电力系统暂态稳定性的分析方法综述

电力系统暂态稳定性的分析方法综述摘要：随着电网规模扩大，电网动态特性更加复杂多变，发生由暂态失稳而引发的大停电事故更加频繁，因此加强对电力系统暂态稳定分析的研究具有重要意义。本文对目前电力系统暂态稳定分析方法的现有研究文献进行了调研和综述，指出了现有方法的优点和缺点，同时提出了今后暂态稳定分析法的发展方向。关键词：电力系统；暂态稳定；稳定分析引言：随着三峡电站的投产运行，全国联网、西电东送工程的实施，使得我国电网正朝着大电网、超高压、远距离、交直流并联输电方向快速发展。电网规模的扩大带来巨大经济效益的同时，也出现了新的技术问题，如：长距离弱联络线并列运行，形成输电瓶颈，降低了系统的稳定裕度，动态特性更加复杂多变。另外，电力市场竞争机制的引入，使得系统运行动态特性更加不可预测。同时，电网互联后，受扰动的影响而波及的范围会更广，更易引发大停电事故。研究表明，诸多大停电事故是由于暂态失稳而引发的。而目前的暂态稳定紧急控制策略多基于预想事故集而制定的。缺乏有效的在线稳定分析软件是错失紧急控制时机，从而引发大停电事故的重要原因之一。因此，加强研究大电网安全稳定性分析具有十分重要的意义。1、暂态稳定分析方法评述电力系统暂态稳定是指系统突然遭受大扰动后，能从原来的运行状态不失同步地过渡到新的稳定运行状态的能力。目前暂态稳定分析的基本方法主要有如下几类方法：1、1时域法时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。时域法具有广泛模型的适应性，但是由于需数值求解，计算速度慢；阀值的选取是通过工程实际经验得到的，缺乏理论依据；也不能给出稳定裕度。1、2暂态能量函数法暂态能量函数法的理论基础是李亚普洛夫稳定性定理，因此也称为拟李亚普洛夫直接法(简称直接法)。该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与系统临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的。由于暂态能量函数法中不计算实际系统故障后的发电机转子摇摆曲线，所以临界能量VCR都不是从临界轨迹获得的。由于临界能量VCR的确定方法不同,形成了不同的直接暂态稳定分析方法,国内外研究的比较多的暂态能量函数法主要有相关不稳定平衡点法(RUEP)、势能界面法(PEBS)、基于稳定域边界的主导UEP(BCU)法等。各种方法在计算VCR时的近似都会带来误差。(1)在RUEP法中，主导失稳模式的准确判别是有困难的。而且，实际多机系统的运动轨迹并不经过RUEP点，所以用RUEP点的势能作为VCR,也有一定的误差。(2)在PEBS法中，认为持续故障轨迹(代替临界轨迹)与势能界面相交的一点就近似地等于UEP，以该点的势能作为该故障位置的临界能量。而这种近似是有条件的，因此会带来误差。(3)在BCU法中，是用经过主导UEP的恒值能量面(代替稳定流形)去近似出口点的。而且，与RUEP法类似，以偏差功率方程为零确定的主导UEP点的势能作为VCR是有误差的。总之，直接法无需数值求解功角摇摆曲线，计算速度快，能给出稳定裕度。但是一般模型较简单，分析结果偏保守或乐观，且只能判别首摆稳定性。1、3混合法暂态能量函数法只考虑了简单模型的系统，对于复杂大系统的稳定评估无能为力，同时由于假设机械功率不变，只能对首摆稳定做出合理的评估。而这些缺点正是时域仿真法的优势所在。因此，人们又研究了联合时域仿真技术与直接法的一种方法，即混合法。在混合法中实施数值仿真至故障清除时间以外如同通常的时域仿真，在仿真过程中运用PEBS上的近似出口点得到一种近似的能量裕度而无需计算UEP，因此该法能提供稳定裕度，从而又弥补了时域法的不足，混合法得到了较快的发展。由于该法是两种方法的联合，具有二者的优缺点。其工程应用主要有二个方面的问题：一个是计算速度。由于引入了时域仿真计算，必须提高整个系统的计算速度。一个是稳定裕度的准确性。混合法中结合了直接法中稳定裕度的计算，直接法本身的一些近似和假设影响了稳定裕度计算的精度。1、4扩展等面积(EEAC)法等面积法则从理论上较为完美地解决了单机－无穷大系统的暂态稳定评估问题，因此人们投入了大量的研究将其应用于多机系统中，其中以我国薛禹胜院士提出的EEAC法最为著名。EEAC法的基本思想是：在给定故障扰动下系统的机组分为临界机组和非临界机组两群，基于轨迹聚合和保稳变换，分别对这两群机组用等值机进行动态等效，进而又等值为单机－无穷大系统，从而可利用等面积法则评估系统的暂态稳定性。EEAC包括SEEAC、DEEAC和IEEAC三种形式。与直接法相比，EEAC法可实现多摆稳定性判别，但是它评估的正确性依赖于同调群的正确识别。1、5人工智能法时域仿真法、直接法、混合法、EEAC法都是基于电力系统数学模型和理论的暂稳评估方法，计算精度和速度难以协调。而人工智能方法可进行非模型的电力系统暂态稳定判别，具有在线计算速度快、容易生成决策用的启发规则等优点，因此与传统暂态稳定分析方法构成了良好的互补。目前，人工智能方法主要有：模式识别、模糊理论、神经网络、支持向量机法。有文献针对传统方法难以解决输入特征选择的问题，提出了一种利用多信息融合技术的支持相量机暂态稳定评估方法。但是人工智能法在实际应用中的困难是：难以获取大量的、准确的学习样本，而实际电力系统运行方式、扰动类型、扰动地点复杂多变，借助于模拟仿真得到的样本数据可能与电力系统实际运行情况不符合；缺乏在线自动学习的有效算法，难以从大量数据中提取有效信息。1、6轨迹分析法轨迹分析法雏形是在上世纪80年代提出根据数值仿真暂稳计算程序计算的结果来确定发电机的稳定指标和失稳指标的方法。它的基本思想是由时域法计算出的轨迹信息计算相应的能量，利用能量分析的方法来定量描述发电机的稳定状况。但该法所构造的稳定指标过于粗糙，且缺乏理论分析。因此后来成熟的轨迹分析法是在时域法仿真得到的轨迹信息的基础上，深入分析这些轨迹信息背后的机理，然后提出相应的稳定性判据和稳定裕度。轨迹分析法的显著优点是无需求取临界能量值，但是由于结合了时域法，因此应用于复杂大系统时存在计算速度和计算精度相矛盾的问题。2、结论与展望综上所述，传统的暂态稳定分析方法虽然为电力系统的暂态稳定分析与控制做出很大的贡献，然而随着互联电网的动态特性更加复杂多变，分析和控制难度加剧，这些传统方法大多已不适应电网发展的需要，迫切需要针对互联电网现状的暂态稳定分析方法。目前，PMU(同步相量测量单元)测量技术的出现为暂态稳定分析的研究提供了新的契机。由多个PMU装置通过通讯设备互联就组成了WAMS(广域测量系统)，如今已陆续在我国电网中装设，未来几年有望在我国电网中得到普及。WAMS可提供实时动态轨迹信息，我认为，WAMS实测信息若能和轨迹分析法相结合，将具有实际应用前景。参考文献【1】腾福生.电力系统调度自动化和能量管理系统.—四川大学出版社。【2】刘天琪.现代电力系统分析理论与方法.—北京：中国电力出版社，2007。【3】何仰赞，温增银.电力系统分析.—华中科技大学出版社。【4】王显平.电力系统故障分析—北京:中国电力出版社