（电力系统及其自动化专业论文）电压稳定控制研究和动态安全域程序开发.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s o m eb i gb l a c k o u t so c c u r r e di nm a n yp o w e rs y s t e m sa r o u n dt h e w o r l d , w h i c hh a v eb r o u g h tt r e m e n d o u sd a m a g 锶s u c hc a t a s t r o p h i ce v e n t sw f f f e u s u a l l yc a u s e db yp o w e rs y s t e mi n s t a b i l i t y f i n d i n gm o l ef a s ta n de f f e c t i v es e c u r i t y m o n i t o r i n g , a s s e s s m c l l ta n dc o n t r o ls t r a t e g i e st og u a r a n t e ep o w e rs y s t e ms t a b i t i t ya n d d ? , o n o m i co p e r a t i n gh a sb e c o m eah o tt o p i co f t h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a ls t u d i e s i n t h i st h e s i s ，w em a i n l yf o c u so nt h es t u d yo f p o w e rs y s t e mv o l t a g es t a b i l i t ya n do n l i n e d y n a m i ca s s e s s m e n t w o r k so ft h i st h e s i sc 锄b es e p a r a t e di n t ot w op a r t s ：1 、p a r t1i s v o l t a g es t a b i l i t ys t u d y w ep r e s e n ta l le m e r g e n c yv o l t a g es t a b i l i t yc o n t r o la p p r o a c h b a s e do np o w e rf l o wt r a c i n g 2 1p a r t2i st od e v e l o pa l lo n - l i n ep r o g a mt oc a l c u l a t et h e s y s t e md y n a m i cs e c u r i t yr e g i o nb a s e do ni n t e r c e p tm e t h o d a st h ef i r s tp a r t , w ep r e s e n t 姐e m e r g e n c yv o l t a g es t a b i l i t yc o n t r o la p p r o a c h b a s e do np o w e rf l o wt r a c i n g i no r d e rt of i n dar e a s o n a b l ec o n t r o ls t r a t e g y , w em u s t s o l v et h ef o l l o w i n gt w op r o b l e m s t h ef i r s ti st od e t e r m i n et h eo p t i m a lc o n t r o l q u a n t i t y e 辱t h em i n i n m ll o a ds h e d d i n ga n dg e n e r a t i o nt r i p p i n g t h es e c o n di st o d e t e r m i n et h eo p t i m a lc o n t r o ll o c a t i o n i no u rp r o p o s e da p p r o a c h , w ed e t e r m i n et h e m i n i m a l1 0 a ds h e d d i n ga n dg e n e r a t i o nt r i p p i n gb yi n c r e a s i n gt h ei m p e d a n c eo ft h e f a u l t e dt r a n s m i s s i o nl i n e s a n d ，t h e nab i - d i r e c t i o np o w e rf l o wt r a c i n gm e t h o di su s e d t ol o c a t et h el o a ds h e d d i n ga n dg e n e r a t i o nt r i p p i n g t h ea p p r o a c hc 锄r e a s o n a b l e l y c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo f t h en o n l i n e a rc o m p o n e n t se x i s t i n gi np o w e rs y s t e m s ，s u c ha s o l t ca n dh a r d l i m i to ft h ee x c i t e r i tc a na l s og u a r a n t e et h el o a ds h e d d i n ga n dt h e g e n e r a t i o nt r i p p i n ga r em i n i m a l m o r e o v e r , s i n c et h ep o w e rf l o wt r a c i n gi st h eb a s eo f t h en o d a lp r i c i n ga n dl o s sa l l o c a t i o nu n d e rd e r e g u l a t i o ne n v i r o n m e n t , o u rp r o p o s e d a p p r o a c hc 龇b ee a s i l ya p p l i e dt op o w e rm a r k e te n v 妇o n m e n t f i n a l l y , $ o m et e s t i n g s y s t e m s s u c ha sn e w e n g l a n d1 0 - g e n e r a t o r - 3 9 - b u ss y s t e ma n di e e e1 1 8 - b u ss y s t e m a r ee m p l o y e dt ov a l i d a t et h ep r e s e n t e dc o n t r o la p p r o a c h a st h es e c o n dp a r t , w ed e v e l o pa no n - l i n ep r o g a mt oc a l c u l a t et h ed y n a m i c s e c u r i t yr e g i o n ( a b b r i p d s r ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t d y n a m i c s e c u r i t yr e g i o na n dp r o b a b i l i s t i cs e c u r i t ya $ s e s s l t l e n to f h 黜np o w e rs y s t e m i p d s r i sb a s e do ni n t 盯c e p tm e d a o dp r e s e n t e db yt i 觚j i nu n i v e r s i t y a st h eb a s eo ft h e p r o b a b i l i s t i ca s 螂锄e n lt h ec a l c u l a t i n gs p e e do fi p d s ri sv e r yf a s ta n di t se r r o ri s v e r yl i t t l e t h ei p d s rp r o g r a mh a sb e e nt e s t e db ys o m er e a lp o w e rs y s t e m sa n do n v a r i o u so p e r a t i n gs y s t e m s ，s u c ha sw i n d o w s ，s u ns a l o r i sa n dl i pt r u6 4 i ti sv e r i f i e d t h a ti p d s ri ss t a b l e , r o b u s ta n dp o r t a b l e t h i st h e s i s _ i sp a r t l yp r o v i d e db yt h ek e yp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( u n d e rg r a n t1 0 5 0 4 7 ) a n dt h es p e d a if o u n d a t i o nf o rn a t i o n a le x c e l l e n t d o c t o r a ld i s s e r t a t i o na u t h o r s ( u n d e rg r a n t2 0 0 4 3 9 ) k e yw o r d s ：s e c i l r i t ya n ds t a b i l i t y , v o l t a g es t a b i l i t y , p o w e rf l o wt r a c i n g , d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨鲞盘堂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：刁磊# 签字日期：矽口年2 ，月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：沙，年月铲日 签字日期： 令岛雕 做一 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 按照著名电力工程师c h a r l e ss t e i n m e t z 的说法，互联的北美电力系统是人类 所设计的最大和最复杂的机器。的确，电力工业是世界上最大的工业之一，电力 系统是最大最复杂的人造系统之一，属于国家的战略性基础设施。电力系统的安 全运行对于社会具有重大意义。 经过多年的研究，人们已经认识到电力系统是一个复杂的非线性动态系统， 系统中任一地点发生故障，都将在不同程度上影响整个系统。开始往往是某一元 件受到干扰，引起该元件正常工作的破坏，如果不能及时处理，随着时间的推移， 有可能造成事故的进一步扩大，波及其它元件乃至整个系统，最后导致电力系统 失去稳定。电力系统一旦发生问题失去稳定，往往会导致电网全部或部分停电以 及大量电气设备的损坏，最严重的情况下，可引起系统的瓦解和崩溃，造成巨大 的经济损失和灾难性后果。 虽然多年来电力系统安全性与稳定性问题一直为人们所关注，电力工作者也 已取得了诸多的研究成果，但是由于现代大电力系统是一个非常复杂的大规模非 线性系统，寻求更有效地分析电力系统稳定性的方法和更深入地认识电力系统稳 定本质的任务从来没有减轻过。 随着现代工业生产的高度发展和能源、环境、投资各方面的改变，现代电力 系统也在逐步发展变化，出现了下述很多新的特征，这些更为电力系统安全性与 稳定性问题这一研究领域提出了新的挑战。 1 现代电力系统的单机容量和系统总容量日益增大，区域问互联和大容量 区域间交换逐渐增加，电源点越发远离负荷中心被迫采用超高压长距离输电，输 电系统时常运行于很重的载荷之下，机组与系统的控制装置日趋复杂。 2 电力市场环境的引入，电网和电厂的独立经营和放开管制使得传统的电 力系统集中控制与决策模式转变为依赖于市场经济规律的分散式信息反馈模式， 电力系统控制中的不确定性因素剧增。同时独立的电力供应商为了获得最大化收 益，使大多数机组、线路和设备的运行往往处于最大承受能力附近，由此很多系 统地运行点经常处于其稳定极限附近。 3 现代社会环境保护意识不断增强，外界对电力系统建设运行的约束也越 第一章绪论 发强化，这就使输电网的扩展、输电通道的选择、发电厂选址等方面受到很大限 制。解决这些问题的途径只能是由远离负荷中心的大型发电厂通过长距离、大容 量输电线向负荷中心区域供电，这将在很大程度上增加稳定问题，尤其是电压稳 定问题的发生概率。 4 现代社会对电力系统安全性和可靠性要求的日趋苛刻，为了更加充分地 挖掘系统现有设备状况下的传输能力，传统的电力系统离线安全评估已经满足不 了需求，迫切需要在线动态安全性评估，这给稳定性的研究提出了更高的要求。 1 2 电力系统的安全性与稳定性 1 2 1 安全性 电力系统的安全性是指其能够承受和挽救发电和输电停运形式的一组可能 扰动( 又称可信的预想事故集) 的能力，也就是，如果系统能够承受一些可信的预 想事故，那么它就是安全的。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力系统 经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。上述安全性的定义 亦被i e e e 和c i g r e 所认刚1 捌。 余贻鑫教授为电力系统安全性做了具体的说明：电力系统安全性是相对于一 组被称为下一个偶然事故集( s n c 。s e t so fn e x tc o n t i n g e n c y , 它是一个可能发生 的扰动的集合1 的随机事件来定义的如果电力系统处于正常状态，且没有任 何一个偶然事故会使它转移到紧急状态，则称此时电力系统是安全的，反之系统 则是不安全的【引。 早在2 0 世纪6 0 年代，d yl i a c c o 博士也对安全性概念给出了类似的定义， 并根据该定义，考虑潮流可解性约束，建立了电力系统安全性分析和安全性控制 的构想【4 】，这一构想后来成为电力系统能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 高级应用部分的理论基础，一直沿用至今。随着计算机技术的发展和计算分析能 力的增强，d yl i a c c o 构想中的潮流约束，被更加丰富的电力系统稳定性约束条 件所取代。 1 2 2 稳定性( s f i b i l i t y ) 最近i e e e 和c i g r e 对电力系统的稳定性定义如下【5 】：“电力系统的稳定性 表征电力系统的这样一种能力：针对给定的初始运行状态，在经历物理扰动后系 统能够重新获得运行平衡点，且在该平衡点系统所有状态量是有界的，并且系统 仍保持其完整性”。 第一章绪论 简单来说，电力系统稳定也可以概括地定义为这样一种电力系统特性，即它 能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受干扰后能够恢复到可以容许的平 衡状态。 电力系统属于一种非线性动力学系统，客观上只有一种电力系统稳定性。然 而根据系统结构和运行模式的不同，电力系统的不稳定可以通过不同方式表现出 来。i e e e 和c i g r e 将电力系统的稳定分为功角稳定、电压稳定及频率稳定三大 类p 】：功角稳定性是指维持系统发电机同步运行的能力；电压稳定性是指系统在 给定的初始运行条件下，遭受扰动之后系统中所有母线都持续地保持可接受电压 运行水平的能力；频率稳定性是指系统在扰动或者故障下维持系统整体频率在可 接受的范围内的能力。 1 2 3 安全性与稳定性之间的关系 如上所述，安全性与稳定性之间既有联系又有区别： 1 稳定性是针对某个具体扰动而言的，如果系统在这个扰动后能够恢复到 可以容许的平衡状态，则认为系统对于这一扰动是稳定的。而安全性是针对系统 当前运行时可能出现的所有可信的扰动集合定义的，只有在这一集合中所有扰动 下系统均是稳定的，才能称其是安全的。 2 稳定性是用来衡量系统在遭受某一扰动之后能否恢复平衡状态的能力而 定义的。而安全性是在系统遭受可能的扰动之前用于对系统进行评估的。 1 3 电力系统安全分析简介 目前世界各国电力系统调度中心的计算机功能已经涉及到电力系统运行管 理的所有领域，其中主要用来完成运行参数监视、记录和由调度员直接进行操作 的部分称s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c a t i s i t i o n ) ，它包括数据采集、数 据预处理、运行状况监视、调度员远方操作i 运行数据的记录打印统计与储存、 事故追忆和事故顺序记录等功能。1 9 6 0 年代以后又发展了安全监视( 安全分析) 的功能，主要包括状态估计和安全分析。目前s c a d a 系统已经比较成熟，可以 采集大量系统运行数据，但是对这些数据的处理即安全分析部分仍处于相对 滞后状态。电力工程师们一直试图建立更为全面、有效的控制系统以改造传统的 具有局限性的发电控制和监测系统，力争完成如下功能：1 ) 安全监视与安全性 分析；2 ) 安全约束优化。安全性分析已成为目前异常活跃的研究领域，至今一 些发达国家的e m s 系统中已经装备了一些新的安全控制系统。它们为保证电网 的安全稳定和经济运行，正在发挥着越来越大的作用。 第一章绪论 1 3 1 传统的确定型安全性分析 传统的确定型的安全性分析构想由d yl i a c c o 于1 9 6 7 年提出【4 1 ，该构想只考 虑了系统的潮流( 静态) 稳定约束条件，相应的系统安全性被定义为“系统的设备 不过负荷，而且在网络上的变量不偏离允许范围的条件下，满足系统负荷的能 力”。在这个构想中，电力系统处于两种约束下运行：负荷约束和运行约束。负 荷约束要求所有的负荷都必须被满足；运行约束则给出了网络运行参量的上下 限。根据这两种约束，系统被分为三种状态：正常状态、紧急状态和恢复状态。 正常状态是指负荷约束和运行约束都被满足的状态；紧急状态时指对运行约束有 重大破坏的状态；恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。三种状态的关系如图 1 - 1 所示。 正常状态 安全状态 j |预防控制 不安全状态 紧急状态卜_ 一紧急控制叫 恢复状态 i 圈1 1 ：d yl i a e e o 电力系统安全性构想 如果将上述安全性定义中的潮流稳定约束替换为某种形式的电压稳定性约 束，则d yl i a c c o 构想同样可以适用于电压安全性分析场合。随着电压稳定问题 逐步引起人们的重视，有关电压安全性评估以及电压稳定控制的算法研究已经成 为人们研究的热点内容之一。虽然到目前为止，在电压稳定领域从电压稳定的概 念到相关分析方法的研究都还未彻底解决，但静态电压稳定分析方法近年来已取 得了很大进展，目前较为成熟，所提出的许多基于潮流方程的静态判据已被广泛 应用于实际系统。在此基础上，进一步研究电压安全评估及控制算法用于指导系 统的实际运行，是一件非常有意义的工作。 d yl i a c c o 所建立的构想只涉及电力系统的静态安全性分析，而大多数重大 的电力系统事故是同系统的动态响应有关的，所以在安全性分析中应该使用系统 的动态模型。当利用暂态稳定程序进行分析时，这一构想则扩展到动态安全分析 领域。 第一章绪论 上述d y l i a c c o 构想属于确定型安全分析构想，其传统的实现方法是“逐点 法”，即对注入空间内的一个独立的点，在线进行潮流计算或电压暂态稳定计算， 依据计算结果来进行系统安全性判断。虽然d yl i a c c o 构想被人们广泛的应用， 但其具有如下局限性： 1 传统的动态安全分析方法均是在给定节点注入功率的前提下开展安全性 评估的，因而难以计及负荷预测、发电机投入和切除等的不确定性因素，而这些 不确定性在实践中总是存在的。 2 传统的动态安全分析方法只能给出系统安全或不安全的结论，至多能够 给出反映系统稳定性状况的定量指标f 孤，它们很难对控制决策给出较多的指导性 信息，也无法获得系统的整体安全性测度。 3 由于电力系统网络结构是随机变化的，而传统的动态安全分析方法是针 对某个确定的网络结构开展研究的，不能考虑这种随机因素的影响。 1 3 2 概率型安全性分析构想与安全域概念 针对确定型d yl i a c c o 构想的不足，加州大学b c r k d c y 分校的f f w u 教授 和天津大学的余贻鑫教授等提出了概率型的安全性分析构想 酣。在该构想下，安 全性被看作是系统运行的一个条件，它是相对于即将来临的扰动的系统强度的函 数。一个系统的安全性依赖于系统的图形、事故、功率注入等因素。当系统图形 不变且在设备不过负荷的情况下能保证对负荷的供电时，我们称系统为静态安全 的。当系统中发生了事故，且系统是暂态稳定的时候，我们称系统为动态安全的。 这一新颖的构想考虑了电力系统的随机和动态特性，提出了电力系统的两层模 型。但要准确确定系统的概率安全性，则需要对电力系统注入空间上的静态安全 域和动态安全域有深入的了解，同时开发相应的快速计算程序。 1 4 本文主要研究内容 本文主要针对电力系统电压稳定、暂态稳定的分析方法、控制手段和实用算 法等方面开展研究工作： 1 在电压稳定性研究方面：首先简单回顾了d yl i a c c o 安全分析构想，并 在原有构想基础上引入电压稳定性约束条件；在这之后，提出了一种基于潮流追 踪的静态电压稳定性紧急控制方法。它利用线路导纳递减算法和双向潮流追踪算 法，来确定最佳控制量和控制量的分配方案。该方法可有效计及在控制措施实施 过程中系统的一些非线性环节( o l t c 、励磁顶值) 的影响，同时保证所实施的发 电负荷裁减量最小，此外，该方法还可以很好地适用电力市场运行环境。最后， 第一章绪论 通过多个系统的算例验证，证明所给紧急控制方案正确有效。 2 结合“河南动态安全域和概率安全分析系统”实际项目的需要，开发了 基于截距法的动态安全域在线计算程序，为进一步实施在线的概率安全性评估奠 定了基础。该程序已在w i n d o w s 、s u ns a l o r i s 和h pt r u6 4 等多个系统平台上经 过测试，证明算法稳定可靠，具有计算快捷、误差小、移植性强和允许跨平台使 用等优点。 第二章电压稳定相关理论基础 2 1 引言 第二章电压稳定相关理论基础 2 0 世纪7 0 年代以来，世界上许多国家的电力系统相继发生了电压崩溃事故， 造成了巨大的经济损失和社会影响。例如，1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国电力系统发 生的电压崩溃事故，失去负荷2 9 g w 和1 0 0 g w h ，直接经济损失2 亿到3 亿美元： 1 9 8 7 年7 月2 3 日东京电力系统的电压崩溃事故，导致失去8 1 6 8 m w 负荷，涉及 2 8 0 0 多万用户；1 9 7 3 年7 月1 2 日我国大连地区的电网因电压崩溃而造成大面积 停电事故。最近一次影响很大的电压崩溃事故是北美“8 1 4 大停电”：2 0 0 3 年8 月1 4 日下午，美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次严重的 大停电事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约 州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失 负荷高达6 1 8 g w ，影响到5 千万人口的用电。停电在美国东部时间下午4 时0 6 分开始，在美国的一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周也 未能完全恢复供电。 这些以电压崩溃为特征的恶性事故的频繁发生，使得电网电压稳定性这个长 期被忽视的问题，引起了业界的极大重视，并成为国际电力系统工业界和学术界 关注的焦点问题之一。到目前为止，关于电压稳定性问题的研究已经取得了很大 的进展，但与成熟的功角稳定性理论相比，不仅电压稳定性问题的理论体系尚未 建立，甚至对电压失稳的机理也未达成共识。 因此，在当前条件下，借鉴国外恶性电压崩溃事故和我国电网以往局部电压 失稳的经验和教训，开展电压稳定性研究，研究系统失稳的机理和实用的电压稳 定性分析方法，进一步给出可用于指导实际运行的电压稳定控制措施具有重要的 理论和现实意义。 本质上讲，任何系统的电压失稳和电压崩溃场景都是非常复杂的动态演变过 程，但鉴于本文主要关注电力系统静态电压稳定性研究，因此本章将主要对电力 系统的静态电压稳定性研究工作进行简单的回顾。 2 2 电压稳定性问题的相关概念 2 2 1 几个重要定义 第二章电压稳定相关理论基础 电压稳定性【7 捌：是指系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时，负荷功率 随之增大，并且功率和电压都是能控的。 电压崩溃7 朋：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。 电压安全性1 7 8 1 ：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。 当扰动、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的时候，系统就会进入电压不稳定的状 态。电压的衰落可能只需用几秒中，也可能长达1 0 2 0 分钟，甚至更长。如果 这种衰落持续下去，静态的功角不稳定性或电压崩溃就会发生。 2 2 2 电压失稳现象原因的简单解释暇1 0 】 电压稳定现象是一个相当复杂的问题，在这里我们用一个简单的系统说明电 压稳定的现象和其中一些基本概念。 如图2 - 1 所示简单电力系统，电源电压e s = e s ，线路阻抗为z l 0 ，负荷 阻抗z d 么矿。 z l z 8以 最+ j o j z p 线路传输功率( 受端功率) 可以表示为： 一2 紫黯= 铲， 由上式可得： 1 ，c o s 如= v 2 + - 辔- 里口_ p + g v s i n o r2 万q p 式中： ( 2 2 ) p 2 警，9 2 警，一鲁 ， 第二章电压稳定相关理论基础 程式( 2 1 ) 消去变量可得p 、g 、，之间的关系式： ( 嘉p 母- h + 去卜。2 ) = 。 g 哪 由式( 2 哪可以解得： 舡三一古川士 ( 2 - 5 ) 设负荷功率因数为c o s 伊，贝l j r f fq r = p r t g o 口，根据式( 2 - 3 ) 有g = p t g 伊，将之代 人( 2 - 5 ) 可得： 舡l 2 ( 古+ 柳卜l 留占一1 考虑到口= p t g a ，式( 2 4 ) 可以写成： 6 懈妒( ，+ 去卜z v 2 ( 柳+ 古 p = 。 进一步，g a 式( 2 7 ) 可以解得： ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 就是系统p - 矿关系式。显然上式中得p 存在极大值，由孕= o 可得临 “ 界电压值： v c r u2 ( 2 9 ) 求得v 。之后，利用式( 2 - 8 ) 和( 2 3 ) ，即可得到晶。 利用式( 2 6 ) ，图2 - 2 给出了t g o = 1 0 时，不同的留矿下的系统p - v 曲线( 即“鼻 形曲线”) 。为了能够代表一般情况，图中电压及功率都做了相应的规格化表示。 可以看出对应于有功负荷p 系统存在两个运行点，即高电压解和低电压解， 以下以感性负荷( f g 矿= 0 2 ) 为例进行分析。 在p - v 曲线上半支( v v 。) ，负荷母线电压随着负荷的增加而降低。假设运 行于这一区域的系统受到小的扰动使得负荷增大，则电压随之降低，在一般情况 下，负荷功率随着电压降低而减小，因而这将促使电压回升；当负荷减小时电压 则会随之升高，这样负荷功率又会增大进而促使电压下降。因此，在这一区域运 第二章电压稳定相关理论基础 行的系统是小扰动稳定的。 n e s 图中由左至右依次对应 f g 妒= 5 0 、2 4 、1 5 、1 0 、0 6 7 、0 4 1 、0 2 、0 、- - 0 2 、- 0 4 1 i k s 之 t 。n 、 、 |i、 一一斗 ， l 一 ， 一 。一1 |， |?，。 ?，。 |f 。夕 夕彩乡 | 7 么菇 雪； 磁番第 0 0 10 20 30 4 0 50 6 0 7 些 盛 图2 - 2 ：系统p - v 特性曲线 在p - v 曲线的下半支( v v c r i t ) 情况则刚好相反，负荷母线电压随着负荷的减 小而降低。假设运行于这一区域的系统受到小的扰动使得负荷增大，则电压随之 升高，在一般情况下，负荷功率随着电压升高而增大，因而这将促使电压继续升 高，在跨过拐点( v - - - - - ) 之后将会稳定运行于上半支某个运行点；当负荷减小时 电压则会随之降低，这样负荷功率又会减小进而促使电压进一步下降。因此，在 这一区域运行的系统是小扰动不稳定的。 p - v 曲线的拐点( v = ，砷或最= 最。) 是系统传输功率的极限点，p - v 曲线全 部位于该点左侧，这说明当功率需求超过最一之后系统的潮流方程将无解。 最。也可以记为易。，将其称为系统的“电压稳定极限点”，或者“电压稳定分 歧点”。 简单的说，在静态条件下研究时，系统的电压不稳定是由于它试图运行到超 过其最大传输功率造成的。这可能是由于剧烈的负荷增加，更实际的情况是由于 大的扰动使得线路阻抗增加( 比如线路因故障切除) ，或者由于电源电压降低到一 定程度，进而使得干扰前的负荷需求无法得到满足【”。因此，在实际运行当中必 须保证运行点与极限点之间具有一定的距离，即电压稳定裕度。 以上对于p - v 曲线的推导是基于简单系统的，实际电力系统虽然是由许多电 源和负荷组成的，但是也表现出有功功率与母线电压之间这种类似的关系。在电 力工业晃，实际确实广泛采用计算指定负荷节点的p - v 曲线作为电压稳定分析的 2 l o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o l l 1 o o 0 0 0 0 0 o o 第二章电压稳定相关理论基础 有力工具。 2 3 静态电压稳定研究方法 静态电压稳定分析方法近年来取得了很大进展，目前己较为成熟，提出了许 多静态判据并被广泛应用。目前静态电压稳定分析方法基本都是基于潮流方程或 基于改进的潮流方程，其物理本质都是将电力系统网络传输功率的极限运行状态 作为电压失稳临界点，不同的是各种方法采用的极限运行状态的不同特征作为临 界点的判据。 静态电压稳定分析的优点在于计算量小，一定程度上能较好地反映系统的电 压稳定水平，并可给出电力系统的电压稳定裕度及其对应状态变量、控制变量等 的灵敏度信息，便于电力系统的监视和优化调整，对于电力系统运行调度部门具 有非常重要的实用意义。其不足之处在于无法计及系统元件的动态特性，因而不 便研究电压失稳发生的原因、机理及动态演变过程。下面是一些常见的静态电压 稳定分析方法： 1 潮流可行域法 潮流可行域一直是一个重点研究对象，因为潮流可行解的问题与系统的电压 稳定性密切相关，通过研究潮流可行域的边界即可全面掌握当前运行点的静态电 压稳定性。前人提出了多种研究潮流可行域的方法，其中有些方法的准确性较差， 精度较低 1 1 , 1 2 1 ，有些则需要花费大量的计算时间【1 3 1 。文献 1 4 1 提出了一种基于延 拓算法的追踪边界方法，这种方法自可行解域边界上已知的一点利用“预测校 正”技术去追踪整个可行域的边界。最近文献【1 5 结合“预测校正”的思想，通 过将边界求解问题转化为优化问题，给出了一种新的计算潮流可行解域边界的 “混和法”，取得了很好的效果。 2 潮流多解法 潮流方程是非线性代数方程组，因而其解存在多值性；甚至可能无解。日本 学者通过对电压崩溃问题进行大量仿真研究发现 1 6 1 ，潮流解的个数随着负荷水平 的增加而成对减少。当系统接近极限运行状况时，潮流雅克比矩阵接近奇异，潮 流方程只得到两个关于奇异点对称的高低电压解，而高低电压解对应的雅克比矩 阵行列式符号、某些量对节点注入量的改变和电压无功控制的灵敏度符号、网络 储存能量对频率变化的灵敏度符号正好相反，由此得出低电压解不稳定的结论； 若某种负荷干扰使系统由高压解向低压解转移，则发生电压崩溃。这样，就可以 根据解的个数及多解之间的距离来反映系统接近极限运行状态的程度。由于在实 际中还未能观测到电压崩溃时系统从高压解向低压解的跃变，并且理论上还没有 第二章电压稳定相关理论基础 计算多解的有效算法，因此潮流多解法并未得到足够的验证和实际应用。 3 最大功率法 当系统的负荷需求超过网络所能传输功率的极限时，系统会出现电压失稳现 象，这已经在前面解释电压失稳现象时介绍过。最大功率法的基本原则就是将电 力网络的传输功率极限作为静态电压稳定临界点，常以节点有功功率或无功功率 最大作为判据，或以总负荷量最大作为判据。但由于利用普通潮流程序求取临界 点很困难，其根本原因在于潮流雅克比矩阵在临界点处奇异，导致临界点及其附 近的潮流计算不能收敛，为此前入已提出了诸多改进算法。 连续潮流法【1 7 1 克服了常规潮流方程在临界点附近的病态，它选择合理的连续 化参数以保证临界点附近的收敛性。它在p - v 曲线上每一计算点反复迭代，以得 到准确的p - v 曲线信息，并能考虑各种非线性控制及一定的不等式约束条件。因 而鲁棒性很强，但其可靠性和计算速度还有待提高。 直接法【1 虬矧则直接利用临界点处潮流方程雅克比矩阵奇异的特点，将其转化 为一个优化问题的等式约束，直接求解潮流方程临界点。由于它不需要通过求解 p - v 曲线上的每一点来确定系统的临界点，因此计算速度较快，但也正是由于这 一原因，这一方法无法得到负荷增长到临界点这一过程中的系统状况及其变化情 况，获得的信息大大少于连续潮流法。 4 灵敏度分析法 灵敏度分析法从定性的物理概念出发，利用灵敏度关系( 即系统中各物理量 的相对变化关系) 来分析稳定性问题1 2 4 , 2 卯。最常见的灵敏度判据有：d v z d e o ， d 吮恸陇，d q o d q l ，d z q d v l ，其中圪，纯，玩和q o 分别为负荷节点、无功 源节点的电压和无功注入量，4 q 为电网输送给负荷节点的无功功率与负荷无功 需求之差。各种灵敏度判据在简单电力系统中是等价的，并能准确反映系统输送 功率的极限能力，当推广到复杂电力系统( 转化为对某种形式的雅克比矩阵的数 学性质的判断) 时，则彼此不再总保持一致，也不一定能准确反映系统的极限传 输能力。 灵敏度分析法的优点是物理概念清晰、求解方便、内存要求少、计算量小、 结果可提供许多有用的决策信息( 如判断弱母线、确定无功补偿位置) 。其缺点是 未能涉及负荷的静态、动态特性、发电机的无功限制、发电机间的负荷经济分配 等约束，因而计算结果带有许多误差，在线应用需要进行修正。随着计算机技术 的发展，它已失去往日的重要意义，但与其他方法相结合后，将获得较满意的分 析结果。 5 奇异值分析法 2 6 , 2 7 这种方法是基于线性化潮流方程的，而潮流雅克比矩阵的特性可以反映系统 第二章电压稳定相关理论基础 的电压稳定性状况。该方法通过计算降阶雅克比矩阵的少量特征值和相应的特征 向量来识别系统中电压最易失稳的模式。每一个特征值和一个无功电压运行模 式相对应，其模值就是相应运行模式的电压稳定性相对量度。雅克比矩阵的最小 奇异值被用作衡量电压稳定的安全指标，在其近似线性表达式中，负荷、母线、 支路及发电机等的参与因子反映了它们在电压崩溃中所起作用的相对大小。由 此，可给出确定最有效无功补偿、负荷发电裁减节点的方法，以及提高电压稳 定性的优化算法。 以上介绍的电压稳定分析方法给出了不同的反映系统电压稳定性水平的指 标，总体上可分成2 类：状态指标和裕度指标。 状态指标包括备类灵敏度指标、特征值和奇异值指标、负荷状态空间中潮流 多解间距离指标等。这类指标利用当前的系统状态信息，计算简单，但线性程度 不好，物理意义不够明确，只能给出系统当时的相对稳定程度。 裕度指标主要表现为系统当前运行点距离电压崩溃点之间的有功、无功、视 在功率裕度。这类指标一般线性好，物理意义明确，可方便计及过渡过程中各种 因素。但是裕度指标涉及到临界点的求取，计算量较大。连续潮流法( 或称延拓 潮流法) 是一种求取p - v 曲线，进而求出裕度指标的成熟有效的方法，这种方法 在电压稳定分析领域被广泛应用。 2 4 小结 本章介绍了电压稳定相关的一些重要概念，利用一个简单系统解释了电压失 稳现象，最后较为详细的回顾了目前比较成熟，适合于在线应用的基于潮流方程 的静态电压稳定分析方法。这为后面提出d yl i a c c o 构想在电压安全分析方面的 具体形式，以及提出本文的电压稳定紧急控制方法做了重要的理论准备。 第三章电压安全性分析构想及电压安全分析系统简介 第三章电压安全性分析构想及电压安全分析系统简介 3 1 引言 近年来世界范围内发生了多起电压崩溃事故，造成了巨大的经济损失。这些 事故发生前电网运行管理系统或者未能为调度人员提供可能的控制手段，甚至未 能提出电压崩溃的预警信息。目前我国电力系统日益向大机组、超高压长距离输 电、大范围互联和大容量区域间交换方向发展，一旦发生电压失稳导致的系统崩 溃，将会造成巨大的经济损失和灾难性后果。因此，运行部门急需电压在线安全 分析系统来辅助电网的安全运行。 另一方面，由于电压稳定问题本身的复杂性，到目前为止，这一领域从概念 到分析方法还处于形成阶段，不仅其理论体系尚未完全建立，甚至对电压失稳的 机理也未达成共识。但是静态电压稳定分析方法近年来取得了很大进展，目前已 有一些较为成熟分析方法。继续完善这类静态电压稳定分析方法，并将其真正应 用到实际系统的安全性分析，具有重大的现实意义。 本章从静态电压稳定性角度出发，较为详细的介绍了传统的安全性分析构 想，并在其中加入电压稳定性约束，使其可以覆盖电压安全性领域，最后介绍了 电压稳定在线分析工具各部分的组成与功能，及前人在这一领域相关研究成果。 3 2 电压安全性分析构想 绪论中已经介绍了d yl i a c c o 于1 9 6 7 年提出的确定型安全性分析构想，在 这里我们首先详细介绍一下这一构想的传统具体形式【2 8 j 。本文尝试将电压安全性 约束加入这一形式，以指导有关电压安全分析系统的研究。 对电力系统安全性的广义解释是保持系统不间断供电，亦即不失去负荷。在 实际应用中可以更确切地用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压模值在允许 范围内来表达，并且在具有合格电能质量的条件下，有关设备的运行状态应处于 其运行限值范围内。具体来讲可用如下方程来表示： f ( 工) = 0 曲珥u f ，m sk m i ns s tss t ( 3 1 a ) ( 3 - 1 b ) ( 3 l c ) 第三章电压安全性分析构想及电压安全分析系统简介 式中：，r “，x 胄”，五r ，为潮流方程，向量x 包含系统中所有母线电 压的相角和幅值；研为节点f 的电压幅值；最为支路露上通过的负荷。 正常状态：运行时满足上述方程的系统，处于正常状态。安全状态可以分为 两类：1 ) 安全的正常状态：处于正常状态的系统当发生故障后，仍然处于安全 状态，亦及系统仍然满足上述方程，则当前系统处于安全的正常状态，或称当前 状态为安全的；2 ) 不安全的正常状态：故障后由于网络结构的变化，电力系统 若出现线路过载、电压越限或系统失稳的情况，则认为当前系统处于不安全的正 常状态，或称系统的当前状态是不安全的。使系统从不安全的正常状态转移到安 全的正常状态的控制手段，称为预防控制。 紧急状态：对于只满足等式约束但不满足不等式约束的运行状态，称为紧急 状态。紧急状态可分为两类：1 ) 对于没有失去稳定性的紧急状态，称为持久性 紧急状态，一般可以通过控制使之回到安全状态，对应的控制手段被称为校正控 制；2 ) 对于可能失去稳定性的紧急状态被称为稳定性的紧急状态，此时采取的 控制措施称之为紧急控制。 恢复状态：系统经过紧急控制后一般进入恢复状态，这时系统可能不满足等 式约束，而不等式约束则可以满足。对于处于恢复状态的系统，应通过恢复控制 来恢复对用户的供电及实现对己解列系统的重新组网，使系统进入到正常状态。 图3 1 给出了电力系统四种状态及其经控制或事故扰动相互转化的过程。 正常状态 安全状态 l ， 预防控制 t 不安全状态 i 紧急状态卜_ 一紧急控制叫 恢复状态 一蘅磊话，夏酾丽丽再矿 图3 - 1 ：电力系统运行状态分类及其转化过程 以上介绍了传统安全性分析中电力系统运行状态分类及其转化过程，下面我 们将电压稳定约束加入到这一构想当中，使之扩展包含电压安全性分析领域。 在电压稳定静态分析的角度来讲，根据2 2 2 节介绍的知识，系统保持电压 稳定运行应保证系统具有稳定运行点( 潮流方程有解) ，并且系统当前运行点距