（电工理论与新技术专业论文）基于bpa的河北南网低压减载方案的研究.pdf

声明尸明 m j删iiiif|iiril4l y 1 7 8 6 0 。1 。0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于b p a 的河北南网低压减载方 案的研究，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： 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： j j 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文摘要 摘要 低压减载做为安全稳定自动控制的最后一道防线，是维持电力系统安全稳定和 经济运行，并保证电能质量的重要措施。本文在分析了静态电压失稳的机理和常 用的静态电压稳定指标的基础上，指出了各类静态稳定指标的优缺点。提出了 综合应用多种静态电压稳定指标查找全网电压薄弱区域的方法，以确定全网电 压的薄弱区域。应用无功电压灵敏度的计算方法，确定薄弱区域各轮的低压减 载量，从而制定了河北南网的低压减载方案并进行了仿真验证。仿真结果表明， 制定的低压减载方案符合系统暂态运行要求，并满足后续的中、长期稳定运行 要求，没有出现误动作以及过切、欠切现象，且该设计方案计算简便，减载量 可随网架结构的变化进行调整。 关键词：低压减载，电压失稳，薄弱区域，灵敏度 a b s t r a c t u v l si st h el a s tl i n eo fd e f e n s ea sas a f ea n ds t a b l ec o n t r o li no r d e rt om a i n t a i n p o w e rs y s t e ms e c u r i t ys t a b i l i t ya n d e c o n o m i co p e r a t i o n s ，a n di tw i l lb e c o m et h e i m p o r t a n tm e a s u r e st o e n s u r et h ep o w e rq u a l i t y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a t i c v o l t a g ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n dc o m m o ns t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yi n d e x ，t h i sp a p e r p o i n t so u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u st y p e so fs t a t i cs t a b i l i t yi n d e x e s p u tf o r w a r dt oa p p l yav a r i e t yo fs t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yi n d e x e st of i n dv o l t a g ew e a k a r e a so ft h ew h o l en e t w o r k u s i n gt h ec a l c u l a t i o no fr e a c t i v e v o l t a g es e n s i t i v i t yt o i d e n t i f yt h es h e d d i n gl o a do fe a c hw h e e l ，t h u s e s t a b l i s ht h eu v l sp r o g r a mo ft h e s o u t h e r ng r i do f h e b e ia n dc a r r yo u ts i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tu v l sp r o g r a m e s t a b l i s h e dc a nm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft r a n s i e n tr u no ft h es y s t e ma n dt h e f o l l o w u p ，t h el o n g t e r ms t a b l eo p e r a t i o n i th a dn o ta p p e a r e dt h ep h e n o m e n o no f m a l f u n c t i o n ，o v e ra n dl e s sc u t t i n g a l s ot h ep r o g r a mh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l e c a l c u l a t i o na n dt h es h e d d i n gl o a dc a nb ea d j u s t e dw i t ht h eg r i ds t r u c t u r e p e n gz h o n g ju n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l ih u i q i k e yw o r d s ：u v l s ，v o l t a g ei n s t a b i l i t y , w e a ka r e a s ，s e n s i t i v i t y 2 1b p a 潮流计算程序简介7 2 2 数学模型的建立7 2 2 1 潮流模型的建立7 2 2 2 发电机出力的处理8 2 2 3 负荷模型的选择及增长方式8 2 3 本章小结1 0 第三章河北南网简介及其电压的静态稳定分析方法1 1 3 1 河北南网的安全稳定现状及其存在的主要问题1 l 3 1 1 河北南网的简介1 1 3 1 2 功角稳定1 l 3 1 3 电压稳定1 l 3 2 电压失稳的静态机理研究1 2 3 3 静态电压稳定分析方法1 4 3 3 1 有功裕度指标1 4 3 3 2 灵敏度指标1 5 3 3 3 电压稳定性接近指标1 6 3 3 4 奇异值和特征值指标1 7 l 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文目录 3 4 河北南网n - 1 故障分析1 8 3 5 河北南网电压弱点的识别及电压稳定综合分析1 9 3 5 1 全网裕度分析1 9 3 5 2 全网的静态电压稳定分析2 0 3 6 本章小结2 3 第四章暂态电压稳定分析2 4 4 1 暂态电压稳定分析方法2 4 4 2 暂态稳定判据2 5 4 2 1 暂态功角稳定指标2 5 4 2 2 暂态电压稳定指标2 5 4 3 本章小结2 5 第五章低压减载方案设计2 6 5 1 低压减载的一般原则2 6 5 2 低压减载所考虑的故障类型和电压失稳类型2 7 5 3 低压减载控制方案类型2 7 5 4 低压减载的主要研究方法2 8 5 5 不同电压失稳类型对整定值的影响2 8 5 6 低压减载措施的配置思想3 0 5 7 低压减载方案设计3 l 5 8 算例分析3 2 5 9 本章小结3 6 第六章结论与展望3 7 6 1 结论3 7 6 2 展望3 7 参考文献3 9 致谢4 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 1 1课题背景 1 1 1 低压减载的概述 第一章绪论 目前，电力系统的规模不断地扩大，网络结构日趋复杂，随着交流超高压线路、 负荷和机组容量的增大、以及环境和经济因素的制约使电力系统运行更加接近稳定 极限。所有这些因素给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题和挑战，其中之一 便是由于系统不能维持受端电压水平而引起的电压失稳或电压崩溃事故。2 0 世纪 7 0 年代以来国内外相继发生了多起电压崩溃事故，例如，国内的1 9 7 2 年7 月2 7 日 湖北电网和1 9 7 3 年7 月1 2 日大连电网发生的电压崩溃事故，以及国外的1 9 9 6 年 美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故和2 0 0 3 年的8 1 4 美国大停电事故等。 我国的电力系统安全稳定导则将电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准 分为三级：第一级的标准为常见的单一故障，要求系统在发生此类故障时必须保持 稳定运行和系统供电；第二级标准为较严重的故障，要求在发生此类故障后，保护、 开关及重合闸正确动作，必要时采取切机和切负荷等稳定控制措施；第三级标准为 罕见的严重故障，系统在发生此类故障并导致稳定被破坏时，必须采取措施，防止 系统崩溃，避免造成长时间、大面积停电和对最重要用户的灾害性停电，使负荷损 失尽可能降低到最小，电力系统应尽快恢复正常运行，以最小的负荷损失代价换取 系统的安全稳定运行。针对这三级标准所采取的措施，即为保证电力系统安全稳定 运行的三道防线。一般认为低压减载( u v l s ) 属于第三道防线的范畴。 u v l s 做为安全稳定自动控制的最后一道防线，协同已发展成熟的低压减载措 施( u f l s ) 是维持电力系统安全稳定和经济运行，并保证电能质量的重要措施。 u v l s 对维护电网受到大扰动后的安全稳定性，避免大面积停电事故具有重要作用。 随着电网负荷的不断增长和电力用户对供电质量要求的不断提高，以前按照运行经 验配置u v l s 装置，已经不能适应新的形势，亟需更为深入的研究，提供精确的计 算工具，优化配置u v l s 装置并优化减载量，以最少的切负荷代价换取电网的安全 稳定运行，是研究的关键问题。 1 1 - 2 低压减载的重要意义 目前，新的大机组的普遍投入，提高了电厂的发电效率，起到了节能环保作用， 以此同时，一旦严重事故( 大机组级联掉机) 发生，电网将面临崩溃的危险。另外， 电网内普遍安装了一系列切机、振荡解列和低频率减载装置。这些装置为电网的安 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 全可靠运行发挥了重要作用，但这些装置的出发点主要基于功角稳定性和频率稳定 性，对于出现的电压稳定性可能无能为力，而且，由于下列一些因素的存在，电网 可能将面临比较严重的电压稳定问题。 1 ) 电网中虽然也安装了大量的无功补偿装置，用以解决稳态运行情况下系统 的电压问题，但是，绝大部分的无功补偿装置都是静态的并联电容补偿装置，动态 无功补偿装置严重不足。具有恒定阻抗性质的静态无功补偿装置，在电压降低时发 出的无功成平方关系下降，会进一步恶化系统的电压状况。因此，过量的静态无功 补偿不仅不能提高电压稳定性，反而会带来负面的效果。 2 ) 随着我国经济的发展，电网近些年负荷增长迅速，周围各联络线传输功率 不断增加接近功率极限，导致系统电压稳定性水平下降。在某种极端情况下，负荷 持续增长超过系统静态电压稳定极限，有可能发生1 9 8 7 年日本东京大停电类似的 电压失稳事故。同时，夏季负荷中空调负荷占据很大比例，电压下降时吸收无功反 而增加，对系统故障后的电压恢复带来了很不利的影响。 。 3 ) 对于一个典型的受端系统，网内机组很少，大部分功率通过传输线由外部 送入。这种受端系统，由于本地电源支撑不足，可能存在电压稳定问题。若此手段 系统的输电通道由于自然灾害失去多条输电线路，也有可能导致系统发生大扰动电 压失稳。 为了解决电网中存在的电压稳定问题，根本的措施是加强网络及本地电源建 设，但是，u v l s 仍然是目前情况下十分经济有效措施。一方面，网络及电源建设 投入大、周期长，不能解决目前面临的电压稳定问题；另一方面，u v l s 作为系统 安全自动装置的重要部分，属于系统第三道防线，对于防止概率很小的极端情况下 ( 包括极端的大负荷、罕见的多重故障等) 系统崩溃和大面积停电，保证重要负荷 的供电，具有十分重要的意义。因此，为了维持电网安全稳定运行，防止电压失稳 导致大面积停电，保证重要负荷的供电，合理安装一定数量的u v l s 装置是十分必 要的。 1 2国内外研究现状 1 2 1 电压稳定性的研究 对于电力系统的稳定性，国际上还没有完全统一的分类方法。按电力系统的同 步运行稳定标准【l j ，可分为三类：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 1 ) 静态稳定：指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡和非周期性的失步， 能够自动恢复到起始运行状态的能力。 2 ) 动态稳定：是指电力系统受到小的或大的扰动后，在自动调节和控制装置 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 的作用下，保持长过程稳定运行的能力。 3 ) 暂态稳定：是指电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡 到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力，通常指保持第一或第二个振荡周期不失 稳。 长期以来，人们对功角稳定问题进行了大量的研究，却忽视了对电压稳定问题 的研究。直到2 0 世纪7 0 年代以来世界上些大电网因电压不稳定发生事故，造成 巨大经济损失和大面积、长时间停电，电压稳定问题才逐渐受到了关注。 随着电网规模的不断扩大，电网的安全稳定问题越来越受到国内外专家的广泛 关注。电力系统运行中，有三种指标必须满足稳定性要求：功角稳定性；频率 稳定性；电压稳定性。 功角稳定性的研究较早，简单的说功角失稳是由发电机的输入、输出功率不平 衡造成的。功角稳定的着眼点在于发电机能否保持运行在允许的范围内，因此功角 稳定问题也被称为发电机稳定问题。电力系统正常运行的一个必要条件就是各台发 电机的转子保持同步转速，表现为各台发电机的功角保持定值不变。 我国电力系统额定频率为5 0 h z ，随着大机组的投入运行，正常运行时频率偏移 一般不允许超过0 1 0 2 h z ，在紧急状态下要求尽快恢复到4 9 5 h z 。 关于电压稳定性的定义，学者们给出了多种看法。国际大电网会议( c i g r e ) 定义的电压稳定性是指，处于给定运行点的系统在经受某一给定扰动后，负荷附近 的电压趋近扰动后平衡点的值在系统允许范围内【2 3 】。电气电子工程师协会( i e e e ) 从工程概念上最早给出了电压稳定性的定义。所谓电压稳定性是指系统维持电压的 能力，当负荷导纳增大时，负荷的功率亦随之增大，并且功率和电压都是可控的【4 j 。 还有的学者认为电压不稳定性起源于系统出现功率缺额时负荷的动态尝试【5 】。 1 2 2 电压崩溃机理及预防措施 从一开始，电压崩溃问题的研究就与物理概念明确的频率崩溃对应来进行。一 般认为，频率崩溃是发电机在各种情况下的同步运行问题，而电压崩溃，通常情况 下是无功不足造成的。但近年来对电压崩溃问题有了更深入的探讨。对电压崩溃的 机理提出了各种解释，却仍没有一种完全令人满意的解释。 普遍接受的电压崩溃机理解释为在电力系统中静态电压水平主要由无功功率 平衡条件决定，电压崩溃划入静态问题，基于潮流方程的各种静态判据广泛使用， 本质都是以电力网的极限输送能力作电压崩溃的临界点。从物理角度来讲是系统各 节点到达最大功率曲线族上的一点，从数学角度讲是使j a c o b i a n 矩阵奇异的点。这 自然使人们把电压崩溃与某种形式的无功不平衡联系起来，许多文献把电压崩溃归 因于系统不能满足无功需求的增加，典型的代表就是传统的d q d u ( 无功电压灵敏 3 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 度) 判据。在动态情况下，当系统受到扰动后，因为发电机励磁系统的强励和负荷 端电压下降，负荷需求减少，系统能保持电压稳定，而后，由于o l t c ( 有载调压 变压器) 的连续调节使负荷端电压升高，供电得以恢复，同时o l t c 原方电压下降， 电流上升，发机无功功率越限，其连锁反应使负荷电压急剧下降。 有些学者认为认为电压崩溃问题的本质是负荷输入的电磁功率与输出的其它 形式的功率平衡问题，而与无功功率无必然联系，在电压崩溃发生以前，电力系统 所承担的负荷越来越多，电压崩溃本质上是负荷的有功平衡问题，以有功功率表达 电压崩溃裕度是合理的，正如习惯上在功角稳定、频率稳定中也以有功功率来估计 接近失稳( 崩溃) 的程度一样【6 】。 在电压崩溃的深入研究中，求解电压崩溃临界点及电压崩溃裕度是关键的一 步，电压崩溃裕度从数学角度来讲是潮流j a c o b i a n 矩阵趋近奇异的距离，从物理角 度来讲是系统中总的负荷允许增加的量度。对其分析方法的研究除了现行广泛采用 的基于潮流的各种分析方法外，已有小扰动分析法、时域仿真法、可行解域分析方 法、9 一u 分析方法等。所有的这些分析方法都围绕着对潮流方程的j a c o b i a n 矩阵 进行分析或对潮流结果的检验。但常规潮流算法在一定程度的重负荷条件下计算结 果不收敛，从而使电压崩溃临界点及其电压崩溃裕度的求解复杂化。 预防措施的研究，以法国和日本采取的事故对策最为出色。前者强调增强事故 状态下的电压控制能力，后者基于其对电压崩溃过程的时段的划分，侧重于事故发 生前的紧急状态下的预防措施。但法国和日本的方案都强调了超前电压安全监视体 系的重要性，认为它是通过调度保证系统安全运行的前提条件。预防电压崩溃事故 发生的措施有以下几个方面【7 j ： 1 ) 预防电压崩溃事故发生的规划方面的措施： ( 1 ) 根据系统不同的运行状态，保持各区域内的无功功率供需平衡。其具体 措旌是扩大发电机的相位滞后与相位超前的容量，且装设足够的调相设备。 ( 2 ) 改善输电系统的电压和无功功率特性。具体措施是：采用多回路的输电 线路和环网状接线方式，以及采用高电压和在受端接入同步电机，但是人们不能指 望无功功率补偿的合理设置和控制可以杜绝电压失稳事故的发生。补偿装置的目的 是维持合理的电压稳定水平，电压水平高并不意味着不会发生电压失稳。经济上的 限制因素使我们不可能在所有的负荷中心装设足够的无功补偿装置和功能强大的 控制装置，如果以最严重的情况来安排补偿装置，势必使得部分装置的利用率极低， 造成资源的浪费，这在生产实际中是行不通的。 2 ) 预防电压崩溃事故发生的运行方面的措施 正常时，采用电压和无功功率控制等措施以维持电压运行在预定值上，为了使 4 华北电力大学高校教师在职攻读硕十学位论文 电源或输电线路发生故障被停用后系统电压波动仍能保持在允许值以内，应作系统 结构的更改以及限制线路潮流的操作，并进一步适当投入电压和无功功率的调整设 备。当预测到电压出现异常下降时，必须及时采取无功功率平衡的措施，以对系统 电压异常下降防患于未然。如果电压已开始下降异常，为把它限制在局部范围内， 应紧急切除部分负荷。 目前普遍认为，加强无功备用、提高紧急状态下的无功应变能力、防止无功功 率的远距离传输，紧急切负荷、闭锁甚至反调有载调压变压器是预防严重事故发生 的有效措施。 电压崩溃并不是电网中孤立的技术问题( 如继电保护等) ，而是电力系统中各 层、各区、各方面之间互相互关联的问题，需要从整个电力系统的角度来观察、研 究和处理。不仅取决于电网结构的强与弱，而且也与电网是否能保持正常运行，是 否有足够的备用容量有关，因此一方面要加强电网结构，特别是加强受端电网的结 构，另一方面也需要采用强行励磁，快速保护，按频率、电压降低自动切负荷，乃 至采用p s s ( 电力系统稳定器) 装置等。 对电压崩溃现象虽然已开展了一些研究并取得了一定的成果，但对其认识的深 度和取得的成果远不能与对频率崩溃的研究所取得的理论认识深度和应用成果相 比，对于实际电网中对电压的预防、监测、控制以确保电力系统可靠运行，更有待 所有的电力工作者继续努力。 1 2 3 低压减载的研究 比起发展成熟的u f l s ，u v l s 的研究相对不成熟，有些学者对u v l s 的应用 还存在不同的看法。文献【8 】认为，在一个负荷集中的地区，如果因为无功功率补偿 能力不足，或外部供电电压过低，在运行中导致电压枢纽点电压不断下降时，防止 发生电压崩溃的最佳手段是适当地切去部分地区的负荷；文献1 9 n 认为低电压减载 装置不宜作为系统稳定的一项技术措施使用。 对于低压减载的算法，有学者提出了应用动态负荷模型计算低压减载的方法。 但此算法无法识别出系统最有效的低压减载节点i l 。在此基础之上，也有学者提出 通过估计所有负荷节点的内外阻抗模比率的方法识别电压薄弱点，但它仍不能实现 电压薄弱节点的最优低压减载量【l l 】。文献【1 2 】依据扩展的模糊理论实现低压减载， 但是它的减载数量是预先设定的。系统遭受严重故障或多重故障后没有稳定工作点 的情况下，文献 1 3 】提出了一种基于最小不匹配函数的低压减载算法，以恢复潮流 的可解性，该算法所得的解可以用来估计系统的最小减载量。文献【1 4 】通过参数化 控制策略的方法，寻求系统低压减载后一个新的平衡点，并应用灵敏度分析决定最 佳低压减载策略，以实现最优减载量。 华北电力大学高校教师在职攻读硕十学位论文 到目前为止关于u v l s ，一般是基于详细的时域仿真来直接整定u v l s 的参数， 还没有能计及电压安全性的实用方法。此外，u v l s 和u f l s 的参数整定是分开考 虑的，忽略了它们的交互影响。其根本原因是缺乏评估暂态频率和电压安全性的量 化方法，无法定量评估这些减载量的影响【15 1 。 1 3 本文的主要工作 1 ) 在分析了静态电压失稳的机理和常用的静态电压稳定指标的基础上，指出 了各类静态稳定指标的优缺点。提出了综合应用多种静态电压稳定指标查找全网电 压薄弱区域的方法，以确定全网电压的薄弱区域。 2 ) 以河北南网为算例，确定了全网电压的薄弱环节，并对得到的全网电压薄 弱节点进行了归类分析。基于u v l s 一般原则的基础上，详细研究分析了低压减载 的参数确定及控制策略，并给出了低压减载方案的配置思想。 3 ) 应用无功一电压灵敏度的计算方法，确定薄弱区域各轮的低压减载量，从而 制定了河北南网的低压减载方案并进行了仿真验证。仿真结果表明，制定的低压减 载方案符合系统暂态运行要求，并满足后续的中、长期稳定运行要求，没有出现误 动作以及过切、欠切现象，且该设计方案计算简便，减载量可随网架结构的变化进 行调整。 6 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 第二章基于b p a 的静态电压稳定数学模型 2 1b p a 潮流计算程序简介 由电力科学研究院系统所开发的潮流程序是从美国b p a ( 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 i o n ) 引进的。目前的中国版b p a 潮流程序是在1 9 9 0 版b p a 程序的基础 上经不断的完善和开发而形成的。已经在国内生产、运行、规划、科研及大学等单 位得到广泛应用。 潮流程序可以很方便地为用户提供诸如线路的功率流动，线路上的功率损耗以 及线路两端补偿的无功容量等参数，但是并不能对计算结果直接进行电压稳定等方 面的详细的分析。为了弥补这个缺憾，b p a 提供了开放的数据接口和编程语言，可 以对潮流计算结果进行二次开发，以期达到对电网分析的目的。b p a 的编程语言( 高 级程序控制语句) 共分为三级。一级控制语句，主要用于控制潮流计算的开始与结 束、定义潮流文件名和工程名。二级控制语句，主要用于指定潮流作业输入输出文 件名和输出文件选择、指定基准功率，指定潮流计算的算法等。三级控制语句，从 属于二级控制语句，用来进一步指定二级控制语句所要求的各种功能。本次计算应 用的控制语句，主要是为了计算节点、线路、电网损耗的灵敏度，计算q v 曲线、 p f 曲线等数据，失去发电功率和切除发电机，n l 校验计算，改变负荷模型等等。 2 2 数学模型的建立 本文根据河北南网的现状以及b p a 电力系统分析软件的功能寻求一种能够模 拟实际系统运行的p v 曲线求取模型。其着重从以下几个方面加以考虑：1 ) 考虑发 电侧各发电机功率的调度方式；2 ) 考虑发电机无功越限的处理方式；3 ) 考虑负荷 模型的选择；4 ) 考虑负荷的增长方式。 2 2 1 潮流模型的建立 以负荷变化区总有功负荷为参数的潮流方程司表不成如f 形式： j p ( 日，矿，五) = o公式( 2 1 ) 【q ( o ，1 ，动5 0 其中，萨【p l ，0 2 ，氏b 】t ，v - - v l ，v 2 ，、，】t ，展开后，可得 g ( a ) 一矗( 五) 一k 巧慨，s i n 岛+ q c o s o j , ) ：o f = l ，2 ，n b公式( 2 2 ) q g ( 名) 一鲸( 五) 一杉巧虹s i i l 岛- b , c o s e j = o 卢1 ，2 ，n v公式( 2 3 ) 其中，n b 为不包含平衡节点的节点数；n v 为p q 节点数；p i l ( 2 ) ，o 儿q ) 分别表 7 华北电力大学高校教师在职攻读硕十学位论文 特定负荷增长方式定义的各节点有功功率、无功功率与总有功负荷间的函数关 p t g q ) ，q ，g q ) 分别表示由特定调度方式定义的各发电机节点有功功率、无功功 总有功负荷间的函数关系。 2 发电机出力的处理 系统有功负荷增长时，仅由平衡机提供额外发电功率是不现实的，一般同时需 大系统中可调节机组的有功功率以平衡需求。为此，考虑发电机有功调度方式 p v 曲线的求取具有实际意义。发电机的有功调度方式有比例分配、调速器响 经济调度、a g c 控制等多种方式。本文基于河北南网的夏季高峰负荷，负荷基 大，各发电机已经接近有功功率输出极限，所以采用负荷比例分配方式。比例 方式下各发电机参与有功调节所分配的功率增量与其当前有功输出成正比， 警：孕 乩12 ，n g公式( 2 4 ) 屹晶 。 在电压稳定极限的计算过程中，发电机输出的无功功率可能会越限，因而在计 压稳定极限时，必须处理发电机的无功功率越限问题。目前处理发电机无功越 用的方法是主要有两种，一种是一旦发电机无功越限，就将该发电机节点从p v 转变为尸q 节点。另一种处理方法是当发电机无功越限时，求出越限时发电机 载电势晶，并认为该空载电势保持恒定，将发电机从p v 节点模型转化为直轴 局后空载电势目恒定模型。 3 负荷模型的选择及增长方式 负荷作为电力系统的四大元件( 发电机、励磁系统、原动机调速系统和负荷) ，其数学模型对电力系统规划、运行和控制等都有很大影响【1 6 】。各电力公司的 、调度和研究部门均认为研究负荷模型非常重要，对暂态稳定、电压稳定及动 定的计算结果有时影响很大，直接影响到计算分析结果的准确性，并进一步影 实际电网的安全、稳定、经济运行1 7 】。 负荷模型可以从多方面进行分类。从模型是否反映负荷的动态特性来看，可以 用代数方程表示的静态负荷模型和用微分或差分方程表示的动态负荷模型。 静态稳定分析中，通常采用z i p 负荷模型，反映的是系统负荷由恒阻抗、恒电 恒功率负荷组成。即： j 肚p o ( k l u 2 ，+ k 2 u + k 3 ) 公式( 2 - 5 ) l q = q o ( 碍u 2 + t 1 2 u + 玎3 ) 8 其中： 公式中： 图2 1 典型三阶感应电动机模型 r 。定子电阻； 激磁电抗； 墨一转子漏抗。 墨定子漏抗； r 广一转子电阻； f c o b = 1 0 0 n - 1 【( - o r 。1 一s l = 乏可【耻( 一e ) “( 圪一啪 = 爿可【p ( 圪一巨) ( 虼一啪 公式( 2 7 ) 静态负荷模型中，若恒阻抗负荷模型比重较大，因其功率需求随电压的平方下 降，会得到比较乐观的结果；若恒功率负荷模型比重较大，因其功率需求保持不变， 会得到比较悲观的结果。因此，实际电网模型综合考虑三种负荷模型的比例，以达 到理想的效果。例如华东电网调度部门采用4 0 恒阻抗+ 6 0 恒功率的静态负荷模 型，不考虑负荷的频率特性；西北电网调度部门采用发电机机端负荷为6 0 电动机 + 4 0 恒阻抗，变电站负荷为2 0 电动机+ 8 0 恒阻抗，考虑负荷的频率特性。 9 既 髓 一 一 驰 计 以 一 + l x x 一 一 x x + 一 目 & 一瓦一乏 一 一 i i i i 亟出峨百 z 一o m工一， k 一 + h l 以x i | = x x 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 从物理意义上说，感应电动机在启动时从电网吸收大量无功，建立磁场，提供 机电能量转换的环境。当定子电压下降时，感应电动机内部磁场减弱，释放能量， 感应电动机及电力系统中线路的电抗远远大于电阻，类似于一个无功电源，向电网 倒送无功功率，恰好与感应电动机启动过程相反。同时感应电动机的静特性部分在 故障清除后还起到了无功补偿的作用，使得系统的电压得到支撑，从而减少了短路 时发电机送出功率的改变，有利于系统稳定。 由于本文是基于b p a 电力系统分析软件，同时由于动态负荷模型难以构建，所 以本文选择采用静态负荷模型。 负荷增长方式负荷的增长方式视功率交换方案而定。其中最简单的负荷增长方 式为区域比例负荷增长方式，其定义如下：考虑具有n l 个节点的负荷变化区，假 定各节点负荷为p i l + j q f l ( i = l ，2 ，n l ) ，负荷变化区各节点负荷总和为： n ln l 足+ q l = 气+ q l l f = l i = l 公式( 2 8 ) 当总有功负荷增量为尸l 时，各节点负荷的变化规律若按上式所定义即为区域 比例负荷增长方式： 峨噜蝇 鲸= 急 公式( 2 9 ) 这种方式称为恒功率因数增长方式。式中，a p j l 表示各节点的有功负荷增量： 9 t 表示负荷增长时的功率因数的角，各节点的负荷以这种方式增长时功率因数将始 终与基态时的初始值保持一致。 2 3本章小结 本章简单介绍了电力系统分析软件b p a ，并应用此软件研究分析了数学模型的 建立。根据河北南网的现状以及b p a 电力系统分析软件的功能寻求一种能够模拟实 际系统运行的p v 曲线求取模型。其着重从以下几个方面加以考虑：1 ) 考虑发电侧 各发电机功率的调度方式；2 ) 考虑发电机无功越限的处理方式；3 ) 考虑负荷模型 的选择；4 ) 考虑负荷的增长方式。 1 0 保霸线与京津唐电网相联，西部通过5 0 0 千伏神保双线、侯廉线与山西电网相联， 南部通过5 0 0 千伏辛嘉线与华中电网相联，通过5 0 0 千伏辛聊双线与山东电网相联。 到2 0 0 6 年初，全网拥有5 0 0 千伏变电站6 座，容量6 0 0 万千伏安，线路1 0 0 2 公里： 2 2 0 千伏变电站7 6 座，容量2 1 9 9 万千伏安，线路5 8 0 6 公里。河北南网6 0 0 0 千瓦 及以上电厂发电装机容量1 2 6 8 9 5 万千瓦，其中省公司直调电厂装机容量1 1 4 8 1 4 万千瓦。2 0 0 5 年河北南网发电量7 8 5 1 1 亿千瓦时；公司售电量7 2 6 3 7 亿千瓦时( 居 国家电网公司系统第6 位) ；河北南网全社会用电量达到8 5 2 4 1 亿千瓦时。正常的 条件下，全网的输入和输出功率平衡。 3 。1 2 功角稳定 传统上，稳定是一个维持同步运行的问题。由于电力系统依靠电机发电，因而 良好的系统运行的必要条件是所有同步电机保持同期。这一稳定的状况受发电机转 子角的动态和功角关系的影响。由于一直以来都非常重视系统的功角稳定问题，所 以长久以来，河北南网对于治理电网的功角稳定做了相当大的努力，例如采用电力 系统稳定器、电力系统低频减载装置等。所以对于河北南网而言功角失稳已经得到 了较好的防范。 3 1 3 电压稳定 电压稳定是电力系统在额定运行条件下和遭到扰动之后系统中所有母线都持 续保持可接受的电压的能力。当有扰动、增加负荷或改变系统条件造成渐进的、不 可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。 对于河北南网来说，早些年负荷的增长没有使得网络传输逼近极限值，所以对 于电网的电压稳定问题没有引起足够的重视。然而，近几年国内经济的迅猛发展， 使得负荷需求量急剧增长，迅速向电网的极限传输值逼近，在负荷高峰时期，电网 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 内部的发电机出力都已运行在满载状态，使得电压稳定问题越来越成为关注的焦 点。另一方面，河北南网的无功补偿现状为大多采用并联电容器组的形式进行无功 补偿，而电容器补偿的无功量是随电压成二次方的，也就是说，当电压下降时，电 容器补偿的无功也随之呈现出大幅值的下降。这对于电压稳定而言是非常不利的。 再次，由于负荷的增加，除了越来越接近电网传输极限之外，系统对短路容量 的要求也越来越高，为了解决这一问题，必须对电网进行解环运行，消除电磁环网 的存在，从而减小短路容量，以保障电网的安全稳定运行。但是这样势必改变电网 的网架结构，这样的改变又会对系统的电压稳定造成一定的影响。 3 2电压失稳的静态机理研究 电压稳定性是电力系统在给定的初始运行条件下遭受扰动后，系统中所有母线 保持静态电压的能力。电压失稳可能导致某些母线电压发生连续降低或上升。 根据电力系统分析的相关知识，我们以一个简单的单电源单负荷的电力系统为 例进行说明。 兮# 盏一一明 电压u l电压u 2 图3 1 简单的电力系统 如图3 - l 所示，发电机g 通过表示为串联的阻抗r + j x 的输电线路向功率s = p + j q 的负荷进行供电，u i 、u 2 分别表示电源侧母线和负荷侧母线的对地电压考虑线路两 侧电压相差不大，其功率传输角度( 即线路两端传输角度差) 较小，可得到线路电 压降公式为： a u = 【( p r + q x ) + j ( e x q r ) 】u 2 公式( 3 - 1 ) 公式( 3 1 ) 分为两个部分：一部分与负荷侧u 2 电压相位相同，等于( p r + q x ) u 2 ，一部分与负荷侧电压u 2 相位垂直，等于( p x - q r ) 巾2 。 由公式( 3 1 ) 可知，电压降的主要方面取决于第一部分，因此不论是系统运行 人员还是保护装置，对电压的评估是基于对电压幅值的测量。故以同相位的分量作 为第一近似。所以，由此式可以比较简单的找到规划、运行、保护、静态和动态感 兴趣的线索，为电压失稳的机理研究提供理论支持。 如图3 1 所示，假定发电机端( 送电端：母线1 ) 电压保持恒定。为了分析问 题的简化，忽略输电线路上的电阻( 即只考虑输电线路的电抗x ) 。考虑两种不同变 1 2 华北电力大学高校教师在职攻读硕十学位论文 化方案：首先是负荷端( 接收端：母线2 ) 电压自由变化，其次是负荷端电压也保 持恒定。 上述两种情况都有一个供给负荷有功功率的最大值，保持负荷端电压恒定时的 最大值大致是负荷电压不可控的两倍。主要差别是不可能保持负荷端电压幅值恒 定，除非负荷的无功功率为零，这表明在负荷端保持电压恒定隐含控制负荷无功功 率【1 8 1 ( 采用无功功率补偿方法) 。 当负荷端电压恒定时，其有功和无功功率可以由以下关系式来进行表示： p = ( 酬。i u 2 i s i n 缈 ) x 公式( 3 2 ) q = ( 酬l u ：c o s i u ：1 2 ) x q = ( 阢1 2u ，l i u ：c o s 沙) x 公式中： 公式( 3 - 3 ) 公式( 3 - 4 ) p 一实时输送至负荷的有功功率，m w 相； q 2 一接收端无功功率，m v a r 相： q l 一发送端无功功率，m v a r 相； i u l i 一发送端电压幅值，k v 相； i u 2 i 一接收端电压幅值，k v 相； l f ，一发送端、接收端电压间的相角差； x 一线路的电抗值，q 。 当负荷端电压处于不可控时，为了能够更为直观的观察负荷功率和电压的关 系，可以用“尸y 曲线”来描述可发送至负荷的有功功率与负荷端电压的关系，如图 3 2 所示。 p 图3 2 简单电力系统p v 曲线图 如图3 2 所示，随着负荷有功功率j p 的变化，系统运行点m 沿着曲线滑行，在 到达临界点c ，此时输送至负荷端的有功功率达到最大值，如果再增加负荷功率， 系统将没有运行点，也就是通常所讲的潮流无解的情况，理论上这时系统将出现电 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 溃的现象【1 9 】。 对于一个给定的输送有功功率值p ，从图3 2 可以看出，此时似乎对应两个工 m l ，m 2 。但事实上，由于m 2 点位于p v 曲线的下半支，在临界点c 点之下， 稳定的运行点，这是因为此时如果负荷电压再降低，按照电压自动调节原理， 的有功功率进一步增加，使电压进一步下降，没有达到调节电压的目的，因此 运行中只有点m l 是稳定运行的工作点，才能够满足系统运行的要求。在m 2 对于同样的有功潮流，负荷电压很低，负荷电流和损耗则很高，如果用户是通 有载调节分接头( l t c ) 变压器供电，l t c 的行为是不稳定的。例如l t c 试图 变变压器分接头来升高负荷端的电压，它将降低有系统看到负荷视在阻抗，这 降低电压：l t c 将连续改变分接头，这个过程将使电压崩溃直至l t c 达到其极 接头【2 0 j 。 初略地说尸y 曲线的下半部是不稳定的，但实际情况往往更为复杂，准确描述 考虑p y 曲线与负荷特性的交汇情况，很明显需要保持工作点离临界点c 足够 离。 静态电压稳定分析方法 静态电压稳定分析指标多数是基于潮流方程的，是以电力网的极限输送能力作 压崩溃的临界点，即系统各负荷节点到达最大功率点，其数学特征是潮流雅可 阵奇异。主要分为有功裕度指标、灵敏度指标、电压稳定接近指标2 、以及奇 和特征值等。另外工程上常用n 1 电压扫描，达到快速评估系统整体的安全性。 1 有功裕度指标 有功裕度指标定义为： k p i 警枷。 公式( 3 5 ) 公式中，p m a x f 为第i 个节点负荷增大到临界点时的有功功率值；尸o f 为第f 个节 于当前运行点时的功率值。秭，反映了第f 个节点承受负荷持续增长的能力，越 小者表示该节点承受能力越差。将郧，从小到大排序，就可以清晰地看出系统中各 节点承受负荷持续增长能力的大小，较小者即为系统的薄弱节点。 决定裕度指标的关键因素主要有三个：崩溃点的确定，从当前运行点到崩溃点 的路径的选取以及发电机和负荷模型的选择1 2 引。 采用连续潮流算法【2 3 1 ，可按全网、区域、单个节点三种方式增负荷进行有功裕 度指标的比较分析。无论采用哪种方式，有功裕度指标只与系统当前状态及其逼近 1 4 华北电力大学高校教师在职攻读硕士学位论文 极限状态的过渡方式有关，在计算有功裕度指标时，以潮流不收敛作为电压崩溃点 出现的标志。 原则上，网络中各负荷点的功率可按任意方向增长以逼近崩溃点，而且以不同 的方向增长，会得到不同的电压稳定临界点，但是总会有一个方向上的电压稳定临 界点是最小的，计算出这个方向的电压稳定临界点，就能对电压失稳提出有效的对 策。在计算过程中，发电机模型和负荷模型对所得计算结果影响会比较大。 在电压稳定计算过程中，发电机输出的无功功率可能会越界，因此必须要考虑 发电机的无功越限问题。本文在分析中，当发电机无功越界时，将发电机节点从p 矿 节点转变为p 9 节点。不过，这种处理方法也有一定的局限性。因为当系统在电压 稳定极限点附近运行时，系统的电压变化较大，发电机实际输出的无功会随电压的 变化而变化，有时难以维持恒定，可能会产生一定的误差。 电网实际的负荷是由各种负荷组成的。想要得到一个准确的综合负荷模型非常 困难，所以负荷模型的选取一般采取简化处理的办法。如在计算有功裕度指标时， 就假设负荷模型全部为恒功率负荷。这样处理会得到比较保守的计算结果。 有功裕度作为静态电压稳定分析指标的优点是： 1 ) 直观、简单、容易被人们接受和理解； 2 ) 运行点到电压崩溃点的距离与裕度指标的大小成准线性关系； 3 ) 有功裕度仅仅要求静态电力系统模型，当具有动态模型系统时，也同样适 用； 4 ) 有功裕度是一个准