安全稳定控制装置测试技术的研究

华中科技大学硕士学位论文安全稳定控制装置测试技术的研究姓名：吴勇申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：周良松20050509I摘要随着电力系统的飞速发展和电力市场的逐步实现大电网的稳定问题尤其是暂态稳定问题变得更加复杂这些变化使得在电力系统中应用安全稳定控制装置系统已经成为一种趋势因此安全稳定控制装置系统的研究与开发也得到了长足的发展在安全稳定控制装置系统开发的过程中不可避免地遗留下一些错误和缺陷如果不及时将其找出与改正这个产品就可能会在现场中工作失常甚至会给电力系统带来隐患这使得对安全稳定控制装置测试技术及其测试装置的研究尤为迫切目前相应的研究还处于起步阶段因此很有必要把这项研究深入下去并使之实用化本文结合安全稳定控制装置开发的工程实际在分析电力系统安全稳定控制相关理论和安全稳定控制装置特点的基础上对安全稳定控制装置的测试技术及特点进行了深入的研究与探讨并且提出了安全稳定控制装置测试仪的实现方案根据该方案设计的测试仪在实际应用中已经取得了很好的效果不但具有节约时间耗资少可以随时随地进行测试等优点而且还可以根据具体的需要不断扩展新的功能为安全稳定控制装置的研发提供了便利的测试手段同时对类似测试装置的研制有很好的借鉴意义关键词关键词关键词关键词电力系统安全稳定控制装置测试技术IIABSTRACTWiththefastdevelopmentofpowersystemandthestepwiserealizationofpowermarket,theproblemoflarge-scalepowergridsstabilitybecomesmorecomplicated.AndthismakesusingStabilityControlSystem(SCS)inpowersystembecomeakindoftrend.InthiscaseresearchanddevelopmentofSCSdevelopquickly.ButifSCShassomemistakeanddefectafterputintouse,itcan’tworknormallyandevenwillbringthehiddendangertopowersystem.SoresearchonthetesttechnologyofSCShasbecomeakindofurgentneed.Thecorrespondingresearchisstillatthestartingstageandfurtherresearchworkisnecessary.DuringthedevelopmentofSecurityandStabilityControlEquipment(SSCE),theauthoranalysestherelevanttheoryofpowersystemstabilitycontrolandtheCharacteristicofSSCE;researchesintothetesttechnologyofSCS;putsforwardaschemeofuniversal,practicaltestequipment.Thetestequipmentdesignedaccordingtothisschemehasbeenputintousesuccessfully.Itnotonlyhastheadvantagesoflesstime,lesscost,convenienttesting,butalsocanbeincreasednewfunctionaccordingtouserneed.Alsotheschemeoftestequipmentisagoodreferenceforresearchanddevelopmentofsimilartestequipments.Keywords:PowerSystemSecurityandStabilityControlEquipmentTestTechnology11绪论1.1课题的来源及意义随着我国电力系统规模的日益庞大电力市场环境的逐步形成大电网的稳定问题(尤其是暂态稳定问题)变得更加复杂近年来国内外电力系统曾经发生过多次严重的导致大面积和长时间停电的事故使我们对电力系统安全稳定问题的研究更为迫切而开发和研制针对系统的暂态稳定控制装置显得尤其重要特别对于我国电网的建设落后于电源的建设网架相对薄弱部分发电厂出现窝电局面合理地配置安全稳定控制装置(系统)可以提高现有网络的输电能力提高电网运行的安全稳定性为了确保电网安全稳定经济可靠地运行安全稳定控制系统调度自动化系统和电力专用通信系统已经成为现代电网不可缺少的三大支柱安全稳定控制装置系统主要有3种控制方案早期的离线预决策实施匹配方案离线计算量大对电网变化的适应性差对预料之外的运行情况无法适应并存在失配过切的情况因此已逐渐被淘汰在线实时分析决策方案对计算速度的要求在目前和将来一段时间内还无法达到目前具有较好应用前景的是在线预决策实时匹配的方案由于在安全稳定控制装置开发的各个阶段都不可避免地遗留一些错误和缺陷如果不及时找出并改正这些错误和缺陷这个产品就可能会在现场中工作失常甚至会给电力系统带来隐患因此首先必须充分结合现场的特点在实验室进行全面的静态及动态测试并及时改正出现的问题昀后才能到现场进行安装调试和运行早期的稳控装置多为一些简单的线路跳闸连锁切机切负荷装置开发相应的测试装置显得意义不大但随着电力系统自动化程度的提高以及大电网的逐步形成人们对暂稳控制装置的各项性能提出了新的更高的要求并且希望在采取稳控措施的同时保证较好的经济性因此逐渐开发一些新型的区域稳定控制装置特别是对于一些大电网的稳定控制系统常常由多个功能相似的子站构成这时开发针对稳定控制装2置的测试设备则可以明显提高开发的效率另外随着近年来对安全稳定控制装置开放性可靠性可维护性等要求的提高模块化通用化的开发已是势在必行这也为开发通用的测试装置提供了可能性[1]目前相应的测试技术及装置研究还处于起步阶段文献[1]主要是讨论了稳定控制装置的测试流程介绍了稳定装置的模块测试综合测试数字仿真的方法预测了稳定控制测试的发展趋势并未做出一些实用化的研究文献[2]提出了在实验室环境下对暂态稳定控制系统进行静态测试的原则和方法其方法通过实验电路采用白盒法黑盒法来测试软件的各个组成部分能够为该系统的动态模拟实验和昀终投入运行打下良好的基础文献[3]提出了一种用于稳定控制装置的测试平台该平台主要用来对策略查找的正确性以及已形成的策略本身的有效性进行检查这使得稳定控制装置繁琐的策略检测过程更为方便只是该平台处于开发阶段尚未投入实用而且该方法只能提供部分动态仿真试验的功能文献[4]提出了一种就地判别式切机装置测试仪的方案部分的解决了切机装置的故障波形仿真问题但是由于没有考虑现场的跳闸信号跨区域联网控制装置的特点等因素满足不了区域安全稳定控制装置测试的需要为了在一般实验室或现场调试中能更加全面更加方便更加有效的测试安全稳定控制装置以确保安全稳定控制装置系统能够满足可靠性有效性选择性和适应性等[5]基本要求本文重点对其测试技术进行了深入的研究与探讨并在此基础上提出了通用化实用化的测试仪实现方案1.2电力系统安全稳定控制的有关概念要有效可靠的测试安全稳定控制装置首先必须深入理解电力系统安全稳定控制的有关概念1电力系统可靠性电力系统可靠性电力系统可靠性电力系统可靠性电力系统的可靠性就是保证不间断地向用户供应足够的质量符合规定的电能的能力电力系统的可靠性很难用一个简单的统一的指标来衡量实际上是根据系统各部分的性能特点和实用要求提出不同的实用指标其中一种常用的方法是将电力3系统分为发电输电和配电等几个子系统再根据电能生产输送和分配的特点提出各子系统的可靠性指标2电力系统运行状态电力系统运行状态电力系统运行状态电力系统运行状态电力系统正常运行状态必须满足两个条件即系统中任一节点的有功功率和无功功率应平衡系统中各节点或各元件的某些电气参数(如系统频率节点电压线路电流发电机负载和功角等)不应超过允许偏差根据约束条件的满足程度电力系统的运行状态可分为以下几种1)正常状态在此状态下负荷约束条件和运行约束条件同时得到满足对处于正常状态的系统如承受一个合理的预想事敌扰动后仍能满足上述两组约束条件则称该系统处于安全正常状态如果在一个合理的预想事故扰动后不能满足负荷约束和运行约束条件则该系统不满足安全约束条件称该系统处于警戒状态2)紧急状态在此状态下运行约束条件不能完全满足紧急状态可以是静态的此时系统某些参数超过允许范围如某些设备过负荷某些节点过电压等但这些参数仍能暂时维持不变电力网一般仍能保持其完整性紧急状态也可以是暂态的此时系统某些参数不仅超出允许范围而且在不断发展变化如功角不断增大电压不断下降等电力网结构也难以保持完整性3)恢复状态在此状态下系统参数一般尚能符合运行约束条件但可能己经损失部分负荷或电网某些部分已解列通过紧急处理后系统运行状态虽不再继续恶化但正常状态尚未确立电力系统承受扰动后可能从一种状态转为另一种状态为了维持系统安全稳定运行有时需要采取某些控制措施这些控制措施也可以使系统从一种状态转为另一种状态电力系统运行状态及转换关系如图1-1所示4恢复状态紧急状态安全状态警戒状态预防状态正常状态恢复控制紧急控制由控制引起的状态变化由扰动引起的状态变化图1-1电力系统运行状态及转换关系图3电力系统稳定性电力系统稳定性电力系统稳定性电力系统稳定性电力系统稳定是研究电力系统在受到扰动后凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用回复到原始稳态运行方式或者达到新的稳态运行方式的问题到目前为止国际上还没有统一的有关电力系统稳定的分类标准电力系统稳定一般按电力系统承受扰动的大小分为静态和暂态稳定两类我国1981年颁布的电力系统安全稳定导则将电力系统稳定分为静态稳定暂态稳定和动态稳定三类4电力系统稳定控制电力系统稳定控制电力系统稳定控制电力系统稳定控制电力系统在运行中可能受到各种扰动其扰动一般分为小干扰和大干扰小干扰一般指正常的负荷和参数的波动大干扰指系统中因故障短路或操作等引起的功率或电网结构变化为了保证电力系统的安全运行需要对各种扰动采用各种相应的控制措施如图1-2表示电力系统中各种扰动在时域上的分布及相应的对策5控制对策过电压保护工频过电压限制继电保护及重合闸1us10100110100110100103104105usmsscycleminh雷电和操作过电压工频过电压短路及清除暂态和振荡稳定电压稳定频率波动及稳定电及热功率波动紧急控制稳定性控制其他校正控制电压及无功功率调整频率及有功功率调整预防控制图1-2电力系统扰动及控制对策图中电力系统安全稳定控制主要有以下两类预防控制PreventiveControl电力系统正常运行时由于某种原因运行方式恶化或扰动处于警戒状态为提高运行安全裕度使电力系统恢复至安全状态而进行的控制紧急控制EmergencyControl电力系统由于扰动进入紧急状态或特急状态为防止系统稳定破坏防止运行参数严重超出允许范围以及防止事故进一步扩大造成严重停电而进行的控制电力系统发生短路等事故时首先应由继电保护动作切除故障一般情况下事故切除后系统可继续运行如果事故很严重或者事故处理不当则可能造成事故扩大而导致严重后果为此电力系统中还应配备必要的紧急控制装置紧急控制要解决的问题包括防止系统稳定破坏制止系统失步运行限制系统频率过低限制系统频率过高限制系统电压过低限制系统电压过高限制设备过负荷[23]1.3电力系统暂态稳定分析方法的研究现状电力系统暂态稳定分析是暂态稳定控制的前提也是稳定控制装置测试技术研究所涉及到的工具之一其分析方法主要有时域仿真法直接分析法和混合分析法61.3.1时域仿真法时域仿真法TimeDomainMethod也称为数值积分法该方法是在列出描述系统暂态过程的微分方程和代数方程组后通过交替求解或联立求解根据发电机转子间相对角度的变化情况来判断稳定性其优点主要是系统模型足够精确在规模上可包含