（电力系统及其自动化专业论文）基于安全域的电力系统综合控制与安全性定价.pdf

天津大学搏士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p o w e rs y s t e m ss e c u r i t yp r o b l e mi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n tt h a ne v e r b e f o r ed u et ow o r l dw i d ed e r e g u l a t i o na n di n t e r c o n n e c t i o no fb u l kp o w e rs y s t e m s i th a s b e c o m ea i lu r g e n ti s s u et od e v e l o pf a s t e ra n dm o ”e f f i c i e n ts e c u r i t yc o n t r o lm e t h o d s b a s e d o nt h ep r e v i o u ss t u d i e so ns e c u r i t yr e g i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e st h e e m e r g e n c yc o n t r o lm e t h o d sa n dt h ec o m p r e h e n s i v es e c u r i t yc o n t r o lm e t h o d s ，a sw e l l a s s e c u r i t yp r i c i n gu n d e rm a r k e tc i r c u m s t a n c e f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p sac o n c e p to ne x t e n d e dp r a c t i c a ld y n a m i cs e c u r i t y r e g i o n s ( e p d s r ) t h a tt a k ee m e r g e n c yc o n t r o l a c t i o n si n t oa c c o u n t , a n df o u ri m p o r t a n t e x p e r i e n t i a ll a w sa b o u tt h ee p d s r a r ed i s c o v e r e d a c c o r d i n g l y , a na p p r o a c hi sp r o p o s e dt o q u a n t i t a t i v e l ye x p r e s st h ee f f e c t so ft r i p p i n gg e n e r a t o r , s h e d d i n gl o a da n dt h e i rc o o p e r a t i o n f u r t h e r m o r e ，em a t h e m a t i c sm o d e lf o ro p t i m a le m e r g e n c yc o n t r o lo ft r a n s i e n ts t a b i l i t y i s e s t a b l i s h e da n da na l g o r i t h mb a s e do ns e n s i t i v i t yi n d e xo fc o n t r o la c t i o n si sg i v e n i nt h i s m o d e l ，t h ee f f e c to fac o n t r o la c t i o ni sr e p r e s e n t e db yt h ed i s p l a c e m e n to fe p d s r sc r i t i c a l h y p e r - p l a n eb o u n d a r y0 nt h ed i r e c t i o no fi t se x t e r i o rn o r m a lv e c t o r i fat r a n s i e n tu n s t a b l e c o n t i n g e n c yo c c u r s ，s o m ea p p r o p r i a t ee m e r g e n c yc o n t r o la c t i o n sa r et ob et r i g g e r e ds oa st o t h ee n l a r g e de p d s rc a nc o v e rt h ec u r r e n to p e r m i n gp o i n t s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i co fp r e v e n t i v ec o n t r o la n d e m e r g e n c yc o n t r o l ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sac o m p r e h e n s i v es e c u r i t yc o n t r o lm e t h o db a s e d o nt h em e r i to f t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa b i l i t yo f d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n s t a k i n gt h et o t a l c o n t r o lc o s ta st h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ei n e q u a l i t yi nf o r mo f h y p e r - p l a n ca st h et r a n s i e n t s t a b i l i t yc o n s t r a i n t s ，t h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o li sc o n v e r t e di n t oa l lo p t i m i z a t i o np r o b l e m a i m i n g a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sp r o b l e m ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sa no p t i m i z a t i o ns t r a t e g y c a l l e d “t h ea c t i v er e s t r i c t i o nr e l a x a t i o na p p r o a c h w h i c hc a nc l a s s i f yt h ec o n t i n g e n c ys e t si n t o t w os u b s e t st h a tc a nm i n i m i z et h ei o t a lc o n t r o lc o s t t h e nt h ep r e v e n t i v ec e n t r e la n dt h e e m e r g e n c yc o n t r o lr e s p e c t i v e l ym a i n t a i nt h es e c u r i t yo ft h es y s t e m f o re a c hs u b s e t 。c o m p a r e d w i t hp u r ep r e v e n t i v ec o n t r o ls c h e m eo rp u r ee m e r g e n c yc o n t r o ls c h e m e ，t h ec o m p r e h e n s i v e s e c u r i t yc o n t r o lm e t h o di sm u c hm o r ee c o n o m i c a l t h i r d l y ，i no r d e rt os p e c i f yt h ei m p a c to fp o w e rs y s t e ms e c u r i t y0 ns p o tp r i c e s ，a l l a p p r o a c ho fs e c u r i t yp r i c ed e c o m p o s i t i o ni sp r o p o s e d w i t hc o n s i d e r i n gs e c u r i t yr e g i o n sa s s t a b i l i t yc o n s t r a i n t sa n dt h et r e eb r a n c ha n g l e sa so p t i m a lv a r i a b l e s ，t h em o d e l o fo p t i m a l p o w e rf l o wi n v o l v i n gb o t ht r a n s i e n ts t a b i l i t ya n ds t e a d y - s t a t ev o l t a g es t a b i l i t yi se s t a b l i s h e d t f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm a r g i n a lc o s ta n dt h em a t d xt h e o r y , t h es p o tp r i c e s 1 i a b s n c t c a l lb ed e c o m p o s e di n t os e v e r a lc o m p o n e n t sc o r r e s p o n d i n gt ov a r i o u ss e c u r i t yc o n s t r a i n t s t h ec o m p o n e n t sn o to n l yc a nr e f l e c tt h ei m p a c to fan o d eo no n es t a b i l i t yp r o b l e mb ma l s o c a nb em a d eu s et oa n a l y z et h ea p p o r t i o n m e n to fs e c u r i t yc o s t sa m o n ga l lm a r k e tp a r t i c i p a n t s i nc o n c l u s i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nf u l l yt a k e sa d v a n t a g e so ft h em e t h o do fs e c u r r yr e g i o n s i nt h ef i e l do fp o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o l ，a n de s t a b l i s h e sat h e o r e t i c a la n d e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o nf o rt h ed e c i s i o n - m a k i n go f s e c u r i t yc o n t r o ls c h e m ea n dt h ec a l c u l a t i o n o fs e c u r i t yp r i c e s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s e c u r i t y , d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n ，s t a t i c v o l t a g es t a b i l i t yr e g i o n ，e m e r g e n c yc o n t r o l ，c o m p r e h e n s i v es e c u r i t yc o n t r o l ， s e c u r i t yp r i c i n g - i i i - 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，也不包含为获得墨注盘鲎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：每j 辉 签字日期：2 口p 岁年6 月，占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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： j 1 辉 导师签名 参胃是惫 签字日期：上，o f 年z 月阽日签字目期：工雌年占月，日 第一章绪论 1 1 当今电力系统面临的挑战 电能是现代生活的基石，是经济发展的动力，不论是一般的传统产业或是新 兴的高科技产业无不以其为动力。由于电力的这种基础地位和公用性特点，如果 发生重大事故、特别是大面积的停电，必然是一场深重的灾难，其损失、后果和 造成的影响，都将是难以估量的。因此电力系统的安全性关系国民经济发展和社 会稳定的大局i l 】。2 0 世纪9 0 年代以来，电力工业发展变化迅速，给电力系统的 安全性提出了更高的要求，具体表现如下： 1 ) 电力供需矛盾突出。2 0 0 4 年以来，我国经济持续发展，对电力的需求也 不断增加，国内全年用电增长1 3 ，电力缺口在3 0 0 0 万千瓦左右，拉闸限电的 省份已经扩大到2 4 个。由于电力供需形势严峻，一些地方发电机组全部满负荷 运行，备用容量严重不足，有的甚至出现了零备用，对电网安全造成了严重的威 胁。同时输变电设备重载情况普遍，电网输送容量达到极限。在这种情况下，稍 有不慎，就会弓1 发大电网事故。 2 ) 互联电网的范围迅速扩大，电网特性发生了很大变化。2 0 1 0 年以后，全 国电网将形成以三峡系统为核心、以区域电网网架和跨大区输电网架为基础、区 域电网间联系紧密的全国互联电网。全国电网的互联，可以获得电力跨流域补偿 调节，实行水火互济补偿运行，有利于电网错峰和发展大机组，实现资源优化配 置。但电网互联也很容易使偶然的事件、局部的事故能够迅速波及整个网络，并 在相联的巨大电网间传递，使大城市倾刻间陷入彻底瘫痪，经济损失难以计数。 3 ) 电力市场化正在席卷全球。电力体制改革，厂网分开以后，市场主体多 元化，利益格局发生变化，出现了很多有独立经济利益的运营商，他们把追求最 大利润为最终目的，这就打破了旧的维护系统安全的体制。而新市场环境下的体 制还没有完全理顺，因此在体制转轨时期，保证电力系统安全，会面临许多新情 况和新问题。 4 1 人们环保意识不断增强，电力系统扩容更加困难。今年年初，国家环保 总局正式叫停了全国2 6 个违规开工的电厂项目，虽然这些项目后来又都陆续复 工，但这向人们传递了一个信号：环保是关系电力系统能否持续发展的关键问题。 不仅电厂项目遇到阻力，由于输电线路和高压装置产生的磁场可能对人体产生危 第一章绪论 害，输电工程也遭到当地居民的抵触。电力系统扩容的难题使电力系统的安全稳 定问题越来越突出。 2 0 0 3 年，世界上相继发生了“8 1 4 ”美加大停电1 2 】，“8 2 8 ”伦敦大停电，“9 1 ” 悉尼和马来西亚大停电，“9 2 8 ”意大利大停电。此后，各国都更加重视电力系统 的安全稳定运行，甚至提升到国家安全的高度。提高电力系统的安全运行水平， 研究快速有效的安全性控制方法和市场环境下的安全性定价问题已成当务之急。 本章下面从安全稳定的基本概念开始，逐渐引出本文的研究工作。 1 2 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 电力系统可靠性、安全性和稳定性是三个相互关联而又有本质区别的概念。 搞清楚三者的关系是对电力系统安全性的研究非常关键，本章首先来剖析这三个 基本概念。 1 _ 21 可靠性和安全性定义 电力系统的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 是指电力系统按可接受的质量标准和所需数 量不间断地向电力用户供应电力和电能量能力的度量【3 1 4 1 。根据北美电气可靠性 委员会( n e r c ) 1 9 9 7 年发布的最新准则【5 】，把互联大电力系统的可靠性分为发电 充足性( a d e q u a c y ) 和系统的安全性( s e c u r i t y ) 两个方面。 发电充足性是指发电储备的必要性，即是指电力系统维持连续供给用户总的 电力需求和总的电能量的能力，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的期望非 计划停运。充足性又称静态可靠性，也就是在静态条件下电力系统满足用户电力 和电能量的能力。充足性可以用确定性指标表示，如系统运行时要求的各种备用 容量( 检修备用、事故备用等) 百分比；也可以用概率指标表示，如电力不足概率 ( l o l p ) ，电力不足期望值( l o l e ) ，电量不足期望值( e e n s ) 等。一般意义上的电 力系统可靠性就是指发电充足性文献6 1 0 所研究的就是这方面的问题，由于 充足性不是本文的重点，所以对此不作过多评述。 安全性是指系统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1 的能力，换句话也就是，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 受住突然扰动并不断地向用户提供电力和电能量的能力。 上述关于安全性的定义亦被i e e e 和c i g r e 所认同【1 1 , 1 2 。d yl i a c c o 等在早 在2 0 世纪6 0 年代就对电力系统的安全性给出了类似的定义，并建立了安全性分 天津大学博士学位论文 析和安全性控制的构想 1 3 】。本文研究的重点是电力系统的安全性，并且本文安全 性控制部分所做的工作是在d yl i a c e o 构想的基础上发展起来的。因此本章第三 节关于安全性的介绍就从d yl i a c c o 构想讲起。 1 2 2 电力系统的稳定性分类与定义 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1 1 4 , 1 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”。 今天，人们已经认识到电力系统也是非线性动力学系统的一种，其所有的稳 定性问题都可以归结为一种问题即非线性动力学系统的稳定性 1 6 - 1 8 】。然而考 虑到庞大的、强非线性的电力系统在不同扰动下所体现的多种复杂的动态特性， 不稳定性可以以多种不同的方式出现，因此对电力系统的稳定性进行分类是非常 必要的。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”，其中频率稳定是指系统在扰动故障下维持系统整体频率在可接受的 范围内的能力，这类稳定本文中没有涉及，下面重点介绍功角稳定和电压稳定。 根据扰动的性质，功角稳定可以分为小扰动功角稳定和大扰动功角稳定【1 4 】。 小扰动稳定是指在小的扰动下维持系统发电机同步运行的能力。小扰动可以包括 那些不改变系统网络拓扑图形以及运行参数的扰动，例如小的冲击负荷。电力系 统的小扰动稳定性更深刻的含义是其表征了系统在平衡点的稳定性。电力系统失 去小扰动功角稳定的模式有两种：发电机之间的功角以单调非振荡的方式持续 增大，直至失稳【” ；发电机转子之间的角度出现增幅振荡口们。大扰动的功角 稳定通常又被称为“暂态功角稳定”，它是指系统在大的扰动下维持发电机同步 运行的能力，如系统发生短路、断线、切机等大的扰动。系统是否发生暂态功角 失稳取决于系统在故障前的运行状态以及故障的严重程度。目前，在整个稳定研 究领域，对于暂态功角稳定的研究最为深入，已有大量深刻的理论成果。本文中 的安全性控制主要就是针对暂态功角稳定的。 功角稳定问题出现较早，上世纪2 0 年代就开始受到人们的关注，早期电力 系统稳定的研究也主要集中于此。近几十年来随着电力工业的发展，出现了大量 远离负荷中心的大型发电厂，远距离输电日益增加，大容量超高压输电线也普遍 使用，使另一类稳定问题电压稳定逐渐突出，并造成了一些严重的系统事故， 引起了人们的普遍关注。电压稳定是指系统在给定的初始运行条件下，遭受扰动 天津大学博士学位论文 析和安全性控制的构想l j 。本文研究的重点是电力系统的安全性，并且本文安全 性控制部分所做的工作是在d yl i a c c o 构想的基础上发展起来的。因此本章第三 节关于安全性的介绍就从d rl i a c e o 构想讲起。 1 2 2 电力系统的稳定 生分类与定义 虽近i e e e 和c i g r e 对电力系统的稳定性定义如下 1 4 , 1 5 l ：“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”。 今天，人们已经认识到电力系统也是非线性动力学系统的一种，其所有的稳 定性问题都可以归结为一种问题即非线性动力学系统的稳定性【”。1 ”。然而考 虑到庞大的、强非线性的电力系统在不同扰动下所体现的多种复杂的动态特性， 不稳定性可以以多种不同的方式出现，因此对电力系统的稳定性进行分类是非常 必要的。i e e e 和c i o 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f 1 4 1 ，其中频率稳定是指系统在扰动、故障下维持系统整体频率在可接受的 范围内的能力，这类稳定本文中没有涉及，下面重点介绍功角稳定和电压稳定。 根据扰动的性质，功角稳定可以分为小扰动功角稳定和大扰动功角稳定l l 。 小扰动稳定是指在小的扰动下维持系统发电机同步运行的能力。小扰动可以包括 那些不改变系统网络拓扑图形以及运行参数的扰动，例如小的冲击负荷。电力系 统的小扰动稳定性更深刻的含义是其表征了系统在平衡点的稳定性。电力系统失 去小扰动功角稳定的模式有两种：发电机之间的功角以单调非振荡的方式持续 增大，直至失稳【19 ；发电机转子之间的角度出现增幅振荡口o 】。大扰动的功角 稳定通常又被称为“暂态功角稳定”，它是指系统在大的扰动下维持发电机同步 运行的能力，如系统发生短路、断线、切机等大的扰动。系统是否发生暂态功角 失稳取决于系统在故障前的运行状态以及故障的严重程度。目前，在整个稳定研 究领域，对于暂态功角稳定的研究最为深入，已有大量深刻的理论成果。本文中 的安全性控制主要就是针对暂杰功角稳定的。 功角稳定问题出现较早，上世纪2 0 年代就开始受到人们的关注，早期电力 系统稳定的研究也主要集中于此。近几十年来随着电力工业的发展，出现了大量 远离负荷中心的大型发电厂，远距离输电日益增加，大容量超高压输电线也普遍 使用，使另一类稳定问题电压稳定逐濒突出并造成了一些严重的系统事故， 引起了人们的普遍关注。电压稳定是指系统在给定的初始运行条件下，遭受扰动 引起了人们的普遍关注。电压稳定是指系统在给定的初始运行条件下，遭受扰动 第一章绪论 之后系统中所有母线都持续地保持可接受电压的能力1 2 0 , 2 1 。在系统发生电压失稳 时，通常表现的形式是不可抑制的系统节点电压的单调下降【2 2 1 ，在某些情况下也 可能出现振荡形式的电压失稳田】。同功角稳定一样，电压稳定以扰动的不同性质 也可以分为“小扰动电压稳定”和“大扰动电压稳定”两类。 1 2 3 可靠性、安全性和稳定性区别与联系 电力系统可靠性、安全性和稳定性是三个关系密切而又有着不同含义的概念 ”。可靠性指的是电力系统长期运行过程中状态令人满意的可能性，它表示电力 系统以一种近乎连续、极少中断的方式提供充足电力服务的能力。安全性是相对 于即将来临扰动的抗扰能力的函数，它涉及到系统面对扰动所表现出的鲁棒性。 因此，安全性取决于系统的运行状态以及扰动发生的概率。稳定性指电力系统的 这样一种特性，即它能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受扰动后能够 恢复到可以容许的平衡状态。稳定性取决于系统的运行状态和物理扰动的特性。 下面三点刻画了三者之间的关系： 1 ) 可靠性是电力系统设计和运行时的终极目标。要想可靠，电力系统大部 分时间都必须是安全的；要想安全，不仅要求对某一事故系统是稳定的，而且要 求对于其它的预想事故，系统也要是稳定的。 2 ) 根据产生的后果，安全性与稳定性可以加以进一步的区分。举例来说， 两个具有同样稳定裕度的系统可能都是稳定的，但一个可能比另一个更安全，因 为它失稳引起的后果比另一个轻一些。 2 ) 安全性和稳定性具有时变性，判别它们需要研究电力系统的一些典型场 景。而可靠性不具时变性，它是电力系统的一个长期统计特性，判别它需要研究 电力系统较长时段内的运行行为。 1 3 电力系统的安全- 眭d yl i a c c o 构想 电力系统稳定性描述的是系统经历扰动后获得可接受的运行平衡点的能力， 是属于非线性动力学系统稳定性的一种。而安全性是相对于一族称之为预想事故 集的随机事件而定义的，预想事故集是一个可能发生的扰动的集合。如果一个系 统处于正常状态，并且没有任何一个预想事故能把它转移到紧急状态，则称这个 系统是安全的。工e d yl i a c c o 等人最早给出了校验电力系统安全性的一个构想 1 3 , 2 4 删。该构想中电力系统被看作是处于两组约束下运行的：负荷约束和运行约 束，由于约束条件的变化，使电力系统处于各种不同的运行状态。图l - l 示出了 天津大学博士学位论文 各种运行状态和由于偶然事故及控制作用相结合的状态转移。下面进行详细介 绍。 一萎歪叠新+ 图1 - 1d yl i a e e o 安全性构想示意图 1 3 1 电力系统的运行状态 电力系统正常运行必须满足两个约束，即负荷约束和运行约束。若忽略损耗， 负荷约束就是电力系统发出的总的有功功率和无功功率应每时每刻与系统中随 机变化着的总的有功负荷和无功负荷相等，因此负荷约束也称为等式约束。这是 电力系统正常运行的必要条件，可用下面的公式表示 一毛= 0 ( 1 一1 ) ， j q g j 一q 口= 0 ( 1 - 2 ) f 式中 圪、q g 发电机发出的有功和无功功率； 最、幺负荷有功和无功功率； 运行约束表示在系统正常运行条件下涉及系统安全运行的某些参数( 如母线 电压、线路潮流等1 ，应处于系统或设备安全运行的允许范围之内，因此运行约 束也称为不等式约束。例如 k 。s 一形”( 1 - 3 ) 呓，屹呓 ( 1 - 4 ) 璐，s q o ，璐。 ( 1 - 5 ) 第一章绪论 “o , j 铹 ( 1 - 6 ) 式中 k 、k 、k ”母线电压及其上、下限值； 圪，、砭，、呓发电机有功出力及其上、下限值； q g ，、璐、鳞，发电机无功出力及其上、下限值； o o 、或、睇线路i ，的相位差及其上、下限值； 根据上述约束条件的满足程度，电力系统的运行状态可以分为以下几种。 正常状态 在此状态下，负荷约束和运行约束条件同时得到满足。这表明电力系统能以 质量合格的电能满足负荷的用电需求。对于处于正常状态的系统。如果承受一系 列可信的预想事故( 构成预想事故集) 的扰动后，仍不违反上述两组约束条件，则 称系统处于安全正常状态，简称安全状态。如果在一系列预想事故之后，不能满 足负荷约束条件和运行约束条件，则称该系统处于不安全正常状态，或简称警戒 状态。 在安全状态下，系统有足够的备用储备，即发电及输变电设备均具有足够的 备用余量和必要的调节手段，使系统能承受正常的干扰而不产生影响正常运行的 后果。在这种状态下，电力系统对不大的负荷变化的反应，可以认为是从一个安 全状态连续变化到另一个安全状态。在不安全状态下，各种约束条件还是满足的， 但系统的安全备用大大减少，对外界干扰的抵抗能力也削弱了。所以在一个新扰 动的作用下，就有可能使某些不等式约束条件越限或造成系统失稳，而使系统的 安全运行受到威胁或破坏。 紧急状态 电力系统在遭受一个严重的干扰后，运行参数将偏离正常运行状态，某些不 等式约束条件已不能满足，更严重的情况下，系统即将失去稳定( 功角稳定或电 压稳定1 ，这时电力系统就进入紧急状态。紧急状态时电力系统可能出现以下两 类危机【2 8 l ：稳定性危机( s t a b i l i t yc r i s i s ) ：电力系统暂态过程中积蓄的能量可能 破坏其运行稳定性，即不能在回到初始状态或停留在一个容许的新状态，这一过 程很短，如几秒钟，最典型的就是暂态功角失稳。持久性危机( v i a b i l i t yc r i s i s ) ： 局部或整个电力系统发电、送电和负荷不平衡，导致运行参数大幅偏离正常值， 可能破坏对用户的持续供电。这一过程历时较长，如几分钟。这种现象比较典型 的就是线路过负荷。 天津大学博士学位论文 恢复状态 在紧急状态后，如果借助继电保护和自动装置，使故障隔离，事故停止扩大， 电力系统基本上可以稳定下来，则电力系统进入恢复状态。这时对于仍接在电力 系统中的设备，等式约束条件已能满足。但是，部分用户仍然停电；部分发电机 和线路仍处于断开状态；在严重情况下电力系统可能已经被解列成几个孤立的部 分。所以，应借助一系列操作尽快对用户恢复供电。至于从这种状态是恢复到安 全状态，还是警戒状态，则要根据电力系统的实际情况来确定。 1 3 2 电力系统的安全性控制基本概念 首先说明一下，本文研究的电力系统安全性控制指的是系统层的控制，而不 是元件层的控制。元件层的控制不在本文的研究范围之内，感兴趣的读者可以参 阅文献 2 9 ，3 0 1 。 对于处于不安全状态、紧急状态和恢复状态的电力系统，为了维持系统安全 稳定运行，就需要采取某些控制措施，这些控制措施总称为安全性控制【1 3 , 2 4 。根 据电力系统所处的运行状态，安全性控制可分为预防控制、紧急控制和恢复控制。 安全性控制是维持一个电力系统安全运行所不可缺少的。 处于不安全状态的电力系统，虽然当前负荷约束和运行约束条件都得到满 足，但如果将来发生某一较严重的扰动，就有可能使系统转入紧急状态。因此， 有必要提前采取一些必要的控制措施，如调整发电机出力或调整负荷的配置等， 使系统转为安全状态，这种控制称为预防控制( p r e v e n t i v ec o n t r 0 1 ) ，也称为正常 状态下的安全性控制。如果仅仅是通过调整发电机出力来实现的，也称为发电机 再调度( g e n e r a t i o nr e s c h e d u l i n g ) 1 3 1 。3 4 1 。 电力系统紧急状态下，为了维持稳定运行和持续供电，必须采取必要的控制 措施。这种控制措施称为紧急控带l j ( e m e r g e n e yc o n t r 0 1 ) ，也称为紧急状态下的安 全性控制，有些文献中还称为预测控制( p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 1 3 5 , 3 6 。根据不同的紧急 状态，紧急控制又可以分为两类【”】：针对稳定危机的紧急控制称为稳定性紧急 控制，或简称为稳定性控$ 1 j 3 9 , 3 9 。这一类的紧急状态其容忍的时间只有几秒钟， 因此相应的控制也不得超过1 s 。系统经稳定性紧急控制后一般进入恢复状态， 这时系统可能不满足负荷约束条件，而运行条件可以满足。针对持久性危机的 紧急控制，通常称为校正控制( c o r r e c t i v ec o n t r 0 1 ) 4 0 , 4 ”。这种控制一般可以使系 统回到安全状态。这里需要说明一点，现在紧急控制的分类标准不很统一，也有 很多文献常常把电压稳定紧急控制称为校正控s q t 4 2 4 3 1 。 第一章绪论 恢复状态下系统的完整性一般受到破坏，如某些发电机或负荷被切除，系统 某些部分被解列等。一般应通过恢复控青e ( r e s t o r a t i v ec o n t r 0 1 ) 来恢复对用户的供 电及实现已解列系统的重新联网，使电力系统进入正常状态。 在大范围停电事故发生后，需要给一些失去电源的电厂供电，进行黑启动m ， 最终实现对全部负荷的供电，也是一种恢复性控制。 1 3 3d yl i a e c o 构想的不足 d yl i a e c o 构想给出了电力系统安全性评估和安全性控制的一个较完整框 架。此后，电力系统安全性的相关研究大都是在该构想的基础上展开的，但它也 有以下三点不足： 1 ) 它是一种确定型的研究方法。它没考虑每个预想事故所发生的概率，对 预想事故集中的每一个事故( 它们发生的概率不同) 做同等要求是不合理的，对全 部负荷( 不分重要程度) 均要求事故后仍百分之百地保证供电显然也是不合理的。 合理的安全性控制应该计及事故发生的概率，并兼顾经济性，以达到全社会总成 本的最优。 2 ) 它只是二元的，只能给出系统安全或不安全的结论，很难对控制决策给 出较多的指导信息，也无法获得系统的整体安全性测度。如能给出定量的安全性 测度将是更可取的。 3 ) 预防控制和紧急控制是割裂开的。预防控制主要针对发生概率较高的事 故，此时预防控制的性能代价比较好。但对于出现概率低而又严重的事故，预防 控制成本就会很大，或是根本就不可行。这时紧急控制就是必不可少的。可见二 者具有很强的互补性，从系统经济运行的角度，把二者结合起来很有必要。 4 ) 限于当时的计算分析能力，上述构想提出时仅考虑了静态潮流约束分 析所对应的结果是静态安全性。现今已有可能进行在线稳定分析，因而除上述约 束外，还应该加上各种稳定约束。综合考虑如上全部约束的安全性，可以称为静 态和动态安全性，或简称安全性。 1 4 电力系统安全性分析方法 安全性分析就是判定面对即将来临的扰动时电力系统的鲁棒性，也就是用预 想事故分析的方法来预先知道系统是否存在隐患，即处于不安全正常状态，以便 及早采取相应的措旌来防患于未然。可以看出，安全性分析和安全性控制是密不 可分的两部分，安全性分析为安全性控制做准备，安全性控制需要安全性分析所 天津大学博士学位论文 得出的系统状态信息。因此本节在介绍安全性控制以前，首先介绍几种主要的安 全性分析方法，现有的大多数安全性控制都是基于这些分析方法的。 电力系统能够承受一个扰动( 大扰动或小扰动) 有两层含义：首先这意味着系 统有一个新的事故后运行状态( 事故后稳态潮流解) ，并且该运行点处不等式约束 是满足的；其次系统能够承受两个运行状态( 事故前状态和事故后状态1 之间转 变的动态过程。因此，安全性分析可以分成稳态安全分析( s t e a d y s t a t es e c u r i t y a n a l y s i s ) 和动态安全分析( d y n a m i cs e c u r i t y a n a l y s i s ) 两部分 1 4 , 4 5 - 4 7 ： 稳态安全分析 4 8 - s i l 咆括两部内容：一是潮流可行的问题，二是小扰动稳 定的问题。潮流可行是指潮流有解，并且系统中所有的电压、电流、频率等都要 在可接受的范围之内，此类分析的英文是s t a t i cs e c u r i t y a n a l y s i s 。小扰动稳定是 指正常运行的电力系统受到微小的、瞬时出现但又立即消失的扰动后，恢复到它 原来的运行状态的能力，即要求当前平衡点是l y a p u n o v 稳定的。把同时进行潮 流分析和小扰动稳定性分析的安全分析，用英文s t e a d y s t a t es e c u r i t ya n a l y s i s 表 示。 动态安全分析【5 2 5 4 】用来判断预想事故( 大扰动) 发生后，是否会出现暂态 功角或暂态电压失稳现象。它实际上是电力系统的大扰动稳定分析问题。 本文研究的重点是电力系统的动态安全，下面简要介绍几种主要的安全分析 方法。 1 4 1 传统的动态安全分析方法 数值仿真法 数值仿真法是电力系统暂态稳定分析中最为成熟的方法，并获得广泛的应用 5 5 - s 9 。该方法首先根据电力系统各元件模型建立一组联立的微分数方程组，然 后以潮流解为初值，利用数值积分求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和 代数量随时间的变化曲线，并根据发电机转子摇摆曲线来判别系统在大扰动下能 否保持同步运行，即暂态稳定性。 数值仿真法对电力系统模型具有很强的适应性，仿真结果真实可信，不仅是 电力运行部门制定运行规范的依据，也是检验其它暂态稳定分析方法的标准。但 通常的数值仿真法也有一定缺点：逐步积分计算速度慢，很难在线使用；只能对 系统的稳定性进行定性判断，不能给出定量的系统稳定裕度：输出信息利用率低、 效益差，不利于安全性控制对策的研究。 第一章绪论 暂态能量函数法 暂态能量函数法是基于俄国数学家李雅普诺夫提出的运动稳定性理论发展 而来的，因此又称为l y a p u n o v 赢接法 6 0 - 6 3 1 。这种方法是借助于一个称之为 l y a p u n o v 函数的v ( t ，x l ，x j 函数，并根据系统扰动方程式计算得出的d v d t 的 符号性质来直接判别系统的稳定性。暂态能量函数法存在两个关键的问题：一是 对于个实际系统如何构造合理的暂态能量函数，它的大小应能正确反映系统失 去稳定的严重性；二是如何确定系统的临界能量，从而可以通过对扰动结束时暂 态能量函数值的比较来判别稳定性或确定稳定域。 将能景函数法用于电力系统动态安全分析的研究已有几十年的历史，己取得 了很大进剧硎。该方法最大的优点就是不必逐步积分，计算速度快，并能给出定 量的稳定裕度。但也有如下的缺点：难以建立详细模型下的l y a p u n o v 函数；难 以确定大系统的相关不稳定平衡点( c o n t r o l l i n gu n - s t a b l ee q u i l i b r i u mp o i n t ) ：分析 结果偏于保守( 因为直接法相应的稳定准则是充分条件，而非必要条件) 。因而目 前主要把它用于预想事故排序。 扩展等面积法( e e a c ) 也是暂态能量函数法的一种1 6 5 6 6 。对于一个扰动， e e a c 把多机系统分为临界机群和剩余机群两个子集，然后将其变换为一个等值 的两机系统，后者又可以变换为o m l b 系统，从而可以使用等面积准则。e e a c 法的物理意义明确，计算速度很快，缺点是在一些特殊情况下，稳定分析的精度 难以保证。 除了上述几种安全性分析方法以外，人工智能的方法也一度引起人们的注意 1 6 7 - 7 0 1 。这一类方法主要包括模式识别、专家系统、人工神经网络和模糊神经网络 等。基于人工智能的方法首先对预想事故进行大量的离线仿真计算，从中获得系 统动态行为中重要的稳定特征，然后构造一个分类器用来在线地对新的事故进行 正确分类。但是人工智能的方法未能解决训练集的有效选取问题和本质上难以完 全消除的误分类问题，这不但代价很大，而且可靠性也难以保证。 1 4 2 安全域的方法 安全域的方法是一种越来越引起人们重视的电力系统安全性分析工具。常用 的域有两种表示形式，它们分别定义在系统的运行参数空间 1 , 1 6 1 和状态变量空间 1 7 1 - 7 3 。运行参数空间的域能方便地提供运行点在域中的相对位置，便于确定安全 性控制措施，因此与状态空间中的域比较而言有着天然的应用优势。定义在运行 参数( 节点注入功率或线路潮流) 空间的安全域是本文安全性控制与安全性定价 天津大学博士学位论文 的基础，下面简要介绍其分类及基本概念。 根据系统稳定问题研究内容的不同，如传统的潮流分析、小扰动稳定分析和 暂态稳定分析，安全域的研究也分为稳态安全域( s t e a d y s t a t es e c u r i t yr e g i o n s s s r ) 和动态安全域( d y n a m i cs e c u r i t yr e g i o n d s r ) 7 4 。 稳态安全域 稳态安全域是针对上述的稳态安全分析而言的，它是定义在节点注入功率空 间的一个集合，对于该集合内的任何一个注入向量，不仅要满足潮流可行约束， 还要满足小扰动稳定约束。可见稳态安全域是潮流可行域( p o w e rf l o wf e a s i b i l i t y r e g i o n ，p f f r ) ( 也称为静态安全域) 与小扰动稳定域( s m a l ld i s t u r b a n c es t a b i l i t y r e g i o n , s d s r ) 的交集。下面仅介绍静态安全域的研究历史。