电力系统安全分析.ppt

第五章 电力系统安全分析,5.1 概述 5.2 电力系统的静态等值 5.3 静态安全分析的支路开断模拟 5.4 静态安全分析的发电机开断模拟 5.5 静态安全分析的灵敏度法 5.6 预想事故的自动筛选 5.7 电力系统静态安全域,对电力系统的基本要求是实现在正常运行情况和偶然事故情况下都能保证电网各运行参数均在允许范围内，安全可靠的向用户提供质量合格的电能 电力系统运行状态：电力系统正常运行时必须满足两个约束条件：即等式约束条件和不等式约束条件等式约束为潮流方程，不等式约束条件是为了保证系统安全运行，有关电气设备的运行参数都处于运行允许值的范围内 即：,5-1 概述,,根据是否满足上述约束条件，电力系统的运行状态可以划分为：1.安全正常状态2.警告状态（不安全正常状态）3.紧急状态4.危急状态（极端状态） 5.恢复状态 它们之间的关系：,恢复状态,,,,安全正常状态,警告状态（不安全）,,,危机状态,紧急状态,,,,,,,≠ ﹥,≠ ≯,≠ ≯,≠ ﹥,﹦,﹥,？,恢复控制,正常运行状态,扰动,预防控制,紧急控制,扰动,解列,电力系统运行状态划分示意图,正常运行状态：等式约束条件和不等约束条件都得到满足。

如果在此状态下发电设备和输变电设备仍有足够的备用容量，系统保持适当的安全裕度，则系统运行于一种安全方式下，能够承受偶然事故而不超出任何约束条件，因此，也称之为安全状态 警告状态（不安全状态）：系统安全水平下降到某一适当的界限，或者出于不利的天气条件如特大暴风雨而使故障干扰的可能性增加在这种状态下，所有系统变量仍在允许范围内，所有约束条件都能得到满足，但是安全裕度已很低紧急状态：在告警状态中，系统已到了很脆弱的程度，一个偶然事故便会造成设备的过负荷，从而使系统进入紧急状态在紧急状态中，虽然还没有出现大面积停电，但运行参数已越限，许多母线的电压降低、设备负荷超出其短时紧急额定值，已不能满足不等式约束条件紧急状态分两类： （1）没有失去稳定的紧急状态：由于输电设备通常允许有一定的过负荷时间，所以这种状态称为持久性的紧急状态 对于这种状态一般可以通过控制使之回到安全状态，称为校正控制或持久性紧急状态控制 （2）稳定性的紧急状态：亦称可能失去稳定的紧急状态 该状态能容忍的时间只有几秒钟，相应的控制也不得超过1s这种控制称为紧急控制或稳定性紧急控制如果未能采取以上措施或者控制不能奏效，则系统将处于极端状态（进入危急状态），其结果是连锁反应，引起较大范围停电。

极端状态（危急状态）： 可以切除负荷及有控制的使系统解列，其目的是将系统中尽可能多的部分从大范围的停电中挽救过来 危急状态下，等式约束条件和不等式约束条件均不满足，系统必须经过恢复状态，通过恢复控制来恢复对用户的供电，已解列的系统得重新并网，才能使电力系统重新进入正常状态 恢复状态：在恢复状态下，先满足不等式约束条件，然后通过再同步、并网恢复所有用户供电，使等式约束条件得以满足安全分析从电力系统运行调度的角度来看，应该用预想事故分析的方法来预先知道系统是否存在隐患，即处在所谓不安全正常状态，以便及早采取相应的预防控制措施，防患于未然这便是电力系统安全分析（或称电力系统安全评估）的目的电力系统运行的安全性，通常是指在突发事故扰动下，系统保证避免发生广泛波及性供电中断的能力由于安全性是对事故后果进行分析，涉及到系统事故后的稳态行为即暂态行为，安全性分析亦称之为预想事故分析，分为：静态安全分析和动态安全分析静态安全分析：只考虑事故后系统重新进入新稳态运行情况的安全性，而不考虑从当前运行向事故后稳定状态转变的暂态过程动态安全分析：根据实时潮流对预想事故后系统的暂态稳定性进行评定静态安全分析的用途：对一个输电系统规划方案而言，利用静态安全分析可以进行事故预想，可以校验其承受事故的能力；系统规划设计人员在进行发电系统和输电系统规划时，应利用静态安全分析考虑各种可能的设备开断情况，并评估其后果是否满足安全性的要求。

为此，规划设计人员一般需要增加一些冗余的设备或调整计划以减少中断供电的可能性对运行中的电力系统而言，可以检验其运行方式及接线方式的安全性，进而给出事故前后应采用的防范措施或校正措施在电力系统的运行中，为了避免过负荷和电压越界引起的设备损坏，或由于过负荷设备在系统保护作用下退出运行而导致大面积连锁反应性的停电，需要或实时地进行系统静态安全分析静态安全分析中需要校验的典型事故包括发电机组或输变电设备的强迫停运，也包括短路引起的保护动作致使多个设备同时退出运行的情况由于不涉及元件动态特性和电力系统的动态过程，静态安全分析实质上是电力系统运行的稳态分析间题，即潮流问题也就是说，可以根据预想的事故，设想各种可能的设备开断情况，完成相应的潮流计算，即可得出系统是否安全的结论但是，静态安全分析要求检验的预想事故数量非常大，而分析或实时分析又要在短时间内完成这些计算，因此： 1）原则上，对预想事故集中的每一种预想事故，都应进行安全性分析评定，但是，为了满足安全分析的实时性要求，常常按事故的严重程度进行筛选（预想事故的自动筛选） 2）对网络进行简化等值 3）研究专门用于静态安全分析的方法5.2 电力系统的静态等值,背景：对于大型互联系统进行不同运行方式下的分析计算往往会遇到计算量太大，耗费机时太多等问题，而且进行计算时调度中心不可能获得整个系统完整而准确的实时信息，而数学模型的规模又必须与所得的实时信息相匹配。

因此，必须对系统中不感兴趣的部分或某些部分不可观测的部分进行简化等值简化等值时，一般将系统划分为：研究系统（内部系统）：指要求详细计算模拟、等值过程中保持不变的区域或所关注的区域 外部系统：指与研究区域毗邻并相互有一定影响，但不需要详细计算可以用某种等值网络取代的区域 剩余系统：与研究区域相距很远，影响极小，可作高度简化的区域内部系统,外部系统,,,,,,,,联络线,边界节点,内部系统与外部系统直接相连的节点称之为边界节点（或边界母线）；内部系统与边界节点连线的支路称为联络线互联系统的划分示意图,,静态等值方法:在稳态条件下，保持内部系统状态不变，简化外部网络一般为基于拓扑的等值，原理上可分为两大类: （1）应用数学矩阵消元理论求得等值网（Ward等值） （2）应用网络变换原理求得等值网络（REI等值）等值原则：不同的等值方法可能得到不同的等值网络，但任何一种等值方法都必须保证等值前后的边界条件相同即：等值前后边界节点电压和联络线传输功率应相等；当内部系统区域内运行条件发生变化时，以等值网络代替外部系统后的分析结果应与简化等值前由全系统计算分析的结果相近或相同一、常规Ward等值,该方法将网络中的节点集合划分为内部系统节点子集（I）、边界节点子集（B）和外部系统节点子集（E），然后将整个系统的节点方程,,按节点集合的划分写成分块矩阵,,展开为,,消去外部系统的节点子集，可得式中：是消去外部系统后，在边界节点附加的节点导纳阵。

是消去外部系统后，在边界节点附加的注入电流 上式就是消去外部系统节点后，等值系统的节点电压方程上述网络等值过程在数学上是线性代数方程Gauss消元法的消去过程，在物理意义上是对网络进行星-网变换的过程 由于外部系统和内部系统不直接相连，从化简后的节点电压方程可以看出，消去外部节点时只有 和 发生了变化 计算出基本情况下的 和 之后，在对内部系统进行安全分析时，只要 不变，则对内部系统每一个预想事故进行计算时，结果完全相同或 ),内部系统,,,,,,,,,,,,,等值注入,等值支路,边界节点,常规Ward等值的等值系统,在电力系统的实际应用中，往往用节点注入功率而不用电流表示式中： 、 和 分别为外部系统、边界节点和内部系统的节点注入功率列向量Ward等值计算步骤：（1）选取一种有代表性的基本运行方式，计算潮流得出全网各节点电压；（2）确定内部系统和边界节点，然后对下列矩阵进行高斯消元，消去外部系统，保留边界节点，得到仅含边界的外部等值导纳矩阵3）计算出各边界节点的注入功率增量，并将其加到原边界节点注入功率上，得到边界节点的等值注入功率。

该等值注入功率也可以由内部系统和边界节点的运行状态计算得知实际应用时，可以由于内部系统和边界节点的电压幅值、相角以及联络线潮流都可以由状态评估提供，因而这种方法适宜于应用Ward等值法的特点：（1）、当外部系统全部是PQ节点时，由于各节点的注入有功功率和无功功率给定，应用上述方法对外部系统等值，计算效果较好2）、潮流计算结果可能误差太大这主要是由于在基本运行方式下求取的等值，而系统实际运行方式的变化会导致外部系统实际注入的变化和参数发生变化，因此造成潮流计算的误差这种现象无功功率表现更为突出二、Ward等值法的改进,一、考虑外部系统的对地电容对边界注入无功的影响通常采用节点注人功率来模拟外部系统的对地电容，以提高等值后系统潮流计算的收敛性对地电容的等效注入无功功率，可用基本情况潮流计算求得的电压来计算； 二、考虑外部系统PV节点注入无功功率的变化如果外部系统有PV节点，其注入有功功率给定，而当内部系统运行状态不同（例如线路开断），外部系统的PV节点为维持其电压保持不变，它的注入无功功率将会在限值内作出相应的变化，即外部系统的PV节点向内部系统提供无功功率支援这时，边界节点上的注入功率与基本情况下求出的 值有较大差异，造成外部系统注入无功模拟不正确，从而影响等值效果。

1.Ward-PV等值,为了能正确模拟外部系统的注入无功功率，类似边界节点一样保留部分外部系统的PV节点，这样会得到较好的等值效果选择保留PV节点的原则是：(1)与内部系统的电气距离较短，这些PV节点对内部系统的响应最大；(2)应具有校大的无功功率储备能力；(3)保留的PV节点应尽可能少下图表示外部系统中只保留一个节点，其余节点全部消去的情况1,2,i,k,保留PV节点,保留PV节点的Ward等值,Ward-PV等值的计算步骤如下：(1)确定外部系统待消去节点子集E（其中不包括保留PV节点）、保留PV节点和边界节点组成的节点子集B；(2)外部系统的对地支路用节点注入功率模拟，形成只包含外部系统待消节点子集E和边界节点（含保留PV节点）子集B的节点导纳矩阵；(3) 用Gauss消元法消去节点子集E，求出各边界节点之间和边界节点与保留PV节点之间的等值支路参数；(4)如外部系统的对地支路未用注入功率模拟，则边界节点的有功、无功注入功率和保留PV节点注入功率可用节点功率方程式求得，而边界节点和保留PV节点的电压幅值和相角可由基本情况下的全网潮流解给出（或由状态估计器给出）,利用PQ分解法的潮流计算原理，考虑将等值网络分解为P网络和Q网络。

2.解耦Ward等值,边界节点,边界节点,内部系统,内部系统,虚拟PV节点,i,m,解耦Ward等值,（a）等值P网络；（b）等值Q网络,(a),(b),三、REI等值 (radial equivalent independent of other nodes),思路：采用网络等值方法处理外部网络无论外部系统多复杂，都可以用一个辐射状的简单网络来代替，把所有待消去节点的注入功率用一个虚拟节点的注入功率代替以外部系统基础潮流解已知为构成基础 过程：(1)确定边界节点集合（该节点数目越少越好）；(2)整个外部系统用虚拟REI节点R (虚拟参考节点）和虚拟地节点G代替；(3)以节点G为中心构成辐射状REI等值网络R,G,…,…,内部 系统,REI等值网络,,等值条件：(1)等值前后所有边界节点的电压相等；(2)等值前后外部系统与边界节点的交换功率相等 据上述等值条件便可确定出等值网络的等值参数 参数确定：,因为G节点为虚拟接地点， 即 ，因此， ，…，上的电压降分别为 ，… 由此可得，…，其中， ，,。