（电力系统及其自动化专业论文）电网静态安全有功校正策略研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电网静态安全有功校正策略研究， 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：戆丛整 日期：兰堕! ：! ! 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。 晓密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：麴鳕塾接 日 期：一竺玉墨：! 兰 导师签名：拯竺盈 日期：迎! ：垡 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 电力作为洁净能源被利用以来，一直被认为是人类文明的重要标志之一。电力 系统最根本的任务就是在保证系统安全运行的条件下尽可能经济、有效的满足用户 的需求，保持对用户供电的持续性。伴随着现代经济和社会的发展，电力系统不断 壮大，功能日臻完善，系统容量不断增加，用电需求急剧增长，网络结构不断扩大 和复杂，系统所包含的元件数量越来越多，系统规模日益扩大，从而形成了所谓的 互联系统。 在互联系统中，系统元件出现随机故障的可能性日趋增加，从而引起系统功能 部分甚至全部丧失和用电损失，给现代社会的正常生产和生活带来巨大影响。而且， 随着现代电力工业的发展，对电力系统供电可靠性和安全性提出了更高的要求。电 力系统运行人员需要良好的系统安全分析工具，提供安全运行策略，以提高系统安 全运行水平。 电力系统一旦发生大面积的停电事故，就会在经济上造成巨大损失。特别是在 “8 1 4 ”大停电发生后，电力系统的安全性更是受到了前所未有的关注。因此，电 力系统的安全性分析显得日趋重要，成为近年来十分活跃的研究领域。 静态安全分析，是在系统发生预想故障后进行稳态运行情况的分析，主要分析 某设备退出运行后，是否会引起线路或变压器的过载，是否会引起母线电压越限， 并在给定条件下，给出消除过载和越限的系统调整策略。静态安全分析一般考虑线 路、变压器、母线和发电机等设备故障退出运行的情况。 静态安全分析主要由静态预想事故评定和预防控制组成，并利用在线潮流来分 析系统是否存在过载和越限，同时给出一些必要的预防策略，使得系统在预想事故 情况下出现的不安全状态转变为安全正常状态。预想事故评定，即对每一个预想事 故进行计算和分析，并校核是否有违限存在，是电力系统静态安全分析的主要任务。 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。 通常情况下，预防控制的经济代价较高，而且可能出现的静态紧急状态并不严 重，运行人员可以在事故发生以前不采取任何预防对策。而且，有时预防控制策略 是不可行的。因此，有观点认为1 1 1 ，预防控制是浪费的，应当允许系统运行在不安 全的正常状态下，任何预想事故的潜在过载和越限，在规定的控制时间内，可由校 正控制来完成，即所谓的校正策略分析。校正策略分析对每一种故障开断情况， 1 华北电力大学硕士学位论文 针对潜在的过载和越限，进行一次校正计算，以判断若出现静态紧急状态，是否给 予校正。实际上，校正策略分析是在故障发生后的新的网路结构下，根据一定的目 标函数，求解一个网络的最优化潮流问题。 此外，计算机、通信等相关技术的发展以及电力系统静态安全分析理论的日趋 成熟，为研制和开发电力系统在线安全分析工具提供了强有力的支持，具有重大的 现实意义。 1 2 国内外研究现状 随着经济的飞速发展，打破垄断，进行电力工业的市场化运作势在必行，为了 充分挖掘系统的潜力，提高系统的运行效益，系统中不少设备运行在接近极限的状 态。因此，保证系统安全运行的任务变得更加艰巨，电网的安全运行是电网调度运 营机构最重要的工作之一。实时的静态安全分析是系统运行人员用于保证系统安全 运行的一种有效的手段，也表明本课题的研究一直受到广泛关注。静态安全分析由 潮流计算、预想事故自动选择、预想事故评定和校正对策分析等部分组成。 1 2 1 潮流计算 潮流计算【3 】【8 l 是系统一切分析计算的基础。常规的潮流算法有牛顿一拉夫逊法、 p q 分解法和直流法等等。最具代表性的牛顿一拉夫逊法计算精度高、收敛性能好； p q 分解法结合电力系统的特点，在牛顿一拉夫逊法的基础上，利用高电压电力系 统的物理特性而得到的一种快速算法，其在内存需求和计算速度等性能方面都有所 提高。直流法计算速度最快，但精度较差，在规划设计和实时安全分析中仍然是备 选的一种潮流算法。迄今为止，各种潮流算法的计算机方法都比较成熟，为在线运 行和其他辅助分析提供了条件。 1 2 2 预想事故评定 预想事故评定【”，是根据系统中全部可能的扰动集合中的某一子集预想事 故集，来评定系统的安全性。预想故障集至少应包括的扰动有线路开断和发电机开 断。 传统的安全分析软件利用线性系统的重迭原理，直接解出故障后的状态变量， 具有简单、快速、便于在线运行等优点，但往往精度较差。目前较成熟的方法有： 直流法、分布系数法和补偿法。 直流法只能解出支路的有功功率潮流和节点电压相位角，而不能解出支路无功 功率潮流和节点电压模值；分布系数法是在已知系统正常状态的潮流分布的基础 上，快速估算故障影响的方法。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。 2 华北电力大学硕士学位论文 目前，随着计算机技术的发展和各种算法的改进，开发人员更倾向于连续的用 完全交流潮流计算分析所有可能的预想事故。 1 2 3 预想事故自动选择 预想事故自动选择【1 j ( a u t o m a t i cc o n t i n g e n c ys e l e c t i o n ) 要求能够快速的在当 前系统的运行状态下，通过快速的模拟所有的可能事故，按照每一可能的预想事故 对系统造成的后果严重程度，排列出预想事故一览表。预想事故对系统的影响，用 各种行为指标来表示，其算法的有效性，通常用“俘获率”来衡量。比较具有代表 性的分析方法有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 校正对策分析，是通过系统中可控变量的调整控制，来解除线路潮流的过负荷 和母线电压的越限等等电力系统安全校正算法主要包括：灵敏度分析方法、线性 规划方法和非线性规划方法。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 本文完成的项目背景 本文结合鄂尔多斯电业局的重点科研项目“智能调度决策支持系统”，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、网络接线分 析、预想事故筛选、开断计算和校正控制对策于一体。 1 ，3 2 本文完成的主要工作 结合鄂尔多斯地区电网的特点，本文主要完成了以下工作： 1 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，特别是在模拟系 统某元件故障时，局部修正系统网络元件的联接点一联接点的相互关系。 2 艉出了一种基于上述网络接线分析和灵敏度的预想故障筛选方法。避免了不 必要的潮流计算，加快了预想故障分析速度。完成了预想故障筛选分析程序的编制。 3 采用完全的a c 潮流计算进行静态安全评估，并且精度和速度都能满足在线 计算的要求。 4 本文在有界变量线性规划算法的基础上，提出用基于反向等量配对的启发式 搜索方法来提高计算速度和有效性，进行安全校正对策分析。完成了故障前后校正 对策程序的编制。 5 完成结果显示、系统安全评估报告和安全对策报告程序的编制。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章网络接线分析与预想故障筛选 2 1 网络接线分析 2 1 1 概述 网络接线分析0 1 主要用于实时网络状态估计、调度员潮流、预想故障分析和调 度员培训模拟等网络分析应用软件，它要求有较好的可靠性、方便性和快速性。 网络接线分析就是根据开关刀闸状态和网络元件状态由电网结点模型产生电 网的母线模型的过程，用于确定整个地区电网的电气连通关系，进行节点和电气岛 的编号。结点模型，是对网络的原始描述，输入数据用此模型；母线模型也即计算 模型，在结点模型中去掉阻抗为零的元件( 闭合的开关刀闸以及一些极短的连接 线) ，形成母线模型，它与网络方程联系在一起，并且随开关状态而变化。这种变 化将导致潮流计算的节点导纳矩阵的变化，关系到网络安全分析的有效性。 2 1 2 网络接线分析基本步骤 地区电网接线分析要求能够处理地区电网复杂多样的主接线方式和大量的t 接 线。电力系统的许多分析计算都是以潮流计算中形成的节点导纳阵为基础的，网络 结构的改变，即用于计算的母线模型的变化直接导致了节点导纳阵的改变【3 1 【羽。因 此，正确而有效的进行网络接线分析就显得尤为重要。 系统中的开关和刀闸只有闭合与断开两种逻辑状态，所以可以用于唯一确定其 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；反之，其两端的元件不连通，有可能分属两个不同的节点。所以开关刀闸的逻 辑状态可以决定元件的连通性，进而最终决定整个网络的连通性。 因此，网络接线分析的主要任务是在获取电网实时开关、元件等网络结构信息 的基础上，根据开关实时逻辑状态，自动划分电网为多个内部连通的子系统，计算 节点数。 为了方便地与其他计算程序进行数据接口，接线分析除了一般的基本步骤外， 还应给出各母线节点的节点注入功率，计算和分配实时量测经状态估计后的数据 t t i 。因此，具体步骤如下： 第一步，厂站母线接线分析。这一步的接线分析仅限于某一变电站内，其主要 任务是根据开关的开合状态和元件的退出恢复状态，分析某厂站内的元件由闭合 的开关刀闸联接成多少个节点，其结果是将厂站划分为若干个母线节点。节点本质 上是由无阻抗的、连接在一起的设备组合。 第二步，系统网络接线分析，在第一步的基础上，其主要任务是分析整个电网 4 华北电力大学硕士学位论文 的母线由闭合支路( 线路和变压器等值支路) 连接成多少个电气岛，将通过支路连 通在一起的节点划分为同一个连通子系统，并归纳各个电气岛的支路和节点的连接 关系。 第三步，状态估计后的节点注入量的分析，其主要任务是根据第二步划分的带 电电气岛，将各节点注入量( 主要是发电机功率与负荷功率的代数叠加) 归结到各 母线节点上。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 1 3 网络接线分析方法的改进 2 1 3 1 传统的接线分析的问题 对网络进行接线分析是电力系统e m s 高级应用的第一步。在n 1 安全分析中， 要形成所有或者既定选择的故障设备退出系统运行后的系统网络接线结构，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。 特别是在存在大量自动控制装置的地区电网中，例如，安装有大量备用电源自 动投入装置( b z t ) 的电网中，设备故障后，网络接线变化更加复杂。因为在故障 发生后，不仅有保护装置将故障设备相关的开关刀闸断开，同时，系统自动控制装 置会根据设定好的动作逻辑，控制相关开关刀闸的动作。这些设定好的动作逻辑又 与故障设备退出运行后相关的设备是否带电有关【1 0 l 。因此，在这种情况下，故障后 的接线分析达两次之多，给接线分析提出了更高的要求。 传统的接线分析，当开关状态发生变化后，需要重新在每个厂站内搜索联接点， 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的重复搜索，不 可避免地造成时间上的浪费f 7 1 f 1 2 1 。 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。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 用局部接线分析可以节省很多时问。 传统的网络接线分析的第二步是以图论为基础，从节点开始，再通过支路搜索 支路另一端节点，进行网络结构的分析与判断，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，降低了接线分析的速度；并 且由于其算法是围绕着“节点关联度”进行的【2 】，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性，结构不合理。 2 。1 3 2 改进的接线分析方法 本文对传统接线分析的第一步和第二步分别进行了改进，分别是相关联接点局 5 华北电力大学硕士学位论文 部修正法和节点一支路搜索法。 2 1 3 2 1 相关联接点局部修正法 1 1 联接点的搜索 本文首先搜索出系统中所有的联接点，并由分析可知，系统中所有开关刀闸的 两端点包含了绝大部分的联接点。 b r e a k l 图2 - 4 开关及其两端联接点 由图2 - 4 所示，a 和b 分别表示开关b r e a k l 两端的联接点，联接点可以是母线 元件、支路某一端点或者是开关刀闸之间的点。本文采用b p a t 2 3 1 ( b o n n e v i l l ep o w e r a d m i n i s t r a t o r ) 建立系统模型，因此还应把三绕组变压器的中性点看作一个特殊的 联接点。在下面的网络接线分析之后会发现，这些中性点就是单独的一个计算节点。 通过分析发现，系统中存在大量的接地刀闸，而这些刀闸对形成网络的母线模 型没有直接影响。因此，在搜索所有联接点的时候，首先剔除所有接地刀闸，大大 提高了软件的运行效率。 通过搜索所有的除地刀外的开关刀闸( 先不考虑其逻辑状态) ，就找到了系统 中的绝大部分联接点以及任一联接点所处的所有开关刀闸( 形成联接点一开关关联 表) ，并按照搜索顺序，给各个联接点和开关刀闸一个唯一的索引。同时，给双端 元件的两端点、开关刀闸两端点以及母线元件赋予其所在联接点的索引，为网络接 线分析的第二步做好准备。这样，每个联接点就有一个唯一的i d 标识，经过接线 分析后，每个联接点所在的拓扑节点和系统编号不经过任何的循环搜索就可以获 悉，为快速识别元件所处状态做好了准备。通过编制软件、实际验证和应用，证明 该方法快速、正确、有效，适应软件在线运行的需要。 2 ) 联接点一联接点 网络分析就是要把同属一个母线节点的联接点捏合在一起，形成一个计算节 点。联接点之间通过闭合的开关和刀闸相互联系。本文在搜索到所有联接点之后， 形成联接点一联接点之间的相互关联的关系。例如，如图2 4 中的开关是闭合的， 那么我们称a 和b 两个联接点关于开关b r e a k l 是相互关联的，反之，则不相关联。 通过遍历所有的开关刀闸，并根据其开合状态和两端所在联接点的索引，可以找到 与任一联接点相关联的所有联接点，这在进行网络接线分析的第一步中至关重要。 6 华北电力大学硕士学位论文 a 一 b ，c ，) 图2 - 5 联接点与其相关联的其他所有联接点 由图2 5 所示，a 表示某联接点，b ，c 表示与联接点a 相关联的其他所 有联接点，也即，联接点a 所在的所有闭合开关刀闸另一端点的联接点的集合。而 且，这种联接点一联接点的关系是相互的，如上所述，联接点b ，c 所包含的 与其相关联的联接点一定包括联接点a 。 3 ) 相关联接点的局部修正 一般来说，电力系统在一段时期内的所有物理设备是相对固定不变的，通过开 关刀闸的操作来达到改变运行方式的目的。同时，还应该注意到，系统运行方式的 改变或者故障时开关刀闸的动作个数相对于整个系统的开关刀闸的个数来说是少 量的。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。 因此，本文从现场取一个实时断面以后，首先搜索出了系统中的所有联接点， 在一次安全分析中该联接点的集合一经形成就被保存下来。而后，形成某一实时断 面各联接点之间的相互关系，确立基本的元件连接关系。后续的预想故障态下的系 统各个元件拓扑关系，可以在初始状态的联接点相互关系的基础上只修正动作开关 刀闸两端联接点的相互关系。具体操作如下： a 圈 b 邕盛翻 b r e a k l a 一 b ，c ，) b 啼( a ，d ， - - - 卜 a 一一b b r e a k l a 一 c ，) b 一 d ，) 图2 - 6 联接点一联接点修正示意图 由图2 6 所示，首先根据动作开关b r e a k l 的索引找到其两端点所在的联接点 的索引，再根据其由闭合到断开的状态变化，修正两端联接点相互关系，若开关状 态变化过程相反，则作相反的修正操作。 有了上述的准备后，根据文献【2 l 进行接线分析的方法，每次只进行联接点的捏 7 华北电力大学硕士学位论文 合。在进行系统安全分析时，取一个实时断面并保存下来，一次形成联接点一联接 点基本关联表，在模拟故障有开关动作后，局部修正联接点一联接点关联表，并采 用“广度优先”【2 l 的方法，重新进行拓扑节点编号。 2 1 3 2 2 节点一支路搜索法 改进的网络接线分析根据支路与节点之间的必然关系，通过节点一支路的关 系，使用直接的支路搜索法，去掉了原来的接线分析中冗余的信息量的处理。由于 在网络接线分析的第一步中剔除了接地刀闸，因此，也就忽略了接地支路，就可以 进行子系统的快速搜索。主要的思路如下；无论网络接线分析怎样进行，都离不开 节点一支路的相互联系，原来的网络接线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，一条支路所连的 节点却一定是两个。 根据上面的思路，首先可以直接根据各支路两端点所在的联接点，找到所有支 路两端点所在的节点( 即联接点所在的节点) ，同时形成节点一节点关联表。 l a 雹麓 一b r + j x 图2 - 7 支路及其两端节点 由图2 7 所示，a 和b 分别表示支路l 两端的节点，r + j x 表示l 的支路阻抗。 如上，a 和b 是支路l 两端的节点，那么，我们称节点a 和节点b 关于支路l 是 相互关联的。与形成联接点一联接点关联表的方法类似，在网络接线分析的第二步， 形成节点一节点关联表，方法相似。所不同之处就在于，只要是分属某支路两端的 节点，必是相关联的。因为，支路的状态是由支路两端联接点所在的开关刀闸的逻 辑状态所决定的，而在网络接线分析的第一步中，我们已经搜索和分析了所有的开 关及其状态。 有了上述的节点一节点关联表后，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，判断某支路是否属于本 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，结束常规网络接线分析。 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。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 2 3 节点注入功率与故障损失负荷功率 根据网络接线分析的第三步，要给出每个节点的注入功率。在网络的正常状态 下，所有节点的注入功率代数和为零，即所有发电机出力满足所有的负荷需求( 包 括网络损耗) 。地区电网最重要的是要保证持续有效的供电，而有的设备发生故障 后会造成有些负荷失去有效的供电路径。因此，在进行安全分析时，不仅要给出相 关设备的越限信息，还要给出故障发生后会造成系统失掉多少负荷。在正常状态或 是故障状态下，网络接线分析第三步可根据第二步求出的节点一子系统表划分出带 电电气岛和死岛( 不带电子系统) 。判断的依据是，子系统内既有电源又有负荷则 该子系统为带电电气岛：没有电源或既没电源也没负荷的则为死岛。在模拟的故障 状态下，有些负荷失去了有效的供电路径，在实时截取的断面下，会出现没有电源 但是有负荷节点功率注入的子系统，假若故障真的发生，这些负荷实际上被系统甩 出，即为系统损失的负荷。这样，故障状态下还计算出了系统由于故障失去的负荷 量，可供运行人员参考、分析和判断故障的严重程度。 2 1 3 2 4 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 1 读入相关数据。 2 ) 由除地刀外的开关刀闸以及变压器中性点搜索出系统中所有的联接点，并 给所有的联接点和开关( 刀闸) 编制索引。 3 ) 根据开关刀闸状态形成正常状态下联接点一联接点关联表、联接点一开关 ( 刀闸) 关联表 4 ) 给联接点所在的设备一个联接点的索引，通过此表可以迅速查找设备或设备 各端点所属节点和子系统。 5 ) 故障状态下，根据开关的动作，局部修正与动作开关相关的联接点一联接点 关联表。 6 ) 厂站内母线分析：根据文献【2 i 进行网络接线分析“广度优先”的方法，将所 有通过闭合开关( 刀闸) 连接在一起的物理节点划分为一个母线。 7 ) 根据所有支路两端点所在的联接点，找到所有支路两端所在节点，并形成节 点一节点关联表。 8 ) 网络分析：搜索所有的节点，将有电气联系的节点划为一个子系统，形成 节点一子系统表。 9 ) 计算各个节点的注入功率，故障状态下还要统计出系统损失的负荷量。 1 0 ) 输出节点一子系统对照表和支路一子系统对照表。 1 1 ) 网络接线分析结束。 若有开关操作，需执行接线分析，则转( 5 ) ；若无，退出 9 兰! ! 皇垄查兰堡主堂竺堡壅 步骤1 ) 2 ) 只做一次。步骤1 ) 1 1 ) 称为全网接线分析；步骤5 ) 称为联接点一 联接点关联表局部修正。对于安全分析的开关操作，可只从步骤5 ) 开始执行。 网络接线分析流程图如下所示： n n 图2 8 改进的网络接线分析流程图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 预想故障筛选 2 2 1 概述 预想事故的自动选择【1 1 ( a u t o m a t i cc o n t i n g e n c ys e l e c t i o n ) ，就是在实时条件下 利用电力系统的实时信息，自动地选出对应于某实时断面的有意义的预想故障集 合，并用一定的行为指标来描述每一故障对系统造成的危害严重程度，按其顺序排 队给出一览表。所谓有意义的预想故障是指，故障发生后会引起某些支路潮流过载、 某些母线电压越限等危及系统安全运行的预想事故。这样就可以不必对整个预想事 故集都进行详尽的计算和分析，只需对一览表中的故障逐一进行完全的a c 潮流分 析和安全校核等。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，通过筛选有意义的故障集合，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模拟故障元件开断的算法，这种模拟包括故 障元件退出运行后网络接线的变化以及网络潮流分布的变化，并要求在精度上能够 满足按照选定的行为指标进行快速排序的要求，即能够剔除那些对系统安全不构成 严重危害的预想事故，并将危害系统安全的预想事故按照其严重程度排队，输出预 想事故一览表。 预想事故自动选择模拟元件开断并计算得出预想故障一览表以后，要选择按照 行为指标排列在前面的一些预想事故，再用完全的交流潮流作进一步计算和分析， 以确定其对电力系统安全性的影响。在选择这些需要作精确潮流计算的预想事故 时，需要引进终止判据的概念。终止判据是指对一览表中的、需要进行详细交流潮 流计算的预想事故进行选择的判断依据。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安全造成影响或者影响不大，因而可以不必再用交流潮流 进行校验。 检验预想故障自动选择优劣的一大标准就是“俘获率”，由于一些a c s 算法的 局限性，不可避免的会出现遮蔽现象。所谓遮蔽现象就是某一个可能引起许多线路 出现重载但并未过负荷的预想故障，其行为指标反而等于或高于只有个别线路产生 过负荷的预想事故的行为指标。 a c s 算法的有效性，通常就用“俘获率”来衡量，定义如下： r n c a ( 2 1 ) 式中，叱表示a c s 算法得出的一览表里对系统有意义的预想事故的总数；。 表示实际对系统会造成安全危害的预想事故的总数。俘获率与定义全面的行为指标 和选择合理的终止判据有着密切的关系。因此，在进行a c s 算法研究时，应考虑如 何定义更加全面描述系统的行为指标和终止判据。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 预想故障筛选算法 2 2 2 传统的预想事故处理方法 在过去相当长的一段时间里，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的却很少，并没有提出一个 合理的分析准则。输电网e m s ( 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 1 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，通过前代回代得到开断后潮流，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。 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1 1 1 。 传统的对系统的所有可能的预想事故逐一的进行n 1 故障后的安全性进行评定 的方法严重占用系统资源，不符合在线运行的要求。n 1 故障大量全扫描的实践经 验表明，系统许多故障发生后，并不会对系统的安全运行造成影响。因此，快速、 合理与有效的选取相对严重的系统故障集合，然后对其进行完全的a c 潮流计算与 安全校核，成为了电力系统静态安全分析在线运行的关键所在。 近年来提出了许多关于进行预想事故选择的方法，其中包括经典的f d l f - 1 法、 负荷卸除法、分布系数法、提供最大载荷能力法【l l ，这些方法在计算速率和故障捕 获率方面各有偏颇；许多学者还提出了基于a n n 技术【2 1 1 、考虑故障发生概率【2 甜、 零增量潮流f 2 4 】等等进行预想事故筛选的方法，并根据一定的原则计算相关行为指标 来对故障严重程度进行排序。 2 2 2 2 故障筛选算法描述 本文首先基于系统初始状态和2 1 节所述的改进的网络接线分析方法，通过快 速接线分析和失负荷率计算进行一次粗筛选；然后，在系统不发生解裂的故障集中， 根据灵敏度对系统潮流进行粗修正，筛选出故障后会对系统造成严重安全危害的故 障集。这样既节省了大量的机时，又保证了一定的故障俘获率，具有在线运行的意 义。支路型故障一般占系统故障的绝大部分，因此，本文在进行故障筛选时，主要 针对该类型的故障。而且，由于发电机故障后会造成系统存在功率缺额，本文认为 是严重故障，直接进行校正对策分析。 华北电力大学硕士学位论文 本文采用不再出现系统解列和越限为终止判据，因此比较全面，不会漏掉对系 统有意义的预想事故的分析。通常，筛选出的严重故障只占所有故障的一小部分。 算法第一部分进行粗筛选，关键在于进行快速网络接线分析；第二部分关键在于支 路潮流对控制节点对灵敏度的计算。 2 2 2 2 i 算法第一部分：初始故障集筛选 实际电力系统中，若某故障造成系统解裂，是比较严重的，要进行分岛计算。 系统是否解裂可采取多种方法进行判断。采用传统接线分析方法，能保证结果准确， 但搜索量大，耗费机时。文献 2 5 采用基于因子表的分解表对角元素项的方法进行 判别。该方法按照快速分解法分解描述系统的电纳阵丑后，考察因子表的对角线是 否有零元素，有则系统解裂，反之，系统未发生解裂。 本文采用2 i 节所述的改进的网络接线分析方法，首先，将故障后接线分析所 得的子系统数与正常运行状态下的子系统数进行比较，判断系统是否发生解裂，是 则立即将该故障列入严重故障集合；然后，根据接线分析的第三步，故障状态下统 计出系统所失负荷量，判断故障对系统的严重危害程度 因此，通过上述的筛选，初始故障集合被分为：造成系统解裂的故障集合， 即严重故障子集i ；未造成系统解裂故障集合。在本算法的第二部分，就只要对 故障集合做进一步的筛选。这样，不仅判断准确、计算速度满足要求，而且较符 合实际、缩小了进一步筛选的故障范围。 2 2 2 2 2 算法第二部分：基于灵敏度潮流粗修正的故障筛选 1 ) 灵敏度计算 根据改进的功率转移分配系数m i 瑚d f 2 7 1 的定义，可以得到节点注入单位有功 变化对支路潮流变化的影响，即下式： 。坐生娑掣 ( 2 2 ) k + x ” 式中s 为某支路盯有功相对于发电机控制节点k 有功注入的灵敏度，白，嘞分 别为支路可的电阻和电抗；如，r 戤邑，x m 分别为节点阻抗阵z 中对应下标元素的 电阻和电抗部分。 通过节点阻抗阵的计算和大量数值经验总结后发现，一般由节点导纳阵l ，求逆形成 节点阻抗阵z ，其矩阵元素中的电阻部分r 的数量级一般很小因此，上式分子中的第 一项可忽略不计。而且，本文灵敏度计算主要基于快速分解法中的b 和直流潮流( 在 第三章中有详细阐述) ，略去节点导纳阵y 中的电导部分，只保留电纳部分，并基于稀 疏矩阵理论对形成的节点电纳阵口进行因子化求逆得到节点电抗阵x 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 因此，式( 2 2 ) 可处理成如式( 2 3 ) 所示： s 。型# 掣( 2 - - 3 ) r ；+ x ； 式中x 。，工。分别为节点电抗阵x 中对应下标的矩阵元素，其它符号所表示的 意义同式( 2 2 ) 。 然而上述计算出的灵敏度是基于如下假设：当发电机节点注入功率变化后的系 统功率不平衡量，要由计算模型设定的平衡机来弥补。这样显然不符合电力系统的 实际情况和要求。 因此，在保持系统负荷不变的基础上，根据节点注入功率的反向等量配对调节 的原则冽 2 9 1 ( 在第四章中有详细阐述) ，本文按照支路对各个发电机节点的灵敏度 的正负符号及其绝对值大小，搜索形成两两灵敏度差值最大的两个发电机节点及灵 敏度差值品。，。，其物理意义为，在支路潮流变化量日相等的情况下，所选的 两个发电机节点注入功率的反向等量调整量最小。本文不将平衡节点发电机列入控 制节点的范畴。具体表达式如下所示： s | j m q m = s 酗p m “m s 争m t m 日汛t ( 2 - - 4 ) 式中勖阳。帕。为支路玎在s 缸中正灵敏度最大值，岛 舾。h 。为支路驴在趴中负 灵敏度最小值，它们对应的控制节点分别为坍、弹；昂。同上所述。 2 ) 基于灵敏度潮流粗修正的故障筛选 本文在此算法中假设某支路发生故障后，支路潮流为零，但保持原有的支路连 接关系。由于初始状态系统模型一经形成，其节点导纳阵不再发生变化，相应的支 路岛舌及岛。一也不需重复计算。本文还假设故障支路有功潮流为零完全是由其 瓯一一对应的控制节点埘，弗的节点出力变化引起的，暂时先不考虑r t i 和忍的节点 调节能力，求出相应的调整量屺和必，而且有必一蛾。上述的假设主要是基 于以下的考虑，即为了分析故障扰动发生后对系统安全造成的危害，那么，如果在 最小的注入功率变化的扰动下，系统发生越限，则认为该故障是严重的。 故障发生后，关键是要求出其他非故障支路潮流的变化。基于上述的各种假设， 还要求出非故障支路p q 对故障支路巧的控制节点对肼和厅的灵敏度昂铲。具体 表达式如下所示： 州2 ) 肿一j 胛 ( 2 - 5 ) 其中品 和焉啷。分尉表示支路朋分别对控制节点m 和甩的灵敏度。由于互附 和品。已经形成，这里只需要做简单的对应发电机控制节点搜索和减法计算，其占 用的机时相对整个算法流程来说是很少的。 有了上述的准备后，本文将对2 2 2 2 1 筛选出的故障集合中的各个故障下的 1 4 华北电力大学硕士学位论文 非故障支路进行潮流粗修正具体操作如下：根据以上求得的一和蛾( 屺) 的绝对量a p ，求得各非故障支路的有功功率的变化量a 厶 - s 月一。p ( 2 6 ) 潮流粗修正是在正常状态下初始潮流的基础上进行非故障支路的潮流修正。即 - 1 0 ) + 峨 ( 2 - - 7 ) 式中，p 0 。表示非故障支路经潮流修改后的有功功率，尸0 。表示非故障支路正常 状态下的有功功率。支路无功功率根据当前的功率因数进行相应的修正。每粗修正 一非故障支路潮流，就校核该支路相关限值。一旦发现有越限存在，即将该故障入 选到严重故障子集。就线路而言，校核该线路所允许的电流最大值。，就变压 器支路而言，校核变压器各端所允许的最大容量品。如此反复进行潮流粗修正与 校核，直到本环节故障集合里没有未经过筛选的故障为止这样，严重故障子集i 和i i 构成了最终的严重故障集合 2 2 2 2 3 相关处理 1 ) t 接线的处理 通过对实际电网模型的分析来看，存在着大量的t 接线路。t 接线是三端或三 端以上的多端输电线路的一种等值模型，在实际电力系统中是一条输电线路。为了 分析计算的需要，可以把t 接线看成是几条线路。根据断面和功率的定义【3 们，即某 几条线路按照各自方向的潮流之和，节点有功出力对断面合功率的灵敏度就是各节 点有功出力对断面中各支路潮流的灵敏度之和。本文在处理某节点有功出力对t 接 线灵敏度时，看成是某节点有功出力对某t 节点中所有支路的灵敏度之和，即 品。一s 印万) 岛i ( 2 - - 8 ) l 筒 式中s ，。表示某r 接线对控制节点k 的灵敏度；l 为某r 接线相关的所有线路 条数；本文定义功率流出t 接点时5 初西- 1 ，流入时s 劬巧) 一一1 ；驴表示与某r 接 线相关的支路；& 。表示同上，相应的也有岛妇。 2 ) 连接平衡节点支路的处理 在计算节点电抗阵时，首先划去了节点电纳阵中平衡节点所在的行和列。但在计算 各支路的品。的时候发现，连接平衡节点的支路在节点电抗阵中找不到相应的元素， 而且，平衡机一般不参与大的功率调整，本文在计算。时也将平衡机排除在相关 的控制节点范围外。本文认为连接平衡节点的支路一旦发生故障即为严重故障。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 4 算法流程图 图2 9 故障筛选流程图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 5 算例 从现场截取的兰州地区电网某个实时断面有3 8 5 个节点，5 0 1 条支路，1 1 9 台 变压器，2 7 台发电机。通过本文的故障筛选方法得到如下严重故障集合。与故障全 扫描相比较，笔者还发现故障筛选遗漏了1 1 1 7 中永二线和1 1 1 7 红张碳二线这两个 会引起越限的故障。但进一步分析还发现，该故障下引起的各个越限百分比远小于 5 ，不会对系统安全造成严重危害。 2 3 小结 图2 - - 1 0 预想故障筛选一览表 本章首先介绍网络接线分析方法以及本文的改进之处，主要包括相关联接点局 部修正法和节点一支路搜索法。然后介绍了基于改进接线分析方法的和灵敏度潮流 粗修正的预想故障筛选方法以及相关的假设和处理，并通过实例验证了该方法具有 一定的“俘获率”。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章静态安全评估 静态安全分析的一个重要任务就是要分析故障发生后对系统静态安全的危害 程度，即是否存在支路潮流越限或者母线电压越限的现象，以及越限的程度如何等 等。电力系统的静态安全分析就是对系统安全的一个评估，是根据系统中全部可能 发生的扰动集合的某一子集( a c s 筛选出的预想故障集合) 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。现在有不少对上述两种事故进行评 定的分析方法，而且几乎都利用了线性的迭加原理，因此可以直接求解出故障后系 统的各个状态变量，具有简单、快速、便于实时在线运行的特点，但也不可避免的 存在精度较差的问题。为了提高计算精度，应当参与常规交流潮流算法的迭代求解， 但这往往以计算机时的耗费为代价。近年来，由于计算机技术和各种算法的不断改 进，倾向于用完全的交流潮流计算支路开断后系统状态，而对于发电机的开断，其 对系统的危害无疑是严重的，应直接给出安全校正对策【1 】。 3 1 支路开断模拟 支路开断模拟，是根据当前截取的实时断面的正常运行状态下的电力系统，模 拟支路( 包括线路和变压器) 退出运行后系统网络接线和潮流分布的变化，并校核 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。 3 1 1 直流法 静态安全评定的直流法就是以直流潮流算法为基础来模拟单一或多支路开断。 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。 根据支路型等值模型，支路玎有功潮流可表示为下式； 只- 残g # 一v ，v g 口c o s0 f v ，v ，b h s i n09(3-1) 在直流潮流模型中，采取如下假设： ( 1 ) k ic t 阮i ，并且有三 n 孽 ( 2 ) 岛数值很小，则有s i n 岛一o ，岛- b 一巳 ( 3 ) 玑一【，其数值接近1 o “) 略去了线路电阻和所有对地支路 根据上述假设，可将式( 3 1 ) 可改写为： 1 8 华北电力大学硕士学位论文 b 。- 6 。( b 一) 。尘旦- b e o j一口f)(3-2)弓一也( b 一) 一孚 一嘭) 根据节点功率平衡方程： 只；乏弓 ( 3 j 1 j 蝉 将式( 3 2 ) 代入式( 3 - - 3 ) ，整理得， 耻积 一e j ) ，黔m 渺g ) 1 日，l 1 啕 - 啦+ 潞岛 ( 3 _ 4 ) 系统每个节点都有如式( 3 - - 4 ) 的等式成立，但考虑到系统所有节点注入功率 的线性相关性，除平衡节点外的所有节点平衡方程有如下的矩阵形式 p a o o ( 3 - - 5 ) 上式即为直流潮流模型。 矩阵或中的各个元素可根据下两式计算： 或- z 3 6 ) b；-一bq，ij(3-7) 由式( 3 5 ) 可以得出 0=bo一1p(3-8) 这样，就可以根据式( 3 2 ) 解算出各支路有功潮流。 当有支路开断后，同样，根据式( 3 - 5 ) ，或和口发生变化： p 一( 曰：+ t j , n x o + a 0 ) ( 3 9 ) 其中的衄可以由下式定义： a 8 = o o 0 0 0 j k 。一6 k 0 0 一6 h 上k 0 o 0 0 。0 其中o n 是被开断的支路。 1 9 ( 3 一1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 将式( 3 5 ) 带入( 3 9 ) 的展开式，并略去两增量的乘积式曲x a o ，可得 a 0 曰：。1 xa j b x o 因此，支路砌开断后支路玎的潮流为： 弓( q 。易( 色( 1 ) 一o j 0 ；反之，若七r 2 时，坼可以从它的上界值减少，即a k ( 0 。 假设由上式有七置，令以一i t + a k ，其他非基变量取值不变，那么，a k 所引 一五一妇t(4-55) z一-(cjgj)从(4-56) 华北电力大学硕士学位论文 因为变量的上限和下限约束，进基的非基变量的增量首先应该满足盐s 一， 而且，基变量应该满足k 主u 。，也即，l b i 一蜥：u 。首先考虑不等式 的左端厶s i 一幌，若瓦s 0 ，则从取任意正值不等式都成立；若瓦芑0 ，则由 匠一施k l mn - 得- a k 墨_ 4 - 。从而有 a k a k a k l 。m i n 生皇i 瓦，0 ) a k b r l “ 一 瓦 同理，对于右端不等式，有 a k 战：m i l l 孥i 瓦o ) 4 业 ( 4 5 7 ) 毕( 4 5 8 ) 一，一 、4 止 因此，应取 a kt m i n 扣i - l k ，a k l ，a k 2 ( 4 5 9 ) 若a k 一一l k ，则以由下非基变量变为上非基变量，同时根据式( 4 - - 5 5 ) 和( 4 - - 5 6 ) 更新基变量和目标函数值。若a k a k 。( 七2 ) ，则为进基变量，b ( h ) 为离 基变量，变为下非基变量( 上非基变量) 。此时，基变量中的元素e 佤) 的值更改为 如+ 战，其余元素和目标函数值仍按照式( 4 5 5 ) 和( 4 - - 5 6 ) 进行更新。 若有七r 2 ，令以一u 。一a k ，于是基变量和目标函数值也类似的有 一i + a k b i a i b-+厩(4-60) z 一三+ ( c j z j ) 址 同样，对于七有， 址战。m i n ! 些l 毛。o ) 。! 生 a k 口n ( 4 6 1 ) ( 4 6 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 a k a k ：。m i n 笔墨k ，o 竺乓生 ( 4 6 3 ) a ka s k 然后，仍然按照式a k m i n u 。一l k ，a k l ，a k ： 计算址的取值，基变量及目标函数 值的更新同上。 综上所述，有界变量线性规划法的流程图如图4 4 所示。 1 ) 引入松弛变量、人工变量等辅助变量，形成线性规划的标准形式； 2 ) 将系数矩阵a 进行分组，形成基变量、上非基变量和下非基变量对应指标集； 3 ) 根据基变量和非基变量的指标集计算目标函数初始值，获得初始基本可行解； 4 1 根据上界最优化定理判断当前基本可行解是否为最优解； 5 ) 选定进基的非基变量，计算址，和从：，并确定址和离基变量； 6 1 更新基变量和目标函数值； 7 1 快速更新新基的逆矩阵b - 1 ； 8 1 输出最优解和目标函数值，计算结束。 图4 - -