电力系统安全稳定控制基本要求

电力系统安全稳定控制基本要求

电力系统的安全分析一直是电气系统的研究重点之一。对电力系统来说,安全和稳定都是电力系统正常运行所不可缺少的最基本条件。对于小系统的安全稳定问题,如一个系统故障,运行人员可以凭经验把握住系统的实际稳定程度和实施必要的稳定措施,利用保护及控制装置来预防更大事故的发生。电网发展和互联以后,电网的安全稳定问题并不是小系统稳定问题的简单叠加。随着全国联网后电网规模的不断扩大和电力市场机制的引入,电网运行的不确定性增加,安全稳定分析变得更加复杂和重要。各国电力系统都有自己的安全稳定导则,输电系统静态安全评估时常用的确定性标准有N-1准则,某些国家在某些特殊情况下还按N-2考虑,还有的甚至考虑更严重的情况,如失去一条母线的故障。电力系统动态安全评估一般用确定性标准。采用的方法是检验电力系统对一系列危险故障的承受能力,以及在不能承受某些特殊故障时所必须采取的措施。从20世纪80年代开始,我国就展开了对电网安全稳定性的研究,1981年,原电力工业部颁布的《电力系统安全稳定导则》,对电力网络的合理建设与改造,对提高系统安全稳定运行水平,大幅度减少系统稳定破坏事故起了重要作用。并于1983年,为该导则编制了说明,1987年又颁布了《电力系统暂态稳定计算暂行规定》,为我国电力系统的安全稳定分析提供了依据。1993年,电力部颁发了《编制电力系统年度运行方式的规定》的通知,2000年,国家经济贸易委员会发布了《电力系统安全稳定控制技术导则》,是根据文献的各项原则提出对安全稳定控制的技术要求。稳定导则和稳定控制导则制定了保证电力系统的安全稳定运行的要求和控制措施。例如,输电系统任一电网设备(变压器、线路、母线)事故切除时,其它元件不应超过事故过负荷的要求;对于受端主干网络,当失去任一元件时,应保持系统稳定和正常供电;电源接入系统的送电回路失去一回路时,一般应能保持系统稳定和正常送电,对于长距离的超高压重负荷送电回路,必要时允许采取措施以保证事故后的系统稳定。导则还将保证电力系统安全稳定的措施分为第一道、第二道和第三道防线。导则的制定,进一步为我国各大网局,省局的调度运行制定了更详细的要求和控制方法,所有这些都促使我国电网的运行水平逐年提高。1暂态稳定性危机的提出安全和稳定在电力系统分析中是非常重要的两个概念。所谓安全,是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电流、电压和频率的幅值和时间限额内运行。电力系统安全分析指的是针对预先设想的电力系统元件(如线路、变压器、发电机、负荷和母线等)的故障及其组合,确定它们对电力系统安全运行产生的影响,对系统的运行状态的安全水平作出分析和判断,并为保证系统的安全正常运行提供必要的预防安全措施。其特点是利用电力系统的全面信息(母线电压和角度)进行分析与决策,主要目标是提高电力系统运行的安全性。由于安全性是对突发事件引起的后果进行分析,涉及到系统事故后的静态行为和暂态行为,因此可以将安全分析相应分为静态安全分析和暂态安全分析。所谓稳定,是指电力系统可以连续向负荷正常供电的状态。针对稳定性危机的紧急控制称为稳定性控制。电力系统的同步运行稳定性,是最受关注也得到认真考核的一种稳定性。按照我国的现行规程,把电力系统的同步运行稳定性分为三类,即静态稳定、动态稳定和暂态稳定。电力系统的静态稳定性:如果在任一小扰动后达到和扰动前运行情况一样或相接近的静态运行情况的话,电力系统称该特定静态运行情况为静态稳定,又称为电力系统的小干扰稳定性。静态稳定又分为动态稳定性和非周期稳定性两种。前者用于选择自动控制装置的结构及其增益与时滞,后者是在正确选定自动控制装置的结构及其参数,消除自发振荡后,从稳定的观点求得运行情况的极限。电力系统的暂态稳定是指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步。电力系统承受大扰动,如短路故障和机组切除等,在扰动过渡过程结束后,系统能恢复到扰动前状态或一个可接受的新状态,则称此系统在大扰动下是稳定的。对于暂态稳定,须用非线性微分方程描述和分析。暂态稳定包括大扰动后功角第一摆和随后几摆的稳定性。主要由同步力矩决定,但也与阻尼力矩有关,两者难以截然分开。2n-2安全分析标准为保证电力系统的安全稳定运行,一次系统应建立合理的电网结构、配备完善的电力设施、安排合理的运行方式,二次系统应配备性能完善的继电保护系统和适当的安全稳定控制措施,组成一个完备的防御系统。根据《电力调度与运行方式技术标准》中的规定,要求电网中任一元件无故障断开,应能保持电力系统的稳定运行,不致使其它元件超过事故过负荷的规定运行;系统中任一元件发生单一故障时,不应导致主系统发生非同步运行、频率崩溃和电压崩溃。暂态安全稳定的判据是系统受到大干扰后,引起送受端机组间的相对角度增大,在经过第一个或第二个最大值后作同步的衰减振荡,而逐渐恢复稳定,系统电压也随之恢复正常。在传统的N-1安全分析标准的基础上,世界上的各大电网系统纷纷提出N-2的安全分析标准,并构建电力系统的第二道、第三道防线。新发布的《电力系统安全稳定控制技术导则》规定:为保证电力系统正常运行状态及承受第Ⅰ类大扰动(单一故障)时的安全要求,应由一次系统设施、继电保护以及安全稳定预防性控制等,组成保证电力系统安全稳定的第一道防线。为保证电力系统承受第Ⅱ类大扰动(单一严重故障)时的安全要求,应由防止稳定破坏和参数严重越限的紧急控制等,实现保证电力系统安全稳定的第二道防线。为保证电力系统承受第Ⅲ类大扰动(多重严重故障)时的安全要求,应配备防止事故扩大避免系统崩溃的紧急控制,如系统解列、再同步、频率和电压紧急控制等,同时应避免线路和机组保护在系统振荡时误动作,防止线路及机组连锁跳闸,以实现保证电力系统安全稳定的第三道防线。随着我国电力系统的不断发展,多数电网实现了N-1安全标准,但N-2故障分析的能力和水平还是不够。随着三峡电厂的建成投运,全国联网的实现,电力市场建设,会面对同样严峻的情况,只有对系统进行全面的、可靠的N-1、N-2分析并构建电力系统的第二道、第三道防线,才能有效地预防和控制安全稳定事故的发生。3新时期安全分析的发展方向电力系统安全分析最常用的工具是数字计算程序,例如,在我国广泛使用的BPA潮流和稳定计算程序、电力科学院的电力系统分析软件包PSASP、国际上广泛使用的法国EDF公司的EUROSTAG、美国的PTI公司开发的PSS/E、美国电力科学研究院(EPRI)的LTSP,大规模的计算是这些软件共有的特点。如何运用好这些软件,成为电力系统运行人员面对的新课题。考核各种运行方式下的安全性时,需要取某些典型故障作为算例进行分析,而每做一个算例,如某条线路发生故障,必须手填写故障卡,更改故障信息,才能调用BPA程序完成潮流和稳定部分的计算,最后的结果输出需要预先定义,数据繁多且不直观。而且仅能给出固定保护动作时间后系统的稳定性,如果要搜索出系统临界稳定的动作时间,就必须对手动的每个算例修改切除时间进行多次的重复计算。因此,调度员在对系统的各种运行方式作安全分析时,通常只是通过对有限的一部分算例来对全网的安全运行状况作出判断,而且均是采用统一的动作时间标准来衡量系统的稳定性,而没有考虑到各路保护的裕度问题。由上可知,目前的安全分析有许多可以进一步完善的地方,其一是工作量大,耗时多,因为每做一个算例都需要人工重复地修改故障信息,效率很低,这也制约了目前的安全分析不能够进行大量的典型故障的计算;其二是目前的安全分析不能对全网的安全、运行状况进行精确的分析,因为在每种运行方式下调度员仅能凭经验对有限的可能产生严重后果的算例进行分析作出判断,而且没有稳定裕度的概念。仅能给出系统是否稳定,但稳定的程度却无法了解。随着今后全国联网后电网规模的不断扩大和电力市场机制的引入,电网潮流的不确定性也将增加,这种安全分析的方式将越来越不适应电网运行的需要。由上可知,在对电力系统进行安全稳定分析时,需要提出一种全面准确的分析方法,该分析方法应体现安全分析的全新的、高效率的分析理念,为了适应新形势的需要,基于中国电力科学研究院的潮流稳定的BPA程序,清华大学开发了相应的电力系统安全分析软件。它具有友好的界面与分析人员进行交互,能够在电力系统规划、设计和运行时,根据设定的各种典型故障,自动地更改故障信息,调用BPA程序完成潮流和稳定计算,并对输出结果进行分析,依据各种稳定的判据判别系统的稳定性,直观地给出分析人员需要的信息,同时也能通过多次迭代的方式搜索出系统在各种典型故障发生后的稳定极限,与系统的主保护动作时间相比较将给出系统的稳定裕度。同时,稳定极限的搜索范围可以由分析人员根据不同的需要灵活设定,能方便快捷地对分析人员所要关注的严重故障进行筛选。该软件可以针对预想的电力系统元件及组合,确定它们对电力系统安全生产的影响,对系统运行状态的安全水平作出分析和判断。参照新导则,以实际电网为例,使用该软件对全网的发电机、变压器、线路和母线进行了N-1事故和N-2事故暂态安全稳定分析。结合电网的网络结构和电源分布特点,对电网进行系统的、全面的安全分析,从而对电网的安全运行状况作出评价。电力系统规模的不断增大和互联大系统的形成,一方面为系统的运行带来经济和技术上的效益,如可以更合理地利用