輸電斷面安全性保護(hù)及關(guān)鍵技術(shù)綜合研究

1、輸電斷面安全性保護(hù)及關(guān)鍵技術(shù)綜合研究報(bào)告內(nèi)容1、 研究背景與意義2、輸電斷面安全性保護(hù)3、關(guān)鍵技術(shù)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全性分析理論基礎(chǔ)電力網(wǎng)絡(luò)潮流轉(zhuǎn)移快速搜索算法基于靈敏度分析的緊急控制算法輸電斷面安全性保護(hù)綜合仿真平臺(tái) 一.研究背景與意義 重點(diǎn)分析了近四十年來世界上最嚴(yán)重、又典型的十次電網(wǎng)大停電(總負(fù)荷損失21,206萬(wàn)千瓦) 1965年北美大停電 - 損失 2,100萬(wàn)千瓦 1978年法國(guó)電網(wǎng)電壓崩潰 - 2,900萬(wàn)千瓦 1982年加拿大魁北克大停電- 1,547萬(wàn)千瓦 1982年瑞典電壓崩潰 - 1,140萬(wàn)千瓦 1987年日本東京電壓崩潰 - 817萬(wàn)千瓦 1994年中國(guó)南方電網(wǎng)瓦解 -

2、173萬(wàn)千瓦 1996年7月美西部大停電 - 1,058萬(wàn)千瓦 1996年8月美西部大停電 - 3,050萬(wàn)千瓦 2003年意大利大停電 - 1,421萬(wàn)千瓦 2003年美加大停電 - 7,000萬(wàn)千瓦 國(guó)外重大事故之一：1965年北美大停電 國(guó)外重大事故之二：1978年法國(guó)電壓崩潰 大停電的發(fā)展規(guī)律 大多數(shù)都發(fā)生在自由聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，負(fù) 荷可經(jīng)電網(wǎng)向另一電網(wǎng)任意傳送 所有的大停電都經(jīng)厲過類似的不受控制的 連鎖反應(yīng)，結(jié)果都使電網(wǎng)四分五裂,自由聯(lián) 網(wǎng)結(jié)構(gòu)的要害是負(fù)荷轉(zhuǎn)移，必然促進(jìn)惡性 循環(huán), 發(fā)展規(guī)律如下： - 線路過負(fù)荷(低電壓下)跳閘或故障(如碰 樹)跳閘，負(fù)荷轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的線路，特別 增大無(wú)

3、功損耗、電壓下降，更易連鎖反應(yīng) 引起更多線路過負(fù)荷跳閘和更大負(fù)荷轉(zhuǎn)移 - 大量的負(fù)荷轉(zhuǎn)移且疊加在聯(lián)系阻抗增大的 回路上，由於無(wú)功損耗突增，系統(tǒng)又無(wú)緊 急的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備，引起電壓崩潰 - 同樣原因，同時(shí)或繼而引起穩(wěn)定破壞 - 距離保護(hù)在失步振蕩時(shí)跳閘，斷開的都不 是預(yù)設(shè)的解列點(diǎn)(自由聯(lián)網(wǎng)根本無(wú)法設(shè)解 列點(diǎn))，系統(tǒng)四分五裂，結(jié)果發(fā)電、用電 不平衡，最后大停電 廣域測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)SCADA/EMS系統(tǒng) (采用窄帶寬的通信介質(zhì)、用模擬信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸1200bps)，刷新周期長(zhǎng)(5s)，無(wú)法滿足緊急控制的實(shí)時(shí)性要求。電力系統(tǒng)光纜SDH通信技術(shù)(622Mbps)、微處理器技術(shù)、IP技術(shù)、GPS、PMU的

4、發(fā)展，使得構(gòu)建實(shí)時(shí)的廣域測(cè)量系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)；其刷新周期可達(dá)2050ms，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的實(shí)時(shí)安全性保護(hù)與控制提供了可能。研究目的絕大多數(shù)大面積停電事故，起因都是靜態(tài)潮流問題，動(dòng)態(tài)問題隨后加劇了系統(tǒng)的崩潰。運(yùn)行在接近極限邊緣的輸電網(wǎng)絡(luò)，因若干低概率事故引發(fā)功率大范圍轉(zhuǎn)移，造成相鄰元件過載，形成連鎖過載跳閘以致系統(tǒng)失去電壓穩(wěn)定或功角穩(wěn)定，最終瓦解?；趶V域測(cè)量信息對(duì)緊急狀態(tài)下的靜態(tài)潮流轉(zhuǎn)移問題進(jìn)行研究，并在線實(shí)時(shí)尋找相應(yīng)的控制對(duì)策，對(duì)于有效抑止大停電事故的發(fā)展、蔓延具有重要意義。 輸電斷面的安全性問題（1）輸電斷面的安全性問題（2）輸電斷面的安全性問題（3）輸電斷面的安全性問題（4）2、輸電斷面安全性

5、保護(hù)的概念（1）輸電斷面安全性保護(hù)的任務(wù) 通過協(xié)調(diào)斷面上的后備保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作，避免斷面內(nèi)的支路發(fā)生連鎖過載跳閘，維持?jǐn)嗝娴妮旊娔芰?，防止斷面潮流的大幅度轉(zhuǎn)移。 預(yù)測(cè)出并行輸電斷面存在連鎖過載跳閘的可能時(shí)，通過安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行緊急控制，消除支路過載。反之，則允許過負(fù)荷保護(hù)延時(shí)跳閘。2、輸電斷面安全性保護(hù)的概念（2）實(shí)現(xiàn)安全性保護(hù)的信息條件 輸電斷面安全性保護(hù)需要實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)級(jí)的信息，快速收索當(dāng)前的輸電斷面，快速評(píng)估線路開斷后斷面的潮流情況，并給出可行的控制方案執(zhí)行之。 提升SCADA/EMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新速度或利用快速動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)，刷新周期長(zhǎng)短于1秒；將分散安裝的過負(fù)荷保護(hù)和各種安全自

6、動(dòng)裝置聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成安全穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng)；完成對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)計(jì)算真、實(shí)時(shí)控制。 輸電斷面的在線快速搜索： 從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度，分析支路開斷后潮流轉(zhuǎn)移的規(guī)律利用廣域測(cè)量信息，根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移特點(diǎn)，快速搜索系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)/并行輸電斷面。輸電斷面連鎖過載的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè) 通過對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中薄弱環(huán)節(jié)安全性狀況的分析獲得整個(gè)系統(tǒng)的安全信息，以減少分析計(jì)算的工作量，以提高安全控制的實(shí)時(shí)性。消除輸電斷面過載的實(shí)時(shí)控制 當(dāng)確認(rèn)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)存在連鎖跳閘的危險(xiǎn)后，須快速確定相應(yīng)的緊急控制策略，在保護(hù)動(dòng)作前消除元件過載3. 實(shí)現(xiàn)輸電斷面安全性保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)（1）電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全性分析理論基礎(chǔ) 廣義基爾霍夫定律 通過一個(gè)閉

7、合面的支路電流的代數(shù)和總是等于零，或者說，流出閉合面的電流等于流入同一閉合面的電流。 以上3式相加后，得對(duì)閉合面S的電流代數(shù)和： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c負(fù)荷分布對(duì)潮流轉(zhuǎn)移的影響潮流轉(zhuǎn)移特征分析(1)結(jié)論：斷面C中所有線路有功功率之和在線路 開斷前后相同，換言之，線路 功率轉(zhuǎn)移到斷面其它線路之中。 線路 斷開：對(duì)于弱受端系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，重負(fù)荷線路因運(yùn)行異常延時(shí)切除后，系統(tǒng)潮流往往在與該重負(fù)荷線路有相同電源區(qū)或負(fù)荷區(qū)的并行輸電斷面內(nèi)轉(zhuǎn)移。 對(duì)于強(qiáng)受端系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)，電源與負(fù)荷就近供電，多數(shù)沒有明顯的并行輸電斷面。 弱受端系統(tǒng)：指受端電源容量小，主要依靠外電源送電的結(jié)構(gòu)。強(qiáng)受端系統(tǒng)：電源與負(fù)荷均勻分布，受端系統(tǒng)內(nèi)的

8、電源容量比較大，內(nèi)部聯(lián)系緊密的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 中國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)一次比較薄弱，由于能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，電源與負(fù)荷分布不均，存在若干并行輸電通道。預(yù)計(jì)到2020年，每年將有大約100000MW電力從西部送至東部潮流轉(zhuǎn)移特征分析(2)輸電元件物理參數(shù)對(duì)系統(tǒng)潮流的影響 根據(jù)直流潮流模型：忽略支路電阻和對(duì)地電容，支路兩端的相角差一般不大，可以近似認(rèn)為，于是任意兩節(jié)點(diǎn)之間的功率可表示為： 結(jié)論：輸電線路阻抗參數(shù)越小，在相同條件下，傳輸功率就越大 簡(jiǎn)單系統(tǒng)示例支路電流支路電流j-m0.09I0j-k0.10I0j-n0.18I0m-k0.27I0n-m0.18I0k-p0m-q0k-i0.36I0 等效注入

9、電流在網(wǎng)絡(luò)中的分布：兩節(jié)點(diǎn)之間長(zhǎng)度最小的最短路徑( Rs： j-n-m-k-i )支路電流最大，換言之，開斷支路兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑上支路功率變化量最大 (1) (2) (3) (4)最短路徑潮流轉(zhuǎn)移分析簡(jiǎn)單并行網(wǎng)絡(luò)最短路徑潮流轉(zhuǎn)移分析 虛線 ：表示通過若干中間節(jié)點(diǎn)相連粗實(shí)線 ：表示兩節(jié)點(diǎn)直接相連粗實(shí)線 ：長(zhǎng)度近似表示線路阻抗大小i j最短路徑 ： i n p q m j最短路徑潮流轉(zhuǎn)移分析 最短路徑上每一條支路的電流，分別大于與之并聯(lián)的其它支路電流 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨電流分支數(shù)目增加，相應(yīng)最短路徑上的支路電流也就會(huì)越來越小：而非最短路徑支路功率(該支路不在最短路徑上)在終端節(jié)點(diǎn)b匯總：?對(duì)于

10、強(qiáng)受端系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)電源與負(fù)荷均勻分布，電源與負(fù)荷就近供電任意母線節(jié)點(diǎn)“出線”回路數(shù)K一般都比較少 k Rule2 Rule3, 即首先尋找滿足Rule1的調(diào)整對(duì)，若沒有則尋找Rule2，再?zèng)]有則Rule3。Rule1：能有效降低所有過載支路潮流的控制調(diào)整對(duì)i 、jRule2 ：只能降低最嚴(yán)重支路潮流與斷面過載量總和的控制調(diào)整對(duì)i 、jRule3 ：只能降低斷面總體過載量的控制調(diào)整對(duì)i 、j正常支路的啟發(fā)式規(guī)則： 根據(jù)調(diào)整對(duì)靈敏度的符號(hào)判斷節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j對(duì)正常支路的作用，以確定滿足支路潮流約束的調(diào)節(jié)量。若 ， 表明調(diào)整ij會(huì)使支路潮流降低，則不必對(duì)調(diào)整量進(jìn)行約束若 ，表明調(diào)整ij會(huì)使支路潮流增加

11、，則需要對(duì)調(diào)整量進(jìn)行約束，調(diào)整量不應(yīng)超過 ，其值由下式確定其中 為正常支路K距離其輸電極限的冗余量為了保證所有正常支路都不過載，確定出最小的調(diào)整量約束：節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的最終調(diào)節(jié)量是以下四項(xiàng)數(shù)據(jù)的最小值：本次控制的應(yīng)調(diào)量 ，本次控制的最小約束量 ，節(jié)點(diǎn)的可加量 ，和節(jié)點(diǎn)的可減量 ，即為輸電斷面安全性保護(hù)仿真平臺(tái)輸電斷面安全性保護(hù)算法的測(cè)試平臺(tái)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)輸入模塊并行輸電斷面快速搜索最短傳輸路徑快速搜索基于分布系數(shù)法斷面潮流分析 防止輸電斷面連鎖過載的緊急控制算法算法流程仿真平臺(tái)界面輸電斷面搜索流程 輸電斷面安全性分析流程緊急控制算法流程山東系統(tǒng)仿真系統(tǒng)特點(diǎn)513個(gè)節(jié)點(diǎn)，940條支路，

12、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大500kV與220kV高低壓運(yùn)行，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無(wú)明顯高低壓電磁環(huán)網(wǎng)西部電源較集中，東部負(fù)荷較重，呈現(xiàn)“西電東送”的特點(diǎn)存在若干并行輸電通道支路編號(hào)分布因子(降序)斷開前有功(pu)開斷后有功(pu)調(diào)整后有功(pu)600234#0.5378960%95.5%57.92600233#-1.0000110%0.0098.0%600823#0.3004725%118.6%8.85%600639*0.2965940%96.5%67.22%600137#0.2305360%87.4%54.37%600139#0.2305360%87.4%54.37%600748#0.1642960%69.1%63.15%6008430.0039070%70.0%68.32%6000180.0039070%70.0%68.32%6008320.0013070%70.0%69.23%示例 魯青島廠220到魯李山站220的支路(編號(hào)：600233)發(fā)生了過載，根據(jù)本文輸電斷面搜索算法，可得相應(yīng)的并行輸電斷面。注：標(biāo)“#”表示該線路并行輸電斷面中控制策略表節(jié)點(diǎn)名稱節(jié)點(diǎn)類型原來大小上調(diào)/下調(diào)控制量最終大小魯青島廠1號(hào)發(fā)電機(jī)300MW下調(diào)28.83271.20魯華德廠5號(hào)發(fā)電機(jī)451.55MW上調(diào)28.83480.38得出控制策略需要時(shí)間5ms 運(yùn)行界面