（电气工程专业论文）南通地区电网静态安全分析与输送能力研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rs y s t e mi sc o m p l e x ，c o m p o s e db ym a n yg e n e r a t o r s ，t r a n s f o r m e r s ， p o w e r l i n e sa n de l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，a n dd i s t r i b u t e di nl a r g er e g i o n a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n t ，t h es c a l eo ft h ep o w e rs y s t e me x t e n d sa n dt h es u mo f t h ee q u i p m e n t si n c r e a s e sa n dt h ei n t e r o s c u l a t i o no fe a c hp a r tb e c o m e sc l o s e d c o n t i n u o u s l y s ot h ep r o b l e mo ft h es a f e t yo ft h er u n n i n gp o w e rs y s t e mi s a l s om o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g t h ec a l c u l a t i o na n a l y s i so fs t a t i cs a f e t yi s a sab a s i c a lw a yt or e s e a r c ha n da s s u r a n c et h es a f el e v e lo fp o w e rs y s t e m g e taa p p l i c a t i o ni nt h em a n a g e m e n to fp r o g r a m m i n ga n dr u n n i n ge x t e n s i v e l y t h et r a n s p o r ta b i l i t yb a s e ao nt h ec a l c u l a t i o na n a l y s i so fs t a t i cs a f e t y ，i s o n eo ft h er e f l e c t i o n so ft h es a f el e v e lo fp o w e rs y s t e m t h es o f t w a r e ( p s a s p ) p r o v i d e dt h ec a l c u l a t i o nt o o lf o rt h es t a t i cs a f e t ya n a y s i s t h ep o w e rs y s t e mi nn a n t o n gr e g i o ni sat e r m i n a lp a r ti nj i a n g s up r o v i n c e ， w i t hf i v ee l e c t r i cv o l t a g eg r a d e s a n di t sl o a ds t r o n g e r l l yp l a n e d r e c e n t y e a r s ，t h es y s t e ms a f e t yb e c o m e sb a db yt h ea b r u p td e m o lis h e ra n dt h e u n e x p e c t a b l ep a r t i a ll o a di n c r e a s i n g a c c o r d i n gt ot h eg u i d eo fs y s t e ms a f e t y a n ds t a b i l i t y ，t h i st e x tp u t su pt h ef r a m e w o r ka n a l y s i sa n ds t a t i cs a f e t y a n a l y s i so ft h ep o w e rs y s t e mi nn a n t o n gr e g i o nt h r o u g hc u r r e n tc a l c u l a t i o n a n dn 一1c a l c u l a t i o nb yp s a s p a n dp u tf o r w a r dt h es u g g e s t i o n st oi m p r o v et h e s y s t e ms a f e t ya n dt or a i s et r a n s p o r ta b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mi nn a n t o n g r e g i o n k e yw o r d ：p o w e rs y s t e m ， s t a t i cs a f e t y , t r a n s p o r ta b i l i t y , p s a s p v l 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的 研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工 作的其他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。 签名：盗塑至日期盈! ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：互瞪导师签名：岔丝日期：三2 竺 i i 上海大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1 课题的背景及意义 随着高压电网的发展，超高压设备、大容量机组、远方大容量电厂以及新技 术产品等不断引入电力系统，以及因电网扩大及联系紧密带来的事故影响范围的 扩大和短路电流水平日趋增长等情况的出现，避免电力系统发生因恶性连锁反应 引起的长时间、大面积停电事故，己受到国际国内普遍的高度重视，并把它列为 衡量和审定电力系统安全性的基本标志。确保电网的安全稳定运行成为了电力系 统中至关重要的环节。 电力系统是一个由许多发电机、变压器、输配电线路和用电设备等单元组成 的，分布在广大地域的复杂大系统。自1 8 9 1 年三相交流输电出现以来，电力系 统技术不断发展。特别是近二十年来，电力系统向大机组、大电网、高电压和远 距离输电发展的同时，电网互联发展迅速，使得能更好的合理利用能源、提高经 济效益和保护环境。电力系统互联可以获得显著的技术经济效益，具有很多优点： ( 1 ) 实现水电、火电资源的优势互补。大型坑口火电厂向负荷中心自送电； 可以建设有调节能力的大型水电厂，充分利用水力资源，在丰水季节多发水电， 节省火电厂的燃料。这样既可解决能源、负荷分布的不平衡，又可充分发挥水电、 火电的运行特点。实行互联电力系统经济调度后还可获得补充的经济效益。 ( 2 ) 减少电力系统的总装机容量。由于联合电力系统跨越的地域广大，各地区 最大负荷发生的时间不尽相同，因此全系统总的最大负荷必然小于各地区最大负 荷之和。 ( 3 ) 减少备用容量。由于电力系统中的各种设备会发生故障或需要检修，系 统中必须设置一定的备用容量。互联系统中各地区设备的检修时问可以错开安 排，轮流检修。这样可以减少备用容量。而在各系统发生故障或事故时，也可以 通过联络线互相支援，这样可以减少事故备用容量。 第1 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 便于采用效率高的大容量发电机组。在系统容量较小的电力系统中，如 果安装了占系统容量比重较大的机组，会形成大机组小电网特殊结构，一旦该发 电机组事故等原因退出工作，将对系统产生很大的影响，甚至造成系统不能正常 运行。而在大型互联后的联合电力系统中，虽然单机容量数值较大，但所占互联 系统容量的比重很小，对电力系统的影响也比较小，因此非常有利于采用高效率 的大容量机组。 ( 5 ) 提高供电可靠性及电能质量。联合电力系统的容量很大，其中一部分发 生故障或负荷波动时，对整个电力系统的影响较小，因此能提高供电的可靠性和 保证一定的电能质量。 但两系统互联后，由于互联系统的构成复杂，带来运行难度大、需要进行联 络线的功率控制等；一个系统内发生局部故障会波及相邻系统，如果处理不当使 事故扩大，会危及整个系统的安全稳定运行。电力系统在运行中，经常可能受到 各种自然的和人为的扰动。一般的干扰对电力系统正常运行影响不大；但也有些 扰动可能引起严重后果，如短路、电气或机电参数谐振、稳定性破坏等，若处理 不当，可能严重损坏设备或导致大面积停电。 美国东部时间2 0 0 2 年8 月1 4 日1 5 ：0 6 ，美国俄亥俄州北部一条3 4 5 k v 超高 压输电线路因过负荷而使导线下垂触树跳线，结果使得这条线路的部分输送功率 转移到相邻的一条3 4 5 k v 线路，又引起该条线路长时间过热造成短路故障而跳 线。十多分钟以后，俄亥俄州接连又有3 条3 4 5 k v 线路相继跳线。此后事故进一 步蔓延，使输电系统发生了一连锁的反应，事故不再局限于俄亥俄州，而发展到 其他一些州，到1 6 ：1 1 已蔓延到包括纽约在内的美国东北部8 个州及与美国交界 的加拿大南部大部分地区，大量线路跳线及发电机组跳闸切机，引起电网频率下 降、电网的低周波减负荷保护动作，大量负荷被切除，从而造成了自1 9 6 5 年以 来北美洲最严重的停电事故，美加近5 0 0 0 万人瞬间失去了他们赖以生存的电力 供应。 此次停电涉及到美国俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克 州及新泽西州等6 个州和加拿大安大略省、魁北克省，共计损失负荷6 1 8 0 g w 。 经过电力部门紧急处理和抢修，在美国东部时间1 4e l1 9 ：3 0 恢复了1 3 4 g w 负荷， 第2 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 1 4 日2 3 ：0 0 恢复2 1 3 0 6 w 负荷，到1 5 日1 1 ：0 0 ，4 8 6 0 g w 负荷得以恢复。仅美 方统计的在此次事故中跳闸的机组就多达2 0 多台，其中还有9 台核电机组，如 包括加拿大在内，则有多达上百台发电机组及更多核电机组跳闸。核电机组的恢 复需要几天时间，因此全系统恢复到正常供电花了好几天时间，据估计，美国每 天停电的经济损失高达3 0 0 亿美元，加拿大安大略省因停电造成的经济损失也达 5 0 亿美元。而停电事故对社会、政治及人们的心里所造成的影响更是难以估计。 惨痛的教训，使得电网的安全稳定研究越来越重要。1 9 8 1 年，原水电部颁 发了电力系统安全稳定导则。至此，电力系统安全稳定工作得到了前所未有 的重视。加快电网建设，加强电网结构，加强电网运行管理，成为保证电网安全 稳定运行的最有效措施。 南通电网位于华东电网末端，2 0 0 5 年底，上网电源容量合计为3 0 5 3 5 5 万 k w ，通过1 条5 0 0 k v 线路和8 条2 2 0 k v 线路与华东主网相连，是江苏省乃至华东 地区重要的能源基地之一。近年来，南通地方经济发展迅速，用电负荷不断攀升， 2 0 0 4 年底已突破1 0 0 亿k w 时大关。随着苏通长江大桥的兴建，南通的城市地位 不断提升，几年来已相继举办了国际大城市带高层论坛、全国航空运动会以及同 一首歌等大型政治、经济活动，地区电网中重要负荷的比重不断上升，供电部门 的保电工作也更加频繁。但与此同时，南通电网近年来外力破坏居高不下，传统 风筝挂线以及汽车撞杆、吊车碰线等情况时有发生，造成线路跳闸。据统计，2 0 0 2 年至2 0 0 5 年间共发生2 2 0 k v 线路跳闸1 7 次，1 l o k v 及以下的更是高达数十次之 多。虽然调度部门处理及时，但造成的部分设备短时过载以及对部分用户的停电 难以避免。电力系统的任务是不间断地向用户供应质量( 电压和频率) 合乎规定的 电能。保持电力系统持续安全稳定运行是完成这个任务的必要条件。因此，加强 对以防止线路故障跳闸的电网安全性研究，对供电部门来说尤为重要和迫切。 同时，2 0 0 5 年及今后一段时间，江苏电网的电源建设将步入快速发展阶段， 对电网输电能力的提高将提出越来越高的要求。地方经济的持续快速发展，人民 物质文化生活水平的不断提高，社会用电需求将保持快速增长趋势，电网输送能 力和电力需求的矛盾也将越来越突出。对南通电网而言，开展对电网输送能力的 “瓶颈”分析和研究，以期通过对现有电网针对性的技术改造，充分挖掘电网发 第3 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 供电设备潜力，合理调度，优化电网运行方式，强化电网需求侧管理，用足用好 有限的电力资源，最大限度实现服务地方经济的发展和满足人民物质文化生活的 需要的目标，并且，努力保证华能南通电厂、天生港电厂通过南通电网向江苏主 网和崇明电网的正常送出。 1 2 电力系统安全稳定性 电力系统安全性是指电力系统在运行中承受故障扰动( 例如突然失去电力系 统的元件，或短路故障等) 的能力。通过两个特性表征： ( 1 ) 电力系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行 工况； ( 2 ) 在新的运行工况下，各种约束条件得到满足。 安全分析分为静态安全分析和动态安全分析。静态安全分析假设电力系统从 事故前的静态直接转移到事故后的另一个静态，不考虑中间的暂态过程，用于检 验事故后各种约束条件是否得到满足。动态安全分析研究电力系统在从事故前的 静态过渡到事故后的另一个静态的暂态过程中保持稳定的能力。 电力系统是一个复杂的非线性动态系统。电力系统在运行中，经常可能受到 各种自然的和人为的扰动。各种扰动引起的系统响应是非常复杂的。分析电力系 统在扰动下的暂态和动态行为，确定适当的对策，包括各种控制措施，保持电力 系统稳定性是电力系统设计和运行的最重要也是最复杂的任务之一。 1 2 1 电力系统稳定性分类 一直以来，电力系统稳定性有多种的定义和分类方法。我国早期将电力系统 稳定性分为静态稳定和动态稳定两类。8 0 年代后，电力系统安全稳定导则规 定电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。电力系统 稳定按干扰的大小和干扰影响的时间长短分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定三 类： ( 1 ) 静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复 第4 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 到初始运行状态的能力； ( 2 ) 暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡 到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力，通常指保持第一或第二个振荡周期不 失步的功角稳定； ( 3 ) 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。动态稳定的过程可能持续数十秒至 几分钟。后者包括锅炉，带负荷调节变压器分接头，负荷自动恢复等更长响应时 间的动力系统的调整，又称为长过程动态稳定性。电压失稳问题有时与长过程动 态有关。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，系统受到小扰动后的动态过程中，称之为小扰动动态稳定，或系统受到大 扰动后的动态过程中，一般可持续发展1 0 _ 2 0 s 后，进一步导致保护动作，使其 它元件跳闸，问题进一步恶化。 而如果按决定稳定的物理因素来区分，电力系统稳定性又可分为：同步( 功 角1 稳定性、频率稳定性、电压稳定性，也有把次同步谐振称为机械与电气联合 系统的稳定性等。 1 2 1 1 同步( 功角) 稳定性 功角稳定通常分为小干扰静态稳定和大干扰暂态稳定两类。 静态功角稳定是指电力系统受到小的扰动，功角摆动偏离又自动恢复到初始 运行状态的能力。静态功角稳定性与扰动的大小、频率、系统中各发电机组的阻 尼等因素有关。 暂态功角稳定性是指电力系统在大扰动后，各个同步点能否继续保持同步运 行的能力，通常所考虑的扰动包括发生各种短路故障、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。电力系统承受大扰动，在扰动过渡过程结束后， 系统能恢复扰动前状态或一个可接受的新状态，则称此系统在大扰动下是稳定 的。即大扰动后电力系统中各发电机组对功角在第一摆和随后几摆仍然保持同步 运行。 第5 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 1 2 1 2 电压稳定性 关于电压稳定性的定义至今还存在分歧，i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 动态委员会在1 9 9 0 年的报告中定 义为“电压稳定性是指系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时，负荷功率也随 之增大，并且功率和电压都是能控的。”所谓电压崩溃，是指由于电压不稳定所 导致的系统内大面积、大幅度的电压下降过程( 电压也可能是由于“角度不稳定” 而崩溃的，最初的起因往往仅在事故后的细心分析中才能发现1 。而c i g r e ( 国际 大电网会议) 于1 9 9 3 年把电压稳定性分为静态电压稳定性和动态电压稳定性，又 进一步将电压稳定性分为小扰动电压稳定性、暂态电压稳定性和动态电压稳定 性。c i g r e 一方面将电压稳定定义为扰动平衡后的负荷电压接近于扰动前的电 压值，将电压不稳定定义为扰动后没有平衡点的情况，而将电压崩溃定义为扰动 后有平衡点，但电压值过低的情况；另一方面却又认为电压不稳定性和电压崩溃 两个术语可以互换。此外，还有另一常用术语：电压安全性，它不仅是指一个系 统稳定运行的能力，也指在出现任何适当而又可信的预想事故或有害的系统变更 后，系统维持电压稳定的能力。 在2 0 0 1 年的电力系统安全稳定导则中，电压稳定的定义为：电压稳定 是指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。 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，这种电压的衰落可能只需几秒钟，也可能长达1 0 到2 0 分钟，甚至更长。如 果电压不停地衰落下去，静态的角度不稳定性或电压崩溃就会发生。造成电压失 稳的因素有很多，具体地说，发电机的无功限制、有载变压器抽头的离散调节及 限制、并联电容器或电抗器的投切容量限制、输电线路等离散时间都可能会引起 系统发生电压失稳。 无功功率的分层分区供需平衡是电压稳定的基础。电压失稳可表现在静态小 第6 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 扰动失稳、暂态大扰动失稳及大扰动动态失稳或长过程失稳。电压失稳可以发生 在正常工况、电压基本正常的情况下，也可能发生在正常工况、母线电压已明显 降低的情况下，也可能发生在受扰动以后。 现在普遍被接受的观点是电力系统中静态电压水平主要由无功功率平衡条 件决定，许多文献把电压崩溃归结为由于系统不能满足无功需求的增加。电力系 统中各母线电压水平是不同的，由于无功功率电源除发电机外，还有分散安装在 系统各变电所中的电容器、调相机和静止无功补偿器等，无功不适宜远距离输送， 必须就地平衡，无功电压调整必须分散进行，调压手段也是多种多样。 近2 0 年来，国际上许多发达国家中发生了多起电压崩溃事故：1 9 7 8 年1 2 月1 9 日，法国电网的电压崩溃事故导致停电负荷达2 9 0 0 0 m w ，占当时电网总负 荷的7 5 ，停电4 - - 7 小时；1 9 8 3 年1 2 月2 7 日，瑞典电网发生电压失稳事故， 瑞典南部停电，占当时负荷的6 7 ：1 9 8 7 年7 月2 3 日东京电网电压失稳造成停电 事故，损失负荷8 1 8 6 m w ，停电达3 小时2 1 分；1 9 9 6 年7 月2 日、1 9 9 6 年8 月1 0 日两次美国西部大面积停电事故。而2 0 0 2 年8 月1 4 日1 5 ：0 6 开始发生的 美加大停电，是有史以来所发生的最大停电事故，此次事故所呈现出的也是一种 快速电压崩溃现象，停电时间达到了1 7 个多小时，共计损失负荷6 7 8 0 g w 。我 国尽管没有大的恶性电压崩溃事故，但因电压失稳导致局部停电的事故时有发 生：1 9 7 2 年7 月2 7 日湖北电网武汉和黄石地区电压崩溃，使受端系统全部瓦解： 1 9 7 3 年7 月1 2 日东北电网大连地区全部停电：北京地区1 9 9 6 年1 月1 9 日的大 停电事故等等。 虽然电压崩溃事故发生的几率较小，但是其后果的严重性足以引起人们的广 泛重视，特别是美加大停电的发生，美国总统已将电网的安全运行提高到国家安 全的高度，电压稳定问题成为各国电力界普遍关注和研究的热门课题之一。 研究认为，电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点： ( 1 ) 由于经济上及其它方面( 如环保) 的考虑，发、输电设备使用的强度日益接 近其极限值： ( 2 ) 并联电容无功补偿大量增加，因而当电压下降时，向电网提供的无功功 率按电压平方下降； 第7 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 线路或设备的投切，引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究所考虑 的三相短路情况要大得多，然而人们长期以来只注意功角稳定研究。 目前从电压稳定问题研究的内容来看主要分两方面：一是包括电压稳定机理 及电压稳定问题建模的研究；二是包括电压稳定指标及电压崩溃预防措施的研 究。 而目前能够有效改善电压稳定问题的技术包括： ( 1 ) 必须投入运行的发电：在偶然事故期间或当新线路( 或变压器) 被推迟投入 的时候，应运行不经济的发电机以改变潮流或提供电压支持； ( 2 ) 串联电容器：有效减小线路电抗，降低净无功网损； ( 3 ) 并联电容器：虽然并联电容器的过分使用可能是电压不稳定问题的部分原 因，但是有时附加的电容器也能解决电压不稳定问题，因为此时可以在发电机中 预留出“旋转无功储备”； ( 4 ) 静止无功补偿器( s v c ) s v c 与同步补偿机搭配使用对控制电压和防止电 压崩溃是有效的，但必须认识到它有很确定的极限。当一个超过了规划准则的扰 动使s v c 达到顶值时，系统中的电压崩溃会与s v c 有很大关系； ( 5 ) 在较高电压下运行：可能并不增大无功储备，但却减少了无功需求。因 为它使发电机运行在远离无功极限的地方，因此帮助运行人员裕留了对电压的控 制； ( 6 ) 低电压甩负荷：即使负荷减少不多，那怕5 一1 0 也可能避免崩溃； ( 7 ) 低功率因数发电机：在新增的发电很靠近无功短缺地区或靠近偶尔需要 大的无功储备的地区的情况下，采用功率因数为o 8 5 或o 8 的发电机为宜； ( 8 ) 利用发电机的无功过负荷能力：发电机和励磁机过负荷的能力可被用来 推迟电压崩溃。 1 2 1 3 频率稳定性 电力系统频率( f r e q u c n c y ) 反应了系统中有功功率的供需平衡情况，不仅是电 力系统中电能质量的重要指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。因 第8 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 此频率的稳定性是现代电力系统联合运行的基础。根据我国电力工业部1 9 8 0 年 8 月颁发的电力系统调度管理规程3 5 条规定：“系统频率标准是5 0 h z ，频率 偏差不得超过士0 s h z ，容量大的系统及有条件的应努力使频率偏差不超过士 0 2 h z ，禁止升高或降低频率运行。”在电网正常运行情况下，电网各点都基本处 于同一运行频率下。当电力系统中有功功率的总供给，即各发电厂中有功出力满 足了全网电力负荷的总需求，并能随负荷的变化而及时调整时，电网的运行频率 将保持为额定值。如果电力系统的有功功率供大于求，发电机的负荷电磁力矩小 于机械输入力矩，转速将变快而使频率增大，电网的运行频率将高于额定值：反 之，则将低于额定值。 由于用户使用的电动机转速与系统频率有关，因此频率的变化将引起电动机 转速的变化，从而使纺织、造纸等工业出现残次品。系统频率的不稳定将会影响 电子设备的工作，雷达、电子计算机等重要设施将因频率过低而无法运行。受频 率不稳定影响最大的，当首推发电厂本身。低频率运行将增加汽轮机叶片所受的 应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。同时，当供电频率 下降时，风机和水泵所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行， 从而使发电机输出的电功率减少，更加剧了供需间的不平衡，进一步促使频率下 降，终至造成发电厂全停。对于核能电厂，它的反应堆冷却介质泵堆供电频率有 严格要求，如果不能满足，这些泵将自动断开，使反应堆停止运行。 常见的频率异常是频率降低。频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大， 而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。系统和各大机组过度的异 常频率和受端节点的过度低电压过程存在于受扰动后的系统暂态和动态全过程， 使得系统的同步稳定性、电压稳定性和频率稳定性具有极强的“相辅相承”、不 可分割的特点，电力系统中曾发生过很多由于频率异常降低而扩大事故甚至系统 崩溃的事故。 为保证电力系统频率运行在额定值，通常采用两类控制措施。一类是正常运 行时的自动频率控带f j ( a u t o m a t i o nf r e q u e n c yc o n t r o l ，a f c ) ，或称为自动发电 控制( a u t o m a t i o ng e n e r a t i o nc o n t r o l ，a t , c ) ，其任务是在负荷缓慢变化时，调 节发电机组的输出功率，保持频率的恒定，保持系统中联络线的功率在规定范围 第9 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 内。现代电力系统调频的主要任务，不只是维持系统频率在给定水平，同时还要 考虑按最经济原则分配机组出力( e c o n 0 i l l i c a id i s p a t c h i l l gc o n 仃o i ，e d c ) 和保 持电钟的准确性。另一类是紧急状态下的频率控制，其任务是在系统中有功功率 出现大扰动，频率出现大偏差时，尽快恢复至正常值，以保证电力系统的安全。 1 2 2 电力系统稳定计算 电力系统安全稳定计算分析的任务是确定电力系统的静态稳定、暂态稳定和 动态稳定水平，分析和研究提高安全稳定的措施，以及研究非同步运行后的再同 步及事故后的恢复策略。进行电力系统安全稳定计算分析时，应针对具体校验对 象( 线路、母线等) ，选择下列三种运行方式中对安全稳定最不利的情况进行安全 稳定校验： ( 1 ) 正常运行方式：包括计划检修方式，和按照负荷曲线以及季节变化出现的 水电大发、火电大发、最大或最小负荷、最小开机和抽水蓄能运行工况等可能出 现的运行方式； ( 2 ) 事故后运行方式：电力系统事故消除后，在恢复到正常运行方式前所出 现的短期稳态运行方式； ( 3 ) 特殊运行方式：主干线路、重要联络变压器等设备检修及其它对系统安 全稳定运行影响较为严重的方式。 1 3 电力系统综合分析软件( p s a s p ) 1 3 1p s a s p 主要功能 p s a s p ( p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ) 即电力系统综合分析程 序，由中国电力科学院研制开发，主要用于电力系统的运行、设计、研究。p s a s p 以潮流计算为基础，实现电力系统的潮流、暂态稳定、小干扰稳定等各种计算， 涉及稳态、暂态、线性、非线性各种分析等，为电网安全运行提供了强有力的技 术支撑。 第1 0 页共6 8 页 上海大学_ r _ , f f , 顾- 1 - 学住论文 1 3 2p s a s p 体系结构 p s a s p 的结构分为三层，如图1 所示。第一层是公用数据和模型的资源库，其 中包括电网基础数据库、固定模型库、用户自定义模型库、用户程序库，可进行 数据和模型建立；第二层是基于资源库的应用程序包，包括了潮流、稳定、短路 以及等值计算等各种计算分析：第三层是计算结果和分析工具，执行各种分析计 算后，生成相应的结果数据库，可以方便地以报表、图形等方式输出，并通过接 口与其它应用程序联接。 1 4 本课题研究目标与特点 图1p s a s p 体系结构 本课题主要研究南通电网的静态安全水平，并对电网的输送能力进行研究， 进而提出改善南通电网的建议。课题所研究的成果对于南通电网的安全稳定运行 及规划具有重要的参考意义。 论文的主要研究内容包括：南通电网潮流综合计算分析、南通电网n - - i 静 第1 i 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 态安全分析和南通电网输送能力研究，最后得出结论，提出改善南通电网的建议。 本次计算采用2 0 0 6 年南通电网夏季高峰2 4 5 9 m w 负荷方式、冬季1 4 7 5 m w 负荷方式，来进行全网稳定水平的普算。鉴于南通电网在江苏以及华东地区属终 端型电网的地位，本次计算还对统调电厂不同的开机方式予以了考虑。本次计算 还采用了2 0 0 6 年部分检修方式，作为电网最小运行方式来进行稳定校验。采用 2 0 0 6 年预测负荷方式的目的，是考虑到南通电网作为地级电网，用电水平具备 较强的计划性。 论文采用电力科学研究院的电力系统综合分析程序( p s a s p ) 为主要计算工 具，该软件在我国的电网运行管理中已得到广泛应用。 第1 2 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 第二章电力系统静态安全分析理论基础 2 1 电力系统的状态 2 1 1 正常运行状态 理论认为，一个电力系统如果在数量和质量上都能满足用户用电要求，就可 以认为系统处于正常的运行状态。具体来说，系统处于正常的运行状态下，应同 时满足下列约束条件： 1 、系统中各节点的有功、无功功率的供需条件必须平衡。一个n 节点( 或称 母线) 的系统，有下列功率平衡方程式： 尸j 所v y ( g u c o s 6 i s + b u s i n & ) = 0 d 9 一k 巧鼢s i n 岛一b u c o s6 s ) = 0 i d ( j = 1 , 2 ，以) ( 2 1 ) 式中，_ ，d 表示节点i 与节点j 相联系，其中包括j = i 的情况； 岛= 磅一毋； a ，所表示节点i 的电压相位角和模值； 国+ j b v 表示节点导纳矩阵的相应元素： a ，9 分别为节点i 与节点j 的有功、无功注入功率，也可以表示 成： r = 一n l( 2 _ 2 ) 9 = q 。一9 ，j 式中，下角注g 和l 分别表示发电机和负荷。 2 、各节点的电压模值不应超过允许的上限和下限： v ，孵 第1 3 页共6 8 页 ( i = 1 ，2 ，n ) ( 2 - 3 ) 上海大学工程硕士学位论文 3 、为了保持系统的稳定性，相邻节点间的电压相位差必须满足下列不等式： 例彰(2-4) 式中，彰表示相邻节点间电压相位差的最大允许偏差( 绝对值) 。 4 、各可控发电机组的有功、无功功率不应超过允许的上限和下限： 璺如苎 ( 2 - - 5 ) 线；q g j s 璐j 5 、 系统中各支路潮流应满足： 俐s 扩 ( 2 6 ) 式中，s 表示支路i j 中潮流视在功率的最大允许偏差( 绝对值) 。 上式( 2 1 ) 可简写成： k ( m ) 】= 【o 】 ( 2 - 一7 ) 功率平衡约束条件或载荷约束条件，隶属于等式约束条件 其中b 】为状态变量( y ，口) 的列向量。 对于式( 2 3 ) ( 2 6 ) ，可综合写成： b 1 妙】b 1 ( 2 8 ) 运行约束条件，隶属于不等式约束条件。其中上角注l 和u 分别表示上限 和下限。 只有同时满足式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 的等式和不等式的系统，才能认为是处于运 行正常状态。 2 1 2 电力系统的运行条件 在2 1 1 中，已经介绍了系统的正常状态应满足的条件。系统运行条件通常 可以用四种状态来描述； ( 1 ) 安全正常状态( s e c u r en o r m a ls t s t e ) ； ( 2 ) 不安全正常状态( i n s e c u r en o r m a ls t s t e ) ： ( 3 ) 紧急状态( e m e r g e n c ys t s t e ) ； ( 4 ) 待恢复状态( r e s t o r a t i v es t s t e ) 。 第1 4 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 2 1 2 1 系统状态的定义 对已处于正常状态的电力系统，在承受一个合理的预想事故的扰动之后，如 果仍然不违反式( 2 - - 7 ) 、( 2 - - 8 ) 的等式约束和不等式约束，则称系统处于安全正 常状态。这里需要补充说明，仅仅考虑合理的预想事故。因为毫无节制地考虑可 能的事故，就可能找不到一个所谓的安全的电力系统，或者要求很大的经济代价。 事实上，系统的安全性是相对于全部可能事故中的某一部分来确定的。大多数系 统中，预想事故一般是单一的，例如开断任一台发电机或开断任一条支路( 线路 或者变压器) ，即通常所说的“n 一1 ”。但在某些情况下，有必要考虑双重事故， 如同时开断两条支路或者同时开断一条支路和一台发电机等。 如果运行在正常状态下的电力系统，在承受规定预想事故扰动的过程中，只 要有一个事故使系统不满足运行约束条件( 即不等式约束条件) ，就称该系统处于 不安全正常状态。 当系统运行在不满足不等式约束条件的状态下时，系统即处于紧急状态。紧 急状态可以是静态的( 某些设备过负荷、某些节点电压违限等) ，也可以是动态的 ( 系统频率违限、发电机转子问的角度分开等) 。概略地说，在静态紧急状态下， 系统虽违反运行约束条件但仍能保持稳定，而在动态紧急状态下，系统将失去稳 定，此时无论是等式约束条件还是不等式约束条件都不能得到满足。 处于紧急状态的电力系统，如果不及时采取某些措施( 对静态紧急状态来 说) ，或者来不及采取某些措施( 对动态紧急状态来说) ，就有可能使运行条件继 续恶化，甚至有可能出现广泛波及性的跳闸，导致整个系统的瓦解或者崩溃。此 时，虽然系统的某些个别部分仍可能处于某种正常状态( 也就是同时满足等式和 不等式约束条件) ，但另一部分却可能出现了同时违反等式和不等式约束条件的 情况，这样的系统被称为处于待恢复状态。 2 1 2 2 系统状态之间的关系 当系统工作在某一运行状态时，为了提高其安全性，电网调度部门应制订防 第1 5 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 止事故广泛波及的对策，即电网事故预案。这些不同的对策或者预案，构成了电 网安全控制( s e c u r i t yc o n t r 0 1 ) 。如： 为了使电力系统从不安全正常状态转变到安全正常状态，应采取预防控制措 施( p r e v e n t i v ec o n t r 0 1 ) ，确保系统能承受可能的预想事故的扰动。 对于没有失去稳定性但处于紧急状态的系统，应采取校正控制措施 ( c o r r e c t i v ec o n t r 0 1 ) ，尽快使系统恢复到正常状态。 在系统失去稳定性的紧急状态下，为了防止事故的进一步扩大以及缩小事故 对系统的冲击影响，应通过紧急控制( e m e r g e n c yc o n t r 0 1 ) ，即通过运行人员的 操作或者自动装置的动作，如卸负荷、切机、解列运行等措施，使系统进入待恢 复状态。 以下是上述四种运行状态和各种措施的关系示意图( 图2 m t ) 。 2 2 电力系统静态安全分析 安全正常状态lf 扰动 薹嚣j ，扰动 不安全正常状态 个校正i 扰动 ；控制、l ， 系示意图 紧急状态 2 2 1 电力系统静态安全定义 电力系统静态安全分析指应用n 一1 原则，逐个无故障断开线路、发电机、 第1 6 页共6 8 页 图卜运行状态和措施的关 上海大学工程硕士学位论文 变压器等元件，检查其他元件是否因此过负荷和电网低电压，用以检验电网结构 强度和运行方式是否满足安全运行要求。 n 一1 原则用于电力系统静态安全分析( 单一元件无故障断开) ，或动态安全 分析( 单一元件故障后断开的电力系统稳定性分析) 。 当发电厂仅有一回送出线路时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机 组，此种情况也按n p l 原则考虑。 2 2 2 电力系统静态稳定的计算分析 电力系统的静态稳定是指在某一运行方式下，电力系统受到小干扰后，不发 生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统静态稳定计算分析 的目的是应用相应的判据确定电力系统的稳定性和输电线的输送功率极限，检验 在给定方式下的稳定储备。 对于大电源送出线，跨大区或省网间联络线，网络中的薄弱断面等需要进行 静态稳定分析。 静稳定判据为： 冬 0( 籼) 嬲 或： do0(2-10) d v 相应的静稳定储备系数为： 局：塑掣，旦1 0 0 ( 卜1 1 ) 。ptt 西：生! ：垡墨 t y 7 t - - 常 100(2-12) 2 3 电力系统潮流计算 电力系统潮流计算是开展静态安全分析的一项基本计算，其任务是在给定的 第1 7 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 电网结构和负荷条件下，通过计算得出各条支路的输送功率以及各节点的电压 值。这里的输送功率是包括有功、无功功率在内的视在功率，电压值包括了幅值 和相角。 潮流计算技术作为电力系统分析的基本手段，随着计算机技术的发展，日臻 成熟。目前常用的方法有：直流潮流法、交流潮流法快速解耦法等。不论是在线 应用还是进行系统规划，都希望潮流计算能时间迅速、占用内存少以及收敛可靠 等。 直流法潮流计算在计算上可以说是最快的，在开断计算、预想事故自动选择 等分析中，计算速度往往是第一位的。直流法对交流支路进行了简化，尽管精度 较差，但至今仍是经常选用的快速算法。 交流潮流法中的n e w t o n 算法由于精度高而且收敛性比较可靠，广泛应用在 工作实际中。但是因为每次迭代过程中都要重新形成j a c o b i 矩阵，所以计算时 间较长。 快速解耦法在在线应用中使用较多，其采用了一定的编程技巧，如稀疏矩阵 的压缩存放、节点编号优化等，计算精度高于直流法，速度基本满足需要。 下面以直流法和n e w t o n 算法来对潮流计算进行说明。 2 3 1 直流法简介 设线路的等值模型如图2 - - 2 所示。在线路的两端各有一条对地支路，用来表 示线路的对地电容。直流法的等值支路如图2 - - 3 所示。 h n 黜+ j 的 西 南 二= 卜一 巧日j _ t 一j p - 、 第1 8 页共6 8 页 上海大学工程硕士学位论文 图2 - - 2 交流线路的等值模型 图2 - - - 3 直流法的等值模型 p o + j q i j = p i l e = m ( ，0 + ，o ) = 玎 ( 所一巧) ( 鄹+ ，6 j ，) + _ ，m e 胁) 式中，g u + j b 口为支路的串联导纳。 k = 玢一。l 巧= 巧叫 式中，研，谚为节点的电压相位角。 p # + j q i j = y k 一歹( 幻+ 歹6 ，明一k 巧一毋( g v - j b q ) e j 岛= c o s a j + j s i n o # 所以，在分开( 2 1 5 ) 的实部和虚部后，可得 凡= 所鄹- 所d ( g , c o s 岛+ 加s i n 岛)i q n = k 巧一毋( 6 c o s 岛一影s i n 岛) 一v ；( b v 4 - j b , o ) j 式中，岛= 6 1 一日。 1 ) i g u i 毫nn一韬椒榨鹫恒褂腻 长瞒莲 州窜犁特书臀棋h朴专fq 上海大学工程硕士学位论文 附录七 南通电网2 2 0 k v 电压等级线路输送容量 最细导线导线继保限额允许最大输送容量 线路名称 型号载流量( a )( a )电流( a ) ( m v a ) 通海2 6 6 3 线l g j q 一2 * 3 0 0 1 2 0 21 0 0 06 0 02 3 9 通海2 6 6 4 线l g j q 一2 * 3 0 0 1 2 0 21 0 0 06 0 02 3 9 通东2 6 6 5 线l g j 一4 0 0 7 0 78 4 56 0 02 3 9 通东2 6 6 6 线l g j 一4 0 0 7 0 78 4 56 0 02 3 9 通沿2 6 6 2 线l g j 一2 * 3 0 0 1 2 0 29 5 06 0 0 2 3 9 天刘2 6 9 7 线l g j q - 4 0 0 7 0 74 1 04 1 01 6 3 天常2 6 9 8 线l g j 一4 0 0 7 0 7 6 9 0 6 7 2 6 0 02 3