（电力系统及其自动化专业论文）基于wams的电力系统安全性评估.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 本文利用广域测量系统所提供的电力系统动态信息，对电力系统的安全性进行 评估。将混沌时间序列理论引入电力系统暂态稳定预测中，对发电机功角和电磁功 率的时问序列进行相空间重构，基于加权一阶局域法建立了多步预测模型，对复杂 电力系统暂态过程中的发电机功角和电磁功率进行预测研究，并采用扩展等面积法 则进行稳定判断和稳定裕度的计算，取得了较好的预测精度；利用能量管理系统 广域测量系统提供的电力系统信息，可确定系统故障前的状态，建立了故障概率模 型，采用蒙特卡洛方法对电力系统进行概率暂态安全性评估。通过算例分析验证了 所提出方法的合理性与有效性。 关键词：电力系统，广域测量系统，扩展等面积法则，安全性评估 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yi sa s s e s s e db yu s i n gp o w e rs y s t e md y n a m i c i n f o 肌a t i o nw h i c hw i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e mp r o v i d e s c h a o t i ct i m es e r i e st h e o r yi s i n t r o d u c e dt op o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b 订i t yp r e d i c t i o n f i r s t ，r e c o n s t r u c tt h ep h a s e s p a c eo fg e n e r a t o ra n g l ea n de l e c t r o m a g n e t i cp o w e rt i m es e r i e s ，e s t a b l i s ham u l t i s t e p p r e d i c t i v em o d e lb a s e do nt h ew e i g h to n e r a n kl o c a l1 a w ，a n dp r e d i c tg e n e r a t o rp o w e r a n 9 1 ea n de l e c t r o m a g n e t i cp o w e ri nt h ep r o c e s so fc o m p l e xt r a n s i e n ts t a t e t h e nt h e s t a b i l i t yi sj u d g e da n dt h es t a b i l i t ym a r g i ni sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt oe e a co b t a i n i n g b e t t e rp r e d i c t i o n a c c u r a c y s e c o n d ， t h es t a t eo fp o w e rs y s t e mb e f o r ef a u l tc a nb e i d e n t i f i e d t h o u g h t h ei n f o r m a t i o nw h i c h e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m w i d e a r e a m e a s u r e m e n tp r o v i d e s t h ep a p e re s t a b l i s h e saf a i l u r ep r o b a b i l i t ym o d e l ，u s i n gt h e m o n t ec a r l om e t h o da s s e s s e sp r o b a b i l i s t i ct r a n s i e n ts e c u “t y f i n a l l y e x a m p l e sa r es e t u pt ov e r i f yt h er a t i o n a l i t ya n de f f 色c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o d s m e n gz h o n g q ia n g ( 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 yp r o f l uj i n l i n g k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，e x t e n d e de q u a i a r e ac r i t e r i o n ，s e c u r i t ya s s e s s m e n t 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于w a m s 的电力系统安全性评 估，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：垂生毯 日期：塑z ：兰：z 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：垒生翘 同 期：盈呸三：心 导师签名： 同期： 华北电力人学硕十学位论文 1 1选题的背景和意义 第一章引言 为了适应经济的发展，满足日益增长的用电需求，我国电网在自然资源分布不 平衡的条件下，逐渐形成了北、中、南三大自然区电网的格局，其中北部电网包括 东北、华北、西北和山东电网；中部电网包括华中、华东、福建和四川电网；南 部电网包括广东、广西、云南和贵州电网。三大电网之间实现跨区电网互联，将一 个地区富余的电力送往用电量大的地区，实现能源优化配置，取得巨大的经济效益 【2 】 o 大区电网的互联在带来显著经济效益的同时，也使网络结构更复杂、分布地域 更广、元件更多，动态行为也更复杂。这可能会影响网架薄弱电网地区内安全稳定 水平，也可能使局部故障波及的范围增大，更容易导致由于相继的连锁故障而造成 大面积停电的灾难【3 1 。近年来，国内外相继发生了多起电网大停电事故5 】6 1 。如美 国西部电网( w s c c ) 1 9 9 6 年7 月2 同和8 月l0 同连续发生了两次大面积停电， 分别损失了10 5 7 6 m w 和3 0 3 9 2 m w 的负荷，各自造成2 0 0 万和7 5 0 万用户停电达 几个小时。尤其是2 0 0 3 年8 月1 4 同，美国东北部、中西部和加拿大的安大略省发 生了一次大停电事故。它造成的巨大损失和影响在世界电力史上是空日订的，因此， 电力系统安全性问题引起了世界各国的高度重视。 19 8 8 年相量测量装置( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 的产生l7 】能够测量电力系 统的状态量。而相量测量中的关键相角测量，时问误差l m s 会带来1 8 0 工频相 角误差【8 】【9 】【10 1 ，1 9 9 3 年全球定位系统( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 全匾民用化 【l i 】【1 2 】，以其高度精确的授时能力，为电力系统解决了广域测量时| 、h j 误差的问题。随 后，基于同步相量测量及现代通信技术的广域测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n t s y s t e m ，w a m s ) 应运而生，它使测量更加迅速，并且各种测量信息均有统一的时标， 可以在同一个时刻观察电力系统的状态，也就是说，它具有实时纪录电力系统动态 行为的能力，从而为电力系统安全稳定分析提供了新的思路和契机。 因此如何利用广域测量提供的信息分析和评估电力系统的可能存在的潜在危 险，对电力系统安全性进行科学的分析，从而对电力系统的安全水平做出定量的评 估是一项有理论价值和实际研究意义课题。 华北电力人学硕十学位论文 1 2w a m s 简介 w a m s 是基于同步相量测量及现代通信技术，对地域广阔的电力系统运行状态 进行监测和分析，为电力系统实时控制和运行服务的系统【i3 1 。它在合适的发电厂和 变电站安装p m u ，将带时标的相量数据打包并通过高速通信网络传送到数据中心， 数据中心对各子站的相量进行同步处理和存储，并可计算系统惯性中心相角及各机 组、母线的相对相角，以及进一步调用相应的应用程序，对相量数据进行实时评估 以动态监视电网的安全稳定性或进行深入研究以达到控制的目的【1 4 1 。其结构示意如 图1 1 所示。 图卜1w a m s 结构示意图 同步相量测量技术【5 1 ( s y n c h r o n i z e dp h a s o rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，s p m t ) 源 于2 0 世纪8 0 年代初期，由美国的p h a d k e 博士和一些电气专家提出来的，它是指在 全网统一的时标下( 通常以g p s 提供的时问作为标准) ，对电力系统的不同节电压和 电流进行同步采样，通过数据处理进行了从数据到相量的转化，生成各节点电压和 电流相量的正序相量，将这些信息以一定格式的数据包上传，在统一的时自】坐标系 上对电力系统的状态进行分析，得到时空坐标下电网全局的动态信息。 s p m t 最早在美国和欧洲的电力系统中得以应用，主要是利用它的测量数据来 提高统状态估计的精度及进行相关的保护、监测和控制研究。美国西部联合电力 ( w e s t e ms y s t e m sc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ，w s c c ) 还通过w a m s 丌发了基于高速监测 和快速控制的系统调度运行方式，目的是及时发现系统的动态干扰以避免不稳定状 态的蔓延，从而避免导致系统大范围停运和停电事故的发生。法国制定了一套用于 超高压电网的特殊保护系统，作为一个防止失步的“联合防御计划”。西班牙将p m u 用于状念估计以提高精度。墨西哥将相量测最应用于系统建模和动念行为监测。同 本应用同步相量测量技术丌发了失步保护系统，该系统装于东部至西部5 0 0 k v 双回 线路中，用末防止严重故障引起大型发电机失步情况下，避免整个系统崩溃【i6 1 。我 国同步相量技术的研究工作始于1 9 9 5 年前后，并在最近几年得到了广泛的重视和 应用，江苏省电网、三峡电网、华北电网、东北电网、南方电网和台湾地区电网已 部分完成或币在实施庞大的w a m s 计划1 1 7 j 。 华北电力人学硕十学位论文 s p m t 技术在近些年来发展很快，在1 9 9 5 年，i e e e 已经制定了针对同步相量 的i e e es t a n d a r d1 3 4 4 【18 1 。2 0 0 3 年初国家电力调度通信中心制定了电力系统实时 动态监测系统技术规范( 试行) ，用于规范国内在同步相量技术方面的丌发和应用 工作。 1 3 国内外研究发展现状 电力系统的安全性( s e c u r i t y ) 是指电力系统承受突然发生的扰动( 例如失去电力 系统的元件，或短路故障等) 的能力，它是动态条件下电力系统经受住突然扰动并 不间断向用户提供电力和电能量的能力。 电力系统的稳定性( s t a b i l i t y ) 是指电力系统在受到扰动( 例如突然短路或未预料 到的失去系统元件) 之后，凭借电力系统自身固有的能力和稳定控制设备的作用， 恢复到扰动f i 的稳定运行方式，或者达到新的稳定运行方式。安全性评估是对电力 系统稳定水平的定量评价【i9 1 。 1 3 1 基于w a m s 的暂态稳定分析方法研究现状 基于w a m s 的信息在暂态稳定分析方面有几种方法：一是角度外推法，即利用 p m u 测量得到的功角值用数学方法进行下一时刻或下一时段的功角预测。根据采用 数学方法的不同又可以分为：多项式逼近法【2 0 】f 2 1 1 【2 2 1 、自回归( a r ) 方法【2 3 1 等：二是基 于简化模型的辨识法1 2 4 1 。通过建立系统的数学模型，利用系统辨识达到功角预测的 目的；三是人工智能法【2 5 儿2 6 】。将各类数据输入，经过和已经训练好的样本进行比较， 得出稳定性结果的输出，不能给出直观的摇摆曲线，需要大量离线计算来训练样本， 这是不容易达到的要求。 文献 2 6 利用模糊神经网络进行电力系统暂念稳定预测，具有较高的模式分类 正确率和函数逼近精度，但对于复杂电力系统，因为训练样本数量庞大而较为困难。 这种方法主要特点是基于大量系统化的离线计算生成训练样本，然后用非样本集检 验决策模型的f 确性，在本质上与传统的策略表方法是一致的，并没有从电力系统 的机理上进行研究，是一种基于知识的方法，存在着离线计算结果不能完全与实际 运行方式一致的问题。 文献 2 7 2 8 】将联络线两侧的系统等值为双机，基于p m u 测量联络线两端的功 角差，使用e a c 进行稳定预测。但研究表明双机模型不具有普适性，即使同样的网 架，在运行方式变化时失稳模式也是变化的。文献【2 9 】綦于p m u 量测数据，对e e a c 直接法进行了改进，提出了紧急e e a c ( e m e r g e n c ye e a c ，e e e a c ) 的思想。与e e a c 不同的是：e e e a c 所需的电气量均是实测得到，因此e e e a c 完全反映了暂念稳定 华北电力人学硕十。! ；f = 位论文 的三要素：故障前的运行方式和潮流、故障的冲击和故障后的运行情况。这就突破 了暂态稳定分析中基于“预想事故”的思维模式，可以进行实时分析、实时控制。 献 3 0 】 3 l 】提出了基于p m u 量测的系统失步预测方法。该方法的具体作法有如 下五个步骤：( 1 ) 根据p m u 测量并计算得出的各发电机的相对相角，选择和确定具 有相似摇摆性的机组群；( 2 ) 将每一个机组群聚合为一台等效的发电机模型；( 3 ) 通过 相量测量对简化后的系统模型进行状态评估；( 4 ) 通过对摇摆方程的求解，预测各等 效发电机的相角；( 5 ) 检测预测相角，判别机组群的失步情况。 文献 3 2 】基于广域量测数据应用参数辨识理论提出电力系统故障后导纳参数在 线辨识方法，研究了电力系统受扰轨迹快速积分预测新方法。该算法基于实时量测 量精确构造实际故障后的系统动态方程，并快速积分求解系统受扰轨迹。参数辨识 使用系统实时数据，可考虑复杂的连锁故障事件和不确定的系统拓扑和参数，预测 基于故障后系统模型积分，能够反映系统物理本质，对于系统经典模型具有理想预 测精度。 文献 3 3 基于分群理论，进一步提出根据大量实际仿真观察得到的结果进行初 步预分群，再进行在线的动态修正分群的思路，在每一群机组内选择一台曲线特性 最稳定的发电机作为这一群机组的角度中心，即由它来代表这一群发电机，根据每 个机群的代表性的机组用进行监测，并作为判别相对功角的状态量。在对电网进行 时域仿真后证明对于严重的三相故障这种预测方法是可行的。 1 3 2 电力系统概率性暂态稳定评估研究现状 确定性电力系统稳定评价是指在给定电力系统结构，参数及扰动类型及发生地 点的条件下，运用确定性的数学模型，评价电力系统是否保持稳定。目前世界上各 国在电力系统规划设计和运行中，占主导地位的都是采用确定性的计算方法。 概率性电力系统稳定评价是指基于概率统计方法来评价电力系统的稳定，主要 包含3 个方面的内容： ( 1 ) 选择导致暂态稳定失去的主要因素作为随机变量； ( 2 ) 建立随机变量的数学模型； ( 3 ) 计算失去系统稳定的概率性指标。 在目前，主要采用的足实用型的概率性电力系统稳定，也就是根据工程要求经 过简化的但保留概率特点的评价方法，这种方法吸收了确定性稳定评价方法和可靠 性工程的方法，颇有特点。 电力系统概率暂态稳定分析的任务是根据影响稳定的主要随机因素的统计特 性来确定系统的暂念稳定性概率指标，因此能够较为深刻地反映电力系统的实质。 概率暂念稳定分析是电力系统稳定性分析从确定型到概率型的一次突破，是对传统 华北电力人学硕十学位论文 确定型分析方法的重要补充，它在电力系统的规划与设计、运行与控制中均具有广 阔的应用前景【3 4 【3 5 1 。 文献 3 6 】【3 7 】提出在多机系统中进行概率暂态稳定计算的必要性，并给出了在简 化的3 3 节点、5 2 条线路、1 l 台发电机的s p c 系统的概率稳定计算结果。文章通过 潮流计算得到初始运行方式，假设在线路中点或者端点( 母线) 处发生短路故障，故 障类型包括单相接地、两相相间、两相接地、三相短路四种。假设保护系统1 0 0 可靠，即不考虑保护和重合闸拒动，但是考虑考虑保护和重合闸动作时间的分散性， 假设故障切除时间服从正态分布。对每条线路、每种短路形式计算系统的暂态稳定 性，采用概率加权方法得到系统失稳概率。文中算法的优点是考虑了故障不确定性 和保护动作时间分散性，缺点是对故障类型、位置、起止时问的模拟不够准确或完 整，没有考虑保护拒动与否，没有任何紧急控制措施，计算指标定义也不尽全面。 文献【3 8 】比较了确定暂态稳定和概率暂态稳定算法的区别，提出在概率暂态稳 定计算中引入暂态能量函数判断系统是否失稳，并给出了一个五节点系统算例结 果。文献 3 9 】在应用暂念能量函数的基础上，采用切机措施以避免暂态失稳。文献 4 0 】 首先确定故障类型、位置、故障切除时问、负荷水平的概率分行，然后有限重故障 枚举，计算每一组故障集合的发生概率，再采用能量函数方法判断是否失稳。文献 【4 1 】通过采用非序贯蒙特卡罗仿真来实现复杂故障模式的概率稳定性计算，在算法 中计入了稳定控制措施( 如快关、切机、低频减载) 的影向并定义了新的概率稳定性 指标。文献 4 2 对负荷水平、故障发生时间、故障位置等连续变量离散化处理，采 用条件概率方法计算系统失稳概率，定义了反映事故严重程度的一组性能指标。文 中根据最大摇摆角对事故进行排序和自动选择，并采用经验规则减少暂念稳定计算 次数，提高了算法效率。 1 4 本论文的主要工作 广域测量系统技术为大电网向着大面积实时监测和控制方向的发展提供了先 进和可能的信息技术平台，利用广域测量提供的信息可以分析和评估电力系统的可 能存在的潜在危险，对电力系统安全稳定水平进行定量评估。论文主要工作如下： ( 1 ) 深入的研究暂态稳定性定量分析的e e a c 理论，掌握其基本原理，并将其应 用到安全性评估中。 ( 2 ) 将混沌时间序列理沦引入电力系统暂念稳定预测中，对广域测量系统实时 测量的发电机功角和电磁功率数据的时间序列进行相空间重构，基于加权一阶局域 法建立了多步预测模型，进行复杂电力系统暂态过程中的发电机功角和电磁功率预 测研究，并采用扩展等面积法则进行稳定判断和稳定裕度的计算。 华北电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 利用能量管理系统或广域测量系统提供的电力系统信息，确定系统故障前的 状态，建立了故障概率模型，运用蒙特卡洛仿真方法进行故障抽样，并采用扩展等 面积法则对某一具体故障事件进行稳定判断和裕度计算，对电力系统的整体安全性 进行定量评估。 ( 4 ) 利用电力系统仿真软件和m a t l a b 语言编写程序实现本文提出的方法，分别 对i e e e 三机九节点系统和两区系统进行分析，算例分析结果表明了该方法的合理 性与有效性。 华北电力人学硕十学位论文 2 1引言 第二章暂态稳定定量分析的e e a c 法 大区电网的互联、电力市场的形成和发展使安全稳定的裕度越来越小，传统的 逐步积分法( s b s ) 的暂态稳定计算提供的定性分析已不能满足暂态稳定分析的要求， 因此开发具有量化和在线能力的暂态稳定分析工具成为越来越迫切的需要 4 3 1 。 e e a c 理论较完美的解决了电力系统暂态稳定性量化评估的问题，它在多机空问使 用实际需要的模型和场景对所有的动态方程进行完整的积分，然后将得到的受扰轨 迹用c c c o i r m 变换函数变换为时变o m i b 系统，并在变换中保持了原多机系统的 稳定的充要条件，进而得到系统的稳定性定量信息。因此在多机积分精度的含义上， e e a c 是分析电力系统稳定性的严格酌量化方法，并且没有对系统元件数学模型的 复杂程度、动态过程的多群特性和多摆失稳模式提出任何限制【4 4 1 。 2 2e e a c 算法的基本原理 互补群群际能量壁垒准则( c o m p l e m e n t a r y c l u s t e re n e r g yb a r r i e rc r i t e r i o n ， c c e b c ) 是非自治非线性多刚体运动系统稳定性的严格充要条件，该理论通过严格 的保稳降维变换将积分空| 日j 映射到评估空问，丌创了轨迹稳定性的量化分析方法， 适用于任意多刚体运动系统的大扰动稳定性评估和任意参变量极限值的求取。 c c e b c 将非线性非自治多刚体稳定性的定量分析问题分解为数学模型的建立，多刚 体受扰轨迹的求取和稳定性信息的提取等3 个步骤。其中受扰轨迹的求取可以依靠 数值积分技术或现场实测技术，而稳定性信息的提取则必须依靠稳定性理论。 e e a c 是c c e b c 在电力系统中的应用。e e a c 算法通过互补惯量中心相对运 动( c c c o i r m ) 变换在暂态稳定分析中实现了积分空间与观察空问的分离，该映射 变换既保持了原来多机系统动态过程的稳定特征，又实现了在低维观察空间进行电 力系统暂态稳定性定量分析【45 1 。e e a c 将尺1 观察空问与尺”积分空i h j 相分离，将电力 系统暂念稳定评估任务分解为2 个阶段，即在尺”中求取受扰轨迹的子任务和在尺中 对映象轨迹进行定量分析的子任务。用前者来保证对模型和扰动场景的适用性，并 保证受扰轨迹的精度，用后者进行量化分析并指导对稳定极限值的搜索。在积分空 间和观察空间之间，用c c c o i r m 保稳变换来保证上述分解聚合的求解框架的严 格性。由于可以严格地对保稳的映象系统的稳定程度进行量度，囚此可以为多机系 统的稳定性提供充分必要条件，在多机积分精度意义上是严格的定量方法。 华北电力人学硕十学位论文 2 2 1 多机轨迹中的无界角度间隙及其对应的互补惯量中心映像 ( 1 ) 无界角度间隙 在每个积分步将各机转子角从大到小排列一次，每两个相邻转角之间构成一个 角度间隙。如存在某角间隙对于任意给定的正值，总可以找到一个时间f 矗，使得 f f 口时该角间隙必大于，称该角f b j 隙为无界角间隙( u a g ) 。 在电力系统的暂态稳定分析实践中，往往按经验取有限值( 例如2 5 0 。) 为门限 值，而将大于值的角度间隙成为u a g 。稳定性定性分析的经验判据为：含u a g 的受扰轨迹一定是不稳定的，而不含任何u a g 的受扰轨迹则至少在对应时段内是 稳定的。 ( 2 ) 互补群 一个，l 机电力系统的运动方程可以抽象地表示为： m t 葭= 乞i ( f ) 一匕( f ) = 五 后= l ，2 ，肛 ( 2 1 ) 论只。( f ) 、匕( f ) 复杂程度，也不论各机在某特定暂态过程中同调情况，有且仅 有，= 2 ”一2 种不同的方式将这，z 台机的运动方程分割为2 个非空的互补机群s 。( 称为 有序对的第l 群) 和4 ( 有序对的第2 群) ，g = 1 ，2 ，z 。其中u4 = l ，2 ，门 ， s 。n 彳。= o ，s 。a ，彳。g 。 对于某个特定的划分，把属于同一群的机组的动念方程相加，就可得到两个多 元微分方程： m 每= 乞，一乞，& 一么 兰兰三 ( 2 2 ) m ，茸= 岛一弓哦以一e 以 j e #j e _ |j e | 如果在变换前的尺”中积分，再将积分结果代入式( 2 2 ) ，当然可以反映这一对互 补群相对运动的动态。但由于每个方程组仍然包含有全部仃个角度变量，因此作为 参量化的表达式也难以观察。我们希望找到一种变换，以得到便于分析的低维观察 空间。 ( 3 ) 互补群加权角度中心的相对运动轨迹 将多机轨迹尺4 按不同组合方式穷尽地分为互补群。针对一对互补群，求取每一 群的群内转子角的加权平均动态轨迹。再将两条等值的惯量中心轨迹尺2 转换为它们 相对转动的轨迹r 。 按时问序列逐点把多机系统中的摇摆曲线坑( f ) v 七进行转换。先得到所有可能 的两机映象系统，记作尺”一e ( 尺21 ，再将每一个两机映象转换到o m i b 映象系统， 记作r 2 专r 。这样，多机轨迹就被转化为互补群相对运动轨迹的全集。 华北电力人学硕十学位论文 2 2 2 多机电力系统的c c c o i r m 变换 ( 1 ) c c c o i 变换及对应的等值两机模型 定义s ( 或彳) 群的等值转子角4 ( 或皖) 为： f 嗔= m ，4 m ， k 主m 7 屋蚂 - 3 1 皖= m ，t 蚂 心吖 l ，e f e 爿 并定义m ( 或) 为s ( 或彳) 群的等值惯量；气( 或) 为s ( 或么)