（电力系统及其自动化专业论文）基于同步相量测量技术的电压稳定评估的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于同步相量测量技术的电压 稳定评估的研究，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浇明并表示了谢意。 学位论文作者签名 查煎盗 日期：p 眄j 2 弓d 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： ( d 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：s 车 日期：动o j y 1 3 q 聊虢塑导师签名：塑竺。蟛1 日期：矽p j 7 工3 b 7 华北电力人学硕一l 一半位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 随着科学技术的发展和电能需求量的日益增加，电力系统规模越来越庞大， 超高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置等得到了普遍运用，这对 于合理利用能源，充分挖掘现有电网的输电潜力和保护环境都有重要意义。另一方 面，随着国民经济的高速增长，以城市为中心的区域性用电增长越来越快，大电网 中负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益普遍。此神情况给 电力系统的安全运行带来了不少问题，其中之一便是电压稳定问题即电压不稳 定或电压崩溃引起的电力系统局部负荷丧失，甚至全网瓦解而导致大面积停电。 2 0 世纪7 0 年代以来，由于电压崩溃而导致电力系统瓦解的事故在国内外一些 大电网多次发生，导致了多起长时间大面积的停电事故，造成了巨大的经济损失和 社会生活紊乱。例如：1 9 7 8 年1 2 月1 9f i 法国电网发生电压崩溃事故，造成全网7 5 的负荷停电，停电时间最长达8 小时。1 9 8 2 年8 月4 日比利时电网发生电压崩溃事 故，有2 4 0 0 m w 的负荷停电，停电时f g j 最长达1 小时2 8 分。1 9 8 3 年1 2 月2 7 月瑞典 电网发生电压崩溃事故，造成全网6 7 f j 1 负荷停电，全部恢复时间长达7 小时。1 9 8 7 年1 月1 2 日法国西部电网发生电压崩溃事故。l9 8 7 年7 月2 3 日日本东京电网发生 电压崩溃事故，有8 1 6 8 m w 的负荷停电，停电时间最长达3 小时2 1 分。1 9 9 6 年7 月2 日和8 月1 0 日，美国西部电网两次发生电压崩溃事故。时隔不久，在2 0 0 3 年 8 月1 4 日，美加电网发生了电压崩溃事故，造成了美国东北部和加拿大部分地区长 时问大停电。文献 1 之附录f 剥七十年代以来见诸报道的世界各大电网发生的2 0 余起恶性电压崩溃事故进行了归纳总结。文献 2 也就其中一些影响广泛的典型事 故的事故过程进行了较详尽的描述和分析。 在我国，因电网电压失稳而导致局部地区停电事故也时有发生。较为典型的此 类事故如1 9 7 2 年7 月2 7r 湖北电网因电压崩溃而导致全网解列，武汉的黄石、 黄岗二个地区全部停电，造成国民经济损失2 q o o 余力元；1 9 7 3 年7 月1 2 日大连地 区电网发生电压崩溃事故造成大连地区全部停电。 尽管7 0 年代初世界上有关电网因电压失稳而引起的停电事故的报道，如1 9 7 0 年9 月2 2 日纽约停电事故( 历时数小时，约2 0 0 0 m w 负荷丧失) ，但直至七十年代末 期，电力系统电压稳定问题一直没有受到足够的重视。1 9 7 8 年法国电网的电压崩溃 事故及随之而来的1 9 8 3 年瑞典电网的电压失稳事故，成为电压稳定受到世界性广 泛关注的关键转折点。八十年代以来，在几次恶性电压崩溃事故的推动下，美国、 法国、日本等国的学者们广泛开展了电压稳定问题的研究。美国电力科学研究院专 】 门发表了关于电压稳定问题的报告，同本和法国则分别提出了电压崩溃事故应急措 施的初步方案，1 9 9 0 年的国际夹电网会议上，电力系统运行和控制小组将电压稳定 问题列为第一号重点课题。在此背景下，近十多年来电压稳定问题成为电力工程和 学术界的全球性研究热点，研究范围不断拓宽，研究工作不断深入，各种研究成果 大量发表，尽管如此，电压稳定问题的研究成果离工程实际应用还有相当距离，最 突出地表现在如下两个方面：首先，对电压稳定性机理的认识众说纷纭，尚未达成 广泛共识，甚至至今没有被广泛接受的关于电压稳定性的定义和分类；其次，至今 没有一被工程界和学术界广泛接受和普遍使用的电压稳定性分析的元件模型和数 学方法，其中尤以适合于电力系统电压稳定性分析的综合负荷模型( 及其建模) 最为 突出。 近年来，我国电力事业发展迅速，我国电力系统已经步入大电网、超高压、 大机组、远距离的时代。尽管我国目前还未出现全网性的电压崩溃事故，但目前， 我国并联电容器的使用更甚，电网结构相对薄弱，电压不稳定的隐患仍然存在。随 着三峡水利工程的建成发电，以及“西电东送”的实施，南方电网( 广东、广西、 云南和贵州) 和香港电网将形成多回交流和多回直流并联运行、超大规模、高电压 等级的电力系统，远距离输电的比重将逐渐加大，再加上随着人民生活水平的提高， 家用电器设备的剧增，自动渊压变压器的推广采用，我国更有可能出现电压不稳定 问题，在我国开展对电力系统电压稳定性的研究不仅具有较高的理论价值，而且是 当前以及今后电力生产发展的迫切需要。 2 0 世纪9 0 年代初，基于全球定位系统( g p s ) 的相量测量单元p m u 的成功研 制，标志着同步相量测量技术的诞生o ”。它在f 乜力系统中的广泛应用，促进了大电 网广域测量监控系统( w a m s ) 的形成和发展。w a m s 能实现广域电网运行状态的 在线同步测量，借助高速通信网络还可将测得的相量数据进行汇总，这就为实现全 局性的电压稳定性监测创造了条件。因此如何利用广域测量系统的同步数据对系统 电压稳定进行在线分析和监测具有非常重要的意义。 1 2 电压稳定研究现状 当前，关于电压稳定性方面的研究工作按照其目的不同可以分为三大类，即： 电压崩溃现象机理探讨、电压稳定安全指标计算和防止电压崩溃事故的措施的研 究。 电压崩溃机理探讨的目的主要是弄清楚导致电压崩溃的本质因素，以及电压稳 定性问题和电力系统中其它问题的相互关系，电力系统中众多元件对电压稳定性的 影响及在电压崩溃事故中所起的作用，从而建立起分析电压稳定性问题的恰当的系 统模型。在这方面主要的研究手段由定性的物理讨论、电压崩溃现象的剖析，小干 2 华北电力人学硕十学位论文 扰分析方法和时域仿真计算。早期静态研究中的机理认识集中体现在p v 曲线和 q v 曲线分析，潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论。动态因 素受到重视以后，负荷动态特性、有载调压器( o l t c ) 的调压过程以及发电机励磁 限流器的作用受到普遍关注。目前比较一致的看法是无功功率的平衡、发电机的无 功出力限制、有载调压器的动态特性、负荷的动念特性与电压崩溃过程有着密切的 联系。但是，在目前阶段对电压崩溃机理认识还不一致，不同研究人员所采用的系 统模型也有很大的差别，迫切需要全面深入地丌展电压失稳机理的探讨。负荷动态 特性是探讨电压失稳机理的关键，建立适合于电压稳定研究的负荷模型已受到重 视。 电压稳定安全性能指标计算包括两个方面：寻找恰当的安全性指标和尽量快速 又有足够精度的计算方法。这方面的工作在早期的静态研究中格外受到重视，现有 的安全指标也都建立在静态方法的基础上。已提出的安全性指标主要有：各类灵敏 度指标、潮流雅可比矩阵奇异值指标、最小模特征值指标、负荷状态空间中潮流多 解间的距离指标、临界电压指标和裕度指标尸、a q 和a v 。裕度指标的线性很好， 但涉及临界点的求取，因为潮流雅可比矩阵奇异给计算带来困难，目前已经在这方 面做了许多工作；其他的指标只用到当时系统运行状态的信息，计算简单，但线性 差，称之为状态指标比较贴切。目前需要解决以下三个问题：一是快速准确的裕度 指标计算方法：二是根据动态机理对各类指标的合理性、准确性进行检验，为运行 部门选择指标提供依据：三是快速算法中训及影响电压稳定的主要动态元件的作 用，比如发电机无功越限和负荷特性的影响等。 研究预防电压崩溃措施的目的在于为电力系统的规划设计、运行安排、电压控 制和紧急控制提供依据。因为电压崩溃的机理还不很清楚，该方面的研究还处在不 断地探讨之中。在这方面闩本和法国所作的事故对策最为出色。前者强调事故状态 下的电压控制能力的增强，东京电力公司在主要的变电所设置了基于微处理机的电 压无功控制器，大量的投资被用于静止无功补偿器的研究和安装。法国则基于其对 电压崩溃过程的时段划分，侧重于事故发生前的紧急状态下的预防措施。总之，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器是预防严重事故的有效措施。“1 1 2 1 失稳机理解释”3 在实际电力系统中，功角稳定和电压稳定这两个问题可能同时存在或相继发 生。功角稳定问题现在从理论和数学分析上都已完全解决了：而电压稳定问题的发 生机理现在仍不完全清楚。自从电压稳定问题受到重视以来，电压崩溃现象的机理 解释探讨一直很活跃，提出了各种各样的解释。目前对于电压崩溃的物理解释主要 有：p u 曲线解释、无功功率平衡解释、o l t c 负调压作用解释和负载特性解释等。 3 华北电力人学硕十学位论文 1 2 1 1 p u 曲线解释 在图卜1 所示的简单系统中，当保持负荷功率因数不变时，负荷节点的有功功 率和电压幅值的关系曲线如图卜2 所示： 圈卜1 简单系统模型 图l - 2p - l i 曲线 对于给定负荷功率，存在电压水平不同的两个解，分布在p u 曲线的上下半支。 上半支a b 是稳定运行区，下半支o b 为不稳定运行区。在下半支运行时，如果升 高电源端电压，反而会使负荷节点电压下降，即电压控制失去因果性。一般情况下， 系统运行于稳定的上半支b a ，但在某些特殊的情况下，系统可能由稳定的上半支 跳变到下半支，从而发生电压失稳。当负荷逐渐加重时，运行点不断向b 点靠近， 最后到达b 点，这时如果负荷继续加重，则将发生分歧，导致电压崩溃。 t 2 1 2 无功功率解释 在电力系统中电压水平的高低主要受无功功率的影响，这自然而然地促使人们 把电压崩溃与某种形式的无功功率的不平衡联系起来，许多文献都把电压失稳归因 于系统不能满足无功需求的增加”3 。这类观点的典型代表便是传统的掣判据。在 d u 半中， x q = q c - q l ，该判据的意义是：当电力系统某一负荷节点无功功率不平衡 u u 量对于该节点电压的导数小于0 时，该节点是电压稳定的；大于0 时则是电压不稳 定的；等于0 的状态对应于静态电压稳定临界点。 设讨论的为某一系统中的一个负荷节点，图1 3 给出了向这点供电的电源的无 功功率静态电压特性曲线q g 和负荷的无功功率静态电压特性啦线q l 。正常运行时， 该节点输入、输出的无功功率必须平衡，即必须运行于q g 和仇的交点。但是这样 的交点有两个，用小干扰法来对系统在这两点稳定性运行来加以分析。 4 华北l h 力人学硕十学位论文 q q 。( 旦塑 图1 3 无功平衡的d u 原理图 如图1 3 ，在点1 运行时，如果一个微小的扰动使该节点的电压略微有所下降， 则负荷需要的无功将改变到l ”对应的值，电源供应的无功功率将改变为与17 对 应的值，该节点无功功率将有过剩，电源向该节点输送的无功将减少，网络中的电 压降落也将相应减少，该节点电压又恢复到初始值。当系统中出现微小的扰动使该 节点电压上升一个微量u 0 时，则陔节点无功功率将有缺额，迫使电源多送无功 功率，网络中的电压损耗也将相应增大，导致该节点电压下降而恢复到原始值。所 以在点1 运行时电压是静态稳定的。 在点2 运行时的情况，用相似的方法可以得出点2 电压不稳定的结论。 在点1 运行时，电压处于较高水平，而且掣 o ，所以该结论验证了辈判据的正确性 u u 0 u 1 _ 2 1 3o l t c 负调压作用解释 正常情况下，有载调压变压器增大变比，将使二次侧电压上升，保证电压稳定 运行与给定的整定值，但是，当负荷特别重( 功率需求极多) 时，负荷电流增大， 增大o t l c 物理变比反而可能使二次侧电压下降，导致o t l c 在达到上限以前反复 调节，二次电压不断下降，这就是o l t c 的负调压作用。o t l c 的负调压作用作为 种电压失稳的机理解释，己被广泛接受。 1 2 1 4 负载特性解释 功率p 和q 通过端v i 电压u 包含了系统中的其他元件和网络状态信息，不是 一个反映负荷状态的独立变量。任何形式的负荷都是通过其等效阻抗参数与整个电 华北电力人学硕+ 学位论文 力系统的功率分配而得到其所消耗的能量，等效导纳是负荷具有的独立的参量，它 不依赖于网络和系统中的其他信息，且在整个实数轴上连续。 异步电动机是电力系统中的主要负荷构成，一般能占到6 0 一7 0 。下面以异步电 动机为例来说明当负荷变化时其等效导纳的变化。异步电动机的t 型等效电路如图 卜4 所示。 图1 4 异步电动机t 型等效电路 尼i s 一j 描述其转差变化的动态方程为： 一。 f 半= 只一b ( 1 一1 ) 。d f 1 当负荷端口电压上升时，虚框中部分( 可称为动态负荷) 从网络输入的电磁功率增大， 按照式( 1 一1 ) 转差减小，动态负荷的等效电阻增大，整个负荷的等效电阻增大， 直到实现新的功率平衡。反之，如果端口电压下降，则从网络输入的电磁功率减小， 等效阻抗也将减小，试图从系统中吸收更多的电磁功率来实现新的功率平衡。 事实上，不仅电动机如此，系统中其他动态负荷都是如此。总体来说，负荷的 动态特性具有这样的本质特征：当负荷输入的有功功率p e 与输出的其他形式的功 率p t 失去平衡时，会自动调整等效阻抗的大小，以求达到新的有功功率的平衡。 当p e 尸t 时，等效阻抗增大，当p e j p t 时，等效阻抗减小。 1 2 2 电压稳定性的分类及定义 系统稳定性问题的分类和定义是对系统机理认识的集中体现，是对系统本质特 征的语言描述，它对于理论研究( 数学描述和建模) 具有极为重要的指导意义。然而 在电压稳定性研究中，分类和定义一直处于较为混乱的状态，这是该研究领域至今 尚未建立完整理论体系的最为根本的原因。 目前比较流行的是按电压崩溃事故所经历的时间分类，本文称为时间框架分类 法。从世界各国实际发生的电压崩溃事故来看( 文献 1 附录f ) ，不同事故所经历的 时间跨度相差很大，从几秒到数十分钟不等。时间框架分类法按失稳事故的时间场 景将电压稳定问题分为三种模式：暂态电压稳定性、长期电压稳定性和长期电压不 稳定性。与此对应的机制解释阐述如下： 6 华北电力人学硕士学位论文 时间框架场景l 一一暂态电压稳定性：该框架从0 到大约1 0 s ，这也是暂态功 角稳定性的时间框架。在这类电压不稳定事件中，电压失稳和功角失稳之间的区别 并不总是清晰的，也许两种现象可能同时存在。是电压崩溃引起失步还是失步引起 电压崩溃，只有对事故汜录进行认真的分析后才能确定。这类电压崩溃是由诸如感 应电动机和直流换流设备这样不良的快速反应负荷元件造成的。对于严重的电压下 降，感应电动机可能失速，暖收无功急剧增加，进而引起其邻近的其他感应电动机 失速，除非尽快切除该类负荷，否则会导致电压崩溃。 时间框架场景2 一一长期电压稳定性：该时间框架又称为“中期电压稳定 性”、“暂态后电压稳定性”或“扰动后电压稳定性”，也有文献称为经典电压稳 定性。其时间框架通常为1 5 m i n ，典型者为2 3 m i n 。这类电压崩溃事故中，运行 人员来不及干预，o l t c 、配电电压调节器、发电机过励限制等因素在此过程中起 重要作用。当重负载条件下运行的系统受到突然的大扰动后，由于电压敏感性负荷 的作用，系统是暂态稳定的，但扰动后网络无功损耗大量增加，引起负荷区域电压 下降；当o l t c 和配电电压调节器动作而恢复术端变压器负荷侧电压从而恢复负荷 功率时，网络传输电流进一步增大，加剧输电网络中电压的下降。同时，送端与当 地发电机可能因为过励磁限制而仅发送有功，甚至由于发电机长时间过电流而被切 除。这样，含电源在内的输电网络已不可能提供足够的无功功率以支持负荷消耗与 网络无功损耗的需要，就会最终导致电压崩溃。应当指出的是，在这一过程中o l t c 的作用是抑制或加剧电压崩溃的进程，与负荷特性、分接头位置及系统无功储备情 况有关。 时间框架场景3 一一长期电压不稳定性：也称为慢过程电压失稳。这种场景的 电压崩溃发展过程经历一个相当长的时叫，【9 7 8 年法国和1 9 8 7 年东京的大停电即 属此种情况。其过程可大致描述如下：负荷过速增长( 寒冷冬季或炎热夏季，负荷 增长速度为数十至数百m w r a i n ) ，导致主要负荷母线电压单调下降，几分钟内由 于o t l c 及调度干预等作用，电压的下降得到遏制一一经典电压稳定。此后一方面 o l t c 使网上负荷得到恢复；另一方面负荷继续增加，电源的增加或当地无功补偿 跟不上负荷增长速度的需要，电压下降进一步恶化，加之调度失当( 如不果断切除 部分负荷) 或保护未能正确动作，最终部分( 或全部) 地区电压崩溃、系统瓦解，造 成大面积停电。在长期电压不稳定的事故中往往没有直接的扰动，其原因是本来已 经薄弱的、严重过载的、结构不合理的网络中负荷恢复和快速增长。 1 2 3电压稳定的研究方法 目前，电压稳定的研究方法可以分为两种：一是基于潮流的静态方法，二是基 于系统线性化动态微分一代数方程的小扰动分析方法和基于非线性动态微分一代 数方程的时域仿真方法等的动态分析方法。 7 华北l h 力人学硕十学位论文 1 2 3 1 基于潮流的静态方法 电压稳定性的静态分析方法包含了基于稳态潮流方程的一系列方法，并由此建 立了一系列相应的裕度指标和状态指标。无论何种静态分析方法都是把电压稳定看 作是一个潮流是否存在可行解的问题，把临界潮流解看作电压稳定极限，其中求解 电压崩溃临界点和电压稳定裕度是关键内容，电压稳定裕度从数学角度讲是潮流雅 可比矩阵趋近奇异的距离，从物理角度讲就是系统中允许负荷增加的程度。电压稳 定静态分析方法的本质都是把电力网络的潮流运行极限作为静态电压稳定临界点。 基于潮流方程的静态( 或准静态) 方法在八十年代及以前的电压稳定性研究中 得到了相当的重视，至今这方面的研究工作仍受到了广泛的关注。该类方法的应用 主要集中于以v - p 或v - q 曲线为基础的电压稳定性机理解释、灵敏度分析、系统最大 静态传输能力极限求取、潮流多解研究、潮流雅可比矩阵奇异性分析等五个方面。 1 2 3 2 动态分析方法 电压稳定本质上是一个动态问题，只有在动态分析下，动态因素对电压稳定的 影响才能体现，才能更深入地了解电压崩溃的机理以及检验静态分析的结果。目前， 适用于动态分析的方法主要有动态潮流法、小扰动分析法、时域仿真法、能量函数 法等。 1 动态潮流分析法”1 动态潮流是系统存在功率不平衡情况下的稳态潮流，它与常规潮流的最大不同 是不平衡功率不再由平衡节点独立承担，而是在各台发电机之间协调分配，其核心 是潮流计算和频率计算。 通过每一步的系统动态潮流解算得到某一节点和几个节点的电压幅值，从而 描绘出电压的变化曲线，为研究电压稳定性提供依据。动态潮流的方法大多应用于 调度员仿真系统( d t s ) ，目前国内外己经投运的d t s 基本上都是以动态潮流模拟为 主。 动态潮流方法以其模型简单计算快速在电压稳定性动态分析的早期特别是应 用于实践中起到了重要作用，但是该方法根本上仍是基于潮流模型的，不能精确地 模拟电力系统特别是故障后的动态特性，这使该方法在深入研究中的应用受到了限 制。 2 小扰动分析方法 小扰动分析就是将描述电力系统运动状态的非线性微分一代数方程组在平衡点 处线性化，形成状态方程，通过分析状态方程特征矩阵的特征根的性质来判别静态 平衡点的稳定性的方法。国内外研究该类方法始于二十世纪六七十年代，目前这类 分析方法和计算程序已经相当成熟。它实际上是研究任何动态系统静态稳定问题的 通用方法，在电压稳定性的研究中得到了广泛的应用。目前小扰动分析方法多用于 8 华北电力人学硕士学位论文 电压稳定性定性讨论方面。如：发电机动态对系统功率传输特性及稳定域的影响： 负荷、o l t c 、s v c 等元件动态以及并联电容补偿对电压稳定性的影响：计及元件 动态后的系统状态矩阵与常规潮流雅可比矩阵的关系等。 小扰动分析通常与潮流法和时域仿真相结合，其目的是探明系统中各元件动态 的相互作用及其对电压稳定性的影响，深刻认识电压稳定性机理，抓住影响系统电 压稳定性的关键和本质因素，明确电压稳定分析对元件模型的要求，以指导系统建 模及合理选择分析手段和工具。小扰动法本身物理意义明确，理论严谨。关键是在 准确把握不同元件动态对电压稳定性影响程度的基础上，建立既有适当详细程度、 能反映主要元件动态特性，又尽可能简便实用的数学模型，这方面尚有深入研究的 必要。 3 时域仿真分析方法 时域仿真计算能够清晰的表现系统受到扰动后的某些暂态现象及电压崩溃的 动态发展过程，是研究快过程电压崩溃( 通常称为暂态电压崩溃) 现象的最有利手 段。时域仿真方法主要用来分析各种元件( 如g 、o l t c 、s v c 、断路器投切的并联 电容补偿、感应电动机等) 对电压崩溃过程的影响及其在过程中所起的作用，全面 深入了解电压崩溃现象的物理特征，检验静态方法及小扰动方法所得结论的正确性 和适用性，更深入研究电压崩溃的机理等。文 8 采用全网详细模型( 包括传输线路 动态过程) 全面研究了负荷模型、负荷轻重、负荷母线短路比、感应电动机负载的 比重及其负载特性、网络结构、发电机动态特性等对暂态电压稳定性的影响，指出 上述各方面均是影响暂态电压稳定性的因素，而尤以感应电动机的影响最为关键。 文 9 指出只计及感应电动机转子机械动态，采用时域仿真和网络准静态v - p 曲线 模型相结合的方法研究了暂念电压稳定性机理，并指出：足够的补偿容量能够使处 于低电压解的负荷母线电压恢复正常。同时指出电压崩溃是从系统最薄弱的节点电 压急剧下降开始并向临近弱节点迅速扩散的“级联式”发展过程。 用全过程动态仿真来分析长过程的电压稳定性即长期电压稳定性，是现阶段时 域仿真分析应用于电压稳定研究的1 个重要方面，也是时域仿真分析的重要发展， 它是研究电压崩溃的机理、过程以及检验其他分析方法和结论正确与否的有效手 段。 到目前为止，电压稳定性的时域仿真分析在揭示电压稳定性机理特别是深入考 察元件动态对电压崩溃过程的影响、大扰动作用下的电压稳定性评估等方面已做了 不少工作。但总的来说还很不深入，尤其是大扰动下快过程的暂态电压稳定性研究 尚处于初始探索阶段，这与电压稳定问题本身的复杂性和特殊性及其在电力系统稳 定性中所处的重要地位是不相称的。现在尤其需要重视的是统一而非孤立的，系统 而非离散地研究各种动态元件在暂态电压稳定过程中所起的作用及其相互关系。在 此基础上建立科学合理的暂态电压稳定性评价指标是当前迫切需要的。 9 华北电力人学硕士学位论文 4 能量函数法“” 能量函数法是直接估算动态系统稳定的方法，可避免耗时的时域仿真，基本思 想是利用能量函数得到状态空间中的一个能量势阱，通过求取能量势阱的边界来估 计扰动后系统的稳定吸引域，并据此判断系统在特定扰动下的稳定性。 能量函数法在判断暂态功角稳定方面已取得了相当多的成果，在研究电压稳定 方面仍处于起步阶段。总的来说。目前用能量函数来研究电压稳定的学者还不多， 取得的成果也不多，与实际应用仍有较大的差距，有待于进一步努力。 除了上述方法外，电压稳定性研究中所采用的还有基于潮流方程及线性化动态 微分方程的可行解域的研究、突变理论、分歧理论等方法以及考虑负荷自然扰动的 概率分析等。这些研究中均采用新的数学方法来分析电力系统的电压稳定性，但尚 处于摸索阶段。 1 3 本论文的主要工作 本论文围绕同步相量测量技术、静态电压稳定评估和基于同步相量测量技术的 电压稳定评估进行研究。主要工作如下： 1 总结电压稳定的研究现状，研究电压失稳机理，系统的分析电压稳定的研究方 法，概述电压稳定的分类及定义。 2 对同步相量测量的理论、技术和应用进行研究。 3 对电压稳定分析的静态方法进行研究，特别是最大功率分析方法。 4 在以上研究的基础上，研究基于同步桐量测量技术的电压稳定评估的方法。 5 利用m a t l a b 对电压稳定评估指标进行编程，并采用电力系统综合分析 ( p s a s p ) 软件，对e p r i ，3 6 节点系统模型进行仿真，验证该方法的可行性。 1 0 华北电力人学硕士学位论文 第二章同步相量测量装置及其在电力系统中的应用 2 1 引言 随着国民经济的不断发展，人们对电力的质量、需求量以及供电的可靠性的要 求在不断地提高，因而对于电力系统的自动化和安全运行的要球也在不断提高。电 力系统的自动化和安全运行的一个要素就是电力网时间的精确和统一。电力系统内 各枢纽点电压是电力系统的状态向量，他们的大小和相位能反映电力系统的实际运 行状态。因此，实际测量电力系统内各厂站的电压向量，特别是他们的相位及相位 关系，对于实时进行电力系统的稳定判别和控制，有着非常重要的意义。要达到精 确的实时电压相位测量目的，一是要在统一的时间基准下进行同步测量，二是要有 足够的精度。对于5 0 h z 工频量来讲，1 m s 的非同步误差将带来1 8 。的相位误差， 如果要求保证相位误差术l 。的水平，就必须要求同步时间精度不大于5 5 9 s 。全球 卫星定位系统( g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 与国际标准时间( u t c u n i v e r s a l c o o r d i n a t e dt i m e ) 保持高度同步，具有全天候、全球覆盖、高精度、高可靠性、 连续实时等诸多优点，为同步电压向量测量提供了可靠的应用条件。随着g p s 技术 的应用，电力系统出现了种新型的检测发备一同步相量测量装置( p m u ) ，他们 利用g p s 的高进度授时信号实现对电力系统各节点数据的同步采集，以及对电网中 关键节点的电压向量的监测。采用该设备可以实时的观测整个电力系统的当前运行 状态，提高系统暂态分析和实时控制的技术水平。 2 2 同步相量测量基本原理 2 2 1g p s 的基本原理 全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是美国全面建成并运 行的新一代卫星导航系统。该系统由距地球约2 万公罩、分布在6 条近圆形轨道上 的2 4 颗卫星构成；能全球覆盖、全天候工作、2 4 小时连续实时地向地面发送高精 度导航、定位和时间信息。g p s 卫星传递的时间信号，能在全球范围内与国际标准 时间( u t c ) 保持高度同步，这使它成为目前世界上传播范围最广、精度最高的时间 发布系统。通过安装专用g p s 接收器，在世界任何地方都可以接收到g p s 时间信 息，由此可实现高精度时钟同步。给出利用g p s 时间信号实现时钟同步的示意图， 如图2 一l 所示。 华北电力火学硕士学位论文 图2 1g p s 原理结构图 ；畏样脉冲 图2 1 中，g p s 接收器能从接收到的信息中提取并输出两种时间信号：一是秒 脉冲信号l p p s ，其脉冲前沿与国际标准时问的同步误差为l g s ：二是经串口输出的 与每个1 p p s 脉冲前沿对应的同期和时间代码( 年、月、日、时、分、秒) ，即l p p s 的时间标记。采样时钟一般出高稳定度晶振构成，振荡信号每隔一秒被l p p s 同步 一次，使其相位锁定在g p s 时间基准上。同步后的晶振信号按采样率要求经分频后 用作采样脉冲。由于任何地方接收到的1 p p s 信号都具有相同的精度，因此，采用 这种方法能保证各厂站采样时钟的同步运行并进而实现同步采样。该时钟同步方法 与传统方法相比，具有精度高( 微秒级) 、工作可靠、省力、不受地理及气候条件限 制等优点，是迄今为止最为理想的时钏同步方法。 2 2 1 2p m u 的基本结构 2 - 2p m u 结构图 这里p m u 装置原理结构框图采用图2 2 所示1 结构。来自p t c t 二次侧的电 压、电流信号经交流输入单元变换隔离后，进行滤波，变成满足采样定理的交流信 号。d s p ( 数字信号处理器) 在基于g p s 时间基准的同步采样脉冲控制下，经a d d 变换完成对交流信号的采样，然后通过相应的算法计算出相量，同时为相量打上“时 1 2 华北电力人学硕士学位论文 间标签”，其时间精度可以达到1 s 。工控机对各同步相量进行附加计算和显示，并 将计算结果连同其“时间标签”按照通信规约的要求，经r s 2 3 2 串口或以太网接口 实时上传至监测中心。 2 2 3 相量测量原理 相量测量的原理分为两类：一类是采用过零检测法；另一类是采用离散傅里叶 变换( d f t ) 法。 1 过零检测法 它的硬件实现较容易。三相交流信号可直接输入过零比较器中，把正弦波变为 方波，输入测量c p u ，使c p u 利用方波的上升沿很容易检测到正弦波的过零时刻。 如果需要三相信号的正序相量，则可以在比较器前加一个正序变换电路。 过零检测法是用精确的计时器把被测工频信号的过零点和相应的标准5 0 h z 信 号的过零点的时差记录下来，并转化为角度，就得到相对于标准5 0 h z 信号的相位。 这个标准5 0 h z 信号由c p u 时钟来同步，整个网络都一样。过零监测法硬件实现较 简单，但谐波的影响可能会使电压波形产生畸变，得出的结果具有一定的误差。所 以目前较多的采用离散傅里叶变换法。 2 离散傅里叶变换算法 设一工频正弦信号为： x ( t ) = - j 2 x s i n ( r o t + p ) ( 2 1 ) 其相量表达式可写为： x = x e ”= ( x c o sc p + j x s i n ( o )( 2 2 ) 假如每周波对采样次( 单周波数掘窗) ，得采样值集合( 也，k = o ，1 ，n 一1 ) ， 其中： 以= 胁s i n ( 等七捌 ( 2 3 ) 根据离散付氏变换( d f t ) ， 尥) 中所包含的基波分量： _ l = 专蒸c 。s 等k - ，丙2 刍n - i 五s i n 等t = x c 一瞄 c z t ， 其中， j 置= 号篆硼s 等k ，x 8 = 面2 刍n - i 五s i n 等t c z 吲 可以证明： x 。= - , 2 xs i n 妒，x 5 = - , 2 x c o s 9 ( 2 6 ) 】3 华北电力大学硕士学位论文 由( 2 2 ) ，( 2 4 ) 和( 2 - 6 ) 不难推出： 1 = ( 饩+ 。) ( 2 7 ) 、，z 式( 2 7 ) 即为利用采样值集合 凰 计算出的与工频正弦信号x ( ，) 对应的相量。当输入 信号x ( f ) 中含有其它频率成份时，式( 2 7 ) 给出的是x ( f ) 中的基波分量，即起到一 个滤波的作用。实际应用时，为避免频率混叠现象的发生，输入信号需经模拟低通 滤波器滤掉高于n y q u i s ! 判据要求值的频率成份后，爿能被采样。截止频率可设计 为矗= c o n 4 ( h z ) 。还应该注意到，利用( 2 7 ) 计算出的相量是与用于计算它的 那个数据窗相对应的，其参考基准是k = 0 采样时刻( 即数据窗的第一个采样点) 。 随着数据窗的移动，该相量也会发生变化，即每出现一个新的采样值就计算出一个 新的相量。“” 2 3 同步相量测量技术在电力系统中的应用 2 0 世纪9 0 年代初基于全球定位系统( g p s ) 的相量测量单元( p m u ) 研制成 功，实现了电网中关键节点的电压向量同步测量“。3 ，这一技术对电力系统具有重要 的意义。 美国几乎所有的电力公司都安装p m u ，并准备继续扩大安装数量，法国也在 扩大安装p m u 的数量。在我国，1 9 9 5 年前后天津大学、电力科学研究院、清华大 学和华北电力大学等开展了该领域的研究工作1 ，之后一些科研院校、电力和电网 公司也启动了相应的科研和应用计划。 1 前，黑龙江、湖南、广东等电网部分安装 了p m u 。 同步相量测量技术在电力系统中应用的领域比较多，这里介绍其在电力系统状 态估计、暂态稳定预测与控制、继电保护、故障定位等领域的应用，同时分析同步 相量测量技术在这些领域研究中所具用的重要作用。 2 3 ，1 电力系统的状态估计 自2 0 世纪6 0 年代状态估计应用于电力系统中以来，日益得到了人们的重视， 目前它已成为e m s 或d m s 管理软件的重要组成部分。 传统的状态估计是通过迭代的方法求出电力系统的状态，其所需时间较长， 实时性差，迭代不易收敛甚至出现较大误差。并且在状态估计时，对网络结构做了 简化，它是基于单相单频非同步模式的，这种模式假设： 1 ) 所有的电压、电流的频率固定，波形是纯正弦的。 2 ) 系统运行在三相平衡条件下，系统网络是只有正序的三相对称系统。， 这种假设使状态估计得到的结果存在较大的误差。这种误差传统方法是无法消 1 4 华北电力人学硕士学位论文 除的，它是一种固有误差。 利用同步相量测量技术可以得到系统节点的电压向量，如果每个节点都装设同 步相量测量装置，那么就不需要进行状态估计，所有的量便可以直接测得。但由于 经济和技术等的原因，并不可能在系统所有节点都装设同步相量测量装置。 t h o r p 和p h a d k e 等人研究p m u 在状态估计中的应用时“，取电压幅值和相角 的量测方程分别为= k 和目。1 - 口。其中“，和0 。分别为电压向量的幅值测量值 和相角测量值。k 和口。分别为电压向量的幅值估计值和相角估计值。在这种模型 中，对配置了p m u 的母线，量测雅可比矩阵增加了2 行。精度上有一定的提高， 但仍然是单相正序模型的状态估计。文献 1 6 提出将装有同步相量测量装置的节点 测量电压向量用于状态估计的方法，从而提高状态估计的准确度。该文献是根据状 态估计的量测修正方程建立一种引入p m u 测量值的三相状态估计模型以解决估计 精度和三相不平衡状态估计问题。他是将线路不平衡度较大或对平衡要求较高的三 相母线配置p m u ，把量测修正方程改为 陶= ( 蹦：糙 ( 2 - - 1 0 ， 式中：a x 。和a 。分别为配置p m u 的母线电压向量的状态偏差和没有配置 p m u 的母线电压向量的状态偏差，对配置了p m u 的母线电压取三相电压向量，即 对于这样的一条母线对应于2 3 = 6 个状态，b 口a 目。、a 钆、口。、a 玩、a 、 圪。这种状态估计方法不仅使三相状态都可估，而且也增加了冗余度，从而提高 了状态估计的精确度和稳定性。 2 3 2 暂态稳定预测与控制 暂态稳定分析是暂态稳定控制的基础。暂态稳定控制的主要作用是在故障发生 后，快速准确地测量出系统的暂态能量，采取正确的控制措施，使系统的暂态扰动 能量能够被系统自身平息，保持系统稳定性。因此，寻求快速、准确的暂态稳定分 析方法具有重要的意义。 传统的暂态稳定分析方法大致分为三类：直接法、数值积分法和模式识别法。 直接法是基于l y a - - p u n o v 或p o p o v 稳定定理的能量函数法。它将扰动后的系统看作 初态下的自治系统来研究其稳定性，通过计算扰动发生时刻的能量函数以及稳定边 界来判定系统暂态稳定情况。其优点是暂态稳定判别速度比较快，所存在的问题是 能量函数构造困难。数值积分法通过求解电力系统机电微分方程组和网络代数方程 组，计算发电机功角的变化趋势，判断系统的稳定性，它的主要向题在于计算时间 长。模式识别的方法不需建立系统的数学模型，直接从样本中寻求状态参数与稳定 性或稳定指标间的映射关系。这种方法的速度很快，但是如果设计不当，可靠性将 大打折扣。“ 1 5 华北电力大学硕士学位论文 p m u 不仅可实现电力系统相量测量、功角测量和相量的集中监视，还可实现 一相量和功角的就地监视，并能给各个测量点提供一个相对于系统参考点的相角，用 于就地控制，以解决电力系统暂态稳定问题。因此，科研人员以此为背景，开阔思 路，研究提供暂态稳定分析更好的解决方案。 目前利用同步相量测量技术对电力系统进行暂态分析的文献很多。文献 1 8 利用线路两端功角差5 的变化与机械功率p 、的关系，给出了根据功角差6 的历史数 据推算当前功率p 。的公式。功角差6 的历史数据由p m u 测量得到。该文献给出了经 过简化和改进的功角运动方程。利用该方程以及估计得到的p 计算功角差6 的变化 趋势，判断系统稳定性。这种方法解决等效机械功率p 。的不确定性等问题，它是p m u 在直接法中的应用的一个例子。 而目前更多的学者是将研究集中在利用预测模型对电机功角摆动进行预测，进 而来判断系统稳定性。文献 1 9 是通过采集功角数据，用多项式逼近法快速预测它 未来的变化，同时为提高精度采用智能动态修正，然后判断多项式是否存在极值， 若存在可预测系统首摆稳定，反之则不稳定。文献 2 03 采用自回归模型来预测功角， 同时利用功角的变化分析稳定性。文献 2 1 将通过p m u 获取的不同时刻系统最大摇 摆角作为模糊神经网络的输入，而把故障切除后系统第一摆时段内的最大摇摆角作 为模糊神经网络的输出，以此判断系统首摆暂态稳定性。这类方法的一个共同点是 末考虑电力系统的完整数学模型，而是通过构建预测模型，估计功角变化以达到判 断系统稳定性的目的，应该说这是p m u 在功角预测上带来的新思路。 2 3 3 继电保护 在诸多类型的输电线路继电保护之中，电流差动保护作为一种原理简单、具有 绝对选择性和工作可靠的保护方式，一直受到人们的重视，尤其是对于高压和超高 压同杆并架双回线，分相电流差动是唯一可靠选择故障相的保护原理。在传统的导 引线保护不能满足长线的要求而电力载波通道又十分拥挤的情况下，g p s 同步采 样技术、数字微波技术和数字光纤通信技术的发展，为数字电流差动保护的开发开 辟了新的途径。 与传统模拟差动保护不同，数字电流差动保护必须利用两端的瞬时采样数据进 行差动比较。为了使保护正确动作，线路的两端要进行同步采样或者进行采样的同 步化处理。这是实现电流差动保护的关键所在。目前主要有三种同步方法：参考向 量法、采样时间调整法和采样数据修正法。参考向量法原理简单，工作量小，但是 参考向量的选取比较困难；采样时间调整法能够获得较高精度的同步采样，但是由 于从站完全受主站传送过来的信息制约，同步采样的可靠性受通信信道的影响较 大：采样数据修正法通过对对端送来的数据进行移相处理来达到同步采样的效果， 因此它不要求双端采样的严格同时，只要求相同的采样率，保护动作的可靠性受通 1 6 华北电力人学硕士学位论文 道的影响较小，但它对于晶振的要求比较高，电网频率的变化会影响修正的精度。 所以，上述的三种同步方法在实际应用时的效果均不理想。利用g p s 卫星同步时 钟实现双端的同步采样，就可以很好的解决这一问题，大大减小电流差动保护的同 步采样误差。 数字电流差动保护的动作原理和模拟电流差动保护的相同，其特点是将线路两 端的波形数字化，以脉码通信方式( p c m ) 传送数字信息，而后利用微型计算机进 行动作判定。图2 3 是基于g p s 卫星同步时钟的数字电流差动保护的基本方案。 2 2 1r 2 a 1 n 幽2 - 3 g p s 数字电流差动保护方案 方案中的同步装嚣由g p s 卫星同步时钟和同步采样脉冲发生电路组成。正常 工作时，在同步采样脉冲发生电路中，山高精度晶振产生的振荡信号经分频器产生 满足电流采样率要求的频率信号，该信号每秒钟由g p s 卫星同步时钟产生的 1 p p s 脉冲信号同步一次( 即相位锁定) ，从而保证了同步采样脉冲的上升沿与u t c 时间同步( 相对误差在1 t s 之内) 。由于线路两端均装有相同的同步装置，所以以 同步装置产生的频率信号作为采样脉冲去控制本端的数据采集，就可以实现两端电 流的同步采样，这种数据的同步采集的精度是非常高的。线路两端的电流瞬时值经 同步采样后，即向对端传送采样值。 图2 4 是采样值传送方式的示意图。图中两端的时间轴t 表示两端由g p s 卫星同步时钟提供的u t c 时间。t l 、t 2 、t 3 ，为两端经g p s 卫星同 步时钟同步的采样时刻，两端是完全相同的。两端的采样值、采样时刻值、校验码、 起始码以及终止码组成报文向对端传送。两端将采样时刻值相同的电流采样值相减 华北电力大学硕l ：学位论文 就得到了差电流的瞬时值，无须再进行其它的同步处理。显然，由于瞬时时刻两端 的电流并不相等，故在正常运行和故障发生时的差电流不等于零，这可用整定的门 坎电流躲过，这是最简单的方法。对于特别长的线路，过大的门坎将影响内部故障 的灵敏度。也可采用电容电流补偿的方法或电流在线路上行进时间补偿的方法，减 小整定值，提高内部故障的灵敏度。 b 一起始码医t 一时间码医 i 一电流采样码区m 一校验码区e 一终止码区 2 3 4 故障定位 到24 采样值传送方式的示意图 高压输电线路是电力系统的命脉，它担负着传送电能的重任。同时，它又是系 统中故障最多的地方，并且极难查找。因此，在线路故障后迅速准确的把故障点找 到，不仅对及时修复线路和保证可靠供电，而且对电力系统的安全运行都有十分重 要的作用。 行波定位可分为单端定位( 如a 型测距法和c 型测距法) 和双端定位( 如b 型测距法) 。单端定位是利用