電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)平安性與穩(wěn)定性

PowerSystemSecurityandStability2023年秋季·研究生課程第一章電力系統(tǒng)平安分析主要內(nèi)容平安性、穩(wěn)定性、可靠性概念N-1平安準(zhǔn)那么預(yù)想事故分析平安約束調(diào)度一、概述電力系統(tǒng)平安性：①指電力系統(tǒng)突然發(fā)生擾動(例如突然短路或非方案失去電力系統(tǒng)元件)時不間斷地向用戶提供電力和電量的能力；②指電力系統(tǒng)的整體性，即電力系統(tǒng)維持聯(lián)合運行的能力。電力系統(tǒng)平安運行應(yīng)滿足以下三類條件：①系統(tǒng)負(fù)荷需求〔用E表示〕②運行約束〔無潮流和電壓越限，用C表示〕③可靠性約束〔預(yù)想事故分析，用R表示〕針對這三類條件電力系統(tǒng)可分為五種狀態(tài)：①正常狀態(tài)ECR②警戒狀態(tài)

ECR*⑤恢復(fù)狀態(tài)

E*CR*③緊急狀態(tài)

EC*R*④瓦解狀態(tài)

E*C*R*預(yù)防控制安全校正恢復(fù)控制緊急控制①正常狀態(tài)：滿足全部三類條件，能滿足全部負(fù)荷又沒有越限，而且能承受預(yù)想故障的沖擊。②警戒狀態(tài)：能滿足全部負(fù)荷又沒有越限，但承受不了預(yù)想事故的沖擊。假設(shè)針對預(yù)想故障采取預(yù)防性控制，系統(tǒng)可以回到正常狀態(tài)。③緊急狀態(tài)：能滿足全部負(fù)荷但已出現(xiàn)支路或電壓越限。假設(shè)及時采取平安校正措施，系統(tǒng)可以回到警戒狀態(tài)或正常狀態(tài)；否那么可能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。

④瓦解狀態(tài)：全部三類條件破壞，不能滿足全部負(fù)荷需求。采取緊急控制防止事故擴大，過渡到恢復(fù)狀態(tài)。

⑤恢復(fù)狀態(tài)：事故不再擴大，網(wǎng)絡(luò)元件越限解除，但許多用戶尚未恢復(fù)供電，通過恢復(fù)控制，使系統(tǒng)回到正常狀態(tài)。電力系統(tǒng)運行的平安水平：可以理解為系統(tǒng)承受偶發(fā)性事故沖擊而不致破壞的能力。在實際運行中，一般用平安儲藏系數(shù)和干擾出現(xiàn)的概率確定一個電力系統(tǒng)當(dāng)前的平安水平。①與事故概率有關(guān)。②與其是否有足夠的平安儲藏有關(guān)。平安儲藏可以理解為備用容量，包括有功備用、無功備用和線路傳輸能力備用等。備用容量能否發(fā)揮作用與電力系統(tǒng)的運行方式有密切關(guān)系。如何保證電力系統(tǒng)平安性：規(guī)劃和設(shè)計階段：①電力系統(tǒng)開展規(guī)劃應(yīng)與負(fù)荷增長相適應(yīng)，并有足夠備用。②合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電力系統(tǒng)具有足夠的抗干擾能力。③合理選擇電力元件，保證設(shè)備質(zhì)量。運行管理階段：①及時維護系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備，保證其完好性。②優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)和參數(shù)。N－1平安準(zhǔn)那么：判定電力系統(tǒng)平安性的一種準(zhǔn)那么。又稱單一故障平安準(zhǔn)那么。按照這一準(zhǔn)那么，電力系統(tǒng)的N個元件中的任一獨立元件〔發(fā)電機、輸電線路、變壓器等〕發(fā)生故障而被切除后，應(yīng)不造成因其他線路過負(fù)荷跳閘而導(dǎo)致用戶停電；不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故。當(dāng)這一準(zhǔn)那么不能滿足時，那么要考慮采用增加發(fā)電機或輸電線路等措施。N－1原那么與可靠性分析相比較，它的計算簡便，不需搜集元件停運率等大量原始數(shù)據(jù)，是一種極為簡便的平安檢查準(zhǔn)那么，在歐美一些電力公司得到了廣泛應(yīng)用。判斷線路是否過負(fù)荷，通常使用線路發(fā)熱條件的載流量極限值。局限性：需要量化評價時，須引入可靠性計算。在我國，《電力系統(tǒng)平安穩(wěn)定導(dǎo)那么》〔DL755-2001〕規(guī)定了保證電力系統(tǒng)平安穩(wěn)定運行的根本要求、平安穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)及平安穩(wěn)定的計算方法。其中：N－1平安準(zhǔn)那么：正常運行方式下的電力系統(tǒng)中任一元件無故障或因故障斷開，電力系統(tǒng)應(yīng)能保證穩(wěn)定運行和正常供電，其它元件不過負(fù)荷，電壓和頻率均在允許值范圍內(nèi)。應(yīng)用：靜態(tài)平安分析〔單一元件無故障斷開〕動態(tài)平安分析〔單一元件故障后斷開的穩(wěn)定性分析〕某些多個元件同時退出運行的事件也要考核。平安性、穩(wěn)定性、可靠性的關(guān)系穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)可以連續(xù)向負(fù)荷正常供電的狀態(tài)。保證穩(wěn)定是電力系統(tǒng)平安運行的必要條件。不穩(wěn)定后果：系統(tǒng)崩潰。平安：指運行中所有電氣設(shè)備必須在不超過它們允許的電壓、電流和頻率的幅值和時間限幅內(nèi)運行。不平安的后果：設(shè)備損壞。平安性：表征系統(tǒng)短時間內(nèi)抗干擾能力，屬運行范疇?？煽啃裕洪L時間連續(xù)正常供電的概率，屬規(guī)劃范疇。是對電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供電能力的度量。廣義可靠性：包括充裕度和平安性二方面。充裕度〔adequancy，也稱靜態(tài)可靠性〕：指電力系統(tǒng)維持連續(xù)供給用戶總的電力需求和總電量的能力，同時考慮到元件的方案停運及合理的期望非方案停運。表征電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)性能。平安性：動態(tài)的可靠性。可靠性是系統(tǒng)設(shè)計和運行的總體目標(biāo)為保證可靠性，系統(tǒng)絕大局部時間必須是平安的為保證平安性，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，同時必須對其他不能歸類為穩(wěn)定問題的偶然事件是平安的，如設(shè)備損壞、桿塔倒塌或者人為破壞等不存在絕對平安的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中目前的平安性分析基于確定性方法設(shè)計和運行時要求系統(tǒng)能夠承受一系列正常擾動—N－1準(zhǔn)那么。比正常擾動更嚴(yán)重的擾動依靠切機、切負(fù)荷以及解列等緊急控制措施。主要缺乏之處認(rèn)為所有的擾動具有相同的發(fā)生概率和相同程度的后果開展方向：基于風(fēng)險的平安性評估考慮運行方式和事件發(fā)生的概率，定量分析和研究系統(tǒng)的風(fēng)險對電力系統(tǒng)面臨的不確定性因素，給出可能性與嚴(yán)重性的綜合度量。電力系統(tǒng)平安分析與控制的主要內(nèi)容：電力系統(tǒng)調(diào)度要實行“事故預(yù)想〞制度。這是根據(jù)已有知識和運行經(jīng)驗設(shè)想：電力系統(tǒng)運行在某一情況下出現(xiàn)異常情況時應(yīng)如何處理；在另一種運行情況時出現(xiàn)異常又該如何處理，等等。但人工預(yù)想的事故只能是少量的，偏重于預(yù)想反事故措施。它對當(dāng)前系統(tǒng)運行狀態(tài)的平安水平很難做出全面的評價。在電子計算機應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)度之后，用計算機代替人工事故預(yù)想，對電力系統(tǒng)進行平安監(jiān)視(SM，SecurityMonitering)和平安分析(SA，SecurityAnalysis)并提出平安控制對策，把電力系統(tǒng)調(diào)度自動化推向了能量管理系統(tǒng)(EMS)階段。一般說來，電力系統(tǒng)平安分析與控制的主要內(nèi)容包括以下幾個方面。①平安監(jiān)視利用電力系統(tǒng)信息收集和傳輸系統(tǒng)所獲得的電力系統(tǒng)和環(huán)境變量的實時測量數(shù)據(jù)和信息，使運行人員能正確而及時地識別電力系統(tǒng)的實時狀態(tài)。電子計算機自動校核實時電流或電壓是否已到極限。校核工程包括母線電壓、注入有功和無功功率、線路有功和無功功率、頻率、斷路器狀態(tài)及操作次數(shù)等。如果校核的結(jié)果是越限那么報警，如果逼近極限值那么予以顯示。②平安分析在平安監(jiān)視的根底上，用計算機對預(yù)想事故的影響進行評估：分析電力系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)在發(fā)生預(yù)想事故后是否平安；確定在出現(xiàn)預(yù)想事故后為保持系統(tǒng)平安運行采取的校正措施。靜態(tài)平安分析：只考慮預(yù)想事故后穩(wěn)態(tài)運行的平安性，而不考慮從當(dāng)前運行狀態(tài)向事故后穩(wěn)定運行狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)移過程。判斷是否會發(fā)生過負(fù)荷或電壓越限。動態(tài)平安分析：包括事故后動態(tài)過程的平安分析。目前動態(tài)平安分析還處在研究階段。③平安控制平安控制是指在電力系統(tǒng)各種運行狀態(tài)下，為了保護電力系統(tǒng)平安運行所進行的各種調(diào)節(jié)、校正和控制。常規(guī)調(diào)度控制：電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下平安控制的首要任務(wù)是監(jiān)視不斷變化著的電力系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)日負(fù)荷曲線調(diào)整運行方式和進行正常的操作控制，使系統(tǒng)運行參數(shù)維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以滿足正常供電的需要。

預(yù)防性平安控制：是指在進行控制時電力系統(tǒng)并未受到干擾，之所以對電力系統(tǒng)實行控制是因為平安分析已經(jīng)顯示電力系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)在出現(xiàn)某種事故時是不平安的。實行預(yù)防性平安控制之后會提高電力系統(tǒng)的平安性。但是，平安分析時所假定的事故可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)。如果為了預(yù)防這種可能出現(xiàn)又不一定出現(xiàn)的不平安狀態(tài)，需要使正常運行方式和接線方式有很大改變而影響正常運行經(jīng)濟性時，要由運行人員來作出判斷，決定是否需要進行這種預(yù)防性控制。平安控制還包括緊急狀態(tài)下的平安控制和事故后的恢復(fù)控制。廣義地理解平安控制也包括對電能質(zhì)量和運行經(jīng)濟性的控制。二、預(yù)想故障分析電力系統(tǒng)平安分析是分析運行中的電力系統(tǒng)在出現(xiàn)事故時是否能夠繼續(xù)保持正常狀態(tài)運行。這里所謂的事故是根據(jù)運行人員的經(jīng)驗假定的事故。這些事故的結(jié)果，或者使一條或幾條電力線路斷開，或使變壓器、發(fā)電機、負(fù)荷斷開，或者發(fā)生以上情況的組合。確定出現(xiàn)事故時系統(tǒng)是否平安就是通過計算機計算在發(fā)生以上各種假定的事故時，是否有線路過負(fù)荷或超過允許傳輸極限，是否有節(jié)點過電壓，系統(tǒng)是否會失去穩(wěn)定等。如果不會出現(xiàn)上述情況，系統(tǒng)的當(dāng)前運行狀態(tài)就是平安的，否那么就是不平安的。定義：預(yù)想故障分析是指針對預(yù)先設(shè)定的電力系統(tǒng)元件的故障及組合，確定它們對電力系統(tǒng)平安運行的影響。預(yù)想故障分析是能量管理系統(tǒng)〔EMS〕的重要功能之一。一般的說，其包括故障定義與分類、故障篩選和故障分析三局部。主要功能：①按調(diào)度員的需要方便地設(shè)置預(yù)想故障；②快速區(qū)分各種故障對電力系統(tǒng)平安運行的危害程度；③準(zhǔn)確分析嚴(yán)重故障后系統(tǒng)的狀態(tài)，實現(xiàn)可視化。故障定義與分類：

目的：①提高預(yù)想故障分析的準(zhǔn)確程度；

②降低預(yù)想故障分析的計算量；

③改善預(yù)想故障分析的靈活性。

在定義預(yù)想故障集時，采用物理分類方式；

在分析過程中，對故障按危害程度分類。

早期只進行n-1式故障選擇和分析，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的增強和規(guī)模的擴大，調(diào)度人員更重視多重故障分析。但假設(shè)進行n-2或n-3掃描方式，在技術(shù)上是不現(xiàn)實的。

故采用預(yù)想故障集合方式代替n-1掃描方式。

優(yōu)點：①方便、有效定義多重故障；

②只分析感興趣故障組，提高計算效率；

③靈活、快速模擬和再現(xiàn)電網(wǎng)實際故障過程。

預(yù)想故障集合由調(diào)度或運行分析人員給出，它包括各種可能的故障及其組合。并且可以規(guī)定監(jiān)視元件和條件故障以自動產(chǎn)生復(fù)雜故障。運行中使用者可以激活感興趣的故障組進行分析計算。預(yù)想故障集合的結(jié)構(gòu)：以物理分類方式按層次定義預(yù)想故障集合。預(yù)想故障集合故障組故障---主開斷元件---條件監(jiān)視元件---條件開斷元件---規(guī)則集一個完整的故障由四局部組成：主開斷元件、條件監(jiān)視元件、條件開斷元件和規(guī)那么集。①主開斷元件：可以是電網(wǎng)中的任何元件。故障可以是單一的，也可以是多重的。多重故障可以是同類元件，也可以是幾類元件的組合。②條件監(jiān)視元件和條件開斷元件：配合使用，可以模擬繼發(fā)性故障。實際系統(tǒng)中，某些元件故障將引發(fā)其它元件的開斷，需引入條件開斷的概念。主開斷元件動作

開斷監(jiān)視元件越限條件開斷元件動作③規(guī)那么集：描述主開斷元件動作后，調(diào)度人員按規(guī)定或經(jīng)驗所必須執(zhí)行的操作。將專家系統(tǒng)的思想引入預(yù)想事故分析。故障組：具有某種特征的假設(shè)干故障的集合。這些物理特征可以是：①按故障重數(shù)劃分，如一重、二重、三重等；②按開斷元件類型劃分，如線路、變壓器等；③按地區(qū)劃分，如哈爾濱地區(qū)、佳木斯地區(qū)等；④按電壓等級劃分，如500kV，220kV等。已定義的故障可以放到一個故障組或多個故障組中。故障集合：全部定義的故障組的總稱。各故障組在缺省條件下是激活的，可以對有關(guān)故障組設(shè)置“停用〞標(biāo)志，在故障掃描中就會跳過這些故障，只分析激活的故障組。采用故障集合的方式，提高了預(yù)想故障分析的有效性，節(jié)省了計算時間，又可靈活方便地設(shè)定分析目標(biāo)，優(yōu)越性遠(yuǎn)勝于n-1掃描方式。故障掃描：也稱故障篩選，對故障集合中的故障進行預(yù)處理。目的：防止不必要的計算，加快預(yù)想故障分析的速度。方法：①直接法：快速計算故障后潮流。直流潮流法：將交流潮流用等值的直流潮流代替，甚至只用直流電路的解法分析有功潮流，忽略無功分布對有功的影響，準(zhǔn)確性差。P-Q分解法等值網(wǎng)絡(luò)法：一般用Ward等值或REI等值。分布系數(shù)法

②間接法，又稱性能指標(biāo)法。不直接計算潮流，僅利用產(chǎn)生故障時的某些數(shù)據(jù)進行排隊，快速性好精度低。性能指標(biāo)有三類：基于支路有功潮流；基于母線電壓；基于母線電壓和無功注入。例如：有功行為指標(biāo)：支路l的權(quán)重支路l的有功支路l的極限有功，故障判斷：①系統(tǒng)解列判斷：按快速P-Q分解法得到節(jié)點電納矩陣B’后，因子表對角線有零元素判為解列，因為B’秩小于n-1；

②非線性故障(如電壓無功類故障)；

③非連續(xù)故障〔如變壓器分接頭變化或機組無功越限〕；④故障性能指標(biāo)。其他故障可用性能指標(biāo)近似判斷對電力系統(tǒng)平安的危害程度。

故障詳細(xì)分析：全潮流分析P-V轉(zhuǎn)換潮流快速潮流〔不重新進行網(wǎng)絡(luò)分析和形成因子表，對B’、B〞快速修正〕故障集合解列故障非解列故障非連續(xù)故障非線性故障其它故障其它故障有害故障故障定義故障掃描詳細(xì)分析地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)平安分析的特殊性

與網(wǎng)、省調(diào)電網(wǎng)不同，地區(qū)電網(wǎng)多為輻射狀。地區(qū)電網(wǎng)任一支路元件開斷，都可能造成網(wǎng)絡(luò)解列或失去電源及負(fù)荷，從而形成多個弧島節(jié)點。對地區(qū)電網(wǎng)來講，最重要的是不失去負(fù)荷。為保證用戶供電的可靠性，需裝備大量的備用電源自動投入裝置(BATS)。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障而導(dǎo)致母線停電時，滿足投入條件的BATS開始動作，并合上備用電源的開關(guān)，給停電母線恢復(fù)供電。這樣，就能大大減少母線停電的幾率，從而保證供電的可靠性。如果不考慮BATS的動作，傳統(tǒng)靜態(tài)平安分析的結(jié)果往往是直接甩負(fù)荷，這并不符合電網(wǎng)運行的實際。因此，在地調(diào)電網(wǎng)進