第4章电力系统安控

第4章电力系统的安全控制电力系统是一个复杂的非线性动态的系统，各种扰动引起的响应也是非常复杂的，分析电力系统在扰动下的暂态和动态行为，确定适当的对策，包括各种措施，是电力系统设计与运行的重要的任务之一。本章主要介绍了电力系统的各种运行状态及其安全控制。主要内容包括以下几个部分:4.1电力系统的安全性与运行状态4.2电力系统的安全分析4.3电力系统各种状态的安全控制4.4电力系统广域同步向量测量(了解)§4.1电力系统安全性与运行状态一、安全性的概念安全性是指电力系统处于某种运行状态，在各种扰动条件下，防止扰动导致全部或部分停电的能力，以及在更多扰动下导致停电时恢复供电的能力。二、电力系统的运行状态电力系统的运行状态必须满足两个条件：（1）系统中任意节点的有功功率与无功功率平衡。（负荷条件的约束）（2）系统中各节点或各元件的某些电气参数不应超过允许偏差（运行条件的约束）用数学表达式表示：1、负荷约束条件：一个包含n个节点（或母线）的系统，负荷的约束条件：0)sincos(ijijijijijjiiBGUUP0)cossin(ijijijijijjiiBGUUQjiij2、运行约束条件：各节点电压的幅值，相位角，系统频率，各支路的潮流，发电机组的功率等应在一定的范围内。maxminiiiUUUmaxminijijijmaxminfffimaxminiiiPPPmaxminiiiQQQmaxminGiGiGiPPPmaxminGiGiGiQQQ根据以上约束条件满足的程度，电力系统的运行状态可以分为以下几种：1、正常状态所有的约束条件均满足，同时还应具有足够的备用裕度，承受各种预计的扰动，不产生有害的后果。）2、警戒状态（预防控制）各种约束条件均能满足，但随时可能由于一个偶然的事故使某些不等式约束被破坏。即在扰动情况下电力系统的备用裕度和安全水平下降，进入警戒状态。一般，警戒状态被包含在正常状态里。3、紧急状态此状态下，运行约束条件不能完全满足。紧急状态可以是静态的，此时系统的某些参数超出允许的范围，如某些设备过负荷、某些节点的电压过低等，这些参数可以暂时维持不变，电力网一般仍能保持完整性。紧急状态可以出现以下两种危机：①稳定性危机。电力系统暂态过程积蓄的能量可能破坏其稳定性，不能再回到初始状态或停留在一个允许的新状态，这个过程很短，如几秒钟。针对稳定性危机的紧急控制称为稳定性控制通过稳定性控制可以使系统恢复正常状态，也可使系统暂时稳定于另一个状态，即恢复状态。②持久性危机局部或整个电力系统的有功功率不平衡，导致运行参数大幅度偏离正常值，可能破坏对用户的持续供电，这个过程历时较长。如几秒至几分钟。针对持久性危机的紧急控制称为校正控制，如控制电压和无功功率、切机或限制发电机的出力、限制负荷和系统解列等以使系统恢复到正常状态或恢复状态保持对用户的供电。4、恢复状态此状态下，系统的参数一般尚能符合运行约束条件，但可能已损失部分或全部负荷或电网某些部分已解列，通过紧急处理后，系统的运行状态虽然不再继续恶化，但正常状态尚未确立。三、安全控制方式1、预防控制：（正常状态的安全控制或静态安全控制）处于安全状态的电力系统受到某种扰动时，可能转入警戒状态。通过一些必要的控制如调整发电机的端电压或出力、切除线路等，使系统转入安全状态。这种控制一般由调度部门的EMS来实施。2、紧急控制：（预测控制、紧急状态下安控、动态安全控制）电力系统为维持稳定运行和持续供电，必须采取必要的控制措施。3、恢复控制：恢复状态下系统的完整性一般受到破坏，因而需要恢复控制，其包括起用备用设备、增加发电机组的功率、重新投入被切机组、用户和线路等。电力系统的正常控制、紧急控制和恢复控制统称为安全控制。四、电力系统运行状态的转换安全状态警戒状态扰动预防控制恢复状态紧急状态紧急控制大扰动恢复控制紧急控制扰动正常状态由扰动引起的状态变化由控制引起的状态变化五、电力系统静态安全水平对所有的负荷供电，运行极限被破坏，事故会引起越限，但可校正，不失负荷。安全水平4紧急能校正对所有的负荷供电，无运行极限被破坏，若发生事故也无越限。安全水平1对所有的负荷供电，无运行极限被破坏，事故会引起越限，但可校正，不失负荷。安全水平2对所有的负荷供电，无运行极限被破坏，事故会引起越限，但可校正，会失负荷。安全水平3对所有的负荷供电，运行极限被破坏，事故会引起越限，可校正，必失负荷。安全水平5无运行极限被破坏，但已失负荷。安全水平6安全校正安全警戒紧急不能校正恢复六、电力系统运行稳定性分类系统的稳定破坏可能导致系统瓦解和大面积停电等灾难性事故，造成巨大损失。一般将电力系统的稳定性分为三种：角度稳定性、频率稳定性、电压稳定性1、角度稳定性。指电力系统中同步发电机在受到扰动后，发电机组的机械输入和电功率输出之间产生短时的不平衡，使并列运行的各发电机组转速发生不同的变化，因而出现发电机转子间角度的相互摆动，以及电压、电流、功率等电气量的周期性变化。如果这种摆动逐渐衰减直至消失，则称系统保持了角度稳定性。2、频率稳定性。电力系统频率在其允许的范围内认为频率是稳定的。如果电力系统或被解列后的局部系统，出现较大的有功功率缺额时，频率会大幅度下降，若不能采取紧急措施，则可能导致频率崩溃，失去频率稳定性。3、电压稳定性。指电力系统在正常情况下或遭受扰动后，能否在所有节点维持可接受的电压能力。因为扰动、负荷增加或系统状态变化，引起电压损耗不断增加，系统就有可能进入电压不稳定状态，甚至引发电压崩溃。七、电力系统安全控制的几个层次1、安全监视。安全监视是SCADA系统的主要功能，是对电力系统的实时运行参数（频率、电压、潮流等）以及断路器、隔离开关等的状态进行全过程的连续监视，当出现参数越限和开关变位时进行报警，而由运行人员进行适当的调整和操作。2、安全分析。安全分析是在安全监视的基础上，对电力系统的安全状态做出安全评价，即对各种可能发生的假想事故进行快速的计算分析。如发现在可能发生的事故中会出现不安全的状态，则由运行人员根据显示出的分析结果进行必要的调整控制，以改善运行水平。3、安全控制。安全控制是为了保证电力系统安全运行所进行的调节、校正、控制。§4.2电力系统安全分析电力系统的安全分析包括静态安全分析和动态安全分析。静态安全分析只考虑假想事故后稳定运行状态的安全性，不考虑当前运行状态向事故后稳态运行状态的动态转移。动态安全分析是对事故动态过程的分析，着眼于系统在假想事故中有无失去稳定的危险。一、静态安全分析电力系统静态安全分析是应用电力系统的实时数据，对一组可能出现的假想事故进行分析的在线模拟计算过程，用以校核事故后稳态电力系统运行方式的安全性，以便预先使运行人员提高警惕或采取措施。静态安全分析主要包括预想故障分析和安全约束调度。这里主要介绍预想故障分析。预想故障分析是对一组可能发生的假想故障进行在线的计算分析，校核这些故障后电力系统稳定运行方式的安全性，判断出各种故障对电力系统安全运行的危害程度。预想故障分析可分为三部分：故障定义、故障筛选、故障分析（快速潮流计算）1、故障定义通过故障定义可以建立预想故障的集合。一个运行中的电力系统，假想其中任意一个主要元件损坏或任意一台断路器跳闸，都是一次故障。预想故障集合主要包括以下各种开断故障：（1）单一线路开断；（2）两条以上线路同时开断；（3）变电站回路开断；（4）发电机回路开断；（5）负荷出线开断；（6）以上各种情况的某种组合。2、故障筛选预想故障现象可能比较多，应该将这些故障按其对电网的危害程度进行筛选和排队，然后再由计算机按此队列逐个进行快速仿真潮流计算。3、故障分析故障分析是对预想事故集合里的预想故障进行快速仿真潮流计算，用以确定故障后系统的潮流分布和危害程度。快速仿真潮流计算的方法有直流潮流法、PQ分解法、等值网络法等这里主要介绍直流潮流法。直流潮流法（查《用直流潮流法进行电力系统静态安全分析》，作者：闵尊南）（一）基本原理直流潮流法的特点是将电力系统交流潮流（有功功率和无功功率）用等值的直流电流来代替，甚至用直流电路的解法来分析电力系统的有功潮流，而根本不考虑无功分布对有功的影响，计算速度快，但准确度差。如下图所示的输电线路：图4.1线路段的示意图ijijjBG'.ijI.0iIijijjQP.ijI.iU.jU0ijb0jjb)())(()(.0..*.*.0*..*'.*0*'.*.iijiijijjiiiiijiiijiijiijijbUUjbgUUUIUIUIIUIUjQP)sin(cos.iiiijUU若令)sin(cos.jjjjjUUjiij代入上式，则有：)sincos(2ijijijijjiijiijbgUUgUP)sincos()(02ijijijijjiiijiijgbUUbbUQ由于此类潮流计算要求计算速度快，所以进行三个简化：（1）考虑到一般高压电网中线路，对地电纳忽略，有，。（2）按标幺值计算时，节点电压与额定电压相差不大，故有（3）线路两端电压相角差很小，故有：XR0iig0ijg0.1jiUUji)sin(jiji所以上述有功功率的表达式可以简化为ijijijbP应用：例：如下图所示的5节点的网络结构图，网络参数如图中所示，用直流法计算潮流分布（取节点2为基准点）。要求：（1）并与测量值（如图括号内所示）进行比较。（2）若④-③因故障断开，并且④-⑤线路额定负载为2.0，则重新求潮流分布，④-⑤线路是否过载？（3）若减少①节点发电机的出力，若由5.0减少为4.0，则④-⑤线路是否过载？要减少多少出力，线路④-⑤线路不过载？5.0①0.015(2.579)2.00.3②0.250.35(-0.156)(1.277)(1.584)(2.579)0.033.71.6③④⑤2、动态安全分析(了解)稳定性事故是涉及电力系统全局的重大事故，对于复杂的电力系统，稳定性分析的方法也不少，如模式识别法、李雅普诺夫法、扩展等面积法等。1、模式识别法N维模型空间n≤N特征量的抽取（维数降低）n维特征空间分类器（识别函数）分类指标图4.2模式识别法基本框图模式识别法主要包括以下两个内容：①特征量的抽取；②识别函数的建立。应用模式识别法可分为以下几步：1）确定样本（对具体的分类对象，要确立维数为N的模型向量Xi，求其分类情况，构成样本集）(如选择若干典型的电力系统运行方式，进行离线稳定计算，确定哪些运行方式是稳定的，哪些是不稳定的，组成样本集。最好运用靠近稳定边界的样本，可以使计算次数减少。)2）特征量的抽取（特征量抽取是从模型向量的N个变量中抽取少量特征量组成n维特征向量，使维数大大降低，以使构成既简单又有效分类器。）在电力系统的运行参数中，选择少数与电力系统稳定性有密集关系的运行参数，一般是部分母线的电压和相位角，也可以是线路的功率等其他参数。3）建立分类器（分类器的核心是识别函数，一个简单的识别函数可以是特征向量的线性函数：若，属于稳定模型。若，属于不稳定模型。......)(22110YWYWWYG0)(iYG0)(iYGiYiY也可以采用二阶函数电力系统用二阶函数得到满意结果。......)(110jnimijiijniiiYYWYWWYG构成样本集的各种典型的运行方式，当然是全部符合稳定判别式的，但样本集并没有包括电力系统所有的运行方式和事故，因此要选择样本集以外的若干电力系统运行方式和事故形式组成试验样本集，检验判别式准确性，也可以进行修正。模式识别法突出优点是计算速度快，但离线计算工作量很大，为了抽取特征量和建立识别函数，需进行大量的计算工作。2、李雅普诺夫法此法是从理论上分析，在模拟条件下进行试验尚未在电力系统在线控制中得到应用。所以只须了解李雅普诺夫对稳定性的定义及其判别定理。李雅普诺夫在1892年提出将一个动态的