（电力系统及其自动化专业论文）电力系统连锁故障及相关问题的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 模型考虑了机组频率和电压保护 低频减载 低压减载以及线路过载等约束条件 比较了不同的孤岛反措方案对最大准入容量的影响 为分析分布式电源对连锁故 障的影响提供了一些理论基础 5 建立了计及分布式电源的动态连锁故障模型 研究了不同d g 接入水平 及孤岛反措对系统连锁故障及自组织临界性的影响 仿真结果表明停电概率随关 闭主力机组且d g 接入水平的增大而波动 并根据系统停电概率讨论了d g 的最 大准入容量 为确定适当的d g 接入水平提供了新的方法和思路 关键词 时域动态仿真 连锁故障 临界点 分布式电源 最大准入容量 i v a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n s e c u r i t ya n d i n s t a b i l i t yp r o b l e m sw i l lc e r t a i n l yc a u s ee n o r m o u sl o s s e sa n d c a t a s t r o p h i cr e s u l t sf o rm o d e mp o w e rs y s t e m sw i t ht h ef e a t u r eo fe x t r ah i g hv o l t a g e a n dl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n l i n e s l a r g ec a p a c i t yg e n e r a t o r s c r o s s r e g i o n a l i n t e r c o n n e c t i o n sa n dh u g ei n t e r a r e ap o w e re x c h a n g e s t h e r e f o r e s t u d i e so nt h e p o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yh a v e b e e nr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o r al o n gt i m e s e v e r a lb l a c k o u t si nt h ep a s tf e wy e a r sf u l l yr e v e a lt h ev u l n e r a b i l i t yo fl a r g e i n t e r c o n n e c t i o np o w e rs y s t e m i t si m p o r t a n ta n du r g e n tt or e s e a r c ho nt h er e a s o n e v o l v e m e n ta n dp r e v e n t i v em e a s u r e so fb l a c k o u t s m a n yw o r k sh a v eb e e nd o n ea n d s o m eo fc a s c a d i n go u t a g em o d e l s u c ha so p a c a s c a d ea n dh i d d e nf a i l u r e sw e r e p r e s e n tb yt h er e s e a r c h e r s h o w e v e r t h e s ec a s c a d i n go u t a g em o d e l sa r ei m p r e c i s ea n d s o m ef a c t o r s s u c ha st i m e d o m a i nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i cc o m p o n e n t sa r e n o ti n c l u d e d t os o l v et h e s ep r o b l e m s d y n a m i cc a s c a d i n go u t a g em o d e l sa r ep r e s e n t i n t h i st h e s i sa n ds e l f o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y s o c o fp o w e rs y s t e mi s a n a l y s e d c o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 ac a s c a d i n go u t a g em o d e lw i t hi t ss t o c h a s t i cc o u n t e r p a r t sa r ep r e s e n tf o r c a s c a d i n gf a i l u r ei n v e s t i g a t i o n s t o c h a s t i cf a c t o r sa s s o c i a t e dw i t hg e n e r a t o rf r e q u e n c y r e l a y u l o a ds h e d d i n ga n db r e a k e rt r i p p i n gt i m e e t c a r ee x p l i c i t l ym o d e l e d u s i n g am o n t ec a r l os i m u l a t i o nt o o l t h er i s ko ff r e q u e n c y i n d u c e dc a s c a d i n gf a i l u r e si s a s s e s s e d t h ei n f l u e n c e so fr e l e v a n tf a c t o r so ns t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t e m c a s c a d i n gf a i l u r e s s u c ha sf r e q u e n c yp r i m a r yr e g u l a t i o n a g c s p i n n i n gr e s e r v e t h e s i z eo fi n i t i a ld i s t u r b a n c ea n du l o a ds h e d d i n gs c h e m e s a r ea l s oa n a l y z e d t h e r e s u l t sp r e s e n t e dd e m o n s t r a t ei n t e r e s t i n gv a l u e so ft h em o d e li ni d e n t i f y i n gt h ef a c t o r s t h a tc o n t r i b u t et oc a s c a d i n gf a i l u r e sa n db l a c k o u t s 2 ac a s c a d i n go u t a g em o d e lb a s e do nd y n a m i cs i m u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d a n da n a l y z e di nt h i sw o r kt o g e t h e rw i t hi t ss t o c h a s t i cc o u n t e r p a r t t h ef a c t o r s s u c ha s s t o c h a s t i cc h a r a c t e r so f g e n e r a t o r f r e q u e n c y v o l t a g ep r o t e c t i o n u n d e r f r e q u e n c y u n d e r v o l t a g ep r o t e c t i o n o v e r e x c i t a t i o n o v e r l o a d s h o r tc i r c u i ta n d i t s t r i p p i n gt i m e a r ec o n s i d e r e d t h em o d e lc a p t u r e st h ef u n d a m e n t a ld y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e ma n di t sv a l i d i t ya n da c c u r a c yf o rs t u d y i n gs y s t e m c a s c a d i n ga r ec o n f i r m e db a s e do np s s ew i t hm o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h er e s u l t s v 浙江大学博士学位论文 s h o wt h ee x i s t e n c eo ft h ep o w e rl a ww i t hc r i t i c a lp o i n t s w h e nt h ec r i t i c a lp o i n ti s e x c e e d e d t h eo u t a g es i z ea n di t sp r o b a b i l i t yr i s er a p i d l ya n dt h ep o w e rl a w c h a r a c t e r i s t i ci sc h a n g e d c r i t i c a lp o i n t sp r o v i d eh e l p f u li n f o r m a t i o nf o rb l a c k o u t p r e v e n t i o n 3 b a s e do nd y n a m i cc a s c a d i n go u t a g em o d e l t h ei n f l u e n c eo fs i m u l a t i o n p a r m a t e r s s u c ha su n d e r f r e q e n c y v o l t a g el o a ds h e d d i n g l o mc o m p o n e n t s p r i m a r y r e g u l a t i o n a n dt i e l i n ep o w e rf l o wo np o w e rs y s t e ms o c c r i t i c a l p o i n t s a n d b l a c k o u t sp r o b a b i l i t yi sa n a l y s e d s o m es u g g e s t i o n sf o rb l a c k o u tp r e v e n t i o ni sp r e s e n t h e r e b y 4 t h em a x i m u mp e n e t r a t i o nl e v e lo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nu n d e rd i f f e r e n t a n t i i s l a n d i n gm e t h o d si sc a l c u l a t e du s i n gd y n a m i cs i m u l a t i o n t h ef r e q u e n c y v o l t a g e p r o t e c t i o n u n d e r f r e q u e n c y v o l a g e l o a d s h e d d i n g a n d c a p a c i t y c o n s t r a i n so f t r a n s m i s s i o nl i n e sa r ef u l l yc o n s i d e d t h ei n f l u e n c yo fa n t i l a n d i n gm e t h o d so n m a x i m u mp e r e t r a t i o nl e v e lo fd gi sd i s c u s s e d t h e s ep r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o r a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fd g o nc a s c a d i n go u t a g e s 5 ac a s c a d i n g o u t a g e sd y n a m i cm o d e lw i t hd gc o m p r i s e d i s p r e s e n t i n f l u e n c yo fd i f f e r e n tp e n e t r a t i o nl e v e l so fd ga n da i t i l a n d i n gm e t h o d so nc a s c a d i n g o u t a g e sa n di t ss o ci sa n a l y s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a tp r o b a b i l i t yo f b l a c k o u tc h a n g e sp e r i o d i c a l l yw i mi n c r e a s i n go fd gp e n e t r a t i o nl e v e la n dm a i n g e n e r a t o rs h u t d o w n t h em a x i m u mp e n e t r a t i o nl e v e lo fd gi sd i s c u s s e db a s e do n b l a c k o u tp r o b a b i l i t y k e yw o r d s t i m ed o m a i nd y n a m i c s i m u l a t i o n c a s c a d i n go u t a g e s c r i t i c a lp o i n t s d i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o n m a x i m u mp e n e t r a t i o nl e v e l v l 插图清单 插图清单 图1 1i e e e c i g r e 的电力系统稳定性分类 3 图1 2d l7 5 5 2 0 0 1 的电力系统稳定的分类 3 图1 3 系统扰动时域分布图 5 图1 4 蒸汽轮机异常频率持续运行时间限制 一7 图1 5 机组频率 电压运行范围示意图 一7 图1 6 变压器过励连锁反应示意图 8 图1 7 机组 变压器过励限制 一8 图1 8 变压器 发电机的y 厂保护整定示例 9 图2 1 意大利大停电的电网状态和事故原因 1 4 图2 2 瑞典一丹麦大停电期间电压和频率动态过程 1 5 图2 32 0 0 3 0 8 1 4 美加大停电影响范围 1 6 图2 4 7 1 事故前华中电网结构及功率交换图 1 9 图2 5 事故前郑州变电站主接线图 1 9 图2 6 美国西部电网故障规模概率分布图 2 3 图2 7m a n c h e s t e r 模型的连锁故障流程 2 5 图2 8o t s 模型电网演化的物理描述 2 6 图3 12 0 0 3 年9 月2 8 日意大利电网频率变化过程 2 8 图3 2 系统等效机组一阶频率响应模型 2 8 图3 3 系统等效机组三阶频率响应模型 2 9 图3 4 系统等效机组四阶频率响虑模型 2 9 图3 5 机组频率保护的动作特性曲线 3 2 图3 6 低频减载装置的动作特性曲线 3 2 图3 7 频率动态模拟算法流程框图 3 4 图3 8 一阶模型典型频率动态变化过程 1 台机起始扰动 3 7 图3 9 与图3 8 对应的累积切机切载时间序列图 3 7 图3 1 0 三阶模型典型频率动态变化过程 1 台机起始扰动 3 7 图3 1 1 与图3 1 0 对应的累积切机切载时间序列图 3 8 图3 1 2 四阶模型典型频率动态变化过程 1 5 的旋转备用 3 8 图3 1 3 与图3 1 2 对应的累积切机切载时间序列图 3 8 图3 1 4 不同模型的停电规模分布比较 3 9 图3 1 5 不同起始故障规模停电规模概率分布比较 一4 0 图3 1 6 不同旋转备用情况 卜 的停电规模和概率分布图 4 0 图3 1 7 不同低频减载方案情况下的停电规模和概率分布图 4 l 图4 1 机组电压 频率运行范围示意图 4 4 图4 2 机组频率保护的动作概率曲线 4 6 图4 3 机组电压保护的动作概率曲线 4 7 图4 4 变压器过磁通保护的动作概率曲线 4 7 图4 5 低频减载装置的动作概率曲线 4 8 图4 6 低压减载装置的动作概率曲线 4 9 图4 7 线路 变压器过载保护的动作概率曲线 4 9 图4 8 线路短路故障的概率曲线 5 0 图4 9 基于动态仿真的连锁故障模拟算法 5 2 图4 1 0 福建电网5 0 0 k v 地理位置结构示意图 5 3 图4 1 1 福建电网5 0 0 k v 结构示意图 5 3 图4 1 2 箝点6 与节点1 5 频率及电压动态过程 5 5 图4 1 3 停电规模概率分布图 5 6 图4 1 4 不同低频减载方案的停电规模概率分布对比图 5 8 图4 1 5 不同低频减载原理的停电规模概率分布对比图 一5 9 浙江大学博士学位论文 图4 1 6 不同负荷水平的停电规模概率分布对比图 一6 l 图4 1 7 不同负荷构成的停电规模概率分布对比图 6 2 图4 1 8 一次调频对停电规模概率分布的影响 6 3 图4 1 9 不同联络线输出功率的停电规模概率分布对比图 6 4 图5 11 正常孤岛 6 6 图5 2 i f 同期重合造成操作过电压 6 7 图5 4i e e e1 0 机3 9 节点测试系统网络示意图 7 l 图5 3 考虑不同孤岛反措的d g 最大准入容量算法流程框图 7 2 图5 5n e we n g l a n d 测试系统主力机组调速器模型 7 3 图5 6d g 励磁器模型 7 4 图5 7d g 调速器模璎及参数 7 4 图5 8 母线频率动态过程 线路2 6 2 7 短路 0 1 s 清除故障 7 6 图5 9 母线电压动态过程 线路2 6 2 7 短路 0 1 s 清除故障 7 6 图5 1 0 母线频率动态过程 线路2 2 5 短路 0 1 s 清除故障 7 7 图5 1 l 母线电压动态过程 线路2 2 5 短路 0 1 s 清除故障 7 7 图6 11 9 9 6 2 1 8 丹麦j u t l a n d 电网d g 损失分布图 一7 9 图6 2d g 频率 电压运行范闱图 8 1 图6 3d g 频率保护的动作概率曲线 8 2 图6 4d g 电压保护的动作概率曲线 8 2 图6 5n e 一3 9 测试系统的一个频率动态过程 8 4 图6 6n e 3 9 测试系统的一个电压动态过程 一8 4 图6 7 不同d g 接入水平的停电规模概率分布图 d g 频率保护 o 9 8 1 0 2 延时0 1 一8 5 图6 8 不同d g 接入水平的停电概率对比图 d g 频率保护 o 9 8 1 0 2 延时0 1 s 8 6 图6 9 不同d g 接入水平的停电概率对比图 d g 频率保护 o 9 9 1 0 1 延时0 1 s 8 6 图6 1 0 不同 d g 接入水平的停电概率对比图 d g 频率保护 0 9 9 1 0 1 延时1 0 s 8 6 附表清单 附表清单 表1 1 近年国内外主要的大停电事故列表 2 表2 1 大停电事故发展阶段及其特点 2 0 表3 1 测试系统发电机组数据 3 5 表3 2 机组频率保护的动作特性参数 一3 5 表3 3 低频减载方案 n o 1 3 6 表3 4 低频减载方案 n o 2 n o 3 4 1 表4 1 机组频率保护的动作特性参数 5 4 表4 2 机组电压保护的动作特性参数 5 4 表4 3 低频减载方案 n o 1 5 4 表4 4 低压减载方案 5 4 表4 5 低频减载方案 n o 2 5 7 表4 6 不同减载方案的仿真结果对比 5 8 表4 7 按频率下降速率切载的低频减载方案 5 9 表4 8 不同减载原理的仿真结果对比 5 9 表4 9 不同负荷水平的仿真结果对比 6 0 表4 1 0 不同负荷构成的仿真结果对比 6 l 表4 1 1 一次调频对仿真结果的影响 6 2 表4 1 2 不同区外联络线输出功率的仿真结果 6 3 表5 1 孤岛检测方案的比较 6 9 表5 2n e we n g l a n d 测试系统主力机组调速器参数 1 7 3 表5 3n e we n g l a n d 测试系统主力机组调速器参数 2 7 3 表5 4 线路最人传输容量 7 3 表5 5d g 发电机动态参数 基准容量 2 0 m 恰 7 4 表5 6d g 变压器参数 基准容量 2 0 m v a 7 4 表5 7 低频减载方案 7 4 表5 8 低压减载方案 7 4 表5 9 主力机组允许运行范围 p u 7 4 表5 10d g 保护方案 厂 v 7 5 表5 1 1d g 最火准入容母 频率及电压检测法 7 5 表6 1n e 一3 9 系统连锁故障发展顺序表 8 3 表6 2 基于停电概率的不同d g 保护方案下的最人准入容量 8 7 i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研究成果 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 也不包含为获得逝婆太堂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谢意 学位论文作者签名 签字日期 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑堑太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文 的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝塑太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和传播 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 签字日期 年月同 导师签名 签字同期 年月日 致谢 在攻读博士学位期间 不但在学术上得到韩祯祥教授和甘德强教授两位导师 的精心指导 而且导师严谨的治学态度 精益求精的科研作风 以及宽广的胸怀 不断奉献的人生精神都将使我终生受益 在这里向两位导师表示衷心的感谢与诚 挚的敬意 在读期间 黄民翔教授对我的学 3 和生活上给予了很多帮助和建议 使我受 益良多 吴浩副教授在学术上对我提出了很多帮助 使我得以顺利渡过难关 在 此向两位老师一并鞠躬谢过 感谢辛焕海 吴荻 黄伟 李晓坷等同学以及3 0 4 和3 0 7 两个实验室的各位 同学的热情帮助和支持 感谢我的父母对我的鼓励与支持 使我能够安心的顺利完成学业 感谢所有 关心帮助过我的亲人与朋友 l 绪论 1 绪论 1 1概述 电力系统是有史以来最大的人造机器 它主要包含三个基本组成部分 一 是发电 输电 配电以及负荷组成的能量转换 传输及消费的一次系统 二是保 障一次系统安全 可靠 经济运行的自动控制系统 三是将电能作为商品的市场 交易系统 受自然条件 社会因素的限制 能源中心与负荷中心往往相距较远 发电厂 提供的电能需经线路 变压器 开关等元件组成的庞大电力网送到用户终端 由 于电能以光速传输且不能大规模 大容量的存储 因此全网电能的供应与消费是 瞬时完成且时刻保持平衡 电力系统互联运行能够经济合理的整合火力 水力 核能等资源 降低系统 总备用容量的同时也提高了供电可靠性 在技术上和经济上具有十分明显的优越 性 近年来 我国大力发展区域电网互联 西电东送 特高压交直流输电等重大 工程 以便加强电网 优化能源结构 最大限度的发挥互联经济效益 提高系统 运行的安全可靠性 2 电力系统在运行时 经常会遭受各种自然或人为因素的扰动 这些扰动中有 的幅度不大或迅速衰减 对系统性能影响较小 但有些扰动就可能引起严重的后 果 如短路 大输电通道断开 稳定性破坏等 若处置不当 可能会引起严重的 设备损坏甚至大面积停电 在大规模区域互联以及电力市场改革的不断深化 电 力系统的结构及控制方式更加复杂 系统耦合性进一步加强 任意一处发生扰动 都会迅速波及全网 3 4 另一方面 随着系统规模增大 运行方式及负荷水平的 不断变化 系统的不确定因素造成的影响更为复杂 使得电力系统的规划 运行 面临更大的挑战 5 1 0 近年来全世界发生了多起严重的大范围停电事故 3 1 4 6 h 2 1 1 对国民经济及社会生活造成了严重后果 表1 1 因此 保持电力系统的安全 稳定运行 防止发生大面积停电事故已是我国电力系统面临的极端重要的问题 1 2电力系统可靠性 电力系统的基本任务是连续 不间断的提供合格质量 电压 频率 波形 的 电能 通常以可靠性来衡量 2 2 1 1 2 4 1 电力系统可靠性包括充裕性和安全性两方面 充裕性是指电力系统在静态条件下持续供给用户需求的能力 通常以缺电概 率 l o l p l o l e 停电频次 l o l f 停电持续时间 l o l d 以及电量不 足期望 e e n s 等指标来衡量1 2 2 1 2 4 1 浙江大学博十学位论文 表1 1 近年国内外主要的大停电事故列表 时间地点影响 损失 涉及8 个国家 西欧电网解列 故障1 5 小时后恢复供电 损失 2 0 0 6 1 1 0 4西欧 负荷1 7 g w 近5 千万人受影响 2 0 0 6 0 7 ol 中国 华中损失负荷共2 5 8 0 m w 2 0 0 5 0 9 2 6中国 海南金岛因台风引起的全岛停电 2 0 0 5 0 6 2 2 瑞士瑞士联邦铁路网瘫痪 停电持续4 小时 2 0 0 5 一0 6 一0 5俄罗斯莫斯科地区大面积停电 近一半区域瘫痪 损失1 0 亿美元 2 0 0 3 0 9 2 8 意大利 与欧洲电网解列 系统频率崩溃 意大利半岛全部停电 故障2 0 小时后恢复供电 损失功率1 8 0 g w h 影响5 7 0 0 万人 2 0 0 3 0 9 2 3瑞典 丹麦 故障6 5 小时后恢复供电 损失1 8 0 0 m w 影响近5 0 0 万人 损失6 1 8 g w 9 个州全停 最长停电时间达到2 9 个小时 影响 2 0 0 3 0 8 1 4美国 加拿大 5 千万人 损失3 0 0 亿美元 是有史以来最大规模的停电事故 2 0 0 1 一0 1 2 1巴西 损失负荷近2 3 7 6 6 m w 停电持续4 小时 19 9 9 0 7 2 9 中国 台湾 台湾全岛停电 停电时间长 损失达1 0 亿美元 1 9 9 6 0 8 1 0 美国西部停电事件5 小时 损失2 8 0 0 0 m w 影响7 5 0 万用户 19 9 6 0 8 0 3 马来西亚全国停电 损失负荷5 7 0 0 m w 安全性是指系统在承受大的扰动 如短路 的情况下向用户供电的能力1 2 5 1 主要从以下几个方面评估电力系统安全性m 1 系统的扰动情况 系统扰动是多样的 各扰动的大小 严重程度及发生概率 均不相同 当发生适度严重的扰动时 系统应满足规定的安全准则 通常在 更严重的扰动下 系统应能维持在某种特定状态 这是对静态安全的要求 2 扰动对系统供电的影响 系统负载不超出定额 各母线电压及频率维持在允 许范围内 不会出现稳定破坏或电压崩溃以及连锁反应 这是对动态安全的 要求 1 3电力系统稳定性 稳定性是指电力系统能够运行于正常运行条件下的平衡状态 在遭受在扰动 后能够恢复到可容许的平衡状态 2 6 1 稳定性是电力系统安全的重要问题 长期以 来对稳定性的分类有着不同的标准 i e e e c i g r e 将电力系统的稳定现象分为三 大类 功角稳定 电压稳定和频率稳定 2 7 1 如图1 i 所示 1 功角稳定性 互联系统的同步电机在承受扰动后保持同步运行的能力 它取 决于各同步电机的电磁转矩和机械转矩保持 恢复平衡的能力 2 电压稳定性 电力系统从一个给定的初始负荷状态承受扰动后保持系统所有 母线静态电压的能力 它取决于保持 恢复系统负荷需求和负荷供应两者之间 的平衡能力 3 频率稳定性 电力系统在发电 9 负荷显著不平衡导致系统严重故障后保持静 态频率的能力 它取决于保持 恢复系统发电和负荷的平衡 l 绪论 图1 1i e e e c i g r e 的电力系统稳定性分类 此外 我国 电力系统安全稳定导则 根据动态过程的特征和参与动作的元 件及控制系统 也将电力系统稳定分为功角稳定 频率稳定和电压稳定三大类 如 图1 2 所示 但其子类稍有不同 其中 1 静态稳定 电力系统受小干扰扰动后不发生非周期性失步自动恢复到初始运 行状态的能力 2 暂态稳定 电力系统受大扰动后 各同步机保持同步运行并过渡到原来状态 或新的运行方式的能力 3 动态稳定 电力系统受扰动后 在自动调节和控制装置的作用下保持长期运 行稳定性的能力 4 电压稳定 电力系统受扰动后 系统电压能保持或恢复到允许的范围内 不 发生电压崩溃的能力 图1 2d l 7 5 5 2 0 0 1 的电力系统稳定的分类 浙江大学博士学位论文 1 4电力系统扰动及运行状态 1 4 1扰动发生的原因 本文所涉及的扰动泛指一切非预期的或可预测的事件 这些事件将对系统产 生一定的影响 严重时可导致系统运行状态偏离额定值或失去稳定且需要采取补 救措施 扰动一般分为不可预测的突发性扰动和可提前预测的扰动两种 电力系 统的突发性扰动可能是外部因素引起 如自然灾害 或者是内部因引起 如设备 故障 引发系统扰动的主要因素有 4 1 1 自然条件 如冰雪覆盖导致断线 倒塔 凝雾 雷电导致绝缘闪络 气温较 高及散热条件较差引起线路过度弧垂并对地短路 其他概率较低但危害严重 的自然灾害 如地震 洪水等 统计表明约2 0 的故障由自然条件引起 2 电力设备故障 除自然条件引起的设备故障外 设备自身由于老化 失修导 致电气性能 如绝缘 和机械性能 如操作机构 出现故障或失效 3 供需平衡破坏 负荷或发电量突变引起二者之间的不平衡 如失去联络线 系统解列等 4 人为因素 人为因素包括规划设计欠佳 设备生产及维护不当 误操作 设 备误动 拒动 继电保护故障等 这些因素直接或间接的引发故障 甚至扩大 故障范围 对系统造成严重危害 1 4 2扰动的分类 电力系统在运行中可能发生的扰动差异较大 应根据其发生概率及可能出现 的后果采取不同的应对措施以保证系统必要的安全水平 我国将扰动按严重程度 分为3 类 2 9 1 并提出了相应的安全稳定要求 分类如下 1 第一类 单一元件扰动 a 任何线路单相瞬时接地故障并重合成功 b 同级电压的双回或多回线和环网 任一回单相永久接地故障重合不成功 及无故障断开不重合 c 同级电压的双回或多回线和环网 任一回线三相故障不重合 d 任意一台机组跳闸或失磁 e 受端任一变压器故障退出运行 f 任一大负荷突然变化 g 任一交流联络线故障或无故障断开 h 直流输电线路单极故障 4 l 绪论 2 第二类 较严重的单一故障扰动 a 单回线路单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合 b 任一母线故障 c 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功 双回线 三相同时断开 d 直流输电线路双极故障 3 第三类 多重严重扰动 a 故障时断路器拒动 b 故障时继电保护及自动装置误动或拒动 c 多重故障 d 失去大电源 e 其他偶然因素 此外亦可按持续时间对扰动予以分类 3 们 如图1 3 所示 1 2 s嬲s m i n h 厂 厂 t lliiilil lll1 1 11 01 0 011 01 0 0 i l o 1 0 01 0 3 1 1 0 4l o s 匮匝受圈 j 亘塑困 匝受亟圈 巫亟圈 二耍重互 玉墅垂 i皇丛垫垫空垫垫l 图1 3 系统扰动时域分布图 1 4 3运行状态 发生扰动后 系统处于不同的运行状态 需区别对待并采取不同的应对措施 和处理预案川 1 正常状态 系统频率及电压处于正常水平 所有的元件均运行在定额以 内 能供应全部负荷并有足够的稳定储备和备用容量 当系统发生第一 类扰动时 应能依靠其相应的控制措施就可以保持供电和稳定运行 2 警戒状态 正常状态下出现第一类扰动时就可能进入警戒状态 在警戒 状态下系统不能再承受第一类扰动 否则将损失负荷或元件 母线电压 及频率超出允许范围 因此需采取相应的措施消除不安全因素恢复至正 常状态 浙江大学博士学位论文 3 紧急状态 当系统发生第二类扰动时或系统处于警戒状态时又发生第一 类扰动 此时系统可能会失去稳定 此时应采取应急措施保持系统稳定 性和主网架的完整性 但允许损失部分负荷 4 严重事故状态 系统发生第三类扰动时 系统难以维持稳定运行并可能 崩溃 此时允许系统解列运行 损失部分负荷 但必须保证不出现系统 电压和频率崩溃 5 崩溃 系统稳定破坏 故障连锁反应 系统频率和电压崩溃 系统大范 围停电 系统解列 此后需较长的时间才能恢复供电 系统需考虑极端 的故障情况 配置完善的解列 减载措施 6 恢复过程 重建系统充裕状态的一系列控制过程 包括发电机组快速启 动 同步并列 输电网络重新带电 负载再供电 系统再同步 1 5安全控制措施 为了保证系统在各种扰动下的安全要求 需要采取一些安全控制措施 其中 包括设备保护和广域保护 设备保护在单个设备发生故障或超出许可运行范围时 迅速将其与电力系统其他部分隔离以防止设备损坏和事故扩大 广域保护 我国 称为安全自动装置 的使用已相当的广泛 但仍缺乏严格的定义 一般该保护检 测系统异常运行情况和预先计划的校正作用以保持系统的整体性和可接受的性 能 4 1 与设备保护相比 广域保护更注重整体系统的安全 下面将分别简述这两 类保护 1 5 1设备保护 电力系统主要的元件包括发电机组 变压器及线路三种 当电压 频率或潮 流超出其运行许可范围时需将其切除以避免被永久损坏 1 发电机频率 电压保护 当系统发电量与负荷不平衡时 频率会偏离额定值 当频率偏差较大时 对 机组 尤其是汽轮机 造成不良后果 3 1 1 当机组过频运行时 其散热条件及励磁 状况得以改善 但考虑机械强度的限制 对机组的频率上限有明确的规定 当机 组低频运行时 其散热能力下降使元部件过热甚至破坏绝缘 机组的固有谐振频 率尹往往低于系统额定频率 当频率接近尹时 会产生很强的机械应力 使叶片 产生累积性疲劳甚至损坏 因此机组在各个频段的运行持续时间都有严格的限 制 图1 4 所示为5 中典型的汽轮机异常频率持续运行时间限制 3 1 1 不同类型机 组的异常频率运行限制也有所不同 6 裟 1 篙勰 淼 图i4 蒸汽轮机异常频率持续运行时问限制 系统负序分量引起蕨转部件的2 倍颠扭力谐振 如2 5 的负序电压引起s 的负序电流及8 的2 倍频扭力 由此会造成转子的累积损伤 甚至是破坷 性的 当电压超出额定值时 会对机端绝缘造成损伤 电压低于额定值对 辅机 锅 炉给水泵 循环水泵 冷却泵 出力下降 使机组出力降低甚至无法正常工作 综上所述 根据i e c6 0 0 3 4 3 1 9 9 6 机组的持续运行条件应满足 矿 1 5 f l 2 f l1 1 如图15 所示 机组运行区域可分为 1 持续运行区 阴影 受限运行区 实 线与虚线之问 保护运行区 虚线以外 i e c6 0 0 3 4 3 1 9 9 6 建议凡机组运行在 持续运行区以外时 机组运行点的越限程度 持续运行时间咀及发生的频次均应 受到限制 0 9 8t 围i5 机组频率 电压运行范围示意图 浙江大学博上学位论文 2 发电机 变压器叫厂保护 当发电机突然的加速或减速时 与之相连的变压器会出现过励的情况 此外 低频减载切除由架空线或电缆提供的负荷时 会引起系统中的变压器过励 进而 引起如图1 6 所示的连锁反应 3 1 1 圆日圆日圈圆圈日回日圉日固 图1 6 变压器过励连锁反应示意图 因此 发电机及变压器都装设了叫勉保护以限制励磁水平 并独立于发电 机励磁保护 a n s ic 5 0 1 3 1 9 8 9 发电机 及i e e es t dc 5 7 1 2 0 0 2 0 0 0 变压器 对叫勉阈值作了相应的规定 1 发电机 机组输出端不得超过1 0 5 p u 2 变压器 额定负荷时 功率因数 o 8 且f 0 9 5 f o 时 1 0 5 p u 变压器输 出端 空载时 1 1p u 高压终端 上述变压器应包含发电机升压变 机组辅助变压器 励磁变压器等 图1 7 列出了几种典型的机组及变压器过励限制 图中阴影区域为禁止运行区 图1 7 机组 变压器过励限制 由于矿与厂可能会同方向变化 使得过压时v h z 保护不动作 所以需与电 压保护相配合 图1 8 所示为一种典型的过励磁保护整定方案 一般的 变压器 的过励磁限制比机组要严格得多 3 线路保护 线路短路是最常见的一种电力系统故障 故障清除越早对系统影响越小 目 前高压线路的继电保护动作时间与断路器动作时间之和约5 0 m s 当电网拓扑结 1 绪论 构发生变化时 某些线路会严重过负荷导致线路下垂甚至损毁 对此 实际应用 中两种不同的保护方式 3 2 1 后备保护经延时切除线路 根据实际运行情况可允许线路过负荷运行较长的 时间 如3 0 分钟及以上 显然这是一个反时限保护 对于1 3 2 倍峰荷电 流 切除时间考虑整定为2 1 0 s 通过减载 转移潮流等手段降低线路负荷 这种方式就属于广域保护的范畴 变压器的过负荷的保护方式与线路类似 1 5 2 广域保护 c i g r e 称广域保护为系统保护方式 3 3 1 我国称之为安全自动装置 3 4 1 主要 包括低频减载 u f d l 低压减载 u v d l 计划解列和切机等 这些安全措施构 成了我国电力系统的第三道安全防线 1 低频减载 u f d l 电力系统中必须配置低频减载装置 使保留运行的负荷容量能随时与在运发 电容量相适应 以保证在突然发生有功功率缺额后 能迅速使系统频率恢复到额 定值附近 不致引起系统频率崩溃 也不应使频率长期低于某一定值 低频减载 应与系统大机组的低频保护相配合并留有一定的裕度 以保证这些机组继续联网 运行 同时切负荷后要避免系统频率 5 0 h z 系统 下同 超过某一定值 如5 1 h z 引发机组的过频保护动作 整定低频减载时应考虑如下具体的问题 3 1 a 最高轮次的频率整定不宜超过4 9 1 h z 最低轮次的启动频率也不宜过低 b u f d l 的总切载量为最大负荷的3 0 一5 0 可均匀分配给各轮次 也 可以适当增加前1 2 轮的切载量 由于实际切载量往往小于预计切载量 所以安排各轮次切载量略宜大于计划方案 c 总轮次一般选3 7 轮 为反应系统频率的平均值 频率级差不应小于 0 2 h z 延时可考虑取为0 2 0 3 s 在水电比重较大的系统 调速系统反 9 浙江大学博七学位论文 应较慢 需防止切负荷后的频率过调 此外为避免频率长时间处于较低 的数值 可安排启动值较高但延时较长的特殊轮 d 启动判据的选择 国外有部分电力系统使用矽 衍作为启动判据 对此 仍有争议 目前绝大多数电力系统仍以频率定值作为启动依据 2 低压减载 u v d l 低压减载是一种避免系统大范围电压崩溃的最后方法 当其他的有效电压控 制手段已用尽时 电压仍低于某一数值且持续预定时间时 低压减载动作使电压 稳定或恢复至正常水平 低压减载分为就地切负荷与集中切负荷两种 4 a 就地切负荷 这是一种使用最广泛的低压切负荷方式 反映当地电压的 降落情况 大多安装在电压崩溃概率较高的地方 一般整定值在额定电 压的8 5 9 5 延时范围从几十周波到数分钟 对于不同的负荷类型 应采取不同的整定值 如低压时空调和电动机负荷易发生堵转吸收大量 无功加剧电压恶化 所以此类负荷的切除时间要比其他负荷短得多 b 集中切负荷 此方式往往反映系统发生扰动或拓扑结构的 变化 而不必 等电压下降再作出反应 所以动作速度相对较快 这对于短期电压失稳 特别是同时出现功角不稳定的情况是非常重要的 集中切负荷需要监视 全网的运行状况并将信息传送至控制中心 再依据扰动预案将切载命令 付诸实施 总而言之 由于实际运行情况与设想的情形差别较大 几乎不可能精确计算 出减载计划 那么多准备一些低频 低压切载容量并适当安排级数和级差对系统 安全稳定是有益无害吲3 1 3 解列 系统稳定破坏 暂态失稳或动态失稳 开始阶段的直接表现一般是两个同调 机群之间相对功角差不断增大而失去同步 引起潮流和电压的强烈振荡 给系统 造成较大的冲击 甚至大面积停电 按失步断面 e e 心 将失步系统解列是消除异 步运行最简单有效的方法 3 0 1 电力系统失步解列是指当电力系统失步后 选择合适的解列点将系统解列 使由频率不等而发生振荡的两部分系统失去联系 因而也就消除了振荡 避免事 故在全系统的进一步扩大 失步中心位于机群之间的电气联系上 因此实际工程 中解列点的选择一般是通过捕捉失步中心的位置 判断其所在的一组失步断面联 络线 确定失步断面后再实施解列p 5 1 l o l 绪论 判别系统失步较直观和较可靠的判据是失步中心两侧 或两部分 的相量角 差超过1 8 0 t 3 5 当然也可演变为基于系统异步运行过程中视在阻抗轨迹 功率 视