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1、North China Electric Power UniversityEMS(7)静态安全分析l主讲人：齐郑电力系统的可靠性、安全性和稳定性l可靠性可靠性:电力系统元件、设备和系统在规定条件下和规定的时电力系统元件、设备和系统在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的可能性间内，完成规定功能的可能性 n系统在长的运行周期中工作正常的概率系统在长的运行周期中工作正常的概率n表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够的电表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够的电力供应的能力力供应的能力l安全性安全性n电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力电力系统在意外事件下不中断用户电力供应
2、的能力n安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运行条件以及意外事件的发生概率行条件以及意外事件的发生概率l稳定性稳定性n扰动后系统整体性的维持能力扰动后系统整体性的维持能力n取决于系统的运行条件和扰动的性质取决于系统的运行条件和扰动的性质9/17/20242North China Electric Power University电力系统的可靠性、安全性和稳定性l可靠性是系统设计和运行的总体目标可靠性是系统设计和运行的总体目标n为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的n为保证安全性，系统
3、必须是稳定的，同时必须对其他不能为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其他不能归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒塌或者人为破坏等塌或者人为破坏等l安全性和稳定性是时变的，可以通过对特定运行方式的研究进安全性和稳定性是时变的，可以通过对特定运行方式的研究进行判断行判断l可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统性能的整体考虑进行判断性能的整体考虑进行判断9/17/20243North China Electric Power University电力系统的可
4、靠性、安全性和稳定性lNERC北美电力可靠性协会北美电力可靠性协会l可靠性是评估电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断可靠性是评估电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向用户供电的能力的度量指标地向用户供电的能力的度量指标l可靠性包括概率充分性和概率稳定性两个方面可靠性包括概率充分性和概率稳定性两个方面n概率充分性是指电力系统考虑计划内和非计划内元件停运概率充分性是指电力系统考虑计划内和非计划内元件停运时，为用户不间断地提供电力和电量的能力。时，为用户不间断地提供电力和电量的能力。n概率充分性也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力概率充分性也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力系
5、统满足用户电力和电量的能力。系统满足用户电力和电量的能力。n概率稳定性是指电力系统承受突然发生的扰动概率稳定性是指电力系统承受突然发生的扰动(例如突然短例如突然短路或非计划地失去系统元件路或非计划地失去系统元件)的能力的能力n概率稳定性有时也称动态可靠性，也就是在动态条件下电概率稳定性有时也称动态可靠性，也就是在动态条件下电力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电量的力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电量的能力能力9/17/20244North China Electric Power University电力系统的可靠性、安全性和稳定性l安全性分析即确定系统对预期发生的扰
6、动的鲁棒性安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性n要求1：系统在扰动发生后能够达到新的运行状态，并且在该状态下满足所有必须的约束n要求2：系统在向新的运行状态过渡的过程中不发生任何失稳现象n对要求1的验证称为静态安全分析，对要求2的验证称为动态安全分析l因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也进而是可靠因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也进而是可靠性评估的一部分性评估的一部分9/17/20245North China Electric Power University电力系统的可靠性、安全性和稳定性l电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法电力系统中目前的安全性分析基于确
7、定性方法n设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动N1准准则则n比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急控制措施控制措施l主要不足之处主要不足之处n认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果l发展方向：基于风险的安全性评估发展方向：基于风险的安全性评估n考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风险险n对电力系统面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综对电力系统面临的不确定
8、性因素，给出可能性与严重性的综合度量合度量 9/17/20246North China Electric Power University电力系统运行状况的数学模型 等式约束和不等式约束节点功率平衡条件节点功率平衡条件节点电压幅值约束节点电压幅值约束发电机功率出力约束发电机功率出力约束各支路（线路、变压器）潮流约束各支路（线路、变压器）潮流约束9/17/20247North China Electric Power University电力系统运行状况的数学模型等式约束等式约束不等式约束不等式约束lx是状态变量。取为节点电压幅值和相角是状态变量。取为节点电压幅值和相角lu是控制变量，可选为发电
9、机有功、无功出是控制变量，可选为发电机有功、无功出力，变压器变比，可投切的电容器，等等力，变压器变比，可投切的电容器，等等9/17/20248North China Electric Power University电力系统实时运行状态的分类正常状态正常状态 ：同时满足等式约束和不等式约束：同时满足等式约束和不等式约束安全正常状态：正常状态下的电力系统，在承受安全正常状态：正常状态下的电力系统，在承受一个合理的预想事故集的扰动之后，系统仍处于一个合理的预想事故集的扰动之后，系统仍处于正常运行状态正常运行状态预警状态预警状态 ： 正常状态下的电力系统，在承受规正常状态下的电力系统，在承受规定的合
10、理的预想事故集的扰动之后，有预想事故定的合理的预想事故集的扰动之后，有预想事故使系统不满足不等式约束使系统不满足不等式约束紧急状态：满足等式约束，但不满足不等式约束紧急状态：满足等式约束，但不满足不等式约束待恢复状态：有部分地区违反了等式约束待恢复状态：有部分地区违反了等式约束 9/17/20249North China Electric Power University电力系统安全控制的分类l安全控制：指系统工作在某一运行状态时，为安全控制：指系统工作在某一运行状态时，为了提高其安全性，所拟订的防止事故，预防事了提高其安全性，所拟订的防止事故，预防事故的对策措施故的对策措施 n预防控制（预防
11、控制（Preventive Control） n校正控制（校正控制（Corrective Control） n紧急控制（紧急控制（Emergency Control） n恢复控制（恢复控制（Restorative Control）9/17/202410North China Electric Power University电力系统运行状态及状态转移9/17/202411North China Electric Power University电力系统静态安全分析中的潮流算法l要对大量开断故障进行潮流计算以便确定事要对大量开断故障进行潮流计算以便确定事故发生后系统是否会进入静态紧急状态故发生后
12、系统是否会进入静态紧急状态 l实时应用对潮流计算的快速性有很高的要求实时应用对潮流计算的快速性有很高的要求l速度和精度的协调速度和精度的协调l直流潮流直流潮流 vs 交流潮流交流潮流 9/17/202412North China Electric Power University直流潮流法的近似处理对于输电线对于输电线ij，支路有功潮流，支路有功潮流忽略电阻忽略电阻rij，则，则:忽略支路对地电容忽略支路对地电容很小，令9/17/202413North China Electric Power University直流潮流法支路方程:节点方程:B0阵的元素:PiPi1Pik9/17/20241
13、4North China Electric Power University直流潮流法的特点l求DC潮流不需要迭代，只需求解一次N-1阶方程，计算速度快lDC潮流只能计算有功潮流的分布，不能计算电压幅值，有其局限性lDC潮流要满足假设条件l (1)rijxijl (2)相邻母线的相角差很接近l (3)各母线的电压在额定值附近l (4)支路对地电容很小9/17/202415North China Electric Power UniversityNewton-Raphson潮流法电压初始化结束否是9/17/202416North China Electric Power University快速
14、分解法由此，可以将牛顿法修正方程简化为：由此，可以将牛顿法修正方程简化为：B是是n*n阶，以阶，以-1/x为支路参数建立的为支路参数建立的B是是(n-r)*(n-r)，导纳阵的虚部，导纳阵的虚部:-x/(x2+r2)9/17/202417North China Electric Power UniversityFD法与DC法的对比lDC法是对潮流方程的简化，其结果精度下降法是对潮流方程的简化，其结果精度下降lPQ法仅对迭代矩阵的简化，潮流方程未作任法仅对迭代矩阵的简化，潮流方程未作任何简化这种简化只在迭代过程中发生，迭代何简化这种简化只在迭代过程中发生，迭代收敛后，潮流方程自然满足，计算精度不
15、会下收敛后，潮流方程自然满足，计算精度不会下降降9/17/202418North China Electric Power University在线潮流l各种安全和经济分析计算的数据源头各种安全和经济分析计算的数据源头l内含内含n外部网络等值外部网络等值n短期短期/超短期负荷预报超短期负荷预报n不平衡功率分配不平衡功率分配n潮流计算潮流计算9/17/202419North China Electric Power University外网等值网络划分网络划分为什么？为什么？ 外网实时信息不可用；外网实时信息不可用； 计算规模限制；计算规模限制； 保证内网操作计算的精度保证内网操作计算的精度9/
16、17/202420North China Electric Power University外网等值(续)l数学模型数学模型l对外网对外网E进行网络化简，得进行网络化简，得l其中等值导纳其中等值导纳 和导值注入电流和导值注入电流 为为9/17/202421North China Electric Power University外网等值(续)l边界匹配边界匹配l通过内网的状态估计，计算出边界节点的电压通过内网的状态估计，计算出边界节点的电压VB ；l将边界节点作为将边界节点作为V节点，对等值后的网做潮流计算，计算出节点，对等值后的网做潮流计算，计算出边界注入潮流；边界注入潮流；l将边界节点作为
17、将边界节点作为PQ节点，重新进行潮流计算，得到在线潮流节点，重新进行潮流计算，得到在线潮流结果。结果。9/17/202422North China Electric Power University在线潮流-未来方式l在线潮流的三个数据源：历史、现在和未来l负荷预报为分析未来潮流做准备l最重要的一个应用：预先分析未来短时间内系统的变化和操作9/17/202423North China Electric Power University在线潮流-模拟调度操作l模拟开断线路、变压器、发电机组和各种倒闸操作l模拟出力和负荷调整l模拟机组开断及出力和负荷调整时，应考虑功率缺额或余额在其它机组间的再分配
18、l安全分析的好工具9/17/202424North China Electric Power University电力系统静态安全分析 l重要方法预想事故分析定义：针对预先设定的电力系统元件(如线路、变压器、发电机、负荷和母线等)的故障及其组合，确定它们对电力系统安全运行产生的影响。功能：1、按调度员的需要方便的设定预想故障2、快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害程度3、准确分析严重故障后的系统状态，并能方便而直观展示结果9/17/202425North China Electric Power University电力系统静态安全分析 Xl预想事故分析的内容n故障定义n故障筛选n故障分析
19、9/17/202426North China Electric Power University故障定义 根据电网结构和运行方式定义的事故集合。根据电网结构和运行方式定义的事故集合。必须对故障定义的集合进行分类，原因：必须对故障定义的集合进行分类，原因：提高预想故障分析的准确程度提高预想故障分析的准确程度降低预想故障分析的计算量降低预想故障分析的计算量改善预想故障分析的灵活性和方便性改善预想故障分析的灵活性和方便性故障分类的原则：故障分类的原则：定义故障时，采用物理分类方式定义故障时，采用物理分类方式分析过程中，按危害程度分类分析过程中，按危害程度分类9/17/202427North Chin
20、a Electric Power University故障定义 根据电网结构和运行方式定义的事故集合。根据电网结构和运行方式定义的事故集合。必须对故障定义的集合进行分类，原因：必须对故障定义的集合进行分类，原因：提高预想故障分析的准确程度提高预想故障分析的准确程度降低预想故障分析的计算量降低预想故障分析的计算量改善预想故障分析的灵活性和方便性改善预想故障分析的灵活性和方便性故障分类的原则：故障分类的原则：定义故障时，采用物理分类方式定义故障时，采用物理分类方式分析过程中，按危害程度分类分析过程中，按危害程度分类9/17/202428North China Electric Power Univ
21、ersity故障筛选 在线的运行条件下，利用电力系统实时信息，自动迭代在线的运行条件下，利用电力系统实时信息，自动迭代出引起潮流过载、电压越限、以及危害系统安全运行的出引起潮流过载、电压越限、以及危害系统安全运行的预想事故，并用指标来表示危害的程度，按其从大到小预想事故，并用指标来表示危害的程度，按其从大到小的顺序排列得出预想事故一览表。的顺序排列得出预想事故一览表。l有功功率指标有功功率指标l电压无功功率指标电压无功功率指标9/17/202429North China Electric Power University故障分析基态网络开断元件快速计算方法开断潮流分析快速计算方法开断潮流分析9
22、/17/202430North China Electric Power University不同的开断处理l支路（线路，变压器）开断n网络结构发生变化，迭代矩阵改变，注入功率不变l发电机，负荷开断n网络结构不变化，只改变注入功率9/17/202431North China Electric Power University快速支路开断潮流算法l迭代矩阵的修正算法l以快速解耦潮流算法的有功迭代为例l当支路l开断以后 ， 变成 ， P 变成P9/17/202432North China Electric Power UniversityP迭代修改为：Q迭代修改为：9/17/202433North
23、 China Electric Power University发电机开断的模拟 l当发电机开断时，整个系统的发电功率不足以供给有当发电机开断时，整个系统的发电功率不足以供给有功负荷需要，系统频率将降低。功负荷需要，系统频率将降低。l借助发电机调速器的作用，系统中各发电机都会自动借助发电机调速器的作用，系统中各发电机都会自动增加出力来恢复系统频率。增加出力来恢复系统频率。l由于调速器有一定的调差系数，整个系统频率将会稳由于调速器有一定的调差系数，整个系统频率将会稳定于略低于额定频率的值。定于略低于额定频率的值。l这一过程在几秒到十秒内结束。届时，所有发电机的这一过程在几秒到十秒内结束。届时，所
24、有发电机的有功出力都将发生变化。有功出力都将发生变化。l发电机开断时潮流迭代矩阵不变，只是节点注入变化。发电机开断时潮流迭代矩阵不变，只是节点注入变化。9/17/202434North China Electric Power University发电机组出力的变化l节点节点k上发生发电机开断，该节点注入功率将变为上发生发电机开断，该节点注入功率将变为 其它节点的注入功率也将变化：其它节点的注入功率也将变化：忽略网损变化则有忽略网损变化则有9/17/202435North China Electric Power University复杂的故障情况实际电力系统中，一个元件故障引起自动装置或继电
25、保实际电力系统中，一个元件故障引起自动装置或继电保护动作，引起连锁反应，动作的元件不只一个，而是多护动作，引起连锁反应，动作的元件不只一个，而是多个，动作也不局限于开断，也由投运（如备用电源自投）个，动作也不局限于开断，也由投运（如备用电源自投）。此时应综合考虑动作元件，修正迭代矩阵和注入功率。此时应综合考虑动作元件，修正迭代矩阵和注入功率。9/17/202436North China Electric Power University校正对策分析l对基态潮流或开断后潮流中的过负荷或电压越对基态潮流或开断后潮流中的过负荷或电压越限，提出校正对策限，提出校正对策校正最常用的方法是灵敏度法，针对某
26、一越限，校正最常用的方法是灵敏度法，针对某一越限，给出系统控制量的调整量，简单直观，符合调给出系统控制量的调整量，简单直观，符合调度习惯度习惯l可控量（控制变量）：可控量（控制变量）：n校正过负荷：校正过负荷：调机组有功和负荷有功调机组有功和负荷有功n校正电压越限：校正电压越限：调机组无功、机端电压、电容器、调机组无功、机端电压、电容器、电抗器、变压器档位电抗器、变压器档位9/17/202437North China Electric Power University灵敏度的物理意义控制量的单位变化所引起的被控量的变化控制量的单位变化所引起的被控量的变化注意：若控制量为功率，功率平衡时刻需要注意：若控制量为功率，功率平衡时刻需要得到满足，考虑控制量的单位增，一定要考得到满足，考虑控制量的单位增，一定要考虑控制量的单位减，否则无意义虑控制量的单位减，否则无意义9/17/202438North China Electric Power University在线动态安全分析9/17/202439North China Electric Power University
