5输电断面安全性保护与关键技术.ppt

1、输电断面安全性保护与关键技术研究,张保会 教授 西安交通大学 2006/05/30,报告内容,1、 研究背景与意义 2、输电断面安全性保护 3、关键技术 电力网络结构安全性分析理论基础 电力网络潮流转移快速搜索算法 基于灵敏度分析的紧急控制算法 输电断面安全性保护综合仿真平台,1、研究背景与意义,国外大面积停电事故频繁发生,广域测量系统,传统SCADA/EMS系统 (采用窄带宽的通信介质、用模拟信号进行远距离传输1200bps)，刷新周期长(5s)，无法满足紧急控制的实时性要求。 电力系统光缆SDH通信技术(622Mbps)、微处理器技术、IP技术、GPS、PMU的发展，使得构建实时的广域测量

2、系统成为现实；其刷新周期可达2050ms，为实现系统级的实时安全性保护与控制提供了可能。,典型大停电事故分析,1978 法国大停电事故,图1 1978 法国大停电事故,1982 加拿大魁北克大停电,图2 魁北克735kV系统事故前接线和潮流示意图,研究目的,绝大多数大面积停电事故，起因都是静态潮流问题，动态问题随后加剧了系统的崩溃。 运行在接近极限边缘的输电网络，因若干低概率事故引发功率大范围转移，造成相邻元件过载，形成连锁过载跳闸以致系统失去电压稳定或功角稳定，最终瓦解。 基于广域测量信息对紧急状态下的静态潮流转移问题进行研究，并在线实时寻找相应的控制对策，对于有效抑止大停电事故的发展、蔓延

3、具有重要意义。,2、输电断面安全性保护的概念（1）,输电断面安全性保护的任务 通过协调断面上的后备保护和自动装置的动作，避免断面内的支路发生连锁过载跳闸，维持断面的输电能力，防止断面潮流的大幅度转移。 预测出并行输电断面存在连锁过载跳闸的可能时，通过安全稳定控制系统进行紧急控制，消除支路过载。反之，则允许过负荷保护延时跳闸。,2、输电断面安全性保护的概念（2）,实现安全性保护的信息条件 输电断面安全性保护需要实时获取系统级的信息，快速收索当前的输电断面，快速评估线路开断后断面的潮流情况，并给出可行的控制方案执行之。 提升SCADA/EMS系统的数据更新速度或利用快速动态信息系统，刷新周期长短于

4、1秒；将分散安装的过负荷保护和各种安全自动装置联网，构成安全稳定紧急控制系统；完成对电网的实时监视、实时计算真、实时控制。,输电断面的在线快速搜索： 从网络拓扑结构的角度，分析支路开断后潮流转移的规律利用广域测量信息，根据潮流转移特点，快速搜索系统的薄弱环节/并行输电断面。 输电断面连锁过载的实时预测 通过对电力网络中薄弱环节安全性状况的分析获得整个系统的安全信息，以减少分析计算的工作量，以提高安全控制的实时性。 消除输电断面过载的实时控制 当确认系统薄弱环节存在连锁跳闸的危险后，须快速确定相应的紧急控制策略，在保护动作前消除元件过载,3. 实现输电断面安全性保护的关键技术（1）,电力网络结构

5、安全性分析理论基础,广义基尔霍夫定律 通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零，或者说，流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流。,以上3式相加后，得对闭合面S的电流代数和：,网络拓扑与负荷分布对潮流转移的影响,潮流转移特征分析(1),结论：断面C中所有线路有功功率之和在线路 开断前后相同，换言之，线路 功率转移到断面其它线路之中。,线路 断开：,对于弱受端系统电网结构，重负荷线路因运行异常延时切除后，系统潮流往往在与该重负荷线路有相同电源区或负荷区的并行输电断面内转移。 对于强受端系统电力网络，电源与负荷就近供电，多数没有明显的并行输电断面。 弱受端系统：指受端电源容量小，主要依靠外电源送

6、电的结构。 强受端系统：电源与负荷均匀分布，受端系统内的电源容量比较大，内部联系紧密的电网结构。,中国电力网络：系统一次比较薄弱，由于能源与经济发展不平衡，电源与负荷分布不均，存在若干并行输电通道。,预计到2020年，每年将有大约100000MW电力从西部送至东部,潮流转移特征分析(2),输电元件物理参数对系统潮流的影响,根据直流潮流模型：忽略支路电阻和对地电容，支路两端的相角差一般不大，可以近似认为，于是任意两节点之间的功率可表示为：,结论：输电线路阻抗参数越小，在相同条件下，传输功率就越大,支路开断数学模型,补偿法：认为支路未被开断，而是在两端节点处引入某一待求的功率增量来模拟支路开断。,

7、(a)系统初始状态,(b)系统最终状态,(c)模拟支路开断得最终状态,(d)系统补偿网络,简单系统示例,等效注入电流在网络中的分布：两节点之间长度最小的最短路径( Rs： j-n-m-k-i )支路电流最大，换言之，开断支路两节点之间的最短路径上支路功率变化量最大,(3),(4),最短路径潮流转移分析,简单并行网络最短路径潮流转移分析,虚线 ：表示通过若干中间节点相连 粗实线 ：表示两节点直接相连 粗实线 ：长度近似表示线路阻抗大小 i j最短路径 ： i n p q m j,最短路径潮流转移分析,最短路径上每一条支路的电流，分别大于与之并联的其它支路电流 进一步分析发现，随电流分支数目增加，

8、相应最短路径上的支路电流也就会越来越小： 而非最短路径支路功率(该支路不在最短路径上)在终端节点b汇总：,?,对于强受端系统电力网络 电源与负荷均匀分布，电源与负荷就近供电 任意母线节点“出线”回路数K一般都比较少 k10 最小值 就不会因为过多“分流”而变得很小；最大值 就不会因“汇流”支路数过多而变得很大, 式(#) 是基本成立的。,难以从理论上严格证明式 ： 即最短路径支路功率的最小值严格大于非最短路径支路功率的最大值。,(#),对于强受端电力网络，重负荷线路因运行异常被切除后，系统潮流往往容易在该重负荷线路两端节点之间的最短路径上转移。,电压等级对潮流转移的影响 高压线路500kv一般

9、用于远距离输电，目标电源与目标负荷地理位置一般相隔较远。因此，开断后潮流影响范围较大，但主要集中于高压网络。 低压线路220kv一般是就近供电，目标电源与目标负荷地理位置一般比较近。因此，开断后潮流影响范围较小，常集中于某一个局部网络。 高低压电磁环网：高电压等级线路开断后，其潮流就会大量地涌向低压网络，很容易造成造成低压网络静态潮流越限。,潮流转移特征分析(3),电力网络潮流转移搜索算法(1),并行输电断面快速搜索 三步算法 简化原始网络 建立系统状态图 /分区 搜索并行送电断面与并行受电断面,简化原始网络,(2) 合并“悬挂”节点,(1) 消去权为零的节点,建立系统状态图/分区,搜索并行输

10、电断面,并行输电断面：在某一运行方式下，有相同电源区或负荷区的输电断面。,数值仿真,CEPRI 36节点系统接线图,CEPRI 36节点系统状态图,结果表明：并行输电断面覆盖了绝大多数实际受影响较严重的关键输电断面，这个结论与对广泛大停电事故的分析基本一致。,电力网络潮流转移搜索算法(2),最传输路径搜索算法,采用经典的Dijkstra 最小路径算法。其基本原理是, 若v1v2.vn-1vn是从v1到vn的最短路径，则v1v2vn-1也必然是从v1到vn-1的最短路径。 假设A为起点E为终点，3条路径：ABE、ACE和ADE的路径长度分别为15、14和13，Dijkstra最短路径为ACDE，

11、其权值为11。,假设支路2-1断开，根据Dijstra算法，节点2与1之间的最短路径：2-3-4-5-8-9-39-1，其路径的长度为0.1469。,NEWSLAND 39 系统仿真,注：黑体表示最短支路及其功率变化量,基于直流潮流的分布系数法,当确定了系统的薄弱环节(并行输电断面/最短传输路径)后，需要对该局部环节作进一步的安全性分析，判断当前过载支路跳闸后，并行输电断面内是否会出现新的过载支路。本文采用基于直流潮流的分布系数法：,物理含义：第k条支路的功率为Pk，该支路开断后，将会在其他支路(L)中引起的功率的增量为 。, (1),进一步整理得：,通过式(3) ：,判断断面内支路是否会发生

12、新的过载。若不会引起相关断面内其他支路过载，则允许其 延时跳闸；否则应采取紧急控制措施，迅速消除过载，保证输电断面的安全，以防连锁过载跳闸的发生。, (2), (3),改进的启发式灵敏度调控算法,根据传统灵敏度算法的特点，以输电断面为控制对象提出了改进的启发式灵敏度调控算法 按照灵敏度绝对值大小划分控制节点的优先级，减少不必要的计算量 以节点消除断面过载能力/综合灵敏度大小为依据，确定控制节点操作序列 根据反向等量配对调整法确定控制量，提高控制算法的计算速度 引入针对正常支路和过载支路的启发式规则，保证过载支路潮流不上升，正常支路不过载,控制节点优先级区分,在实际系统中，对消除支路过载真正有效

13、的控制节点是不多的，系统中绝大多数的可控点对过载支路的灵敏度绝对值是很小的。 为了使控制算法的执行更快更有效，首先需要对控制节点按照对消除支路过载的作用大小简单地划分出控制优先等级，具体的就是采取以下做法： 当节点对任意一条过载支路的灵敏度绝对值大于某一个相对较高的门槛值 （可取0.05）时，该节点就可分为第一级控制节点 当节点对任意一条过载支路的灵敏度绝对值大于某一个相对较低的门槛值 （可取0.005）时，该节点就可分为第二级控制节点 将所有控制节点统归为第三级节点,综合灵敏度,控制节点对输电断面潮流调整的综合灵敏度 以节点对断面内各个过载支路的灵敏度为基础，考虑到支路的过载量差异，引入权重

14、，确定节点对各个过载支路潮流调整的总体作用，其计算模型可用下式表达： 上式中， 是节点i 对过载支路L的灵敏度，PI(i)是节点i 的综合灵敏度，T表示断面内所有的过载支路集合， 是过载支路L对应的权重。, (4),过载支路对应的权重 与支路的过载量成正比，各支路过载量的差异反映了控制节点消除断面过载的总体能力。 根据节点综合灵敏度大小就能找到对消除整个断面过载总体能力较大的控制节点，并以此确定控制顺序，从而提高控制算法的效率，减少总的控制量。,反向等量配对调整法,反向等量配对调整：为每一个加出力点 找到与之配对的减出力点 ，且加、减出力值相等 反向等量配对调整可以保证系统的功率平衡，不会出现

15、所有功率不平衡量都有平衡机组承担，尽可能避免平衡机组的越限 每次是对两个节点进行调整，提高了控制算法的计算效率 在应用该方法调整前，首先应根据节点的综合灵敏度的符号将节点分为加出力点和减出力点两类：综合灵敏度大于零的发电机节点为减出力点，综合灵敏度小于零的发电机节点以及可切负荷点为加出力点,确定控制量大小 控制量 由式(5) 式中 为节点i的可加量， 为节点j的可减量， 为应该调整量，其中 可由下式计算：, (5), (6),经过一次配对调整，若支路的越限尚未完全消除，则节点i j中必有一个不可再调，则按照操作序列寻找下一个加出力点或减出力点，重复配对调整，直到完全消除过载。,启发式规则,在调

16、整过程中，正常支路有可能出现过载，过载支路潮流有可能进一步增加，使得计算量大大增加 引入启发式规则，从控制量上保证不会引起正常支路过载，尽量避免过载支路潮流增加，以减小计算量,调整对灵敏度,假设节点i和节点j配对调整，它们对断面内支路潮流的影响可以通过下面的调整对灵敏度来表征： 当 时，表明调整节点i和节点j会使支路L潮流上升 当 时，表明调整节点i和节点j会使支路L潮流下降,过载支路的启发式规则： 根据调整对灵敏度的符号判断节点i和节点j对过载支路的作用，以寻找能尽快消除过载的控制调整对。 启发式规则分为三级，其优先级依次降低 ：Rule1 Rule2 Rule3, 即首先寻找满足Rule1

17、的调整对，若没有则寻找Rule2，再没有则Rule3。 Rule1：能有效降低所有过载支路潮流的控制调整对i 、j Rule2 ：只能降低最严重支路潮流与断面过载量总和的控制调整对i 、j Rule3 ：只能降低断面总体过载量的控制调整对i 、j,正常支路的启发式规则： 根据调整对灵敏度的符号判断节点i和节点j对正常支路的作用，以确定满足支路潮流约束的调节量。 若 ， 表明调整ij会使支路潮流降低，则不必对调整量进行约束 若 ，表明调整ij会使支路潮流增加，则需要对调整量进行约束，调整量不应超过 ，其值由下式确定 其中 为正常支路K距离其输电极限的冗余量,为了保证所有正常支路都不过载，确定出最

18、小的调整量约束： 节点i和节点j的最终调节量是以下四项数据的最小值：本次控制的应调量 ，本次控制的最小约束量 ，节点的可加量 ，和节点的可减量 ，即为,输电断面安全性保护仿真平台,输电断面安全性保护算法的测试平台由以下几个模块构成： 数据输入模块 并行输电断面快速搜索 最短传输路径快速搜索 基于分布系数法断面潮流分析 防止输电断面连锁过载的紧急控制算法,算法流程,仿真平台界面,输电断面搜索流程,输电断面安全性分析流程,紧急控制算法流程,山东系统仿真,系统特点 513个节点，940条支路，网络规模庞大 500kV与220kV高低压运行，结构复杂,无明显高低压电磁环网 西部电源较集中，东部负荷较重，呈现“西电东送”的特点 存在若干并行输电通道,示例,鲁青岛厂220到鲁李山站220的支路(编号：600233)发生了过载，根据本文输电断面搜索算法，可得相应的并行输电断面。,注：标“#”表示该线路并行输电断面中,运行界面,算法不足之处及下一步研究计划,尚未考虑线路传输容量裕度 本文算法的目标，在于寻找受过载支路开断影响最严重的线路，即寻找潮流增加量最大的一些线路。但是，线路安全与否还与该线路的备用传输容量裕度