第三章 电力系统静态安全分析

NorthChinaElectricPowerUniversityDepartmentofElectricalEngineeringBaoding2007.11-2008.01电力系统分析第三章电力系统静态安全分析一．概述二．电力系统静态等值三．支路开断模拟四．发电机开断模拟五．预想事故的自动选择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。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，已有众多的电力系统采用了具有优良在线性能的计算机能量管理系统，这不仅可以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．概述目前各国电力调度中心的计算机功能已涉及到电力系统运行管理的所有领域，其中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系统(SupervisoryControlandDataAcquisition)，它包括数据采集、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。为加强系统的安全性，20世纪60年代后又发展了安全监视的功能(也称安全分析)，它主要包括状态估计和安全分析(也称安全评估)。一．概述对安全的广义解释是保持不间断的供电，即不失去负荷。在实用中可以更确切地用正常供电情况下，能否保持潮流及电压模值在允许限值范围内来表示。具体来说，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，也可写成等式约束的形式，即式中：为系统运行的状态变量。一．概述0iidiigPP0iidiigQQ0xgx另一方面，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内，即没有过负荷。因此可用下列不等式来表示，，式中：为节点的电压模值；为支路的有功潮流；为支路的无功潮流。也可以写成综上所述，电力系统正常运行时应该同时满足等式与不等式两种约束条件。一．概述0hxkmaxminiiiUUUmaxminkkkPPPmaxminkkkQQQiUikPkkQ从运行的角度看，处于正常状态的系统发生故障后，可能仍然处于安全状态。由于网络结构的变化，系统也可能出现线路过负载、电压越限、系统失稳等情况。因此，正常状态的电力系统可区分为安全正常状态与不安全正常状态两类。从系统运行调度的角度看,应该用预想事故分析的方法预先知道系统是否存在隐患，即处在不安全正常状态，以便采取相应措施防患于未然，使之从不安全正常状态转变为安全正常状态。电力系统安全分析就是为这一目的而设立的。一．概述凡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的功能称为静态安全分析。而用来判断系统是否会失稳的功能则称为暂态安全分析；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，称为预防控制。一．概述对于只满足等式约束但不满足不等式约束的运行状态，称为紧急状态。这表示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。紧急状态又可以分为两类：①没有失去稳定性质的紧急状态。由于输电设备通常允许有一定的过负荷持续时间，所以这种状态称为持久性的紧急状态。对于这种状态一般可以通过控制使之回到安全状态，称为校正控制，也称持久性的紧急状态控制。一．概述②可能失去稳定的紧急状态，也称为稳定性的紧急状态，其能容忍的时间只有几秒钟，因此相应的控制也不得超过1秒。这种控制称为紧急控制或稳定性紧急控制。系统经紧急控制后一般进入恢复状态，这时系统可能不满足等式的约束，而不等式约束则可以满足。一．概述对于处于恢复状态的系统，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，使电力系统进入到正常状态。图3-1给出了电力系统的四种状态及其经控制或事故扰动相互转化的过程。一．概述图3-1电力系统运行状态分类及其转化过程一．概述电力系统的运行管理功能，除SCADA、状态估计、安全分析(或称安全评估)、安全控制外，在运行控制方面包括自动发电控制、负荷控制，电压控制与调度员培训模拟等，在电能管理方面包括发电计划、经济调度、负荷预计、电能交易评估、运行规划等。这种包括SCADA、安全监控及其它调度管理与计划的功能系统，统称为能量管理系统(EMSEnergyManagementSystem)。一．概述随着电力事业的发展，电网逐步变成巨大的互联系统以提高电能质量和运行的经济性并获得较高的供电可靠性。但是互联系统却使运行方式的计算更为复杂。对互联系统进行不同运行方式下的分析计算往往会遇到计算机容量的限制或耗费机时过长等问题。用等值方法取代系统中某些不感兴趣的部分，可以明显地缩小问题的计算规模。二．电力系统静态等值此外，电力系统进行在线计算时，往往难以在调度中心获得整个系统的全部实时信息，而系统数学模型的规模又必须与所得到的实时信息相一致。因此，也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。二．电力系统静态等值一般来说。一个互联电力系统按其计算的要求，可以划分为研究系统和外部系统两部分。所谓研究系统就是指感兴趣的区域，或者说是要求详细计算模拟的电网部分。而外部系统则是指不需要详细计算的部分，或是可以用某种等值方法来取代的电网部分。研究系统又可以分为边界系统和内部系统两部分。所谓边界系统就是指内部系统与外部系统相联系的边界点(或边界母线)。内部系统与边界系统的连接支路称为联络线。二．电力系统静态等值任何一种将外部系统简化成外部等值的方法必须保证，当研究系统内运行条件发生变化(例如出现预想事故)，其等值网的分析结果应与未简化前由全系统计算分析的结果相近。二．电力系统静态等值一Ward等值法互联系统可以用一组线性方程式来描述(3-1)如将电网的节点分为三类：以子集表示内部系统节点集合，子集为边界节点集合，子集为外部系统节点集合，式(3-1)可以写成(3-2)二．电力系统静态等值YUIIBE00EEEEEBBBBEBBBIIBIIIIIUYYYYYUIYYUI或写成(3-3)(3-4)(3-5)消去外部系统的节点，即消去式(3-2)中的，则从式(3-3)中得(3-6)将上式代入式(3-4)得(3-7)合并式(3-7)与式(3-5)可得二．电力系统静态等值EEBEEEBYUYUIBEBIBEBBBIYUYUYUIIBIIEIIYUYUIEU11EEBEEEEEBUYIYYU11BEBIBBBEEEEBBEBEEEYYYYUYUIYYI(3-8)或写成(3-9)上式为消去外部节点后等值网的方程式。由式(3-9)可见，消去外部节点后受到修正。亦即边界节点的自导纳与互导纳改变。此外外部系统的节点注入电流通过分配矩阵被分配到边界节点上，分配矩阵为(3-10)D二．电力系统静态等值11BEBBBBEEEEBBIBEEEIBIIIIYYYYYUIYYIYYUIEQEQEQYUIBBYEI1EEBEYYD对于线性系统来说式(3-8)和式(3-9)是一个严格的等值，只要不变，在任何、时，由式(3-8)求得的和，同原始的未等值全网的计算结果完全一致。在实际应用时，需用注入功率来代替注入电流，即(3-11)二．电力系统静态等值EIBIIIBUIU1SIdiagUSU则式(3-8)改写为(3-12)若定义为(3-13)11BEBEEEBEBBBBEEEEBBIIBIIIIISSYYUUYYYYYUYYUSUE00BIdiagUEdiagU二．电力系统静态等值则式(3-12)可写成(3-14)如果系统是在某一基本运行方式下进行等值，由于其节点电压是己知的，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(3-15)1EBBBEEEBEIISSdiagUYYUEUUS1EBBEEEESdiagUYYU二．电力系统静态等值由于外部系统注入功率在边界节点的分配与有关，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。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。BUEUEU二．电力系统静态等值形成Ward等值的步骤如下。(l)选取一种有代表性的基本运行方式，通过潮流计算确定全电网各节点的电压。(2)选取内部系统的范围和确定边界节点，然后对矩阵进行高斯消元,消去外部系统。保留边界节点，得到仅含边界节点的外部等值导纳阵二．电力系统静态等值BBBEEBEEYYYYEBEEBEBBYYYY1(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功率上，得到边界节点的等值注入、。也可以用以下的简便方法来计算边界节点上的等值注入，如假定边界节点为，则计算式为(3-16)二．电力系统静态等值EQiPEQiQiijioijiijijijijjiEQiijijijijijjiioijiEQibbUgbUUQbgUUggUP200000000020sincossincos式中，、分别为基本运行方式下的内部与边界节点电压模值与相角；为与边界节点相连的联络线或等位支路导纳。表示边界节点和相邻节点之间电压相角差，为支路侧的对地支路导纳，表示节点与相邻接。二．电力系统静态等值0iU0iiijijjbgi0ijijioiojbgiijji这种方法特别适宜于在线应用，因为内部和边界的节点电压模值、电压相角与联络线潮流都可以由状态估计来提供。Ward等值后的网络接线，如图3-2所示。图3-2Ward等值系统示意图二．电力系统静态等值Ward等值法存在以下缺点。(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)潮流计算结果可能误差太大。这是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．电力系统静态等值二Ward等值法的改进措施针对Ward等值法的缺陷，出现了许多改进型Ward等值法，它们主要在以下几方面作了改进。(1)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。二．电力系统静态等值在大互联系统中，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，而通过求边界的等位注入来计及其影响。二．电力系统静态等值(2)等值时，如果外部系统中含有节点，则内部系统中发生事故开断时，应保持外部节点对内部系统提供的无功支援。而对于上述的Ward等值法由于节点已被消去，这一要求在实际上难以满足。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节点。二．电力系统静态等值PVPVPVPV(3)实现外部等值时，一般是根据某一基本运行方式的全网潮流解进行的。在实时状况下，系统运行方式在不断变化。由于远动条件的限制在调度中心一般不能掌握全系统的实时网络结构与运行参数的变化，因