7.4 電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性分析

第四節(jié)電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性分析

第四節(jié)電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性分析一電力系統(tǒng)安全狀態(tài)二網(wǎng)絡(luò)的化簡與等值三預(yù)想事故分析四安全約束調(diào)度一電力系統(tǒng)安全狀態(tài)電力系統(tǒng)安全狀態(tài)定義電力系統(tǒng)安全分析的基本概念全國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)示意圖華中Central華東East華北North東北Northeast南方NanFang西北NW大規(guī)模電力系統(tǒng)形成，使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和運(yùn)行特性越來越復(fù)雜，對安全、經(jīng)濟(jì)和電能質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。安全性分析成為EMS重要的一部分電力系統(tǒng)安全性的相關(guān)概念

電力系統(tǒng)在運(yùn)行中承受故障擾動(dòng)的能力。故障擾動(dòng)：如失去電力系統(tǒng)的元件或短路故障等。（1）系統(tǒng)能承受住故障擾動(dòng)引起的暫態(tài)過程并過渡到一個(gè)可接受的運(yùn)行工況；（2）在新的運(yùn)行工況下，各種約束條件得到滿足。電力系統(tǒng)安全性電力系統(tǒng)滿足安全性的特征1、系統(tǒng)負(fù)荷需求（等式約束，未計(jì)及網(wǎng)損，E）2、運(yùn)行約束（無潮流電壓越限，不等式約束，C）3、可靠性約束（預(yù)想事故分析檢查，R）電力系統(tǒng)運(yùn)行中的約束條件電力系統(tǒng)安全性分析3、可靠性約束（預(yù)想事故分析檢查，R）1.正常狀態(tài)ECR5.恢復(fù)狀態(tài)EC4.瓦解（崩潰）狀態(tài)*2.警戒狀態(tài)EC3.緊急狀態(tài)E安全校正預(yù)防控制恢復(fù)控制緊急控制正常狀態(tài)，也稱為正常安全狀態(tài)，滿足全部3類條件，能滿足全部負(fù)荷又沒有越限，而且能承受預(yù)想故障的擾動(dòng)。也可稱為正常不安全狀態(tài)，能滿足全部負(fù)荷又沒有越限，但承受不了預(yù)想故障的沖擊。若針對預(yù)想故障采取預(yù)防性控制，系統(tǒng)可以回到正常狀態(tài)；否則系統(tǒng)處在警戒狀態(tài)，一旦出現(xiàn)預(yù)想故障，系統(tǒng)陷于緊急狀態(tài)。能滿足全部負(fù)荷但已出現(xiàn)支路或電壓越限（沒有失去穩(wěn)定性的緊急狀態(tài)）

。若事先有所警戒，能準(zhǔn)確及時(shí)采取安全校正措施，可能回到警戒狀態(tài)或正常狀態(tài)；否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。(失去穩(wěn)定的緊急狀態(tài))全部3類條件都破壞了，已不能滿足全部負(fù)荷需求了。采取緊急控制制止事故擴(kuò)大（分裂成幾個(gè)系統(tǒng)），過渡到恢復(fù)狀態(tài)。事故不再擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)元件越限已經(jīng)解除，但許多用戶尚未恢復(fù)供電。通過恢復(fù)控制回到正常狀態(tài)。E－滿足負(fù)荷，C－滿足約束，R－滿足預(yù)想故障分析，*－不滿足約束條件。判斷系統(tǒng)發(fā)生預(yù)想事故后電壓是否越限和線路是否過負(fù)荷的分析稱之為靜態(tài)安全分析。判斷系統(tǒng)發(fā)生預(yù)想事故后電壓是否失去穩(wěn)定的分析稱之為動(dòng)態(tài)安全分析。緊急控制由于容忍的時(shí)間非常短暫（往往十幾秒鐘），因此相應(yīng)的控制不得超過1s。傳統(tǒng)上，此任務(wù)主要有“實(shí)現(xiàn)整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作”的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置完成。也可由調(diào)度員根據(jù)“電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程”和本人經(jīng)驗(yàn)（包括歷史事件和DTS案例所提供的知識(shí)），在SCADA和報(bào)警信息的幫助下采取行動(dòng)完成。二網(wǎng)絡(luò)的化簡與等值

電力系統(tǒng)靜態(tài)等值(NetworkStaticEquivalents)也稱為網(wǎng)絡(luò)化簡(Network

Rednce)，是利用較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)代替較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析的方法，而且要求這種化簡網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算精度能滿足實(shí)際需要。網(wǎng)絡(luò)化簡包括網(wǎng)絡(luò)、機(jī)組和負(fù)荷三方面的簡化處理。靜態(tài)等值的目的是：—降低網(wǎng)絡(luò)分析的計(jì)算量和對內(nèi)存的需求量；—回避量測不全或無量測的網(wǎng)絡(luò)部分，降低量測信息需求量；—?jiǎng)h除不關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)部分，避免分析者分散注意力。二網(wǎng)絡(luò)的化簡與等值網(wǎng)絡(luò)化簡（NetworkReduce）利用較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)代替較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析的方法，而且要求這種化簡網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算精度能滿足實(shí)際需要。網(wǎng)絡(luò)化簡包括網(wǎng)絡(luò)、機(jī)組和負(fù)荷三方面的簡化處理。

電力系統(tǒng)靜態(tài)等值

(NetworkStaticEquivalents)當(dāng)前我國網(wǎng)絡(luò)化簡主要用在：—在大網(wǎng)調(diào)度中心的分析中，對某些省網(wǎng)進(jìn)行等值處理；—在省網(wǎng)調(diào)度中心的分析中，對某些與之相聯(lián)的省網(wǎng)進(jìn)行等值處理；—在省調(diào)度中心的分析中，對省內(nèi)某些地區(qū)進(jìn)行等值處理；—在地區(qū)調(diào)度中心的分析中，對相鄰地區(qū)網(wǎng)或省網(wǎng)進(jìn)行等值處理。

(一)基本描述內(nèi)部系統(tǒng)外部系統(tǒng)BPSIE未化簡系統(tǒng)邊界母線研究系統(tǒng)擬等值系統(tǒng)等值前系統(tǒng)PS（未化簡網(wǎng)絡(luò)）可以沿邊界母線B劃分為內(nèi)部系統(tǒng)I和擬等值系統(tǒng)E?；喓笙到y(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)PEIRE內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化簡部分B

—給出等值前系統(tǒng)PS結(jié)構(gòu)模型，并標(biāo)出內(nèi)部系統(tǒng)I和邊界母線B；

—給出等值前系統(tǒng)PS的潮流解。要找到一個(gè)新的等值模型（或稱等值網(wǎng)絡(luò)）PE，使得：當(dāng)內(nèi)部系統(tǒng)I運(yùn)行條件發(fā)生變化（如預(yù)想故障）時(shí)，由等值系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果和由等值前系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果相接近。對等值（或化簡）技術(shù)要求—由邊界母線B望出去的外部等值應(yīng)相當(dāng)準(zhǔn)確而可靠地表示化簡前外部系統(tǒng)的物理響應(yīng)特性，即比較準(zhǔn)確地給出對內(nèi)部系統(tǒng)變化時(shí)的響應(yīng)；—等值應(yīng)能靈活處理系統(tǒng)現(xiàn)狀的改變，并能適應(yīng)不同的應(yīng)用目的；—等值計(jì)算方法最好能與后繼問題解算方法相協(xié)調(diào)；—盡可能減少化簡計(jì)算量，并維持良好的稀疏性；—最好能保持等值網(wǎng)絡(luò)的良好計(jì)算性能。經(jīng)驗(yàn)表明，等值支路的電阻與電抗之比有很大的變化，并且潮流計(jì)算中的P-V母線比較難處理。等值的具體方法Ward等值

Ward等值應(yīng)用廣泛，對于線性系統(tǒng)來說這是一種嚴(yán)格的等值方法。假設(shè)條件是在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擾動(dòng)前后，外部網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)注入電流不變。已知條件為全網(wǎng)基本方式的潮流解。REI等值法

REI等值的基礎(chǔ)是已知外部系統(tǒng)基本方式潮流解。其思想是把指定消去的母線集合的注入功率歸并到一個(gè)虛構(gòu)母線上，這種指定母線集合可以按負(fù)荷、發(fā)電機(jī)和母線性質(zhì)或電氣距離等劃分，外部系統(tǒng)母線可以分為多個(gè)集合，每個(gè)集合組成一個(gè)虛構(gòu)母線，也稱為REI母線。Ward等值未化簡網(wǎng)絡(luò)線性方程可描述為：將母線按前述分為三類—子集{I}為內(nèi)部系統(tǒng)母線集合；—子集{B}為邊界母線集合；—子集{E}為外部系統(tǒng)母線集合。前兩類母線是保留母線，后一類是待消去的母線。母線導(dǎo)納矩陣母線復(fù)數(shù)電壓向量母線復(fù)數(shù)注入電流向量Ward等值未化簡網(wǎng)絡(luò)線性方程可描述為：消去外部母線后等值模型PE的母線導(dǎo)納方程式消去外部母線只使邊界母線導(dǎo)納矩陣變化（即改變各邊界母線B的自導(dǎo)納和它們之間互導(dǎo)納），并將外部系統(tǒng)的母線注入電流通過分配矩陣分配到邊界母線B上，從而改變了邊界母線的注入電流是一個(gè)嚴(yán)格的等值過程，只要不變化，則對任何和的變化由本式求出的和與上式求得的完全一致。Ward等值未化簡網(wǎng)絡(luò)線性方程可描述為：但在實(shí)際電網(wǎng)中，母線注入是用功率表示的：Ward等值令：式中：等值注入功率在某一基本方式下完成的等值與初始運(yùn)行電壓有關(guān)系，因而它不能適合外部系統(tǒng)較大的運(yùn)行變化。Ward等值步驟(1)給出全網(wǎng)基本方式的潮流解，確定各母線的復(fù)數(shù)電壓。(2)確定擬消去的母線子集，形成只包含外部系統(tǒng)E和邊界系統(tǒng)B的導(dǎo)納矩陣：然后按外部母線各列對[Y]進(jìn)行三角矩陣分解（即高斯消去），最后得到僅含有邊界母線的外部等值導(dǎo)納矩陣

一般來說，該矩陣是密集的，即邊界母線之間均有等值支路聯(lián)系起來。Ward等值步驟(3)計(jì)算右端邊界母線的注入功率增量：加到邊界母線原注入功率上。

一般來說，該矩陣是密集的，即邊界母線之間均有等值支路聯(lián)系起來。Ward等值缺陷及改進(jìn)方法以上Ward法在實(shí)用中存在以下缺陷：(1)等值網(wǎng)PE可能有一個(gè)解答，但求解的方法不能使其收斂；(2)等值網(wǎng)PE可能收斂到一個(gè)物理上不合理的解答上；(3)等值網(wǎng)PE可能收斂到所需解答上，但迭代次數(shù)多于未化簡網(wǎng)PS的迭代次數(shù)；(4)等值網(wǎng)PE解答的精度可能是不可接受的，主要表現(xiàn)在無功潮流方面。Ward等值缺陷及改進(jìn)方法

為了克服Ward法的以上缺陷，后來發(fā)展出多種改進(jìn)方法，主要有：(1)Ward母線注入法；(2)解耦Ward法；(3)擴(kuò)展Ward法；(4)廣義Ward等值法；(5)緩沖Ward等值法等；三預(yù)想事故分析故障擾動(dòng)新的狀態(tài)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)SA（靜態(tài)安全性分析SecurityAnalysis）僅考慮事故后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的安全性，而不考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移過程。是一種事故預(yù)防措施。重點(diǎn)在于預(yù)想事故分析。預(yù)想事故分析所謂預(yù)想故障分析指的是針對預(yù)先設(shè)定的電力系統(tǒng)元件（如：線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和母線等）的故障及其組合，確定他們對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生的影響。預(yù)想事故分析的功能(1)按調(diào)度員的需要方便地設(shè)定預(yù)想故障；(3)準(zhǔn)確分析嚴(yán)重故障后的系統(tǒng)狀態(tài)，并能方便而直觀展示結(jié)果。(2)快速區(qū)分各種故障對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的危害程度；預(yù)想事故分析的研究內(nèi)容故障定義故障篩選或故障掃描由軟件根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等定義的事故集合，該集合的元素可由調(diào)度員根據(jù)需要進(jìn)行人工增刪或修改。預(yù)想事故分析故障分析對故障定義的事故集合按事故發(fā)生的概率及嚴(yán)重性進(jìn)行排序，形成一個(gè)順序表，故障篩選的方法分為直流法和交流法等。屬故障快速掃描（或故障篩選）。故障分析是對故障順序表中對系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅的故障逐一進(jìn)行分析。預(yù)想故障分析算法一般分為兩步：一是故障快速掃描（或故障篩選），二是故障的詳細(xì)分析。（一）故障定義由軟件根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等定義的事故集合，該集合的元素可由調(diào)度員根據(jù)需要進(jìn)行人工增刪或修改。

在預(yù)想故障分析軟件中按不同的需要，對故障和故障組進(jìn)行不同的分類。在定義預(yù)想故障集時(shí)，采用物理分類方式；在分析過程中，對故障按危害程度分類。故障分類的主要目的是：—提高預(yù)想故障分析的準(zhǔn)確程度；—降低預(yù)想故障分析的計(jì)算量；—改善預(yù)想故障分析的靈活性和方便性。N-1掃描的故障選擇和分析分別開斷系統(tǒng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件，計(jì)算其后的電網(wǎng)狀態(tài)。這種機(jī)械地n-1掃描方式存在以下嚴(yán)重缺點(diǎn)：1、隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，絕大多數(shù)單重元件的開斷已不構(gòu)成對系統(tǒng)有著危害的故障；2、極少數(shù)構(gòu)成危害的單重元件開斷的影響范圍和安全對策已被調(diào)度人員所熟悉。n-1掃描式的故障選擇和分析多重故障呢？n-2，n-3？預(yù)想故障集合預(yù)想故障集合

預(yù)想故障集合是由有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度人員和運(yùn)行分析人員給出的，它包括各種可能的故障及其組合，并且可以規(guī)定監(jiān)視元件及條件故障以自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)雜故障。運(yùn)行中使用者可以激活感興趣的故障組進(jìn)行分析計(jì)算。多重故障呢？n-2，n-3？——更方便、更有效定義多重故障；

——實(shí)際上只分析感興趣激活的故障組，大大提高了計(jì)算效率；

——能靈活、方便、快速模擬和再現(xiàn)電網(wǎng)實(shí)際故障過程。預(yù)想故障集合預(yù)想故障集合的定義和管理技術(shù)是提高該應(yīng)用軟件性能的關(guān)鍵。為此，應(yīng)以物理分類的方式按層次定義預(yù)想故障集合它可以是電網(wǎng)中任何元件，如變壓器、線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、電容器、電抗器、開關(guān)或母線等。條件監(jiān)視元件及條件開斷元件：它們配合使用，可以模擬繼發(fā)性故障。帶有條件監(jiān)視元件和條件開斷元件的故障稱為條件故障。規(guī)則集描述主開斷元件動(dòng)作后，調(diào)度人員跡按規(guī)定或經(jīng)驗(yàn)必需執(zhí)行的操作。故障組是具有某種特征的若干故障的集合。—按故障重?cái)?shù)劃分，如單重、二重、多重等；—按開斷元件類型劃分，如線路、變壓器等；—按地區(qū)劃分，如A地區(qū)故障、B地區(qū)故障等；—按故障電壓等級(jí)劃分，如500kV、220kV、110kV等。一個(gè)定義好的故障可以定義到一個(gè)故障組或多個(gè)故障組中。

使用故障組概念的優(yōu)點(diǎn)在于，使用者可以按運(yùn)行方式和調(diào)度的需要研究最關(guān)心的或?qū)Ξ?dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行威脅最大的故障，從而提高預(yù)想故障分析的效率，省去大量無實(shí)際意義的計(jì)算。（二）預(yù)想故障篩選

在進(jìn)行大型電力系統(tǒng)安全分析時(shí)，需要考慮的預(yù)想事故數(shù)目是非?？捎^的。要給出預(yù)想事故的安全評(píng)估，需要逐個(gè)對預(yù)想事故進(jìn)行潮流分析，然后校核其越限情況。這種做法難以適合實(shí)時(shí)性要求。

預(yù)想事故選擇在在線運(yùn)行條件下，利用電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息，自動(dòng)迭代出那些引起支路潮流過載、電壓越限以及危害系統(tǒng)安全運(yùn)行的預(yù)想事故，并用行為指標(biāo)表示它對系統(tǒng)造成的危害性的程度，按其從大到小的順序排列出預(yù)想事故一覽表。故障嚴(yán)重程度的性能指標(biāo)有功功率行為指標(biāo)這種方法一般用直流潮流進(jìn)行分析，又稱直流排序法。該指標(biāo)用以衡量線路有功功率過負(fù)荷程度。故障嚴(yán)重程度的性能指標(biāo)電壓-無功功率行為指標(biāo)該指標(biāo)用以衡量無功和電壓的過負(fù)荷情況。故障嚴(yán)重程度的性能指標(biāo)有功功率--無功功率綜合行為指標(biāo)該指標(biāo)綜合了前兩種指標(biāo)，并考慮事故發(fā)生的可能性。四安全約束調(diào)度由預(yù)想故障分析或狀態(tài)估計(jì)得到不安全狀態(tài)需由安全約束調(diào)度軟件提出解除方法，這是一個(gè)普遍受到重視的問題。一、靈敏度分析方法；二、有約束最優(yōu)化法；解決方法在預(yù)防性控制、安全校正和恢復(fù)控制中均要用到安全約束調(diào)度。

雖然從理論上最優(yōu)潮流包括安全約束調(diào)度功能，但各電力公司實(shí)用最多的仍然是單獨(dú)的安全約束調(diào)度軟件。因?yàn)橛泄Ψ匠探咏诰€性關(guān)系，所以安全約束調(diào)度最有效的是利用線性規(guī)劃處理有功不等式函數(shù)約束。安全約束調(diào)度基本理論1、問題的線性化描述