高等电力系统稳态分析第四章电力系统静态安全分析

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1、第四章 电力系统静态安全分析,Static Security Analysis,参考书籍,电力系统静态安全分析吴际舜, 上海交通大学出版社,第一节 概述,一、电力系统安全性,自从电力作为能量被利用以来，世界各国都致力于在广泛的地域内实现电源、负荷的相互联系，从而形成了所好的互联系统（interconnected power system）。大系统具有若干优越性。大电网的形成也是经济发展的客观必然，对形成大电力系统后的积极方面，巳经有了长期的充分的议论。,一、电力系统安全性,但对形成大电力系统的消极方面，目前仍感论证不足。值得提出的有两个问题：其一是形成的电力系统愈大，联系愈紧密，系统事故的波及

2、范围也愈大，发生系统性事故的概率也愈大；其二是为了取得联网效益，如负荷时差、电源紧急备用、短时的发电经济优化、跨流域的水能综合发电优化等。都必须为之而建设相适应容量的往往是长距离但利用率不高的输电线路。 在互联系统中，一机组或线路的故障，往往会导致各种不同严重程度的后果，图1就是这些可能后果的概貌。,一、电力系统安全性,一、电力系统安全性,一个电力系统的安全性是指在设备不过负荷，而且在它的网络上的变量不偏离允许范围的条件下。满足负荷需求的能力。 特别值得关注的是系统的突然改变、其起因可能是内扰（如当一个设备由于过负荷而故障停运）或外扰（如当一个设备被雷击时）伴随这些改变的是暂态扰动，许多设备可

3、能过负荷或掉闸当最终的稳态建立起来时，系统可能缺乏发电容量，直到修复之前无法向所有负荷供电,一、电力系统安全性,Dy Liacco提出了用以检验安全性的一个构想。在这个构想中电力系统被看作是处于两组约束下运行的：负荷约束和运行约束。 负荷约束的要求是所有负荷都必须被满足 运行约束则给出了网络运行参数的上限和下限 同时，在该构想中把系统想象为四种状态：安全正常状态（secure normal state）、不安全正常状态（insecure normal state）、紧急状态（emergency state）和恢复状态（restorative state）。正常状态时负荷约束与运行约束均被满足的

4、状态。而紧急状态指对运行约束有重大破坏的状态。恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。图1.2所示为这个概念性的构想。,一、电力系统安全性,一、电力系统安全性,安全性是相对于一族称之为下一个偶然事故集（NCS：next contingency set）的随机事件而定义。 已处于正常状态的电力系统，在承受一个合理的下一个偶然事故集（预想事故集）的扰动之后，如果仍不违反负荷约束和运行约束，则称该系统处于安全正常状态。,一、电力系统安全性,在大多数的电力系统中，预想事故一般是单一的，例如：开断任一台发电机或开断任一支路（线路或变压器）。而在某些情况下，有必要考虑双重事故，如：同时开断两条支路或同时开断一条

5、支路和一台发电机等。 当然根据某些特定电力系统的需要，还可再增加其它形式的扰动（例如，全厂发电机开断等）、只是在预想事故集中包含的合理扰动愈多，对系统安全性的要求就愈严格。,一、电力系统安全性,如果运行在正常状态下的电力系统，在承受规定预想事故集的扰动过程中，只要有一个预想事故使系统不满足运行约束条件（即不等式约束条件），就称该系统处于不安全正常状态。 当系统运行在不满足不等式约束条件的状态下时，系统即处于所谓的紧急状态。紧急状态可以是静态的（某些设备过负荷、某些节点电压违限等），也可以是动态的（系统频率越限，发电机转子间的角度分开等）。概略地说，在静态紧急状态下系统虽违反运行约束条件但仍保持

6、其稳定性，而在动态紧急状态下，系统将失去稳定。此时，无论等式和不等式约束条件都不能得到满足。,一、电力系统安全性,处于紧急状态的电力系统，如果不及时采取某些措施（对静态紧急状态而言），或者来不及采取某些措施（对动态紧急状态而言），就有可能使系统运行条件继续恶化，甚至有可能出现广泛波及性的跳闸，导致整个系统的瓦解或崩溃。这时，虽然系统的某些个别部分仍可能处于某种正常状态（即同时满足等式和不等式约束条件），但另一些部分却可能出现了同时违反等式和不等式约束条件的情况。这样的系统被称为处于待恢复状态。,一、电力系统安全性,当系统工作在某一运行状态时 为了提高其安全性，应由电网控制中心的调度人员来拟订防

7、止事故广泛波及的对策。这些不同的对策，来源于所谓的安全控制（security control）。 为了使电力系从不安全正常状态转变到安全正常状态，应采用预防控制（preventive control），以使系统有可能承受合理预想事故集中的各种扰动。 对于没有失去稳定性仅处于紧急状态的系统，应采用校正控制（corrective control），尽快地使系统恢复到正常状态。 在系统失去稳定性的紧急状态下，为了防止事故的进一步扩大以及缩小事故对系统的冲击影响，应通过紧急控制（emergence control）运行人员的操作和或自动装置动作，如切负荷，切机，解列运行等使系统进入待恢复状态。 然后，

8、采用恢复控制（restorative control）包括启动备用机组、重新并列瓦解的系统，以及在尽可能短的时间内，恢复对用户的供电等，来使系统重新恢复到正常状态。,一、电力系统安全性,在现代的控制中心中，为了实现上述的安全控制，可以利用计算机的各种应用软件构成如下图所示的结构方案。这一方案的作用，是使保证系统安全性的各种控制功能形成一个有机性体。在目前的技术水平下，这一结构方案只能实现与静态条件有关的在线安全控制，而动态在线安全控制，迄今仍是一个急待解决的课题。,一、电力系统安全性,安全分析,一、电力系统安全性,测量数据（如系统中测量点的母线电压模值、电压相位角，以及开关、隔离开关的开闭状态

9、等）按规定的采样周期，持续不断地送入计算机。同时，还由运行人员将有变动的其它数据（如外部系统信息、线路操作情况、过负荷限值等）也输入给计算机，以便与状态估计的输出，共同建立起安全控制所必需的数据库。,一、电力系统安全性,由于系统出现暂态摇摆过程，或网络状态的突然暂时变化，以及信息传送受到干扰等原因，都会引起量测值的显著误差，称为不良数据。这些特别突出或显眼的不良数据，可以利用预过滤器并以剔除。 为了从有限的系统量测值集合中，获得整个系统中所有母线电压模值与相位的最优估计值，通常在控制中心内备有状态估计软件。状态估计软件也可以识别不良数据，并能估算出未传送到控制中心的某些测量数据。最终得到的信息

10、，有助于确定某一时刻下注入到电网感兴趣区的每一节点的有功功率和无功功率，以及各支路的潮流分布。,一、电力系统安全性,安全监视（Security Monitoring,SM）通过对实时数据的校核，可以在线地识别实际的运行条件，以判定系统是否处于正常状态、紧急状态或待恢复状态。如果系统处于静态紧急状态，可以调用下述的校正对策分析程序，提出使系统返回正常状态的可行措施，即所谓校正控制的对策。如果系统已进入动态紧急状态，则将由自动装置以及由运行人员进行必要的操作，在尽量减少大面积停电的条件下，使系统入待恢复状态。至于使系统由待恢复状态返回到正常状态的恢复控制，出于操作项目的多样性和复杂性，几乎完全由运

11、行人员进行手动操作来实现。,一、电力系统安全性,在状态估计和安全监视中都需要知晓网络的拓扑现状，它可以由预过滤器对有关开关和隔离开关现状的实时信息进行处理来获得。 在正常状态下，有可能要求显示所关心网络部分的实时潮流（在线潮流Online Load Flow，OLF）。它利用了得自网络拓扑的信息，同时，它还要求有一个确定外部系统等值的程序做为配合。,一、电力系统安全性,除此以外，在系统处于正常状态时，还要求安全分析（Security Analysis，SA）功能来检验其安全水平， SA主要由静态预想事故评定（contingency evaluation）和预防控制组成。它利用OLF来确定系统是

12、否安全，并且也给出了某些必要的预防对策，使系统在预想事故集情况下出现的不安全正常状态转变为安全正常状态。通常，预防控制对策，往往带有经济目标，从而可以获得同时满足网络等式约束和不等式约束的有功、无功功率经济调度。当然，也可选取变动最少的控制措施来作为目标。所有这些控制对策，实际上都属于优化潮流（Optimum Power Flow，OPF）的范畴。,一、电力系统安全性,如果预防控制有解，而且控制对策的代价很小，运行人员可以把控制对策投入运行，如果经济代价很高，而且可能出现的静态紧急状态并不严重，运行人员也可以在事故真正发生以前不采取任何预防对策。当然，这应当通过分析计算来证实。万一发生可能的紧

13、急状态时，校正控制对策完全有可能使系统返回正常状态。并以此来证明事先不采取任何预防对策的决定是适合的。,一、电力系统安全性,如果系统由于受到可控性的限制，而不能找到预防控制解时，可以在假想出现了（静态）紧急状态的情况下，以负荷卸除最少、或各机组偏离原经济运行状态最小为目标函数，进行OPF的计算，这就是所谓的校正对策分析（corrective strategy analysis）。这种分析有时也叫做预想事故规划（contingency plan）或校正安全分析（corrective Security analysis）。它们能使运行人员了解到，可能出现的紧急状态的严重程度，从而在事先有所戒备。,

14、一、电力系统安全性,进行预想事故评定，需要构成预想事故集的表格。早期构成这种事故一览表的方法，要求进行相当数量的离线计算，然后按各可能预想事故发生的概率和严重程度，人为地排出预想事故项目。现在，巳可以利用实时条件，自动地按各可能预想事故所引起后果的严重程度，来排出预想事故一览表的程序。 除了前述的各种功能外，也可以利用超短期负荷预测（1530分钟后）的数据，来进行安全分析。这样就能判断未来运行条件下系统的安全性。,二、电力系统安全性度量,动态安全性度量，用它的英文名称缩写为DSM。为了估计DSM，我们必须针对“下一个偶然事故集”中的每一个进行分析计算其对系统影响的全部过程，并对它进行负荷约束与

15、运行约束的校验即使在快速计算机上，这也会花去许多小时，对于实时运行的安全校验这就太长了。 静态安全性度量，用SSM表示为了估计它，首先要猜测在每个偶然事故下系统会达到的终极景象（终极景象是不知道的，是推测的）。然后针对这个终极景象计算其稳态解。并进行负荷约束和运行约束校验如果对于整个“下一个偶然事故集”中的每个偶然事故所做的核验全部通过，则系统是安全的。一般，这个量度也很复杂。,二、电力系统安全性度量,安全裕量的安全性量度，用SMSM表示一些常用的量度如下： （1）旋转备用已投入电网的机组所具有的还未用上的发电容量； （2）准备好的备用能在短时间内投入电网的发电容量； （3）母线角度的分散输电

16、线两端的角度差（它是线路的未用到容量的一个量度，也是当一个扰动发生时系统变为不稳定的可能性）； （4）设备裕量其他关键性设备的未用上的容量。 在所有安全性的概念中， SMSM是最简单的，如果系统的变量处在规定的度量之内，则称系统是安全的。,二、电力系统安全性度量,目前DSM用于离线研究，而简单的SSM和SMSM用于实时运行。 三者的关系 DSM是上述三种量度中最有价值的指标；当DSM合格时，系统可以免受扰动的病态影响。然而，这个准则也还不是确定的原因有两个：首先，不能保证“下一个偶然事故集”会包合所有的重要偶然事故，第二，在计算系统对事故的响应时存在着许多起决定性作用的不确定性它们来自：,二、电力系统安全性度量,缺乏较好的相邻系统的动态等值； 运行人员所施加影响的不确定性； 保护开断点的不确定性； 缺乏好的负荷动态模型。 DSM的另一些缺点是： 它没有考虑每个偶然事件所发生的概率； 它只是二值的，如能给出可更好地表示安全性和不安全程度的量度将是可取的； 它所给出的关于如何纠正不安全的信息很少； 它要求大量的估计计算。,