电压稳定计算中配网模型的研究-毕业论文.doc

电压稳定计算中配网模型的研究【摘 要】从近几年来世界电网发生的事故来看，电压崩溃问题越来越成为我国电网安全稳定运行的潜在问题。本文章首先从电压稳定性的概念出发，解释介绍了电压失稳的机理，分析和评述了各种基于静态和动态的电压稳定性的研究方法。然后再详细介绍了配网模型的一些基本概念，所要研究的崇明电网的一些整体情况以及PSPAP软件的一些使用方法。再通过搭建六个崇明电网模型，来模拟不同负荷和有无配网情况下的网络状态。接着通过使用PSASP软件对崇明电网配网模型进行分析计算，并且得出在电力系统中电压稳定和配网模型的一些关系。关键词：电压稳定；配网模型；临界负荷53【Abstract】Seeing into the faults worldwide on the power network recently, the problem of voltage collapse is an underlying threatening problem in the security of the power network operation in our country. Firstly, based on the primary concepts of voltage stability, this paper explains the voltage instability phenomena. Approaches to voltage stability study based on static and dynamic means are analyzed and reviewed. Then this paper explains some concepts of the distribution model, the situation about the Chongming power system and some operation methods of PSASP software. After that we make six distribution models to model the situation that have distribution model or not. So we can analyze the Chongming power system by PSASP software. Then we can know some relations of power system voltage stabilize and distribution model.Key words: Voltage Stability；Distribution Model；Critical Load目录1 引言11.1 电压稳定和配网模型的研究意义11.2 本文的主要工作22 电压稳定综述32.1电压稳定性的基本概念32.2电压稳定性的简单分类32.2.1按研究的时间范畴分类32.2.2按扰动大小分类42.2.3按研究的方法分类42.3 电压稳定性问题的提出52.4 电压失稳的机理解释72.4.1 解释静态电压稳定性92.4.2 解释暂态电压稳定性102.5 电压稳定性分析方法122.5.1 基于静态的分析方法122.5.2 基于动态的分析方法153 配电网概述183.1配电网的定义183.2城市配电网主要功能和要求183.2.1.城市配电网主要功能183.2.2城市配电网结构主要要求193.3城市配电网的发展主要趋势194 崇明电网的简介204.1 崇明电网的规模:204.2 2005年度用电、负荷情况204.3 崇明电网存在的主要问题和改进意见205 PSASP软件介绍225.1 PSASP软件概述225.1.1 PSASP简介225.1.2 PSASP体系结构225.2 PSASP主要功能介绍225.2.1 基础数据的建立和编辑方法235.2.2 潮流计算流程236 软件使用心得257 用PSASP软件分析崇明电网267.1搭建6个网络模型267.2设置故障分析暂态稳定情况288 结论50致谢51参考文献：52附录531 引言1.1 电压稳定和配网模型的研究意义电力系统稳定问题的一个侧面: 电压稳定问题, 是近年来电力工作者最为关注的重要问题之一。以前, 稳定问题突出的是功角稳定问题, 即发电机转子相对运动的功角变化的稳定性。随着电力工业的发展, 电压稳定问题变得突出, 并在一些系统中造成了损失。当前电压稳定问题已成为许多电力系统所面临的挑战性问题。电压控制问题历来均受重视, 由于近来负荷中心与远方发电厂之间的输电设施使用得更充分, 对这个问题更为关切了。近三十年来，随着科学技术的发展，为满足日益增长的电能需求，电力系统发生了许多新变化，例如，电网电压等级的升高，电力系统的互联，大容量发电机组的普遍应用，远离负荷中心的水电厂、坑口电厂、核电厂的涌现，负荷容量的集中，直流输电和新型电力电子控制装置的应用。这些新变化对于合理利用能源，提高经济效益和保护环境都有重要意义。但受环境和建设成本的限制，电网结构却相对薄弱，发电设备储备量较少，系统常运行在重负荷条件下，这给电力系统的安全运行带来不少问题，其中之一便是电压不稳定或电压崩溃引起的局部丢负荷或大面积停电。自20世纪60年代以来，世界各国均发生过因电力系统稳定破坏而导致的大面积停电事故。1996年78月美国西部接连2次大停电事故，美国总统认为停电事故已“危及国家安全”。2003年下半年在北美和加拿大、英国伦敦、瑞典-丹麦、意大利都先后发生过大面积停电事故，震惊世界。特别是，2003年8月14日美加大停电波及5000万人口的供电范围，造成重大经济损失，是美国历史上最严重的停电事故。一旦电压崩溃就很难挽回，往往需数小时，乃至十几小时才能恢复正常供电，造成了巨大的经济损失和社会影响，其严重的后果引起了人们的广泛重视。电压稳定问题成为国际电力界普遍关注的课题之一。据统计，1970年至1980年间，我国电压崩溃事故发生过54次，占同期全部电网稳定破坏事故的四分之一，因此，电压崩溃也是我国电网安全稳定运行的突出问题。目前我国正处于经济快速发展时期，电力系统也已步入大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但电力建设普遍滞后于经济发展的水平，并且此状况还将长期存在，这迫使电力系统时常运行在接近极限输送能力的状态。因此，在目前形势下，借鉴国外恶性电压崩溃事故和我国以往局部电压失稳的经验和教训，对于避免电压崩溃事故的发生，具有特别重要的意义。现代大电网的大停电事故，大多起因简单，但演变进程复杂，而最终导致负荷丢失（停电）的往往是受端系统的电压崩溃。因此，电力系统的电压稳定问题逐渐受到越来越多的关注。而在电压稳定的分析计算中，选取适当的负荷模型是非常重要的。负荷模型选取是否得当，直接关系到电压稳定计算的准确性。进一步看，负荷模型挂于何处（配电线始端或配电线末端）也是很重要的。本文将对电压稳定计算中的负荷模型的接入地点进行分析研究。1.2 本文的主要工作基于上文所提出的电压稳定和配网模型的研究意义。本文首先阐释了电压稳定性的定义、分类及该问题的提出，分别从静态和动态的观点解释了电压失稳的机理，分析和评述了各种基于静态和动态的电压稳定性研究方法。然后再简单叙述了现代城市配网的定义，主要功能和要求，以及其未来的发展方向。接着对所要详细分析的崇明地区的电网情况作了一个大致的概要说明。接着在详细介绍了电力系统分析综合程序PSASP之后，通过运用PSASP对整个崇明电网进行潮流和暂态稳定计算，得出电力系统中电压稳定和配网模型之间的关系。2 电压稳定综述2.1电压稳定性的基本概念首先给出电压稳定性、电压崩溃和电压安全性的定义1。电压稳定性: 是指系统维持电压的能力。当负荷导纳增大时, 负荷功率亦随之增大, 并且功率和电压都是可控的。电压崩溃: 是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降的过程。电压安全性: 不仅是指一个系统稳定运行的能力, 也指在出现任何适当而又可信的预想事故或有害的系统变更后, 系统维持电压稳定的能力。当扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下降或向下漂移, 并且运行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落的时候, 系统就会进入电压不稳定的状态。电压的衰落可能只需用几秒钟, 也可能长达10至20 分钟, 甚至更长。如果这种衰落持续下去, 静态的功角不稳定性或电压崩溃就会发生。我国在2001年新版的电力系统安全稳定导则中，将电压稳定定义为电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。并指出：电压失稳可表现为静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳、大扰动动态失稳、长过程失稳。电压失稳可以发生在正常工作状况，即电压基本正常的情况下；也可能发生在不正常工作状况，即母线电压已明显降低的情况下；还可能发生在扰动以后。2.2电压稳定性的简单分类2.2.1按研究的时间范畴分类根据研究的时间范畴，还将电压稳定分为暂态电压稳定、中期电压稳定和长期电压稳定2。暂态电压稳定的时间范围为010秒，主要研究感应电动机和HVDC的快速负荷恢复特性所引起的电压失稳，特别是短路后电动机由于加速引起的失稳或由于网络弱联系引起的异步机失步的电压失稳问题。中期电压稳定（又称扰动后或暂态后电压稳定）的时间范畴为15分钟，包括OLTC、电压调节器及发电机最大电流限制的作用。长期电压稳定的时间范畴为2030分钟，其主要相关的因素为输电线过负荷时间极限、负荷恢复特性的作用、各种控制措施（如甩负荷等）等。2.2.2按扰动大小分类从扰动大小出发，将电压稳定分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定，这符合一般的线性系统和非线性系统的稳定性定义。这种分类主要是考虑把必须利用非线性动态分析来检验的现象和可以用静态分析来检验的现象区分开来。这种分类可以简化分析工具的研制和应用，而且可以产生一些附加的信息。大扰动电压稳定性关心的是大扰动（如系统故障、失去负荷、失去发电机等）之后系统控制电压的能力。确定这种稳定形式需要检验一个充分长的时间周期内系统的动态行为，以便能捕捉到发电机磁场电流限制器等设备的相互作用。大扰动电压稳定性可以用包含合适模型的非线性时域仿真来研究。小扰动（或小信号）电压稳定性关心的是小扰动（如负荷的缓慢变化）之后系统控制电压的能力。小扰动电压稳定性可以用静态方法（在给定运行点系统动态方程线性化的方法）进行有效的研究。系统受扰动之后，电压一般不能回到原来的值，因此，有必要确定认为可接受的电压水平区域。在这个电压水平区域内系统被称为具有有限稳定性。小扰动电压稳定研究在正常状况时遭受小扰动后的系统稳定性；与此相反，大扰动电压稳定则是研究遭受短路或网络操作等严重扰动后的系统稳定性。2.2.3按研究的方法分类根据研究的方法，有些学者将电压稳定问题分为三类，即静态电压失稳、动态电压失稳和暂态电压失稳3。静态电压失稳是指负荷的缓慢增加导致负荷端母线电压缓慢地下降，在达到电力系统承受负荷增加能力的临界值时导致的电压失稳，在电压突然下降之前的整个过程中发电机转子角度及母线电压相角并未发生明显的变化。动态电压失稳是指系统发生故障后，为保证其功角暂态稳定及维持系统频率，除进行了网络操作外，也可能进行切机、切负荷等操作，由于系统结构变得脆弱或全系统（或局部）由于支持负荷的能力变弱，缓慢的负荷恢复过程导致的电压失稳。由于电力系统在失去电压稳定前已处于动态过程中，发电机及其控制装置、负荷的动态行为都会对动态电压失稳产生影响。暂态电压稳定问题是指电力系统发生故障或其他类型的大扰动后，伴随系统处理事故的过程中发电机之间的相对摇摆，某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程，而此时系统发电机间的相对摇摆可能并未超出使电力系统角度失稳的程度。2.3 电压稳定性问题的提出图2-1所示为一单负荷无穷大系统的供电接线示意图。其系统受端电压功率特性表示由系统电源电动势经输电阻抗jX向一受端负荷供电时的系统运行电压特性。图2-1单负荷无穷大系统的供电示意图按单机供电方程可列出 (2-1)及 (2-2) 从而得 (2-3)并由此解得电压与受端负荷功率的关系为 (2-4)在上列算式中，各变量均为以某一电压(kV)和某一容量(MVA)为基准的标幺值。特别要说明的是：1) 当负荷由系统吸收无功功率时，Q为正值；而当负荷向系统送去无功功率时，Q为负值。2) 所有的P及Q值，都是对应于相应电压U值下的标幺值，而不是额定电压下的数值。认真分析式(2-4)，可以进一步求得一种简捷明了的电压稳定判据如下:不论系统结构如何复杂，从系统中的某一节点(变电所母线)看向系统，在任一瞬间，都可以把外部系统等价为一个电源电动势(开路电动势)经传输阻抗(到该节点的系统侧短路阻抗)向节点供电的一个单机系统。式(2-4)的唯一假定是认为传输阻抗中只有电抗成分，这一点一般可以认可，因此式(2-4)具有普遍意义。由式(2-4)，可解得系统中一供电节点的稳定临界电压比值为 (2-5)而保持该供电节点不发生电压崩溃的基本要求是 (2-6)从而，由式(2-6)可以找到该供电节点的临界系统等价电动势的值为 (2-7)以式(2-7)代入式(2-5)，即可导出电网中某一供电节点的母线电压稳定临界值为 ： (2-8)利用式(2-8)来分析电网供电电压的稳定性问题，就颇为方便了。例如：1.电网中某一节点的供电电压临界值，既是连接到该节点的负荷视在功率的函数，又是连接到该节点的系统等价阻抗的函数。电网中不同节点有不同的供电电压临界值，因而需要逐点校验。2.当节点的负荷固定不变，即不变时，该节点的稳定供电电压临界值()只决定于外部系统结构（电网的接线方式、接入的同步机数等）所形成的到该节点的短路阻抗X，而与同步机组的运行方式无关。但同步机组的运行方式决定了接到该节点的系统等价机组的电动势E值，从而决定了节点的实际运行电压值U。只要N-1或N-2事件后的母线电压值U大于按事件后的X计算求得的值，即可认为不会在该节点出现电压崩溃。3.当母线电压为U值，该节点的供电电压稳定性裕度M是 (2-9)由此，可以检查出在某一特定事故后方式下，哪个节点的裕度最小，需要优先在哪些节点采取特定措施，例如，增加无功功率补偿等。在电网中一个节点增加无功功率补偿，不但可以提高该节点的供电电压稳定性裕度（Q的绝对值减小，该节点电压提高），还可以提高相邻节点的电压，从而提高相邻节点的供电电压稳定性裕度。4.在一个负荷集中的地区，如果因为无功功率补偿能力不足，或外部供电电压过低，在运行中导致电网枢纽点电压不断下降时，中止发生电压崩溃的最佳手段，是适当地切去部分地区负荷。它的效果是双重的：可以有效地降低临界电压。一般负荷情况下，P的绝对值总是显著地大于Q的绝对值，因而减小P（包含所带有的部分Q）对降低的作用特别显著；由于要求电网传输的有功功率减小，同时也提高了受端枢纽点的电压U，因而使电压稳定性裕度M得以显著增大见式(2-9)。5.式(2-8)中的P与Q值是对应于电压为时的值，如果P与Q值随供电电压下降而减少，由式(2-8)当然有利于提高节点的供电电压稳定性，即允许有较低的稳定运行电压；如果节点电压因事故而降低，而供电的P及Q值因供电变压器带负荷自动调节分接头的作用而保持基本不变，一则增大到该节点的电流，在jX上产生增大的电压降，使U更为下降，二则允许的依然如故，两者的综合作用将促进电压崩溃现象的出现。进一步的分析结果表明，式(2-8)具有更为普遍性的意义。在以上的论述中，式(2-8)是在电源与受电母线间的连接阻抗为纯电感jX的前提下求得的。如果该连接阻抗为,而不为零，即具电阻成分时，按上述的同样原则，可求得 (2-10)而 (2-11)以式(2-10)代入式(2-11),同样可得 (2-12)即式(2-8)仍然完全正确，只是此时需要以连接阻抗的绝对值Z代替X。2.4 电压失稳的机理解释模型如图2-2所示，其中是状态变量，描述其动态特性的方程为： (2-13) 上式中，是图2-2所示负荷模型中动态负荷所消耗的电磁功率，则代表图2-2负荷模型动态负荷所输出的其它形式功率，也是的函数，但在本文的定性讨论中，为了突出重点，一律将其简化为常数，这样做并不影响基本结论的正确性。当时，减少；当时，增大；当时，不变，对应于平衡状态。在我们讨论的范围内，有，这时，减少，对应于负荷等效导纳增大，负荷节点电压下降；增大，对应于负荷等效导纳减少，负荷节点电压上升。（213）式描述了负荷的如下共同动态特性：当输入的电磁功率与输出的其它形式的功率失去平衡时会自动调整其等效阻抗，以求达到新的功率平衡。电动机如此，其它的动态负荷也是如此。从下文的分析我们将看到，负荷的这种动态特性对电压崩溃的发生负有主要的责任。图2-3是一个负荷用阻抗模型表示的简单系统，设为恒定值，则当负荷阻抗变化时，负荷节点的电压和有功功率与负荷的等效导纳的关系分别如图2-4和图2-5所示。当负荷电导逐渐加大时，负荷所消耗的有功功率先是增大，达到最大值后逐渐减小，而电压幅值则是单调下降的。P-G曲线和V-G曲线所具有的这两条性质是网络本身所固有的，与负荷的性质无关。负荷导纳的变化规律不同，P-G曲线和V-G曲线的具体形状会有所不同，但以上两条性质不会改变。本文把这两条性质的前者称为P-G曲线的锥形性质，后者称为V-G曲线的单调下降性质。图2-3简单系统2.4.1 解释静态电压稳定性在图2-4所示的P-G曲线中，C点对应于电磁功率最大值，相应的电导值为。对于给定的负荷功率，对应的运行状态有两种，如图2-4中的A图2-4 P-G曲线图2-5 V-G曲线点和B点。以顶点C为界，当时，系统是电压稳定的，当时，是电压不稳定的，C点就是静态电压稳定临界点。下边以A、B两点为例加以说明。在B点，如果负荷电导有微小的减小，则动态负荷所吸收的电磁功率将增加，根据（2-13）式，负荷电导会进一步减小，直到达到A点，重新实现功率平衡。反之，如果负荷电导有微小的增加，负荷所吸收的电磁功率减少，负荷电导会进一步增大，使更小，根据(2-13)式，负荷电导增加更快，根据V-G曲线的单调下降特性，负荷节点电压也迅速下降，即形成电压崩溃。所以B点是电压不稳定的。类似的分析可以得到A点电压稳定的结论4。在实际运行中静态电压崩溃是这样发生的：随着负荷的不断加重，运行点越来越向临界点靠近，最后达到离临界点很近的地方，甚至达到临界点，这时如果系统中出现一个小的扰动，如新用户的投入或因发电机、无功补偿的调整使负荷节点电压下降，使，根据(2-13)式和P-G曲线，负荷等效导纳将不断增大，形成电压崩溃。由此可见，在负荷采用导纳模型以后，利用(2-13)式和P- G曲线，可对电压崩溃的全过程做出连续演变的解释。这也提供了仿真的方法，关键在于建立准确的负荷模型。总结上述分析，我们可以得出以下结论：P-G曲线的锥形性质，V-G曲线的单调下降性质和为了保持功率平衡负荷会自动调整导纳的性质，可以对电压崩溃过程做出合理的解释。当输入的电磁功率小于输出的其它形式的功率时，负荷会自动增大其等效导纳，这是系统会发生电压崩溃的根本原因，而系统中的其他因素，如发电机、网络结构、有载调压变压器OLTC、负荷中心的无功备用等等，这些只是影响电压稳定的重要因素.由上所述可以看出，所谓的电压稳定问题，本质上是负荷的稳定问题，当出现功率不平衡时，用电设备是通过自动调整重新恢复平衡，还是使不平衡状态继续恶化的问题，其失稳形式，从系统方面看则表现为电压的“雪崩”式的下降。因此，我们这里还是沿用“电压不稳定性”这一习惯采用的术语。2.4.2 解释暂态电压稳定性暂态电压稳定系研究系统受到大扰动以后负荷节点电压的稳定性。为简单起见，以图2-6所示的三回线系统为例，故障为一条线路或两回线路被切除，图2-7绘出了三条P-G曲线，其中曲线1对应于正常情况，曲线2、3对应于故障情况，但严重程度不同。图2-6 三回线系统图2-7 暂态电压稳定根据前面的分析可知，曲线2存在新的功率平衡点，是电压稳定的。在曲线3上，在线路切除时刻，系统运行于点，因为输入的电磁功率少于输出的其它形式的功率，负荷导纳将不断增大，但是直到功率最大点C，仍不能实现新的功率平衡，负荷导纳继续增大，负荷所吸收的电磁功率反而减少了，根据(2-13)式，负荷导纳将加速增大，发生电压崩溃。 为了进一步说明电压崩溃发生的情况，作者对以上两种情况进行了仿真计算。其初始状态的参数和模型参数都附在图2-8之下。图2-8对应于图2-7中存在新平衡点的曲线2，图2-9对应于电压失稳的曲线3，对于后者，除给出负荷端口电压和动态负荷输入的电磁功率随时间变化的曲线外，还给出了负荷端口等效电导和电纳，以及有功功率和无功功率的变化曲线。从中我们可以清楚地看到电压崩溃的过程。在电压崩溃过程的初始阶段，负荷所吸收的无功功率急剧上升，导致负荷节点电压更低，负荷吸收的有功功率更少，功率不平衡量更大，加剧电压崩溃过程。至于为何会出现无功功率的上升，仍要追溯到负荷的结构特征和上文提及的动态特性。本文关注的是电压崩溃的本质特征，所以以上仿真计算中没有计及发电机的动态。图2-8 一回线退出运行图2-9 两回线退出运行与功角摇摆方程相比，负荷动态方程(2-l3)是一阶的，所以只要故障后存在新功率平衡点，则是电压稳定的。从这一点来说，暂态电压稳定的研究比暂态功角稳定还要简单一些。研究电压稳定的最大困难在于建立准确的负荷模型。2.5 电压稳定性分析方法电压稳定的分析方法可以分为两种5，一类是基于静态的分析方法，另一类是基于动态的分析方法。动态分析法又可进一步分为小扰动分析法、暂态电压稳定分析法和长期电压稳定分析法。2.5.1 基于静态的分析方法早期人们简单地将电力系统电压失稳问题看作系统过载引起，从而将其视为静态问题。利用代数方程研究电压的稳定性，大体上可以归纳为最大传输功率法、潮流多值法、潮流雅可比矩阵奇异法和灵敏度分析等，其中延拓潮流(CPFLOW)在求取系统PU曲线中得到了广泛的应用。它使用延拓法跟踪负荷和发电机功率变化情况下电力系统的稳态行为，通过求解增广潮流方程得到穿越雅可比矩阵奇异点(“鼻尖”点)的解曲线，并且不会碰到病态的数值困难。延拓潮流使用预估校正方案找出随负荷参数变化的潮流解路径，其求解过程如图2-10所示。图2-10 延拓潮流计算过程示意图从已知的基本解A开始，利用切线预估器估计指定负荷增加模式下的解B，然后在固定负荷下使用常规的潮流程序校正估计值，从而得到准确的解C。此后，基于新的切线预估器预估负荷进一步增加后的母线电压。如果新估计的负荷D超出准确解下的最大负荷，则在固定负荷下的校正将不收敛。这时，在固定电压下实施校正，从而得到准确解E。其中，引入的负荷参数对避免潮流雅可比矩阵出现奇异起着主要作用。为反映动态元件在电压稳定中的作用，可将动态元件方程和潮流方程联立求解，从而建立动态潮流模型，但动态潮流方法仍基于潮流模型，不能精确反映系统动态特性特别是故障后的动态特性。甚至基于潮流的PU或者QU曲线的分析结果会出现与实际不符的情况。总之，静态方法的优点是将一个复杂的微分方程解的性态研究看成是简单的非线性代数方程实数解的存在性研究；其缺点是不能反映各元件的动态特性，且将电力系统的潮流极限作为小干扰电压稳定的极限点，而这仅是电压稳定的必要条件而非充分条件，因而其结果大多是乐观的。这一类分析方法主要有：最大功率法、灵敏度法、潮流多解法和奇异值分解法等6。1)最大功率法最大功率法基于一个朴素的物理观点,当负荷需求超出电网极限传输功率时,系统就会出现象电压崩溃这样的异常运行现象。最大功率法的基本原则是将电网极限传输功率作为电压崩溃的临界点,从物理角度讲是系统中各节点到达最大功率曲线族上的一点。电压崩溃裕度是系统中总的负荷允许增加的程度。常用的最大功率判据有:任意负荷节点的有功功率判据、无功功率判据以及所有负荷节点的复功率之和最大判据。当负荷需求超过电力系统传输能力的极限时,系统就会出现异常,包括可能出现电压失稳,因此将输送功率的极限作为静态电压稳定临界点。如果负荷从当前的运行点不同的方向增加,就会有不同的电压稳定临界点,有不同的电压稳定裕度,但在这些方向中总会有一个方向的电压稳定裕度最小。计算出这个方向和电压稳定临界点,就能为防止电压失稳提出有效的对策。我们把这个方向定义为最接近电压稳定极限的方向,这个电压稳定临界点定义为最接近电压稳定临界点。2)灵敏度法灵敏度法利用系统中某些量的变化关系来分析电压稳定问题，因此其优点是不仅能给出电压稳定的指标，而且能够方便地识别系统中各节点的强弱，给出相应采取的对策。这类方法往往从简单系统中得出灵敏度判据，然后推广到多机复杂系统。最常见的灵敏度判据有、，其中、和、分别为PQ节点和PV节点的电压和无功注入量，为电网输送给节点的无功功率的总和与负荷需求的无功功率之差。把这些判据推广到复杂系统中，则转化为某种形式的雅可比矩阵的数学性质的判断，如是否为M阵，对角元素为大于0等。这里需要指出的是，在简单电力系统中，各类灵敏度判据相互等价，且能够准确地反映系统传输功率的能力，但推广到复杂系统后，则彼此不能保持一致，有时会出现一些判别错误。例如将节点的无功电压灵敏度和发动机无功负荷作为电压失稳的判据。正常运行时，它们为一较小值；而当接近临界点时，灵敏度值骤然增大许多。因为网络结构的非线性，这些判据在实际运行电压邻域内才准确有效。3)潮流多解法潮流多解法是以一对相关邻近潮流解之间的距离来判断电压稳定性。潮流方程解的个数随负荷水平的加重而成对减少,当系统的负荷增加到临近静稳极限时，潮流方程只存在2个解,潮流雅可比矩阵接近奇异，这2个解关于临界点对称。这一结论为计算电力系统的极限运行状态提供了一条途径，间接地克服了潮流方程的雅可比矩阵在临界点奇异而带来的收敛问题。在重负荷情况下,如果某种干扰使系统由高电压解转移至低电压解,则将发生电压崩溃,但在接近临界点时常规潮流仍存在收敛困难问题。因此这2个对应电压解的求取需要采取一定措施,给出严格的初值范围。这样就可以根据多解的个数及多解之间的距离反映了系统接近极限运行状态的程度。除运行解以外的所有其他潮流方程组的解都对应于电压崩溃状态，电压稳定与电压崩溃的交叉点就是静态潮流方程的鞍结分歧点。随着负荷的加重，潮流方程组到最后只存在一对解。研究这对邻近解的物理特性会发现：高低电压解对应的雅可比矩阵行列式值符号、某些量对节点注入量改变和电压无功控制的灵敏度符号、网络储存能量对频率变化的灵敏度符号等正好相反,由此得出低电压解不稳定的结论。在负荷情况下,如果某种干扰使系统由高电压解转移到低电压解,则将发生电压崩溃。4)奇异值分解法早在1975年，Venikov等人首次提出应用潮流雅可比矩阵奇异度作为静态稳定性指标。通过稳定极限处的雅可比矩阵奇异的特点来判断当前研究状态是否稳定，同时最小奇异值被用来判定当前雅可比矩阵离奇异值有多远，即电压稳定裕度。如果当前雅可比矩阵的最小奇异值等于零，则当前雅可比矩阵是奇异的，相应的潮流解不存在。因为奇异点处，雅可比矩阵的逆矩阵不存在，这可以被解释为潮流解对于参数小扰动的无限大的灵敏度，但前提是将负荷功率及原动机机械功率假设为恒定值，同时假设励磁系统的稳态增益为无穷大。由于实际电力系统不可能满足这些假设，因此也难以估计应用这类方法所得结果的误差。以上基于潮流方程的静态分析方法都已经有了可以实用化的程序，其物理本质都在于把电力系统重负荷下的极限运行状态作为电压失稳的临界点，不同之处在于利用权限运行状态的不同特征作为判据，最终都可以归结为系统雅可比矩阵的奇异性分析。但是需要指出的是，系统雅可比矩阵可能在多种方式下奇异，系统状态越限和电压不稳定只是其中两种可能性。系统雅可比矩阵的奇异性是电压不稳定的必要条件而非充分条件，换言之，由电压不稳定可以推知其相应的系统雅可比矩阵一定奇异，而雅可比矩阵奇异并不能推出其相应系统运行点一定电压不稳定，关键在于得到符合系统运行状态的雅可比矩阵。电压失稳的发生应该归于网络输送功率的能力的有限和动态元件的固有动态特性，现在普通认为电压静态分析方法得出的结果难以令人信服，需要进一步接受动态机理的检验。2.5.2 基于动态的分析方法经历了静态研究方法之后，电压的动态属性受到了重视，电力系统是典型的动态系统，和功角稳定性一样，系统的电压稳定性也属于一类动态系统的稳定性问题。理论上，考虑了元件的动态特性更能揭示电压失稳过程的本质。值得注意的是，电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定和电压不稳定的发生常常交织在一起，一般情况下其中的一种占据主导地位，但并不易区分。然而，人为地将功角稳定性和电压稳定性区分开，对于充分了解系统不稳定的原因，进而制定系统的运行方式和稳定控制策略是相当重要的。动态分析方法，主要是小干扰分析和时域仿真法得到了广泛的应用，具体可分为小干扰电压稳定性分析、暂态电压稳定性分析和长期电压稳定性分析3部分。1，小干扰电压稳定分析方法7小干扰电压稳定分析方法基于系统的微分代数方程为： (2-14)将式（2-14）在运行点处线形化，得： (2-15)消去代数变量，可得系统状态方程系数矩阵： (2-16)通过研究系统的状态方程系数的特征值可以判断系统的电压稳定性特征：若所有特征值都位于复平面的左半平面，则系统是稳定的；若有一个实特征值或一对共轭特征值位于右半平面则系统不稳定；若特征值位于虚轴上则对应临界状态。小干扰电压稳定分析内容主要包括小干扰稳定性分析方法的研究、小干扰稳定极限的研究、特征值灵敏度的分析和应用3个方面。如何简单计算线性化状态方程系数矩阵的全部特征值是小干扰稳定分析的重点。从早期的QR算法开始，许多学者不断探索大型系统小干扰稳定分析的新方法，并提出利用计算部分特征值分析大型电力系统小干扰稳定性，如S矩阵法、重新因子化的双迭代法等。我国学者提出了一种通过比较2种雅可比矩阵行列式符号判断系统电压小干扰稳定的方法，它不但具有严格的理论基础，而且不需要特征值计算。尽管小干扰法的数学原理清晰，但由于电力系统的动态元件非常多，其时间常数可从很短的暂态时间(几秒)过渡到几分钟甚至几十分钟，所以建立整个系统完整的运行点的线性化微分方程系数矩阵是很困难的，建立简化的模型精确反映电压稳定性值得进一步研究。另外，现有的小干扰分析方法中系统动态元件数学模型有很大差别，使得小干扰失稳模式的合理区分成为一个需要注意的问题。2， 暂态电压稳定性分析方法8 电力系统暂态电压稳定性是指系统经受大扰动后，各负荷节点维持正常电压水平的能力。当系统受到大扰动后，只有功角、电压和频率都稳定，才能认为系统是暂态稳定的。与功角稳定性相比，暂态电压稳定性要复杂得多，要详细模拟大量分布在配电系统中负荷的动态行为是不可能的，并且功角稳定性和暂态电压稳定性总是交织在一起，更为复杂的是暂态电压稳定问题和暂态电压跌落问题是互相联系的不同概念，这使得建立理论上严格的暂态电压稳定性判据十分困难。目前的暂态电压稳定判剧大多数是归纳性判据，理论依据较少，且规则较多，不便实际应用。从目前的仿真结果看出，系统失去暂态电压稳定性时，电压一般是单调下降的，很少出现振荡失稳形式。毫无疑问，用时域仿真法进行电压暂态稳定分析是最为精确的方法：可获得各种量随时间变化曲线；可适应各种元件模型以及保护装置模型；可适应各种元件的非线性以及离散操作。但时域仿真积分速度慢，特别是计算稳定极限时，分析量非常大。为了更精确地分析系统暂态特性，所用的模型和参数需要进行有效性评估。总体而言，如果可以提高计算速度，充分利用输出的大量信息，时域仿真法是十分理想的方法，其重点是负荷的合理建模以及判别方法。3， 长期电压稳定性分析方法9长期动态仿真无疑是研究长期电压不稳定机理、崩溃过程以及检验其他电压稳定分析方法正确性的有效手段。为把暂态稳定程序扩展到几分钟甚至更长时间的框架下使用，需要增加的关键性模型有ULTCs,OLEs，以及负荷恢复、电压和频率的二次调整、锅炉等。短期动态过程大约持续几秒而长期动态过程大约持续几分钟，在这两个不同的时间过程中，起主导作用的元件是各不相同的。如短期过程中发电机及其相应的励磁调节系统和调速系统、静止无功补偿器(SVCs)、高压直流输电系统(HVDCs)、感应电动机负荷等将对系统的电压稳定性起主要作用，而长期过程中ULTCs, OELs以及可操作并联电容器、负荷恢复、电压和频率的二次控制、自动发电控制(AGC)等将对系统的电压稳定性起主要作用，因此必须对这些不同时刻起主导作用的元件加以详细描述，而对次要元件用简化模型描述。准稳态分析方法(QSS) 9在静态分析方法和动态分析方法之间进行了折衷，根据长期电压失稳具有慢动态的特性，把微分方程用其平衡点处的方程代替，通过求解系统的一系列暂态平衡点描述系统中长期运动轨迹，图2-11给出了QSS的计算过程。图2-11 QSS计算过程由图2-8可见，在QSS的仿真过程中，忽略了短期的动态过程，其中从AA，BB的转换是由于ULTC，OLEs等离散元件的动态造成的。A，B 等点是更新了ULTC，OLEs等离散元件的状态后用牛顿法求解的系统电压等代数变量数值。尽管QSS方法在安全分析和实时应用上有较好的精度和速度，但有两点需要特别注意：首先，对于某些严重事故，QSS会忽略暂态电压失稳问题；其次，QSS无法给出长期电压不稳定所导致的最终以暂态形式表现出来的电压崩溃现象。3 配电网概述3.1配电网的定义配电网通常是指从输电网接受电能，再分配给各用户的电网。以电力系统的多层次特点而言，各级电压的输电网与各级电压的配电网是属于电力系统的不同层次。以输配电设施的网络特点而言，我国习惯对输电系统也统称输电网，配电系统也统称配电网。配电网与输电网，原则上是按照其发展阶段的功能来划分的，而具体到一个电力系统中，则是按照电压等级而确定的10。根据部颁城市电力网规划设计导则的规定：送（输）电电压为220KV以上，配电网的电压等级分为高压配电电压（35，63，110）KV，中压配电电压（10，20KV），低压配电电压（380/220V）三类。世界上许多国家，依旧按照传统习惯将10KV及其相邻电压称为一次配电电压，将380/220V及其相邻电压称为二次配电电压，而将35，63，110KV等在发展历史中曾经起过输电作用的电压等级，称为次输电电压，但在性质上仍列入配电电压之类。也有些国家主张将电压等级明确划分为输电电压，次输电电压与配电电压三类。我国规定，则将次输电电压称为高压配电电压，以突出其配电性质。3.2城市配电网主要功能和要求3.2.1.城市配电网主要功能1) 从输电网接受电能，并逐级分配或就地消费，即将高压电能降低至方便运行又适合用户需要的各种电压，组成多层次的配电网，向各种用户提供充足，优质，可靠，廉价的电力。2) 按照高压，中压，低压配电网的电压等级向各种电压等级的用户供电。3) 为了便于多层次配电网的安全运行和调度，必须配有必要的继电保护和自动控制设备。4) 不同电压等级的配电网络之间通过变压器连接成一个整体配电系统。当系统中任何一个元件因检修或故障停运时，其所供负荷既可由同级电网中的其他元件，也可由上一级或下一级电网供电。3.2.2城市配电网结构主要要求1) 各级电网的接线应规范化，标准化。2) 高压配电网接线力求简化。3) 下一级电网应能支持上一级电网。3.3城市配电网的发展主要趋势城市配电网发展的主要趋势表现在以下几个方面11：1) 配电网接线简化和提高可靠性。在具备条件的地方，可采用线路变压器单元，取消高压侧断路器，在线路故障时跳开送端断路器。采用多回路并列运行或多回路闭式环网运行，以提高线路利用率和供电可靠率。开环运行的单环网加装馈线自动化装置，以减少故障时用户停电时间。2) 节省用地和线路走廊为减少与城市建设的矛盾，减少线路走廊用地和配电装置占地，半地下变电所和地下变电所以及小型成套配电设备，将在配电网中进一步扩大使用。窄机铁塔，钢杆线路，多回路并架线路将继续采用。地下电缆建设日益增加，电缆隧道，电缆沟，预制排管，公用事业管道合用的共同沟与共同隧道等措施将进一步推广。3) 简化电压等级这有利于配电网络的管理个经济运行。世界各国都规定了电压等级和标准，并尽可能减少降低层次，将已存在的非标准电压逐步升压改造。同时随着负荷密度的不断增长，将输电电压（如220KV）直接引入市区，法国巴黎的输，配电标准电压只有400V和20,225KV三级，收到了很好的效果。4) 架空线路入地为了城市的景观和安全供电，有些城市早已开始将城市配电网架空线路进行入地的建设和改造。绝缘导线或绝缘电缆的架空配电网也早已得到广泛采用。5) 配电自动化由于计算机技术的迅速发展，促使自动化技术的应用已由变电所发展到配电线路，并使供电与用电两面的业务紧密联系，从而使配电网的管理水平进入更高阶段。为了提高供电可靠性，配电网从馈线自动化到配网信息化以及区域性的配网自动化正逐步发展完善。在配电施工，检修中研发和推广用户不停电作业，带电作业以及设备状态检修等先进工艺和技术。4 崇明电网的简介4.1 崇明电网的规模:截止到2005年年底崇明电网共有：发电总装机容量165MW，14#、15#、16#机容量分别为55MW、60MW、50MW；220KV变电站1座，有载变压器2台，容量240MVA；110KV变电站6座，有载变压器11台，总容量375MVA；35KV变电站17座(其中16座为无人值班站)，有载变压器33台，总容量292.5 MVA。220KV线路2条，总长度64.622KM(过江段3.759KM为江面上大跨越)；110KV线路13条，总长度303.6KM；35KV线路40条，总长度310.5KM；10KV线路150条。4.2 2005年度用电、负荷情况2005年度用电负荷屡创新高，超去年最高负荷244MW的负荷天数有3天，其中8月17日用电最高负荷260MW(不计当日用户错峰让电负荷,修正负荷为26.5MW),比2004年244MW负荷增加16MW，上升6.6%。最大日用电量达551万度。崇明本岛地区用电负荷以年增长率7%上升，预计崇明本岛地区负荷在2008年320MW,甚至更高的水平。4.3 崇明电网存在的主要问题和改进意见1. 电源点建设慢崇明电厂机组容量小，设备陈旧，需加紧电源点建设，确保崇明电网的安全稳定运行。2. 负荷平衡缺口大 由于崇明三岛总体负荷上升较快，以2005年负荷290MW为基础，则2006年负荷预计将达330MW， 而三岛发电装机容量仅为189MW，缺口达141MW，此时220KV中双港站联网变负载率达70%，已不能满足n-1要求。在中双港站联网变高负载率的方式下，其严重威胁到崇明三岛电网的安全稳定运行。建议陈家镇站尽快投运，中双港站尽快投运一台三卷变（1#主变）。考虑到该主变在迎峰度夏前不能投运，为确保电网安全稳定，牺牲用户的局部供电可靠性，启用220KV中双港站稳控装置中的主变过载切负荷功能。3. 电网相对薄弱35KV系统：目前单电源35KV变电站有跃进站、前进站、启隆站、新闸站，该电源线不管是事故情况还是正常检修，都会造成全站失电，建议尽快上第二回电源线。其中，启隆站是简易站，负载率高（夏季高峰达105%），近期看负荷增长快，是崇明负荷增长点，希望也能尽快上马35KV站；建设、前哨站在正常方式下为单电源供电，在事故情况下，引起全站停电。110KV系统：目前单电源110KV汲浜站，当110KV线路故障或检修时，造成汲浜、裕安、前哨拉限电范围广。严重影响客户用电需求，供电可靠性较差，建议尽快上220KV陈家镇站；在正常方式下，110KV长江站为单电源供电，在事故情况下，引起全站停电。4. 继保配置崇明主电网结线相对来说较为简单，但由于与江苏220KV系统并网运行，运行方式变化相对灵活。2006年崇明电网继电保护中主要存在以下问题：110KV主网定值整定中最大问题是在大小方式下短路容量变化太大，所以定值整定不能按照、段配合来