电力系统安全性与稳定性

电力系统安全性与稳定性PowerSystemSecurityandStability2011年秋季·研究生课程第一章电力系统安全分析主要内容安全性、稳定性、可靠性概念N-1安全准则预想事故分析安全约束调度一、概述①指电力系统突然发生扰动(例如突然短路或非计划失去电力系统元件)时不间断地向用户提供电力和电量的能力；②指电力系统的整体性，即电力系统维持联合运行的能力。电力系统安全运行应满足以下三类条件：①系统负荷需求（用E表示）②运行约束（无潮流和电压越限，用C表示）③可靠性约束（预想事故分析，用R表示）针对这三类条件电力系统可分为五种状态：①正常状态ECR②警戒状态ECR*⑤恢复状态E*CR*③紧急状态EC*R*④瓦解状态E*C*R*预防控制安全校正恢复控制紧急控制①正常状态：满足全部三类条件，能满足全部负荷又没有越限，而且能承受预想故障的冲击。②警戒状态：能满足全部负荷又没有越限，但承受不了预想事故的冲击。若针对预想故障采取预防性控制，系统可以回到正常状态。③紧急状态：能满足全部负荷但已出现支路或电压越限。若及时采取安全校正措施，系统可以回到警戒状态或正常状态；否则可能导致系统瓦解。④瓦解状态：全部三类条件破坏，不能满足全部负荷需求。采取紧急控制防止事故扩大，过渡到恢复状态。⑤恢复状态：事故不再扩大，网络元件越限解除，但许多用户尚未恢复供电，通过恢复控制，使系统回到正常状态。可以理解为系统承受偶发性事故冲击而不致破坏的能力。在实际运行中，一般用安全储备系数和干扰①与事故概率有关。②与其是否有足够的安全储备有关。安全储备可以理解为备用容量，包括有功备用、无功备用和线路传输能力备用等。备用容量能否发挥作用与电力系统的运行方式有密切关系。如何保证电力系统安全性：①电力系统发展规划应与负荷增长相适应，并②合理设计系统结构，使电力系统具有足够的抗干扰能力。③①及时维护系统内各种设备，保证其完好性。②优化电力系统的运行结构和参数。N－1安全准则：判定电力系统安全性的一种准则。又称单一故障安全准则。按照这一准则，电力系统的N个元件中的任一独立元件（发电机、输电线路、变压器等）发生故障而被切除后，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。当这一准则不能满足时，则要考虑采用增加发电机或输电线路等措施。N－1原则与可靠性分析相比较，它的计算简便，不需搜集元件停运率等大量原始数据，是一种极为简便的安全检查准则，在欧美一些电力公司得到了广泛应用。判断线路是否过负荷，通常使用线路发热条件的载流量极限值。局限性：需要量化评价时，须引入可靠性计算。在我国，《电力系统安全稳定导则》（DL755-2001）规定了保证电力系统安全稳定运行的基本要求、安全稳定标准及安全稳定的计算方法。其中：N－1安全准则：正常运行方式下的电力系统中任一元件无故障或因故障断开，电力系统应能保证稳定运行和正常供电，其它元件不过负荷，电压和频率均在允许值范围内。应用：静态安全分析（单一元件无故障断开）动态安全分析（单一元件故障后断开的稳定性分析）某些多个元件同时退出运行的事件也要考核。安全性、稳定性、可靠性的关系稳定：指电力系统可以连续向负荷正常供电的状态。保证稳定是电力系统安全运行的必要条件。不稳定后果：系统崩溃。安全：指运行中所有电气设备必须在不超过它们允许的电压、电流和频率的幅值和时间限幅内运行。不安全的后果：设备损坏。安全性：表征系统短时间内抗干扰能力，属运行范畴。可靠性：长时间连续正常供电的概率，属规划范畴。是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供电能力的度量。广义可靠性：包括充裕度和安全性二方面。充裕度（adequancy，也称静态可靠性）：指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总电量的能力，同时考虑到元件的计划停运及合理的期望非计划停运。表征电网的稳态性能。安全性：动态的可靠性。可靠性是系统设计和运行的总体目标为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的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、杆塔倒塌或者人为破坏等不存在绝对安全的电力系统。电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法–设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动—N－1准则。–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。主要不足之处–认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果发展方向：基于风险的安全性评估–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–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合度量。电力系统安全分析与控制的主要内容电力系统调度要实行“事故预想”制度。这是根据已有知识和运行经验设想：电力系统运行在某一情况下出现异常情况时应如何处理；在另一种运行情况时出现异常又该如何处理，等等。但人工预想的事故只能是少量的，偏重于预想反事故措施。它对当前系在电子计算机应用于电力系统调度之后，用计算机代替人工事故预想，对电力系统进行安全监视(SM，SecurityMonitering)和安全分析(SA，SecurityAnalysis)并提出安全控制对策，把电力系统调度自动化推向了能量管理系统(EMS)阶段。一般说来，电力系统安全分析与控制的主要内容包括以下几个方面。①利用电力系统信息收集和传输系统所获得的电力系统和环境变量的实时测量数据和信息，使运行人员能正确而及时地识别电力系统的实时状态。电子计算机自动校核实时电流或电压是否已到极限。校核项目包括母线电压、注入有功和无功功率、线路有功和无功功率、频率、断路器状态及操作次数等。如果校核的结果是越限则报警，如果逼近极限值则予以显示。②在安全监视的基础上，用计算机对预想事故的影响进行评估：分析电力系统当前的运行状态在发生预想事故后是否安全；确定在出现预想事故后为静态安全分析：只考虑预想事故后稳态运行的安全性，而不考虑从当前运行状态向事故后稳定运行状态的动态转移过程。判断是否会发生过负荷或电压越限。动态安全分析：包括事故后动态过程的安全分析。目前动态安全分析还处在研究阶段。③安全控制是指在电力系统各种运行状态下，为了保护电力系统安全运行所进行的各种调节、校正和控制。常规调度控制：电力系统正常运行状态下安全控制的首要任务是监视不断变化着的电力系统状态，并根据日负荷曲线调整运行方式和进行正常的操作控制，使系统运行参数维持在规定的范围之内，以满足正常供电的需要。预防性安全控制：是指在进行控制时电力系统并未受到干扰，之所以对电力系统实行控制是因为安全分析已经显示电力系统当前的运行状态在出现某种事故时是不安全的。实行预防性安全控制之后会提高电力系统的安全性。但是，安全分析时所假定的事故可能出现，也可能不出现。如果为了预防这种可能出现又不一定出现的不安全状态，需要使正常运行方式和接线方式有很大改变而影响正常运行经济性时，要由运行人员来作出判断，决定是否需要进行这种预防性控制。安全控制还包括紧急状态下的安全控制和事故后的恢复控制。广义地理解安全控制也包括对电能质量和运行经济性的控制。二、预想故障分析电力系统安全分析是分析运行中的电力系统在出现事故时是否能够继续保持正常状态运行。这里所谓的事故是根据运行人员的经验假定的事故。这些事故的结果，或者使一条或几条电力线路断开，或使变压器、发电机、负荷断开，或者发生以上情况的组合。确定出现事故时系统是否安全就是通过计算机计算在发生以上各种假定的事故时，是否有线路过负荷或超过允许传输极限，是否有节点过电压，系统是否会失去稳定等。如果不会出现上述情况，系统的当前运行状态就是安全的，否则就是不安全的。定义：预想故障分析是指针对预先设定的电力系统元件的故障及组合，确定它们对电力系统安全运行的影响。预想故障分析是能量管理系统（EMS）的重要功能之一。一般的说，其包括故障定义与分类、故障筛选和故障分析三部分。主要功能：①按调度员的需要方便地设置预想故障；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系统的状态，实现可视化。故障定义与分类：目的：①提高预想故障分析的准确程度；②降低预想故障分析的计算量；③改善预想故障分析的灵活性。在定义预想故障集时，采用物理分类方式；在分析过程中，对故障按危害程度分类。早期只进行n-1式故障选择和分析，随着电网结构的增强和规模的扩大，调度人员更重视多重故障分析。但若进行n-2或n-3扫描方式，在技术上是不现实的。故采用预想故障集合方式代替n-1扫描方式。优点：①方便、有效定义多重故障；②只分析感兴趣故障组，提高计算效率；③灵活、快速模拟和再现电网实际故障过程。预想故障集合由调度或运行分析人员给出，它包括各种可能的故障及其组合。并且可以规定监视元件和条件故障以自动产生复杂故障。运行中使用者可以激活感兴趣的故障组进行分析计算。预想故障集合的结构：以物理分类方式按层次定义预想故障集合。预想故障集合故障组故障---主开断元件---条件监视元件---条件开断元件---规则集一个完整的故障由四部分组成：主开断元件、条件监视元件、条件开断元件和规则集。①主开断元件：可以是电网中的任何元件。故障可以是单一的，也可以是多重的。多重故障可以是同类元件，也可以是几类元件的组合。②条件监视元件和条件开断元件：配合使用，可以模拟继发性故障。实际系统中，某些元件故障将引发其它元件的开断，需引入条件开断的概念。主开断元件动作开断监视元件越限条件开断元件动作③规则集：描述主开断元件动作后，调度人员按规定或经验所必须执行的操作。将专家系统的思想引入预想事故分析。故障组：具有某种特征的若干故障的集合。这些物理特征可以是：①按故障重数划分，如一重、二重、三重等；②按开断元件类型划分，如线路、变压器等；③按地区划分，如哈尔滨地区、佳木斯地区等；④按电压等级划分，如500kV，220kV等。已定义的故障可以放到一个故障组或多个故障组中。故障集合：全部定义的故障组的总称。各故障组在缺省条件下是激活的，可以对有关故障组设置“停用”标志，在故障扫描中就会跳过这些故障，只分析激活的故障组。采用故障集合的方式，提高了预想故障分析的有效性，节省了计算时间，又可灵活方便地设定分析目标，优越性远胜于n-1扫描方式。故障扫描：也称故障筛选，对故障集合中的故障进行预处理。目的：避免不必要的计算，加快预想故障分析的速度。方法：①直接法：快速计算故障后潮流。直流潮流法：将交流潮流用等值的直流潮流代替，甚至只用直流电路的解法分析有功潮流，忽略无功分布对有功的影响，准确性差。P-Q分解法等值网络法：一般用Ward等值或REI等值。分布系数法②间接法，又称性能指标法。不直接计算潮流，仅利用产生故障时的某些数据进行排队，快速性好精度低。性能指标有三类：基于支路有功潮流；基于母线电压；基于母线电压和无功注入。例如：有功行为指标：支路l的权重2max1llNllpPPWPIL支路l的有功支路l的极限有功，故障判断：①系统解列判断：按快速P-Q分解法得到节点电纳矩阵B’后，因子表对角线有零元素判为解列，因为B’秩小于n-1；②非线性故障(如电压无功类故障)；③非连续故障（如变压器分接头变化或机组无功越限）；④故障性能指标。其他故障可用性能指标近似判断对电力系统安全的危害程度。故障详细分析：全潮流分析P-V转换潮流快速潮流（不重新进行网络分析和形成因子表，对B’、B”快速修正）故障集合解列故障非解列故障非连续故障非线性故障其它故障其它故障有害故障故障定义故障扫描详细分析地区电网静态安全分析的特殊性与网、省调电网不同，地区电网多为辐射状。地区电网任一支路元件开断，都可能造成网络解列或失去电源及负荷，从而形成多个弧岛节点。对地区电网来讲，最重要的是不失去负荷。为保证用户供电的可靠性，需装备大量的备用电源自动投入装置(BATS)。当电网发生故障而导致母线停电时，满足投入条件的BATS开始动作，并合上备用电源的开关，给停电母线恢复供电。这样，就能大大减少母线停电的几率，从而保证供电的可