十、电力系统静态安全分析(1)

东南大学电气工程系©版权所有十、电力系统静态安全分析（1）东南大学电气工程系©版权所有内容提要概述Ward等值REI等值东南大学电气工程系©版权所有一、概述随着系统总容量的增加，网络的不断扩大，系统出现故障的可能性也日趋增加。最终导致用户供电中断。为保证供电持续性，要求系统安全可靠。可靠性：在互连系统规划设计方面，当出现故障，系统保证对负荷持续供电的能力。是一个长时间的概念。安全性：在互连系统的运行方面，当出现故障，保证对负荷持续供电的能力。是时变的或瞬时性问题。目前的安全分析，大部分采用确定性方法，用潮流和稳定程序对最严重的事故情况进行大量运算。东南大学电气工程系©版权所有安全分析的目的：提高系统安全性。必须从系统规划、系统调度操作、系统维修等方面统一考虑，最终体现在系统运行条件上。电力系统运行条件用四种状态来描述：安全正常状态不安全正常状态紧急状态恢复状态东南大学电气工程系©版权所有对安全的解释，在实用中更确切地用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压模值等在允许的范围以内表示。等式的约束形式：g(x)=0.式中：x为系统运行的状态量。可以认为是功率平衡。电力系统运行状态（1）东南大学电气工程系©版权所有在具有合格电能质量的条件下，有关设备的运行状态应处于其运行限值以内，即没有过负荷。即：Uimin≤Ui≤UimaxPkmin≤Pi≤PkmaxQkmin≤Qi≤Qkmax也可写成：h(x)≤0综上所述：电力系统正常运行时应同时满足等式和不等式两种约束条件。这时处于运行的正常状态。电力系统运行状态（2）东南大学电气工程系©版权所有电力系统运行状态（3）正常状态的电力系统可分为安全正常状态与不安全正常状态。已处于正常状态的电力系统，在承受一个合理的预想事故集（contingencyset）的扰动之后，如果仍不违反等约束及不等约束，则该系统处于安全正常状态。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得系统不满足运行不等式约束条件，就称该系统处于不安全正常状态。预防控制：使系统从不安全正常状态转变到安全正常状态的控制手段。东南大学电气工程系©版权所有电力系统运行状态（4）电力系统安全分析就是应用预想事故分析的方法来预见知道系统是否存在隐患，即处于不安全正常状态，采取相应的措施使之恢复到安全正常状态。静态安全分析：用来判断在发生预想事故后系统是否会发生过负荷或电压越限等。暂态安全分析：判断系统是否会失稳。东南大学电气工程系©版权所有电力系统运行状态（5）紧急状态：运行在只满足等式约束条件但不满足不等式的状态。持久性的紧急状态：没有失去稳定性质，可通过校正控制使之回到安全状态。稳定性的紧急状态：可能失去稳定的紧急状态。通过紧急控制到恢复状态。紧急控制一般包括甩负荷，切机，解列控制。东南大学电气工程系©版权所有电力系统运行状态（6）系统经紧急控制后回到恢复状态，此时系统可能不满足等式约束，而满足不等式约束，或一部分满足约束，另一部分不满足。对处于恢复状态的系统，一般通过恢复控制使之进入正常状态。恢复控制一般有启动备用机组，重新并列系统等。东南大学电气工程系©版权所有电力系统运行状态（7）安全状态不安全状态紧急状态恢复状态预防控制恢复控制偶然事件状态转移安全控制状态转移校正控制图3-1电力系统运行状态分类及其转化过程紧急控制东南大学电气工程系©版权所有能量管理系统（EMS）包括SCADA、安全监控及其它调度管理与计划的功能系统。基础：SCADA、状态估计、安全分析运行控制：自动发电控制、负荷控制、电压控制、调度员培训仿真等。电能管理：发电计划、经济调度、负荷预测、电能交易评估、运行规划等东南大学电气工程系©版权所有二、电力系统静态等值应用等值方法可以大大缩小问题的计算规模，系统中某些不可观察部分也通过等值方法来处理。电力系统按计算要求分研究系统和外部系统。前者要求详细计算，后者可用等值计算来取代。研究系统可分为边界系统和内部系统。边界系统是指内部系统与外部系统相联系的边界点（或边界母线）。内部系统与边界系统的联络支路称为联络线。外部等值方法必须保证，当研究系统内运行条件发生变化，其等值网络分析结果应与未简化前由全系统计算分析的结果相近。东南大学电气工程系©版权所有互联电力系统的划分互联系统可用划分成研究系统ST和外部系统E两部分。某些文献把研究系统分成边界系统B和内部系统I。如右。还有一种，把内部系统称为研究系统，而边界母线归并在外部系统中。一般WARD等值用前种，REI等值用后一种。内部系统I外部系统E边界母线B研究系统ST拟予等值的系统E互联系统PS联络线互联系统的第一种划分内部系统I边界母线研究系统ST拟予等值的系统E互联系统PS联络线外部系统E互联系统的第二种划分东南大学电气工程系©版权所有Ward等值(1)互联系统可用下列一组线性方程组表示如将电网节点分为三类：以子集I表示内部系统节点集合，子集B为边界节点集合，子集E为外部系统节点集合。式（1）可写成（1）（2）YUI..00EEEEEBBBBEBBBIIBIIIIUIYYYYYUIYYUI......东南大学电气工程系©版权所有Ward等值(2)消去式（2）中的UE，得消去外部节点后YBB受到修正，亦即边界节点的自导纳与互导纳改变。或写成（3）（4）1BEEEDYYEQEQEQYUI..11BEBBEEEBBBEEEEBBIIBIIII.UIYYIYYYYYYYUI....外部系统的节点注入电流IE通过分配矩阵D被分配到边界节点上，分配矩阵D为东南大学电气工程系©版权所有Ward等值(3)对线性系统来说式(3)、(4)是一个严格的等值。只要IE不变，在任何IB、II下，由（3）求得的UB、UI都与未等值网一致。但在实际应用中，需要注入功率来代替注入电流，即则（3）可写成（5）*..**1.()diagSIUSU11BEBEEEBEBBBBEEEEBBIIBIIIII.SSYYUUUYYYYYYYUSU**.....*..东南大学电气工程系©版权所有Ward等值(4)若E定义为则式(5)可写成（6）*.*()00()BIdiagdiagUEU1EBBBEEEBEEQIIdiagSSUYYUEYUUS*.*.*...*()基本情况下外部系统注入功率分配到边界节点上的注入功率增量东南大学电气工程系©版权所有Ward等值(5)如果系统是在某一基本运行方式下进行等值，则外部系统注入功率分配到边界节点上的注入功率增量值为（7）1EBBEEEEdiagSUYYU*.*.()等值是不严格的：由于外部系统注入功率在边界节点上的分配与U*B有关。等值后的边界注入功率式（6）与运行方式有关。在非基本运行方式下，由于外部节点电压UE不同于基本情况，而（7）却引入了基本情况下的UE，也有误差。东南大学电气工程系©版权所有形成Ward等值的步骤（1）选取一种有代表性的基本运行方式，通过潮流计算确定全网络各节点的复电压。（2）选取内部系统的范围和确定边界节点，然后对下列矩阵进行高斯消元。目的：消去外部系统，保留边界节点，得到仅含边界节点的外部等值导纳阵。YBB–YBEYEE-1YEBBBBEEBEEYYYY(3)根据式（7）计算出分配到边界节点上的注入功率增量，并将其加到边界节点原有注入上，得到边界节点的等值注入PiEQ、QiEQ。东南大学电气工程系©版权所有边界节点等值注入PiEQ、QiEQ另一形成方法ijijijijijjiioijiEQibgUUggUP)sincos()()(000020ijioijiijijijijjiEQibbUgbUUQ)()()sincos(200000式中：gij+jbij为与边界节点i相连的联络线或等值支路导纳。θij0表示边界节点i和相邻节点j之间的电压相角差。gio+jbio为支路i侧的对地支路导纳；jωi表示节点j与i相邻。在已知基本运行方式下的内部与边界节点i电压模值与相角Ui0,θi0后，则PiEQ,QiEQ的另外表达方式为:优点：在实时情况下，外部系统运行状态变化不知，而内部和边界节点复电压和联络线潮流，可以随时由状态估计器提供。东南大学电气工程系©版权所有Ward等值后的网络接线内部系统边界节点等值支路联络线P+jQ等值注入图3-2Ward等值示意图东南大学电气工程系©版权所有Ward等值网的缺点用等值法求解潮流时，迭代次数可能过多或完全不收敛。等值网的潮流计算可能收敛在不可行解上。潮流计算结果可能误差太大。东南大学电气工程系©版权所有Ward等值法的改进措施（1）并联支路的处理等值后的并联支路，代表了从边界节点看出去的外部网络对地电容和补偿并联支路。因为外部网络的串联阻抗值较小，所以外部系统的并联支路有集聚于边界节点的趋势。因此：等值时尽量不用并联支路，而通过求边界的等值注入来计及影响。考虑并联支路聚集效应。等值在边界的并联支路，产生错误的并联支路响应模型。如：边界节点电压微小变化，导致并联支路无功功率显著增加。而实际外部系统某些节点电压，通常受邻近的PV节点支援，而边界节点电压的改变，对这些节点电压的影响很小。东南大学电气工程系©版权所有Ward等值法的改进措施（2）保留外部系统的部分PV节点在等值时，如果外部系统中含有PV节点，则内部系统中发生事故开断时，应保持外部PV节点对内部系统的无功支援。否则，等值网潮流解算结果差。做法：进行外部等值时，保留无功出力大，且与内部系统电气距离小的PV节点。东南大学电气工程系©版权所有Ward等值法的改进措施（3）非基本运行方式下WARD等值校正：先以内部系统实时数据作状态估计，求出边界节点的电压模值与电压相角；然后以所有边界节点作为平衡节点，对基本运行方式下的外部等值系统（由边界节点及保留的外部系统节点组成）作潮流计算。对保留的PV节点：有功注入为0，电压模值为给定值，相角取边界节点相角平均值。潮流计算求得的边界注入用于校正基本运行方式下的注入。如果校正后注入进行状态估计时，与内部信息有较大残差，可修改边界节点电压模值与相角，重复计算2－3次。东南大学电气工程系©版权所有导纳阵稀疏性变差是Ward等值法的必然结果YEQ的稀疏性取决于消去范围的大小。如1000节点1500条支路系统等值成200节点。其中100个是边界节点。等值后矩阵等值支路有：100×99/2＝4950条是原来的三倍。东南大学电气工程系©版权所有缓冲等值法——改进Ward等值法假如以发生预想事故的节点为中心，按各相关支路与中心联系的紧密程度把邻接和非邻接的其余节点划分若干节点层。各节点层所受到的事故扰动影响将随着与中心的距离而逐步衰减。东南大学电气工程系©版权所有缓冲母线（节点）与缓冲支路对于静态安全分析，引起最大影响的开断事故是发生在与边界母线相连的联络线上，以边界母线为中心，可向外部系统确定若干节点层。若保留第一层各节点，略去该层各节点之间的联络线，加上用Ward等值法得到的边界等值支路与等值注入，就可形成缓冲等值网。第一层上的节点，称为缓冲母线，缓冲母线与边界母线间的支路，称为缓冲支路。东南大学电气工程系©版权所有缓冲等值网络图内部系统m边界节点i(a)原始网络内部系统缓冲节点等值注入m边界节点等值支路（b）缓冲等值图3-3缓冲等值网络图东南大学电气工程系©版权所有