发输电系统安全性评估

第四章发输电系统的安全性评估SecurityEvaluationforCompositeGenerationandTransmissionSystem4.1概述4.2实用概率稳定分析法原理4.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析4.4实用概率稳定分析法计算流程4.5基于MonteCarlo模拟法的发输电系统安全性评估原理4.6发输电系统安全性的指标体系4.7状态评估的流程图及算法实现4.1概述本章讨论发输电系统经受突然扰动(短路或失去非计划停运的系统元件)的能力。安全性指标反映在短暂时段内发输电系统在动态条件下系统容量满足负荷需求的程度。充裕性和安全性评估的共同点和不同点充裕性是对系统的静态特性进行概率评价；安全性则是对系统的动态特性进行评价；研究层面的侧重点不同，两者互相完善互相补充；评估目的不同：安全性评估的目的是估计系统对突发故障的经受能力，单纯考虑损失负荷量不能全面衡量事故后果的严重程度；安全性评估所关注的是发生概率更小的事件，计算的复杂性和工作量更加突出。4.1概述电力系统稳定概念安全性评估总是与电力系统稳定计算相联系的。《电力系统安全稳定导则》对电力系统稳定的阐述：静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力；暂停稳定指电力系统受到大干扰后，各同步发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。通常指第一或第二振荡周期不失步；动态稳定是指电力系统受到大干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。4.1概述NERC关于正常和偶发事件的分类类别偶发事件停运元件系统极限或冲击始发事件或偶发事件元件热极限电压极限系统稳定失负荷或限制稳定传输连锁停运A类：无偶发事件所有设施在运行中无正常正常是否否B类：事件导致失去单一元件单线接地(SLG)或三相故障，正常切除：①发电机②传输线路③变压器失去一个元件，无故障单一单一可用出力A/RA/R可用出力A/RA/R是是否否否否④单极(DC)线路拒动，正常切除单一A/RA/R是否否C类：一个事件或多个事件导致失去两个或多个元件SLG故障，正常切除：①母线段②断路器(失效或内部故障)多重多重A/RA/RA/RA/R是否计划的计划的否否③B类型(B1,B2,B3,B4)偶发事件，人工调整系统，随后又发生B类型(B1,B2,B3,B4)偶发事件多重A/RA/R是计划的否双极拒动，正常切除：④双极(DC)线路非3相短路，正常切除⑤同塔双回路多重多重A/RA/R计划的计划的否否SLG故障，延迟切除：⑥发电机⑦传输线路⑧变压器⑨母线部分多重多重A/RA/RA/RA/R是是计划的计划的否否注：A/R指由系统或设施所有者决定，并一贯应用于正常或紧急设施热定额或系统电压极限。4.1概述确定性电力系统稳定评价：在给定电力系统结构，参数及扰动类型及发生地点的条件下进行的评价。基本假设和规定：金属性短路；不考虑短路电流中直流分量的作用并假定发电机定子电阻为零；按给定要求选择发电机组的等价模型，并认为发电机组转速在额定值附近；给定继电保护的动作时间，重合闸和安全自动装置的时间可以给定或经稳定计算。概率性电力系统稳定评价：选择导致暂停稳定失去的主要因素作为随机变量；建立随机变量的概率模型；计算失去系统稳定的概率性指标。4.1概述基于MonteCarlo法的安全性评估指按MonteCarlo模拟法原理来评价电力系统的安全性。主要包括：状态筛选；状态评估和可靠性指标计算3个部分。本章将介绍实用型的概率性电力系统稳定评价法和基于MonteCarlo法的电力系统安全性评估法。4.2实用概率稳定分析法原理目标就是基于概率统计方法来定量评估电力系统的稳定性，给出概率性的电力系统稳定指标。1.随机变量的选取按计算要素分按随机变量的性质分系统及供电点的负荷水平系统故障线路或其他元件的分布短路类型短路后故障线路及其元件的切除时间连续型离散型均匀分布：故障点正态分布：负荷波动对数正态分布：切除时间短路故障类型不同负荷水平4.2实用概率稳定分析法原理2.概率模型对于连续型随机变量)|()()(31,inninjpinijipEnPfLLfEPKP式中，P(Kjip)－一个概率事件Kjip的概率（运行水平p，故障线路i，不稳定事件j）；P(Ei)－线路i发生故障的概率事件Ei的概率；nφ－短路故障类型；fnφ－线路i上发生nφ型短路故障的条件概率；Ljpi,nφ－简单系统中当故障发生在距首端足够远的地点时，系统恰好能保持稳定的临界长度。对于离散型随机变量niCCCiCCCittPXPttPEPP1)()()()()(＝＝系统稳定某事件发生式中，Ei－故障事件i；tCC－该事件对应的保持暂态稳定的极限切除时间；tC－保护系统实际切除故障时间；Xi－随机变量i。4.2实用概率稳定分析法原理3.主要概率指标系统稳定或不稳定概率式中，PS－全系统稳定概率；N－故障类型数；L－线路总数；Pif－第i种故障出现的概率；PijL－第i种故障出现在第j条线路上的概率；PSij－第i种故障出现在第j条线路时系统稳定的概率。系统不稳定的期望频率系统不稳定的期望恢复时间NiLjSijLijfiSPPPP11)(4.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析1.1970～1997年间稳定破坏事故统计发生电力系统稳定破坏事故共320次，平均11.8次/a；1970～1980年209起，平均19次/a；1981～1990年84次，平均8.4次/a；1991～1997年27次，平均3.85次/a。2.引起电力系统稳定破坏事故的元件类型统计年份线路/%母线/%发电机/%主变/%其他/%合计/%1981－198748.519.721.2010.61001988－199754.716.714.34.89.51001981－199750.918.518.51.8510.151004.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析3.线路故障引起稳定破坏统计分析故障类型1981－19871987－19971981－1997线路故障其中：单一线路故障多条线路故障50.0%6.25%26.1%21.7%40.0%12.7%线路故障，保护及自动装置不正确动作造成事故扩大43.75%52.2%47.3%保护拒动2次保护误动2次保护整定6次自动装置整定3次线路无高频保护1次保护拒动6次保护误动3次低周减载拒动1次开关拒动2次4.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析4.稳定破坏事故起因分析序号起因各因素所占比例/%1981－19871988－19971981－19971自然因素27.331.028.72设备缺陷28.814.323.23人为错误22.728.625.04保护误跳6.14.75.65原因不明或记录不详15.121.417.55.2001年我国各电压等级平均长度统计电压等级/kV条数总长度/km平均长度/km故障次数平均故障率/(次/100km.a)220354314195040.0617861.253309810359105.70500.4850023133389144.541770.534.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析6.220kV线路短路类型统计故障类型2000年2001年合计次数％次数％次数％单相接地122990.43164492.05287391.35两相短路接地513.75573.191083.42断线及接地30.2430.1660.19两相短路443.23351.96792.50三相短路20.15130.73150.48断线及高阻接地80.5830.16110.35发展性故障221.60311.74531.684.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析7.330kV和500kV线路短路类型统计类型330kV500kV2000年2001年合计2000年2001年合计单相接地96.96%3298.00%4997.59%8195.20%13998.87%17597.22%314两相短路接地3.04%12.00%12.41%21.36%20.062%2两相短路0.68%11.13%20.093%3发展性故障2.72%41.24%44.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析8.220kV母线短路类型统计故障类型2000年2001年合计次数％次数％次数％单相接地3880.853272.737076.92两相短路接地12.2711.09两相短路36.3836.8266.60三相短路48.5124.5566.60发展性故障613.6466.60两母线同时故障24.2522.204.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析9.继电保护元件故障率名称220kV330kV500kV20002001平均20002001平均20002001平均线路故障率/(100km/a)1.07(1377)1.25(1786)1.17(3163)0.32(33)0.48(50)0.404(83)0.54(146)0.53(177)0.54(323)母线故障率/(100套/a)1.76(47)1.51(44)1.63(91)2.8(3)1.86(2)2.33(5)0.48(1)3.10(8)1.94(9)变压器故障率/(100台/a)0.77(58)0.98(30)1.49(88)0.98(1)0.85(1)0.91(2)1.64(6)3.28(16)2.46(22)发电机故障率/(100台/a)2.64(23)1.86(17)2.24(40)10.220kV母线保护拒动概率年份19931994199519961997加权平均概率/%5.941.140.781.412.72.154.3我国电力系统稳定破坏事故统计分析11.电力系统稳定破坏后恢复时间统计（北美）序号恢复时间/h事件数百分比/%10.5204820.5～161431～241042～42554～861468～242572425总计42100中国电科院在计算三峡系统的概率稳定时，采用以下估计值：对省内的局部系统，恢复时间取1h；对省电力系统，取2h；对跨省电力系统，恢复时间取4h。4.4实用概率稳定分析法计算流程选定系统典型接线方式、运行方式收集发电机、变压器、输电线、母线及继电保护的电气参数和可靠性参数计算典型运行方式潮流、电压进行n-1故障条件下的稳定计算，并找出导致稳定破坏的元件（给定切除时间）进行n-2故障条件下的稳定计算，并找出导致稳定破坏的元件组合（给定切除时间）评估稳定破坏事件的频率、概率及期望恢复时间图4.2概率稳定计算流程计算暂态稳定时，发电机一般采用二阶模型，暂态电势E’和暂态电抗X’d保持恒定，忽略原动机及调速系统动态，机械概率Pm恒定。负荷采用恒定阻抗模型，网络用导纳矩阵表示。经这样简化后，可以将负荷阻抗和发电机的暂态电抗X’d追加到导纳矩阵中，然后进行导纳矩阵降阶，消去网络节点、负荷节点和发电机端节点后，得到发电机内节点的N阶导纳矩阵。对应第i台发电机，转子运动方程（标么值）为niPPMiieimiii,,2,1,其中：Mi为发电机i的惯性时间常数。)]sin()cos([)cos(,121jiijjinijjjiijjiiiiijjinjijjieiBEEGEEGEYEEP4.5基于MonteCarlo模拟法的发输电系统安全性评估原理抽样方法抽样方法优点缺点状态抽样法非时序蒙特卡罗法①抽样方法简单②仅需元件的不可用率，无需元件的故障率和修复时间不能计算精确的频率指标元件状态持续时间抽样法时序蒙特卡罗法①对元件状态的持续时间而非元件状态进行抽样②必须假定元件状态持续时间的概率分布，通常假定为指数分布①更多的计算时间和内存②输入数更多③必须知道元件状态持续时间的分布系统状态转移抽样法时序蒙特卡罗法①集中分析系统状态转移，而不是单个元件的状态转移②假定所有元件的状态持续时间服从指数分布③输入的是元件的状态转移率要求知道元