（电力系统及其自动化专业论文）基于同步相量测量的电压稳定的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 j ilr l l ii l lll li ii iiii 17 9 6 310 基于相量测量单元( a l v r u - ) 的同步相量测量技术可以实现广域电网运行状态的在 线同步测量，为在线电压稳定估计提供了新的思路和方法。本文采用了y 型支路模 型基于支路潮流推导了一种基于同步相量测量可以应用于高压电网的支路在线电 压稳定预测指标，对该指标进行了解释即为虚拟有功裕度指标i v a m ( v i r t u a la c t i v e m a r g i n i n d e x ) 。通过理论分析及i e e e l 4 算例分析发现指标i v a m 在应用中存在的问题。 通过对问题的分析改进，提出了考虑某一断面i v a m 变化趋势的新的电压稳定预测指 标v s p i ( v o l t a g es t a b i l i t yp r e d i c t i o ni n d e x ) 。将提出的在线电压稳定预测指标v s p i 在 i e e e 3 9 标准算例中得到验证，并应用于某省实际电网进行仿真分析。该指标算快速 简单、准确度高，便于用计算机实现在线应用，也为制定防止电压崩溃的预案提供 了量化依据。 关键词：电压稳定，同步相量测量，支路潮流，在线电压稳定指标 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o n so fw i d e - a r e am e a s u r e m e n tp r o v i d eg r e a t p o t e n t i a lf o ro n l i n ea s s e s s m e n to fv o l t a g es t a b i l i t yi nl a r g e - s c a l ep o w e rs y s t e m s i nt h i sp a p e r , a no n - l i n ev o l t a g es t a b i l i t yi n d e xb a s e do nw i d ea r e am e a s u r e m e n ta n d t h e 石e q u i v a l e n tb r a n c hm o d e li se x p o u n d t h ep h y s i c a lm e a n i n go ft h ei n d e x ，n a m e l yt h e v i r t u a la c t i v em a r g i ni n d e x ( i v a u ) w a sp r o p o s e t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a n a l y s i so ft h ei e e e14s t a n d a r de x a m p l e , f o u n dt h ep r o b l e mo fi 删w ep r o p o s ean o v e l o n - l i n ev o l t a g ep r e d i c t i o ni n d e xc o n s i d e r i n gt h et r e n d si ni 、a mf o rr e a l t i m ev o l t a g es t a b i l i t y a n a l y s i s t h eo n - l i n ev o l t a g ep r e d i c t i o ni n d e xh a v eb e e nt e s t e do i li e e e 3 9s t a n d a r de x a m p l e ， t h e na p p l i c a t e di na c t u a lp o w e r 面d b e c a u s eo fi t sc o m p u t a t i o n a ls i m p l i c i t y , t h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi sv e r yf a s ta n dt h e r e f o r ea p p l i c a b l ei no n - l i n ep r o t e c t i o ns c h e m e s i ta l s op r o v i d ea q u a n t i t a t i v eb a s i sf o rf o r m u l a t ep l a nt op r e v e n tv o l t a g ec o l l a p s e c h e nx i a o y u n ( e l e c 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 z h a od o n g m e i k e yw o r d s ：v o l t a g es t a b i l i t y , s y n c h r o n i z e dp h a s o rm e a s u r e m e n t ，b r a n c hp o w e rf l o w , o n l i n ev o l t a g es t a b i l i t yi n d e x 一 i 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景和意义1 1 2 同步相量测量单元2 1 2 1 同步相量测量的重要性及实现2 1 2 2 同步相量测量技术的应用现状2 1 3 广域测量系统综述3 1 4 本文的主要工作5 第二章基于同步相量测量的电压稳定阐述7 2 1 电压稳定的综述7 2 1 1 电压稳定的定义7 2 1 2 电压稳定的研究方法8 2 2 电压失稳与电压崩溃的分析7 2 3 同步相量测量在电压稳定方面的应用9 2 4 基于同步相量测量的电压稳定指标1 0 2 5 本章小结1 2 第三章基于支路潮流的电压稳定指标及其改进1 4 3 1 引言1 4 3 2 问题建模1 4 3 3 基于支路潮流的在线电压稳定指标简述1 5 3 3 1 在线电压稳定指标的推导及意义1 5 3 3 2 在线电压稳定指标存在的问题1 6 3 4 在线电压稳定指标的改进1 8 3 5 本章小结2 l 第四章算例仿真分析：2 3 4 1 仿真算例2 3 4 2 算例分析2 3 4 2 1 仿真事件i 2 4 4 2 2 仿真事件2 5 华北电力大学硕士学位论文 4 2 3 仿真事件2 7 4 3 影响v s p i 指标的因素分析2 8 4 3 1 无功补偿对指标的影响2 8 4 2 3 发电机无功限制对指标的影响2 8 4 2 3 有载调压变压器l o t c 对指标的影响2 9 4 2 4 负荷特性对电压稳定性的影响2 9 4 4 本章小结2 9 第五章实际电网中的应用仿真3 1 5 1 实际电网概述3 1 5 1 1 电网结构及p m u w a m s 应用情况概述3 l 5 1 2 电网等值模型3 l 5 2 仿真全网负荷恒功率因数增长及结果分析3 2 5 3 区域负荷恒功率因数增长分析3 6 5 4 电压稳定措施探讨3 7 5 5 本章小结3 9 第六章结论与展望4 0 6 1 论文工作总结4 0 6 2 工作展望4 0 参考文献4 2 致谢4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章引言 近年来，同步相量测量单元和广域测量系统的研究开发工作在国内外方兴未 艾。随着国民经济的发展，电力事业迅速发展，电网的规模越来越庞大，结构越来 越复杂，电网规模的不断扩大将使其稳定方面的问题更加突出，其中电压稳定问题 得到了越来越多的关注，电压失稳问题显得越来越突出，电压不安全已经成为限制 电力传输的主要因素之一n 1 。为了防止电压失稳和电压崩溃事故，调度运行人员最 为关心的问题是：当前电力系统运行状态离崩溃点还有多远或稳定裕度有多大。因 此必须制定一个确定电压稳定程度的指标，以便调度运行人员做出正确的判断，采 取相应的对策砼1 。因此，有效预测系统何时发生电压崩溃对电力系统稳定运行具有 重要意义。 电压失稳可能发生在主网或地区网络中，而且有时发生得相当突然，这就要求 对电力系统运行状态进行连续的监视，同时要求快速的数据处理和准确的系统电压 稳定性判定。电压稳定离线分析不仅计算量大，而且难以适应实际系统运行方式的 改变。随着1 9 9 3 年g p s ( 全球定位系统) 全面民用化及计算机技术、网络技术和快 速通信技术的发展，p m u ( 相量测量单元) 在电力系统获得了广泛应用，它可以根据 g p s 提供的高精度时钟构造全网一致的同步参考相量，从而实现系统内任意节点之 间的相互相角测量。广城测量系统( w i d e a r e am e a s u r m e n ts y s t e m ，w a m s ) 能够实现 全网数据的同步采集、实时记录、远距离实时传翰和对数据的同步分析处理，为电 力系统提供了新的数据采集和测量手段。这就为实现全局型电监测以及稳定性评估 创造了条件。并且，为低频低压减载从目前的分散控制转变为集中控制提供了可能 性，这样就可以从系统层面进行最优减载决策，有利于与其他控制措施之间的协调 配合。 国内外学者对基于同步相量测量的电压稳定分析方法和电压稳定指标进行了 大量的研究，并取得了一定的成果。利用同步相量测量技术进行电力系统电压稳定 实时监控将成为发展的必然趋势。电压稳定指标分析就是其中的一种分析方法。物 理意义明确、计算速度快、精度高的电压稳定指标可以为运行人员提供系统电压稳 定裕量、明确系统电压稳定程度，为此，迫切需要建立物理意义明确、计算速度快 的电压稳定指标口1 ，并研究将指标实用化于电力系统分析的问题是一个很有实际意 义的研究方向，对整个电力事业的发展具有重要的现实意义。 1 2 同步相量测量单元 华北电力大学硕士学位论文 相角对于电力系统具有重要意义，但由于测量采用的同步时钟精度低和接收困难， 因此使相角测量和应用的研究停滞不前。 1 2 1 同步相量测量的重要性及实现 电力系统各母线电压是电力系统的状态相量，它是描述电力系统的最重要的基本 物理量；是检验运行方式计算结果的最直接数据；是评价电网静态运行水平的基本指 标；也是评价电网动态过程稳定性的最基本指标。它们的大小和相位能直接反映电力 系统的实际运行状态，特别是节点电压相位之间的关系对实时判断电力系统稳定性及 进行相应稳定控制有着十分重要的意义。 幅值测量十分简单，相位测量相对较难，传统的状态估计方法，虽能计算出各母 线电压的相位和各电压间相位关系，但需要较长时间( 数秒计算一次) ，达不到实时计 算的要求，且精度难以保证。要达到精确、实时的测量的目的，需要满足两个要求： 一要在统一的时间基准下进行同步测量；二要有足够的测量精度。对于5 0 h z 的工频 量而言，l m s 的非同步误差即可产生1 8 。的相位误差；如果要求保证相位误差不超过 0 1 。，其同步精度应不大于约5 5 a s 4 1 。 随着g p s 进入民用领域，时间至少可达l a s 。相位测量单元正是利用g p s 系统的 高精度授时信号( 以l 脚计算，在5 0 h z 工频下，理论角度误差在0 0 1 8 9 之内) ，实现对 电力系统的各个节点数据的同步采集。采用p m u 进行测量既能保证同步又能满足精 度的要求。 基于g p s 的p m u 提供的高精度时钟能够实现对电网运行数据的实时同步采集， 其核心思想是通过微秒级同步采集广域电网的实时运行参数一相量，借助高速通信网 络将分散的相量数据集中起来，以得到时空坐标下的电网全局动态信息。 1 2 2 同步相量测量技术的应用现状 p m u 被开发出来之后，专家和学者对p m u 在电力系统中应用产生了极大兴趣。 p h d a k e 博士所处的弗吉尼亚工学院( v r i g i n i at e c h ) 和康奈尔大学( c o m e l lu n i v e r s i t y ) ，首 先将p m u 用于改善状态估计的精度，并在推动p m u 在电力系统的应用方面走在了前 面。同步相量测量技术最早在美国和欧洲的电力系统中得以应用【5 8 j ，主要是利用它的 测量数据来提高系统状态估计的精度以及进行相关的保护、相角监测和扰动录波【9 1 0 】。 除以上方面应用以外，p m u 已经应用于自适应保护、系统失稳预测、改善电力系统控 制、抑制低频振荡、输电发电模型的校正、高压输电线路故障测距等诸多方面【1 1 , 1 2 】。 台湾在9 0 年代中后期也开展了p m u 的研制工作，目前已经商业应用。在我国大陆 地区，有关同步相量测量技术起步于1 9 9 5 1 3 , 1 5 ，目前有中国电力科学研究院、清华大学、 华北电力大学、华中科技大学、山东工业大学、西安交通大学、海河大学等单位从事研 究开发工作 4 1 。设备生产厂商有北京四方继保自动化股份有限公司、上海南瑞实业有限 2 华北电力大学硕士学位论文 公司、中国电力科学研究院等。1 9 9 6 年中国第一次大范围的将g p s 用于电力系统，用 于监视黑龙江东部区域电网提高其稳定性【1 4 1 。我国电网中安装情况大体如下：国家电网 调度中心在阳城、全国联网工程、三峡工程中部分安装了p m u ，拟进一步全面安装构 成系统；省级电网调度中心安装p m u 的有河南、广东、黑龙江、辽宁、河北、江苏、 福建、四川等。 总之，目前基于g p s 的p m u 的研制和应用不少，但欧美国家的大多数装置只测量 电气量的相角。我国研制的一些装置能够直接测量发电机功角，但仍然存在一定不足， 比如有的只能应用于汽轮机，有的暂态精度不够，有的需要停机安装。 1 3 广域测量系统综述 1 3 1 广域测量系统的原理与结构 广域测量技术是同步相量测量、传输、分析和应用技术的综合。其核心是数据处理 中心站及基于其上的分析与应用。w a m s 源于电力系统时间上同步和空间上广域的要 求，利用g p s 提供的同步时钟，进行广域电力系统的状态测量。主要由位于厂站端的 p m u 、通信系统和位于调度中心的控制系统构成。广域测量系统将各个安装p m u 子 站的带有同步时标的相量数据打包并通过高速通信网络将这些数据传统到控制中心， 控制中心可以对这些相量数据进行实时评估并动态监视和分析电网的安全稳定性【1 7 】。 同步相量测量系统结构图如图1 1 所示。 图1 - 1 广域测量系统结构图 3 华北电力大学硕士学位论文 广域测量系统结构上包括相量测量单元、系统主站、以及通信网。广域测量系统 能够实现电网实时监控与管理，其核心是利用g p s 系统提供的精确的全网同步时钟， 直接测量各地厂站的运行参数，如相角、电压、电流、有功以及无功等。以实时的测量 数据为基础，一方面可以就地监视当地厂站的运行状态，记录运行参数，对相关设备进 行在线的故障诊断与保护，为故障后的事故分析提供翔实的技术数据；另一方面，通过 高效的通信网络，将各地的测量数据实时传输到控制中心( 如省调中心) ，使得电力管理 部门在统一的时间坐标上对各地的在线测量结果进行分析，监视全网的运行状态，计算 稳定裕度，生成控制策略表，并对系统的未来稳定性进行预测，在正常状态下根据实际 的供用电需求进行市场化的合理调度，在扰动出现时能从全网角度出发对系统进行控 制。或进行离线分析为系统的优化运行提供依据，迸一步与控制结合起来，提高电网的 安全稳定水平和传输能力。 基于广域测量技术的电网实时动态监控系统式一个以g p s 同步相量测量技术和电 网分析及控制技术为基础的电力系统安全防御系统。实时动态监控系统由装在电力系统 各厂站的p m u 以及设在国调或各网省调的主站系统组成。目前，在华东、东北、西北、 华北等区域电网和四川、山东、江苏、陕西等省级电网以及三峡电网构筑了实时动监控 系统【l 引。 1 3 2 广域测量系统和传统测量系统的对比 目前大量应用的电力系统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障 录波仪和侧重于系统稳态运行情况的s c a d a 系统。这些传统的电力监测方法主要为： ( 1 ) 基于远方终端r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 的数据采集与监控系统s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，r t u 主要是在线提供大量的静态信息，所 以目前的s c a d a 系统没有实际反映电网动态行为的信息源，其信道和数据库也不支 持电网动态信息的实时传输和存储。基于r t u 的s c a d a 系统存在以下不足：s c a d a 主站刷新数据时间比较长，通常为3 5 秒刷新一次，并且测量量没有统一的时标， 得到的数据是历史的、不一致的；s c a d a 测量主要为线路的有功和无功潮流、节点 的有功和无功功率注入、线路电流和节点电压幅值的有效值等，但是不能反映于电力 系统机电动态行为密切相关的相对相角量以及其派生量：只能监测电网稳态和准稳态 运行情况；不能从时、空、幅值的三维坐标下同时并实时观测电网全局的动态全貌。 所以目前的e m s 仅仅只涉及静态分析，无法对发生的动态进行分析，也不能对潜在 的动态行为进行预测【i 明。 ( 2 ) 故障录波仪，故障录波和各种保护装置可以在故障发生后提供大量的暂态信 息，而故障录波及故障信息管理系统在正常状态下并不记录数据【2 1 1 ，并且上传的滞后 时间比较长，所以基于故障录波的数据也存在以下不足：测量为瞬时值，对系统动态 4 华北电力大学硕士学位论文 过程信息不全；数据大量冗余，但是无法记录较长时间的动态过程：侧重于故障后电 磁暂态过程的记录和分析，缺乏关键状态量，难以用于机电动态行为的记录和分析。 目前大部分故障录波装置都安装了g p s ，可以对不同地点记录的数据统一对时，但是 目前也只用于故障和保护的分析。 不同于s c a d a e m s 系统，同步相量测量技术使实时监视系统动态过程成为可 能，在扰动后的一个观察窗内实时监视和记录暂态数据，利用这些数据可以预测系统 的稳定性，并产生相应的控制决策。p m u w a m s 提供的广域数据的特点为【2 0 】：带有 统一时标的高速采样；高速的数据传输：可提供瞬时值及相位值；可提供暂态或动态 响应。 w a m s 将各广域量的时间断面对齐，得到完整的系统动态曲线，既可用以校核模 型和参数，可从中提取关于电能动态质量和系统动态安全的各种信息。p m u w a m s 的快速采样、通信能力也克服了继电保护管理系统和故障录波器的采集点有限及事后 分析的局限。 根据数据特性，测量数据可分为静态数据、动态数据和暂态数据。s c a d a r t u 数据和安控数据属于静态数据，过w a m s p m u 可以获取动态数据和暂态数据。对量 测数据的要求与应用功能密切相关。有文献认为，w a m s 不仅可以取代传统的s c a d a 系统完成系统的稳态监测任务，而且可以应用于系统的动态行为监测、控制和故障分 析等领域。 1 4 本文的主要工作 一 利用广域测量( w a m s ) 的信息来进行电力系统电压稳定性分析成为研究的热门 课题。作者在查阅的大量资料的基础上，进行了基于同步相量测量的电压稳定的应 用研究工作。 主要工作包括： ( 1 ) 研究有关p m u w a m s 和有关电压稳定的资料，了解p m u 和w a m s 的概 况，重点对基于广域测量的电压稳定的应用研究进行了分析和综述。 ( 2 ) 对基于同步相量测量电压稳定分析指标进行了归类和优缺点分析研究。确 定利用同步相量测量信息基于支路潮流理论构建虚拟有功裕度指标i v a m 指标进行电 压稳定应用研究的思路。通过研究发现其存在的不足，并应用电力系统仿真软件对 i e e e l 4 算例进行仿真i v a m 指标的验证分析。 ( 3 ) 通过对指标的分析验证，对基于支路潮流的电压稳定指标在实际应用中遇 到的问题进行分析，提出对指标的改进措施。用当前断面的虚拟有功裕度指标和敏 感度系数来构造电压稳定预测指标v s p i 。建立了物理意义明确、计算速度快、能较 好的反映电压稳定性的实际变化情况的电压稳定指标，并在算例中验证指标的可行 5 华北电力大学硕士学位论文 性与效果。 ( 4 ) 将本文指标应用于实际电力系统进行应用分析。基于某地区电网数据，运 用电力系统仿真软件进行分析，分析不同负荷增长方式下改进的电压稳定预测指标 的变化情况，分析出网架的薄弱支路与节点。分析结果表明本文该进的基于同步相 量测量的电压稳定预测指标v s p i 适合应用于实际系统的在线电压稳定分析。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于同步相量测量的电压稳定阐述 2 1 电压稳定的综述 2 1 1 电压稳定的定义 在现代大电网系统中，随着电力系统联网容量的增大和输电电压的普遍提高， 输电功率变化和高压线路投切都将引起很大的无功功率变化，系统对无功功率和电 网电压的调节、控制能力要求越来越高。在某些紧急情况下，当电力系统无功储备 不足时，会发生电压崩溃而使电力系统瓦解。近年来，电压崩溃事故在大电网中时 有发生，因此电压稳定问题越来越引起人们的广泛关注。 电压稳定稳定问题是多年来研究的热点问题。国际电工与电子工程师协会( i e e e ) 最早给出了电压稳定性、电压崩溃、电压安全性的定义。i e e e 电压稳定工作小组在 1 9 9 0 年的报告中提出，如果系统能维持电压以确保负荷导纳增加时，负荷消耗的功 率也增加，并且功率和电压都是可控的，就称电压稳定，反之就称电压不稳定。本 文采用定义，认为所谓电压稳定，是指系统在某一给定的稳态运行下经受一定的扰 动后各负荷节点维持原有电压水平的能力，当负荷导纳增大时，负荷功率亦随之增 大，并且功率和电压都是能控的。当出现扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下 降或向下漂移，并且运行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落时，系统 就会进入电压不稳定的状态。这种电压衰落可能只需几秒钟，也可能长达几十分钟， 甚至更长。如果电压不停的衰落下去，电压崩溃就会发生。导致电压失稳和崩溃的 主要因素有：传输线重载负荷运行；长距离输电；有载调压变压器在低压条件下的 动作；不良的负荷特性；各种控制和保护的不协调动作等。 2 1 2 电压失稳与电压崩溃的分析 关于电压失稳的原因，不同的研究人员提出了不同的解释，在大多数的论证或 工业实践中常用p - v 曲线解释系统电压失稳原因。电压不稳定是由于系统试图运行 到超过其传输的最大功率造成的。这可能是由于剧烈的负荷增加，更实际的是由于 大干扰的发生使得线路的阻抗增加( 例如，双回输电线路跳开一回) ，并且或者由 于电源电源降低到一定程度使得干扰前的负荷需求无法满足。如果负荷( 主要是感 应电动机和h v d c ) 试图在暂态时间恢复功率，则系统可能失去暂态电压稳定性。 i e e e c i g r e 关于电压稳定术语和定义联合工作组认为电压崩溃是由电压不稳定( 也 可能是角度不稳定) 导致系统的相当大一部分负荷节点电压异常低或者停电的系统 失稳过程，电压崩溃可能是局部的，也可能是全局性的现象。 7 华北电力大学硕士学位论文 电压崩溃是电压失稳最明显的特征，它会导致系统瓦解。电压崩溃是指系统在 大扰动( 如故障、失去较大电源、全网负荷的过快大量增长等) 或小扰动( 如受端母 线的电压波动、负荷的缓慢增长等) 的作用下，系统内功率平衡遭到破坏，且依靠 元件自身的调节作用及正常的调节手段无法使其恢复，致使系统中局部或全局性的 电压急剧持续而不可逆转下降的物理过程。在前一种全局性扰动下常常伴随有功角 稳定问题，而且往往是电压尚未崩溃，系统功角已先期失去稳定；在后一种局部扰 动的情况下，受端电压可能在系统功角基本没有变化的情况下急剧下降，导致局部 网络的电压崩溃。 关于电压失稳和电压崩溃的关系，首先电压失稳和电压崩溃是两不同的概念： ( 1 ) 物理表现不同。电压失稳是与电压稳定相对应的概念，是对系统的运行状 态平衡点的一种物理属性的衡量。即某一运行状态下系统是否具有抑制扰动而维持 系统电压的能力。如果系统在某一个状态下具有这种能力则系统在该运行状态下是 电压稳定的，反之该状态就是不稳定状态或失稳状态。而电压崩溃指的是一个物理 过程，即系统中部分地区或全系统母线电压出现持续急剧的不可控制或不可逆转的 下降，最终导致系统瓦解和大面积停电。 ( 2 ) 数学解析性质不同。无论系统的某一运行状态稳定或不稳定，其前提均是 系统存在平衡点，而且可以采用有关判据来判别该平衡点的稳定性。电压崩溃则是 系统根本丧失平衡点，其数学表现形式是不存在潮流解。 其次电压失稳和电压崩溃又是紧密联系的，电压崩溃是电压失稳的一种可能结 果。以上分析可以得出结论：电压失稳不等于电压崩溃；处于不稳定或失稳状态运 行的系统很容易发生电压崩溃。正因为如此我们通常把系统的静态电压稳定极限或 电压稳定临界点称为电压崩溃点。有学者认为电压失稳后是否发生电压崩溃，关键 取决于负荷的电压特性。 由前文电压稳定性及电压崩溃机理的本质解释及关系的阐述，我们认为维持电 力系统电压稳定性的首要和基本前提是系统网络必须能够提供负荷足够的功率以 满足其负荷的功率需求。电压稳定问题的本质是负荷为满足其能量转换的需要而要 求从电网吸收的功率与电网实际所能供给的功率的平衡问题，即系统传输网络与系 统负荷之间功率的供需平衡问题。有功功率如此无功功率也如此。 当系统网络与负荷之间能够达成此种平衡，且平衡点具有抑制扰动而维持负荷 母线电压的能力，电力系统即是电压稳定的。反之，倘若系统无法维持这种平衡就 会引起系统电压的不断下降并最终导致电压崩溃。这就是对电力系统电压稳定性和 电压崩溃机理之本质的和最基本的解释。 2 1 3 电压稳定的研究方法 根据研究的扰动大小及时域范围电压稳定性又可分为小干扰电压稳定性，暂态 矗 华北电力大学硕士学位论文 电压稳定性和长期电压稳定性。根据所考虑的模型、系统所受的扰动以及时间框架 的不同，电压稳定问题的研究大致有静态电压稳定分析、小干扰电压稳定分析和大 扰动电压稳定分析方法。 迄今为止，不同的研究人员从不同的角度提出了多种电压稳定指标，总体上分 成两类：裕度指标和状态指标。裕度指标线性好，物理意义明确，可方便计及过渡 过程中各种因素。但是裕度指标涉及到临界点的求取，计算量较大。裕度指标计算 方法有直接法和延拓潮流法等，为减少直接法的计算量，可采用局部裕度分析系统 的稳定性。 总体来说，这些方法都需要不同程度的复杂计算，计算速度缓慢和线性度不好 影响了其在实际中的应用，将其在线应用依然存在计算速度和效率上的不理想。不 能很好地描述系统接近电压崩溃点的程度，应用于电压稳定在线监控存在一定的困 难。 2 2 同步相量测量在电压稳定方面的应用 由于电力系统覆盖地域广阔规模庞大，如果测量系统可提供实时运行状态，那么 运行人员不仅能够了解系统的当前运行状态，对电力系统运行状态进行全面准确的实 时监测是了解电力系统运行情况和安全裕度的重要手段，还可以在系统发生扰动与故 障时及时采取适当控制措施，保证整个电力系统的正常运行。 自从2 0 世纪9 0 年代以来，人们就一直致力于将电压稳定研究成果应用于电压稳定 实时监控领域。传统对电力系统电压预测与分析的结果，依赖于系统模型和参数的准确 性。同步相量测量技术广域测量系统的出现可以在线、实时、确地测定系统参数，系统 的任何动态变化均可以反映在被测的同步相量中，这就为电力系统实时分析与控制提供 了一种新的思路和方法。将广域测量系统用于电压不稳定( 电压崩溃) 的监视与控制是目 前国内外研究的热点和重点。 基于广域测量的电压稳定的应用主要在于： ( 1 ) 利用p m u 测量数据的电压稳定分析方法和电压稳定指标研究，可以实时在线 预测系统的运行状态，找出系统的薄弱支路、节点或区域，为防止发生电压不稳定或者 电压崩溃提供一种判别方法。另外，有学者提出基于人工智能的方法，结合广域信息进 行电压稳定的研究。用于评价系统的电压稳定性的人工智能方法，主要有基于决策树和 人工神经网络或两者结合的方法。 文献【2 l 】给出一种基于同步相量测量并利用模糊神经元网络进行电压安全在线监视 的方法。c h i h - w e nl i u 等人【冽使用模糊神经网络研究电压安全稳定，首先离线构造一个 复合模糊神经网并用随机产生的3 0 0 0 组数据训练网络，然后在线应用。 s t e v e nr o v n y a k 等人【2 3 】利用离线构造的决策树和实测的电压相量，在线实时预测系 9 华北电力大学硕士学位论文 统暂态稳定性，并对负荷变化和测量精度对算法鲁棒性的影响进行了分析。 r e y n a l d o e n u q u i 等人【2 4 】利用分类决策树模型预测电压安全状态，并结合相量测量快速 评估电压稳定状况。以w a m s 提供的节点电压相角差( a o - t r e e ) 和发电机无功出力 ( q - t r e e ) 为输入变量，应用决策树来评价系统的电压安全水平。 利用人工智能的方法评价电力系统的电压稳定性的方法都存在需要大量训练样本 的问题，其精度受样本数的影响。 ( 2 ) 实时电网运行动态监视以及电压动态安全评估。 对母线电压实测轨迹的监测：根据w a m s 汇集的母线电压实测轨迹，以电压跌落 的允许幅值和持续时间为准则，并且按照安全裕度的大小对考察母线进行排序，对电压 的动态安全性进行定量评估，达到实时监视电压动态安全性的目的。根据w a m s 采集 的电压相量信息，实时 g i n 系统电压的分布，当出现异常状态( 稳态越限、暂态越限) 时，进 行报警、启动录波等功能。 对全网的动态无功储备的监测：无功缺乏而导致的电压问题一般表现为局部问题扩 大到系统崩溃；w a m s 能对全网的动态无功备用实现监测；了解系统电压整体状况中的 薄弱环节；从而从全局角度出发，综合考虑其它无功调节手段找到最佳的减载点和减载 量。 文献【2 4 】提出了一种基于广域测量的长期监测系统动态行为的方法，提出动态电压稳 定的预测算法，应用实时相量信息来辨识出一个用于电压稳定分析的系统动态模型，在 该模型的基础上进行系统的电压稳定性分析，可以较精确地发现不稳定问题。 利用w a m s 提供的实时信息进行电压稳定性监视和预测已有不少研究，但如何利 用w a m s 进行电压稳定控制方面的研究还较少。c h r i s t i n ar e h t n a z 等人【2 5 】提出一种基于 p m u 的广域保护系统，用于提高系统的电压稳定极限，使系统在不增加设备投资的情 况下，接近稳定极限运行，提高系统的输电能力。广域稳定和电压控制系统【” ( w i d e a r e a s t a b i l i t ya n dv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m ，w a c s ) 。w a c s 系统是由美国b p a 、c i b e r h i c 以及华 盛顿州立大学共同研制开发的，目前己经进入了离线运行阶段。 电压稳定控制系统从广域测量系统取得若干节点的稳定指标后，进行全局的比较， 若发现有某些节点的指标进入电压稳定的边缘，立即执行协调控制措施；同时，广域测 量反馈电压稳定控制的效果，控制系统根据反馈效果，进行进一步的调整，从而形成 电压稳定的闭环控制系统。实际上，这也是广域范围的电压协调控制。 2 3 基于同步相量测量的电压稳定指标 研究有效的预测系统可能发生电压崩溃的方法对电力系统的稳定运行控制具有重 要意义。基于g p s 技术的广域测量系统t w a m s ) 能实时测量广域分布的电力系统状态和 参数，为基于局部信息的电力系统稳定控制向全网协调稳定控制方向发展奠定了坚实的 1 0 华北电力大学硕士学位论文 基础。对静态电压稳定的监视来说，相量测量可望成为一个重要的数据来源。p m u 测 得的相量值通过通信线路，实时送到调度中心并显示给调度员，调度员很容易知道电网 的电压水平。基于广域测量技术的电压稳定性分析，避免了一般潮流计算或状态估计的 迭代过程，具有较高的准确性。 电压稳定指标分析就是其中的一种方法，国内外学者对基于同步相量测量的电压稳 定分析方法和电压稳定指标进行了大量的研究，并取得了一定的成果。主要可以归为两 类：基于电力系统等值为简单网络和推导等值网络的电压稳定指标的思想；直接利用广 域测量就地信息推导的电压稳定指标。 ( 1 ) 基于广域测量信息的系统等值及电压稳定指标分析。 根据广域测量信息将所研究节点以外的系统进行戴维南等值，等值为一个等价的两 节点系统，由两节点系统的性质得出评价电压稳定的指标，再对该等值两节点系统进行 电压稳定评估。 文献 2 8 禾1 j 用被检测负荷节点的同步电压相量及由与其连接的同步电压相量得到等 价电压相量，建立一个等价的两节点系统，证明了在最大功率的情况下，等值阻抗上的 电压降落等于负荷节点的电压。文献 2 9 ，3 1 1 结合同步测量利用各个负荷支路的同步测量y 量直接辨识等值的局部负荷支路模型，从而得到相应的电压稳定性指标为所研究负荷节 点电压与等值阻抗上的电压降的比值。文献【3 3 】用当地节点电压与外部等值电压的关系 定义了就地电压稳定指标来反映电压稳定程度。文献 3 2 】在等值两节点系统的基础上， 以负荷阻抗模与系统等值阻抗模的差值和负荷阻抗模相比，作为判断电压稳定与否的指 标，并且推导了在负荷模型为阻抗模型和功率模型时，该指标的正确性。该文献等值为一 采用了考虑支路对地电容的 型支路模型并采用了z i p 负荷模型来分析电压稳定，等值 模型的准确度增大，更加接近于实际电网。 但是以上文献存在两方面缺陷。首先，该等值方法采用戴维南等值存在数据漂移的 问题。其次，负荷模型很大程度上影响着电压稳定的分析结果。 基于广域测量信息的系统等值及电压稳定指标分析是建立在简单模型的基础上的， 所以如何将复杂系统等值成简单系统，是电压稳定分析应用过程的一个重要课题。不少 学者在基于同步相量测量的电力系统等值方法上做了探讨，文献 3 4 】利用局部同步相量 测量信息就地进行实时在线参数辫识，采用递推最小二乘法。研究了电压稳定中的参数 估计问题，提出了平方根滤波器的参数估计算法。文献【3 5 】利用同步相量测量，即被监测 负荷节点同步电压相量和电流相量，采用遗忘随机梯度参数估计的方法将螺统等值成两 节点系统。 ( 2 ) 5 f 1 j 用广域测量信息推导电压稳定指标进行系统的电压稳定分析 广域测量的信息可以同时得到电力系统中各节点的电压相量和电流相量，基于局部 指标的电压稳定研究。 文献【3 5 】据线路中的无功功率与节点电压的关系，利用电压的二次方程有解的判别 l l 华北电力大学硕士学位论文 式提出了一种电压稳定指标l m r t , 可以用于在线分析和监测；文献【3 6 】利用两节点模型考 虑到相角差很小，对文献 3 5 】提出的指标l m n 做了简化，推导出一种电压稳定指标f v s i ； 文献 3 5 3 6 】由于忽略了线路上流动的有功功率对于两端电压的影响，使该指标在某些运 行方式下( 线路重载是由于输送大量有功引起) 不能起到应有的作用。文献 3 7 】利用电压 的二次方程有解的判别式提出了一种在线电压稳定指标l v s i ，是利用支路有功功率和 电压的关系推出。以上文献均是以阻抗联系两节点的简单支路模型推导的稳定指标，忽 略了线路的对地电纳，高压线路的充电电容，直接应用与高压系统并不 准确。文献【3 9 】将在线分析应用到高压系统中，以支路为研究对象，采用了万型支路模 型，利用支路有功潮流的极限推导出在线电压稳定指标。借助广域测量系统获得系统实 时数据，从而推导出同一时间断面下各支路和系统的电压稳定相对裕度。但存在以下问 题：当线路电阻很小或r = o ( 这种情况对变压器支路更为普遍) 时，指标失效【3 7 3 9 】； 当线路上输送无功功率( 相对于所输送的有功功率来讲) 很大时，不稳定问题可能主要由 无功引起。 文献【4 9 】通过分别列写线路有功功率、无功功率与其两端电压之间的关系方程式， 建立支路潮流方程平衡点的可行域，并分析其边界条件，给出评估网络内各支路及整个 系统的在线电压稳定性指标。 文献【4 2 】提出电压崩溃保护的新概念。从广域测量信息的相邻时刻视在功率之差为 零为出发点，利用视在功率的变化量设计了一种电压不稳定在线保护算法，从系统临界 电压崩溃点的功率损耗特征推导出了s d c 指标，其理论基础是静态灵敏度理论。文献【4 3 1 基于s d c 指标，推导了一种明确区分两种引起电压不稳定的因素：有功功率负荷过重 与无功功率缺乏的电压稳定指标。文献 4 2 ，4 3 提出的指标要用到两个采样时刻的值，该 指标受采样频率的影响，实际系统中，两次采样时刻的差值可能会有波动。 基于同步相量测量的电压稳定指标是局部指标。电压稳定局部指标法目前主要有基 于戴维南定理的阻抗模比值法、线路指标法以及基于元件失稳的指标法。它们一般都是 基于单电源功率传输系统建立局部指标，然后通过在多机系统中构造单电源功率传输等 值系统，将它们拓展到实际多机电力系统中。目前已经发表的文献中，利用p m u a v a m s 信息构建的电压稳定指标本质上也都基本属于静态电压稳定指标，因为这些指标大都是 以功率传送极限作为电压稳定的临界点，围绕p v 曲线及潮流解在i 临界点附近的性质来 提出的。 2 4 本章小结 同步相量测量技术的发展能够为电力系统电压稳定分析提供更加有效和精确的分 析方法。本章对电压稳定的定义与电压崩溃的关系以及电压稳定研究方法进行了简单阐 述，重点对基于广域测量的电压稳定的应用研究进行了分析和综述。分析指出了现 1 2 华北电力大学硕士学位论文 有的基于同步相量测量的电压稳定指标及其应用和存在的问题。目前同步相量测量的局 部量分析方法大致有两种：1 ) 基于广域测量信息的系统等值及电压稳定指标分析。基 于比较节点内外阻抗的方法瞄- 3 3 4 绷】，由于内外阻抗法假设系统戴维南等值电压源在两 个或多个( 最小二乘法) 系统状态间保持不变，故其在系统状态有较大变化时存在较大的 模型误差；而当系统状态变化很小时，又存在较大的计算误差。2 ) 利用广域测量信息 推导电压稳定指标进行系统的电压稳定分析，如基于线路受端电压有解【，”8 】的方法( 线 路传输功率方程的雅可比矩阵奇异) ，该方法的主要缺点是未考虑系统对线路的影响。 r i j 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章基于支路潮流的电压稳定指标及其改进 基于相量测量单元( p m u ) 的同步相量测量技术可以实现广域电网运行状态的在 线同步测量，同步测量技术的迅速发展和广泛应用为大电网电压稳定的在线检测奠 定了基础。为了提高电力系统在线运行的安全性、可靠性和灵活性，在电力系统丧 失稳定运行之前，若能由当前时刻的电压状态预测出下一时刻的状态，并判定其电 压稳定性，则可以及早采取合理控制措施，避免电压稳定破坏甚至电压崩溃事故的 发生。研究电压稳定性分析、评估和控制方法，对电力系统安全稳定运行有重要的 理论和实际意义。 由于电压稳定的区域特性，即系统中任意线路或节点发生电压崩溃则整个系统 就将发生电压崩溃，因此可采用基于局部量的分析方法来研究静态电压稳定性。局 部指标主要针对单个母线或线路，目前主要基于被监测母线的本地信息和直接相邻 母线信息进行电压稳定评估及电压稳定薄弱节点辨识，在理论上有利于实时在线应 用且可用于分散控制，国内外已有一些初步的理论研究但受参数在线精确辨识等 技术难点限制，在实际系统中还少有工程应用。随着广域测量等现代技术手段的发 展，融入由相邻区域内的电网结构参数等拓扑信息。可能为参数在线精确辨识提供 新的方法。 基于广域监控系统的在线分析控制方法，不但可以降低系统的不确定性，减少 分析计算量，而且为实现电力系统的在线协调控制提供了可能。 3 2 问题建模 电压稳