华北电力大学电力系统分析3-01-02

第三章电力系统静态安全分析§3-1概述一、历史背景调度中心计算机系统：必要性：随着电力系统规模的扩大和发电量的增长，建立可靠的电力系统运行监视、分析和控制系统，以保证电网的安全经济运行，已成为十分重要的问题。可行性：计算机技术的发展为电力系统的运行管理提供了极为有利的条件，并已有众多的电力系统采用了具有优良在线性能的计算机系统和先进的人—机接口，它不仅可以用来改善系统运行的安全性，也可以将电能生产的费用降低到最小程度。一、历史背景调度中心计算机系统功能：目前世界各国电力系统调度中心的计算机功能已经涉及到电力系统运行管理的所有领域。主要用来完成运行参数监视、记录和由调度员直接进行操作的部分称为SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition），包括数据采集、数据预处理、运行状况的监视、调度员远方操作、运行数据的记录打印统计与保存、事故追忆和事故顺序记录等功能。为了加强系统的安全性，60年代以后又发展了安全监视的功能（有关文献称为安全分析），主要包括状态估计和安全分析（有的文献称为安全评估）。二、电力系统安全性和可靠性的定义安全性：是电力系统在实时运行中，抵抗各种干扰，在事故条件下，维持电力系统连续供电的能力的表征。对安全的广义解释是保持不间断的供电，亦即不失去负荷。在实用中可以更确切地用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压模值在允许限值范围以内来表示。二、电力系统安全性和可靠性的定义可靠性：是电力系统在一个较长时间段内（例如：一年），保证其连续供电的概率，或者说是电力系统的年可用率等。是按时间的平均特性的函数。三、电力系统运行状态及其安全控制运行状态分类：正常状态安全正常状态不安全正常状态紧急状态恢复状态三、电力系统运行状态及其安全控制等式约束：0iidiigPP0iidiigQQ0)(xg式中：x为系统运行的状态变量。电力系统处于正常状态时，若忽略损耗，各用户的有功、无功负荷与系统中发出的有功、无功功率应该相等，即式中：Pig、Qig分别为第i节点有功、无功注入；Pid、Qid分别为第i节点的有功、无功负荷。也可以写成下列等式约束的形式：三、电力系统运行状态及其安全控制不等式约束：在具有合格电能质量的条件下，有关设备的运行状态应处于其运行限值范围以内，可用下列不等式来表示：maxminiiiUUUmaxminkkkPPPmaxminkkkQQQ0)(xh式中：Ui为节点i的电压模值；Pk、Qk为支路k的有功、无功潮流。也可以写成三、电力系统运行状态及其安全控制1．正常状态特点：同时满足等式与不等式两种约束条件。分类：发生故障（网络结构变化或发电机跳闸）后，仍能处于安全状态；发生故障后，可能出现输电线路过载、电压数值越限、系统失去稳定等情况。安全正常状态：不安全正常状态：三、电力系统运行状态及其安全控制1．正常状态安全分析（或安全评估）：从运行调度的角度看，应该用预想事故分析的方法来预先知道系统是否存在安全隐患，即处在所谓不安全正常状态，以便及早采取相应的措施来防患于未然，使之从不安全状态转变为安全正常状态。安全分析分类：静态安全分析：用来判断在发生预想事故后系统是否会发生过负荷或电压越限；暂态安全分析：用来判断系统是否会失去稳定；三、电力系统运行状态及其安全控制1．正常状态预防控制：使系统从不安全正常状态转变到安全正常状态的控制手段。三、电力系统运行状态及其安全控制特点：只满足等式约束但不满足不等式约束。虽没有出现大面积用户停电，但运行参数已越限。若不采取措施，运行情况将会进一步恶化，甚至造成系统崩溃。2．紧急状态三、电力系统运行状态及其安全控制2．紧急状态分类：稳定性的紧急状态：持久性的紧急状态：没有失去稳定性质的紧急状态。输电设备通常允许有一定的过负荷持续时间。一般可以通过校正控制使之回到安全状态。可能失去稳定的紧急状态。能容忍的时间只有几秒钟，相应的控制也不得超过1s，这种控制称为紧急控制或稳定性紧急控制。经紧急控制后一般进入恢复状态。三、电力系统运行状态及其安全控制特点：可能不满足等式约束，而不等式约束可以满足。控制：一般应通过恢复控制来恢复对用户的供电及实现已解列系统的重新联网，使系统进入到正常状态。3．恢复状态三、电力系统运行状态及其安全控制四种状态之间的关系：偶然事件状态转移安全控制状态转移安全状态不安全状态预防控制紧急状态紧急控制恢复状态校正控制恢复控制正常状态四、电力系统能量管理系统的功能能量管理系统，EnergyManagementSystem，简称EMS。1．运行管理——生产管理SCADA、状态估计、安全分析(或称安全评估)、安全控制、自动发电控制、负荷控制、电压控制、调度员培训模拟等。2．电能管理——经济管理(经营管理)发电计划、经济调度、负荷预测、运行规划、电能交易评估等。§3-2电力系统静态等值概述缩小计算规模：互联系统的分析计算往往会遇到计算机容量的限制或耗费的机时过长等问题。用等值方法取代系统中某些不感兴趣的部分，可以大大地缩小计算规模。难以获得外网实时信息：在线计算时，往往难以在调度中心获得整个系统的全部实时信息，因此，不得不把系统中的某些不可观察部分通过等值方法来处理。1．静态等值的意义概述互联系统（PS）内部系统（I）边界系统（B）研究系统（ST）外部系统（E）1．静态等值的意义电网划分：研究系统：感兴趣的区域，要求详细计算的部分。外部系统：不需要详细计算的部分，可以用等值方法取代的部分。概述等值目标：给定：互联系统（PS）全网的结构模型和潮流解；求等值网络PE，它满足：当研究系统内运行条件发生变化（例如出现预想事故）时，由PE获得的分析结果应与由PS获得的分析结果相近。1．静态等值的意义概述①外部等值应能较准确地给出它对内部系统变化的响应。②外部等值应能灵活处理系统状态的改变，适用于不同的应用目的。③化简外部系统的计算方法应与后继问题的解算方法相协调。④尽可能少的化简计算量，维持系统的稀疏性。⑤数学上有良好的计算性能，能保证获得可行的数学解。⑥对外部系统只要求有限的信息，例如，在研究线路开断时，只要求外部系统的拓扑现状，不要求外部系统运行状态的全部信息。2．对静态等值的基本要求概述①拓扑法：Ward等值；REI等值；……。②模式识别法3．计算外部等值的方法一、Ward等值法互联系统可以描述为IUY电网节点分类：子集I表示内部系统节点集合子集B为边界节点集合子集E为外部系统节点集合则式（3-1）可写成IBEIBEIIIBBIBBBEEBEEIIIUUUYYYYYYY00（3-1）（3-2）一、Ward等值法将上式拆成三个方程式IBEIBEIIIBBIBBBEEBEEIIIUUUYYYYYYY00EBEBEEEIUYUYBIBIBBBEBEIUYUYUYIIIIBIBIUYUY消去外部系统的节点，亦即消去。EUBEBEEEEEEUYYIYU11（3-3）（3-4）（3-5）由式（3-3）可得（3-6）将上式代入式（3-4），得BIBIBBBBEBEEEEEBEIUYUYUYYIYY)(11EEEBEBIBIBEBEEBEBBIYYIUYUYYYY11)(（3-7）一、Ward等值法合并式（3-7）与式（3-5）可得IEEEBEBIBIIIBBIEBEEBEBBIIYYIUUYYYYYYY11（3-8）或写成EQEQEQIUY（3-9）说明：消去外部节点后YBB受到修正，亦即边界节点的自导纳与互导纳改变；1EEBEYYD（3-10）外部系统的节点注入电流通过分配矩阵D被分配到边界节点上，EI对于线性系统，式（3-8）和式（3-9）是严格的等值！一、Ward等值法在实际应用时，用注入功率来代替注入电流：*1**)(SUUSIdiag（3-11）则式（3-8）可改写为**1*1IIEEEEBEBBIBIIIBBIEBEEBEBBUSUSYYUSUUYYYYYYY定义)()(**IBdiagdiagUUE00（3-12）（3-13）则式（3-12）可写成**1**)(IEEEEBEBBIBEQdiagSUSYYUSUUYE（3-14）一、Ward等值法由于外部系统注入功率在边界节点上的分配与有关，等值后的边界注入功率即式（3-14）与运行方式有关。因此，上述的等值就是不严格的。如果系统是在某一基本运行方式下进行等值，由于其节点电压是已知的，则外部系统注入功率分配到边界节点上的注入功率增量值为*1*)(EEEEBEBdiagUSYYU(3-15)此外，在非基本运行情况时，由于外部节点电压不同于基本情况，而式（3-15）却引入了基本情况下的，这也显然是有误差的。BUEUEU一、Ward等值法形成常规Ward等值的步骤：①选取一种有代表性的基本运行方式，通过潮流计算确定电网各节点的复电压。②选取内部系统的范围和确定边界节点，然后对下列矩阵进行高斯消元BBBEEBEEYYYY即消去外部系统、保留边界节点，就得到仅含边界节点的外部等值导纳阵EBEEBEBBYYYY1③根据式（3-15）计算出分配到边界节点上的注入功率增量，并将其加到边界节点原有注入上，得到边界节点的等值注入、。EQiPEQiQ一、Ward等值法常规Ward等值后的网络接线：内部系统联络线等值支路PEQ+jQEQ等值注入边界节点一、Ward等值法常规Ward等值法的缺点：①用等值网求解潮流时，选代次数可能过多或完全不能收敛。②等值网的潮流可能收敛在一个不可行解上。③潮流计算结果可能是误差太大。由于求取等值是在基本运行方式下进行的，而在系统实时情况下，由于运行方式变化会导致外部系统实际注入变化和参数发生变化，因此造成潮流计算的误差。这种现象在无功功率方面表现得更为突出。二、Ward等值法的改进措施①等值时尽量不用并联支路：等值后的并联支路代表外部系统的对地电容与补偿电抗。由于外部系统串联电路阻抗小，所以等值后外部系统并联支路几乎全部集中在边界节点上。在大互联系统中，大量对地电容的集中，当边界节点电压变化时会造成很大的无功变化。而实际系统中外部系统各节点电压一般可以就地调整，与边界节点电压的变化并不一致。为了减小这一因素所造成的误差，等值时应尽量不用并联支路，而通过求边界的等值注入来计及其影响。二、Ward等值法的改进措施②保留外部系统的PV节点：在等值时，如果外部系统中含有PV节点，则内部系统中发生事故开断时，应保持外部PV节点对内部系统提供的无功支援。而对于上述的Ward等值法由于PV节点已被消去了。为此进行外部等值时，应保留那些无功出力裕度较大，且与内部系统电气距离小的PV节点。二、Ward等值法的改进措施③利用实时信息校正边界注入量：先以内部系统实时数据作状态估计，求出边界节点的电压模值与电压相角；然后以所有边界节点作为平衡点，对基本运行方式下的外部等值系统（由边界节点及保留的外部系统节点组成）作潮流计算，潮流计算所求得的边界注入可用来校正基本运行方式的注入量。若用校正后的边界注入再次进行状态估计时，与内部系统实时信息仍有较大残差，则可以修改边界节点电压模