（电力系统及其自动化专业论文）地区电网静态安全分析的实用化研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着电网规模的不断扩大以及电力市场的不断放开，交易的规模将不断扩大， 电力系统的运行日益亟需高效的电力系统安全分析软件来帮助他们分析电网的运 行方式，分析当前系统运行的安全水平，防患于未然。本文首先介绍了网络接线分 析方法的改进，然后提出基于双拓扑搜索各自投的方法，并用实例验证了它的优点， 接着对传统的安全评估的方法进行了介绍和比较，提出用精确潮流算法进行安全评 估，最后介绍了本文的安全对策和故障恢复功能，并且以兰州地区电网的实际算例 进行了验证。 关键词：静态安全分析，安全评估，安全对策，故障恢复 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no ft h ep o w e rs y s t e ma n dt h eo p e n i n go fp o w e r m a n e t ，t h es c a l eo f t r a d ec o n n e c t i o nw i l lb ec o n t i n u o u s l ye x p a n d e d ，s o ，o p e r a t i o no f t h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e md e s i d e r a t ei n c r e a s i n g l yah i g he f f e c t i v ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mf o r t h es t a t i cs t a t es a f e t ya n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c hc a nh e l pt h e mn i pi nt h eb u db ya n a l y s i n g o p e r a t i o nw a y so ft h o s ee l e c t r i f i e dn e t t i n ga n ds e c u r i t yl e v e lo fp o w e rs y s t e m at h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ei m p r o v e m e n tp o w e rg r i dc o n n e c t i o na n a l y s i s sm e t h o d an e w s o l u t i o ni sp u tf o r w a r d - t h em e t h o do fs e a r c h i n gb u s b a ra u t o m a t i ct r a n s f c rs w i t c h ( b a t s ) b a s e do nt w i c et o p o l o g ya n a l y s i s 。t h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ya s s e s s m e n tm e t h o da r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，a n di ti sp u tt h a tt h ea c c u r a t ep o w e rf l o wi su s e dt oa c h i e v e s e c u r i t ya s s e s s m e n t 。f i n a l l y , s a f e t yc o u n t e r m e a s u r ea n df a u l tr e s t o r a t i o nf u n c t i o na r e i n t r o d u c e d ，a n dt h e s ef u n c t i o n sa l ev e r i f i e db yt h ep r a c t i c a lc a l c u l a t i o ne x a m p l e sb a s e d o nl a n z h o ul o c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k 。 l iy o n g ( e l e e t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy i h a na n dl i uw e n y i n g k e yw o r d s ：s t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i s ，t h es e c u r i t ye v a l u a t i o n ， s a f e t yc o u n t e r m e a s u r e ，f a u l tr e s t o r a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文地区电网静态安全分析的实用化研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔塞日期：趁：堕虚 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的。复制赠送和交换学位论文：同意学校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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：瓠 日 期：墨塑：堡：厶 导师签名： 盈么! 竺c 亟 日 期：垒堕纽肜肛 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 国民经济发展水平的重要标志是电力工业。现代社会的不断发展，促使用电需 求急速增长，造成电力系统的规模日益扩大。联合电力系统的运行具有明显的优越 性；有利于解决资源和负荷分布的不平衡：采用大容量机组、超高压远距离输电， 降低基建和运行费用。可见，形成联合电力系统是电力工业发展的必然趋势。然而， 联合、复杂、大规模电力系统的形成，大机组、超高压远距离输电的出现，以及电 厂类型的多样化，对电力系统运行的安全、经济和电能质量的要求更加严格，分析 计算更加困难。 日益复杂的电力系统，发生故障的概率也在增加，某些扰动可能导致大面积停 电和稳定性问题尖锐化。特别是发生稳定性破坏和不可控制的恶性连锁反应时，停 电范围大、时间长，对社会的政治、经济、文化及人们的生活都将产生无法估计的 严重后果。因此，电力系统的运行人员迫切需要强有力的电力系统安全分析软件以 帮助进行电力系统运行方式的分析，提高系统运行的安全水平，为事故处理提供相 应的对策，防忠于未然。 电力系统静态安全分析( s t a t i cs e c u r i t ya n a l y s i s )，即对系统在发生预想事故 后的稳态运行情况进行分析，如当线路、变压器、母线和发电机开断后，是否会引 起其他设备的过载，是否会引起节点电压的越限：并且，对应一定情况的过载和越 限，给出可供选择的系统调整策略 静态安全分析主要有静态预想事故评定( c o n t i n g e n c ye v a l u a t i o n ) 和预防控制组 成，可以确定系统是否安全，同时给出了某些必要的预防对策，使系统在发生预想 事故情况下出现的不安全状态转变为安全正常状态。通常，预防控制对策，往往带 有经济目标，从而可以获得同时满足网络等式约束和不等式约束的有功、无功功率 经济调度。 如果预防控制可行，而且控制对策的代价很小，运行人员可以把控制对策投入 运行：如果经济代价较高，而且可能出现的静态紧急状态并不严重，运行人员也可 以在事故真正发生以前不采取任何预防对策。如果预防控制不可行，可以在假想出 现了紧急状态的情况下，以负荷卸除最少、或各机组偏离原经济运行状态最小为目 标函数，进行最优潮流的计算。即校正对策分析( c o r r e c t i v es t r a t e g ya n a l y s i s ) 。 上述可见，在计算机技术及软件技术日益完善的今天，在电力系统静态安全分 析理论十分成熟的条件下，研制开发电力系统静态安全分析实用化软件具有熏大的 现实意义。 l 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 自上世纪6 0 年代以来，大面积停电事故时有发生，在经济上造成了巨大的损 失，因此，各国对电力系统的安全性分析，开始给予了足够的重视，成为上世纪七、 八十年代非常活跃的研究领域。近些年以来，国外的一些控制中心也配备了具有实 时功能的静态安全分析软件，表明本课题的研究已进入实用化阶段。 1 2 1 静态安全分析的基础一潮流计算 截止目前，常规的潮流算法已经非常完善。其中，有代表性的有牛顿一拉夫逊 法，快速解藕法。牛顿法具有计算精度高、收敛性能好的优点 快速解藕法结合电 力系统的特点，对纯数学的牛顿法进行了解藕和合理的简化，便其在内存需求和计 算速度上都有提高。 1 2 2 传统的分析方法 在传统的静态安全分析软件中，由于要保证计算速度，所以在开断计算中，并 不是采用精确潮流计算。己成熟的方法有：直流法、分布系数法和补偿法。 直流法简单快速，能给出满足工程要求的有功潮流分布，不考虑无功分布的影 响：基于直流潮流算法的分布系数法是一种能迅速估计开断影响的方法，分布系数 法分为线路开断分布系数和发电机开断分布系数。线路开断分布系数表示了开断线 路潮流与所求线路潮流变化量的直接关系。发电量转移分布系数则建立了发电量的 变化与线路潮流变化的关系，在此基础之上的广义发电量分布系数能在不同的系统 发电水平下求出发电机开断对线路潮流的影响：补偿法是在网络线路开断的情况 下，假设该线路未被开断，而在其两端节点处引入虚拟功率来模拟线路开断的等效 注入方法。 1 2 3 预想事故自动选择 预想事故自动选择( a u t o o a t i cc o n t i n g e n c ys e l e c t i o n ) 是通过快速的开断潮流 计算分析所有的可能事故( 一台或多台发电机开断，一条或多条线路开断) ，按每 一种可能的预想事故对系统导致的后果严重程度的顺序，排列出预想事故一览表。 预想事故对系统的影响，用各种行为指标( p e r f o r - m a n c ei n d e x ) 来标志。比较具有 代表性的分析方法由快速解耦潮流一次迭代法和分布系数法。 1 2 4 校正对策分析 校正安全分析或校正对策分丰厅，就是通过系统中可控变量的再安排，移去潜在 的( 即因预想事故而引起的) 约束条件越限现象。对安全性提高问题目前常用的有 2 华北电力大学硕士学位论文 两种解算方法：灵敏度分析方法和最优化方法。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 本文完成的项目背景 本文结合兰州供电公司的项目“地区电网调度决策支持系统”，对静态安全分析 进行了实用化研究。 开发了可视化的电力系统静态安全分析软件包，集图形支持系统、网络拓扑、 开断计算、预想事故排序、校正控制对策和故障恢复于一体。 1 3 2 本文完成的工作 结合兰州地区电网的特点，本文主要完成以下工作； t 改进了电力系统网络接线分析方法。主要针对网络接线分析的前两个步骤： 变电站接线分析和网络层次的接线分析，提出了改进的分析方法，分别是：局部拓 扑分析法和支路直接搜索法。 2 提出了考虑地区电网各自投动作的静态安全分析。考虑到地区电网投运了许 多备自投装置以及现场运行方式的不断变化，提出了基于双拓扑搜索正确动作备自 投装置的预想事故处理方法。 3 完成常规潮流程序的编制。 4 完成了预想事故自动选择分析程序的编制。 5 完成了故障发生前和故障发生后校正对策和事故恢复程序的编制 6 完成结果显示和系统安全评估报告和安全对策报告以及故障恢复报告程序的 编制。 1 3 3 本软件改进之处 由于受计算机计算速度的限制，在速度和精度这对矛盾中，传统的静态安全分 析选择了速度，又由于网络拓手卜的时闯比较长，所以传统的静态安全分析只是在开 断支路前进行一次全网拓扑分析，然后用直流法。补偿法或者分布系数法等方法进 行开断计算。本文结合兰州地区电网的实际情况，为了在隔离故障元件的时候可以 正确找出动作的各自投装置，提出了基于双拓扑找出正确动作的备自投装置的方 法，所以本软件对传统的拓扑分析方法进行改进，这个改进的方法使的在元件开断 后，常规潮流计算用到的导纳矩阵修改也是局部的，整体上大大提高了计算速度。 由于目前计算机计算速度也有了很大的提高，所有本软件完成的静态安全分析软件 的计算速度和精度基本上可以满足现场的需求。最后本软机还增加了故障恢复功 能。 3 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章网络接线分析方法 网络结线反映电力网络的拓扑结构，当开关位置发生变化时，如由断变为合或 由合变为断，网络的结构可能发生变化。这种变化将导致潮流计算的节点导纳矩阵 的变化，如果节点导纳矩阵不能正确反映电丽实时结线的变化，则在线潮流计算将 会发生错误，以至于影响网络安全分析。 网络结线分析( 又称网络拓扑分析) 的任务是实时处理开关操作后开关状态的 变化，自动分配发电厂和变电站的计算用节点号，形成新的网络结线和相应的导纳 矩阵。 2 2 网络接线的实时变化 电网中变电站的结线主要可分为双母线、双母线分段、双母线分段带旁路、单 母线、单母线分段、单母线分段带旁路、内桥接线、外桥接线、二分之三结线等几 种类型。 在日常操作中，开关的开断、刀闸的拉合，可能是切除或投入发电机或负荷； 可能使变电站的母线段对应的计算用节点发生变化；还可能引起电网开环、合环、 解列或并列等。 对于变电站来说，一个开关状态变化的后果可能是： 1 、不改变电气联系，不影响发供电，计算用节点数不变： 2 、切除或投入发电机或负荷，而计算用节点数不变化： 3 、母线分段或合并，节点数发生变化。 切除或投入发电机或负荷，母线分段或合并，会引起电网潮流的变化而导致电 网各元件运行参数越限，造成交压器、线路过负荷，母线电压不合格，保护动作跳 闸等后果，影响系统安全运行。 2 3 地区电网网络的基本概念 在进行网络分析工作时，了解地区电网系统的基本电气构成和各电气元件的属 性状态是非常重要的。地区电网具有层次结构的特点。第一层次为网络层，由厂站 ( 发电厂和变电站) 、输电线路组成，厂站之间由输电线路构成的连接关系构成了网 络层拓扑关系。网络层的结构可由图2 - l 所示。 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 地区电网的网络层结构 第二层次为厂站层，由开关、出线、母线、发电机、变压器等各种电气设备组成， 厂站内电气设备之间的连接关系构成厂站层拓扑关系。地区电网可看成是由母线、线路、 变压器、开关刀闸等元器件按一定的方式连接而成的，并通过开关和刀闸的分合操作改变 电力网络的拓扑结构。可以用图2 2 表示厂站层的拓扑图，电气设备指母线、出线、变 压器、发电机、线路，电气设备的开断由其连接的开关状态而定。 5 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 地区电网的厂站层结构 通常，地区电网可看成是由若干个无直接电气连接的子系统组成。图2 3 表示了地 区电网的层次结构。 高只 电网 子系统l 罕素蛴。i ii i 变电站i线路 l fl|l| 母线i变压器ll 开关刀闸il出线ii其它 图2 - 3 地区电网的网络层次结构 2 4 电气设备的拓扑知识 母线、线路、变压器、开关刀闸等设备是组成地区电网的基本元器件。从电力系统 调度运行的角度来说，除必须具备上述关于地区电网的两个层次拓扑关系外还必须具有 6 华北电力大学硕士学位论文 电气设备拓扑方面的知识。 一次接线图中，开关刀闸、变压器、线路、串并联电容电抗器、发电机、负荷是主 要的电气元件。它们属性各不相同，需要设计不同的表来把这些信息分别存放以来，在 此数据基础上进行接线分析工作。 在设备数据库中，我们可以把各种电气元件分解为开关刀闸、元件、支路来表示。 其中开关刀闸可看作具有闭合、断开两种状态的设备；元件相当于电气设备两端的端点， 母线、负荷设备本身可等值为一个元件：支路可简单看作阻抗。各种电气设备可抽象表 示成如表2 1 所示。 表2 - 1 电气设备的等值特性： 开关元件( 开关、刀闸) 开关元件的可看成一个开关两端连接两个元件 母线 母线本身可看成一个元件 负荷、电源点负荷、发电机作为注入量，可看成一个元件 双绕组变压器、单段线一条具有阻抗的支路，两端各连接一个元件 路 三绕组变压器、多段线有公共端点的多条首末端连接元件的支路，阻抗隔开 路每条支路连接的两个元件 串联电容电抗器等同于单段线路，两端各连接一个元件的支路 并联电容电抗器 并联电容电抗器可看成一个负荷或者电源，标注为一 个元件 这样整个电网可分为支路、开关刀闸和元件。开关刀闸具有闭合与断开两种状态， 所以它可以决定其两端与元件的连通性，进而最终决定整个网络的连通性。开关刀闸状 态的变化可能引起电网开环、合环、解列或并列等，使电网运行方式发生变化。 2 5 地区电网网络接线分析 电力系统在正常运行情况下，在线安全分析、经济分析等许多程序是以导纳矩阵为 基础的。但是节点导纳矩阵会随着网络接线改变，如果不能迅速、准确的跟随开关状态 的变化修改接线，必然导致错误的分析与判断。在电网紧急和恢复状态中，迅速将接线 的实际变化状况反映出来非常重要的。网络接线分析正是满足这种需求而产生的。 开关与刀闸具有闭合与断开两种状态，所以它可以决定其两端元件的连通性。当开 关刀闸处于闭合状态时，其两端的元件连通，为同一个节点：当开关刀闸处于断开状态 时，其两端的元件不连通，有可能分属两个不同的节点( 通过其他电气元件，开关刀闸 两端的元件在开关处于断开状态时仍有可能在同一个节点上) 。所以开关刀闸的连通性 可以决定元件的连通性，进而最终决定整个网络的连通性。 7 华北电力大学硕士学位论文 因此，网络接线分析【3 8 】的主要任务是在获取电网开关、元件等网络结构信息的基础 上，根据开关状态，自动划分电网为多个内部连通的节点和子系统，计算节点数，并分 配负荷、电源、有功、无功等数据。网络接线分析为潮流计算校验服务，但在恢复故障 系统中还需保存接线分析划分子系统过程中的中间结果，作为恢复过程的数据基础。 接线分析的步骤如下： 第一步，是变电站的接线分析。这一步的接线分析仅限于某一变电站内，主要任务 是分析变电站内的元件由闭合的开关刀闸联接成多少个节点。节点本质上是由无阻抗 的、连接在一起的设备组合。 接线分析的第二步，是网络层次的接线分析，是在第一步的基础上进行的。主要任 务是分析支路和节点的连接关系，将通过支路连通在一起的节点划分为同一个连通子系 统。 接线分析的第三步，是量测信息的分析。主要任务是按子系统划分测量信息( 主要 为电源、负荷量测信息) 。量测信息的分析结果用于满足实际电力系统潮流计算的数据 需求。 接线分析后，可获得整个网络的连接关系，各元件所属节点、子系统的信息以及开 关刀闸、元件和支路的相互连接关系，从而方便的进行网络搜索。 2 6 网络接线分析方法的改进 2 6 1 传统的接线分析的问题 安全分析主要是通过改变部分开关的状态后来进行安全评估，网络拓扑应该迅 速准确地将物理网络结构的变化反映到计算用的母线支路模型中。 当开关状态发生变化后，传统的拓扑分析需要重新在每个厂站内进行搜索( 网络 拓扑分析的第一步) ，并重新为节点编号。这种针对局部网络状态的变化而采取的大 范围搜索，不可避免地造成时间上的浪费。而这种开关状态的变化通常是局部的， 没有必要重新形成全网拓扑关系。从分析网络拓扑各部分所用时间看。厂站内母线 分析占用了网络拓扑的大部分时间( 约8 0 ) 。因此，尽可能地减小每次厂站内母 线分析的搜索范围，是提高拓扑分析效率的关键。而安全分析每次切除故障元件的 时候也只是改变局部开关的状态，所以采用局部拓扑可以节省很多时间。 传统的网络拓扑分析的第二步是以图论为基础，以“从节点开始，再通过支路 搜索支路另一端节点”的方式进行网络结构的分析与判断的，它需要在进行子系统 搜索之前进行一定的数据信息量的准备，有许多冗余的信息被处理，降低了拓扑分 析的速度；并且由于其算法是围绕着“节点关联度”进行的，而每个节点的节点关 联度不全是相同的，这就造成了程序流程复杂，结构不合理。 在进行子系统搜索之前要进行的处理有： 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 搜索支路以除去孤立节点 f 2 ) 除去接地支路 ( 3 ) 累加接地关联度。 2 ，6 2 改进接线分析的原理和特点 本文对传统接线分析的第一步和第二步分别进行了改进，分别是局部拓扑法和 支路直接搜索法。 2 6 2 1 局部拓扑 2 8 ，2 1 1 缩小局部拓扑授索范围 网络中开关状态变化后，不是每个厂站内的母线模型都发生变化，对每个厂站 都进行母线分析显然是不必要的。这样，就可以先把局部拓扑搜索范围限制在有开 关状态发生变化的那些厂站。每个厂站内一般都划分成一个或几个电压等级，例如 5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、1 l o k v 、l o k v 等，各厂站内的电压等级按厂站顺序排列成个 电压等级序列。不同电压等级的母线之间不可能通过开关连接。某个电压等级下开 关状态变化造成的物理网络结构的变化，只能影响到本电压等级下母线模型的变 化，而不能产生跨电压等级的影响。也就是说，在其它电压等级内开关状态不变时， 其它电压等级内母线个数不变。因此，拓扑搜索范围可由厂站缩小至有开关状态发 生变化的电压等级内。对于电压等级越多的系统，这种改进的效果就越明显。 2 6 2 1 2 局部拓扑处理 本文定义取一个实时断面以后进行网络拓扑形成的节点为初始母线。全网初始 母线是所有电压等级内初始母线的集合，这个集合在第一次运行网络拓扑时保留， 以后不管网络内开关状态如何变化，网络拓扑只搜索断开开关所在的电压等级。 初始母线的编号不受安全分析的开关开断的影晌，新增母线一律排在初始母线 集合之后。网络内开关操作对母线模型造成的影响有以下几种： ( 1 ) 网络内开关操作后，未造成母线模型的变化，开关两端节点仍属于同一 母线； ( 2 ) 开关开断后分裂出一个或多个母线： ( 3 ) 开关闭合后删除一个或多个母线； ( 4 ) 以上情况的综合。 在初始母线编号的基础上，以上几种情况可以归结为两类处理： ( 1 1 新增母线，其编号排在初始母线最大编号之后； ( 2 ) 不增加新母线，采用初始母线编号。 9 华北电力大学硕士学位论文 物理网络的开关操作对母线模型所造成的任何影响，都可在初始母线的基础上 归结为以上两类操作，简单明了，易于实现。 c b c b l i丁 ( b ) t t 二广 ( d ) 图2 - 4 模型系统 如图2 4 ( a ) 所示，厂站内包含两个电压等级，初始母线编号如图2 4 ( b ) ，初 始母线最大编号为6 。当母联开关c b l 断开时，母线5 分裂为两个母线，其中一 个仍采用初始母线编号，另一个编号为6 + 1 = 7 ( 如图2 4 ( d ) ) 。当母联开关c b l 闭合时，母线5 、7 合并为一个，仍采用初始母线号。有了初始母线编号，每次执 行局部网络拓扑时，可以只扫描断开开关所在的电压等级，若该电压等级内形成的 母线个数比初始母线个数多，则其中一个采用初始母线编号，其余编号依次排列在 最大初始母线编号后，由于系统内处于经常断开状态的开关只是很少一部分，且搜 索范围只限于同一电压等级，因此拓扑处理的速度得到明显提高。 本文采用方法简便可靠，不论采用何种方法编制的全网络拓扑程序，都可以方 便地加以改进，使其适应频繁的开关操作，提高网络拓扑效率。 2 6 2 2 直接支路搜索 改进的网络拓扑分析根据支路与节点之间的必然关系，通过节点一子系统号对 照表的映射关系，使用直接的支路搜索法，去掉了原来的拓扑分析中冗余的信息量 的处理，仅仅需要除去接地支路，就可以进行子系统的快速搜索。主要的思路如下： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 无论网络拓扑分析怎样进行，都离不开节点一支路的相互联系，原来的网络拓扑分 析是以节点关联度为核心的，这里注意到了一个问题，一个节点所连接的支路的个 数是不一定的，但是，一条支路所联的节点却一定是两个。 利用上面的思路可以直接进行支路的搜索，在搜索的过程中，不断地形成更多 的节点一子系统号的映射，依据这一映射，判断其它支路是否属于本子系统，直到 此子系统的节点映射停止增加，开始下一个子系统的搜索。当全部支路都有了子系 统号以后，结束网络拓扑分析。 这种算法的优点是速度快、程序结构清晰明了，代码执行效率高。其输入是节 点总数、支路总数和支路首节点数组、末节点数组；输出是节点一子系统对照表和 支路一子系统对照表。 直接支路搜索法的网络拓扑分析程序框图如图2 - 5 、2 - 6 所示。 其中图2 5 中，在全部支路的每一次搜索判断过程中，必须记下第一条还没有子 系统号( t b l ( s ) = 0 ) 的支路序号s ，以便在结束本子系统的搜索，进入下一个 子系统时，为新的子系统的初始化使用。 由图2 5 、2 - 6 可以看出：本拓扑分析算法的关键在于根据条支路必然有两个 节点和利用节点一子系统对照表的映射关系，而得以实现的。程序的结构简单，效 率高，在支路过滤的过程中，不断形成更多的节点一子系统的映射，也就有更多的 支路得到子系统号。 框图中，各个变量和数组的意义如下： n 网络的节点总数l 网路的支路总数 l l j ( ) 一支路的首端节点号l l j ( ) 一支路的末端节点号 t b s ( ) 一节点子系统对照表t l s ( ) 一支路子系统对照表 s y s l d x - - 当前的子系统号 n o d e n u m - - 目前本予系统的节点数 l i n e l e f t - - 还没有子系统号的支路数日 华北电力大学硕士学位论文 m a n ，l ，l l j o l l k o 山 数s y 组s l d t z b = 。o 。, ，n t o d l e 。n 。u m 清f f i 零o 图2 5 支路直接搜索法主框架 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6 主框架中的支路i 的搜索判断的子框架 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 6 3 接线分析实现步骤 本文提出的改进接线分析快速算法的步骤如下： ( 1 ) 读入相关数据，根据初始开关状态进行全网拓扑计算，形成初始母线编号， 统计最大初始母线号n o b m ( 2 ) 形成开关一电压等级表，通过此表可以迅速查找断开开关所在电压等级序 列中的位置； ( 3 ) 厂站内母线分析：在每个断开开关所在电压等级内搜索，将所有通过闭合 开关连接在一起的物理节点划分为一个母线。若该电压等级内形成母线个数等于初 始母线个数，则采用初始母线编号；否则，其中一个采用初始母线编号，其余母线 依次排在n o b m 之后； ( 4 ) 网络分析：搜索所有的母线，将有电气联系的母线划为一个岛，用的是支 路直接搜索方法； ( 5 ) 若有开关操作，需执行拓扑分析，则转( 3 ) ；若无，退出。 步骤( 1 ) 、( 2 ) 只做一次。( 1 ) 一( 4 ) 称为全网拓扑；( 3 ) 、( 4 ) 称为局部拓扑。 对于安全分析的开关操作，形成初始母线后可以只执行( 3 ) 、( 4 ) 。 2 7 小结 本章主要网络接线分析的概念和方法以及本文的改进之处，主要内容有： 1 ) 网络接线分析的概念。 2 ) 地区电网网络的基本概念。 3 ) 地区电网的接线分析步骤。 4 ) 传统的网络接线分析的不足 5 ) 网络接线分析的两个改进一局部拓扑和支路直接搜索法。 6 ) 改进网络接线分析的实现步骤。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章预想事故的自动选择和安全评估 预想事故评定是检查电力系统运行安全水平的重要措施。它包括开断计算和预 想事故集的选择。一般，首先由用户定义预想事故集，然后对预想事故集中的预想 事故进行开断模拟分析。 3 1 预想事故的自动选择 预想事故的自动选择是静态安全分析的一个重要内容。所谓预想事故的自动选 择( a c s ) ，就是在实时条件下利用电力系统的实时信息，自动迭代出那些会引起支 路潮流过载、电压越限等危及系统安全运行的预想事故，并用行为指标来表示它对 系统造成的危害严重程度。按其顺序排队给出一览表。这样就可以不必对整个预想 事故集进行逐个详尽分析计算。因为有意义的预想事故，只是占了整个预想事故集 的一小部分。因此，可以大大节省机时，加快安全分析的速度。 预想事故自动选择需要一种快速的开断模拟算法，并在精度上能够满足排队的 要求，亦就是能够剔除不起作用的预想事故，并将起作用的预想事故按照其严重程 度排队，输出预想事故一览表。 用a c s 的开断模拟计算得出行为排队的一览表以后，选择其中排在前面的一些 预想事故，用完全的交流潮流作进一步分析，以确定其对电力系统的影响。在选择 这些需要作糟确潮流计算的预想事故时，需要引进所谓终止判据的概念。 终止判据是指对一览表中的、需要进行详细交流潮流计算的预想事故数进行选 择的判据。凡是属于终止判据范围以外的预想事故，就都认为不会对电力系统引起 违限或者虽然引起违限但影响并不重要，因而可以不必再用交流潮流进行校验。本 文采用不再出现违限、系统解列、存在孤岛为终止判据。 目前有许多用于a c s 的开断模拟计算方法，其中大多数应用了线性重迭原理。 它们虽然具有快速、简单等特点，但对于重载线路或者大机组开断仍然存在着精度 较差的缺点。现在应用较多的具有代表性的算法主要有两种，快速解耦潮流一次迭 代法和分布系数法，本文主要用快速解耦潮流一次迭代法。 本文采用的终止判据比较全面，所以不会漏掉对系统有意义的预想事故的分 析，另外采用快速解耦潮流一次迭代法作为a c s 算法，如式( 3 1 ) 所示，由于， 只是l 的一部分时间，因而五 瓦，所以本文的预想事故自动选择在时间上也有了 很大的节省，具有实用价值。 正= + 乙 l( 3 _ 1 ) 正= ( f n 。) + 气+ n 。+ 瓦。j 式中：正为每一种预想事故用完全交流潮流进行安全分析所需的总时间 1 5 华北电力大学硕士学位论文 l 为加上事故自动选择进行安全分析所需要的总时间。 为预想事故总数 l 每一种预想事故用完全交流潮流进行安全分析所需的平均时间 ，为经a c s 筛选后违限事故总数 l 。为用a c s 法排列时，每一开断情况所需的平均时间 预想事故自动选择算法的原理框图如下： 3 2 预想事故的处理 3 2 1 传统的预想事故处理方法 输出预想事故一览表 在过去相当长的一段时问里，人们将精力集中在输电网的安全分析上，提出了输 电网安全分析的( n 1 ) 准则，而对地区电网的安全分析关注扮却很少，并没有提出一 个合理的分析准则。输电网ems ( 能量管理系统) 中的静态安全分析是在考虑无故 障情况下开断一个或多个电力元件时系统的稳态表现。即进行n l 扫描式的故障选 择和分析，按照n 1 原则或事先排定的“开断表”分别开断系统的每个网络元件，一 般采用补偿法，少量修正因子表，通过前代回代即得开断后潮流，获得系统各节点、 支路及网络元件的运行状态，并计算给定的安全性指标，然后对所有开断按计算后 的安全性指标( 如有功功率行为指标和电压一无功功率行为指标) 的降序排队，越 在前面的开断对系统的危害越大。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 地区电网的静态安全分析的不同之处 地区电网运行的最重要原则是不失负荷。地区电网大多呈辐射状，任何一个支路 元件的开断都会造成网络解列或失负荷、失电源等情况，形成多个孤岛节点。而在 实际的地区电网中，为保证用户的供电可靠性，装备了大量的备用电源自动投入装 置( b a t s b u s b a ra u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 。当电网发生故障导致母线失电甩负荷 时，满足投入条件的b a t s 就会动作，对停电母线供电。这样，原有的网络结构发 生了极大的变化，系统过渡到一个新的接线方式及运行状态。并且如果元件开断引 起的网络结构变化太大，故障后的潮流有可能是多岛潮流计算。在这种情况下，如 果想套用e m s 中静态安全分析中的补偿法、因子表修正法来处理故障后的全网潮 流，就无法保证潮流计算的准确度 目前比较一致的意见是地区电网的静态安全分析中必须考虑各自投设备的动 作。来精确模拟故障后的电网接线。如果不考虑各自投设备的动作，安全分析的结 果往往是直接甩负荷，甚至是产生电气孤岛，这与实际结果不符，并不符合地区电 网运行的实际，分析结果是毫无意义的。 由于考虑开关的开合、备自投装置的动作，传统的n 1 安全分析就变为了 n 1 + m ，静态安全分析软件必须进行拓扑分析，这就需要一个快速有效的拓扑分析 方法。对故障后的电网做拓扑分析后，再调用潮流模块计算。其优点是准确，灵活， 可以处理任意故障设备和模拟故障后自动装置的动作，并且能够处理故障后多岛潮 流计算的情况。 3 2 3 正确识别动作备自投的方法 在各级地区电力部门中，做静态安全分析的实际处理方法往往是事先编制一份 各自投元件对应表，如表3 1 所示，其中b z t 装置i d 是为各自投装置定义的 一个唯一标识。一个各自投元件一般控制三个备自投开关，在表中表示为电源开关 1 ，2 和分段开关，一般情况下，为该变电站的两个进线开关和一个母联开关。 某变电站设备故障后，可能会引起其下一级变电站的母线失电，导致甩负荷。 调度员按照各自投元件表中的对应关系，找到由于该故障引起动作的备自投装置。 可对于电网的实际运行情况而言，如果仅动作这一个各自投设备，其它站的部分母 线依然处于失电状态，从而造成甩负荷，这与实际的情况并不相符。而电网的运行 方式是多种多样的，只能事先指定好该故障元件对应的本站各自投元件，对其它变 电站的备自投设备的动作方式是无法事先指定的。 所以，很有必要用一种方法来判断当该故障元件对应的各自投设备动作后，是 否依然有甩负荷的现象存在，如果有的话，还应动作哪些各自投设备来对停电母线 供电。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 本文将结合地区电网自身的结构特点，在地区电网静态安全分析已有的研究成 果的基础上，提出了基于双回拓扑方法精确识别正确动作备自投装置的地区电网静 态安全分析。 表3 - 1 各自投表 b z t 装置i d p a l l 0 2 0 1 电源设备11 1 1 2 通龚郑线 电源开关11 1 1 2 通龚郑线开关 电源设备21 1 1 6 通龚建线 电源开关21 1 1 6 通龚建线开关 分段开关1 1 0 0 开关 b z t 投入标志 1 厂站名兰通变 电压等级6 分闸时间2 合闸时间3 3 2 3 1 双回拓扑方法的必要性 电力网络拓扑分析的功能是根据电网的开关状态分析判断出电网的结构( 即拓 扑) ，根据开关状态把各种设备( 如发电机、负荷馈线、并联电抗器、变压器、输电线 等) 连接的电网表示成能用于电力系统分析计算的结点一一支路模型，并且识别相互 孤立的子系统。它是电力系统分析计算的基础。从本质上来说，拓扑分析是一个数 学问题。 图3 1 是兰州电网东部地区1 1 0 k v 网架图，这里以龚家湾为例。对于兰州电 网，每天的运行方式都在不断的变化，从而造成全网的潮流不断的变化，龚家湾是 2 2 0 k v 的变电站，并不代表龚家湾的潮流一定是从2 2 0 k v 流向1 1 0 k v ，也可能是从 1 1 0 k v 流向2 2 0 k v 。如果潮流是从1 1 0 k v 流向2 2 0 k v ，那么当龚家湾主变发生故障时， 并不造成与1 1 0 k v 母线相连的线路失电，从而并不造成其他厂站的母线失电即不会 出现甩负荷的现象：但是当潮流是从2 2 0 k v 流向1 1 0 k v 的时候，如果龚家湾主变发 生故障，那么就会造成与1 1 0 k v 母线相连的线路1 1 1 1 、1 1 1 6 、1 1 1 4 线路失电，进而 造成宣家沟、兰通、建西和华林的部分1 1 0 k v 母线失电，这时候如果不考虑各个变 电站相应的备自投动作，就会造成这些变电站甩负荷，从而进行的分析与实际情况 1 8 华北电力大学硕士学位论文 是不符的。 由上我们可以看出：由于系统的运行方式的不断变化，一个设备发生故障后， 可能会引起多个备自投动作，也可能不引起备自投动作，所以我们不可能作出一个 “单一故障引起的多个备自投动作表”。如果我们仅仅是切除掉故障元件进行单拓 扑安全分析，分析的结果必然与实际不符，对于运行人员并不能提供实际的参考意 义。 兰州东部地区l l o k v 网架图 图3 - l 兰州东部地区网架图 3 2 3 2 实现的流程 首先为每个设备都设置一个带电标志，该标志用来标示该设备是否带电。在一 个设备发生故障后，我们在考虑故障元件相应的各自投动作后，进行第一次拓扑分 析，判断在此故障元件切除后，会不会造成其他设备的由带电变成失电，从而造成 甩负荷；然后把失电设备总结出来，再从各自投表中找出这些设备在当前方式下失 电后造成的相应一系列各自投设备动作方式，最后根据所有应当动作的各自投动作 后方式进行第二次拓扑，从而进行安全分析。 在引进双拓扑的方法后，可以省去对系统的运行方式进行分析这一步工作，不 用再建立不同运行方式下一个设备发生故障后在相应的备自投动作表，建这种表是 一个复杂的工作，而且还要不断的维护和缺乏灵活性。双拓扑是一种十分灵活、方 1 9 华北电力大学硕士学位论文 便、有效的方法。所以静态安全分析引进双拓扑是十分必要的。 虽然该软件在设计和编码上有些复杂，但是备自投设备的动作方式符合故障发 生后的实际情况，并适应多种电网运行方式。缺点是比常规的地区电网静态安全分 析多做了一遍拓扑分析，计算量较大，但下文算例表明，用这种方法做静态安全分 析的时间是分钟级，还是可以接受的。 其流程如图3 2 所示： 3 2 4 算例 ；适奎三 l 合上该元件对应的备自投开关，恢复对其供电 i 第二次拓扑分析 i 调用潮流模块，计算开断潮流i 根据故障压电网潮流，计算安 全性指标判断故障严重程度 ，念 足 ! 一 竺塞 图3 - 2 双拓扑流程图 否 基于上述思想编制的基于双回拓扑的地区电网静态安全分析软件已经在兰州 市供电公司投入使用。兰州电网是一个大型的地区电网，有3 5 k v 及以上的厂站7 8 座，线路2 2 2 条，节点3 9 0 个，母线段3 4 0 个，各自投装置1 3 5 个。对比结果分两 种方式：方式1 ：采用单拓扑安全分析；方式2 ：采用双拓扑安全分析。在评 价开断对地区电网影响严重性程度上，根据兰州供电公司的要求，以失负荷指标和 2 0 薰一 华北电力大学硕士学位论文 失电压母线数指标来判断故障的严重性程度。失负荷指标即失去负荷的功率；失电 压母线数指标即失去电压的物理母线数。如表一所示，分别取一个变压器、线路和 母线做安全分析，其中所涉及到元件请查看图二的兰州电网东部地区1 1 0 k v 网架图。 从表3 2 的部分元件安全分析结果可以看到，地区电网的静态安全分析必须 考虑各自投设备的投切，以与实际的电网运行情况相符，避免甩负荷。 表3 - 2 电气设备的等值特性 故障严重程度停电母线数甩负荷功率m w动作的备自投设备数 故障设备名称 方式1方式2方式1方式2方式1方式2方式1方式2 和平2 # 变 甩负荷越限 808 8 3 6oo1 桃开线1 1 2 1甩负荷越限5 0 4 7 6oo3 龚家湾2 # 主变甩负荷越限 1 3o1 2 0 5 5oo6 3 3 安全评估 电力系统的静态安全分析是根据系统中可能发生的扰动来评定系统的安全状 况。预想事故通常包括支路开断与发电机开断。 3 3 1 支路开断模拟 所谓支路开断模拟就是对基本运行状态的电力系统，进行支路开断的计算分析 来校核其安全性。常用的计算方法有直流法、补偿法、灵敏度分析法等，这些方法 各具特色。 3 3 1 1 直流法 就是利用直流潮流来计算开断后的潮流，是最为简单、快速的方法，但结果最 不精确。直流法的基本模型为 p = 风口 当有支路开断后，玩和口发生变化：p 2 ( 岛+ a b x o + a o ) 其中的a b 可以由下 式定义： 衄= 0 0 o o o 占h 一夸h 0 0 一匆h 2 k 0 0 o 0 o 其中k m 是被开断的支路。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 因此，支路k m 开断后支路i j 的潮流为： 最= & ( 只( i ) 一巴( 1 ) ) = 岛( 只i o ) 一q ( o ) ) + 岛( 幺一谚) = 弓 o ) + 弓 当有多条支路连续开断时，仍可以利用上式计算，这是因为上式中的口只是 曲的线性函数。 3 3 1 2 补偿法 所谓补偿法，是指当网络中出现支路开断的情况下，可以认为该支路未被开断， 而是在其两端节点处引入了某一待求的电流增量或者称为补偿电流，以此来模拟支 路开断的影响。这样就可以不修改导纳矩阵。可以用原来的因子表来解算网路的状 态。 补偿法利用的后补偿公式( 如式3 2 所示，假设支路i j 开断) 进行修改状态 量，然后求出开断后的系统潮流。 u = d 删+ 1 7 1 1 ) = y l i 侧+ y - ll c l ) = y - l i 删+ y - lm f 日o ld = y 1 t o 一y l 搬日o c t 搬自平y t 蕾础 ：t e y lm f q c 删m 审、y liioj(3-2) 式子中- 【o 0 ，l ，_ 1 ，