（电力系统及其自动化专业论文）紧急控制与校正控制的协调优化.pdf

山东大学博十学位论文 的电网结构、机组组合、母线注入和系统备用下的控制代价也不同。按典型的工 况和故障的确定性仿真及保守原则制定控制策略，其决策不但不经济，还有可能 带来危险的负效应。以旋转备用水平及频率特性为例，分析了随机因素对某实际 电网频率安全性的影响。 若用e c 来应对小概率高风险的不确定因素，则在大多情况下将发生过控； 若用c c 来应对概率大的不确定因素，则机会成本很高。应基于风险概念来协调 这两种在物理和经济特性上都互补的控制方式。配置e c 以减轻c c 的强度，追 加c c 来减轻e c 的保守性，并避免系统在预先未考虑到的严重故障下崩溃。二 者的协调非但关系到防御体系的强壮性，也影响到防御行为的经济性。以某实际 电网为例，考虑切除时间和负荷模型的不确定性，对其切机方案进行协调优化， 仿真结果表明优化后的控制方案风险代价显著减小。 切负荷( l s ) 控制既可由故障驱动( 即紧急l s ) ，也可由轨迹驱动( 即校正 l s ) 。大量不确定因素突出了它们之间协调的重要性。这是一个时变系统的动态 规划问题，需要处理各类稳定性约束、高维混合决策空间中的寻优及控制措施之 间的非线性交互等难题，只能采用解耦优化聚合协调的方法求解。首先用稳定 性量化分析软件f a s t e s t 分析不确定因素下的稳定性，然后分别优化故障驱动 的l s 及轨迹驱动的l s ，在优化其中之一时，将另一个的最新迭代结果作为仿真 的外部场景，迭代到预想故障集的风险总代价不再明显减小为止。考虑某实际系 统的预想故障、负荷模型和负荷水平等不确定因素，仿真证实该协调优化方法在 保证系统稳定性的前提下，显著减少了控制的风险。 解列控制既可由故障驱动( 即第二道防线中的故障解列) ，也可由轨迹驱动 ( 即第三道防线中的失步解列) 。对于完全确定性的理想情况，只需要考虑故障 解列，以减少对系统的冲击；但客观存在的不确定因素模糊了连锁解列的充要条 件，突出了失步解列及两者协调的重要性。将解列后，使各孤立子系统稳定的最 小控制代价与故障概率的乘积之和作为解列风险，并按该指标协调两种解列方 案。采用“在线预算，实时匹配”的方法提高故障解列的自适应性：由控制中心 站、就地主站和解列装置组成自适应失步解列系统。其中，控制中心站负责应对 振荡中心的转移；就地主站按断面功率或风险代价在线判断最优的解列割集。通 山东火学博十学位论文 过仿真验证了其有效性。 本课题受国家自然科学基金重大项目( 5 0 5 9 5 4 1 3 ) 及国家电网公司科技项 目( s g k j 2 0 0 7 1 9 8 & 1 8 7 & 2 0 0 9 ) 助，所得研究成果不仅具有理论上的意义，更 期望通过与工程现场的磨合，早日为全国电网互联和市场化运行提供实用的稳控 优化工具。 关键词：扩展等面积准则；随机因素；风险代价；解耦优化；聚合协调； i i i 山东大学博士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ - i - _ _ - _ _ - - _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ 。_ _ - 。_ _ _ _ 。_ - 。_ - 。1 。 a b s t r a c t t h ea d v a n c e m e n to fi n t e r c o n n e c t e dp o w e r 酣d sa n de l e c t r i c i t ym a r k e t sp r o v i d e s s t r o n gs u p p o r t s f o re c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f 0 1 1 1 c o u n t r y m e a n w h i l e ，i ta l s ob r i n g sn e wc h a l l e n g e st os e c u r i t y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m s b e c a u s es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m s a l ec l o s e l yr e l a t e dt o c o n s t r u c t i o na n ds t a b i l i t yo fo u rc o u n t r y ，i ti si m p e r a t i v et od e v e l o pn e ws t r a t e g i e st o d e f e n dp o w e rs y s t e m sb l a c k o u t s ，e n s u r es e c u r i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m i c a lo p e r a t i o n o fp o w e rg r i d s c l o s e d - l o o pd i s c r e t ec o n t r o l i st h em a i nm e a n so fm a i n t a i n i n go p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m sa f t e rl a r g ed i s t u r b a n c e ，i n c l u d i n gg e n e r a t o rt r i p p i n g ，l o a d s h e d d i n g ，s p l i t t i n g ，a n d s oo n t h e s em e a s u r e sc a nb ed i v i d e di n t of a u l t d r i v e n e m e r g e n c yc o n t r o la n dt r a j e c t o r y - d r i v e nc o r r e c t i o nc o n t r 0 1 c u r r e n tr e s e a r c h e sf o c u s o nh o wt om i n i m i z ec o n t r o lq u a n t i t yo rc o n t r o lc o s to fm e e t i n gs t a b i l i t yc o n s t r a i n t s c o n t r o ls c h e m e sr e l yo ns y s t e ms i m u l a t i o n sa n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s ，a n dt h e d e c i s i o n m a k i n g i sc a r r i e do nw i t hd e t e r m i n i s t i co p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，m o d e l s ， p a r a m e t e r s ，a n df a u l ts c e n a r i o s t h e d e c i s i o n m a k i n gf a c t o r so fc l o s e d l o o pd i s c r e t ec o n t r o li n c l u d em o d e l sa n d p a r a m e t e r s ，o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，a s s u m e df a u l t s ，o b j e c t i v ef u n c t i o n s ，c o n s t r a i n t s ， c o n t r o lv a r i a b l e sa n de x e c u t i o nt i m e c o n t r o ls t r a t e g i e sc a nn o tb eo p t i m i z e dw i t h o u t r e l i a b l ea n de f f i c i e n ts e c u r i t ya n ds t a b i l i t yq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa l g o r i t h m s e x t e n d e d e q u a la r e ac r i t e r i o np r o p o s e st h es w i n gs t a b i l i t yc o n c e p to fh i g h d i m e n s i o n a l d i s t u r b e dt r a j e c t o r i e sa n dt h em e t h o d so fa s s e s s i n gs t a b i l i t ym a r g i no fe v e r ys w i n g i t p r o f o u n d l yr e v e a l st r a n s i e n ts t a b i l i t ym e c h a n i s ma n dl a wo fn o n a u t o n o m o u sa n d n o n l i n e a rm u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e m s c o n s i d e r i n gs e c u r i t ya n de c o n o m yo fp o w e r s y s t e m s ，t h ed i s s e r t a t i o no p t i m i z e se ca n dc c ，a n dc o o r d i n a t e st h e mb yu s i n g f a s t e s ts o f t w a r ep a c k a g e 山东大学博七学位论文 e ci saf e e d f o r w a r dc o n t r o ld r i v e nb yf a u l t s i t sl a gt i m ei sv e r ys m a l la n d c o s t p e r f o r m a n c er a t i oi sl a r g e b u ti t sd e c i s i o nt a b l e sa r em a d ea c c o r d i n gt ot y p i c a l s c e n a r i o s t h es c e n a r i oe r r o r sm a y b el e a dt os e r i o u so v e r - c o n t r o lo rd e f i c i e n t c o n t r 0 1 c ci saf e e d - b a c kc o n t r o ld r i v e nb y t r a j e c t o r i e s i t i se x e c u t e da f t e ri n s e c u r e p h e n o m e n ao c c u r , s oi t sc o s t p e r f o r m a n c er a t i oi ss m a l l b u ti t sf e e d - b a c kl a wc a n a v o i do v e r c o n t r o la n dd e f i c i e n t c o n t r 0 1 t h ed i s s e r t a t i o nc o m p a r e st h ec r i t e r i o n ， e x e c u t i o nt i m e ，c o s ta n dp r e c i s i o no fe ca n dc c ，a sw e l la st h e i rg e n e r a t o rt r i p p i n g ， l o a d s h e d d i n ga n dn e t w o r ks p l i u i n ga c t i o n s t h e i ro p t i m i z e ds t r a t e g i e s w i t h d e t e r m i n i s t i co p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n df a u l t sa r ea l s od i s c u s s e d p o w e rs y s t e m sa r er a n d o m d i v e r s es t o c h a s t i cf a c t o r sa r ed i v i d e da c c o r d i n gt o o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n df a u l t s f a u l t sw i t hd i f f e r e n tl o c a t i o n sa n dt y p e si m p a c to n s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m sd i f f e r e n t l y t h ec o n t r o lc o s t so fs a m et y p ef a u l t sa r e d i f f e r e n tw h e nt h e yo c c u ra td i f f e r e n tg r i dt o p o l o g i e s ，u n i tc o m m i t m e n t , i n j e c t i o n p o w e ra n ds y s t e mr e s e r v e i ti sn o te c o n o m i c a la n dm a y b eb r i n g sa b o u tn e g a t i v e c o n t r o le f f e c t st om a k ec o n t r o ls t r a t e g i e sb yd e t e r m i n i s t i cs i m u l a t i o nw i t ht y p i c a l c o n d i t i o n sa n df a u l t sa c c o r d i n gt oc o n s e r v a t i v e p r i n c i p l e s w i t hc o n s i d e r a t i o no f n o n d e t e r m i n i s mo ft i e l i n ep o w e r , c l e a t i n gt i m e ，l o a dl e v e la n dl o a dm o d e l s ，t h e i n f l u e n c eo fs t o c h a s t i cf a c t o r so np o w e ra n g l es t a b i l i t y , f r e q u e n c ys e c u r i t ya n dv o l t a g e s e c u r i t yi sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n so nac h i n e s ep o w e rs y s t e m s i fa l le m e r g e n c yc o n t r o li su s e dt oc o p ew i t hu n c e r t a i nf a c t o r so c c u r r i n gi ns m a l l p r o b a b i l i t ya n dh i 曲r i s k ，i tw i l lm o s tl i k e l yl e a dt oo v e r - c o n t r o l l e dr e s u l t si nm o s to f o p e r a t i o n a ls c e n a r i o s i fc o r r e c t i o nc o n t r o li su s e di nt h i sc a s et oc o p ew i t ht h ef a c t o r s t h a th a v eal a r g ep r o b a b i l i t yt oo c c u r ，t h ec o s tw o u l db eh i 曲i ti se m p h a s i z e dt h a tt h e c o o r d i n a t i o no ft h e s et w oc o n t r o lm o d e sw i t h c o m p l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c s p h y s i c a l l ya sw e l la se c o n o m i c a l l ys h o u l db eb a s e do nr i s ka n a l y s i s e cc a nr e d u c e c o n t r o ls t r e n g t ho fc c ；c cc a ba l l e v i a t ec o n s e r v a t i s mo fe ca n da v o i dp o w e rs y s t e m s b l a c k o u t su n d e r u n p r e d i c t e d s e r i o u sf a u l t s t h e i rc o o r d i n a t i o nc a n i m p r o v e a d a p t a b i l i t ya n de c o n o m yo fd e f e n ds y s t e m s c o n s i d e r i n gt h en o n - d e t e r m i n i s mo f c l e a r i n gt i m ea n dl o a dm o d e l ，s i m u l a t i o ns t u d i e su n d e r t a k e no nap o w e rs y s t e ms h o w v 山东大学博十学何论文 t h a tt h er i s kc o s to fo p t i m i z e dg e n e r a t o rt r i p p i n gs c h e m ei sr e d u c e do b v i o u s l y l o a ds h e d d i n gc a l lb ed r i v e nb ye i t h e rf a u l t s ( e m e r g e n c yl o a ds h e d d i n g ) o r t r a j e c t o r i e s ( c o r r e c t i v el o a ds h e d d i n g ) t od e a lw i t hm a n y n o n - d e t e r m i n i s t i cf a c t o r s ，i t i s i m p o r t a n t t oc o o r d i n a t et h e m a c c o r d i n gt oad e c o u p l i n g - o p t i m i z a t i o na n d g l o b a l c o o r d i n a t i o nf r a m e w o r k ，p o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n ds e c u r i t ya r ea n a l y z e dw i t h f a s t e s ts o f t w a r ep a c k a g ec o n s i d e r i n gt h en o n d e t e r m i n i s t i cf a c t o r s ，a n dt h e n f a u l t - d r i v e nl o a ds h e d d i n ga n dt r a j e c t o r y d r i v e nl o a ds h e d d i n ga r eo p t i m i z e d r e s p e c t i v e l ya n di n t e r a c t i v e l y d u r i n gt h ec o u r s eo fo p t i m i z i n go n eo ft h e m ，t h e n e w e s tr e s u l t so fa n o t h e ra r et a k e na sc o n s t r a i n e ds c e n a r i o s i t e r a t i o ni sc o n d u c t e d u n t i lt h et o t a lr i s ko fa l la s s u m e df a u l t si sn o tr e d u c e do b v i o u s l y w i t hc o n s i d e r a t i o n o ft h en o n d e t e r m i n i s t i cf a c t o r so ft h ea s s u m e df a u l t s ，l o a dm o d e la n dl o a dl e v e l ， s i m u l a t i o ns t u d i e su n d e r t a k e no nap o w e rs y s t e ms h o wt h a tt h eo p t i m a lc o o r d i n a t i v e l o a ds h e d d i n gs c h e m er e d u c e st h er i s kc o s to b v i o u s l yw i t hap r e m i s eo fm a i n t a i n i n g s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f t h ep o w e rs y s t e m s p l i t t i n gc a nb ed r i v e nb ye i t h e rf a u l t s ( f a u l t - d r i v e ns p l i t t i n gp e r f o r m e da tt h e s e c o n dd e f e n s el i n e ) ，o rt r a j e c t o r i e s ( o u t - o f - s t e ps p l i t t i n gp e r f o r m e da tt h et h i r d d e f e n s el i n e ) u n d e ra b s o l u t e l yd e t e r m i n i s t i cc o n d i t i o n s ，o n l yf a u l t d r i v e ns p l i u i n gi s n e e d e dt or e d u c e i m p a c t o n p o w e rs y s t e m s h o w e v e r , t h e r e a r e m a n yo f n o n d e t e r m i n i s t i cf a c t o r sw h i c hw e a k e nt h en e c e s s i t yo ff a u l t d r i v e ns p l i a i n gb u t e m p h a s i z eo u t o f - s t e ps p l i t t i n ga n dt h ei m p o r t a n c eo fc o o r d i n a t i n gt h e m m u l t i p l y i n g t h ec o n t r o lc o s to fa l li s o l a t e ds u b - s y s t e m sw i t l lt h es p l i c i n gp r o b a b i l i t yi sn e w l y d e f i n e da st h er i s kc o s to fs p l i c i n gc o n t r o lp r o p o s e da sa ni n d e xi nt h i sp a p e r , a n dt h e c o o r d i n a t i o ni sa l s ob a s e do nt h i si n d e x t h e n “o n - l i n ep r e - d e c i s i o na n dr e a l - t i m e m a t c h ”i su s e dt oi m p r o v et h ea d a p t a b i l i t yo ff a u l t s d r i v e ns p l i t t i n g t h ep a p e ra l s o p r o p o s e sa na d a p t i v eo u t o f - s t e ps y s t e mt h a tc o n s i s t so fac o n t r o lc e n t e r , l o c a l s p l i a i n gs t a t i o n sa n ds p l i t t i n gd e v i c e s t h ec o n t r o lc e n t e rw o u l dd e t e c tt h el o c a t i o no f a no s c i l l a t i o nc e n t e r a u t o m a t i c a l l y , a n dc o o r d i n a t ef a u l t - d r i v e n s p l i a i n g a n d o u t o f - s t e ps p l i c i n ga c c o r d i n gt ot h es p l i c i n gr i s k l o c a ls p l i t t i n gs t a t i o n sw o u l db e r e s p o n s i b l ef o ro n l i n es e l e c t i n gt h ec u t t i n gs e t so ft h ep o w e r 酊d s i m u l a t i o ns t u d i e s v l 山东大学博十学位论文 u n d e r t a k e no np o w e rs y s t e m ss h o wt h a t t h i so p t i m a la n dc o o r d i n a t i v es p l i c i n g s c h e m ei se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l t h i sp r o j e c ti sj o i n t l ys u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 5 9 5 4 13 ) a n ds t a t eg r i dc o r p o r a t i o no fc h i n a ( n o s g k j 2 0 0 7 1 9 8 & l8 7 & 2 0 0 9 ) e x c e p tf o rt h e o r e t i c a lv a l u e ，i ti sa l s oe x p e c tt op r o v i d ep r a c t i c a ld e c i s i o n m a k i n g t o o l sf o ri n t e r c o n n e c t i o na n dm a r k e t i z a t i o no fc h i n ap o w e rg r i d sb yi m p r o v i n gi n e n g i n e e r i n ge a r l i e r k e y w o r d s ：e x t e n d e de q u a la r e ac r i t e r i o n ；s t o c h a s t i cf a c t o r s ；r i s kc o s t ；d e c o u p l i n g o p t i m i z a t i o n ；g l o b a lc o o r d i n a t i o n ； v l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至查 日 期：塑幽：盐2 9 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至幽师签名： 山东大学博士学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第1 章绪论 电力系统是一个由发电机、变压器、输电线路和用电设备组成的复杂动态大 系统，分布地域广，电能生产和消费过程之间没有中间存储环节，时间常数小。 其数学模型是具有强非线性和非自治性的微分代数方程组( d a e ) ，其状态空间 的维数可高达数万，并带有连续和或不连续的时变参数。另外，扰动的场景可 能非常复杂，不但网络拓扑和参量可能相继突变，而且存在分层分散的人工干预 和自动控制 随着负荷的增长、送电距离的增加、大量高压直流输电( h v d c ) 和灵活交 流输电系统( f a c t s ) 的投运，现代电力系统的动态特性，包括同调性、失稳 模式和关键断面都越来越复杂。电力市场的开发突出了对优化和协调的要求，增 加了稳定分析与控制的难度。相继开断可能发生在不同的交流通道之间、直流通 道之间、交直流通道之间、送受端电网之间。继电保护装置的潜在故障、多馈入 直流系统与交流电网的相互影响、机组的非计划停运、受端无功支撑能力、低频 振荡、功角稳定和电压稳定等因素更增加了相继故障演化为大停电的风险。 电力系统的安全供电对于社会文明和国民经济都是至关重要的，世界各国均 不乏大停电的惨痛教训。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东北部、中西部和加拿大东部 联合电网发生了一连串的相继开断，最终导致了系统失稳，酿成了有史以来最大 规模的停电灾难( “8 1 4 大停电) 。1 0 0 多个发电厂，包括2 2 个核电厂，几十 条高压输电线路雪崩似地停运，系统失去了6 1 8 g w 的负荷，停电长达2 9 个小 时，扰乱了5 0 0 0 万人的生活，经济损失高达3 0 0 亿美元1 2 1 。 2 0 0 5 年5 月2 5 日上午，莫斯科电力公司司恰吉诺变电站在一个配电设备发 生短路之后，发生多次起火和爆炸事故，导致莫斯科南部、西南和东南城区及郊 区发生大面积停电，距莫斯科2 0 0 千米的图拉州以及卡卢加州的电力供应也受到 影响。这次停电事故先后涉及2 5 个城市，影响人口约1 5 0 2 0 0 万，给城市工业 山东大学博十学位论文 生产、商业活动和交通运输造成了严重影响。这次大停电意味着俄罗斯联合电力 系统长期无大停电记录的终结3 1 。 2 0 0 6 年1 1 月4 日( 德国时间) ，欧洲多国发生大面积停电事故，包括法国和 德国人口最密集的地区以及比利时、意大利、西班牙、奥地利的部分地区，法国 首都巴黎和德国工业重镇科隆、著名的鲁尔工业区都未能幸免。大多数地区在 3 0 分钟内恢复供电，最严重的地区停电达9 0 分钟。约10 0 0 万人受到影响，损 失负荷1 4 5g w 。此外，日本东京、巴基斯坦及我国海南等地区在最近几年也都 发生过严重的停电事故1 4 5 1 。 这些大停电事故给世界各国造成了严重的经济损失和社会影响，如何保证电 力系统安全稳定的运行就成为亟待解决的问题。研究大规模电力系统在扰动后的 动态行为及稳定机理，评估其安全性与稳定性，进行协调优化决策具有十分重要 的意义。 传统的决策方法是在确定的运行工况、模型参数及故障场景下，对电力系统 的安全与稳定做定性的分析，无量化的概念，无协调优化的概念，无自适应能力， 其决策方案相当保守，各类停电事故充分暴露了传统决策的不足。 应计及电力系统自身的随机性，并将控制措施的经济代价反映在目标函数 中，基于风险概念协调优化紧急控制与校正控制。决策过程中应采用可靠的量化 指标评估稳定控制效果，及时识别各种控制负效应，以最小的控制风险保证电网 运行的安全性与稳定性。 1 2 电力系统的安全性与稳定性 电力系统的安全性是描述系统在指定扰动下保持向负荷供电的能力，稳定性 是安全性中的一个重要方面，但安全性还要求保证合格的母线电压和频率，可采 用下图来表示两者的关系，功角稳定域、电压安全域和频率安全域的交集即是全 局安全稳定域【6 1 。 2 山东大学博+ 学位论文 图1 1电力系统的安全稳定域 f i g1 - 1s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yd o m a i no f p o w e rs y s t e m s i e e e 建议采用以下的分类方法【7 】：( 1 ) 静态稳定性。如果电力系统在任何 小扰动后，能恢复到与受扰前相同或相近的运行状态，则为静态稳定，也称为小 扰动稳定。静态稳定性分析以线性化的微分方程为对象。( 2 ) 暂态稳定性。如 果电力系统在受到某特定的大扰动后，能达到一种可以接受的新的稳定运行状 态，则系统的原始状态对于该扰动是暂态稳定的，或称为大干扰稳定。研究暂态 稳定性必须采用非线性模型，按照研究的目标变量可以进一步分为暂态功角稳定 性和暂态电压稳定性与安全性 欧美国家普遍将电力系统的稳定性分为3 类【8 】：( 1 ) 静态稳定性，主要指 系统在小扰动下保持发电机同步的能力；( 2 ) 暂态稳定性，主要指系统在大扰 动后的首摆过程中保持同步的能力；( 3 ) 动态稳定性，指系统在扰动后抑制自 发振荡的能力。 我国电力系统安全稳定导则1 9 】将稳定性定义为：电力系统受到扰动后保 持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将 稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期 动态稳定。其中暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步发电机保持同步运 行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。动态稳定是指电力系统受到 小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性 的能力。与快速励磁系统有关的负阻尼或弱阻尼低频增幅振荡可能出现在正常工 况下、系统受n d , 扰动后的动态过程中，称之为小扰动动态稳定。电压稳定是指 山东大学博+ 学位论文 电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不 发生电压崩溃的能力。无功功率的分层分区供需平衡是电压稳定的基础。 1 3 暂态稳定分析方法 暂态功角稳定性是指电力系统在突然经受大干扰后，例如各种短路故障、切 除大容量发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化等，各发电机仍能保持同步 运行的能力。由于扰动后系统结构或参数的改变导致系统潮流分布发生改变，各 发电机的输出功率也随之发生变化，从而破坏了原动机和发电机之间的平衡，施 加在机组转轴上的不平衡力矩促使转子加速或减速，各机组之间将发生相对摇 摆。如果这种摇摆能够平息下来，过渡到一个新的运行状态，则认为系统在此扰 动下暂态功角稳定；如果这种摇摆最终导致各发电机之间失去了同步，系统的功 率及电压将随之发生强烈的振荡，称之为系统暂态功角失稳【i o 】 暂态电压( 频率) 安全包括暂态电压( 或频率) 稳定性和暂态电压( 或频率) 偏移可接受性2 个方面。暂态频率稳定性是运动状态变量的稳定性；暂态电压稳 定性是母线动态负荷运动状态变量的稳定性：暂态电压偏移和暂态频率偏移的可 接受性是变量破坏对应的不等式约束问题。如果故障导致系统失去暂态电压稳 定，系统当然是不安全的，但是如果电压跌落太大或持续时间太长，同样也是不 可接受的【6 】。 暂态稳定性分析过程中大都采用以下简化【l o 】：忽略发电机定子绕组和电网 中电磁暂态过程的影响，只考虑交流系统中基频电压、电流和功率以及发电机转 子绕组中非周期分量的变化；在不对称故障或非全相运行期间，略去发电机定子 回路基频负序分量电压、电流对电磁转矩的影响。至于基频零序分量电流，由于 一般不能流过定子绕组，故无需考虑。此外，根据对计算结果精度的不同要求以 及由于分析方法本身的限制，还将对元件的数学模型采取各种不同程度的简化。 暂态稳定分析方法可以分为确定性方法和不确定性方法两大类。确定性方法 只针对预想的典型工况和故障场景进行暂态安全评估，忽略了模型、参数、工况 和故障等方面的随机因素【1 1 12 1 。不确定性方法则计及了电力系统自身的随机特 性，可以分为概率稳定分析方法【1 3 1 6 1 和风险评估方法【1 7 。2 0 1 两类。 4 山东大学博士学位论文 1 3 1 确定性分析方法 实际系统中可能发生的扰动多种多样，有时由于多种异常状态同时或相继出 现而使得扰动模式极为复杂。规定考核暂态稳定性的扰动方式的确定性方法极大 的简化了扰动场景，因而得到了普遍应用。各国电力系统都对用于暂态稳定考核 的扰动模式做出了规定，并采用了一些使计算结果偏于保守的假定。确定性条件 下的分析方法可以分为时域仿真法、直接法和e e a c 方法。 1 3 1 1 数值积分法 数值积分法将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系统模型，这 是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳定工况或潮流解为初值，求扰 动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电 机转子摇摆曲线来判别系统在大扰动下能否保持同步运行【2 l 】。 其微分方程组包括：( 1 ) 描述各发电机暂态和次暂态电势变化的微分方程； ( 2 ) 各发电机的转子运动方程；( 3 ) 描述各发电机励磁系统暂态过程的微分方 程；( 4 ) 描述各原动机及调速系统暂态过程的微分方程；( 5 ) 负荷中感应电动 机的暂态过程方程式。代数方程包括：( 1 ) 网络方程式；( 2 ) 各发电机定子绕 组电压平衡方程式；( 3 ) 用静态特性模拟的负荷功率与节点电压之间的关系式 1 1 0 o 微分方程组和代数方程组的求解方法有交替求解和联立求解两种。交替求解 法是在一个时间步长上首先上对微分方程进行求解，然后求解代数方程，通过对 网络代数方程组和微分方程组进行迭代求解来获取所有变量的时间解。联立求解 法是用离散化方法把微分方程离散化为差分方程，与描述电力网络联接的代数方 程在一个时间步长上同时求解，该方法仅适用于隐式积分法。 数值积分法是目前暂态稳定性分析中最为成熟的方法，该方法有众多成熟的 商用软件包，如中国电科院的综合稳定程序，美国西部电网的b p a 程序，加拿 大i r e q 程序及西德v i s a 程序等2 2 之4 1 。它的突出优点是可适应各种元件模型及 保护和控制装置模型，可适应各种元件非线性及离散操作，能适应有几百台机、 山东大学博十学位论文 几千条线路、几千条母线的大规模电力系统。不论电力系统的规模有多大，非线 性和非自治性多强烈，模型和扰动多复杂，都能够给出各个变量的时间变化曲线。 数值积分法也存在一定的缺点，首先是计算速度慢，积分时间长，很难用于 在线暂态稳定评估。其次，数值积分法本身并不能提供停止积分的有效判据，只 能通过检查受扰轨迹是否超过经验限值来定性地判断该系统是否稳定。数值积分 法更大的缺陷是掩盖了稳定性的物理概念和内部机理，它不能提供稳定性的定量 分析，难以分析各参数对稳定性的影响，而非线性系统特有的一些现象也就难以 被发现和解释。因此，当前的研究主要集中在如何提高数值积分的速度和精度， 并挖掘出更多稳定性方面的信息【2 5 - 2 8 1 。 1 3 1 2 直接法 暂态稳定性分析的直接法不再求解电力系统的微分代数方程组，而是以李雅 普诺夫稳定理论为基础，从系统能量