7.4 电力系统静态安全性分析

第四节电力系统静态安全性分析

第四节电力系统静态安全性分析一电力系统安全状态二网络的化简与等值三预想事故分析四安全约束调度一电力系统安全状态电力系统安全状态定义电力系统安全分析的基本概念全国电网联网示意图华中Central华东East华北North东北Northeast南方NanFang西北NW大规模电力系统形成，使得系统的结构、运行方式和运行特性越来越复杂，对安全、经济和电能质量的要求更加严格。安全性分析成为EMS重要的一部分电力系统安全性的相关概念

电力系统在运行中承受故障扰动的能力。故障扰动：如失去电力系统的元件或短路故障等。（1）系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行工况；（2）在新的运行工况下，各种约束条件得到满足。电力系统安全性电力系统满足安全性的特征1、系统负荷需求（等式约束，未计及网损，E）2、运行约束（无潮流电压越限，不等式约束，C）3、可靠性约束（预想事故分析检查，R）电力系统运行中的约束条件电力系统安全性分析3、可靠性约束（预想事故分析检查，R）1.正常状态ECR5.恢复状态EC4.瓦解（崩溃）状态*2.警戒状态EC3.紧急状态E安全校正预防控制恢复控制紧急控制正常状态，也称为正常安全状态，满足全部3类条件，能满足全部负荷又没有越限，而且能承受预想故障的扰动。也可称为正常不安全状态，能满足全部负荷又没有越限，但承受不了预想故障的冲击。若针对预想故障采取预防性控制，系统可以回到正常状态；否则系统处在警戒状态，一旦出现预想故障，系统陷于紧急状态。能满足全部负荷但已出现支路或电压越限（没有失去稳定性的紧急状态）

。若事先有所警戒，能准确及时采取安全校正措施，可能回到警戒状态或正常状态；否则可能导致系统瓦解。(失去稳定的紧急状态)全部3类条件都破坏了，已不能满足全部负荷需求了。采取紧急控制制止事故扩大（分裂成几个系统），过渡到恢复状态。事故不再扩大，网络元件越限已经解除，但许多用户尚未恢复供电。通过恢复控制回到正常状态。E－满足负荷，C－满足约束，R－满足预想故障分析，*－不满足约束条件。判断系统发生预想事故后电压是否越限和线路是否过负荷的分析称之为静态安全分析。判断系统发生预想事故后电压是否失去稳定的分析称之为动态安全分析。紧急控制由于容忍的时间非常短暂（往往十几秒钟），因此相应的控制不得超过1s。传统上，此任务主要有“实现整定、实时动作”的继电保护和自动装置完成。也可由调度员根据“电网运行规程”和本人经验（包括历史事件和DTS案例所提供的知识），在SCADA和报警信息的帮助下采取行动完成。二网络的化简与等值

电力系统静态等值(NetworkStaticEquivalents)也称为网络化简(Network

Rednce)，是利用较小规模的网络代替较大规模的网络进行分析的方法，而且要求这种化简网络的计算精度能满足实际需要。网络化简包括网络、机组和负荷三方面的简化处理。静态等值的目的是：—降低网络分析的计算量和对内存的需求量；—回避量测不全或无量测的网络部分，降低量测信息需求量；—删除不关心的网络部分，避免分析者分散注意力。二网络的化简与等值网络化简（NetworkReduce）利用较小规模的网络代替较大规模的网络进行分析的方法，而且要求这种化简网络的计算精度能满足实际需要。网络化简包括网络、机组和负荷三方面的简化处理。

电力系统静态等值

(NetworkStaticEquivalents)当前我国网络化简主要用在：—在大网调度中心的分析中，对某些省网进行等值处理；—在省网调度中心的分析中，对某些与之相联的省网进行等值处理；—在省调度中心的分析中，对省内某些地区进行等值处理；—在地区调度中心的分析中，对相邻地区网或省网进行等值处理。

(一)基本描述内部系统外部系统BPSIE未化简系统边界母线研究系统拟等值系统等值前系统PS（未化简网络）可以沿边界母线B划分为内部系统I和拟等值系统E。化简后系统内部系统PEIRE内部网络化简部分B

—给出等值前系统PS结构模型，并标出内部系统I和边界母线B；

—给出等值前系统PS的潮流解。要找到一个新的等值模型（或称等值网络）PE，使得：当内部系统I运行条件发生变化（如预想故障）时，由等值系统计算的结果和由等值前系统计算的结果相接近。对等值（或化简）技术要求—由边界母线B望出去的外部等值应相当准确而可靠地表示化简前外部系统的物理响应特性，即比较准确地给出对内部系统变化时的响应；—等值应能灵活处理系统现状的改变，并能适应不同的应用目的；—等值计算方法最好能与后继问题解算方法相协调；—尽可能减少化简计算量，并维持良好的稀疏性；—最好能保持等值网络的良好计算性能。经验表明，等值支路的电阻与电抗之比有很大的变化，并且潮流计算中的P-V母线比较难处理。等值的具体方法Ward等值

Ward等值应用广泛，对于线性系统来说这是一种严格的等值方法。假设条件是在内部网络出现扰动前后，外部网络的节点注入电流不变。已知条件为全网基本方式的潮流解。REI等值法

REI等值的基础是已知外部系统基本方式潮流解。其思想是把指定消去的母线集合的注入功率归并到一个虚构母线上，这种指定母线集合可以按负荷、发电机和母线性质或电气距离等划分，外部系统母线可以分为多个集合，每个集合组成一个虚构母线，也称为REI母线。Ward等值未化简网络线性方程可描述为：将母线按前述分为三类—子集{I}为内部系统母线集合；—子集{B}为边界母线集合；—子集{E}为外部系统母线集合。前两类母线是保留母线，后一类是待消去的母线。母线导纳矩阵母线复数电压向量母线复数注入电流向量Ward等值未化简网络线性方程可描述为：消去外部母线后等值模型PE的母线导纳方程式消去外部母线只使边界母线导纳矩阵变化（即改变各边界母线B的自导纳和它们之间互导纳），并将外部系统的母线注入电流通过分配矩阵分配到边界母线B上，从而改变了边界母线的注入电流是一个严格的等值过程，只要不变化，则对任何和的变化由本式求出的和与上式求得的完全一致。Ward等值未化简网络线性方程可描述为：但在实际电网中，母线注入是用功率表示的：Ward等值令：式中：等值注入功率在某一基本方式下完成的等值与初始运行电压有关系，因而它不能适合外部系统较大的运行变化。Ward等值步骤(1)给出全网基本方式的潮流解，确定各母线的复数电压。(2)确定拟消去的母线子集，形成只包含外部系统E和边界系统B的导纳矩阵：然后按外部母线各列对[Y]进行三角矩阵分解（即高斯消去），最后得到仅含有边界母线的外部等值导纳矩阵

一般来说，该矩阵是密集的，即边界母线之间均有等值支路联系起来。Ward等值步骤(3)计算右端边界母线的注入功率增量：加到边界母线原注入功率上。

一般来说，该矩阵是密集的，即边界母线之间均有等值支路联系起来。Ward等值缺陷及改进方法以上Ward法在实用中存在以下缺陷：(1)等值网PE可能有一个解答，但求解的方法不能使其收敛；(2)等值网PE可能收敛到一个物理上不合理的解答上；(3)等值网PE可能收敛到所需解答上，但迭代次数多于未化简网PS的迭代次数；(4)等值网PE解答的精度可能是不可接受的，主要表现在无功潮流方面。Ward等值缺陷及改进方法

为了克服Ward法的以上缺陷，后来发展出多种改进方法，主要有：(1)Ward母线注入法；(2)解耦Ward法；(3)扩展Ward法；(4)广义Ward等值法；(5)缓冲Ward等值法等；三预想事故分析故障扰动新的状态电力系统正常运行状态SA（静态安全性分析SecurityAnalysis）仅考虑事故后稳态运行情况的安全性，而不考虑动态转移过程。是一种事故预防措施。重点在于预想事故分析。预想事故分析所谓预想故障分析指的是针对预先设定的电力系统元件（如：线路、变压器、发电机、负荷和母线等）的故障及其组合，确定他们对电力系统安全运行产生的影响。预想事故分析的功能(1)按调度员的需要方便地设定预想故障；(3)准确分析严重故障后的系统状态，并能方便而直观展示结果。(2)快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害程度；预想事故分析的研究内容故障定义故障筛选或故障扫描由软件根据电网结构和运行方式等定义的事故集合，该集合的元素可由调度员根据需要进行人工增删或修改。预想事故分析故障分析对故障定义的事故集合按事故发生的概率及严重性进行排序，形成一个顺序表，故障筛选的方法分为直流法和交流法等。属故障快速扫描（或故障筛选）。故障分析是对故障顺序表中对系统安全运行构成威胁的故障逐一进行分析。预想故障分析算法一般分为两步：一是故障快速扫描（或故障筛选），二是故障的详细分析。（一）故障定义由软件根据电网结构和运行方式等定义的事故集合，该集合的元素可由调度员根据需要进行人工增删或修改。

在预想故障分析软件中按不同的需要，对故障和故障组进行不同的分类。在定义预想故障集时，采用物理分类方式；在分析过程中，对故障按危害程度分类。故障分类的主要目的是：—提高预想故障分析的准确程度；—降低预想故障分析的计算量；—改善预想故障分析的灵活性和方便性。N-1扫描的故障选择和分析分别开断系统的每个网络元件，计算其后的电网状态。这种机械地n-1扫描方式存在以下严重缺点：1、随着电网结构的增强，绝大多数单重元件的开断已不构成对系统有着危害的故障；2、极少数构成危害的单重元件开断的影响范围和安全对策已被调度人员所熟悉。n-1扫描式的故障选择和分析多重故障呢？n-2，n-3？预想故障集合预想故障集合

预想故障集合是由有经验的调度人员和运行分析人员给出的，它包括各种可能的故障及其组合，并且可以规定监视元件及条件故障以自动产生复杂故障。运行中使用者可以激活感兴趣的故障组进行分析计算。多重故障呢？n-2，n-3？——更方便、更有效定义多重故障；

——实际上只分析感兴趣激活的故障组，大大提高了计算效率；

——能灵活、方便、快速模拟和再现电网实际故障过程。预想故障集合预想故障集合的定义和管理技术是提高该应用软件性能的关键。为此，应以物理分类的方式按层次定义预想故障集合它可以是电网中任何元件，如变压器、线路、发电机、负荷、电容器、电抗器、开关或母线等。条件监视元件及条件开断元件：它们配合使用，可以模拟继发性故障。带有条件监视元件和条件开断元件的故障称为条件故障。规则集描述主开断元件动作后，调度人员迹按规定或经验必需执行的操作。故障组是具有某种特征的若干故障的集合。—按故障重数划分，如单重、二重、多重等；—按开断元件类型划分，如线路、变压器等；—按地区划分，如A地区故障、B地区故障等；—按故障电压等级划分，如500kV、220kV、110kV等。一个定义好的故障可以定义到一个故障组或多个故障组中。

使用故障组概念的优点在于，使用者可以按运行方式和调度的需要研究最关心的或对当前系统运行威胁最大的故障，从而提高预想故障分析的效率，省去大量无实际意义的计算。（二）预想故障筛选

在进行大型电力系统安全分析时，需要考虑的预想事故数目是非常可观的。要给出预想事故的安全评估，需要逐个对预想事故进行潮流分析，然后校核其越限情况。这种做法难以适合实时性要求。

预想事故选择在在线运行条件下，利用电力系统实时信息，自动迭代出那些引起支路潮流过载、电压越限以及危害系统安全运行的预想事故，并用行为指标表示它对系统造成的危害性的程度，按其从大到小的顺序排列出预想事故一览表。故障严重程度的性能指标有功功率行为指标这种方法一般用直流潮流进行分析，又称直流排序法。该指标用以衡量线路有功功率过负荷程度。故障严重程度的性能指标电压-无功功率行为指标该指标用以衡量无功和电压的过负荷情况。故障严重程度的性能指标有功功率--无功功率综合行为指标该指标综合了前两种指标，并考虑事故发生的可能性。四安全约束调度由预想故障分析或状态估计得到不安全状态需由安全约束调度软件提出解除方法，这是一个普遍受到重视的问题。一、灵敏度分析方法；二、有约束最优化法；解决方法在预防性控制、安全校正和恢复控制中均要用到安全约束调度。

虽然从理论上最优潮流包括安全约束调度功能，但各电力公司实用最多的仍然是单独的安全约束调度软件。因为有功方程接近于线性关系，所以安全约束调度最有效的是利用线性规划处理有功不等式函数约束。安全约束调度基本理论1、问题的线性化描述