（电力系统及其自动化专业论文）电力系统大面积停电事故分析与预防控制研究.pdf

t ep o w e rs y s t e mb l a c k o u te v e n t a a l y s i sa n dp r c v c l a t i v cc o n t r o l n a m e ：i - i i j a n gr u a n m i n g s u p e r v i s o r ：w uj i e s h a ny u a n - d a u n i v e r s i t y ： s o u t h e a s to n i - r s i t y b l a c k o u tn o to n l yh a v o c st h ep o w e rs y s t e m , b u ta l s ol l l r e a t l lb a d l yi l g a i l l l l lt h en a t i o n a ls 咖r i t y , s o c i e t y s t a b i l i z a t i o n , p r o d u c t i o na n dl i v i n go lt h ep e o p l e t h cp o w e rs y s t e mo u t a g e sr c l e s c n t e db yt h e8 1 4 b l a c k o u ti nu n i t e ds t a t e sa n dc a n a d a , a r o u s e dm a n yo ft h en a t i o ng o v c m m e n t sa n ds e l a o l a r st op a y a t t e n t i o no l li t t h es t u d yo f b l a c k o u ti sd e p l o y e dr a p i d l y m o r ea n dl l l o r cr e s e a r e l ap r o g r a m m ea n dc f f e c t i v e 蛔m 吣a p u tf o r w a r d b u t , 咖t h o u g h , s o m ed e f i c i e n c i e ss t i l l 懿i s t f o re x a m p l e ，t i m ec o n s u o m i n gc a l c t l l a t j o l l l s , o c c u p y i n gm o l ee o m p u t e rr c s o u r c c ，t l a en ”e h a n i mo fb l a c k o u ti s 岫d e 缸y c t k c o m p u t i 驾r c s t t l te o l a l a i m 删cc o n s e r v a t i v eo rr a s ha d v a n c e , e t c t h e 岫a c l a i “mo f t l d i s s e r t a t i o ni n v o l v e st l a cf o l l o w i n ga 印衲： 1 m a n yk i n d so t 坤岫l n c t l a o d sa b o u tb l a c k o u ta 砧s u m m e du p a n d 山斜mc o m p a r e dw i t h 也缸 d i u e r l a t i o n zf o l c c u ti f l a d m u t 咪w i t h1 1 wm l y l i s i 血so f 舻嗽锄暖叫虹旬删唧| i ck 如i v i 啊口衄断i 卫i 簪 d h 衄b a n o 峨 3 f u m i s l l 眦删a m p 岫a n di 缸a d c l i l a t i n gm r l l o a s , 鼬a s , 由em a 1 ：i l m lc o l t c l a l i o n s o m 地n t h cs h o r t e s tc a s c a d i n gr o u t , ，e t c 4 ht h ed i s r l a t i o n , e l a b o r a t et i l es i g n i r l c a mo fu a n s m i o ns t i o ns c l c a i a a n dp r o v i a ct h e m c t l a o d sa b o u ts e c t i o ns e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no f s l 蛆j o n1 0 a df l o wl i m i t 5 ab r i e fm e t h o do fo u t a g ec o l ae s t i m a t i o nj 。i n t r o d u c e d a n dw o r ko u tt l a co u t a g ec o , i t 缸d i f f e a 枷 o p e r a t i n gm o d e s 6 p i c k l a p t h e c k 却岫v a r i a b l e s f r o m 曲喀o l 崩r a t i o n r m m c t e r s o f b l a c k o u ts o 嗽i n o f f - l i n ea n a l y s i r e s u l t s hr e a lt i 卫嘴，t h cg r a yr e l a t i o n a la n a l y s i st e e h n o l o 蚪i s 1 0 t c dt om a t c ht l a ed i m c 盯v a r i a b l e so f o n - l i n et oo f f - l i n e o c tt l a cp l i a b i l i t yo fc h 咖v a r i a b l e sm 撒h i 唱砌f o j r c a s tt l a c 鞠鲫s l a t e 瞳 c u l t c n tp o w c i rs y s t e m 7 c o l l c e ta l lo ft l a cf a c t o r sw l a i e l at l l r e a t e nt ot h ep c w 盯s y s t ms e c u r i t y , a n dc o l m s t l t u c tam u l t i l e v e l e s l i m a t es y s t e m a p p l yd e m l 跳r - s h a f t e rn 啪巧t oc v a h l a t ee a c hl e v e l , , - e n l a i n t yi n d i c e s , g e tt h eb a s i c i n o b a b i l i t ya s s i g n m e n t 四胁q 1 1 n d c l rt l a cr u l eo fc o m b i n a t i o na s t 弘g a t ca l lo lt ke l 艄峨w e 啪铲it l a c p r o b a b i l i t yo ft h eb l a c k o u te v c n l s 8 b a s e d 蛐t l a cp r o l 瑚, t i t yv 山eo fb l a e k o 峨c s t a b l i s l a - q 蝴m i 盈妇m 岫m o d e l 蛔p r c v c l a t i v e c o n t r 0 1 9 c a 8 e 墨，姗f o r t l a c c o n t r o l s a b o v e , s h o w t h e v 址d i t ya n d i n a i c a b i l i t y o f t 晒e n w m c t l l o 以 k e y w o r d s ：b l a c k o u t ；b l a c k o u ts c e n e ；m a x i m a lc o r r e l a t i o n & ：q 叫n ；s h o r t e s tc a s c a d i n gr o u t e ； o u t a g e c o s t ；g r a y r c l a a o n a l a n a l y s i s ；c h a r a c t e r v a r i a b l e o f b l a c k o u t s o 咖瞄 1 ) c m p s t e r - s h a n 盱t h e o r y ；o p t l m o nm a t hm o d e i ：p r c v e n t i v ec o n t r o l 术语衰 术语表 筮星丕受匿璺 停电景观( b l a c k o u ts c e n e ) 停电发展路径( b l a c k o u tr o e t e ) 最短停电路径( s h o r t e s tc a s c a d i n g r o u t e ) 最大相关性m i a 】【i n l a lc o n e l a t i o n ) 最大相关序列( m a x i m a lc o l r f j a t i 0 9s e q u e n , z ) 俘获率( c a p t a i n sr a t e ) 支路支路最大相关序列 发电机支路最大相关序列 负荷支路最大相关序列 发电转移分布因子( g e e e r a t j o es h i f td i s m l ，u t i o nf a c 妇) 负荷转移分布因子( l o a ds h i f td i s t r i b u t i o ah 咖1 覆盖率( 岛v e r i e gr a t eo f s c e n e ) 输电断面潮漉 输电断面最大实时潮流 尊杏安全约束下的断面潮流限值 暂态稳定约束下的断面潮流限值 输电断面潮流限值( 兼顾静态，皙态安全性) 电力经济效率 停电经济损失 景观特征量( c h a m a h v a r i a b l ee f b l a c k o ms c e n e ) 模式进入概率 模式类型概率 景观概率 综合权重 主观溶观权重的偏好系数 因素概率 总概事 p r ， 只珥 e l s e n e 坞 p n e 挣 p e 娉 e 斟 e 罄 p 2 9 p 3 1 胁胁髓胁胁脚踟跏聃聃断胁胁胁 嚣豫积脚脚僳删圳一一傩ajl眦坼一_形，a萋勺 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 研究生签名：丛 日期：研究生签名：垡：! ! 全日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名：趣盟丛 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加大停电事故嘲。是迄今为止损失最大的一次停电事件，其损失之惨重、 影响之深远。已经成为世界电力发展史中的一个重要的标志性停电事件该事件的发生给社会各界 带来了强烈的震撼，引起世界各国政府对电力系统安全的严重关切，催生了电力工作者对大停电事 件的预防控制及事故处理方法的全面深入研究我国虽然没有发生类似于美加大停电的大停电事故， 但相关部门对大停电事故的预防工作都相当重视，并积极演练事故处理应急方案国务院为此专门 颁布了国家处置电网大面积停电事件应急预案网。华东电力公司、江苏电力公司等电力单位正 在探索建立电力系统安全防御体系，以有效预防大面积停电事故的发生由于该领域的研究还处于 探索阶段，目前还没有形成统一的有效方式和实用方法，因此还有很多阿题需要去深入研究本文 是文献f 3 1 课题的一部分，介绍了一种新颖的大停电预防控制策略，并给出了具体的计算原理和方法， 对该研究领域的探索具有较强的现实意义， 1 2 现代电网的特点 电力系统网络是迄今为止最大的人造工程之一。具有。大机组、超高压、大电网”的特征，装 机容量大、电压等级商、输电线路长、电网结构复杂、电网互联规模大 伴随着电力市场化运作的推进，世界各国、各大区域电网的互联趋势越来越明显脚东欧四国 于1 9 9 2 年成立了c e n t r e l 联合电力系统1 9 9 9 年西欧电力系统以u c t e 取代u c t t e ，进一步提 出将u c t e 和c e n t r e l 组成的跨欧同步互联系统( i 鹳l s ) 与俄罗斯等国组成的统一电力系统 互联的设想北美洲有美国国内的西部联合电m 0 v s c c ) 等_ 大联合电同，以及美国东北部与加拿大 部分省份组成的联合电网删豫q 南美洲、东南亚、非洲、大洋洲等地区也都存在一定规模的互联 电网 我国电力工业的发展历史阿可以追溯到1 2 0 多年前的1 8 8 2 年( 当时全国装机容量仅1 1 7 6 k w ) ， 经过旧中国的艰难曲折、蹒跚缓慢的发展，建国初期我国装机达1 8 5 万聊建国后的电力工业得 到快速发展，尤其是改革开放之后，电力发展过程波澜壮闼截至到2 0 0 4 年底的统计州，全国总装 机容量为4 4 0 7 0 0 兆瓦，总发电量为2 1 8 7 0 亿千瓦时( 2 0 d 4 年度) 全国2 2 0 千伏及以上电压等级的 输电线路总长度2 4 8 9 4 公里；变电设备总容量1 1 0 6 2 万千伏安发电总装机容量、发电量和输电线 路总长度均居世界第二位为了优化能源资源，为经济发展提供充足的电力保障，我国提出“全国 联网，鼯电东送，南北互供”的电力发展战略川。全国电网因西电东送而形成北、中，南三大输电 通道，因南北互供而促进北、中、南之问的相互联网特高压电网的建设已经纳入国家。十一五” 规划唧，1 0 0 0 k v 电压等级的特高压交流输电和土8 0 0 k v 的特高压直流输电的相关技术逐渐成熟 发展大规模互联电力系统有着许多优越性例如可以更加合理地利用能源，提高经济效益 可 以采用大机组以降低造价和燃料消耗，加快建设速度；在正常及事故情况下可以相互调剂相互支 援，减少事故和检修备用容量，提高系统安全水平。大电力系统还可以利用地区时差，取得错峰效 益；在水火电之间进行调节，以及在某些情况下跨流域调节总之，经济效益巨大 但同时，与高效益伴随的是高风险大电力系统对电力可靠性的要求更高，对运行技术和管理 水平要求也更加严格小电力系统发生故障造成的停电是局部的、损失有限；而大电力系统发生严 重故障，特别是发生稳定破坏和不可控的恶性连锁事件时，停电波及范围广，停电持续时问长。后 果十分严重 因此，在现代电网飞速发展、取得巨大经济效益的同时，对电力系统安全调度、设备维护和巡 l 东南大学硕士学位论文 检、电力设备的性能和质量、运行管理水平等方面的要求也在不断提高，在这些领域需要进行更加 深入的研究，以保障电力系统的安全稳定运行 1 3 电网中存在的问题 电同中存在的各种问题，如果不能得到及时解决，会诱发电网故障，严重情况下会造成系统大 面积停电，带来巨大的经济损失 ( 一) 田内外电网普遍存在的典型问题既1 嵋 ( d 电网结构不合理如远距离大容量输电，高低压电磁环网，受电区域电网薄弱，互联电网输 电断面薄弱等 ( 2 ) 输电线路，变压器等一次设备的老化或损坏当电网建设长期滞后。设备维护不及时、不到 位时，这些问题表现更突出 继电保护、安全自动装置等二次设备问题如保护装置的误动作，拒动作或迟滞动作安全 自动装置由于参数设置不合理而作出不恰当的调整控制等 ( 运行管理不科学、不到位如人员误操作，运行方式安捧不合理，事故处理不到位等 自然环境的不良影响如树枝、雨雾引起闪烙，雷击、地磁暴、泥石漉、台风等恶劣气候 此外电网还会遭受人为外力破坏，严重威胁到电网安全 ( 二) 我国电网存在的主要目题n q 我国电网由于坚持了统一规捌、统一调度、统一指挥的原则，严格执行电力系统安全稳定导 剜) ，并且得到各级政府、发电企业和用户的大力支持与配合。发扬团结治网的精神，保证了电网的 长期安全运行即使发生一些局部停电事故，也都能够及时切除故障，或将故障控制在局部地区， 不至于酿成电网大面积瓦解事故多年来我国电网未发生类似“8 1 4 美加大停电”的重特大稳定破 坏或大面积停电事故实际上我国电网结构比较薄弱，加上装机容量不足，供电紧张，负荷高峰 时段电力系统往往处于零备用运行，部分地区还存在窝电现象，电网安全受到极大威胁和挑战 我国电网主要存在以下九个方面的向愿t ( 1 ) 电网建设长期滞后近年来国家虽然加大了电网建设投入，实施了城乡电网改造等重大工程。 但由于全社会的经济持续高速发展、负荷需求增长较快，电网建设仍赶不上电能需求 我国处于全国联网初期，电网联系较弱联网要经过一个由弱联系到强联系的过程，交流弱 联系系统的安全稳定问题十分突出。在某些运行方式下存在诱发低频振荡的可能性 ( 电磁环网问题影响输电能力的充分发挥由于部分电网5 0 0 k v 网架薄弱。为保证电网的供电 可靠性，被迫采用5 0 0 - ：v 与2 2 0 k v 电磁环网方式运行，使输电断面的稳定水平降低，不能 充分发挥5 0 眦v 电网应有的效益 4 ) 电同无功补偿容量不足，且没有完全实现分层分区平衡，影响了电压质量，导致部分电网电 压波动幅度大 ( 习负荷中心的电源支撑不足，受端电网的有功功率和无功功率均显不足，影响电网的安全运行 回二次系统存在安全隐患由于我国电网一次系统较为薄弱，相应要强化二次系统才能保证 电网安全因此，电网安全性对二次系统可靠性的要求较高，且依赖性较强，二次系统一旦 出现问题，容易造成电网事故 a d 电网安全运行质量不高，在一定程度上影响电网的安全、可靠、高效和灵活运行 部分设备质量偏低，在一定程度上影响电网的安全运行 ( 厂网分开后，电网缺乏保证电网安全的有力调控手段，在嗣络结构薄弱和部分新投产机组运 行不稳定的情况下，一旦大机组故障跳闸或出现网厂不协调等问题，容易引发大的电网事故 综上所述可见，电阿中的问题千变万化。带有很大的随机不确定性以上列举的问题是电网事 故发生的基本诱因，必须引起我们的足够重视本文在分析大面积停电事故发生概率时，也充分考 虑了这些不安全因素 2 第一章绪论 i a 国内外发生的大停电事故一览 1 a 1 如何界定大停电事放 国内外的相关文献资料中1 1 i 叼，很少给出对大面积停电( 简称大停电) 的直接定义一般认为 在一个较大的电力系统中，发生停电损失电量较大，影响的人数较多、波及地域较广的连锁性发展 事件，即为大停电事故 文献【2 l 中对。大面积停电事故”的定义是：电力生产受严重自然灾害影响或发生重特大事故， 引起连锁反应造成区域电网、省电网或重要中心城市电网减供负荷而引起的停电事件即为大面 积停电事故按照电网停电范围和事故严重程度，可将大面积停电分为i 级停电事件和级停电事 件两个状态等级 1a 2 历次大停电事故简要分析 ( 1 ) 事故次数及规模 随着电网管理水平的提高、安全控制技术的革新，电网出现大停电事故的次数总体上日趋 减少从我国最近年的电网重大事故统计信息可以看出( 袭1 - 1 ) ，每年的平均大停电次数逐 步减少，但平均每次停电事故的电量损失及经济损失却在攀升。美国的电网事故统计信息( 图 1 - 2 ) 显示其近些年的重大事故次数、单次事故损失及影响人口数量等都在上升另外，从众多 的重大停电事故的统计分析可见，事故的停电损失，影响人数与事故发生概率服从一种幂律关 系( 图i - 3 ，图1 4 ) 对于发生概率小但损失巨大的事故，不能不引起重视这些信息说明，印 使我们通过努力可以减少事故发生的次数，但是也无法杜绝事故的发生随着电网规模的扩大， 停电事故一旦发生，后果将十分严重既然目前我们无法杜绝事故的发生，那么我们可以设法 降低事故的损失，控制其影响范围人类电网有史以来最严重的一次大停电事故发生在2 0 0 3 年 的8 月1 4 日l l j ，美国东北部的8 个州和加拿大的安大略省约5 0 0 0 万人受到影响直接经济损 失3 0 0 亿美元以上如果在这次事故发生之前或在事故缓慢发展初期( 大约持续了2 个小时) 能采取有效的应对措施，完全可以减少事故损失程度 圆事放原因及发展过程 从相关文献f 瑚的统计资料中可以发现，在嗣内外已经发生的大面积停电事故中，虽然事故 起因各不相同( 图1 1 ) ，但大多数停电事故的一般发展过程都是：偶然故障引起保护装置动作， 使故障所在线路保护性跳闸。于是系统潮流发生转移，转移的潮流会引起其余线路出现过负荷， 于是发生连锁性过负荷跳闸，如此循环下去，最终造成系统失稳或解列( 表1 - 2 ) ( 3 ) 事故应对措施 目前处理电网事故的主要措施是，在故障发生后首先由继电保护装置迅速准确地将故障元 件隔离，再执行紧急控制策略，如果仍然不能阻止系统状态恶化，还需要进行恢复控制目前， 在电力运行部门和设备制造厂家的共同努力下，继电保护装置的正确动作率已经可以达到粥 以上( 表1 - 3 ) 但是保护装置由于种种限制往往无暇顾及其保护区域外的信息，不能从电罔 的整体特性考虑事故处理方法，因此有些情况下保护装置的正确动作反而会进一步恶化系统运 行状况。我国电力工作者制订的电力安全运行“三道防线”【1 4 i 明【l q ，有力的维护了电网安全， 在我图还未发生类似“8 1 4 美加大停电”的重特大事故。第二、三道防线是针对故障发生并进 一步扩大后的补救措施，首要考虑的是电网的安全稳定性而不是经济性如果能在第一道防线 内，在故障发生前，根据一些特征量判断出系统中存在的潜在危险，作出预防控制，则可以。防 患于未然一在事故发生前进行预防控制，一般郡有足够的时间和手段，可以从经济性角度来考 虑调节措施，这也是预防控制优越性的体现 东南大学硕士学位论文 图1 - 1 各种原因引起的我国电阿事故年均发生概率 图1 - 3 田内外大停电的损失负荷与发生概率的幂律关系嗍 圈1 41 9 8 4 - 1 9 9 7 年闻北美电网大停电的影响人数与发生概率的幂律关系 4 第一章绪论 表1 - 2 典型大停电事故的简要统计 时间地点起因重要发展过程损失电量 2 0 晒- 5 2 5 恰吉诺( c h a g i n o ) 变电站的一一系列线路连镄过载跳闸、大批机组 莫斯科 台1 1 0 k v 电流互感器发生停运，最终造成莫斯科及周边地区大孤d 疆w 大停电小型火灾停电 2 瞄蛇8意大利欧洲输电断面重载， 意大利减负荷措施不力，大量联络线 意大利全 且瑞士境内一条3 8 0 k v 线路 过载跳阐，意大利欧洲机组间同步失 国大停电 删e n - i 盯g o ) 故障接地并 稳，大批意大利主力机组跳机，意大z 7 7 “壤州 利欧洲电网解列孤立的意大利电网 跳闸 频率，电压失稳，全国停电 2 0 9 2 3 瑞典南部o s k a r s h a n m 电站3 瑞典南部4 条4 0 0 k v 线路跳闸， 瑞典丹麦 号机组供水回路阀门故障，且 r i n g h a l s 电站3 号和4 号机组跳机。增 睹典南部存在典型的“大机小 典北部和丹麦东部向瑞典南部增加送1 删w 大停电电量，输电线过载，瑞典南部、丹麦 网”问题 东部与瑞典北部地区解列 矗1 4a e p 与d p l 之间的3 , 4 5 k v 联 3 条3 4 5 k v 重要联络线过载跳闸，接 美加络线s t u a r t - a t l a n t a 因接地故 着大批线路跳闸导致系统电压降低、 6 ：灯m w 机群问振荡失稳，大批机组跳机、负 大停电障跳闻 荷减载，系统解列为若干孤岛 翟瑚5 9 南部电髑与北部及西班牙电网之间联 葡萄牙南 鸟害引起南北两条4 0 0 k v 联络线连锬开断，南部电同与主网解列。 铷o 叫江w 络线其中一条发生单相故障南部电网低频减负荷装置切负荷量 部大停电 不足，系统频率崩溃 1 鲫1 6 8 1 0 负荷转移使多条线路相继过载，弧垂 美国西部 高温天气下输电线重载运行， 加大导致对树放电，电磁环网引发机3 9 刁汀 多条输电线对树闪烙而停运 电网 组跳机造成系统增幅振荡 1 9 7 b 1 2 9 法国 一条4 0 0 k v 远距离输电线路多条线路连锁过负荷跳同。潮流大规 2 s 0 伽l 删 过负荷跳阐模转移，东、西部电网解列 大停电 2 0 晒9 2 6 电厂连锁跳机解列，大批3 5 w 及以f 海南省全 台风“达维”对海南的电力设配电设备受损，大量主网1 1 似v 、 伽m d w 旌造成了严重破坏2 2 0 k v 线路发生永久性故障跳同， 网大停电 进而导致海南电网全网崩溃 表1 3 我国继电保护装置正确动作率分类统计u 9 l 1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 2 烈联v 3 3 伪【、， 5 墩v 一 9 2 7 2 9 4 8 59 5 2 2 9 7 1 29 7 2 79 7 9 79 8 3 49 8 8 6 9 4 彤9 5 5 29 7 0 79 3 2 99 3 9 69 1 7 7 甄1 9 觚5 09 7 4 1 9 8 1 0 9 4 9 7 9 78 9 1 59 1 9 99 0 0 29 7 4 6 9 7 0 19 5 5 49 7 黯9 8 - 5 l 东南大学硕士掌位论文 1 5 大停电研究概述 在大面积停电的研究领域，已经有不少专家学者进行了广泛探索：从确定性的可靠性分析到随 机性的概率风险评估，从具体的设备故障模拟到抽象的复杂网络分析，从定性的稳定性判断到定量 的稳定裕度校验等等几种研究_ 方向简单介绍如下t ( 1 ) 确定性的可靠性分析与随机性的概率风险评估 传统的确定性可靠性分析方法，不区分各种故障发生概率的差异，对故障连镄性发展认识 不足，倾向于定性分析确定性方法通常是通过模拟计算，形成离线预想事故集并按照严重性 捧序。实际上，某个严重的故障不一定必然导致连锁性大面积停电；相反，看似不严重的故障 也可能导致大面积停电与确定性方法不同的是，概率风险评估方法p 硼”l 充分考虑了影响电 舟安全运行的各种因素( 如设备故障，故障地点，气候情况、人为操作以及运行方式等) 的不 确定性。概率评估方法从故障后果以及故障发生的可能性两方面综合考虑系统潜在的。风险” ( 简单的说，风险= 损失发生概率) ，并向系统调度员提供合适建议 圆具体的元件故障模拟与抽象的复杂网络分析 这两种思路的区别是分别从微观与宏观、个体与整体的角度分析问题以蒙特卡罗抽样法、 解析法( 网络法状态空间法) 等 2 2 h 2 4 1 为代表的元件故障模拟，详细模拟元件的故障地点与故 障发生概率、穷尽搜索所有故障组合模式。虽然在计算时问充足、计算设备性能许可的情况下， 可以较完整地模拟出故障发展过程，但是并没有从故障传播机理和电网整体特性上考虑连锁性 大面积停电这个特定问题近年来针对电网的复杂网络特性的探索，开辟了研究的新思路大 量停电事故数据的统计发现，电网的事故发生概率与事故的规模近似服从幂指数律，具备集群 特性，白组织糖界特性据此可以建立一些数学模型：a 峪c a d e 模型、分支过程模型、o p a 模 型、s m a l i - w 讲l d ( 小世界) 模型等p q t a l - t 2 s 1 这类新方法还不成熟，其工程实用性还需进一步 探索 3 ) 定性的稳定性判断与定量的稳定裕度校验 基于时域仿真法分析系统的安全性虽然可以不受模型约束，得到比较精确的模拟结果，但 是一般只能得到系统。是否失稳”这样的定性结论，不利于作出恰当的控制措施。基于e e a c r u e p p e b s 等直接法分析系统安全性可以得到稳定裕度，及稳定裕度对于主要系统参致的灵敏 度，可以有针对性的采取应对措施将时域仿真法和直接法相结合的综合方法不失为一种好的 思路结合两种方法各自的长处，巧妙地将两种方法结合起来使用 以上介绍的方法和原理，都是从技术角度考虑大停电事故的分析和控制还有一些文献从管理 角度恩考了大停电闯题l 捌删1 ，此处不再赘述 时域仿真法、蘩特卡罗抽样法等算法一般需要占用大量计算资源，消耗大量计算时问，难以满 足大停电事故预防控制的实时安全分析要求各种复杂网络模型法，需要基于大量事故统计信息来 分析大停电事故的停电发展机理，目前研究还不成熟，无法实际应用确定性的可靠性分析将所有 故障的发生概率都视为相同依据i 4 - 1 安全准则对故障进行模拟计算并捧序，分析结果偏向于保守 而基于概率评估的系统停电风险分析，可以同时考虑到故障的发生概率及事故的严重程度，反映出 电力系统的网络复杂性、故障不确定性等特点，能全面真实的模拟连镄性发展的大停电事故过程， 也正是因为这样，该方法倍受青睐，是大停电事故研究的重要方法之一 1 6 本文研究思路 大停电事故是由于系统机电失稳( 动态，暂态失稳) 及电磁失稳( 电压失稳) 引起的，本论文只 讨论了与机电过程有关的部分 6 第一章绪论 本论文是文献【3 】工作的一部分，主要计算“停电破坏状态( 停电范围及负荷电量损失大小，即 停电景观，详见定义z 1 ) ”和。停电破坏事件发生概率”两部分对其他部分内容也作出了探索性 研究，限于时间和篇幅，有些内容在本论文中只介绍了思路，没有进行深入论证本文的数据处理 流程如图1 - 5 所示 【滚程圈说明】l 图1 - 5 大停电预防控制决策的数据处理流程图 图1 5 描述了本文全体数据的计算顺序和思路，该流程图源自文献【3 1 中的。用户期望停电费用 计算流程图”，但比其内容更广泛具体图1 - 5 中各框架的内容简要说明如下， ( 1 ) 框中的基态运行方式一般取自预防控制决策起始时刻的实时系统参数数据，或者取自特定运 行方式下的系统参数数据 ( 2 ) 框的内容是，依据机组动态行为分析来预浏系统可能发生的大停电景观通过计算各种大扰 动故障清除后系统各发电机的角加速度增量，找寻动态行为相似的机组，据此将系统划分为 若干停电区域，预测系统的停电景观 c 3 ) 框的内容是，沿着最短停电路径模拟大停电事故的发展过程。提出最大相关序列的概念及其 计算方法，寻找最短停电路径( 详见定义3 1 ) 并模拟各种始发故障下的大停电连锬事件发 展过程，直到系统失稳或解列，最终形成大停电景观 7 东南大学硬士学位论文 ( 4 ) 框的内容是，确定预防控制决策的实施对象，即输电监控断面。并求出断面潮流限值框( 2 ) 、 ( 3 ) 、( 4 ) 中的内容可以并行独立计算，节约总体计算时问，提高效率 圆框的内容是计算框( 2 ) 预测到的系统停电景观的覆盖率通过比较框( 筠、( 3 ) 中的两种方法， 发现( 2 ) 的预澍方法能够快速模拟出系统停电景观，且景观覆盖率也较高，该方法被确定为本 文预测大停电景观的算法 ( 回框的内容是，基于选定的输电监控断面，当系统运行方式变化时( 对应的断面潮流也不同) 。 利用框( 2 ) 的方法预测系统的大停电景观，并计算每次大停屯的经济损失 f 7 ) 框中对实时系统进行安全分析，找到薄弱环节位置和潮流重载支路位置等景观特征量 ( 8 ) 框的内容是，将实时系统的景观特征量与挺( 6 ) 中模拟的各种大捧电景观特征量进行匹配比 较，利用灰关联分析技术进行匹配识别，求出系统状态匹配率 t 钞框的内容是，对影响电网安全运行的因素进行归纳。构成多层评价体系，并对底层指标作出 评价。 ( 1 0 框的内容是，以框( 8 ) 中的景观特征匹配识别和框( 9 ) 中的不安全因素底层指标评价结果为基 本证据，应用证据理论综合计算，得到当前系统发生大停电事故的概率。 ( 1 1 ) 框的内容是，以框( 6 ) 中的停电损失和框( 1 0 ) 中事故发生概率为基础，计算用户期望停电费用 ( 1 2 ) 框的内容是，拟台用户期望停电费用曲线 ( 1 3 ) 框的内容是，拟合功率限值费用曲线 式中，巧为故障前故障母线处的节点电压，嘞，岛是故障前节点问的电导电纳( 对于复杂 系统，用高斯消去法将联络节点消去后，仅保留发电机节点和故障母线节点。简化后系统的导纳矩 阵元素) 于是机组i 的角加速度西可以求出t 钆垒垒鱼墨竺咝二型! 璺出型垒生三 ( 2 - 4 ) m im t c 2 ) 在t - 时刻清除故障，假设在喈一很短的时闻段内r 备发电机的角加速度恒定不变t 。 瓯一西(2-5) 则故障清除瞬问各发电机角速度。 ， 一西tr(2-6) 故障清除瞬问备发电机角度增量为： a 以一 如e ( 2 - 7 ) e 3 ) 鼓障清除后的e 时刻各发电规之闻存在翅差 各发电机同的角差与电势差的共同作用，会产生机组问的同步功率，产生机组的角加速度 任意发电机，( ，- 1 - n ，包插) 对指定发电机j 角加速度的影响，可以用时刻角加速度变化曲 线的线性化关系来表示， a 蜕。套舒，脚， ( 鲳) j 1 。l 第二章大停电预想事故景观分析 式守，每表秘时刻肭加速瞰也废化曲线的椭 昏。型堕竺坠菩刨 舒。嚆户型鸨删 套昏。 在j j 时，( ；警表示i 机自身角度变化对其角加速度的影响 d 0 将式( 2 - 8 ) 与故障清除后的角加速度增量方程式。 五一嘶- a 峨+ 联合写成状卷方程，并以发电机一作为参考机。可得： ( 二9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 豳。瞄非斗臣】 协坳 式中， “。是以发电机一为参考机时，各发电机在故障清除后的角速度向量- 哦。是以发电机万为参考机时，各发电机在f 。时刻的角速度向量； a 西- 是以发电机厅为参考机时。各发电机在故障清除后的角加速度增量向量； 面是以发电机雄为参考机时，各发电机在乙时刻的角加速度向量 a 。是以发电机一为参考机时的系数矩阵元素为一g ，一1 名，一- 1 ) 其中，当 妇m 旷钟c 趟扣m 毛一骞 ( i ) 故障发生后，机组动态过程的描述可以用以下三个量来袭示( 以发电机耳作为参考机) ， 回故障清除时刻的角速度n kl 回故障清除瞬甸的角加速度五ki 故障清除后c 时刻的角加速度增量吨 国通过求解状态方程式( 2 - 1 2 ) ，可以得知在系统发生故障并清除后发电机j 的角加速度发生了变 化，其增量表达式可以写成t 1 l 东南大学磺士学位论文 如砉隐。砌十隹斟地 肘 ( 2 - 1 3 ) 式中。i 为指定待分析的发电机，k 为除i 外的发电机，i , k e 阻一】，且七一l ，为故障母线节 点编号 上式只引用了状态方程式( 2 - 1 2 ) 的解的一阶项，忽略了其中的高阶项 c 二) 具t t i 博程序的编制方法 ( 1 ) 故障类型选取 只考虑最严重的。三相短路接地故障”作为典型的代表性故障，其余类型( 如单相接地、相问 短路等) 对系统稳定性的影响比三相短路接地故障的情况轻 c 碜系统拓| 卜网络化简 只保留发电机内节点和故障节点，其余节点为非保留滑去节点 【负荷等效换算】设负荷节点工的电压为圪，有功功率为忍，无功功率为q 、流入负荷节点的电 流为，工，则负荷的等值并联导纳为刚： ( 3 ) 发电机内节点电势及功角的计算 k 一每一，等 ( 2 - 1 4 ) 故障前的发电机内节点的电势( e ) 和功角( 6 ) ，可用一般潮流程序计算获得的外节点端电压 ( 【，) 相角( 口) 以及有功功率( p ) 无功功率( q ) 共同确定删， 脚- + 争+ ，等 c 硝， 6-口+6(2-16) ( 4 ) 计算流程 在系统发生大扰动情况下，各机组角加速度增量计算及其动态行为分析的流程，如图2 - 1 所示 1 2 第二章大停电预想事故景观分析 图2 - 1 机组动态行为分析流程图 其中，机组动态行为相似性的判别方法，可以这样考虑：将每次故障扰动下的机组角加速度增 量的计算结果归一化处理，形成一组新的数据，根据新数据的数量级和数据组中两两元素之间的差 值，不难判断出哪些机组的角加速度增量比较接近这些角加速度增量接近的机组。其动态行为可 以视为相似 2 2 3 预溯停电景观的基本概念 基于机组动态行为分析的结果，预测系统的停电景观 ( 1 ) 停电范围预涮 故障清除后发电机的动态行为与故障发生的地点有关。在系统中比较靠近故障点的发电机摆动 比较剧烈，不容易看出它们之间的撕裂界面离故障点较远的发电机摆动则较小，几乎属于相同的 摇摆群体对于大面积停电事故来说，最严重的情况是系统中若干个重负荷区域与系统中其余部分 的撕裂解体，因此，寻找这些区域的撕裂界面比较关键 如果在重负荷区域的边界上依次模拟故障扰动，计算每种扰动下的机组动态行为指标( 清除故 障后的角加速度) ，得到每种扰动下的相似动态行为机组的边界，然后把这些机组的边界综合起来构 成一个公共的边界，此边界就是这些相似机组所在区域可能与系统其余部分撕裂的薄弱联系界面。 于是可以形成一种大面积停电的景观模式 当故障发生的现象( 相继发生的地点) 变化时，这种停电景观可能是不相同的，但是从发生大 面积停电的损失来看，上述薄弱边界处撕裂的损失较大，其损失的期望值也较大 一个受扰动的系统动态过程就如同沙盘中众多圆球的运动，在经过多次碰撞后( 类似电力系统 的连锁故障) 。圆球落入凹坑( 类似系统薄弱边界包围的区域) 的机会比停留在高凸或平坦地方的机 会要多很多，这也就是研究故障后机组的动态行为及其形成的薄弱联系面( 撕裂界面) 的意义所在 依据机组的动态行为相似性划分区域。在系统故障时，区域之间发生振荡甚至解列。于是动态 行为相似机组所在重负荷区域就组成大停电事故的停电区域 东南大学硬士学位论文 圆停电损失电量 各解列区域内的电量如果不平街，财各区域的停电损失电量就是指该区域内的不平衡电量，累 加各区域停电损失电量，即可得到系统的总停电损失电量本文主要考虑的损失电量是负荷损失电 量，切机损失的发电量不计入，详见第五章 2 2 4 算例 算例采用p s a s p ( 电力系统分析综合程序) 中的w e p p - j _ 3 6 ( 8 机3 6 节点) 系统嗍，系统接线 图及参数见附录a 。参照流程图2 - 1 ，准备所需参数并计算。其中，机组角加速度增量的计算依据公 式( 2 - 1 3 ) ，并编写程序实现计算( 用m a t l a b7 0 编程实现算例系统的拓扑等效化简；用v b6 0 编程 实现机组角加速度增量的计算，在w m d o w sx p 上运行测试成功程序的界面如图2 - 2 所示) 图2 - 2 机组角加速度增量计算程序界面 ( 1 ) 机组角加速度增t h - 算及动态行为特性分析 以系统基态潮流为基础，取任意个位置的故障为例。说明计算分析过程这里我们假定三相 短路接地故障发生在支路l 3 0 上，位置靠近于负荷节点b u s 2 0 系统基本参数见附录a ，限于篇幅，中问计算结果及参数从略，只给出发电机角加速度增量计 算结果； 【角加速度增量计算结果】 发电机节点1 的角加速度增量= - 2 7 8 弱1 蛆明l 发电机节点2 的角加速度增量一- 7 1 4 0 9 4 3 e - 0 3i 发电机节点3 的角加速度增量= - 2 0 1 0 7 1 4 e l 发电机节点4 的角加速度增量= - 2 4 5 1 4 2 1 8 0 2l 发电机节点5 的角加速度增量= - 1 5 1 6 7 4 1 脚2 ， 发电机节点6 的角加速度增量= 1 7 2 0 3 7 4 e - 0 2l 发电机节点7 的角加速度增量= - 3 4 7 6 8 0 6 e - 0 2l 发电机节点8 的角加速度增量- - - - - 3 3 3 9 2 9 1 e - 0 2 由上面的角加速度增量计算结果可见。机组7 、8 的动态行为接近，机组4 、5 、6 的动态行为接 近，机组1 、3 的动态行为接近，机组2 的动态行为不与其他机组接近，自成一类 第二章大停电预想事故景观分析 ( 2 ) 计算结果的验证 在i ) s a s p 的暂态稳定计算模块中。模拟支路t 3 0 ( 靠近负荷节点b u s 2 0 处) 发生三相接地故障 ( o 1 s 故障切除，总共模拟计算时间3 s ) 仿真计算完成后，查看各台机组的功角变化曲线( 图2 - 3 ) 。 比较各曲线的相似程度可发现，动态行为相似的机组基本可以划分为 l ，3 ， 2 4