（电力系统及其自动化专业论文）区域电网安全保护技术的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g i o n a lp o w e rg r i d ( r p g ) i st h ef o u n d a t i o na n dp r e m i s ei ni n t e r c o n n e c t i o no f p o w e rg r i d sa c r o s st h ew h o l ec o u n t r y w h e no s c i l l a t i o no c c u r si ni n t e r c o n n e c t e dp o w e r g r i do w i n gt ob i gd i s t u r b a n c e ，i ft h e r ea r en oe f f e c t i v em e a s u r e st oi d e n t i f ya n d c o n t r o l ，t h eo s c i l l a t i o nw i l ls p r e a da n dr e s u l ti nl a r g es c a l eb l a c k o u t s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt or e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo nr p g ss e c u r i t yp r o t e c t i o n ，a m o n gt h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t s ，o u t o f - s t e pi s l a n d i n gc o n t r o la n dr e s t o r a t i v ec o n t r o la f t e rt h ef a u l t a r et w oc r u c i a lc o n t e n t s i s l a n d i n gs y s t e mi nt h ep r o p e rp l a c ec a l ls p l i tt h eo u t - o f - s t e p s y s t e m i n t os o m ei r r e l e v a n t s u b s y s t e m se f f e c t i v e l y ，m e a n w h i l ee v e r ys u b s y s t e m s h o u l db ee n s u r e dt or u ns t a b l y w h i l er e s t o r a t i v ec o n t r o la f t e rt h ef a u l tc a ne n s u r et h e w h o l ep o w e rs y s t e mt or u na g a i ni n t e g r a l l y i na d d i t i o n ，t h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fs a f e t y & s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mi sa l s od e s e r v e dr e s e a r c h t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r o s s s e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e a n di t sf u n c t i o ni ni n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m b a s e do nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo f c r o s s s e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n eb o t hi no n er p ga n db e t w e e nt w or p g s ，t h i sp a p e r a l s oi n t r o d u c e st h ei d e at h a tc a l lr e a l i z es e c u r i t yp r o t e c t i o no fr p g t h r o n g ha n a l y z i n g t h ec h a n g ec h a r a c t e ro fe v e r yv a r i a b l eo fs t a t ed u r i n gt h ep r o c e s so fo u t o f - s t e pa c t i o n h a p p e n e da m o n gi 冲g s ，i tp r o p o s e sa no u t o f - s t e pi s l a n d i n gc r i t e r i o nw h i c hi sb a s e d o np o w e rf l o wa n dp o w e rb a l a n c eo fc r o s s - s e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e a sar e s u l t ， i s l a n d i n gc o n t r o lc a nb er e a l i z e db yu s i n gi ta st h es t a r t - u pc r i t e r i o no fi s l a n d i n gw h e n o u t - o f - s t e ph a p p p e n s t h es i m u l a t i o no nt e nm a c h i n e st e s t i f i e st h ev a l i d a t i o no ft h e p r o p o s e dm e t h o d t h e n ，i tt a k e st h er e s e a r c ho nr e s t o r a t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo n g u i z h o up o w e rg r i df o re x a m p l ea n dp r o v e st h a tu s i n gc r o s s - s e c t i o no ft r a n s m i s s i o n l i n ea st h eo b j e c to fb o t hi s l a n d i n gc o n t r o la n dr e s t o r a t i v ec o n t r o li s p r a c t i c a b l e f i n a l l y ，t h es c h e m eo nc e n t r a l - c o n t r o l l e ds a f e t y & s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mu s e di n i n t e r c o n n e c t e dp o w e rg r i di sp u tf o r w a r d 。嬲e r e a f t e ri ts h o w si t sp r a c t i c a b i l i t yb y t a k i n gg u i z h o up o w e rg r i df o re x a m p l e f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ra l s op r o p o s e san e w v i e w p o i n ta b o u tt h ec o m b i n a t i o no fs a f e t y & s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e ma n dd i g i t a lp o w e r s y s t e m ( d p s ) k e yw o r d s ：r e g i o n a lp o w e rg r i d ( r p g ) ，c r o s s s e c t i o no f t r a n s m i s s i o nl i n e ，p o w e r f l o w ，p o w e rb a l a n c e ，i s l a n d i n gc o n t r o l ，r e s t o r a t i v ec o n t r o l ，s a f e t y & s t a b i l i t yc o n t r o l i v 贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究在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责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 2q q 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵 k 1 1 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权贵州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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文 论文作者签名 e l 期：2 q q 芷生旦 m遵_ 乏锄拘勰 期 名 p u 此 签 辛 币 遵 导 应以1 后唿一 密一一 解棚渔 一雒 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着电力系统互联的不断发展，现代电网规模日益扩大，逐渐形成了全国统 一、甚至跨国的大型联合系统。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越 庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使整个 电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、 密切相关，在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施， 一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的 系统瓦解日。 大规模的电力系统对现有的继电保护提出了新的挑战。特别是大容量、超高 压、远距离输电在电力系统中的作用愈来愈重要，其继电保护装置的设置和应用 水平的要求亦不断提高，同时对电力系统继电保护的性能要求也越来越高。电力 市场的开放突出了对优化和协调的要求，增加了稳定分析与控制的难度。相继开 断可能发生在不同的交流通道之间、直流通道之间、交直流通道之间、送受端电 网之间。继电保护装置的潜在故障、多馈入直流系统与交流电网的相互影响、机 组非计划停运、受端无功支撑能力、低频振荡、功角稳定和电压稳定等因素，更 增加了相继故障演化为大停电的风险n 胡。电力系统继电保护的主要目的是保护主 设备的安全，但客观上对电力系统稳定性的影响也很大。对于主设备的安全来说， 继电保护是反馈方式的控制；但对电力系统稳定性来说，则是前馈方式的控制。 虽然在大多数情况下，两者的要求并无冲突，但在大扰动被清除后的暂态过程中， 有时从系统的观点会对区域电网安全保护提出协调的要求。实际上，继电保护也 是一种控制系统，与稳定控制系统一样，都有测量、比较、动作三个环节。继电 保护可以就地动作，而稳定控制要做到就地动作则相当困难，通常需要全局协调。 区域电力网( 简称区域电网) 是指把范围较广地区的发电厂联系起来，而且输 电线路长、电压高、传输功率大、用户类型也较多的电力网口。区域电网通常由 5 0 0 k v ( 3 3 0 k v ) 线路构成区域大电源外送和省间互联的区域主网架，由2 2 0 k v 线路构 成省内主要电源点外送和各地县电网互联的省内主网架。在联网运行中，各区域 电网( 包括独立省网) 通过联络线相互联系在一起。目前我国电网的特点有：全国 大电网有若干个区域电网互联而成；两区域电网之间的直接联接构成一个断面， 这个断面有四种输电方式：单回交流线路输电，单回直流线路输电，多回交流线路 输电，交、直流混合输电方式；对一个区域电网而言，存在三种对外联系形式： 对外单线联系，对外由多线构成一个断面联系，对外多断面联系。对贵州系统， 还有一个特点是大功率远程西电东送，输入功率可达受端系统出力的5 - 1 0 9 6 ，该 输送断面的突然阻塞将引起受端电网的严重扰动，致使区域系统发生功率不平衡， 继而引发严重振荡，这对电网的安全会造成严重威胁。区域间的功率交换能力是 贵州大学硕士学位论文 随系统运行方式的变化而变化的，输电断面的有功潮流形式简单，便于电网运行 人员掌握，因此将输电断面的有功潮流是否突变或超出稳定极限作为判定电网是 否会出现静态稳定破坏的手段是可行而有效的。 西欧“1 1 4 以及世界范围内的几次大停电事故让人们认识到，事故的发生 往往并不是因为继电保护和安全自动装置误动作，恰恰相反，它们都能正确动作， 但是仍然不能避免大规模停电事故的发生。其原因就在于它们之间缺乏相应的配 合和协调，归根到底是本地量难以反映整个区域电网的运行情况。保障区域电网 的安全运行是全国电网互联的基础和前提。因此，研究区域电网安全保护技术具 有特殊的意义闻。 1 2 保证电力系统安全的第四道防线 1 2 1 安全稳定的三道防线 电力系统安全稳定导则n 1 将电力系统中的扰动分为三类：第一类为常见的 普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行和正常供电；第二类故障 为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行， 但允许损失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类 故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。 这就是通常所谓的三道防线。 ( 1 ) 第一道防线一( 合理的电网结构) 快速可靠的继电保护、有效的预防性控制 措施，确保电网在发生常见的单一故障时保持电网稳定运行和电网的正常供电， 不损失电源和负荷；快速可靠的继电保护是保证电力系统安全稳定运行的基础； 正常状态( 含警戒状态) 下的预防性控n - 系统预防性控制主要包括发电机有功与 无功出力的调整、发电机励磁附加控制、并联和串联电容补偿控制、高压直流输 电( h v d c ) 功率调制、限制负荷等。可通过联络线功率监视、功角监视、在线潮流 与稳定分析给出的安全稳定裕度( 包括电压稳定的裕度) 及对策，由调度员或自动 装置进行控制。 ( 2 ) 第二道防线一采用稳控装置及切机、切负荷等措施，确保电网在发生概率 较低的严重故障时继续稳定运行，但允许损失部分电源和负荷：为保证电力系统 承受第1 i 类大扰动时的安全稳定要求，应由防止稳定破坏和参数严重越限的紧急 控制装置，构成保证电力系统安全稳定运行的第二道防线。这种情况下常用的措 施有切机、切负荷、解列联络线、h v d c 功率快速调制；此外，机组快减出力、快 控汽门、动态电阻制动、串联或并联电容强行补偿等也有应用。紧急控制装置主 要包括：( 暂态) 稳定控制装置或系统，消除设备过负荷的紧急控制装置。 ( 3 ) 第三道防线一设置失步解列、频率及电压紧急控制装置，当电网遇到概率 很低的多重严重事故而稳定破坏时，依靠这些装置防止事故扩大、防止大面积停 电，并尽量减少负荷损失。为保证电力系统承受第类大扰动时的安全要求，应 2 贵州大学硕士学位论文 配备防止事故扩大避免系统崩溃的安全自动装置，如失步解列装置、再同步控制 装置；低频减载、低频解列联络线、过频切机装置；低压减载、低压解列联络线 装置等，同时要求继电保护装置( 尤其线路和机组保护) 在系统振荡时绝不误动作， 防止线路及机组的连锁跳闸，以实现保证电力系统安全稳定运行的第三道防线。 1 2 2 第三道防线的研究现状和不足 传统的电力系统第三道防线是由基于事先设定的分散局部紧急控制所构成， 并且是各个区域自保的离线方案。第三道防线的控制手段主要集中在局部失步解 列、低频低压减载等控制上，因此目前开展的研究主要集中在这些控制手段的改 进和优化上。 继电保护的任务是随电网发展的要求而发展的，已经由最初的切除故障元件 免遭损坏发展到快速求出故障、提高并列运行的稳定性和电力元件免遭损坏的多 重任务。总结经验和教训，重新审视继电保护的工作任务、配置和配合原则，发 现人们并没有对现有的电力元件保护提出维持输电断面或电力网络结构完整性和 稳定性的任务。如在南方电网西电东送系统中，当东、西部系统内部故障后，如 何才能不波及互联的输电断面和另外的互联系统? 当输电断面的某一联络线故障 切除以后，如何才能不产生连锁反应、并保持互联系统的结构稳定? 此外，如何 协调元件后备保护、区域稳定控制系统、低频低压减载等安自装置的分散动作， 发展新型的网络继电保护和紧急控制一体化的理论与装置，以构成电网安全运行 实时控制的“第三道防线”也是今后要重点研究的课题。 1 2 3 第四道防线的提出 电力系统在运行时发生故障，如果电网实时控制的三道防线都没有奏效，互 联系统就将失去同步，此时应将互联系统解列成几个功率相对平衡、利于恢复的 孤立系统，以减少事故损失。因此，保障区域电网安全运行的主要问题是要防止 系统崩溃瓦解，避免造成大面积、长时间的停电事故。 本文提出了在区域电网输电断面中合理选取可控联络线，并对它们进行安全 控制，同时依据功率平衡保护的原理，在区域电网间出现交换功率突变或大规模 的功率不平衡时，根据解列后各子系统功率和负荷最佳匹配的原则，采取紧急解 列控制手段对区域电网进行解列，并尽可能以最快的时间消除故障和恢复系统到 原来的运行状态或新的稳定运行状态，以此作为电力系统安全第四道防线的重要 组成部分，防止电网连锁恶性事故甚至大面积停电的发生。当然除此以外，其它 的辅助控制措施也不可或缺。本文将主要研究区域电网严重故障时的失步解列控 制以及解列后的恢复控制问题。 3 贵州大学硕士学位论文 i 3 国内外的研究现状 1 3 1 严重故障失步解列控制的研究现状 国内外近几年的几次大停电事故的分析报告无一例外地得出这样的结论：当 出现概率极小的极端严重故障时，如果不果断采取失步解列措施，就会造成系统 崩溃甚至大面积停电的恶性事故。针对失步解列控制，目前主要的失步解列判据8 1 有：测量阻抗变化的判据；两端电动势相角差的判据；u 和i 的相位差变化 规律的判据；uc o s 9 变化规律的判据；直接测量功角的判据：能量原理的 判据。文献 1 4 ，2 6 提出了利用g p s 时间信号进行同步相位测量的方法，随着通讯 技术的发展和相量测量手段可靠性的提高，利用全局信息进行系统稳定性的判断， 尤其在复杂电力系统中可望获得广泛的应用。解列措施最重要的功能是在大停电 发生时，通过准确的预测能及时解列以避免全系统的崩溃，文献 5 3 利用扩展等 面积准则( e e a c ) 进行失步预测和判断，它突出的优点是不仅能准确地知道失步的 时刻，而且具有预测功能。文献 5 9 研究了大型电力系统失步解列装置的协调方 案，指出对于比较复杂的某些输电断面，提出安装于该输电断面的解列装置应借 助远方通信进行协调配合，以实现在一个失步振荡周期内有选择地进行解列控制。 对于利用同步相量测量装置实现电力系统的解列控制，p m u 的布点数目和通信快速 性要求很高，要得到实际应用必需解决这些问题。而对于多机系统振荡原理目前 尚未有充分的研究，随着电力系统规模的扩大，必须研究针对多机电力系统的振 荡解列判据。 另外，文献 2 2 还提出，现有的失步解列一般是依靠安装在预定解列点的失 步继电器来实现，该举措存在两个方面的问题：一是解列点不能随运行方式变化， 解列后孤立系统内的不平衡功率难以做到最小，孤立系统为保持频率和电压的稳 定性将更多地牺牲电源和负荷，甚至造成孤立系统内部电源的再次失步，使孤立 系统运行环境更加恶化，导致孤立系统再解列或更为严重的事故而导致大面积停 电；二是难以解开未预计的失步模式，致使失步蔓延扩大，又局部失稳发展成互 联系统失稳。为了保证将相对失步的系统进早地解列，解列后的局部系统内应尽 可能地保持功率平衡及解列面上功率的尽可能地少，并使解列后的局部系统内部 不再失步，为此需要研究在哪些扰动下、互联系统哪些机组会失去同步、会分为 几群失步、各群的功率盈缺如何等。这些都需要探索新的快速预测算法，做好解 列预案。另外，要研究利用联络线上的实时电气量检测失步和捕捉振荡中心的方 法，以配合实时的广域信息，选择潮流较小、跳开的断路器较少的输电断面执行 解列。 当然在解列控制时，通常需要同时考虑低频减载、低压切负荷等方案，对于 前者应从以下几点出发：系统安全运行的最低频率值，即频率危险点；切负荷量， 即在系统严重故障时防止系统崩溃的最大切负荷量；不同的频率点，即在什么频 率时开始切负荷；切负荷动作频率的步长和切负荷的数量。低频减载研究对象主 4 贵州大学硕士学位论文 要集中在孤立系统、配电网、含抽水蓄能元件的系统以及大型工厂厂用电系统等。 对于后者，相对其他控制措施来说是保持电压稳定性的一种简单高效的控制对策， 对于在什么时候，什么地点，切除多少负荷等问题也是引起了广泛的关注。 1 3 2 严重故障后恢复控制的研究现状 在极端严重的事故发生以后，会造成部分电网停电和部分电厂解列，或系统 会分割成几个部分。电力系统的恢复控制( 或黑启动) 是研究电力系统发生大停电 后的快速、安全、经济地恢复供电的问题，最大限度地减小停电损失及恢复控制 措施造成失稳风险。应当指出，大规模互联电力系统事故后可能具有停电时间长， 影响范围大的新特点，为事故后系统的快速恢复提出了严峻的挑战。恢复控制在数 学上可以被描述为一个多目标、多阶段、非线性、并带多个约束条件的组合优化 问题。该过程难以建立准确的数学模型，目前尚没有通用解法。 文献 2 8 提出了故障后恢复的一般性准则，即：估计和辨明事故的范围和程 度，系统总的情况，并为恢复系统准备必要的条件；明确故障后恢复的目标和要 求：预先指定故障后恢复的次序和策略等，并明确恢复过程中要特别注意的问题。 文献 5 0 着重讨论电力系统恢复控制所涉及的具体技术问题以及恢复控制优化的 要素，阐述现代互联电网对恢复控制优化的要求，分析当前研究中存在的问题， 深化对于恢复策略的认识；提出建立自适应决策支持系统，优化恢复控制的技术 层面：分析市场环境对于启动电源服务的影响，指出应建立新的启动电源服务市 场机制；基于风险的观点，提出启动电源服务的经济层面优化及其与技术层面的 协调。而文献 4 3 提出应用p e t r i 算法组织电力系统恢复过程中的普遍恢复动作。 p e t r i 算法对系统恢复时各电力元件状态和恢复操作进行建模，可以在时域上直接 仿真系统恢复的全过程。该算法考虑了不同恢复阶段的目标、每个操作措施的估 计时间和操作员的经验，具有灵活的冲突处理机制和并行处理特性，形成的恢复 方案准确而直观。文献 5 2 已提出了用多代理方法研究在线恢复控制的设想，但 都在研究中。文献 2 9 设计了一个应用于大停电事故恢复的基于案例推理系统。 该系统以基于案例推理作为主框架，把定性分析和定量分析、理论研究和电力部门 的实际经验很好地结合起来，多种在线优化算法提高了系统的灵活性。但目前该 系统仍为一原型系统，更进一步的工作是提高该系统的实用性。 对于电力系统由于严重扰动引起部分停电或事故扩大引起大范围停电时，为 使系统恢复正常运行和供电，各区域系统应配备必要的全停后启动，即黑启动 ( b l a c k s t a r t ) 措施，并采取必要的恢复控制( 包括自动控制和人工控制) 。自动恢复 控制包括电源自动快速启动和并列，输电线路自动重新带电，系统被解列部分自 动恢复并列运行，以及用户自动恢复供电等。由于事故本身的复杂性和多样性，导 致故障后电网的结构和运行工况存在极大的偶然性和随机性，恢复控制所面临的 问题也各不相同。但从宏观角度而言，对于任何一个需要恢复的系统，制订合理 的恢复计划，确定恢复策略是快速恢复的先决条件，也是恢复控制研究面临的一 5 贵州大学硕士学位论文 个首要问题。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 系统地提出了区域电网输电断面的基本理论；根据静态安全约束条件下 输电断面的划分原则总结了三种划分方法；阐述了输电断面安全性保护的任务及 其实现方法、关键技术，以及输电断面安全性保护对区域电网安全保护的意义。 ( 2 ) 从电力系统模型的一般形式和暂态稳定性的概念出发，对时域仿真法、 多机系统暂态能量函数法、e e a c 法和混合法等暂态稳定分析法作了比较详细的介 绍；对失步断面的概念及其稳定判断作了简要说明。 ( 3 ) 利用等值两机系统对区域电网失步过程的行为进行了详细的分析；就失 步解列断面的选取和解列原则作了说明，并且提出了识别失步断面和选取安全控 制断面的方法；提出了基于输电断面有功潮流及功率平衡的失步解列判据，并对 区域电网失步解列的策略进行了研究；通过对i e e e 的标准模型进行仿真分析，说 明了提出的方法具有很好的实用性。 ( 4 ) 以贵州电网严重故障后的恢复控制研究作为实例分析，说明了以输电断 面作为区域电网解列控制和恢复控制对象的实用性，同时也证明了区域电网在严 重故障时系统可在相关输电断面解列来获得系统的稳定，在恢复控制时也可以断 面为对象进行恢复控制。 ( 5 ) 在介绍现有电力系统安全稳定控制系统的基础上，指出了区域电网互联 后安全稳定控制方面存在的问题，提出了互联电网集中式稳定控制系统的解决方 案，并以贵州电网为例，说明了该方案的实用性；提出了数字电力系统与安全稳 定控制系统相结合的新观点。 6 贵州大学硕士学位论文 第二章区域电网输电断面理论 由于现代电网规模庞大而且结构复杂，按照n - - 1 原则逐个对元件故障或无故 障退出运行进行计算分析几乎是不可能的。为了提高电网经济效益、节约投资， 紧急控制在系统中得到了广泛的应用。随着自动化水平的提高，在线、实时控制 已经提到了电网控制方案的议事日程，对系统计算分析的速度要求越来越高，而 对电网中每个元件进行分析是不可能的。因此，对于大型的互联电力系统，把整 个电网划分成若干区域来管理和分析是十分必要的。 2 1 输电断面的基本概念与作用 输电断面哼1 ( 简称断面) 是指在电网安全或电量交易上相互关联的一组输电线 路( 也可以是变压器或发电机等) ，或定义为：在某一基态潮流下，有功潮流方向 相同且电气距离相近的一组输电线路的集合称为输电断面1 。从网络联系角度来 看，如果断开一个断面中的所有输电线路，则整个系统将形成两个相互独立的电 网。从功率传输角度来看，断面中各条输电线路传送的有功功率在正常运行方式 下一般是相同方向的。从电量交换角度来看，联接两个区域间的一组输电线就构 成了能量交换和交易结算的一个输电断面，区域间功率交换能力也可以定义为联 络线断面的输送能力。 由于一个断面中各条输电线路相关的密切程度不一致，因此在运行监视或控 制上可能只针对断面中的部分线路，这些线路可以组成一个监视或控制断面。断 面的概念不同于系统间联络线族。系统间联络线一般指省网间或大区电网间的输 电线路，因此，其划分主要目的是方便调度管理和区间电量交易结算。断面的划 分主要是从电网安全稳定出发，简化安全分析、运行监视和调度控制，联络线族 在特定条件下可以作为系统中的一个断面来考虑。 输电断面是现代电网调度运行监视、控制和系统管理分析的需要。统一调度、 分级管理体现了对大系统管理的必然要求，而对大系统的运行和控制也必须分区、 分层、有序进行。输电断面集中体现了电网中的薄弱环节，是电网运行监视和控 制的重点，能够让电网调度人员抓住系统的主要环节，在保证电网主干安全稳定 的前提下，兼顾分支。在电网中主要根据安全分析划分出断面之后，整个网络就 形成了多个区域，而这些区域间通过断面相联接。通过断面划分，由一个复杂的 大系统形成多个小系统，在小系统内部元件故障或退出运行时，一般不会波及区 域外部；断面中的元件发生故障或退出运行时，主要影响到该断面中的其他运行 元件，因此安全分析、调度控制及事故处理都得到极大的简化。 断面安全分析和控制的合理性主要在于断面可以分层划定、分级管理；另外， 每级调度监控和管理的断面数量并不庞大。断面分层划定的含义就是首先将系统 按大区电网层次划分，大区内部在省级电网层次划分，省网内部在区域层次划分， 7 贵州大学硕士学位论文 区域内部在地区层次划分。分级管理的含义就是大区间断面由国家调度管理和监 控，省间断面由大区电网调度负责，省网内部断面由省级调度管理。系统内联系 强弱和功率交换数量的差异很大，一般呈现区域内联系较强、区域间联络较弱的 特点，实际系统在一定时期内不能满足n 一1 原则的断面数量一般并不大。 电力系统在一定时期内，网络结构、电源容量及负荷分布都是相对稳定的， 电网发展是逐步的。因此，针对一个具体电网进行安全稳定分析，并得出主要结 论，用于指导实际生产运行是完全可行的。电力系统的运行工况由负荷、电源和 网络结构来决定。因此，区域间联系的强弱可以认为是由网络联系强弱和潮流交 换大小两方面决定的。如果两个区域间网架联系较弱，但潮流交换很小，则一般 不会有安全稳定问题，因此我们需要重点分析的就是系统中潮流输送较大而网架 联系相对薄弱的环节，这些薄弱环节在一定时期内是相对稳定的。我们找到这些 薄弱环节之后，就可以针对具体断面采取预防控制或紧急控制手段，以保证在n 一1 方式下不出现安全稳定破坏问题。断面分析和控制的有效性还在于在保证断面安 全稳定约束的方式下，能够让电网的主干可靠运行，不发生大面积停电和电网瓦 解、电压崩溃事故。这是因为系统管理人员在离线条件下对整个电网进行了周密、 详细的分析和计算，将电网中的关键部位和薄弱环节以断面的形式提出来，让电 网运行人员监控和掌握。当断面中的元件开断后，将对断面中其他运行的元件产 生严重影响，一般需要调整或控制断面潮流，并且断面的输送极限也会随之改变。 2 2 输电断面的划分原则及方法 输电断面的划分原则主要有由于地域界限所形成的不同供电区域间的联络线 族输电断面和由于电网安全约束所构成的运行监视和安全控制断面。第一种断面 主要是管理意义上的，第二种断面是安全意义上的，当然，有时第一种断面同时 也属于安全控制断面。对输电断面的安全约束可以分为动态安全约束和静态安全 约束。由于这两种约束的数学模型和计算方法有很大差别，实际系统中将其分开 进行考虑可以大大简化分析的复杂程度。为此，依据动态安全约束和静态安全约 束分别形成安全监视和控制断面，在电网运行中是切实可行的。由于线路过负荷 的能力较差。因此，在n 1 条件下运行的线路不过负荷是电网静态安全分析的主 要问题，考虑静态安全约束的输电断面划分应以n 一1 下的线路过负荷问题为依据。 从理论上说，输电网络图的任意一个割集所割断的支路都构成一个输电断面，但 由于电网规模庞大，所形成的割集数量极大，这样划分出来的断面是很难逐一进 行分析。因此，在电力网络分析中，必须结合实际电网结构的特点进行划分。 2 2 1 基于区域间联络线模型的输电断面 由于实际电网中的安全监视和控制断面大多具有地域的特点。如图2 - 1 所示， 南方电网的贵州送出断面( 安天线和青河线) ，云南送出断面( 罗马线) ，天生桥送 8 贵州大学硕士学位论文 出断面( 天平线与马百线) 、断面( 天平线与百南线) 等等。这些断面之所以具有地 域的特点，是因为输电网络结构一般具有明显的地域特征，大多数区域内部电网 联系比较紧密，相对而言区域间的网络联系比较薄弱。因此，我们根据网络节点 间联系的强弱将整个电网划分成若干区域，也就相应地确定了区域间的输电断面， 这些断面是电网联系的薄弱环节。 蜜接曩螺 爰蛐毫t 图2 1 南方电网西电东送输电系统简图 断面通常由系统中联系薄弱的线路构成，因此线路所连接的分布在两个区域 中的节点间联系阻抗要大于系统内部节点间的联系阻抗。由于两个节点间的联系 阻抗并不只由与这两个节点直接相联的支路阻抗决定，而且还与网络中通过其他 节点相联系的支路有关，故将节点间的联系阻抗定义为以两节点为端口的等效阻 抗( 戴维南阻抗) ，也是一端口网络的输入阻抗，其值等于不含独立电源的一端口 网络的端电压与端电流的比值： z 厶一u i ( 2 1 ) 式中厶一端口网络的输入阻抗： u 一端口电压： ，一端口电流。 在电力系统计算中，可以采用高斯消去法简化网络，消去一端口外的其他节 点，则可以得到端口的等效阻抗。 基于区域间联络线模型的输电断面划分可以分为以下过程： a 、确定区域间联络线。在这里我们将联络线定义为系统中联系薄弱的支路， 也就是该支路两端节点的联系相对于整个网络中各节点间的联系来说是较弱的， 因此，可以首先计算网络中各节点间的联系阻抗，然后根据联系阻抗的大小来确 定区域间的联络线路，具体流程如下： 9 贵州大学硕士学位论文 计算网络中任意两节点间的联系阻抗； 选出最大联系阻抗，并计算剔除最大联系阻抗后的平均阻抗； 若最大阻抗与平均阻抗的差值小于给定的门槛值，则结束；否则转下一步； 将最大阻抗对应的两节点间直接联系的支路确定为联络线，在所有联系阻抗 中将最大阻抗剔除后转第2 步。 其中最大阻抗与平均阻抗差值的门槛值应根据具体网络确定和调整。 b 、确定区域联络线模型。将联络线直接连接的节点划归不同区域，没有联络 线直接联系的节点，如果有其他直接联系线路，则划为同一区域，就可以形成按 照网络结构划分的区域，具体流程如下： 根据上一过程计算得到网络中的所有联络线构成联络线集合，网络中其他线 路构成普通支路集合，网络中所有线路构成全部支路集合； 在联络线集合中取一条线路，若所有联络线已取完则结束； 若联络线两端节点全部或其中一个属于未知区域，则将未知区域定义为新的 区域，在全部支路集合中剔除所取联络线； 在全部支路集合取一条线路，若所有支路已取完则转第2 步； 若与第3 步中所取联络线的一个节点直接相连，则将支路的另一个点划分在该 联络线节点所在区域，并在全部支路集合中剔除所取支路，转第4 步。 2 2 2 基于支路开断分布系数的输电断面 目前实际电网安全运行和控制仍以预想事故分析为主，由于系统运行方式不 断变化，安全分析采用的基础数据只能以典型方式为依据。算法的精确程度与数 据的准确性相比，对计算结论的影响并不是主要环节。在系统的基本潮流确定后， 潮流的各种估算方法在实际电网运行中常用来作为辅助安全分析手段，其中分布 系数法是迅速估算支路开断影响的一种方法。文献 2 0 给出了支路开断分布系数 的定义及算法，其计算公式为： 7 l q 幽一( 皿一一琢+ 勘) 拗( 一x a , 一+ ) ( 2 2 ) 式中、拗一分别为支路j b ，l 、支路巧的电抗； 泓、琢、而、x n 、石。、一为节点阻抗矩阵中相应的电抗值。 支路开断分布系数l 茸一h 的物理意义，就是支路胁在基本情况下流有单位电 流时，在该支路开断后，将会在支路玎中引起的电流增量幽。即： l o 一| b ，i 皇竺 ( 2 3 ) 一| b ，i = _ l z 一6 ， h 已知支路开断分布系数后，只需将某基本情况下支路j b ，l 的电流乘以相应的 分布系数，再加上基本情况下支路巧的电流，就可以得到支路加开断后支路玎中 的新电流值，判断支路巧是否存在过负荷。因此，运用分布系数法求取支路开断后 1 0 贵州大学硕士学位论文 的电流分布非常迅速，进行线路过负荷分析极为简捷有效。其准备工作是事先求 出所有可能预想事故下的支路开断分布系数。 由于支路开断分布系数只与网络结构有关，因此在实际系统计算中可以在系 统全方式的一种典型潮流下，开断某一条支路，比较开断前后其他支路有功潮流 的变化，就可以简单地计算出该支路开断时有功功率对其他支路的分布系数。至 于双重和多重支路开断的预想事故，则情况比较复杂，具体的计算步骤可见文献 2 0 ，这里不再讲述。 由于我们所确定的输电断面是为n - - i 静态安全分析服务的，因此，对一个断 面的各条支路来说，必然在n - - 1 静态安全约束下是关系最密切的一组线路。也就 是说，断面中的某一条支路开断时，在断面中存在另一条支路在整个网络中具有 最大的支路开断分布系数，当继续开断断面中的其它支路时，整个网络中具有最 大支路开断分布系数的线路仍在断面中，直至开断最后一条支路后，整个网络形 成两个独立的系统。这样可以避免分析大量联系较弱的线路所组成的断面。具体 的计算步骤如下： a 取网络中的1 条支路l 。( i = 1 ) ，断开支路l ；，如果整个网络形成2 个独立的系 统，则结束；否则，计算l ；开断的支路开断分布系数k ； b 取最大的k 所对应的支路l ( i + 1 ) 加入l 。构成断面； c 断开l ( i + 1 ) ，置i = i + l ，转第2 步。 2 2 3 基于自然区域和有功潮流的输电断面 上述两种划分方法在理论上是可行的，但实际电网规模非常庞大，计算分析 复杂。由于实际电网建设、规划具有明显的地域特征，因此以自然区域为基础， 以功率输送方向为主的网络结构理论分析，在系统运行分析中被广泛采用。 c 图2 - 2 电力系统及输电断面划分图 电网中的断面是指连接两地区之间的多条支路所形成的联络线族，断面潮流 即为组成断面的各条支路的潮流之和，它清晰地反映了断面所连接的两地区之间 的功率交换关系。如图2 - 2 所示的电力系统，系统中包括三个含有电源的子系统 贵州大学硕士学位论文 s 1 、s 2 、s 3 和一个独立电厂g l ，s l 和g 1 向s 2 和s 3 输送功率，s 2 为受电系统， s 3 从s 1 受电并向s 2 送电。图2 - 2 中将系统划分为c 。、c 、c 、c 和c 、，断面。 由于s 1 和g 1 均向外送电，c m 断面功率为c 。和c n 断面功率之和，所以若研究该 系统断面是否稳定，则仅需研究c m 、c 和q 三个断面。监视、分析和控制断面 有功潮流可以保证单支路满足热稳定限制并保证地区电压稳定及系统暂态稳定， 最终保证整个电网的安全口 。 众所周知，系统中某一条支路过载跳闸，肯定会引起系统潮流的重新分布，其 影响范围是全局的。但实际上支路跳闸对各输电回路造成的影响又是大不相同的， 只有部分输电回路的有功潮流急剧增加，大部分输电回路的有功潮流变化较少， 甚至基本不变。 一 经过文献 3 0 中的大量仿真研究发现，相互之间潮流影响较大的线路通常位 于系统断面中，当断面中某条线路由于故障开断时，会导致位于同一断面上的另 一条线路过载，这种n 一2 故障极易造成连锁反应，引发系统的大面积停电。能够 引起系统连锁反应的断面通常具有这样的共同特征：把整个系统分离成两个独立 的子系统，断面上的线路有功潮流方向一致，由系统一个部分流向另一个部分， 并且整个断面潮流较大，即断面所分隔开的两个区域之间的功率交换很多。系统 拓扑中存在的断面很多，而且并不是在所有的断面中发生n 一2 事故都会导致连锁 故障。通常更为普遍的是，一个断面中只有某些线路故障的组合才能引发连锁； 一般情况下传输功率较大的断面中的重载线路故障容易引发连锁停电。另外，即 使是在同一断面内部，线路断开次序不同，产生的后果也不同，有的线路发生初 始扰动开断后，同一断面中任何一条线路的断开都可以引发连锁，而有的线路发 生初始扰动开断后，同一断面中有些线路的突发故障不足以导致系统连锁。 总而言之，要严格控制主网联络线重要输电断面潮流，禁止超稳定极限运行， 否则很容易诱发连锁故障。因此，输电断面的有功潮流控制对预防连锁故障具有 重要意义。 2 3 输电断面安全性保护的任务及其实现方法 输电断面安全性保护的任务是从全局的观点出发，使各个后备保护与安全自 动装置的动作协调配合起来，维持输电断面的完整性和输电能力，避免连锁过载 跳闸的发生。换言之，当某元件运行异常出现过载时，如果保护切除该元件不会 引起断面内其他支路过载，则保护切除；当判断出该支路跳闸后会引起断面内新 的支路过载，则在保护切除过载支路的同时还需要采取紧急控制措施消除过载， 避免连锁过载跳闸的发生。 输电断面安全性保护在物理实现条件上，与传统的切除故障元件的继电保护 大为不同，后者只关心被保护的设备内部有无故障，使用被保护元件两端局部信 息就够了：而前者则需要获取实时的关键和广泛信息，预见全网可能出现的问题， 快速评估系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈和自适应重构动作等的 贵州大学硕士学位论文 防治措施。实现输电断面安全性保护这样一个广域的监测、保护与控制系统，必 须基于同步相量测量单元( p m u ) 的广域测量系统( w a m s ) 。由系统保护中心( s y s t e m p r o t e c t i o nc e n t e r ，s p c ) 与分散安装的继电保护装置协调执行。当继电保护装置 检测到系统异常( 如输电元件过负荷) 时，由w a m s 将当前系统状态信息在2 0 - 5 0 m s 内采集到s p c ，并由s p c 执行输电断面的快速搜索、连锁过载的实时预测与相应控 制策略的计算，再由w a m s 将控制策略传到过载保护和安全自动装置，并由它们执 行之。 2 4 输电断面安全性保护的关键技术 从实现输电断面安全性保护技术角度，需要解决以下关键技术问题： ( 1 ) 输电断面的在线快速搜索。过载支路的跳闸，必将引起系统潮流的重新 分布，其影响范围是全局的。但实际上支路跳闸对各输电回路造成的影响又是大 不相同的，过载支路的输电断面往往就是过载支路跳闸后有功潮流急剧增加的输 电断面。在实时情况下，由于系统状态的变化，与过载线路位置相关的输电断面 的组成也会发生相应的变化。在出现支路过载的紧急情况下，需要快速搜索与事 故相关的输电断面，减小紧急情况下安全性评估的范围，为实时安全控制赢得宝 贵时间。 ( 2 ) 输电断面连锁过载的实时预测。在快速判别出事故相关的输电断面后， 需要实时估计