电力系统中静态电压水平主要由无功功率平衡条件决 定，基于潮流方程的各种静态判据广泛应用，本质都是以电力网络的传输能力极 限点作为电压崩溃的临界点 。 所谓电压崩溃临界点，在物理角度上是指系统各节点到达功率曲线族上最大 的点；数学角度上指雅克比矩阵奇异的点。很自然的，人们会将电压崩溃和某种 特定形式的无功不平衡相联系起来，比如传统的d o d v 判据，就是将电压崩溃归 结于系统不能满足无功需求的增加。而后，当人们对电压失稳、电压崩溃机理有 了更深层次认识后，发现负荷、o l t c ( 有载调压变压器) 、无功补偿器、a c d c 转换器和发电机励磁控制系统的动态特性在电压崩溃发生的过程中起到了关键作 用，于是开始用动态的观点来理解和深入研究电压崩溃的机理，从而提出了基于 代数一微分方程的研究方法。【2 9 】 电压稳定动态本质虽然已被公认，但研究者们对电压崩溃机理的认识还未完 全统一。从已有的电压崩溃事故的教训来看，电压崩溃事故的发生是发电机、传 输线路、负荷以及控制系统共同作用的结果，在不同的研究角度和研究重点得到 不同的结论，其复杂度给研究带来很大的困难。因此，电压崩溃机理的进一步深 入和完善还有很大的研究空间，仍需科研工作者的继续努力。 1 3 电压稳定的研究方法及其评价 深入研究电压崩溃的过程中，关键的一步是电压崩溃点的追踪，即当前运行 点至电压崩溃临界点的距离。数学意义上，电压崩溃裕度是雅克比矩阵趋近奇异 的距离；物理意义上，是指当前运行点还允许增加多少负荷功率将会导致电压失 稳甚至崩溃。对其分析方法广泛采用的是基于潮流方程雅克比矩阵进行分析，主 要有以下几种研究模型。【3 0 】 ( 1 ) 灵敏度分析法 灵敏度分析方法【3 1 , 3 2 】主要是对系统状态变量对控制变量的导数进行分析研 究，常用的状态变量灵敏度有：d u l d p l 、d 观d q l 、d u 工d u g 等，其中巩为负荷电 压幅值，尼为负荷有功、统为负荷无功、为发电机节点电压幅值。灵敏度分析 方法是通过灵敏度系数的变化趋向来判断系统是否稳定，比如灵敏度系数变大说 明系统趋向不稳定；当趋近无穷大时，则说明系统也趋近电压崩溃临界点。对于 研究对象的不同，可以研究不同的状态变量灵敏度系数，如需监测电压，则使用 电压灵敏度系数来判断电压稳定性。 ( 2 ) 潮流多解法 6 硕l - 学位论文 电力系统潮流方程是一个二阶非线性方程组，因而有多个潮流解的可能性。 对于一个n 节点的电力系统，可能的潮流解最多为2 柚个，并且这些解有成对出现 的特点，每对潮流解中分别为稳定解( 高电压解) 和不稳定解( 低电压解) 。通过 系统对应潮流方程解和系统稳定程度的研究，可以总结这样一个规律：当系统负 荷水平在不断增长时，潮流方程对应的解也随即成对的减少；而当系统负荷增加 至电压稳定极限时，潮流方程只剩下一对解了。在达到稳定极限之后，这对潮流 解合二为一，融合成了一个单独的解。潮流多解法【3 3 】将潮流方程解的数目和电压 稳定联系起来，通过系统对应的潮流方程解来判断系统稳定程度。 ( 3 ) 最大功率法 最大功率法【3 引，是将电力系统网络往负荷母线输送功率的极限值作为电压稳 定极限运行状态值。当负荷需求超过了线路或者电网传输极限时，系统则会出现 电压崩溃的严重后果。该方法的本质是，将电网传输功率的极限作为电压崩溃的 临界点。最大功率的常用判据有：负荷节点有功判据、负荷节点无功判据和所有 负荷节点复功率和最大判据。这些方法采用的判据参数不同，但是本质都是以电 网承受最大功率为基础，将电网所能承受的功率极限作为电压崩溃临界点。 ( 4 ) 奇异值分解法 电压稳定临界点在物理意义上描述为系统到达极限功率传输点，如再增加负 荷或者不采取调度措施，很可能就导致电压崩溃等失稳事故；从数学意义上电压 稳定临界点是潮流方程中雅克比矩阵的奇异点。类似潮流多解分析法，奇异值分 解法【3 5 , 3 6 j 用潮流雅克比矩阵接近奇异的程度来表示系统负荷接近极限运行状态 的程度。最小奇异值表示最小奇异的程度，因此，可以把最小奇异值作为电压稳 定的又一指标，来判断当前系统运行点接近电压崩溃临界点的程度。 ( 5 ) 方法评论 静态电压稳定主要评估当前运行状态下的电压稳定情况。以上电压稳定分析 方法都经历了长时间的尝试与研究，形成了较为成熟的理论并取得了令人满意的 分析结果。电压稳定分析方法中研究的最早的一种方法就是灵敏度分析法，该方 法的物理概念清晰明确，在简单系统中判据严格、准确，但是系统复杂程度越高， 有效性就差。目前，对灵敏度分析法的扩展和改进方法得到了广泛的应用1 3 7 _ 3 9 】。 在灵敏度分析法提出后，电压稳定研究初期提出了潮流多解法，该方法的研究带 来了很多有意义的结论，提供了一条计算系统极限运行状态的新途径，也避免了 雅克比矩阵在临界点奇异的不收敛问题，但是潮流多解法一直无法摆脱的低电压 解求解困难的缺点。因此，近年来很少采用潮流多解法来进行电压稳定性研究。 特征值分析法和奇异值法密切相关，系统运行状态的改变，也可能改变电压最容 易失去稳定的模式，计算出一定数目的最小特征值和对应的特征向量在分析电压 稳定性时是必须的。实际上，雅克比矩阵的奇异值或者特征值具有非线性，而且 7 电压稳定实时分析软件开发以及在湖南电网中的应用 变化缓慢，在发电机无功越界时会有最小特征值跳变的可能，因而该方法并不能 轻易的判断系统电压稳定程度。 1 4 电压稳定的预防控制 电力系统安全稳定运行一直是电力系统相关人员最为关注的热点。而电力系 统的复杂性、非线性给稳定控制带来操作的繁杂性，系统非自治性也给电力系统 控制运行带来了极大的困难。随着信息技术的不断发展，先进的通信技术的出现 给电压稳定控制系统提供有力手段。 对电力系统进行预防控制，可先将电力网络故障进行快速故障筛选及排序。 故障筛选时可将电力系统故障分为无关故障、严重故障和失稳故障【4 0 , 4 1 】。无关故 障是基本不影响电压稳定的故障，不需采取预调整措施；对于会导致系统失去稳 定的故障，应采取预防控制措施来增大系统裕度，防止潜在的系统崩溃；那种虽 然不会导致系统崩溃，但故障会降低系统稳定裕度而趋近崩溃点的严重故障，可 采取增强控制1 4 2 】措施提高系统稳定裕度。因此，静态稳定性控制可分为预防控制 和增强控制，但实质都是通过增减对静态稳定裕度比较灵敏的多个控制变量把系 统当前运行点拉回安全区域内。预防控制策略1 4 3 】就是对系统当前的运行状态进行 分析，实际发生或者预想发生单个故障的情况下，以满足设定的裕度要求和电力 设备运行约束条件下，计算最经济的控制成本而得出的优化控制策略。 预防控制作用在系统发生故障之前，通过预防控制使得运行点向安全域靠拢， 以挽回系统向不稳定发展的趋势。目前，预防控制已经具有了较为广泛的研究和 应用，例如文献 4 4 提出了一种首先判断预想故障是否有平衡点，在无平衡点的 情况下，只能采取切负荷的方法控制系统稳定，而存在平衡点时，通过最优潮流 法寻求有效控制手段使系统稳定裕度增大。 1 5 电压稳定研究展望 1 5 1 电