（电力系统及其自动化专业论文）基于安全域的电压稳定在线监视系统.pdf

a b s t r a c t i nt h ep a s td e c a d e s ，s e v e r a ld i s a s t r o u sb l a c k o u t sc a u s e db yv o l t a g ei n s t a b i l i t y h a v eo c c u r r e da r o u n dt h ew o r l d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i do np o w e r s y s t e mv o l t a g es t a b i l i t ys t u d y t h et r a d i t i o n a la p p r o a c h e sf o rv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i s a r e p o i n t - w i s e t y p e t h e yp e r f o r mp o w e rs y s t e mv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i sb yc a s e b yc a s es i m u l a t i o nb a s e do nap r e - d e f i n e ds y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o na n dap r e g i v e n c o n t i n g e n c yl i s t t h es i m u l a t i o np r o c e s si st i m e - c o n s u m i n gs ot h a t p o i n t - w i s e m e t h o d sa r ed i f f i c u l tt ob ea p p l i e di nt h eo n l i n ea s s e s s m e n t f u r t h e r , f e wi n f o r m a t i o n o ns y s t e ms e c u r i t yc a nb ep r o v i d e db ys u c hm e t h o d s ，w h i c hi se s s e n t i a lf o rt h e o p e r a t o r st of i n da p p r o p r i a t ep r e v e n t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e s r e c e n f l y ，as o c a l l e d r e g i o n - w i s e m e t h o dh a sd r a w nm o r ec o n c e r n s i tc a np r o v i d es y s t e m a t i ca n dg l o b a l s e c u r i t yi n f o r m a t i o nf o rt h eo p e r a t o r s a f t e rp a r a m e t e r sf l u c t u a t i n g ，i td o e sn o tn e e dt o b ec a l c u l a t e da g a i ns ot h a ti ti sv e r ys u i t a b l ef o ro n l i n es t a b i l i t ya s s e s s m e n t i nt h i s t h e s i s ，a l lo n - l i n ev o l t a g es t a b i l i t ym o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r yo fv o l t a g es t a b i l i t yr e g i o no nt h ei n t e r f a c ep o w e rf l o w s p a c e ( a b b r c v s p 、，c u t - s e tv o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ) t h es y s t e mn o w i sa p p l y i n gi n t h ep o w e rg r i do fl i a o n i n gp r o v i n c ei nc h i n a m a i nw o r k si nt h i st h e s i sa r ca s f o l l o w i n g ： 1 t h em a i n f r a m eo ft h e0 1 1 - l i n ev o l t a g es t a b i l i t ym o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n t s y s t e mi sd e s i g n e d i tc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n d t h e t w op a r t sa r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l ya n di n t e g r a t e dt o g e t h e rb yr a wd a t af i l e s t h i s s c h e m en o to n l yc a ng u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e mb u t a l s oc a nm a k ei tp o s s i b l et om a i n t a i no ru p g r a d eo n ec o m p o n e n ti n d e p e n d e n t l y 2 t h eb a c k g r o u n ds u b s y s t e mi sd e v e l o p e d i ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gc a l c u l a t i o n c o m p o n e n t s ：d a t ac o n v e 璐i o n ，c v s rc a l c u l a t i o n ，i n t e r f a c et h e r m a ll i m i ta n a l y s i s ， s y s t e mv o l t a g em a r g i na s s e s s m e n t a n di ta l s os t o r e sa n dm a i n t a i n sa l lt h es y s t e m d a t a a l lc o m p o n e n t si nt h eb a c k g r o u n da r ed e s i g n e di n t oi n d i v i d u a lp r o g r a m sa n d c o d e db ya n s ic c + + t h ea i mi st og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n dt r a n s p l a n t a b i l i t yo ft h eb a c k g r o u n ds u b s y s t e m 3 t h ef o r e g r o u n ds u b s y s t e mi sd e v e l o p e d i tc o v e r st h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ： g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ( g u n ，r e s u l tp u b l i s h i n g ，s y s t e ms e t t i n ga n dv i s u a l i z a t i o n 。q t t e c h n i q u ei sa p p l i e dt od e v e l o pa no si n d e p e n d e n tg u i 。a l lw i d g e t sa r ed e s i g n e di n t o i n d i v i d u a lc o m p o n e n t sa n dp r o v i d e db yd y n a m i cl i n kl i b r a r i e s ( d l l s ) t om a k e g r a p h i cs y s t e mm o r es t a b l ea n de x p a n s i b l e s o m e3 d 2 dv i s u a l i z a t i o n sb a s e do n q t o p e n g la r ed e v e l o p e dt os h o wt h ev o l t a g es t a b i l i t yi n f o r m a t i o nm o r ev i v i d l y 4 t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n ts y s t e mi sa p p l i e dt ot h el i a o n i n g p r o v i n c ep o w e rg r i di nn o r t h e a s tc h i n a k e yw o r d s ：v o l t a g es t a b i l i t y , c u t s e t v o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ，o n l i n e m o n i t o r i n g ，v i s u a l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨鲞基鲎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。 学位敝储躲j 嗽签字嗍吲年箩月瑚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壹盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名混嗽酝 签字日期：歹1 年 乒月多。日 靳签名：凌如 签字日期：2 口d 簿5 月弓j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 长期以来，电力系统的安全与稳定问题一直是研究人员关注的焦点。尤其是 在当今社会，随着人们生活水平的提高和经济的发展，对电能供应的可靠性与安 全性也提出了越来越高的要求。现代电力系统，以超高压、长距离输电、大容量 机组、大范围互联和大容量的区域间交换为显著特征，一方面，系统一旦发生安 全稳定事故，波及的范围更加广泛，危害性也越来越严重，不仅会造成巨大的经 济损失，甚至破坏社会稳定，危及国家安全；另一方面，随着系统规模的扩大、 新技术和新设备的不断引入，也使得安全稳定问题更加错综复杂；此外，受环保 和经济等因素的制约，现代电力系统的运行日益接近其稳定极限，安全稳定问题 更加突出。在电力系统安全稳定性研究方面，虽已取得了诸多成果，但是探索更 有效的分析方法，深入认识电力系统安全稳定问题的本质和机理，以及寻求合适 的控制策略以提高系统的安全稳定性水平，防止出现大范围停息事故，则始终是 广大电力科技工作者的重要任务。 近几十年来，世界范围内发生了多起首先因电压失稳而引发的重大停电事 故，如最具广泛影响的美加“8 1 4 ”大停电，即是一起首先由无功问题引发系统 电压失稳，并最终导致大范围电压崩溃的典型大停电场景。这些惨痛的电压崩溃 事故给社会经济造成了巨大的影响，因此电压稳定问题日益成为研究热点。造成 电压失稳事故频发的主要原因有：系统有功、无功功率供给的短缺；整体或局部 网络结构的不合理( 如长距离大功率电力输送、负荷区缺少有效的电压支撑点 等) ；电容器的大量采用( 电容器供出无功与其所连母线电压平方成正比，在重 荷时，系统需要更多无功，但由于母线电压下降，电容器所供出的无功反而减少， 从而加剧局部负荷区域的无功短缺) ；大容量机组的不断采用等。这些可能造成 系统电压失稳的原因在我国电网中普遍存在，因而电压失稳以及电压崩溃的威胁 也长期存在于我国的电力系统中，而在目前实施大范围电网互连、稳步推行电力 市场、三峡电厂投入运行和西电东输的背景下，系统出现电压失稳的可能性也随 之大大增加。 电力系统电压稳定问题是一个仍在不断探索中发展的研究领域。目前，世界 各国的电力科技工作者正在这一领域进行大量的研究工作，使用不同的方法、从 第一章绪论 不同的侧面探索电压稳定性问题的机理，已取得了一些实用性化的成果。已有的 电压稳定的研究方法包括最大传输功率法、连续潮流法( 也称为p v 曲线法) 、灵 敏度分析法和潮流多解性分析法等。这些方法提供了关于系统特定运行点或特定 发电负荷增长方向上的稳定指标，故可称为“逐点法”。“逐点法”的缺点在于 无法给出系统稳定的整体测度，其结论不具有普遍的指导意义；同时，在系统参 数变动后，“逐点法”必须重新进行计算以确定系统的稳定性状况，用之估计处 于连续变动的电力系统稳定性状态时，由于计算过于复杂而无法在线应用。近年 来，“域 的方法在电压稳定问题研究中受到广泛关注，与传统的“逐点法”相 比，“域”的方法可以获得系统稳定性的整体信息和在各个方向上的稳定裕度， 也很容易在最优安全控制中计及稳定性约束。一旦得到描述系统运行状态的安全 域之后，判断系统稳定与否，只需察看运行状态是否在安全域内即可，还可以依 据运行状态距离安全域边界的距离，确定系统的稳定裕度和最危险的事故发展方 向。因此，“域”方法在电力系统在线安全监视中具有广阔的应用前景。 美加“8 1 4 大停电事故中，运行人员的长时间无作为向人们提出了强化电 力系统的可观测性，以帮助运行人员准确判断系统安全状态，从而做出正确的控 制决策的要求，这就涉及到了电力系统中“可视化”的概念。当今电力系统正面 临着这样的矛盾：数据的采集能力不断提高，数据量越来越大，但是缺乏有力的 工具对这些数据进行科学深入的研究与分析，从中挖掘隐藏在数据背后的深层信 息。电力系统中“可视化”的概念来源于科学计算可视化，所谓科学计算可视化， 是指运用计算机图形学和图像处理技术，将数据换为图形或图像在屏幕上显示出 来，并进行交互处理的理论、方法和技术。因而，可视化作为一种能把大量数据 转换成直观的图形和图像的手段，自然成了电力系统安全性预防与控制研究的一 个重点。 1 2 电压稳定研究中的“逐点法”和“域”方法 根据国际电子工程师协会( 正e e ) 的定义，电力系统的电压稳定性是指系统 维持电压的能力，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 果电压不停地衰落下去，电压崩溃就会发生。电压稳定问题的研究主要针对三个 方面展开，即电压失稳机理的探讨、电压稳定监控的研究和预防电压失稳措施的 研究。 2 第一章绪论 由于电压失稳发展的过程通常要持续数分钟乃至数小时，这就启发人们从短 期与中长期两个角度分析电压失稳的机理。电力系统所有的状态变量可按照时间 常数的大小分为快动态与慢动态，在此基础上，电压失稳的机制可以按照短期动 态、长期动态以及长短期动态交互影响分解为三类。 影响电压稳定的系统动态过程通常是慢过程，因此问题的许多方面可以用静 态方法加以研究。静态方法检查特定电力系统运行条件所表示的平衡点的存在 性，它允许检查大范围的系统条件，且有助于更加深入的认识问题的本质和识别 主要因素。另一方面，动态分析对于详细研究特定的电压崩溃情况、协调控制装 置与保护以及试验补救措施是有帮助的，并且可以检查系统是否能够或者如何达 到静态平衡点。总体来讲，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以下几种： 静态电压稳定分析 潮流方法在电力系统研究中经久不衰、最为深入和全面，至今仍是电力系统 电压稳定研究中一个很重要的方面。从潮流方程出发的静态电压稳定性研究是目 前最具成果的领域，包括最大传输功率法、连续潮流法( 也称为p v 曲线法) 、灵 敏度分析法和潮流多解性分析法等。其中最大传输功率法是以电力系统传输线路 的输送功率极限作为系统电压失稳点的一种稳定性判别方法，可采用基于延拓算 法的连续潮流或直接法来确定系统的电压失稳点；灵敏度分析法是利用系统中某 些变量的变化之间的关系，即灵敏度系数来进行系统电压稳定性判别的方法；潮 流多解性分析法则基于潮流方程多解性与系统的负荷水平紧密相关的性质进行 电压稳定判别。 小扰动电压稳定分析 电力系统小扰动稳定是指正常运行中的电力系统受到微小的、瞬时出现但又 立即消失的扰动后，恢复到它原来运行状态的能力；或者，这种扰动虽不消失， 但可以用原有的运行状态近似表示可能的新运行状态，亦即系统经历足够小的扰 动后，系统不会出现单调的发散和持续永不消失的振荡。电力系统的很多失稳场 景符合小扰动稳定性研究的范畴，这使得利用小扰动稳定性分析方法揭示电力系 统电压失稳场景的机理和演变规律的研究成为可能。 大扰动电压稳定分析 大扰动电压稳定研究通常通过时域仿真来进行，它直接对电力系统的微分 代数方程( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n ，d a l e ) 进行积分运算，逐步求解系统在各 时刻的变量值，在积分的每一步检测系统关键节点的电压幅值变化规律，并依此 3 第一章绪论 来判断系统是否出现电压不稳定的情形。通过时域仿真研究系统的各类稳定问题 被认为是最为准确的一种方法，但由于积分计算的耗时性，时域仿真主要用于离 线分析。暂态能量函数法( t r a n s i e n te n e r g yf u n c t i o n ，t e f ) 是另一种分析电力系 统大扰动电压稳定问题的思路，即借助l y a p u n o v 稳定性判别理论直接通过系统 的暂态能量来判断系统的稳定性。该方法计算速度快，但其计算结果一般偏于保 守，同时在复杂大型电力系统中列解适用的能量函数至今尚没有统一的方法，因 此该方法主要用于在线的电压稳定事故筛选和预排序。 基于对系统电压失稳机理的理解和目前研究中得到的结论，常用的电压失稳 预防和校正性控制措施包括：并联和串联的无功补偿、有功控制、低压甩负荷、 锁定有载调压变压器的分接头、配电自动化装置调整等。由于有效的预防控制措 施的提出有赖于电压稳定监控所给出的系统稳定性信息，因此有关电压稳定性监 控方式的研究成为电力系统科研工作中的当务之急。 上述三类方法均属于“逐点法”，它在进行电力系统电压稳定问题的分析和 求解时，需要首先给定一个系统的初始运行点，然后对可能出现的电网事故集合 逐一进行分析来判断系统的电压稳定性情况。由于电力系统处于不断的运动变化 过程中，在用“逐点法”分析时，很难保证研究场景与系统当前运行点1 0 0 吻 合；并且一旦系统出现了任何变化，都需要重新对每个故障进行分析计算，在线 分析的计算量比较大；此外，这种方法给出的系统安全指导信息过于简单，不利 于调度运行人员在紧急情况下及时准确地采取控制措施。由于“逐点法”的上述 缺点，它无法给出系统的整体安全性测度，其结论通常不具有普遍的指导意义， 为确保电力系统的安全稳定和高效运行，需要寻求更为科学的电力系统在线安全 稳定性评估分析方法。 “域”的方法是同传统的“逐点法 完全不同的一种全新的方法学。安全域 是关键参数空间( 如功率注入空间、线路传输功率空间) 中，当系统出现了可能 的故障之后，能保证系统各种稳定性和关键设备运行参数不越限的所有运行点的 集合。一旦得到电力系统的安全域，就可以实现：( 1 ) 直观指示系统的各种稳定 性状况及其安全稳定裕度，为保证系统安全稳定运行提供参照；( 2 ) 还可将传统 的概率安全性分析的多重积分计算( 这一过程计算量非常复杂，至今未能实现实 用化) 转化为简单的代数计算，大大提高概率安全分析的精度和速度，实现概率 安全性分析的在线应用；( 3 ) 可为运行人员在校正性控制、紧急控制和恢复性控 制决策方面提供丰富的参考信息，辅助和指导他们制定及时和科学的控制策略， 并对控制措施进行科学的优化，提高防范大停电事故的决策和控制能力。表1 1 给出了“域的方法与传统的“逐点法”相比具有的主要优势【1 4 】。 4 第一章绪论 表l - l “域”的方法与“逐点法”相比较具有的优势 传统“逐点法”“域”的方法 可加深对电力系统安全域边界的性质与规 只见局部不见整体，可能造成误判断 律的认识，从而减少误判断 只能提供安全或不安全的二元信息，对安全可提供系统运行点在安全域中的相对位置， 监视、评估与优化所提供的信息太少从而获得各种必要信息 在做计及不确定性的安全性评估时只能用可用解析法，从而可使计算量降低若干个数 蒙特卡罗法，计算量很大 量级 在各种与调度相关的最优化问题中对稳定可使各种与调度相关的最优化问题稳定性 性约束的计及缺乏有效的方法约束的计及变得十分简易 由表1 - 1 可以看出，“域”的方法为电力系统监视、评估与优化，以及紧急控 制的决策提供了十分有利的解析工具，它不仅可用于传统的电力系统调度的模式 下，而且适合于开放的电力市场模式，因此“域”的方法有很广泛的应用范围。 1 3 电力系统中的“可视化 1 3 1 科学计算可视化 科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是发达国家在2 0 世 纪8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1 9 8 7 年2 月，美国国家科 学基金会召开了有关科学计算可视化的首次会议，与会者有来自从事计算机图形 学、图像处理以及各个不同领域科学计算的专家。会议首次提出了科学计算可视 化的定义、覆盖的领域以及近期与长期的研究方向，从此美国国家科学基金会的 几个学部开始支持可视化的研究项目。从1 9 9 0 年起，美国i e e e 计算机学会计 算机图形学技术委员会开始举办一年一度的可视化国际学术会议，这标志着“科 学计算可视化 作为一个学科已经成熟，它的应用遍及所有应用计算机从事计算 的科学与工程学科，并且获得了巨大效益。 所谓科学计算可视化，是指运用计算机图形学和图像处理技术，将数据换为 图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到 计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个 领域。事实上，随着技术的发展，科学计算可视化的涵义已经大大扩展，它不仅 包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。可视化的 目的是提供象人眼一样直觉的、交互的和反应灵敏的可视化环境来分析大量、复 5 第一章绪硷 杂和多维的数据以获得对数据的理解与洞察口“，可视化技术的主要特点是： 1 ) 交互性：用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 2 ) 多维性：可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，i 】j 数据可咀按 其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 3 ) 可视性：数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来娃示，井j r 对 其模式和丰1 互关系进行可视化分析。 1 3 2 可视化技术在电力系统中的应用 在过去的几p 年中电力系统的规模不断扩大，带来了调度中心采集数据的 剧增，并且在电力市场环境f ，各种新的数据( 如边际电价、电力巾场中的各种 交易数据) 还在不断涌现，电力系统中所要处理的数据量越来越大。面对如此庞 大的海量数据，如何快速准确的从中提取所关心的信息，从而把握客观物理现象 背后的本质和规律，更好地评估和分析系统的运行状态，是一个亟待解决的问题。 此外，在市场化、电力能源紧缺的背景下，对系统输送能力、系统稳定裕度和各 种约柬的深入认识，无论是对于电力市场的参与者还是系统的调度运行人员，都 具有重要意义。这些都迫切要求推进电力系统可视化技术的发展与应用。 电力系统叶1 可视化技术的研究尚处于探索和起步阶段。在可视化的形式上， 丈体经历了由_ 维可视化到三维可视化再到虚拟现实的发展历程。就目前的研究 来看电力系统可视化涉及的内容主要包括：基本运行数据( 线路潮流、节点电 压等) 的可视化、故障分析计算结果的可视化、重要设备运行状态的可视化等。 基本运行数据的可视化 一一，掣。、迂量 叫。 樯。蕙i 爿 。 b g 鋈 图i i 线路灞流圆饼暇和动画箭头 第一章绪论 电力系统的基本运行数据包括节点电压的幅值和角度、线路的输送功率、发 电机的出力等，这些数据的显示是可视化的基础功能。这一类可视化一般都基于 电力系统的地理位置接线图，利用诸如圆饼图、动画箭头、颜色和粗细不一的线 条1 2 1 2 2 ，2 5 】等形式来显示潮流和电压等数据。图l 一1 使用圆饼图显示线路潮流大小， 并以动画箭头显示潮流的流向，圆饼和箭头的尺寸及颜色同线路潮流之间存在一 定的映射关系，线路潮流正常时圆饼很小，当潮流超过一定的限值时则急剧增大， 箭头的尺寸和颜色也随之变化，从而引起调度员的注意。由于线路很多，如果每 条线路上都显示圆饼和箭头势必造成画面混乱不堪，此时可对线路进行“过滤”， 只突出显示那些重要的和运行人员关注的线路，其余的则可以隐入背景。 对于电压等节点数据，一种可视化方法是使用标尺进行显示。如图1 2 所示 的矩形标尺，其上端刻度为1 0 8 p u ，下端刻度为0 9 2 p u ，代表节点电压的上下限， 而所有在0 9 8 p u 1 0 2 p u 范围内的数值对应于中间的同一刻度。当电压低于 0 9 8 p u 时，由标尺正中开始向下填充，当电压高于1 0 2 p u 时则向上填充，而当 电压在0 9 8 p u 1 0 2 p u 范围内时则无填充。还可引入动态改变尺寸和颜色的技术 来更好的反应节点电压的变化情况。 0 9 5p u li 、， 图1 - 2 使用标尺显示节点电压 等值线法在很多领域中被广泛应用于显示空间上分布且连续的数值，该方法 也被引入电力系统中显示节点电压等数据 2 6 1 。电力系统中应用等值线法显示电 压时，首先遇到的一个问题是，节点电压数据并不是连续分布的，解决这个问题 的方法是创建虚拟的数据来扩展二维等值区域，例如可引入附近数据点的加权平 均值。一旦创建好虚拟数据后，就可以用颜色表把数值和颜色联系起来，然后在 地理接线图上进行着色。图1 3 综合了等值线和线路潮流饼图及动画箭头，通过 等值线图很容易了解各地区电压的宏观信息。 7 第一章绪论 o h l 0 。备 口算9 4 枣一。j ， jp e n n s y 叫 1 墼墨 羲l 、+ 釜 ? 、 守 蓍i 譬：芝燮 、一 = 一 兰二2 。j 。j 自蜀= 图1 - 3 等值线与线路潮流圆饼及动画箭头的综合应用 故障分析结果的可视化 作为静态安全分析的一部分，故障分析计算在很多场合都十分重要，例如可 用输电能力( a v a i l a b l e t r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t y , a t c ) 计算、安全评估以及电力市 场r | 1 的交易计划等。随着电力工业逐步放开管制，日常运行中故障分析的计算量 和复杂程度日益增加。放开管制后不仅系统的规模越来越大，而且为了确定系 统到底处于什么样的状态以便最大限度地安排输电容量故障分析的计算也越 来越频繁。这样就产生了对故障分析结果进行可视化的需求，以帮助运行人员更 好的获得和理解事故场景。传统的e m s 中故障分析的计算结果往往是以数据表 的形式给出，列出了越限的母线和设备，以及相应的事故名称、越限的幅度等。 这些庞大的数据报难帮助调度员建立起事故场景的整体概念t 从而导致抓不住问 题的本质。在这种背景下，研究事故分析计算结果的可视化，从庞大的数据中提 取形成直观的事故场景图具有重要意义。故障分析可视化主要关注以下信息的提 取刚： 1 ) 母线电压越限的幅度和输电设备过负荷的幅度： 2 ) 识别引起电压越限或者设备过负荷的故障： 3 ) 识别发生越限或者过负荷的设备； 图l - 4 为一个故障分析可视化的示例这种可视化基于故障本身，以故障所 引起的母线糕l 乜压和线路过负荷的幅度来表示故障的严重程度口”。图中的圆柱 絮k黪 了一 第一章绪论 代表引起系统设备越限的故障，圆柱的高度与由该故障引起的越限设备的数目成 _ l e 比- 圆柱的半径和颜色则代表该故障可能引起的最严重的设备越限幅度，用直 线把故障圆柱和由它引起的越限设备连接起来这样某个故障所影响到的系统设 备就一1 7 1 了然。实际应用中，可进行分层可视化，第卟层次h 显示每个故障引 起的越限设备的数目和可能的最严重的低电压或过负荷，以获得总体的印象：在 第层次l 进一步给出由故障引起的越限设备的地理分布位置：而在第兰个层 次上，对于所关心的某个故障，给出由它引起的母线低电压或设备过负荷的具体 信息。 图1 4 基于故障严重性的可视化 相对于基于故障本身的可视化，另外一类故障分析的可视化则基于设备，以 故障引起的母线低电压或设备过负荷的幅度来描述电力系统设备面对故障的“脆 弱性”l l t ：如图l 一5 所示，母线或线路上倒立的圆锥代表该设备在所有单一故障 f 母线电压或线路潮流信息，圆锥的高度和引起该设备越限的单一故障数且成正 比，圆锥颜色和半径则代表该设备在所有单一故障f 可能出现的最严重越限幅 度，用直线把引起设备越限的故障和倒立圆锥连接起来，这样对于某条母线或线 路，从图中可以很清楚地知道哪些故障会引起母线低电压或线路过负荷。 第一章绪论 图1 5 基于设备脆弱性的可视化 重要设备运行状态的可视化 对于系统中的重要设备，如发电机和变压器，实时监测它们的运行状态十分 重要。这些设备的实时负荷能力以及是否和允许多眭时间的过载等信息是运行调 度人员所关心的。实现设备运行状态可视化的基本思路是：从实时数据库中提取 出详细的设备运 亍模型，例如从s c a d a 中提取发电机或变压器的实时电热模 型，从中可阻得到诸如变压器温度、损耗和动态负荷等信息，然后将这些信息进 行可视化。 图1 - 6 画出了发电机的相量图和运行区域图，随着实时数据的更新，图形也 实时刷新，这样就有了一种动画的效果，发电机运行状态的变化趋势一目了然。 在运行区域图r ，还给出了发电机的运行轨迹，带圆圈的十字代表当前的运行点， 从中可以清楚地观察到发电机当前的运行状况和运行位置。 第一章结论 呼雩垮墨曩_ _ 孵” g e n e r a t o rr e 1 i v e c a p j d i m i c y广 瑚 l 1 ” i o 图i - 6 发电机的相晕图和运行区域曲线 借助干c a d ( 计算机辅助设计) 软件，还可构造设备的三维模型，这个三 维模型以一种标准文件格式从c a d 软件中导出，该文件包含了设备的尺寸、材 质等特性，并且材质特性可以与设备的温度、磁场等信息相联系，通过这个三维 模型对设备的分布参数例如磁场、温度等进行可视化。图i 一7 使用变压器的三维 模型来描述其温度的分布信息a 图1 1 7 使用三维模型描述变压器的温度分布 一 第一章绪论 1 3 3 安全域的可视化 可视化在国内外电力领域中的应用研究尚处于起步阶段，虽然经过近几年的 发展，出现了一些新颖的表现形式，但是真正恰当的、有着实际意义和应用价值 的可视化形式还远远不够，从内容上看反映电力系统运行状态的可视化研究居 多，而缺乏针对安全稳定分析等问题的工程应用研究。因此，一方面要继续探索 有实际应用价值的可视化形式，另一方面，也急需一些真正适合可视化的研究成 果来充实可视化的内容。 电力系统安全稳定研究中“域 的方法与传统的研究方法相比具有很多优点， 目前已取得了大量的实用性研究成果。对于生产部门的调度人员而言，要利用 “域”来指导实际运行，就要求能够直观的看到当前运行点在安全域中所处的位 置以及不同方向上的稳定裕度，并且根据运行点的变化情况来判断系统稳定性的 发展趋势，这就要求实现安全域的可视化。 由此可见，安全域和可视化有着惊人的契合点，有了安全域的研究成果，就 必然要求其实现可视化；可视化也急需安全域这样的研究成果来充实，以提高其 工程应用意义，真正在生产中发挥它的作用。 1 4 本文主要工作 本文以割集功率空间中保证静态电压稳定的安全运行区域( 简称割集电压稳 定安全域c v s r ) 理论为基础，开发了一套适用于电力系统在线电压稳定监视的 割集电压稳定安全域可视化系统，并应用于辽宁省电力调度通讯指挥中心，主要 工作包括： 1 确定电压稳定在线监视系统的功能，从保证系统稳定、可靠和适用于在线运 行的角度，设计完成系统的体系框架； 2 完成电压稳定在线监视系统的后台子系统的开发，以实现割集电压稳定安全 域计算等电压稳定性分析功能； 3 完成电压稳定在线监视系统的前台子系统的开发，以实现对后台电压稳定性 分析计算结果的显示和人机交互等功能； 4 为实现计算结果的直观表达，开发多种计算结果可视化模块，集成至整个在 线监视系统； 5 将开发完成的电压稳定在线监视系统投入辽宁电网的实际运行。 1 2 第二章割集功率空间电压稳定安全域 第二章割集功率空间电压稳定安全域 割集功率空间上静态电压稳定安全域( c u t s e tv o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ， c v s r ) 的研究成果是本文工作的理论基础和出发点，本章将着重介绍已取得的 关于c v s r 的实用性研究成果和结论，以及它们对开发工程实用性电压稳定在线 监视系统的指导意义和启发。 2 1 割集电压稳定安全域的基本概念 2 1 1 割集电压稳定安全域的定义 电力系统的潮流方程可表示为如下形式： f ( x ，五) = 0 ( 2 1 ) 其中， 厂：r “xr r ”代表系统的光滑映射，这里指系统潮流方程或平衡点方程； x r “为系统的状态量，如节点电压和角度； a r 为系统的变动参数，这里常表示负荷水平，也常称为分岔变量； 注入功率空间的电压稳定安全域( s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ，s v s r ) 是 由所有满足静态电压稳定的系统运行点构成的区域。对于式( 2 1 ) 所示的潮流方 程，s v s r 可定义为： = 卜在一个x 似俨y ，且跹刈 ( 2 _ 2 ) 其中i 1 ： o 含义为在【口，堋之间，系统的潮流方程雅可比矩阵均不出现奇异( 雅 可比矩阵的行列式不为零) 。由此可见，静态电压稳定与系统的潮流可解性紧密 联系，它除要求系统的潮流方程有解外，还要求系统潮流方程的雅可比矩阵非奇 异。对于一种固定的网架结构，系统的静态电压稳定安全域是唯一确定的。且不 难看出，注入功率空间的静态电压稳定安全域的边界由潮流方程雅可比矩阵的奇 异点所对应的流形构成，即： 勰一h 矧2 一o ， 第二章割集功率空间电压稳定安全域 通过文献2 5 1 的分析，可得出如f 结论：电压稳定性研究中仅考虑单调电压 失稳可以简化域的研究工作，同时也符合实际( 系统已h 现的电压稳定失稳场景 以单调失稳为主) ，即可以只考虑南( 2 3 ) 所给的系统鞍- 节点分岔( s a d d l e n o d e b i f u r c a t i o n s n b ) 边界面。 文献7 1 对s v s r 边界的线性近似解析表选式作了细致的分析和探讨，推导山 发电机注入空问中静态电压稳定安全域边界的切平面表达式井提，利用左特 征向量选择系统敏感发电节点( 即对电压稳定影响较大的发电节点) 的方法用 以在可视化过程中对发电机注入空间降维。图2 1 给出了i e e e l 4 节点系统发电 机注入空间s v s r 边界的线性化结果。线性近似的方法虽然计算速度快、应用方 便，但由于当系统运行工况发生较大变化时需要重新计算或分段线性化，在逼近 精度上显示出了一定局限性。文献【8 】、【9 对s v s r 边界的非线性近似解析表达 式进行丁探讨，文献b 1 以二次解析式对注入空间中静态电压稳定安全域的边界进 行了近似表达，文献f 9 1 利用特征值灵敏度和特征向量灵敏度的计算在系统静 态电压稳定安全域边界面附近对潮流方程的雅可比矩阵行列式进行_ 次泰勒展 开，从而得到了计及非线性项的静态电压稳定安全域边界近似表达式。图2 - 2 给 h 了利用二次表达式近似表示i e e e1 4 节点系统s v s r 边界面的情况，可以看出 其结果具有较好的精度( 误差( 1 ) 。 图2 - 1i e e e l 4 节点系统发电机注入空间s v s r 边界 显然，采用二次方程可以给出s v s r 边界更加精确的近似表示但由于s v s r 边界通常为高维空问的超曲面，因此采用二次拟合方法的计算量巨大，难以实现 在线应用。通过选取系统的弱节点或敏感发电机ii - ，然后将其他节点直接消去， 从而只在关键节点的注入空间中表示静态电压稳定安全域，可以显著降低安全域 的维数并保证一定的计算精度，但是利用这种方法确定的安全域的空问维数仍有 可能较大，因此仍需要进一步寻找其他更有效的降维方法。 第二章割集功率空间电压稳定安全域 考虑到在电力系统的实际运行中，运行人员习惯通过断面上的若干区域间联 络线来监视系统的各种稳定性情况，因此引出了割集功率空间上静态电压稳定安 全域的概念。割集是把连通图分割为两个子图的最少支路集，而所谓的断面，严 格意义上是指割集。割集功率空间则是指以系统割集线路上潮流为坐标所组成的 空间。 割集静态电压稳定安全域( c u t - s e tv o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ，简称c v s r ) 是 指在割集功率空间上能够保证系统静态电压稳定并且满足线路容许电流、母线电 压和注入功率上下限等约束条件的运行区域。由于系统割集一般由少数几条关键 线路组成，同注入空间上的电压稳定安全域相比割集功率空间上的电压稳定安全 域的维数将大大降低，同时也符合运行人员的习惯，大大方便了电压稳定安全域 的在线应用。 卯1 叩1 卯 2 口02 卯 p 1 5 ( m w ) 图2 2i e e e l 4 节点系统发电机注入空间s v s r 边界及其二次拟合结果 ( 实线为s v s r 实际边界，加点实线为二次拟合结果) 2 1 2 关键断面的选择 电压失稳是一个典型的局部问题，往往先从系统局部的一个或几个负荷节点 开始，逐渐扩大到整个系统。系统中容易失去电压稳定的节点称为弱节点( w e a k n o d e s ，或w e a kb u s e s ) ，通常由重载的负荷节点构成，本质上是这些节点所能 承受的负荷功率变化的能力不强，也就是说，系统的电压稳定性状态对这些节点 的变动极为敏感。系统出现失稳时，也往往由这些节点开始，而其他节点的变动 对系统稳定性的影响较小，为此可以用这些弱节点来近似估计与系统电压稳定相 关的安全性状况。 姗 0 如 姗 加 懦 俩 o 妻一口匠 第二章割集功率空间电压稳定安全域 系统中的弱节点不止一个，定义这些节点的集合为系统的弱节点集。通常由 于节点间的电气联系和地理拓扑结构之间具有一定的关联，在各种运行情况下系 统中具有较为相似电气特性的弱节点都集中在系统的局部区域内( 即系统的弱区 域) ，这样我们可以选择恰当的割集将系统分为弱节点集和非弱节点集两部分， 监视割集上每条线路的有功潮流和无功潮流，能够很好的反应系统电压稳定的特 征，为运行人员提供可靠的信息依据。我们把这样的割集称为电压稳定临界割集， 如图2 3 所示。 图2 - 3 系统临界割集示意图 对应于系统中不同的负荷增长方式和运行状态，在电力大系统中临界割集数 目可能不止一个，用它们所描述的静态电压稳定安全域的边界也就不止一个。临 界割集的选择是开展割集空间静态电压稳定安全域研究的前提和基础，只有选择 恰当的割集作为临界割集，才能使割集上的线路潮流呈现一定的规律性，这样不 仅能为运行人员提供充分的反映系统稳定性的信息，而且利用其规律性能够使一 些与其关联的问题变得十分简单易解。 确定系统的弱节点时，通常是利用模态分析计算系统在每次故障发生后各个 负荷节点的参与因子，参与因子的大小直接反映着负荷节点对系统电压稳定性影 响的大小，将参与因子位于前五名的负荷节点作为系统电压稳定的弱节点。通过 研究系统在各种运行方式( 基态和故障状态下) 下弱节点的分布，可以得到系统 相应的弱节点分布情况，并通过弱节点出现的频率来确定系统的弱节点集。因为 电压稳定