（电力系统及其自动化专业论文）电网分层分区供电方案及评价指标算法的研究.pdf

声明 本人郑蘑声明：此处所提交的硕士学位论文电网分层分区供电方案及评价指 标算法的研究，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：壅望互!日期： 习；膨 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：盘查二 日期：嗣，6 导师签名： 曰期：通! ! ! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出【1 2 l 第一章绪论 我国电网发展已进入跨大区电网互联、推进电力资源在更大范围内优化配置的 新阶段。电网结构是电力系统安全运行的基础，电网规划历来强调全局观念和远近 结合，建立合理的电网结构是电网规划设计部门的重要使命【3 1 。 随着电力系统的不断发展，5 0 0 k v 线路的建设，新的5 0 0 k v 2 2 0 k v 电磁环网 不断形成，某些已成为电力系统严重的事故隐患。高低压电磁环网运行方式给电网的 运行管理带来麻烦，也给电网的发展带来不确定因素【4 】。 据统计，我国1 9 7 0 1 9 9 0 年共发生与电网结构相关的功角和电压稳定破坏事 故1 8 7 次，其中与高低压网络结构有关的事故达5 5 次，占2 0 2 。国外与电磁环网 相关的大停电事故也屡见不鲜，如1 9 9 6 年7 月2 日美国西部电力系统w s c c 大停 电事故，当p a c i ( 三回5 0 0 k v 交流) 断开后，大量潮流涌向东部3 4 5 k v 2 3 0 k v 网 络，导致电压稳定破坏，w s c c 解列为5 个孤岛，2 0 0 多万个用户停电，损失负荷 1 0 5 7 6 m w ，最长停电时间达6 4 小时。同年8 月l o 日，该电力系统同类事故再度 发生，停电用户、损失负荷、停电时间都远远超过7 月2 日事故。因此，人们往往 “谈环色变”，只要可能，电磁环网均采取开环方式运行【5 j 。 电磁环网解环，分层分区原则是在电力系统发展过程中逐渐形成的。一方面， 大规模电力系统可以合理开发与利用能源，节省投资与运行费用，增加系统备用容 量，减少事故损失，在一定程度上提高了供电可靠性，因此电力系统互联成为目前 的必然趋势。另一方面也有不利因素，如增加了系统短路容量，电网的局部故障容 易波及至其它地区，甚至可能引起大范围停电事故等等。为解决这些问题，电网通 常在高一级电网发展副一定规模时将低一级电网分区域解开，也即进行分层分区。 分层分区运行是电网发展的必然趋势。 国家经济贸易委员会子2 0 0 1 年7 月颁布实施的电力系统安全稳定导则 ( d l 7 5 5 2 0 0 1 ，以下简称导则) 中明确规定：合理的电网结构必须满足分层和分区的 原则，电网的分层分区应按照电网电压等级和供电区域合理进行。合理分层，是将不 同规模的发电厂和负荷接到相适应的电压网络上；合理分区，是以受端系统为核心，将 外部电源连接到受端系统，形成一个供需基本平衡的区域，并经联络线与相邻区域相 连。同时导则中也明确规定：随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步 实现分区运行，相邻分区之间互为备用，以避免和消除严重影响电网安全稳定运行的 华北电力大学硕士学位论文 不同电压等级的电磁环网，并有效限制短路电流和简化继电保护配置。由此可以看出。 电网分层分区运行是电网发展的必然趋势【”。 考虑到我国电网的实际情况，电力设备和国外发达国家相比还存在一定的差 距，在结合我国电网结构的特点，分层、分区供电是较为合理和可行的供电方式。 本课题及在此背景下提出的对电网的分层，分区的方案及评估指标的算法进行讨论 和研究，在实际电网网架结构的规划和改造中具有指导性的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外电磁环网情况综述 纵观国内外的电力网络结构，由于发达国家在电气设备，电力线路等的容量大， 电气设备热稳定性能良好、开断电流较大。线路传输的功率较大，短路电流对设备 影响不十分严重。因此在对电网中的电磁环网以及分层分区方面的研究还不够充 分，对此没有进行深入的探讨。考虑到我国的实际情况，由现阶段的国情所决定， 我国不可能对电力设备和电力线路等进行大规模的改造，对现有网架进行改造，实 行分层分区的供电方式，优化现有电网是较为合理也是可行的办法。 我国现已开始对电网中一些不合理之处进行了改造 6 - 1 5 】，针对电磁环网断线后 负荷转移带来的过负荷现象，大电网中较大的短路电流对电力设备的损坏，造成的 稳定问题而进行的电网结构改造。北京电网最近几年针对电磁环网带来短路电流较 大问题，对2 2 0 k v 线路进行解环，实行分层分区的供电方式，虽然供电可靠性有所 下降，但短路电流却大幅下降，提高了系统的稳定性，综合利弊得到的结果另人满 意【7 1 。 1 2 - 2 电磁环网解环运行实践 在我国的广西、湖北、湖南、上海、江苏、浙江、福建等许多省份在电网发展 过程中都面临着从电磁环网方式到分层分区方式的过渡。在5 0 0 k v 网架还不够坚强 时，存在着5 0 0 k v 2 2 0 k v 电磁环网，还不能分层分区运行。随着5 0 0 k v 电网的发 展，这些电磁环网日渐成为系统安全的隐患。各省都在通过潮流计算、稳定计算、 短路容量计算以及网损计算等评价指标来分析论证可行的解环和分层分区方案和 制定时间表。 1 2 2 1 上海电网分层分区的分析 8 1 由于短路容量迅速增长，上海2 2 0 k v 电网即使分为南北两大电网，亦不能解决 2 华北电力大学硕士学位论文 最终短路容量超载，为此采取分层分区的措施来限制系统短路容量，近年来做了大 量的工作，重大的有南网改造工程，杨行工程，泗泾工程等，还有诸多的线路扩容 改造，确定了各分区电网的主网架结构和备用联络通道，为2 2 0 k v 电网分层分区运 行提供了坚实的物质基础。 上海电网现在分为5 个分区电网，以5 0 0 k v 变电站为中心，分为杨行、黄渡、 泗泾、南桥以及杨高分区。正常方式下除南桥分区与杨高分区并列运行外，分区之 间不再联络运行。在事故或检修或机组停役时，在短路容量允许的情况下，分区与 分区之间并列运行 上海电网分层分区后，除了几个主要节点的短路电流仍在4 0 k a 以上，普遍减 低了2 2 0 k v 系统的短路容量，因而有效地控制了系统内故障点的短路电流，系统的 稳定水平同时得到加强。下图1 1 为上海电网分层分区结构示意图： 图1 - 1 上海电网分层分区后结构示意图 1 2 2 2 江苏电网电磁环网解环与分层分区可行性分析嘲 江苏电网自1 9 8 7 年形成任庄变电站( 徐州卜江都变电站( 扬州卜一斗山变电站( 无 锡) 贯穿全省的5 0 0 k v 单回线发展至今，已初步形成了5 0 0 k v 双回线多落点的中线 主网架，但5 0 0 k v 电网与2 2 0 k v 电网电磁环网运行，5 0 0 k v 系统的输送能力受到 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 0 k v 线路热稳定电流的限制；同时，在电网密集的苏南地区，电网短路容量较大， 为此已于2 0 0 1 年将苏州无锡电网和宁镇常电网实行分区运行，解决了苏南地区部 分2 2 0 k v 变电站短路容量过大的问题；但苏南、苏北2 2 0 k v 电网由于阳城发输电系 统大容量、长距离输电较低的暂态稳定性而未能实施开断运行，仍维持5 0 0 k v 2 2 0 k v 电磁环网运行方式。 2 0 0 4 、2 0 0 5 年将是江苏电网5 0 0 k v 工程建成投运较多的年份，主要有5 0 0 k v 江阴大跨越( 泰兴一斗山双线) 、田湾核电及其配套送出系统、锡东南输变电工程、 张家港输变电工程、宜溧输变电工程、龙潭输变电工程等，届时，江苏电网5 0 0 k v 网架及主要潮流走向将如图1 2 所示。 图1 - 22 0 0 5 年江苏5 0 0 k v 电网接线及主要潮流走向图 从图1 2 可以看出，到2 0 0 5 年，江苏电网已经形成5 0 0 k v 双环网结构，主力大 电厂( 田湾核电、阳城电厂、扬州第二电厂、常熟第二电厂) 接入最高电压等级电网， 5 0 0 k v 过江通道增加到4 回，阳城送出配套系统进一步完善，其暂态稳定性得到提 高。但众多5 0 0 k v 受电点及电源点的建成投运使地区2 0 0 k v 电网短路容量骤增，地 区电网分层分区势在必行。 根据电磁环网解环的基本条件，以2 0 0 5 年为基础进行分析，电网电磁环网解 环、分层分层初步构想：( 1 ) 苏南苏北电网分区，过江东通道建成投运后，将有4 4 华北电力大学硕士学位论文 回5 0 0 k v 过江线路，考虑将2 2 0 k v 谏壁电厂一泰州变双线、六合变一马坝变线、六 合变一真州变线开断运行( 其中六真线、六马线采用在六合变外围搭接方式，形成真 州一马坝线路) ，实现苏南、苏北地区之间2 2 0 k v 电网的开断运行，南北电网依靠4 回5 0 0 k v 线路联系，消除高低压电网问的电磁环网。( 2 ) 宁镇常与无锡电网分区， 该分区在5 0 0 k v 武南一斗山线路建成后就已经实施，2 0 0 4 2 0 0 5 年5 0 0 k v 锡东南变 投运后，宁镇常地区与无锡地区将有4 回5 0 0 k v 联络线。届时将继续实施2 2 0 k v 利港 电厂一三井变线、石塘湾变一芳渚变线、戚墅堰电厂一张镇变开断运行方式，降低常 州、无锡地区电网的短路容量。分区运行后，宁镇常电网主要受电点为5 0 0 k v 东善桥 变、武南变、宜溧变、龙潭变，地区主力电厂为谏壁电厂、戚墅堰电厂、镇江电厂、 华能南京电厂、南京热电厂、下关电厂。( 3 ) 无锡电网与苏州电网分区，5 0 0 k v 张家 港变、锡东南变、吴江变建成投运后，苏州电网与无锡电网将有6 回5 0 0 k v 联络线， 届时将考虑按苏州无锡行政区域开断2 2 0 k v 季港变一港区变线、延陵变一沙洲变线、 斗山变一谢桥变线、斗山变一虞东变线、斗山变一练塘变线、望亭电厂一胶山变线、 望亭电厂一红旗变线，望亭电厂并入苏州电网运行，以彻底解决目前江苏电网5 0 0 k v 斗山主变受电压力大，苏锡地区电网2 0 0 k v 短路容量超标的矛盾。分区运行后，无 锡电网主要受电点为5 0 0 k v 锡东南变、斗山变，地区主力电厂为利港电厂、夏港电 厂；苏州电网主要受电点为5 0 0 k v 石牌变、张家港交、车坊变、吴江变，地区主力 电厂为常熟电厂、华能苏州电厂、张家港电厂、太仓协鑫电厂及望亭电厂。 通过解环前后主网潮流分布，主要变电站短路容量，不同运行方式下电网稳定 性等的计算分析比较，江苏电网在2 0 0 4 2 0 0 5 年间已具备分区运行条件。可逐步实 现苏州、无锡电网分区运行及江南、江北电网分区运行，从而消除高低压电网间的电 磁环网，降低地区电网短路容量，并可在分区运行及保证可靠性的前提下简化地区电 网及其继电保护配置，提高继电保护装置动作的正确性，使整个江苏电网结构更加合 理。 1 3 本论文的工作 根据电磁环网所存在的问题和安徽省网的具体情况，在学习大量的相关书籍和 文献的基础上，本论文所作的工作分为以下三部分： 1 ) 提出解环和分层分区的指标体系和基于b p a 程序的具体算法实现 由于电磁环网发展的复杂性和多样性，从电磁环网方式到分层分区方式的转变 过程中，在何时解环、在何处解环以及解环方案的优劣，必须有一套有效的指标体 系进行评判。根据以往对电磁环网进行分析和评价的实践情况和电力系统安全稳 华北电力大学硕士学位论文 定导则的规定，本论文总结归纳以下指标：系统供电能力( n 1 指标、节点电压 水平、线路及变压器负载情况、系统网损指标) ，静态电压稳定水平( 系统有功裕 度k ，指标、系统无功裕度巧指标) ，短路电流水平、暂态稳定校验( 极限切除时间) 以及主要断面暂态稳定限额等指标。 在得到指标体系后，研究基于b p a 程序的指标具体计算方法，其中包括潮流计 算、暂态稳定计算、短路电流计算等的具体实现。 2 ) 主成分分析法的介绍及应用： 如上的各个指标虽然能够评价电磁环网解环方案的优劣，但是有时用单个指标 评价不同的方案，其结果可能相互矛盾，单个指标的最优方案有可能不是同一方案。 运用主成分分析法将各指标综合起来进行评价，从而得出几个综合指标，可以方便 唯一的确定出最优方案。 主成分分析法是利用降维的思想，把多指标转化为几个综合指标的多元统计分 析，主成次分析法正是根据评价指标中存在着一定相关性的特点，用较少的指标来 代替原来较多的指标，并使这些较少的指标尽可能地反映原来指标的信息，从根 本上解决了指标问的信息重叠问题，又大大简化了原指标体系的指标结构，因而在 社会经济统计中，是应用最多、效果最好的方法。而在社会经济统计中，是应用 最多、效果最好的方法。同时在主成份分析法中，各综合因子的权重不是人为确定 的，而是根据综合因子的贡献率的大小确定的。这就克服了某些评价方法中人为确 定权数的缺陷，使得综合评价结果唯一，而且客观合理【l ”。 本论文将在第四章给出主成分分析法详细的原理分析和利用主成分分析法解 决具体问题的步骤，并给出利用主成分分析法分析评价安徽电网实际运行的实例。 3 ) 电磁环网解环评价体系程序的开发实现 电磁环网解环方案的确定需要各种评估指标来衡量，如果仅凭人工来计算这些 指标、实现这些功能，计算的工作量是相当大的。本文以b p a 为分析平台，利用 v i s u a lc + + 编制了电磁环网解环指标评价体系程序i l l - t 3 】，通过程序实现指标的计 算和仿真，大大降低了人工计算量。程序分为：数据导入、研究分区选择、潮流计 算、电网指标评估、解环与分区、方案指标对比、方案决策、网络结构图八个部分。 本论文将在第五章给出该程序各模块的具体介绍。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 电磁环网存在的原因 第二章电磁环网介绍 电力系统的电磁环网，是指不同电压等级的输电线路通过变压器或电磁耦合构 成的环形电网，电磁环网产生的主要原因有以下几点：一、电网间统一管理制度的 不完善。二、初期规划设计的整体思路。三、电网非正常运行时的过渡期。四、区 域电网运行的供电需要。例如：由于电力系统发展传输的负荷迅速增大某一地区必 须增建更高电压等级的输电线路，于是在新电网中原来较低电压等级的电网必然降 格为次输电电网或配电网，然而在新旧交替的初期高低电压的输电线路又不可避免 地沿同一路径传输电能甚至由于地区发展对电能的更多需求还要沿此路径增建更 多的低压输电线路。随着电网构造与运行方式不断复杂化对于分别或分级管理的联 网系统不可避免地会出现不同电压电网的并列运行的情况也就不可避免地出现了 高低压电磁环网运行1 9 。 2 2 电磁环网存在对电网的影响 随着5 0 0 k v 线路的建设，新的5 0 0 k v - 2 2 0 k v 电磁环网不断形成! 某些已成为电 力系统严重的事故隐患。高低压电磁环网运行方式给电网的运行管理带来麻烦! t g 给 电网的发展带来不确定因素。产生的问题主要是安全稳定性和运行经济性。因此， 打开5 0 0 k v - 2 2 0 k v 电磁环网已成为共识但因为电网的多样性，何时打开环网值得研 究5 1 。 以下总结了电磁环网对电网安全稳定运行带来的影响【1 4 以8 】： 1 ) 局部短路容量增大。 现在的都市电网负荷密集，输电线路距离较短，短路容量是一个突出问题。 2 ) 省际边界处电厂开机方式互相影响，潮流难以控制。 由于电磁环网的相互影响，造成整个系统的运行方式众多，潮流难以控制。安 徽和山西电力公司均有因为电磁环网的问题而造成的发电厂窝电现象。 3 ) 电网迂回受电、潮流分布不尽合理。 据统计，1 9 9 7 年安徽省5 0 0 k v 线路送华东电量2 2 7 8 亿k w h ，而两条2 2 0 k v 线路受电1 0 0 3 k w h ，电量基本由两条5 0 0 k v 线送出，又有一半从两条2 2 0 k v 线路 转回来，迂回受电占总送出电量的4 4 。这种潮流分布是极不合理的，既挤占受电 华北电力大学硕士学位论文 通道，又加大了网损。 4 ) 继电保护和自动装置配置复杂，信道建设费用高。 环网运行的电力系统除了配置各个环网所需要的保护外，还要考虑故障引起的 两个系统互相影响的情况。有时为了满足稳定的要求，保护配置不得不复杂化，如 配置远距离切负荷装置等。如果2 2 0 k v 系统开环运行，贝b 使用的保护配置将会大大 降低要求，可以使用距离和零序保护替代原来的高频保护配置，并且可以不使用主 保护配置的双重化，还节省了纵联保护的通讯信道建设费用。 5 ) 调度运行人员操作电网程序复杂，易造成人为事故。 由于5 0 0 k v 与2 2 0 k v 电磁环网的存在，每种电压等级的系统在操作时必须考虑 另外一种电压系统的情况，这样，就增加了调度运行和变电站值班员的工作复杂程 度，容易造成操作事故。 6 ) 故障后2 2 0 k v 系统易造成过载事故。 在采用高低压电磁环网方式运行时，就必须保证任何事故情况下，通过低一级 电压的导线电流应低于其热稳定电流。否则，可能造成低电压等级线路因长期过电 流发热导线伸长坠地而形成短路，中断供电，扩大事故范围。同时线路可能因退火 而报废。 7 ) 降低了电力系统稳定水平【6 1 。 联络线的传输功率不得超过电力系统稳定所规定的允许值。在一般电网条件 下，联络线的极限传输功率容量为： = 等 式中互，岛分别为两侧系统的等价电源电动势， z 为两侧电源之间所有设备 等值阻抗之和。 为满足静态稳定要求，一般线路正常运行时传输的功率不大于o 8 o 8 5j f 眦， 为满足动态稳定要求，一般线路正常运行时传输的功率不大于o 7 o 7 5 只。如果 高低压电磁环网中没有较大的系统供电电源，正常的两侧系统问的联络阻抗将略小 于高压线路的阻抗。一旦高压线路故障断开，系统间的联络阻抗将突增。因而极易 造成联络线输送功率超过稳定极限，引起两侧系统间的振荡，扩大事故影响范围。 8 ) 不利于电力系统第三道防线的建设。 国家电网公司多次要求加强电网第三道防线的建设，但是如果存在比较多的 电磁环网，那么系统解列地点很难设置，没有一个明确的分层分区概念，主次不明， 华北电力大学硕士学位论文 就不能真正做到“保大弃小”。 2 3 针对电磁环网采取的措施 如上所述，电磁环网的存在给电网的安全稳定运行带来诸多不利因素，采取电 磁环网解环运行1 7 1 ，实行分层、分区的供电方式时解决以上诸多问题的有效措施。 但是由于电网发展的复杂性和多样性，对不同的电磁环网采取解环措施时，何时解 环、在何处解环，应该进行潮流、稳定性、短路电流，网损等多方面的具体分析计 算。综合利弊之后才能够作出合理决策。 2 4 电磁环网解环的基本原则【1 - 9 1 1 ) 分析电磁环网的构成情况，开环后系统结构是否合理，2 2 0 k v 系统不同分 区间能否互为备用，根据电网分层、分区方便管理的原则初步判定应该断开的线路。 2 ) 开环后，电网结构较为合理，能够适应负荷要求，适应各种方式下的潮流变 化，具有一定的灵活性。解环后，潮流分布应更为合理，各种运行方式下不应出现 个别元件的过载现象。 3 ) 具有较大的抗干扰能力，符合n 1( 包括正常的检修方式) 要求。 4 ) 通过电磁解环，降低系统的短路电流，使短路电流达到合理的水平( 即低于 开关设备的开断电流) ，保证能断开任何故障的电流。 5 ) 开环操作后，系统的安全稳定性受到影响，对开环运行系统进行静态稳定、 暂态稳定校验，考核其稳定水平，应满足导则的要求。 6 ) 开环后的分区要有合理的电源分布外来电比例，分区的有功平衡得到满足， 对外联络通道充足合理，分区间互为备用，防止解环后的分区大面积停电事故的发 生。 7 1 分区内要有充足的无功补偿容量和有效的无功调节手段，满足电压调整的要 求，保持电压的稳定性。 8 ) 通过以上各指标的分析或原则的把握，根据电磁环网的实际构成情况，依据 分层、分区方便管理的原则判定应该断开的线路，进行解环操作。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章电磁环网解环指标评价体系和基于b p a 程序的具体算法实现 3 1 系统输电能力 潮流计算的结果为以后各指标的计算提供了数据基础因此，在对各评估指标 进行计算前，必须进行潮流计算。 其中控制语句和网络结构( 节点参数，线路参数和变压器参数) 数据，必须按 指定格式填写 潮流计算后，结果将自动保存到指定目录下。 3 1 1 n - 1 校验 判定电力系统安全性的一种准则。又称单一故障安全准则。按照这一准则，电力 系统的n 个元件中的任一独立元件( 发电机、输电线路、变压器等) 发生故障而被 切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性， 不出现电压崩溃等事故。当这一准则不能满足时，则要考虑采用增加发电机或输电 线路等措施。 把系统中每一元件轮流断开，检查其余元件的过负荷状态。检查指定区域中每 一元件故障后系统状态，指出系统运行的薄弱环节，为电网运行、规划提供依据。 在得到潮流结果后，填写控制语句就可以通过b p a 实现n 1 校验计算。 控制语句如下： ( p o w e r f l o w , c a s e i d = x x ，p r o j e c t 踟 o u t a g e _ s i m x o l d _ b a s e ，f i l e = x x b s e o u t a g e ，z o n e s = i1b a s e s = 2 3 0 o v e r l o a d z o n e s = 1 1 b a s e s = 2 3 0 o u t p u ts o p t = b o t h 3 1 2 线路及变压器的负载情况 线路和变压器的负载情况是解环评估的重要指标： l o 华北电力大学硕士学位论文 线路负载率定义为： = 等 式中：k 为某条线路的负载率，乞为该条线路的运行实际电流，l 为该条 线路的额定电流。 变压器负载率定义为： 寺 式中：为某台变压器的负载率，乙为该台变压器的运行实际运行容量，矗 为该台变压器的额定容量。 在潮流文件中填入负载率的输出控制语句，就可以在计算结果中直接得到线路 和变压器的负载率输出列表。 控制语句如下： r p ts o r t = z o n e o v e r l o a d _ r p t , t x = l i n e = 、 po u t p u t - - l i s t ，z o n e s 2 1l 、 p _ a n a l y s i s _ r p t , l e v e l = 4 3 1 3 电压水平 基于潮流计算的结果得到网络中各节点的电压值，从而得到研究系统的电压水 平。通过电压水平比较解环前后各节点的电压变化情况，确定解环对节点电压的影 响，同时反映出潮流分布的合理性，得出解环方案的优略。 潮流结果中直接输出了全部计算分区的节点电压列表。 3 1 4 系统网损 系统网损理论网损和实际网损，在离线仿真中我们一般所求取的是理论网损， 网损是电网经济运行的重要指标。 电磁环网的开断引起电力系统潮流状态的改变，从而对系统网损产生影响。由 运行经验可知，人为地改变电网运行结构而合理地强迫分配正常运行电流，可能带 来明显的经济效益。一般来说，合理地开断电磁环网，实现电网的分层分区运行后， 系统的潮流分布会更加合理。具体道某一电磁环网，由于高电压线路电阻远小于低 华北电力大学硕士学位论文 压线路，如果断开低压线路，将功率转移到高压线路，将减少线路的有功损耗。然 而，由于电网结构的复杂性，功率转移可能会与预期的不同，开环还可能引起其他 电网参数的变化。因此，要针对具体的电网进行开环前后整个电力系统网损的计算 比较。 全系统的网损可以在潮流计算结果中直接找到 3 - 2 静态电压稳定水平f 1 7 l 3 2 i系统有功裕度 选定某节点，将此节点带的所有负荷按等功率因数增加至系统临界状态。计算 母线节点的电压变化情况，可得到该节点的p v 曲线。而砟值即是系统当前运行 点与潮流的不收敛点( 电压崩溃点) 之间有功的距离与当前运行点有功值的比。 耳= 警列o o 其中k 。是潮流不收敛点( 电压崩溃点) 时的有功值；只是当先运行点的有功 值。 有功裕度指标砟反映了各节点承受负荷扰动的能力和能够继续承受不断增长 的负荷的能力，同时从侧面反映出各节点的带负荷情况。 在b p a 中，一般运用负荷扰动法，即对指定的分区、所有者( 电力局) 、区域 或者全系统的有功，以观察所引起电压的变化量。 控制语句如下： ( p o w e r f l o w , c a s e i d = e m s ，p r o j e c t = t e s t ) o l d _ b a s e ，f i l e = 3 9 b s e s o l u t i o n 、 c h a n g e _ p a r a m e t e r s ，b u s 2 b u s - i ，1 0 0 ，v = ? ，l o a d _ c h a n g e ，p = l ，q = l , z o n e s = c h a n g e _ p a r a m e t e r s ，b u s = b u s 一1 ，1 0 0 ，v - - ? ，l o a d _ c h a n g e ，p = 1 ，q = 1 ，z o n e s = 3 2 2系统无功裕度 选定某母线节点，对该节点电压加以扰动至系统运行在临界状态，监测该节点 的无功出力情况，可得到该节点的v - q 曲线。而k ，值即是系统当前运行点与潮流 1 2 华北电力大学硕士学位论文 的不收敛点( 电压崩溃点) 之间无功的距离与当前运行点无功值的比。 髟= 半x 1 0 0 其中表示各节点正常运行状态下的电压值；匕表示潮流不收敛点( 电压崩溃 点) 的电压值。 无功裕度指标也值反映了各节点承受电压扰动的能力和电压下降时各节点无 功对电压的支撑能力 一般在受电端系统( 负荷区) 电压稳定问题较为突出，系统的静态电压稳定水 平应着重考虑。 在b p a 中，一般运用节点扰动法，即对指定的节点电压、无功加以扰动，以观 察所引起的电压的变化量。 控制语句举例如下： ( p o w e r f l o w , c a s e i d = 1 e e e 9 0 ，p r o j e c t = i e e e 9 0 ) o l d _ b a s e ，f i l e = i e e e 9 0 b s e x s o l u t i o n 、 c h a n g e _ p a r a m e t e r s ，b u s = 母线i2 3 0 ，v = i 0 0 ，q = ? c h a n g e _ p a r a m e t e r s ，b u s = 母线12 3 0 ，v = 0 9 9 ，q = ? 、 3 3 系统短路电流 随着电力系统的扩大，大容量机组的投运，短路容量不断增大，严重影影响到 整个电力系统的安全稳定运行。而在各种类型的短路中，以单项短路最为常见、三 相短路最为严重。应此我们选择计算母线发生单相或三相的短路电流，取其较大者， 与开关设备的额定短路电流比值的百分数，就是该母线的短路水平。短路水平是系 统稳定的重要指标，如果短路水平较大超过稳定要求，一旦发生故障，就可能造成 系统稳定的破坏。 为了评估方便我们一般取平均短路电流水平，即系统中短路电流超过其额定值 岛 的母线有甩条，短路水平分别为毋，则平均短路水平定义为：l 。 华北电力大学硕士学位论文 用b p a 进行短路电流计算时，需要将潮流数据文件和稳定数据文件进行扫描， 计算结果将按照选定的输出方式进行输出。 3 4 暂态稳定校验 目前常见的评价电力系统暂态稳定的指标是极限切除时间。根据等面积定则能 够确定出最大摆角k ，以确定系统的稳定性，如果在在某一切除角时，加速面积 等于减速面积，则系统处于稳定的极限情况，大于这个角度切除( 即大于这个时问 切除) ，系统将失去稳定。所谓极限切除时间就是发电机转子抵达极限切除角所用 的时间。 极限切负荷时间反映了系统的暂态稳定水平，时间越大，表明系统稳定性越好， 抗干扰能力越强。我们可以通过仿真计算得到极限切除时间。 在分析评估中我们采用平均极限切除时间，即要观察的关键节点有玎个，其中 月 互 第i 个节点的极限切除时间为z ，那么平均极限切除时间为：止。 以 在集成平台下，将稳定数据填写后，与相应的潮流计算结果匹配后进行仿真计 算，程序会已摇摆曲线的形式表明在预设时间内是否失稳，并将用户所需的结果输 出。 3 5 断面稳定限额计算 对于一个较大的电力系统，断面的暂态稳定限额和热稳定限额是衡量电力系统 稳定性的重要指标。因此，必须对重要输电断面进行分析计算是很有必要的。 电力系统暂态稳定传输功率极限是指为保证系统暂态稳定，某一输电线路或某 一传输功率截面允许传输的最大有功功率。当该传输功率大于暂态稳定极限传输功 率时，若发生故障，系统将失去暂态稳定。 电力系统热稳定传输功率极限是指为保证系统热稳定，某一输电线路或某一传 输功率截面允许传输的最大有功功率。当该传输功率大于热稳定极限传输功率，持 续一定时间后，系统将失去稳定。 断面限额计算步骤： l 、热稳定极限计算步骤： ( 1 ) 计算线路1 2 倍额定电流下的潮流： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 在上述潮流收敛的情况下计算n 1 ，如果有过载线路，则停止计算，统计 过载线路； ( 3 ) 如果没有过载线路，则在潮流文件中修改负荷：送端节点降低负荷，受 端节点增加负荷；增加或降低的幅度视情况而定；回到( 1 ) ； 计算流程如图3 1 所示： 图3 - 1 热稳定计算流程图 2 、暂态稳定极限计算步骤： ( 1 ) 计算初始情况下的潮流； ( 2 ) 在上一步潮流收敛的情况下，校验断面的暂态稳定情况： a 校验断面组成线路的三相短路故障 b 校验与断面送端相连线路的三相短路故障 c 校验与断面送端相连母线的三相短路故障 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 如果有一处失稳，则系统失稳；如果保持稳定，则在潮流文件中修改负 荷：送端节点降低负荷，受端节点增加负荷；增加或降低的幅度视情况而定； ( 4 ) 计算修改后的潮流文件的潮流，如果不收敛，则反方向调整负荷，如果 收敛，回到( 1 ) ； ( 5 ) 如果暂态校验下系统失稳，则失稳之前的系统为所求的极限情况； ( 6 ) 计算极限情况下的潮流，求出断面联络线潮流之和，即为所求的暂态限 额。 流程如图3 - 2 所示： 图3 - 2 暂态稳定极限计算流程图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第四章主成分分析法介绍及应用 主成分分析即p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( 简称p c a ) 是由卡尔( k a r l ) 和皮 尔逊( p e a r s o n ) 最早在1 9 0 1 年提出，只不过当时是应用于非随机变量。1 9 9 3 年霍 蒂林( h o t e l l i n g ) 将这个概念推广到随机向量。该方法是利用降维的思想，把多指 标转化为几个综合指标的多元统计分析方法【2 0 1 。 主成分分析的基本原理：主成分分析是一种数学变换的方法。它把给定的一 组相关变量通过线性变换转成另一组不相关的变量，这些新的变量按照方差依次递 减的顺序排列。在数学变换中保持变量的总方差不变，使第一变量具有最大的方差， 称为第一主成分，第二变量的方差次大，并且和第一变量不相关，称为第二主成分。 依次类推，8 个变量就有8 个主成分。通过主成分分析方法，可以根据专业知识和 指标所反映的独特含义对提取的主成分因子给予新的命名，从而得到合理的解释性 变量。各主因子的线性转换模型为： e = 叫x工= ( ，恐9 oo 9 矗) 式中：x = “，而，) 即原个m 相关变量。 玑是协方差阵的第j 大特征值( 丑) 对应的标准化特征向量。 在进行综合评价值时，首先以累计贡献率8 5 为界限，据此定出主因子个数。 再根据公式z = c r i + r 作出最后的评价。其中c r f 为各指标的权重，即根据主成 分的方差贡献率来确定。 4 1 主成分分析的模型及原理【1 - 9 l 。 关于多变量( 指标) 问题，由于变量较多，问题的复杂性急骤增加主成分分析法就 是研究如何把多个相关变量综合成一个或少数几个综合指标，而这一个或少数几个 综合指标又能最大程度地反映原来变量信息的一种多元统计分析方法。设 x = ( x 1 ，x 2 ，劫) 是一个p 维随机向量，其二阶矩存在，记以z ) = 厶d ( z ) = ，主成 分分析的基本思想是：选取常数向量，在 = 1 , i = l ，2 ，p ( 1 ) 的条件下，考虑它的线性变换： = l l x = 。墨+ + 。4 y 1 2 6 x = 1 1 1 2 x t 斗+ i n xp 1 7 华北电力大学硕士学位论文 y p - - 1 ；x = 1 p x l + + i ”xp t 2 、 易见： f 么r ( 誓) = ，( 鬈，弓) = ，；，f ，_ ，= l ，2 ，p ( 3 ) 如果希望用x 来代替原来的p 个变量五，五，k ，这就要求写尽可能地反映原 来p 个变量的信息，由统计分析理论知道v a r ( r , ) 越大表示x 包含的信息越多，故应 在约束条件( 1 ) 下求五，使得g a r ( r , ) 达到极大，此时x 就称为第一主成分。如果一个 主成分不足以代表原p 个变量，考虑采用k 为了有效地代表原变量的信息，已有 的信息就不需要出现在e 中，即应有 c o y ( r , ，艺) = 0 于是，求艺就是在约束条件( 1 ) 和( 4 ) 下求厶，使得t a r ( t o 达到极大，所求的k 称 为第二主成分。类似地可以定义第三主成分、第四主成分，。一般地，x 的第f 个 主成分i t , = i ；x 是指：在约束条件( 1 ) 及c o y ( r , ，耳) = o ；他 九o ，它是主成分的方差，它的大小描述了各个主成分在描述被评价对 象上所起作用的大小。由特征方程式，每一个特征根对应一个特征向量 1 9 华北电力大学硕士学位论文 t ( t = ，z ，) c = 乞，z 1 + ：z 2 + + 0 z p ( 9 3 1 ，2 ，p ) 将标准化后的指标变量转换为主成分： t = - z j + z z ：+ + 乞乙 ( g = l 2 ，p ) ( 1 2 ) 曩称为第一主成分，五称为第二主成分，兄称为第p 主成分。 4 2 4 求方差贡献率确定主成分个数 一般主成分个数等于原始指标个数，如果原始指标个数较多，进行综合评价时就 比较麻烦主成分分析法就是选取尽量少的后个主成分 p ) 来进行综合评价，同时 还要使损失的信息量尽可能少。| 值由方差贡献率：圭以，兰以确定。 g 10 耐 4 2 5 对k 个主成分进行综合评价 先求每一个主成分的线性加权值= 白z 1 + ：z 2 + + 乞乙 ( g = 1 2 ，七) 再对 七个主成分进行加权求和，即得最终评价值，权数为每个主成分得方差贡献率： 以以，最终评价值： g t i tp f = ( t 疋取 ( 1 3 ) g = lg = l 4 3 主成分分析法在安徽电网解环评估中的实例应用 随着安徽经济的发展，负荷的增大，输送功率的不断扩大，5 0 0 k v 变电站和线 路的不断新建，安徽电网中5 0 0 k v - - 2 2 0 k v 电磁环网不断增加，严重影响了系统的 安全稳定运行，应此对电磁环网解环，分层分区势在必行。以2 0 0 6 年为水平年对 电磁环网问题进行分析： 5 0 0 k v 清当线投运后，在皖中电网南送段面上将形成三回5 0 0 k v 线路和三回 2 2 0 k v 线路的电磁环网，在过江断面上将形成三回5 0 0 k v 线路和两回2 2 0 k v 的电磁 环网，断面上2 2 0 k v 线路运行时间较长，输送能力较低，正常方式和n - l 检修方式 下一回5 0 0 k v 线路跳闸后潮流大量转移至断面上的2 2 0 k v 线路，使其不堪重负。 2 2 0 k v 线路输送能力制约了皖中电网南送断面和过江断面的输送能力，热稳定水平 低于暂态稳定水平。 造成上述热稳定极限额远低于暂态稳定限额的主要原因有三：一是同一断面上 的强5 0 0 k v 联络和弱2 2 0 k v 联络并存，当输送能力提高时弱2 2 0 k v 联络无法承受 华北电力大学硕士学位论文 5 0 0 k v 元件故障跳闸的潮流转移；二是江北电网的5 0 0 k v 中、东通道之间缺乏强有 力的横向联系，仅依靠中、东通道间的2 2 0 k v 若联系是无法满足要求的；三是相当 一批电源集中接入2 2 0 k v 电网，在同样的断面条件下，2 2 0 k v 联络线潮流相比偏大， 不利于提高输送能力。 考虑到上诉不利情况，决定采取解环运行方式。 4 3 1 初步方案的确定 根据实际运行情况和调度运行人员意见，我们提出两种解环方案： ( 1 ) 两条2 2 0 k v 过江线路断开( 西梁山一一长龙山，西梁山一一刘村) 。这样 安徽电网划分为江南、江北两个分区，由5 0 0 k v 线路连接。 ( 2 ) 在方案( 1 ) 的基础上我们将涡阳变一一颖州变；阜阳变一一蒙城变；西 梁山变一一滁县变，三条线路断开； 解环分析如图4 1 所示： 图4 1 解环分析图 4 3 2 利用主成分分析法对解环方案进行决策 计算流程框如图4 2 所示： 2 1 华北电力大学硕士学位论文 ： j i 黧。， | 竺 | 豁 蓁 辫孽嚣艨 = 求生成分缝拽搬投 l 麓定主赢分- 蛆己 = | 式鼙 置t 8 ， f 图4 - 2主成分分析法计算流程图 1 ) 指标体系的确定 这里我们将节点电压水平、线路及变压器负载情况、n 1 校验、系统网损、系 统有功裕度印值、系统无功裕度k v 值、短路电流水平、极限切除时间，做为解环 方案的评价指标体系。 为了方便起见，其中对其中几项指标做以处理，我们取其全网平均值或加权的 平均值作为指标的参数，这样处理后并不影响计算结果的准确性。 为方便计算我们现定义如下： a ) n 一1 校验不合格线路和变压器数乃( 个) ，节点电压值越限个数尼( 个) ， 过载线路数和变压器数乃( 个) ，线路和变压器负载率儿，网络损耗咒( m w ) ，有 功裕度( 印) 甄，无功裕度( k v ) 乃，短路电流水平虬，极限切除时间玛( 周波) 。 kk 其中：l q , = l ( 平均节点有功裕度) ，k v = l ( 平均节点无功裕度) ； 甩开 儿为全网平均短路电流水平；乃为关键节点平均极限切除时间。 b ) 原始方案( x ) ，方案一( 玉) ，方案二( 而) 。 2 1 通过仿真计算得到原始方案指标阵x ( 已进行适当变换) ： y ly 2y ，y y 5y 6y 1y ty 9 茗- 1 0 2 - 72 6 7 2 一1 8 3 41 6 4 20 7 6 9 3 1 6 81 l 五一1 2 2 8 2 7 5 1 8 7 1 1 4 8 8o 7 7 1 3 0 8 71 3 2 而一1 2 4 1 0 2 8 6 8 1 8 9 21 1 2 2o 7 8 5 2 9 71 3 5 3 ) 利用公式( 1 0 ) 将其标准化后得到标准化矩阵： 华北电力大学硕士学位论文 飓 l 0 7 8 4 - 0 1 8 1 6 - - 0 8 9 6 7 4 ) 利用公式( 1 1 ) 从而得到其相关矩阵r ： 咒 o 7 9 5 7 o 3 2 6 8 - 1 1 2 2 5 1 0 0 0 00 5 0 0 00 7 5 5 9 o 8 0 1 60 9 3 3 90 6 8 9 2 o 5 0 0 01 o o o o0 9 4 4 9 - o 9 1 8 60 7 7 6 60 9 7 2 1 0 7 5 5 90 9 4 4 91 0 0 0 0 - o 9 9 7 30 9 4 0 00 9 9 5 3 _ o 8 0 1 6