电力系统暂态稳定性的分析方法的研究电力系统暂态稳定分析方法综述

电力系统暂态稳定性的分析方法的研究电力系统暂态稳定分析方法综述摘要：随着电网规模扩大，电网动态特性更加复杂多变，发生由暂态失稳而引发的大停电事故更加频繁，因此加强对电力系统暂态稳定分析的研究具有重要意义。本文对目前电力系统暂态稳定分析方法的现有研究文献进行了调研和综述，指出了现有方法的优点和缺点，同时提出了今后暂态稳定分析法的发展方向。关键词：电力系统；暂态稳定；稳定分析引言随着三峡电站的投产运行，全国联网、西电东送工程的实施，使得我国电网正朝着大电网、超高压、远距离、交直流并联输电方向快速发展。电网规模的扩大带来巨大经济效益的同时，也出现了新的技术问题，如：长距离弱联络线并列运行，形成输电瓶颈，降低了系统的稳定裕度，动态特性更加复杂多变。另外，电力市场竞争机制的引入，使得系统运行动态特性更加不可预测。同时，电网互联后，受扰动的影响而波及的范围会更广，更易引发大停电事故。研究表明，诸多大停电事故是由于暂态失稳而引发的。而目前的暂态稳定紧急控制策略多基于预想事故集而制定的。缺乏有效的在线稳定分析软件是错失紧急控制时机，从而引发大停电事故的重要原因之一。因此，加强研究大电网安全稳定性分析具有十分重要的意义。1.暂态稳定分析方法评述电力系统暂态稳定是指系统突然遭受大扰动后，能从原来的运行状态不失同步地过渡到新的稳定运行状态的能力。目前暂态稳定分析的基本方法主要有如下几类方法：1.1时域法时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。时域法具有广泛模型的适应性，但是由于需数值求解，计算速度慢；阀值的选取是通过工程实际经验得到的，缺乏理论依据；也不能给出稳定裕度。1.2.暂态能量函数法暂态能量函数法的理论基础是李亚普洛夫稳定性定理，因此也称为拟李亚普洛夫直接法(简称直接法)。该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与系统临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的。由于暂态能量函数法中不计算实际系统故障后的发电机转子摇摆曲线，所以临界能量Vcr都不是从临界轨迹获得的。由于临界能量Vcr的确定方法不同,形成了不同的直接暂态稳定分析方法,国内外研究的比较多的暂态能量函数法主要有相关不稳定平衡点法(RUEP)、势能界面法(PEBS)、基于稳定域边界的主导UEP(BCU)法等。各种方法在计算Vcr时的近似都会带来误差。(1)在RUEP法中，主导失稳模式的准确判别是有困难的。而且，实际多机系统的运动轨迹并不经过RUEP点，所以用RUEP点的势能作为Vcr,也有一定的误差。(2)在PEBS法中，认为持续故障轨迹(代替临界轨迹)与势能界面相交的一点就近似地等于UEP，以该点的势能作为该故障位置的临界能量。而这种近似是有条件的，因此会带来误差。(3)在BCU法中，是用经过主导UEP的恒值能量面(代替稳定流形)去近似出口点的。而且，与RUEP法类似，以偏差功率方程为零确定的主导UEP点的势能作为Vcr是有误差的。总之，直接法无需数值求解功角摇摆曲线，计算速度快，能给出稳定裕度。但是一般模型较简单，分析结果偏保守或乐观，且只能判别首摆稳定性。1.3.混合法暂态能量函数法只考虑了简单模型的系统，对于复杂大系统的稳定评估无能为力，同时由于假设机械功率不变，只能对首摆稳定做出合理的评估。而这些缺点正是时域仿真法的优势所在。因此，人们又研究了联合时域仿真技术与直接法的一种方法，即混合法。在混合法中实施数值仿真至故障清除时间以外如同通常的时域仿真，在仿真过程中运用PEBS上的近似出口点得到一种近似的能量裕度而无需计算UEP，因此该法能提供稳定裕度，从而又弥补了时域法的不足，混合法得到了较快的发展。由于该法是两种方法的联合，具有二者的优缺点。其工程应用主要有二个方面的问题：一个是计算速度。由于引入了时域仿真计算，必须提高整个系统的计算速度。一个是稳定裕度的准确性。混合法中结合了直接法中稳定裕度的计算，直接法本身的一些近似和假设影响了稳定裕度计算的精度。1.4.扩展等面积(EEAC)法等面积法则从理论上较为完美地解决了单机－无穷大系统的暂态稳定评估问题，因此人们投入了大量的研究将其应用于多机系统中，其中以我国薛禹胜院士提出的EEAC法最为著名。EEAC法的基本思想是：在给定故障扰动下系统的机组分为临界机组和非临界机组两群，基于轨迹聚合和保稳变换，分别对这两群机组用等值机进行动态等效，进而又等值为单机－无穷大系统，从而可利用等面积法则评估系统的暂态稳定性。EEAC包括SEEAC、DEEAC和IEEAC三种形式。与直接法相比，EEAC法可实现多摆稳定性判别，但是它评估的正确性依赖于同调群的正确识别。1.5．人工智能法时域仿真法、直接法、混合法、EEAC法都是基于电力系统数学模型和理论的暂稳评估方法，计算精度和速度难以协调。而人工智能方法可进行非模型的电力系统暂态稳定判别，具有在线计算速度快、容易生成决策用的启发规则等优点，因此与传统暂态稳定分析方法构成了良好的互补。目前，人工智能方法主要有：模式识别、模糊理论、神经网络、支持向量机法。有文献针对传统方法难以解决输入特征选择的问题，提出了一种利用多信息融合技术的支持相量机暂态稳定评估方法。但是人工智能法在实际应用中的困难是：难以获取大量的、准确的学习样本，而实际电力系统运行方式、扰动类型、扰动地点复杂多变，借助于模拟仿真得到的样本数据可能与电力系统实际运行情况不符合；缺乏在线自动学习的有效算法，难以从大量数据中提取有效信息。1.6．轨迹分析法轨迹分析法雏形是由A.A.Fouad等人在上世纪80年代提出根据数值仿真暂稳计算程序计算的结果来确定发电机的稳定指标和失稳指标的方法。它的基本思想是由时域法计算出的轨迹信息计算相应的能量，利用能量分析的方法来定量描述发电机的稳定状况。但该法所构造的稳定指标过于粗糙，且缺乏理论分析。因此后来成熟的轨迹分析法是在时域法仿真得到的轨迹信息的基础上，深入分析这些轨迹信息背后的机理，然后提出相应的稳定性判据和稳定裕度。文献[18]利用数值仿真程序所提供的各发电机在暂态过程中的轨迹信息，计算各发电机的单机能量函数，分析了故障后轨迹运行时能量变化的特点，定义了发电机的稳定测度函数，并证明了稳定测度函数的性质，进而对每台发电机定义一个稳定指标和不稳定指标，它们定量地反映了发电机的稳定程度和不稳定程度。轨迹分析法的显著优点是无需求取临界能量值，但是由于结合了时域法，因此应用于复杂大系统时存在计算速度和计算精度相矛盾的问题。2.结论与展望综上所述，传统的暂态稳定分析方法虽然为电力系统的暂态稳定分析与控制做出很大的贡献，然而随着互联电网的动态特性更加复杂多变，分析和控制难度加剧，这些传统方法大多已不适应电网发展的需要，迫切需要针对互联电网现状的暂态稳定分析方法。目前，PMU(同步相量测量单元)测量技术的出现为暂态稳定分析的研究提供了新的契机。由多个PMU装置通过通讯设备互联就组成了WAMS(广域测量系统)，如今已陆续在我国电网中装设，未来几年有望在我国电网中得到普及。WAMS可提供实时动态轨迹信息，笔者认为，WAMS实测信息若能和轨迹分析法相结合，将具有实际应用前景。更正:2006年09期《供电企业基层管理发展雏形分析》作者董金鑫应为董金新，特此更正。1．电力系统稳定性电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。2．提高系统稳定的基本措施提高系统稳定的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构；另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装置。(1)加强电网网架，提高系统稳定。线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比，而与线路阻抗成反比。减少线路电抗和维持电压，可提高系统稳定性。增加输电线回路数、采用紧凑型线路都可减少线路阻抗，前者造价较高。在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法，比增加线路回路数要经济。串连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度，一般在50％左右，过高将容易引起次同步振荡。在长线路中间装设静止无功补偿装置（SVC），能有效地保持线路中间电压水平（相当于长线路变成两段短线路），并快速调整系统无功，是提高系统稳定性的重要手段。(2)电力系统稳定控制和保护装置。提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面：①失去稳定前，采取措施提高系统的稳定性；②失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。下面介绍几种主要的稳定控制措施。发电机励磁系统及控制。发电机励磁系统是电力系统正常运行必不可少的重要设备，同时，在故障状态能快速调节发电机机端电压，促进电压、电磁功率摆动的快速平息。因此，充分发挥其改善系统稳定的潜力是提高系统稳定性最经济的措施，国外得到普遍重视。常规励磁系统采用PID调节并附加电力系统稳定器（PSS），既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡，提高动态稳定性。目前国外较多的是采用快速高顶值可控硅励磁系统，配以高放大倍数调节器和PSS装置，这样可同时提高静态、暂态和动态3种稳定性。电气制动及其控制装置。在系统发生故障瞬间，送端发电机输出电磁功率下降，而原动机功率不变，产生过剩功率，使发电机与系统间的功角加大，如不采取措施，发电机将失步。在短路瞬间投入与发电机并联的制动电阻，吸收剩余功率（即电气制动），是一种有效的提高暂态稳定的措施。快关汽门及其控制。在系统发生故障时，另一项减少功率不平衡的措施是快关汽门，以减少发电机输入功率。用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提高暂态稳定性。但是，它的实现要解决比较复杂的技术问题，是否采用快关措施要进行研究和比较。此外还有在送端切机，同时在受端切负荷来提高整个系统的稳定性，以保证绝大多数用户的连续供电。继电保护及重合闸装置。它是提高电力系统暂态稳定的重要的有效措施之一。对继电保护的要求是：无故障时保护装置不误动，发生故障时可靠动作。它的正确选择、快速切除故障可使电力系统尽快恢复正常运行状态。高压线路上发生的大多数故障是瞬时性短路故障。继电保护装置动作，跳断路器，断开线路，使线路处于无电压状态，电弧就能自动熄灭。在绝缘恢复后，重新将断开的线路投入，恢复供电。这种自动重合断路器的措施称为自动重合闸。它分为单相和三相重合闸，也是一项显著提高暂态稳定性的措施。