（电气工程专业论文）电力系统紧急情况下的动态分区和自主解列策略研究.pdf

学位论文版权使用授权书 1 1 1 11 1 11 1 111 1 1 1i il illl 17 8 0 3 9 4 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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。 c 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： 签字日期：d o 年 泛称峰 多月翊日 l , 新躲灰 签字r 期弘f 6 年g 月刊咱 中图分类号：t m 9 2 2 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 电力系统紧急情况下的动态分区和自主解列策略研究 d y n a m i cp a r t i t i o n i n ga n da c t i v e s p l i t i n gs t r a t e g yi np o w e r s y s t e me m e r g e n c yc o n t r o l 作者姓名：吴林峰 导师姓名：吴俊勇 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 5 5 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力系统及其自动化 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师吴俊勇教授的悉心指导下完成的，导师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢这两年来吴老 师对我的关心和指导。 吴老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向吴老师表示衷心的谢意。 师姐杨媛也对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此也表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的其他同学也对我论文的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在此谢谢所有关心和支持我的人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 中文摘要 中文摘要 摘要：在电力系统紧急控制中，当系统面临严重的级联事故时，自主解列控制是 最后采取的措施。它的目标是保持子分区的稳定性，并使整个系统的负荷总损失 最小。本文讨论了电力系统紧急控制中的动态二分区和自主解列策略，首先通过 图论原理分析和证明了l a p l a c e 分区策略理论，并在l a p l a c e 分区策略的基础上， 提出了新的加权指标，对l a p l a c e 分区策略进行了改进。结合前两个分区策略，并 考虑有功功率的方向性，提出了在l a p l a c e 分区策略及其改进分区策略得到的分区 割集的邻域搜索所有可能的割集的启发式邻域搜索分区方法。最后将启发式就近 功率调整方法应用于所有这些可能的割集上以计算各分区的负荷削减量，使系统 故障后总负荷损失最小的割集即为最佳的解列控制割集，所有这些构成了本文的 混合分区策略。在i e e e l l 8 和i e e e 3 9 节点系统上的应用验证了二分区中改进的权 重指标和混合分区策略的有效性，最后在i e e e l l 8 节点系统上对多分区进行了初 步研究。 关键词：紧急控制；系统解列；分区策略；二分区；割集；特征向量；多分区 分类号：t m 9 2 2 e a bs t r a c t a b s t r a c t ：i np o w e rs y s t e me m e r g e n c yc o n t r o l ，t h ea c t i v e - s p l i t t i n gc o n t r o li st h el a s t m e a s u r ew h e ni tf a c e st h es e v e r ec a s c a d i n gc o n t i n g e n c y i t so b j e c t i v ei st om a i n t a i nt h e s t a b i l i t yo ft h es u bp a r t i t i o n sa n d r e d u c et h et o t a ll o s so fl o a do ft h ew h o l es y s t e mt ot h e m i n i m u m a2 - w a yd y n a m i cp a r t i t i o n i n ga n da c t i v e - s p l i t t i n gs t r a t e g yi np o w e rs y s t e m e m e r g e n c yc o n t r o l h a sb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h et h e o r yo ft h el a p l a c e p a r t i t i o n i n gs t r a t e g yh a sb e e na n a l y s i sa n dc e r t i f i c a t e db y t h ep r i n c i p l eo ft h eg r a p h t h e o r y ；o nt h eb a s i so ft h el a p l a c ep a r t i t i o n i n gs t r a t e g y , a n o v e lw e i g h ti n d e xh a sb e e n p r o p o s e dt om e a s l l r et h e “d i s t a n c e o ft w oa d j a c e n tn o d e sa n di m p r o v et h e l a p l a c e p a r t i t i o n i n gs t r a t e g y c o m b i n i n gt h e s et w op a r t i t i o n i n gs t r a t e g i e s a n dc o n s i d e r i n gt h e d i r e c t i o n so ft h ea c t i v ep o w e r , ah e u r i s t i cn e i g h b o r h o o ds e a r c h i n gp a r t i t i o n i n gs t r a t e g y h a sb e e nr a i s e dt os e a r c ht h ep o s s i b l ec u t s e t s w i t hs m a l l e rn e t g e n e r a t i o n l o a d i n l b a l a l l c ea r o u n dt h en e i g h b o r h o o do ft h e c u t s e t sf o u n db yt h ep r e v i o u st w o p a r t i t i o n i n gs t r a t e g i e s ah e u r i s t i cl o a d - s h e d d i n ga p p r o a c h h a sb e e na p p l i e do na l lt h e s e p o s s i b l ec u t s e t st oc a l c u l a t et h ea m o u n to fl o a d s h e d d i n go fe a c hp a r t i t i o n a l l t h e s e c o n s t i t u t et h eh y b r i dp a r t i t i o n i n gs t r a t e g yo ft h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o n s o nt h e i e e e l18s y s t e ma n di e e e 3 9s y s t e mv a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ei m p r o v e m e n to f t h ew e i g h ti n d e xa n dt h ep r o p o s e dh y b r i dl a p l a c ep a r t i t i o n i n gs t r a t e g yf o rt h e2 - w a y p a r t i t i o n i n gp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，a n df i n a l l yt h ep a r t i t i o n i n gs t r a t e g y h a sb e e na p p l y t ot h ei e e e118s y s t e mf o r t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo fk w a yp a r t i t i o n i n gs t r a t e g y k e y w o r d s ：e m e r g e n c yc o n t r o l ；s y s t e ms p l i t t i n g ；p a r t i t i o n i n gs t r a t e g y ；2 - w a y p a r t i t i o n i n g ；c u t s e t ；e i g e n v e c t o r ，k - w a yp a r t i t i o n i n g c l a s s n o ：t m 9 2 2 v l l ， i 目录 目录 中文摘要一v a b s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1 引言l 1 2 电力系统的复杂性2 1 3 电力系统的三道防线4 1 4 电力系统大停电事故演化过程7 1 5 电力系统分区解列的研究现状8 1 6 本论文的主要工作1 0 2分区策略理论1 3 2 1 图论的基本知识一1 3 2 2 分区策略基本原理1 4 2 2 1 基于图论的分区思想一1 4 2 2 2 基本原理15 2 3 分区策略原理推导18 2 3 1k 维权重平方放置问题18 2 3 2k 分区原理l9 2 4 小结2 l 3分区策略算法2 3 3 1l a p l a c e 分区策略2 3 3 1 1l a p l a c e 分区策略的基本定义2 4 3 1 2l a p l a c e 分区策略算法2 4 3 1 3l a p l a c e 分区策略验证2 7 3 2 改进l a p l a c e 分区策略2 9 3 3 启发式邻域搜索分区策略2 9 3 3 1 启发式邻域搜索分区策略的基本定义2 9 3 3 2 启发式邻域搜索分区策略的算法3 0 3 4l a p l a c e 混合分区算法3l 3 5 小结3 2 4启发式就近功率调整策略3 3 4 1 启发式就近功率调整策略的基本定义3 3 北京交通大学硕士学位论文 4 2 启发式就近功率调整策略的算法3 5 4 3 小结3 8 5算例分析及讨论3 9 5 1i e e e1 1 8 节点系统。3 9 5 2i e e e 新英格兰1 0 机3 9 节点系统。5 6 5 3 小结5 7 6多分区策略的研究5 9 6 1i e e e118 节点系统5 9 6 2 ，j 、结6 2 7结论6 3 参考文献6 5 附录a 一6 7 作者简历7 3 独创性声明7 5 学位论文数据集7 7 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着电力系统的快速发展，大电网互联、电力市场化、大量分布电源、特高 压电网、h v d c 和f a c t s 、海量的广域信息等特点，在增加电力系统输电能力和 运行灵活性的同时，也增加了系统的复杂性和相继开断的风险，这也带来了严重 的暂态稳定问题。一般的大停电事故表明，一些小概率的级联事故可能引起系统 失稳，从而导致系统崩溃，同时，一些小概率的极端外部灾害事件也会导致系统 的崩溃，从而造成灾难性的大停电事故u 】。 当前电力是人类社会最重要的二次能源，电力的应用已渗透到社会和经济生 活的每一个角落。由于大停电而造成严重的政治、经济和社会影响事件在国内外 屡见不鲜。仅2 0 0 3 年，美国、加拿大、英国、俄罗斯等国就相继发生了大面积停 电事故，其中8 月1 4 日发生在美国和加拿大的大停电事故波及2 4 万平方公里、 受影响的人口达5 千万，仅纽约地区就停电2 9 小时，导致生产停顿和社会混乱， 直接经济损失达1 2 0 亿美元。2 0 0 6 年7 月1 日，我国河南电网因继电保护装置误 动作引发4 条5 0 0 k v 线路和5 条2 2 0 k v 线路相继跳闸，致使2 6 台机组退出运行， 损失装机容量6 3 4 万千瓦，华中电网被迫与华北电网和西北电网解列，2 5 8 万千瓦 的负荷被迫断电，严重威胁三峡电厂的安全，造成了较大的经济损失和严重的社 会影响。2 0 0 8 年初发生在中国南方的罕见冰灾先后造成超过3 6 0 0 0 条1 0l ( v 及以 上电力线路、2 0 0 0 多座3 5k v 及以上变电站的群发性停运。“十一五期间我国启 动的特高压输电战略使得我国电网将成为世界上电压等级最高、规模最大、最复 杂的电力系统之一，构建坚强的电力系统安全防御体系已成为一个严峻、紧迫的 战略任务。大范围长时间的停电使整个社会更深刻地体会到电力系统的安全性对 国民经济和社会稳定的重要性，也凸显出目前的电力系统安全防御体系的不完善 性。 当电力系统运行得越接近它的极限，系统也就越脆弱。面对电力系统脆弱性 的各种来源，为了降低停电风险，目前的电力系统安全防御是在正常运行和缓慢 相继开断阶段中采用预防控制，在快速相继开断阶段采用紧急控制，在振荡阶段 中应用校正控制，在发生停电后实施恢复控制。在电网处于高度危险期间，由于 相继开断非常快，已经无法在线完成n 1 扫描，这时可以采取动态分区，主动解 列的方法实施紧急控制。实际电力系统都是分层分区的，而且分区往往是按行政 区划静态形成的，在电网正常和故障后的蔓延阶段，紧急控制通过监视各分区内 北京交通大学硕士学位论文 主要节点以及各分区间联络线的运行状况，快速判断出整个电网的安全性，进行 动态安全预警，并且按照合适的准则对静态区域进行动态组合，将故障隔离在一 个最小的区域内，并在该区域内在线实施切机切负荷以实现功率的自平衡，降低 故障的影响范围，一旦发现大电网有发生瓦解的危险，即按照制定的最优分区方 案进行主动解列。 文献 2 ，3 】提出了两种搜索分区割集的方法，但遍历搜索都会有组合爆炸的问 题，在时间上往往不能满足紧急控制的要求；文献【4 7 禾l j 用l a p l a c e 矩阵的半正定 奇异性和实数特征根，提出了一种快速高效搜索分区割集的l a p l a c e 分区策略。但 该策略以线路有功功率的绝对值为权重，没有考虑功率的方向问题。 1 2 电力系统的复杂性 现代电力系统，又称大电网，是一类典型的复杂系统，其复杂特性主要表现 为以下六个方面【引。 1 现代电力系统规模庞大 总的来说，现代电力系统主要包括三个组成部分：_ 是能量变换、传输、分配 和使用的一次系统；二是保障电力系统安全、稳定和经济运行的自动控制系统( 也 称为二次系统) ；三是实现电力作为商品买卖的电能交易系统。 以2 0 0 7 年的东北区域电网为例，仅2 2 0 k v 的一次系统就有5 0 0 多台变压器， 7 0 0 多条输电线路，1 0 0 0 多台发电机。而l l o k v 以下的电网规模远大于2 2 0 k v 及 以上主干网。此外，通常二次系统的规模更是超过一次系统，这是因为若要实现 电力系统的可靠运行，需要安装数量众多的传感器以测量几乎所有的电力系统一 次设备状态，包括电压、电流、温度等，还需要庞大的光纤、微波网进行信息通 信。 近年来，由于互联后的电力系统能够优化水电、火电、核电和其他各种资源 并为系统运行的经济性和安全性带来巨大的效益，我国电网在实现区域电网互联、 西电东送和南北互供等重大工程后，系统规模将进一步扩大。据统计，2 0 0 4 年全 国电网已经有2 2 0 k v 线路4 7 2 1 条，线路总长度1 6 8 5 1 l k m ，3 3 0 k v 线路共有1 6 2 条， 线路总长度1 6 1 5 2 k m ；5 0 0 k v 线路共有5 0 9 条，线路总长度6 3 5 6 1 k m 。 2 现代电力系统元件复杂 电力系统的元件不仅数目庞大，而且种类繁多。发电机和电动机是最常见的 两种元件，它们实现的是电能与机械能之间的转换，其动态过程由电磁感应定律 和牛顿第二定律支配；而电厂除了发电机和电动机这些电气设备外，还有磨煤机、 锅炉、压力管和反应堆等非电设备。 2 绪论 进入2 0 世纪9 0 年代，随着电力电子技术的迅速发展，高压直流输电、可控 串补、静态无功补偿等技术得到了广泛应用，从而给电力系统元件特性的复杂性 增添了新的内容。这些元件与传统的电力设备不同，其核心功能是灵活控制电力 电子器件的导通和关断从而实现对电力传输的变换和控制。 特别需要指出的是，电力系统中的负荷时最复杂的元件族。迄今为止，负荷 建模问题尚未得到彻底解决，人们只能大致将负荷归纳为恒阻抗负荷、温控负荷 和压缩机负荷等若干类简化的负荷模型。 此外，电力系统中各式各样的保护和控制器无疑也是一类重要的复杂元件， 如仅发电机一项即包括励磁控制器、调速控制器、低频保护、欠励过励保护等设 备。此外，在调度中心还有实现全系统广域协调的集中控制系统，如a g c ( 自动 发电控制) 和a v c ( 自动电压控制) 等。 3 电力供需瞬时平衡 电能由发电厂产生，并通过由线路、变压器和开关等元件组成的复杂电力网 络传送到用户。电能以光速传播，迄今为止未能实现工业规模的、大容量的电能 存储。因此，电力系统的最大特点是生产( 发电) 和消费几乎是在同一瞬间内完 成，即电力供需必须瞬时平衡。如果电力供需的平衡被打破，就意味着系统将失 去稳定，必然会造成不同程度的停电事故。 4 大量随机因素影响电网安全运行 气候环境变化以及人为参与等因素都使得电力系统不断地受到各种随机扰动 的作用。例如，雷击或未及时修剪的树木会导致输电线路对地短路；冻雨和地震 等灾害甚至可能摧毁电力杆塔、变电站等；高温天气来临时人们将大量使用空调 负荷。这些随机因素的存在使得电力系统的运行管理日趋复杂。 5 网络时空演化的复杂性 伴随着电力系统控制技术手段的不断升级和优化，电网的层次结构经历了多 次变革以及连接方式的大量变化，表现出了时间和空间演化上的复杂性，展示出 了极其多样的复杂行为。 6 故障演化的复杂性 电力系统故障在长期上，既表现无序的非稳定性，又存在有序的节律性和周 期性；在短期上，多时间尺度的动态行为交织，各种失稳模式和振荡模式复杂变 化。电力系统故障在空间上既具有普遍性，又具有区域性；故障波及范围既有可 预测性又有随机性和突变性。 此外，随着电力市场改革的不断深入，电能管理方式同趋复杂。同时，伴随 负荷水平和运行方式的不断变化，电力系统面临的不确定性因素所造成的影响更 为深远，从而使得电力系统的规划、运行和维护等工作面临更大的挑战。 北京交通大学硕士学位论文 综上所述，现代电力系统是一个非常复杂的大系统，需要指出的是，虽然现 代电力系统动态特性复杂，但其运行的稳定性和可靠性总的来说还是很高的。尽 管如此，为数不多的大停电造成的损失却是惨重的。随着系统联网的不断增大， 一方面带来了巨大的社会和经济效益，另一方面也使得大电网发生灾变的风险日 益增高，特别是连锁故障及其引发的大停电。自2 0 世纪6 0 年代电力系统首次发 生大面积停电事故以来，全世界范围内发生了多起大范围停电事故，这些事故对 国计民生造成了巨大的危害。 为了避免电力系统连锁故障和灾变的发生，必须要对电力系统灾变事件有详 细深入的认识。传统的做法是考察故障电网的构建及工作问题，分析故障的具体 成因，即从工程角度，如自然环境因素、设备缺陷、人为操作失误、继电保护误 动作等因素来分析问题。然后，针对具体问题寻求提高系统可靠性的措施。客观 地说，这些工作必然会在一定程度上促进系统的可靠运行。然而2 0 0 3 年以来，世 界各国频繁发生的大停电事故使我们不得不反思传统电力系统分析计算方法的不 足。 长期以来，为了描述电力系统的动态特性，人们往往从单个元件或子系统的 角度出发，建立系统中各元件的精确数学模型，在此基础上，将系统描述成一组 巨维的微分代数方程，然后利用计算机仿真技术进行求解。虽然该方法可以准确 刻画电力系统单一动态过程，但在深入分析电力系统连锁故障及大停电事故的演 化机理这一系列动态行为时却表现出明显的局限性。事实上，由于互联电网的随 机性、巨维性和实时性以及超大规模电力系统的复杂动态特性，现代电力系统已 无法用人类迄今为止已掌握的一切数学方法精确建模从而全面描述其静态和动态 特性，更不可能用已知的一切纯数学方法( 包括解析法) 在过程上所要求的实际 段内精确求解。而未来一段时间内，从精确建模的角度分析和预防大停电事故， 从而将停电风险降低到最小无疑是充满挑战性的艰巨课题。因此，必须另辟新径 研究和发展新一代的大电网安全理论，以满足工程上的控制要求。 1 3 电力系统的三道防线 现实的电力系统和复杂的甚至不可预测的环境是密切联系的，电力系统随时 都可能受到自然因素或人为因素的干扰，要完全防止事故的发生是几乎不可能的。 减少电力系统连锁故障发生的可能性、使系统事故的范围尽可能小、持续的时间 尽可能短是电力系统大停电事故预防与控制的研究目标。事实上，在各次大停电 的各个演化阶段，都存在着终止多米诺骨牌倾覆的机会，只是人们未能及时把握 住。若能有效地掌握导致灾变的全局特性以及由偶然故障演变为灾难的规律和机 4 绪论 理，就能针对各个演化阶段的特点，优化统筹各阶段对策，有效预防和减少大停 电事故【9 1 。 三道防线是老一辈电力工作者对电力技术的重大贡献，其组成结构如图l 一1 所示。如果电力系统的原工作点处在稳定域外，就需要通过以下控制手段来防御 停电：( 1 ) 在下一个潜在故障发生前，通过第一道防线中的预防性措施将工作点 移向稳定域，包括加强电网的远期预防措施和调整发电分配的运行预防措施。( 2 ) 故障发生后，有选择地快速切除故障支路。只有在没能直接切除故障设备时，才 通过切除相邻有源非故障支路来隔离故障设备。现有规程中将此归入第一道防线。 ( 3 ) 识别出故障地点和故障类型后，根据实际工况选择广域的紧急控制措施来改 变稳定域，增加系统的稳定性。此即第二道防线。( 4 ) 一旦检测到系统失步，或 母线长期低频或低压等违反安全规程的动态行为，则通过第三道防线的失步解列、 低频减载( u f l s ) 和低压减载( u v l s ) 措施来阻止停电范围的扩大；( 5 ) 通过恢复控 制，尽快恢复对被停负荷的供电。 正是由于重视了三道防线，特别是应用紧急控制和校正控制，在必要时用牺 牲局部来保全整体，相当薄弱的我国电网却没有发生过北美“8 1 4 ”那样的大停 电。但也往往会付出过度控制的代价【l 。 电 构成的 不中断 鬻鐾r 7 |瑷： ， ： 故障! 旦一一； j 暖镶 敞终 ；西j ； 一股 ! 放簿 ： r 圈| ： l 纠一一一一一： | 嗣| ： l 蔓= = 鱼一一： 赢 f ； 紧忽挖链 ： 后稳定域： 梭爰控钼 屠稳定域 + 翟蠢+ 篓薹+ 篓耋 - i l 蘩矗铡 校正控铡 + 电搿1 + 控锯丫保护蘩惫控制 第一道防线卜第= 道防线- 第三遴防线一 ：【i o 】 1 w e rs y s t e m 故障发生，则通过由三道防线 漳发生时，由第一道防线保证 屎快速、正确地切除电力系统 北京交通人学硕士学位论文 的故障元件，保证电网在发生概率较高的单一故障时系统的稳定运行。在严重 障发生时，由第二道防线保证系统完整性；由电力系统安全稳定控制系统装置 切机、切负荷等稳定控制措施构成，对预先考虑到的存在稳定问题的运行方式 严重故障进行检测、判断和实施控制，防止系统失去同步。在特别严重故障发 时，由第三道防线确保系统解列后尽量减少大停电的规模和时间；由失步解列、 频率及电压紧急控制装置构成，当电力系统发生失步振荡、频率异常、电压异常 等事故时采取解列、切负荷、切机等控制措施，防止系统崩溃，避免出现大面积 停电。 第一道防线的任务是在不损失电源和负荷的前提下，保证系统在不严重故障 下的稳定性。主要是采用继电保护装置按照预先设置的定值有选择地快速切除故 障元件，使系统重新回到稳定域，避免故障蔓延。若第一道防线已经将系统引导 至该故障所对应的稳定域，则系统即可保持稳定，无需采用其他措施。 第二道防线的任务是减少系统在严重故障下的失稳危险。某些严重故障仅靠 继电保护隔离故障元件是难以使系统运行点回到稳定域的，此时只能在检测到故 障后采用稳定控制装置实施以切除部分电源和负荷为代价的紧急控制。由于采用 紧急控制的代价较大，故只有在故障已经发生且可能导致系统失稳时才被采用。 目前稳定控制装置采用“离线预决策、在线匹配 的方案，即通过离线环境，针 对系统不同的典型拓扑和初始工况，以及一组预定的事故逐步进行离线试探，为 预防控制编制运行规程，或为紧急控制编制决策表。在线运行时，按实际工况和 故障来匹配决策表，从中取出相关决策。但许多情况下，特别在相继开断后，很 可能匹配失败。“8 1 4 ”大停电过程中，初始就有6 条线路相继开断( 记k = 6 ) ，调 度员不可能从离线编制的运行规程中得到任何指导。 第三道防线的任务是弥补前两道防线的欠控制或拒动造成的风险，避免系统 在极其严重的故障下发生大停电。由于紧急控制的决策表要根据事先指定的典型 工况和故障来索引，而故障表又不可能涵盖所有潜在的故障，因此如果实际工况 或故障场景的匹配误差太大，甚至完全失配，则第二道防线可能严重欠控制，导 致系统失步，或母线长时间低频或低压，此时，只能通过失步解列、低频减载和 低压减载措施来阻止停电范围的扩大。第三道防线还可细分为切机切负荷的紧急 控制( 反馈控制) 和失步解列的校正控制( 前向控制) 【1 1 1 。 现有第三道防线还存在着很多不足，其存在的主要问题为：( 1 ) 认为本系统 己对相当严重的故障( 例如三相短路) 采取了防止稳定破坏的措施，没有必要再考 虑那些极罕见的更严重的故障；( 2 ) 有些系统为了进步提高安全稳定水平，考 虑在一些更严重的故障( 如同时失去两个元件，短路时断路器拒动等) 下，采取措 施保持稳定，但未再考虑其他可能破坏稳定的情况；( 3 ) 有些系统采用了一些振 6 绪论 荡解列装置，但振荡解列如何整定，各解列装置之间如何协调，如何取得动作选 择性，尚存在问题；( 4 ) 低频减负荷是应用较普遍的措施，并在系统中发挥了重 要作用，但某些系统的个别机组要求在频率下降不是很很严重时( 例如4 8 h z ) 即解 列，为不使这些机组解列，给低频减负荷的整定造成了困难；( 5 ) 有些地区装设 了低电压减负荷装置，但如何整定，如何防止装置的不正确动作等，尚存在问题【l 引。 文献 1 2 详细分析了现有第三道防线的不足，说明了现有的第三道防线仍不 能避免发生大面积停电事故的原因。文中指出，解列控制是最后一道防线，不允 许失守。解列控制必须是有计划的，即对特定的失步情况应在预定的地点解列； 为减少解列后的负荷损失，每一部分的负荷和发电出力应尽量平衡。 1 4 电力系统大停电事故演化过程 各国的大停电事故表明，系统范围的大停电往往是由一系列的相继开断逐步 引起的。由偶然故障引发相继开断，没有得到有效的处理，并演化为电力灾难的 过程，可以划分为缓慢的相继开断、快速的相继丌断、短暂的系统振荡、崩溃和 漫长的系统恢复等5 个阶段。“8 1 4 大停电就是一个典型的案例，其故障的演 变过程【1 0 】女口图1 - 2 所示。 无黼 1 5 。：0 6 缓篙黧断。3 歼r n 断i n 竿鬻声獬 僦2 9 h 演化过程： ：墓2 第t 弄器嚣：密褒 ! i 一一警生攫扛坚l 一罂刘一竺卫竺竺一 图1 28 1 4 大停电过程与自愈控制策略 f i g 1 - 28 1 4b l a c k o u tp r o c e s sa n d t h eh e a l i n gc o n t r o ls t r a t e g y 在故障发生后的6 2r a i n 内，有5 条线路相继开断，系统的故障开始蔓延，此 时系统进入了紧急控制阶段，即处于高度危险时期。期间分别有2 2r a i n ，9m i n ，5 r a i n 和2 9r a i n 可供调度员在决策支持系统的帮助下实施预防性控制，以避免下一 个开断。由于离线制定的调度规程不可能考虑完整的n 2 准则，更不用说n 5 准 则了。除了快速可靠的继电保护以外，还可以依靠在线稳定分析实现预防控制， 阻止后续的开断。 此后的相继开断过程越来越频繁，当来不及对下一次可能发生的相继开断做 出预防性决策时，就进入了快速相继开断阶段。快速相继丌断阶段的判断准则依 7 北京交通大学硕士学位论文 赖于计算机的能力和预防性控制决策的速度，在该阶段内需要依靠紧急控制来避 免系统振荡。此时我们可以采用分区解列策略来控制，以防止故障的进一步蔓延。 大量线路的开断造成很多现有线路的过载，大大降低了电力系统的稳定极限， 从第6 5m i n 开始，在加拿大电网与美国东部电网之间发生了2r a i n 的振荡。第6 7 m i n 后，进人l o s 的雪崩阶段，从而形成有史以来最大规模的停电灾难。在此期间 只能依靠校正控制来避免系统振荡，减小停电范围并减轻恢复控制的困难。 虽然在有些大停电的演化过程中，不一定能清晰地区分缓慢相继开断与快速 相继开断阶段，也可能并没有明显的振荡阶段，但都不妨碍将它们作为特例纳入 上述规律。 而对于极端外部灾害事件造成的大停电事故，其过程相当于一开始就进入了 快速相继开断阶段，后续的过程与级联故障造成的事故过程相似，故可将极端外 部灾害事件造成的大停电故事演化过程也作为特例纳入上述规律。因此，我们可 以看到所有的大停电事故都经历了从快速相继开断阶段到崩溃的过程，故可对事 故的快速相继开断阶段进行紧急控制，作为电网崩溃前的最后一道防线进行分区 解列阻止电网的崩溃。 在“8 1 4 ”案例的每个演化阶段中，都由于缺乏有效的分析和控制技术，而错 过了防御时机。在缓慢相继开断阶段中，由于缺乏自适应的预防控制技术，故未 能阻止第2 ，3 ，4 ，5 个相继开断。在快速的相继开断阶段中，由于缺乏自适应的 紧急控制技术，故无法制止系统稳定性的进一步恶化和振荡。在振荡和雪崩阶段， 由于没有适当的有序解列、u f l s 和u v l s 等校正措施来平息振荡，终止雪崩，故 大量线路无序地开断，扩大了停电范围。在恢复阶段，由于缺乏自适应的黑启动 预案和自愈合的恢复控制，导致灾难后的电力系统恢复过程非常缓慢。 各个演化阶段中的控制手段虽然不同，却是紧密相关。如果在系统规划时按 风险意识优化电网建设：在运行中在线地优化预防控制；在故障演化过程中应用 自适应优化的紧急控制和校正控制，包括优化的解列、u f l s 和u v l s 装置，就不 会无所作为地任由偶然故障演化为如此大范围、长时间的停电灾难。因此我们需 要改进传统的三道防线，提出更好的控制措施，而如何在紧急情况下进行分区解 列，是防止事故蔓延的最后手段，因此分区解列措施将是今后我们研究的重点， 也必将被提到一个新的高度。 1 5 电力系统分区解列的研究现状 提高电力系统的安全稳定水平是电力运营部门的头等大事。特别是电力系统 在受到极端严重干扰时( 如级联故障、大规模潮流转移等) ，系统原有运行秩序遭到 绪论 根本性破坏，这时如何避免全面崩溃，保障对重要负荷的持续供电就成为关键性 课题。 近期世界各地频发的大停电事故对解列控制提出了更高的要求。但是目前工 程上广泛应用的、基于离线整定的解列控制措施，其防护价值在系统运行水平远 异于设计水平时受到严重挑战。鉴于这种情况，有专家指出作为最后一道防线的 解列控制，其设计不可能针对各种严重故障特意采取对策，而宜针对故障可能引 起的危急状态和参数特征采取控制措施。基于这种思路，从系统角度，利用高速 通信手段整合分散的解列装置来设计自适应的解列控制系统主动解列研究正 在引起越来越多学者的重视。 上世纪9 0 年代，j h c h o w 提出了电力系统实时仿真建模的多时间尺度方法， 受扰后电力系统的动态行为表现为快慢两个时间尺度，由若干同调发电机组聚合 而成的子区域之间表现为慢动态过程，而同调发电机组群内部表现为快动态过程， 并且通过奇异摄动理论证明了，越是相对于系统中最慢的振荡模态来聚合发电机 组，所得到的各发电机组群之间的联结也是越薄弱的。这一理论被称为“慢同调 理论”( s l o wc o n h e r e n c y ) t 1 3 】，特征分析和仿真结果证实了这一理论的正确性。虽然 慢同调理论是为了简化大规模电力系统实时仿真建模提出来的，但不少学者发现 了它在发电机组群聚合和寻找电网薄弱边界的潜力。j a yv i t t a l 等人提出了基于 慢同调理论的电网解列控制策略，他们先将所有发电机组按照最慢的振荡模态聚 合成几个分区，然后采用d f s ( d e p t hf i r s ts e a r i n g ) 技术【1 4 】，或者按照求网络最 小割集的方法【1 5 】，求得主动解列的边界，并验证了这种主动解列控制策略在应对 “8 1 4 ”大停电时的有效性【1 6 】。这些方法计算量大，不能用于在线控制。 卢强等人提出了在系统慢同调聚合的基础上，采用有序二元决策图( o r d e r e d b i n a r yd e c i s i o nd i a g r a m ，o b d d ) 方法搜索解列割集【1 7 ，1 8 】，并对这种方法的关键技术 划分【19 1 、仿真平刽2 0 1 、决策空间的筛选和简化【2 l 】、解列控制的必要性【2 2 】等问题进 行了研究。它是基于“网络简化+ 求割集+ 校验”的思路，虽然这种方法的计算速 度快，但在得到的大量解列割集中有超过4 0 是不可行的解。归根到底，o b d d 方 法是基于网络的邻接节点矩阵，并将支路上潮流( 有功功率) 的绝对值用于邻接 节点矩阵的权值，没有考虑支路潮流的方向，在得到的割集中有大量的子区域其 净不平衡功率过大，导致解列后切机切负荷量过大，子区域不能维持稳定运行。 在以往的电力系统分区解列策略中均未考虑线路潮流的方向，且大部分方法 的求解时间较长，无法满足在线的紧急控制要求；故本文最终要在l a p l a c e 分区策 略的基础上考虑有功功率的方向问题，以寻求一种快速、高效的分区解列策略。 在求解最优分区情况时，我们要充分考虑时问上的要求，以实现在线紧急控制的 要求。作为电力系统安全稳定运行最后一道防线的智能在线主动解列控制，必须 9 北京交通大学硕士学位论文 既能将故障区域隔离，又能使未发生故障区域的孤岛最少，解列割集的选择使各 子区域净不平衡功率最小，解列控制对电网的冲击最小。 综上所述，目前的主动解列控制基本上都是采用了“网络简化+ 求取割集+ 子 域校验”的思路，而“求取割集”的方法可分为基于邻接节点矩阵( 如o b d d ) 和 基于图论两大类，不论哪种方法都是将支路潮流( 如有功功率) 的绝对值作为权 值而没有考虑潮流的方向，使得到的解中有大量的子区域净不平衡功率过大，不 能保证解列后子区域的稳定运行，实际上就是有大量的不可行解，从而降低了算 法效率。急需找到一种新的理论，在快速搜索可行的解列割集的同时，能考虑潮 流的方向，使解列后各子区域的净不平衡功率最小，解列的线路也较少，最大限 度地减轻解列控制对各子区域的影响，保证子区域的稳定运行，提高算法的效率， 从而能够实现智能在线主动解列控制。 1 6 本论文的主要工作 本文针对目前电力系统紧急情况下分区解列策略的研究现状，在前人研究的 基础之上，采用了新的权重指标，并考虑进有功功率的方向问题，研究电力系统 分区解列策略的相关内容，主要工作如下： ( 1 ) 概述电力系统的紧急控制问题，研究了传统电力系统三道防线的作用和缺点， 并对目i j 国内外的电力系统分区解列策略进行分析，结合大停电事故的演化过程， 指出目前分区解列策略存在的不足。 ( 2 ) 研究了l a p l a c e 分区策略的理论，寻找该策略的数学理论依据，推导并证明 了该理论的数学过程；认真研究了该分区策略的实现步骤，并根据该分区策略步 骤，编写了相关计算程序。 ( 3 ) 在l a p l a c e 分区策略所采用权重的基础上，考虑到系统联接紧密度与电气距 离有一定联系，故提出了新的权重指标，通过算例验证了该算法的有效性；并编 写了相关程序。 ( 4 ) 在上述两种分区策略的基础上，考虑进潮流的方向问题，采用了净不平衡功 率的概念，创新性地提出了邻域搜索割集算法，有效地提高了算法的运算速度， 通过算例验证了该算法的快速性和有效性；并编写了相关程序。 ( 5 ) 由于采用的分区策略最终的目的是使得系统总的削负荷量最低，故要将各种 分区情况进行分区内功率的自平衡，即根据功率调整策略进行调节功率平衡；故 本文采用了启发式就近削负荷模型，根据紧急情况下对系统稳定性的要求，提出 了适应于紧急情况下的启发式就近功率调整策略；并应用于上述的分区解列策略， 以验证各分区策略的有效性。 1 0 llllllllllllllllli【illlllllllllllllll。iili。illllllilllll-_ii_ll_l_ 绪论 ( 6 ) 通过大量的实验我们也发现净不平衡功率最小的割集方案并不总是代表系统 总的削负荷量也最小。净不平衡功率只是考虑割集线路的有功功率的方向，而子 区域的削负荷量也与紧急控制前发电机的备用容量和系统的运行条件有关。故本 文综合考虑了这些因素，提出了l a p l a c e 混合分区策略。 ( 7 ) 将上述的研究理论应用于i e e e1 1 8 节点系统和新英格兰1 0 机3 9 节点进行 二分区，通过程序的运算和相关计算，分析了算例的计算结果，验证了我们研究 的分区解列策略理论的有效性。 ( 8 ) 将上述的研究理论应用于i e e e1 18 节点系统进行三分区情况的初步研究， 通过分析计算，也验证了l a p l a c e 混合分区策略的有效性。 分区策略理论 2 分区策略理论 2 1 图论的基本知识 图论是一门应用非常广泛的数学分支，是处理离散数学问题的强有力的工具， 同时也是运筹学，电路网络，计算机科学理论研究和实践应用中不可或缺的数学 工具。不仅如此，它在编码理论，计算机辅助设计，甚至于社会科学，化学，物 理等领域都有广泛的应用。因而，无论从图论的理论价值，还是其实际应用的广 度和深度来看，图论及其应用的研究有一个强大的生命力，蓬勃发展的新时期。 图谱理论是图论和组合论研究的重要领域之一，图谱在量子化学，统计力学， 通信网络，信息科学等学科中均有一系列的重要应用。早在1 9 3 1 年，e h u c k e l 等 理论化学家就对图的谱理论产生了浓厚的兴趣，着手开始进行研究。尽管他们所 采用的符号和术语与现代数学家们所使用的不一致，但是对图谱理论的研究有着 重要的推动作用。正因为诸多著名的组合，图论和代数等方面的数学家以及理论 化学，物理学家