（电力系统及其自动化专业论文）福建电网在线稳定控制决策系统及相关问题研究.pdf

析结果表明，综合负荷中电动机负荷的模型、并联电容补偿以及变压器和线路的 阻抗对于负荷的特性有较大的影响，应当在负荷模型中得到合理的反映。所得结 论对于工程实际中负荷模型的建立和使用具有重要的参考价值。 关键词：福建电网在线稳定控制决策系统动态等值负荷模型 堡圭重罂耋三：l 塑主 全2 ：兰全： a b s t r a c t o w i n g t ot h ef a s td e v e l o p m e n to f f u j i a np o w e rg r i da n di t si n t e r c o n n e e t i o nw i t h e a s tc h i n ap o w e r g r i d ，o p e r a t i o nc o n d i t i o n so f f u j i a np o w e rg r i dh a v eb e c o m em o r e c h a n g e f u la n dc o m p l i c a t e d t oe f f e c t i v e l ye a l m n c es t a b i l i wo ft h ep o w e r 口da n d m a x i m i z eb e n e f i to ft h ei n t e r e o n n e c t i o n ，a l lo n - l i n es t a b i l i t ye o n 仃o is y s t e mb a s e do n o n - l i n ep r e d e c i s i o n , r e a l - t i m em a t c h i n g t h e o r yi su n d e rd e v e l o p m e n tf u rf 匈i a n e l e c t r i cp o w e r c o m p a n y i n t h i sr e p o r t ，f o c u s i n go ns t r u c t u r ea n df u n c t i o nd e s i g no f t h eo n l i n e s t a b i l i t y c o n t r o l s y s t e m ，s t a b i l i t ya n a l y s i s o f f u j i a n - e a s t c h i n a i n t e r c o n n e c t e dp o w e rg r i d , d y n a m i ce q u i v a l e n to fe a s tc h i n ap o w e rg r i df o rt h e o n - l i n es t a b i l i t yc e r i s e ls y s t e m ，a n a l y s i so ni n f l u e n c eo f1 0 a dm o d e l so ut r a n s i e n t s t a b i l i t yo f f u j i a np o w e r g r i d m a i nc o n t r i b u t i o na r em a d e 鹊f o l l o w s ： g e n e r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o n so f t h eo n - l i n es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d _ n 掉s y s t e m i s c o m p r i s e d o fd e c i s i o n s e r v e r s ) m a i n t e n a n c e w o r k s t a t i o na n d c o r r e s p o n d e n c ew o r k s t a t i o n s b a s e do nr e a l - t i m ea c q u i r e dn e t w o r kd a t af r o me m s a n da u t o m a t i o na p p a r a t u s ，t h es y s t e mp 砌o r m sa c e n r a t es t a b i l i t ye v a l u a t i o nf o re a c h c a n d i d a t ec o n t i n g e n c ya n dd e t e r m i n e sc o n t r o l s t r a t e g i e sa g a i n s tt h o s em a yc a u s e n e t w o r k i n s t a b i l i t y ；w h e nd a n g e r o u so p e r a t i o nc o n d i t i o n s 黜d e t e c t e d , i tg i 惴a l a r m s a n ds u g g e s t so p e r a t o r st ot a k ep r e v e n t i v ec o n t r o lm e a s u r e s ；t h es y s t e ma l s oh a s o f f - l i n es t u d ym o d ea n dm a n y c o m p l e m e n t a r yf u n c t i o n s e x p e r i m e n t a lt e s t ss h o w t h a t t h i ss y s t e mh a se x c e l l e n ti n d i c e s ；m o r e o v e r , i tw i l lb e h e l p f u l t om a k es u l t i c i e n tu s eo f c a p a b i l i t yo f g e n e r a t i o n a n d r a n s r a i s s i o ne l e m e n t sa n dw i l lb r i n g g r e a tb e n e f i t s t oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo f o p e r a t i o nc o n d i t i o n so fe a s tc l l i n ap o w e rs y s t e mo n s t a b i l i t yo f t h ee a s t c h i n a - f u j i a ni n t e r c o n n e c ts y s t e m , t h ee f f e c t so f i m p o r t a n tf a c t o r s i ne a s tc h i n an e t w o r k , s u c ha se l e m e n to u t a g e ，g e n e r a t i o ns c h e d u l e ，l o a d i n gl e v e l ， e x c i t a t i o na n dg o v e r n i n gs y s t e m ，l o a dm o d e t ，r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g el e v e lo n f u s h u a n gl i n e s s t a b i l i t yl i m i t sa r ed e t a i l e d i ya n a l y z e d n 圯m e c h a n i s m i sa l s os t u d i e d a n dm a n yi m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ，w h i c hn o to n l yg i v ei m p o r t a n tf o u n d a t i o n f o rd y n a m i cr e d u c t i o no fe a s tc l l i p o w e rg r i df o rt h eo n - l i n es t a b i l i t yc o n t r o l s y s t e m ，b u t a l s ow i l lb eh e l p f u lt ot h ed i s p a t c ha n do p e r a t i o no f t h ea c t u a ls y s t e m r e a l - t i m ed y n a m i ce q u i v a l e n c i n go fe a s tc h i n ap o w e rg r i di s p r o p o s e df o r d e v e l o p m e n to ft h eo n l i n es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m o na w a r e n e s so fr e a l - t i m ed a t a a v a i l a b l e ，f i r s t l yt h e s t r u c t u r eo ft h ee q u i v a l e n tn e t w o r ki sd e t e r m i n e d ，i nw h i c h c r i t i c a ll i n e sa n db u s e sa t ek e p tr e m a i n e da n dc o h e r e n tg e n e r a t o r sa r ea g g r e g a t e d t o g e t h e r b a s e do nf u n d a m e n t a lt h e o r yo fc o h e r e n c yb a s e dd y n a m i cr e d u c t i o n ，t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne q u i v a l e n ts y s t e mp a r a m e t e r sa n da c t u a ls y s t e mv a r i a b l e sa r e s t u d i e d ，a n dac o n c i s em e t h o di sp r o p o s e df o rr e a l t i m ea d j u s t m e n to fe q u i v a l e n t s y s t e mp a r a m e t e r sa c c o r d i n g t oo n l i n ec o l l e c t e da c t u a ls y s t e md a t a t e s tr e s u l t ss h o w 笺娑婪些望至兰笙 兰：坠s ：i t h a t e q u i v a l e n ts y s t e mw i t he s t i m a t e d p a r a m e t e r sb ym e a n so ft h i sm e t h o dc a n p r e m s e l ya p p r o x i m a t e t h ea c t u a l s y s t e m ，m o r e o v e r , i tc a np r o p e r l yr e f l e c tt h e v a r i a t i o n o f o p e r a t i o n c o n d i t i o n sa n dm a k ee f f e c t i v eu s eo f t i e l i n e s a v a i l a b l et m s f e r c a p a b i l i t y d i f f e r e n tl o a dm o d e l sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nr e s u l t so f c a l c u l a t i o no ft h eo n 1 i n e s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m t oi n v e s t i g a t et h e r a t i o n a l i t yo f t h e l o a dm o d e l c u r r e n t l yu s e d b yf u j i a np o w e rg r i d ，f u s h u a n gl i n e s s t a b i l i t yl i m i t sa r ec a l c u l a t e df o rd i f f e r e n t n e t w o r ks t r u c t u r ea n dn o d a ll o a dm o d e l so ff u z h o u p o w e r n e t w o r ka si n d e xo f f u j i a n p o w e rg r i d st r a n s i e n ts t a b i l i t yl e v e l ，a n df a c t o r si n f l u e n c i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n d s y s t e ms t a b i l i t y a r e a n a l y z e d i t i sf o u n dt h a tm o d e lo fi n d u c t i o n m o t o r s 。s h u n t c a p a c i t o r sa n di m p e d a n c eo ft r a n s f o r m e r sa n dp o w e rl i n e sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c e o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o s i t el o a d s ，a n ds h o u l db ea p p r o p r i a t e l yr e p r e s e n t e di nl o a d m o d e l s t h ec o n c l u s i o n sw i l lb e h e l p f u l t oc o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o no fl o a d m o d e l si ne n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e y w o r d s ：f u j i a np o w e rg r i d ；o n l i n e s t a b i l i t y c o n t r o l s y s t e m ；d y n a m i c e q u i v a l e n t ；l o a dm o d e l i ；茎圣翌盔兰堡圭重2 銮三立墨主至：耋釜鲨 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 近年来，福建电网有了长足的发展，已经形成了从南到北、由后石电厂至福 州变的5 0 0 k v 沿海2 3 回路主干通道，并通过福州变至浙江双龙变的2 回5 0 0 k v 线路与华东电网实现了互联。目前福建电网的5 0 0 k v 主干网络如图1 1 所示。福 建电网和华东电网的联网运行，实现了较好的电能互补及跨区域的电能利用，使 福建和华东电网获得了良好的经济效益和社会效益，同时也给电网的安全稳定运 行带来了一些新的问题f l “。目前电网存在的安全稳定问题主要是后石电厂出力 较大或与华东联络线输送功率较大时5 0 0 9 v 系统( 输电线路或联变) 故障，在现 有的保护动作时间内系统不能维持稳定。为了保证后石电力的送出及增加与华东 联络线的输送功率，必须通过安全稳定控制系统才能解决电网的稳定问题。 后 双龙5 0 0 k v 图卜l 福建电网5 0 0 k ，主干网络 目前福建电网的5 0 0 k v 安全稳定控制系统采用的是“离线预决策，实时匹 配”技术，其缺点是离线计算工作量大，电网结构变化后必须重新计算，运行维 护工作繁重。作为安全稳定控制技术发展方向的“在线预决策，实时匹配”技术 已在国外某些电网得到实际应用，现有的技术条件可以满足“在线预决策”所必 需的5 分钟内快速决策的要求。为了更好的保证电网的安全稳定运行，更加充分 的发挥联网的经济和社会效益，福建省电力有限公司将根据福建电网的特点和保 证电网暂态稳定的需要，在现有的福建5 0 0 k v 电网安全稳定控制系统基础上， 增加部分设备，并修改原有装置的软件，建立以“在线预决策，实时匹配”技术 为基础的在线控制决策系统。该系统不仅可以在线生成策略表，还可以对调度和 运行人员进行指导或给出必要的提示。 在线计算控制策略必须对华东电网进行适当的等值化简，即用少量的发电机 和负荷来代表原有的部分系统。这是因为如果采用华东电网详细的模型和数据进 ：耋苫翌盔兰望圭量2 錾三篮望誊 釜：耋誊童 行计算，必然存在计算量大，计算时间长的缺点，同时由于电网管理和通信方面 的问题，目前福建电力调度通信中心还不能充分得到华东电网内部的全部运行信 息。另外华东电网的容量要远远大于福建电网，而且两者是通过长距离的输电线 路进行连接，对华东电网的化简，不仅不会对福建电网的暂态稳定仿真计算结果 产生太大的影响，还可以在保证必要的精度条件下，极大地节省计算时间，提高 工作效率。 作为电力系统的重要组成部分，负荷模型的选取必然会对在线稳定控制决策 系统的计算结果产生重要的影响。目前福建电力调度通信中心的日常计算中，对 于福建电网的负荷模型通常采用集中在2 2 0 k v 母线( 部分1 1 0 k v 母线) 上的6 0 恒阻抗加4 0 恒功率的负荷模型。考虑到电力系统中的综合负荷，实质上是 由各种用电设备、无功补偿设备( 有的地区还有小型发电机) 等经过降压变压器、 输配电线路连接而组成的复杂的电力网络。为了检验现有模型的合理性，并有利 于对负荷模型的认识建模和使用，对于负荷模型对福建电网暂态稳定性的影响以 及影响负荷特性的关键因素，也有必要进行深入的分析和研究。 1 2 相关问题的研究现状 1 2 1 福建电网现有的5 0 0 k v 安全稳定控制系统 为了解决与华东联网后福建电网存在的暂态稳定、频率稳定、5 0 0 k v 变电站 主变及部分2 2 0 k v 线路过载等问题，福建电网已在福州、莆田、泉卅i 、厦门4 个 5 0 0 k y 变电站和水口、后石2 座电厂装设了以“离线预决策，实时匹配”技术为 基础的5 0 0 k v 电网安全稳定控制系统( 简称“安控系统”) 【4 l 。该安控系统是保 证福建电网与华东电网互联后电网安全稳定运行的一项重要设施，它通过检测后 石电厂送出断面及福双联络线断面的潮流，并根据各5 0 0 k v 厂站检测到的各种故 障、失步及过载等异常运行状况，采取切机、切负荷等手段保障主网的安全稳定。 5 0 0 k v 安控系统按双重化原则( 包括通道设备) 配置，包括“5 0 0k v 安控# 1 ” 和“5 0 0k v 安控# 2 ”两个系统。每个系统配置2 个主站( 福州变、泉卅f 变) 、4 个子站( 后石电厂、水口电厂、厦门变、莆田变) 以及3 个切负荷执行站( 官桥 变、梧稆变、安兜变) 为单套配置单元。另外，在调度通信中心配置集中管理站。 各厂站的配置和厂站问的通信联系如图卜2 所示。调度通信中心集中管理站与 5 0 0 k v 安控站之间的通道联系如图卜3 所示。 水口电厂 抖1 莆田变 # 1 百一 ( 主站2 ) 泉州变# 1 ( 主站1 ) 福州变# 1 厦器变h 后夏r i 一一婴k v 塑一丛一 水磐厂h 稿篓骁 莆田变 样2 百一 ( 主站2 ) 泉州变粒 厦恶变h 后磊笋厂 一j i 一塑k v 整一竖 p 尹卜一 图1 25 0 0 k v 安控系统中各厂站的配置和厂站间的通信联系 ( n m w x 一a n ) 图1 3 调度通信中心集中管理站与5 0 0 k v 安控站之间的通道联系 5 0 0 k v 安控双套系统的直流电源、交流信号、i 0 信号、通信接口及通道组 织等均相互独立，各5 0 0 k v 安控系统与调度通信中心集中管理站( s c m s ) 问的运 行也是相互独立的。因此，任何一套5 0 0 k v 安控系统退出运行( 或s c m s 监控系 统退出运行) 均不影响整体系统的功能，但会使系统可靠性下降，因此要求现场 必须在2 4 小时之内处理系统故障并使系统恢复运行。 5 0 0 k v 电网安全稳定控制装置的主要功能有： ( 1 ) 5 0 0 k v 福州、莆田、泉州、厦门主变过负荷时采取切机、切负荷措施。 主变过载时可根据运行方式的不同决定切机或切负荷措施，以消除主变的过载 ( 目前福州、莆田两站没有此功能) 。 ( 2 ) 5 0 0 k v 泉州变的2 2 0 k v 线路( 泉官i 、i i 回线，泉兜线) 过载时分轮 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 次远方切官桥变的负荷。 ( 3 ) 水口电厂的2 2 0 k v 线路( 水北i 、i i 回，水建线，水惠线) 过载时采 取切机措施。 ( 4 ) 5 0 0 k v 系统在正常及检修方式下出现单一故障引起的暂态稳定问题时， 利用大量的离线计算控制策略表方法采取切机、切负荷等措施。 ( 5 ) 5 0 0 k v 福双线送出功率时，若福双断面跳闸，则采取联切水口、后石 电厂机组的措施。 5 0 0 k v 电网安全稳定控制装置的切机策略为： ( 1 ) 当水口电厂机组的可切出力p s k ( 电厂总出力扣除一台容量最小机组的 出力) 大于所需切机容量r i 时，发令切水口电厂机组；否则，判断后石电厂最 大单机可切出力p h 。是否大于所需切机容量尸。i ，若大于则切后石电厂的一台机 组，否则切后石电厂的一台机组及水口电厂的相应机组。 ( 2 ) 切水口电厂机组时福州站向水口电厂发送切机命令及切机容量p 0 3 ，由 水口电厂自动选择切机机组；切后石电厂机组时向后石电厂发送切一台机组的命 令及切机容量尸扪由后石电厂选择切除出力接近切机容量且偏大的机组。 5 0 0 k v 电网安全稳定控制系统采用的是传统的“离线预决策，实时匹配”技 术，即首先对于预想的各种工况和故障条件，运用暂态稳定时域仿真程序离线确 定系统应该采取的稳定控制措施，并将这些措施归纳、整理成策略表，当系统发 生故障时，由稳定控制装置根据故障前运行工况和实际故障信息，在策略表中近 似匹配查出相应的控制措施，并付诸实施 5 圳。该系统投运后显著提高了福建电 网的安全稳定水平，及其向华东电网输电的容量。其缺点是离线计算工作量大， 电网结构变化后必须重新计算，运行维护工作繁重，控制策略往往偏于保守，而 且电网运行中可能出现难以预料的运行方式，此时安控系统将失去作用【l 。，l l 】。 1 2 2 在线稳定控制系统的研究与应用现状 如前所述，基于“离线预决策，实时匹配”技术的安全稳定控制系统存在着 固有的缺陷。安全稳定控制的理想方法是控制系统可以在故障发生后，根据电网 的实际运行工况和检测到的故障信息，快速计算出控制决策并实施控制f 1 2 - 1 5 。这 种方法得到的控制措施完全针对电网的实际情况，且不需要进行无用的计算，但 是要求计算控制决策的速度非常快。目前这种方法尚处于研究阶段，还没有在实 际系统中使用。 目前在电网的在线稳定控制方面研究较多的是“在线预决策，实时匹配”技 术，且已经在一些电网中得到应用。这种方法是在正常运行方式下由状态估计得 出故障前系统的状态，按照给定的预想事故集，在线计算出每种事故后维持暂态 4 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 稳定所需的控制决策，并将他们存储于控制装置的策略表中。这种计算每隔一定 时间进行一次，并不断更新控制决策。一旦检测到故障信息，则立即从存储器中 取出相应的控制决策，实施控制。相关问题的研究集中在故障筛选、稳定性判别 以及控制措施的确定等方面。 1 9 9 5 年，日本中部电力株氏会社投运了世界上首套基于“在线预决策，实 时匹配”技术的在线稳定控制( t s c ) 系统，该系统获得了美国爱迪生电力协会 的爱迪生奖1 1 6 , 1 7 1 ；在国内，南京电力自动化研究院研究开发了o p s 一1 的在线预 决策的暂态稳定控制系统，并应用于广东韶关、四j 1 1 - - 滩、山东、秦岭等电网中， 该系统曾获2 0 0 3 年国家电网公司科技进步一等奖 1 8 - 2 3 】；近年来华中电网也研发 了用e m s 实时信息进行稳定计算并实现控制的稳定控制系统，该系统曾获2 0 0 4 年国家电网公司科技进步三等奖 2 4 , 2 5 。 上述系统一般都具备“在线预决策，实时匹配”的核心功能。o p s l 的在 线预决策系统一般用于解决电网局部特别是电厂送出系统的稳定问题，华中电网 的稳定控制系统也主要解决电网中部分5 0 0 k v 线路的稳定问题。 在核心的计算软件方面，日本中部电力的t s c 系统的暂态稳定计算采用四 阶龙格一库塔法进行数值积分；南京电力自动化研究院的o p s 一1 采用的是 e e a c 法；华中电网的稳定控制系统以电科院的p s a s p 程序为计算工具，不对 原程序作任何修改，利用计算机的内核技术，对b i o s 进行重构，将其嵌入安控 系统中，首先根据电网的运行方式构造p s a s p 程序的输入数据，计算后读取其 输出数据进行分析。 在对外部电网的处理方面，日本中部电力对于外部网络采用简单的三机六负 荷等值模型，秦岭等电厂的o p s 一1 对于外部电网采用其典型方式数据，华中电 网没有外网数据而采用全网数据进行计算。 国内外同类安控系统策略表的刷新周期，一般在5 l o 分钟左右。 福建电网将在充分借鉴国内外先进成果的基础上，从电网特点和调度运行的 实际出发，建立起功能更加全面，技术更加先进的在线稳定控制系统。 1 2 3 电力系统动态等值的研究与应用现状 电力系统规模的日益扩大，加大了对电力系统进行动态分析时计算机机时、 内存、数据准备及结果分析等方面的困难。实际上，人们在对大型电力系统进行 动态研究时，往往只是对其中某一个区域最感兴趣( 称为研究系统) ，而对距此 区域较远的区域( 称为外部系统) ，研究中可以只考虑其对研究区域的影响，而 不必对其内部做详细的描写。为了突出主要矛盾，便于掌握研究系统的主要特征， 可以保留研究系统不变，而对外部系统在保证其对研究系统的动态影响不发生太 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 大畸变的条件下，进行适当的降阶和化简，这种过程称为动态等值。当用对等值 系统的研究代替对原系统的研究时，既能极大地节省人力和物力，又能保持工程 所需的研究精度。 关于动态等值的分析研究，最早始于二十世纪六十年代后半期，目的主要是 为了节省内存、提高计算速度以及计算分析的效率。随着计算机技术的快速发展， 计算机硬件已经能够满足目前大部分电力系统分析软件的要求，因此目前等值程 序主要用于物理仿真系统或者在线的动态安全分析。 根据研究目的和等值方法的不同，动态等值的方法主要包括以下三种： 同调等值法，主要适应大规模电力系统在大扰动下的暂态稳定分析【2 6 。3 4 1 。其 特点是系统结构及参数已知，要分析大扰动下的系统暂态过程，系统呈强非线性。 其对动态等值的要求是研究系统应在同一大扰动下，等值前后有接近的转子摇摆 曲线。同调等值法分为以下几个步骤：( 1 ) 划分研究系统( 区域) 和外部系统( 区 域) ，等值过程中保留研究区域不变，仅对外部区域做等值简化；( 2 ) 判断外部 系统中的同调发电机群( 设扰动发生在研究区域) ；( 3 ) 对同调发电机母线做合 并化简；( 4 ) 网络化简；( 5 ) 同调发电机动态聚合。 模式等值法，主要适应大规模电力系统在小扰动下的动态稳定分析p 5 删。其 特点是系统结构及参数己知，在小扰动下系统可用线性化的微分方程描述，对动 态等值的要求是研究系统在等值前后应有接近的模式及模态分步。等值过程中首 先要形成外部系统的线性化系统状态方程，通过系数矩阵做特征根分析，在此基 础上对外部系统做高度简化并保留其主特征根。 估计等值法，主要适应大规模电力系统的在线动态安全分析1 4 】4 s 】。其特点是 系统工况多变、结构多变，但有大量实测量( 如节点电压、线路功率等等) 可利 用。对动态等值的要求是快速对外部系统进行辨识等值，以便对研究系统做动态 安全分析，并应保证研究系统在等值前后有接近的动态安全分析结果。适应该情 况前等值法为。该方法基于系统的动态响应( 或量测量) 来估计和辨识外部系统 及其等值参数。 同调等值法和模式等值法都需要外部系统的全部数据，这在实际的系统运行 中往往难以做到；估计等值法需要对系统施加扰动或利用系统自身的随机扰动， 然而对于实际运行中的系统而言不可能频繁地燕加扰动；另外，三种方法均只能 针对电网的某一种运行方式进行等值，不能反映实际系统运行方式的变化。因此， 上述三种方法均不能简单直接的应用于福建电网在线稳定控制系统中对外部网 络的等值化简，对此有必要研究既能准确地模拟实际系统，又能准确反映实际系 统运行方式变化的等值方法。 6 1 2 4 负荷模型的研究与应用现状 负荷是电力系统的重要组成部分，其数学模型的准确程度对于电力系统分析 的结果有很大的影响。建立一个具体的用电设备的数学模型相对来说并不十分困 难，但是在电力系统分析中，没有必要也不可能对成千上万个具体负荷逐个地进 行描述，而往往需要知道的是反映某一个节点的全部负荷，即所谓综合负荷动静 态性能的数学模型。综合负荷中除了最末端的各种用电设备外，还可能包括降压 变压器，输配电线路、各种无功补偿、调压装置，甚至一些容量很小的发电机等。 这些设备通过这个节点从系统中取用的有功和无功功率与该节点的电压及系统 频率的关系式即称为该节点负荷的数学模型【4 ”。 由于负荷的多样性、随机性和时变性，建立完全精确的数学模型时十分困难 的工作。多年以来，国内外都对这一工作进行了大量的研究而使其成为一个专门 的研究领域【5 m 0 】。建立负荷模型的方法很多，总体上可以分为“统计综合法”与 “总体测辨法”两大类。统计综合法是将节点负荷看成个别用户的集合，先将这 些用户的用电器分类，并确定各种类型的用电器的平均特性，然后统计出各类用 电器所占的比重，从而综合得出总的负荷模型。总体测辨法是先从现场采集测量 数据，然后确定一个合适的负荷数学模型结构，再根据现场的测试数据辨识出模 型中所含的参数值。两种方法各有优缺点。前者简单易行，但准确性差；后者可 以采用现代系统辨识理论对现场测量数据进行分析，从而得出与实际系统更为接 近的数学模型。但是由于实际系统很难使电压、频率大范围变化，因此获得准确 的负荷动态特性仍有困难。 对负荷模型本身的分类方法很多。从模型是否反映负荷的动态特性来看，可 以分为静态模型和动态模型。从模型是否线性可分为线性模型与非线性模型。从 模型是否与系统频率相关分为电压相关模型和频率相关模型。从模型的导出方式 区分，可分为机理式模型和输入输出式模型。 i e e e 负荷建模工作组于1 9 8 2 年成立，之后对指导负荷建模的研究和应用起 到了重要的作用。关于仿真计算方面，1 9 9 5 年该工作组在文献 5 3 】中推荐了用于 电力系统动态仿真的标准化模型。该文献基于大量研究和调查，提出了一些观点 和建议，对于各国的负荷建模工作都有很好的指导作用。建议采用的标准负荷模 型如下： ( 1 ) 关于静态负荷，i e e e 建议采用的模型是： 7 去5 ( _ j v2 + 弘塌晰，刊 。、 + 巧：( 茜厂2 ( + ：厂) 。 k 0 = 1 一( 足p f + 尺0 + 巧，+ ，：) 矗2 k ( 黔巧r 弘喁时( 1 + 悄) ：， + ：( 茜 啪( - + ：y ) 、 k q ：= 1 - ( k q 。+ k # + k n + k q a 其中，只。和q 知分别是静态负荷的有功和无功占总负荷的比例。 ( 2 ) 关于动态模型，i e e e 建议采用感应电动机模型，将性能相近的马达进 行等值处理，综合成几个感应电动机负荷。关于电动机参数，推荐了如表1 1 表1 1i e e e 推荐的电动机模型参数 类型 r sx sx mr r) oabdh 负载率 10 0 3 10 13 20 0 1 8o 1 81000 7o 6 20 0 1 30 0 6 73 80 0 0 9o 1 710o1 50 8 30 0 1 3o 1 42 40 0 0 90 1 21o00 8o 7 40 0 1 3o 1 42 40 0 0 90 1 21o01 5o 7 50 0 7 70 1 0 72 _ 2 20 0 7 90 0 9 8lo00 7 40 4 6 60 0 3 50 0 9 42 80 0 4 8o 1 6 31ooo 9 3o 6 70 0 6 40 0 9 12 _ 2 30 0 5 9o 0 7 lo 2oo0 3 4o _ 8 其中：类型1 表示小型工业马达；类型2 表示大型工业马达；类型3 表示水泵； 类型4 表示电厂辅机；类型5 表示民用综合马达；类型6 表示工业和民用综合马 达；类型7 表示空调综合马达。黜、x s 、x m 、r r 、x r 、h 分另口代表定子电阻、 定子漏抗、激磁电抗、转子电阻、转子电抗和惯性时间常数，a 、b 、d 为和电 动机的机械转矩特性有关的系数： 量：4 f 堕1 + b 生+ c + d f 生1 ( 1 3 ) 乙。l ojol oj 。 c = 1 一( 4 + b + d ) 在国内，各电网的调度运行机构和规划设计部门在分析计算中也分别采用了 不同的静态和动态负荷模型。静态负荷模型主要有以下两种： 上海交通大学博士后研究工作报告第1 章绪论 l a 型p 名字护+ p 2 v + b + 只( 1 + ) f ， i q = q o iq l y 2 + q 2 矿+ q 3 + q 4 ( 1 + a j l d o ) 1 删甚q o 鬈嚣篙f ：笺，l q = q l 矿2 + q 2 矿+ q 3 ) l + ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 对于l a 有：丑+ 昱+ b + 只= 1 0 ，q l + q 2 十易+ q 4 = 1 0 ；对于l b 有 e + b + = 1 0 ，q 1 + q 2 + g = 1 0 。 动态模型同样也是采用电动机负荷模型，其参数为： 表1 2 国内部分单位采用的电动机模型参数 【类型r sx sx m r rx rabch t o 00 2 9 53 4 9 7o 0 20 1 20 8 5oo 1 51 1 10 0 1 30 1 l3 0o 0 1 20 1 20 7 7 40 2 0 70 4 3 31 其中，a 、b 、c 为和电动机的机械转矩特性有关的系数： 7 ， 争= 4 + b c o 。+ c ( 1 6 ) m 0 4 瑶+ b o o o + c = 1 目前，福建电力调度通信中心采用的负荷模型为l b 型静态负荷模型，其中， 弓= q l = 0 6 ，b = q = 0 4 ，即6 0 恒阻抗加4 0 恒功率的负荷模型，另外考 虑频率变化l 时负荷的有功和无功分别变化2 - 2 和一2 5 。负荷主要集中在 2 2 0 k v 母线和个别1 1 0 k v 母线。 考虑到负荷模型的选取必然会对在线稳定控制系统的计算结果产生影响，而 电力系统中的综合负荷，实质上是由各种用电设备、无功补偿设备等经过降压变 压器、输配电线路连接而组成的复杂的龟力网络。福建电网现有负荷模型的合理 性，综合负荷中各因素对负荷特性以及系统稳定水平的影响，都有必要进行深入 的研究。 1 3 本文的主要工作 本文以福建电网在线稳定控制决策系统的研究与开发为背景，围绕在线稳定 控制决策系统的总体结构与功能设计、福建一华东联网系统的稳定分析、在线稳 定控制系统中对华东电网的实时动态等值以及负荷模型等方面进行了研究，主要 工作如下： 对于福建电网在线稳定控制决策系统的总体结构和功能进行了设计。整个系 统由安装在福建电力调度中心的决策服务器、维护工作站、与e m s 系统以及现场 9 上海交通大学博士后研究工作报告 第1 章绪论 稳控装置进行数据交换的通讯工作站组成。该系统能够根据电网当前的运行方 式，对每个预想故障确定适当的控制措施，旦发生事故即能快速实施，从而大 大提高电网的稳定运行水平。当电网处于不利的运行方式时，该系统具各告警功 能，可以提示调度员采取相应的预防控制措施，而且，该系统还具备离线的分析 研究功能。 基于华东电网的典型运行方式数据，以福双线的稳定极限做为衡量指标，定 量研究了华东电网中元件检修、开停机方式、负荷水平、励磁和调速系统、负荷 模型等因素对系统稳定水平的影响，并对各因素影响稳定性的机理进行了研究。 得出的一些结论对于电网的调度运行以及在线稳定控制系统中对华东电网的处 理具有重要的参考价值。 对于在线稳定控制系统中对华东电网的动态等值提出了完整的解决方案。通 过保留重要的元件和节点，适当划分同调机组，并考虑到可能获得的实时信息情 况，首先确定了一种能适用于华东电网多种运行方式的等值网络结构。基于同调 等值法的基本原理，通过对几种典型运行方式下等值系统参数与实际系统的总负 荷和发电量之间的关系进行研究，提出了用简单的数学关系来近似表示等值系统 参数和实际系统变量之间的变化规律，实际运行中贝4 根据采集到的信息对等值系 统参数进行实时修正的方法。计算结果表明，采用本文方法得到的等值系统，同 样能够比较准确地模拟实际系统。同时发现，等值系统采用实时调整的参数与采 用固定不变的参数相比，可以更准确的反映电网运行方式的变化，能够更有效的 利用联络线的输电能力。 为了检验福建电网现有模型的合理性，并有利于对负荷模型的认识建模和使 用，对福州地区电网采用不同的网架结构和节点负荷模型下，福双线的稳定极限 进行了计算。计算和分析结果表明，综合负荷中电动机负荷的模型、并联电容补 偿以及变压器和线路的阻抗对于负荷的特性有较大的影响，应当在负荷模型中得 到合理的反映。所得出的结论对于实际电网中负荷模型的建立和使用，具有重要 的借鉴意义。 1 0 上海交通大学博士后研究工作报告第2 章福建电网在线稳定控制决策系统的设计研究 第2 章福建电网在线稳定控制决策系统的设计研究 2 1 引言 影响深远的美国“8 1 4 ”大停电，除了揭示出美国电网存在着缺乏总体规划 和统一调度管理等各方面问题，还从侧面表明了能够自动适应电网运行方式变化 的在线稳定控制决策系统的重要性：大停电发生前数小时就出现了多处线路跳闸 和发电机退出运行的情况，由于缺乏必要的工具，调度人员并没有认识到电网已 经处于危险的状态下，而此时传统的以“离线预决策，实时匹配”技术为基础的 紧急控制装置已不可能适应这种多重故障相继发生后的电网运行方式，只有基于 “在线预决策，实时匹配”技术的在线稳定控制决策系统才有可能计算出当时实 际电网运行方式下的紧急控制策略，有效避免大停电事故的发生。 近年福建电网有了很大发展，并实现了与华东的双回路交流联网，电网的运 行方式和运行工况更加多变和复杂。根据福建电网的特点和保证电网暂态稳定的 需要，福建省电力有限公司将在现有的福建5 0 0 k v 电网安全稳定控制系统基础 上，增加部分设备，并修改原有装置的软件，建立以“在线预决策，实时匹配” 技术为基础的在线控制决策系统。 本章对福建电网在线稳定控制决策系统的总体结构和功能进行了设计和研 究。该系统不仅可以在线生成策略表，还可以对调度和运行人员进行指导或给出 必要的提示，同时系统还具备研究模式和丰富的辅助功能。 2 ，2 在线稳定控制决策系统的总体配置 在线稳定控制决策系统的总体配置如图2 - 1 所示。整个系统由安装在福建电 力调度中心的决策服务器、维护工作站、与e m s 系统以及现场稳控装置进行数 据交换的通讯工作站组成，需要刷新策略表的安全稳定控制装置装设在后石电 厂、水口电厂和5 0 0 k v 福州变、莆田变、泉州变、厦门变。位于中调的主站系 统采用高可靠性的双机双网方式。 上海交通大学博士后研究工作报告第2 章福建电网在线稳定控制决策系统的设计研究 图2 - 1在线控制决策系统总体配置 2 2 1 决策服务器 在线决策服务器是福建电网在线稳定控制决策系统的核心，它负责与福建中 调e m s 系统和位于现场的安全稳定控制装置进行通信，并计算当前系统运行方 式下的控制策略。为了提高系统的可靠性，两套决策服务器采用主备的运行方式， 并由其中的一台服务器负责对两台服务器形成的策略表结果进行裁决。在线决策 服务器主要功能包括： 保存稳定控制决策计算所需的福建电网系统模型、各种系统元件模型和参 数； 接收e m s 系统当前的电网运行信息，接收各安稳站实测的电网运行数据 并写入本地的数据库； 根据上述数据和信息进行状态估计； 利用状态估计的结果进行潮流计算，为暂态稳定计算确定系统的初始状 态； 对预想事故集中的每个事故进行暂态稳定判断，若失稳则进一步计算出相 应的稳定控制策略