電力系統(tǒng)安全性分析

1、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析目錄電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析基本概念12電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析方法3電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析的發(fā)展趨勢動(dòng)態(tài)安全分析基本概念動(dòng)態(tài)安全分析(Dynamic Security Assessment DSA)是對事故后動(dòng)態(tài)過程的分析，著眼于系統(tǒng)在假想事故中有無失去穩(wěn)定的危險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)安全分析也就是指評價(jià)系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后過渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力，并對必要的預(yù)防措施和補(bǔ)救措施給出適當(dāng)?shù)膮⒖挤桨?。?dòng)態(tài)安全分析功能要求1.關(guān)于系統(tǒng)模型的要求2.分析過程的觸發(fā)機(jī)制3.預(yù)想事故的篩選和評價(jià)4.仿真終止的判斷條件5.給出預(yù)防控制和緊急控制措施6.提供信息給系統(tǒng)運(yùn)行人員動(dòng)態(tài)安全分析系統(tǒng)的框架 動(dòng)態(tài)安全分析系

2、統(tǒng)的框架如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)功能模塊:初始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備預(yù)想事故的篩選和排序動(dòng)態(tài)安全分析穩(wěn)定控制對策動(dòng)態(tài)安全分析系統(tǒng)的框架。動(dòng)態(tài)安全分析方法動(dòng)態(tài)安全評價(jià)方法一直是電力界多年來研究的重要課題，該方法對計(jì)算速度的要求很高，特別是在在線環(huán)境下。因此動(dòng)態(tài)安全評價(jià)的主要問題在于如何進(jìn)行快速暫態(tài)穩(wěn)定分析。但是到目前為止，還沒有很成熟的算法。接下來介紹幾種有一定研究成果的算法。動(dòng)態(tài)安全分析方法1.擴(kuò)展等面積法（EEAC）是我國學(xué)者首創(chuàng)的一種暫態(tài)穩(wěn)定快速定量計(jì)算方法。擴(kuò)展等面積法是目前國際上公認(rèn)的快速計(jì)算暫態(tài)穩(wěn)定的有效算法之一，它基于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)等值和單機(jī)無窮大系統(tǒng)的等面積準(zhǔn)則，以解析方式進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析和

3、靈敏度分析，能快速計(jì)算各種故障情況下的臨界切除時(shí)間(CCT)和穩(wěn)定裕度，并能快速給出臨界機(jī)的暫穩(wěn)極限出力以及指定聯(lián)絡(luò)線上的極限潮流，是實(shí)現(xiàn)在線暫態(tài)安全分析的理想算法。擴(kuò)展等面積法當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率和輸出電磁功率的不平衡將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)加速。在暫態(tài)過程中，如果有一臺(tái)或一群加速較快的機(jī)組(稱為臨界機(jī)組)相對于剩余機(jī)群的擺開角度足夠大，則系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。據(jù)此可以將多機(jī)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題分解成一系列子問題求解，每個(gè)子問題對應(yīng)于求解一個(gè)候選的臨界機(jī)組相對于其余機(jī)組的搖擺情況。擴(kuò)展等面積法步驟 EEAC法暫穩(wěn)分析的基本思想是1.根據(jù)運(yùn)行工況及故障條件將一多機(jī)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)機(jī)群，即臨

4、界機(jī)群和其余機(jī)群。2.進(jìn)而等值為一單機(jī)無窮大系統(tǒng)(OMIB)。實(shí)際中，一般一臺(tái)發(fā)電機(jī)功率遠(yuǎn)小于大系統(tǒng)總功率，我們用假設(shè)系統(tǒng)“無窮大”來研究發(fā)電機(jī)（”單機(jī)“）特性，這樣減少變量，簡化計(jì)算。3.再根據(jù)等面積法則求得臨界切除角，再用等值機(jī)的加速度及其導(dǎo)數(shù)按修正的臺(tái)勞級(jí)數(shù)求得候選的臨界切除時(shí)間CCT，各個(gè)候選的CCT中最小的就是系統(tǒng)的CCT，對應(yīng)的候選臨界機(jī)群就是真正的失穩(wěn)機(jī)群。擴(kuò)展等面積法 在一個(gè)n機(jī)電力系統(tǒng)的簡化經(jīng)典模型中，假定發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗后的電勢和原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率均保持恒定，負(fù)荷處理為恒定阻抗，在忽略阻尼的情況下，第i臺(tái)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可描述為:idd timedMPPdt 其中， 為等值機(jī)轉(zhuǎn)子角，

5、 為轉(zhuǎn)子角速度， 為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)， 為機(jī)械功率， 為電磁功率。iiMmPeP擴(kuò)展等面積法 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率和輸出電磁功率的不平衡將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)加速。在暫態(tài)過程中，如果有一臺(tái)或一群加速較快的機(jī)組(稱為臨界機(jī)組)相對于剩余機(jī)群的擺開角度足夠大，則系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。據(jù)此可以將多機(jī)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題分解成一系列子問題求解，每個(gè)子問題對應(yīng)于求解一個(gè)候選的臨界機(jī)組相對于其余機(jī)組的搖擺情況。擴(kuò)展等面積法步驟對于一個(gè)指定的故障，將多機(jī)系統(tǒng)分解成兩個(gè)子集:臨界機(jī)群和剩余機(jī)群。利用PCOA的概念，將臨界機(jī)群和剩余機(jī)群簡化成等值兩機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步再變換成單機(jī)無窮大母線系統(tǒng)。由兩機(jī)系統(tǒng)到

6、映像單機(jī)系統(tǒng)的變換公式有：maxsin()ecPPP其中 ， ， 稱為等值OMIB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，他們都是常數(shù)，而電氣輸出功率 是功角的單值函數(shù)。cPmaxP擴(kuò)展等面積法其中 為等值機(jī)轉(zhuǎn)子角， ， ， ， 和 。為等值系統(tǒng)的參數(shù)，由運(yùn)行工況及故障條件決定。在等值的單機(jī)無窮大系統(tǒng)上，應(yīng)用熟知的等面積定則進(jìn)行暫穩(wěn)分析，即EEAC法的核心。將上面的式子表示為功角圖即：P 曲線形式。mPcPmaxPM擴(kuò)展等面積法功角圖中，確定了加速面積和減速面積，分別代表了暫態(tài)加速能量和減速能量。只要加速面積小于減速面積受擾系統(tǒng)就具有恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，其臨界情況為由此可以解出故障的臨界切除角進(jìn)而用臺(tái)勞展開式可以求得

7、臨界切除時(shí)間（CTT）。 對于每個(gè)候選的臨界機(jī)群，都用上述方法求取臨界切除角和臨界切除時(shí)間，然后取min (CCT)做為系統(tǒng)的CCT，對應(yīng)的候選臨界機(jī)群為真正的失穩(wěn)機(jī)群。模式識(shí)別法2.模式識(shí)別法 模式識(shí)別的任務(wù)是，對獲取的樣本集，能夠通過其中反映的特性找出輸入和輸出間的數(shù)學(xué)依賴關(guān)系式，進(jìn)而通過這個(gè)關(guān)系式對新的運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。 模式識(shí)別法由于在線所需計(jì)算量很少，并且樣本的準(zhǔn)備不受系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型詳細(xì)程度的限制，因而在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全評價(jià)中的應(yīng)用有著很大的吸引力。模式識(shí)別法的步驟（1）確定樣本選擇若干典型電力系統(tǒng)運(yùn)行方式，進(jìn)行離線穩(wěn)定計(jì)算，確定哪些運(yùn)行方式是穩(wěn)定的，哪些是不穩(wěn)定，組成樣

8、本集。（2）抽取特征在電力運(yùn)行參數(shù)中，選取少數(shù)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有著密切關(guān)系的參數(shù)，一般是母線電壓及其相角。這些參數(shù)稱為特征參數(shù)。（3）建立判別式穩(wěn)定判別式的建立不是采用理論分析推導(dǎo)的方法，而是根據(jù)樣本集的已知結(jié)論，試探著建立一個(gè)符合已經(jīng)結(jié)論，相關(guān)于已知結(jié)論的穩(wěn)定判別式。這個(gè)過程通常稱為“自學(xué)習(xí)”。模式識(shí)別法的步驟（4）試驗(yàn)構(gòu)成樣本集的各種典型運(yùn)行方式是全部符合穩(wěn)定判定式的，但樣本集沒有包括所有運(yùn)行方式和事故。因此，還要選擇樣本集以外的若干電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和事故形式，組成試驗(yàn)樣本集，檢驗(yàn)判別式的準(zhǔn)確性，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)對判別式加以修正。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析發(fā)展趨勢傳統(tǒng)的確定型的安全性分析構(gòu)想由Dy

9、Liaceo于1967年提出，屬于“逐點(diǎn)法”。該構(gòu)想針對一組預(yù)想事故來檢驗(yàn)電力系統(tǒng)承受擾動(dòng)的能力，預(yù)想事故集包含了下一時(shí)刻可能發(fā)生的而且后果比較嚴(yán)重的擾動(dòng)，對于預(yù)想事故集中的每一種擾動(dòng)情況均利用潮流方程進(jìn)行靜態(tài)安全分析。這一構(gòu)想也可擴(kuò)展到利用暫態(tài)穩(wěn)定程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全分析。該構(gòu)想有如下不足：只能根據(jù)一個(gè)給定的運(yùn)行狀態(tài)，確定系統(tǒng)的安全狀態(tài)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，它會(huì)遇到難以容忍的計(jì)算量；無法計(jì)及諸如擾動(dòng)、系統(tǒng)負(fù)荷和參數(shù)取值等不確定因素，其計(jì)算結(jié)果的可信度必然受到懷疑。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析發(fā)展趨勢加州大學(xué)Berkeley的Felix F wu教授等提出了概率的安全性分析構(gòu)想。構(gòu)想中考慮了電力系統(tǒng)的

10、隨機(jī)和動(dòng)態(tài)特性，提出了電力系統(tǒng)的兩層模型，引入了注入空間上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全域概念“域”的方法是同目前廣泛使用的逐點(diǎn)法截然不同的全新的方法學(xué)“域”的方法可以離線計(jì)算在線應(yīng)用，一旦得到所需的域后，在線使用時(shí)，只需要判斷運(yùn)行狀態(tài)是否在域內(nèi)即可，運(yùn)算量小，計(jì)算迅速，同時(shí)還能從整體上給出系統(tǒng)穩(wěn)定性的指示，能夠?qū)ο到y(tǒng)實(shí)施最優(yōu)控制提供幫助。同時(shí)，“域”的方法在離線求解時(shí)可以考慮系統(tǒng)的各種不確定性，使結(jié)果更為可信。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析發(fā)展趨勢動(dòng)態(tài)安全域動(dòng)態(tài)安全域 在概率的安全性分析構(gòu)想中，安全性被看作是系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)條件，它是相對于即將來臨的擾動(dòng)的系統(tǒng)強(qiáng)度的函數(shù)。一個(gè)系統(tǒng)的安全性依賴于系統(tǒng)的圖形、事故、功率注

11、入等因素。當(dāng)系統(tǒng)圖形不變且在設(shè)備不過負(fù)荷的情況下能保證對負(fù)荷的供電時(shí)，我們稱之為靜態(tài)安全的。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生了事故，且系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的時(shí)候，我們稱之為動(dòng)態(tài)安全的。系統(tǒng)經(jīng)受的擾動(dòng)可分為負(fù)荷擾動(dòng)和事件擾動(dòng)。由于二者在時(shí)間和性質(zhì)上的不同，因而在概率的動(dòng)態(tài)安全性分析中可以采用兩層模型：第一層模型是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的估計(jì)；第二層模型描述同元件的動(dòng)態(tài)有關(guān)的系統(tǒng)變量的軌跡。這兩層是耦合的。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析發(fā)展趨勢第二層模型所描述的系統(tǒng)變量的變化起因于節(jié)點(diǎn)功率注入(發(fā)電和負(fù)荷)的變化。如果用傳統(tǒng)的確定型的安全分析方法進(jìn)行安全性分析，由于需要逐點(diǎn)計(jì)算，其實(shí)際工作量及所需要時(shí)間都是難以承受的，為此可以將安全域定義在注

12、入空間上，這恰好滿足了概率的安全性分析的要求。動(dòng)態(tài)安全域電力系統(tǒng)在遭受一個(gè)大擾動(dòng)(如短路事故)后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由事故前系統(tǒng)i，經(jīng)事故中系統(tǒng)F到事故后系統(tǒng)j三個(gè)階段，描述這三個(gè)不同階段的系統(tǒng)方程：0i0112j2x =fxyt0 x =fxytx =fxyt+F（， ） -（， ） 0（， ） 012xxxy式中 ， 、 、 均為狀態(tài)變量， 表示有功和無功的注入， 為事故清除時(shí)間。動(dòng)態(tài)安全域用數(shù)學(xué)模型闡述了動(dòng)態(tài)安全域。動(dòng)態(tài)安全域動(dòng)態(tài)安全域動(dòng)態(tài)安全域dddcijyijijy|x y( )A y由此有定義出動(dòng)態(tài)安全域 （， ）是事故前系統(tǒng)注入 （包括有功注入P和無功注入Q）的空間上的集合，以其中的任一元素為注入的事故前系統(tǒng)經(jīng)歷了持續(xù)時(shí)間為 的給定事故后均不會(huì)失去暫態(tài)穩(wěn)定，也就是說在集合 （， ）外的點(diǎn)所對應(yīng)的注入下的系統(tǒng)對于給定事故將失去暫態(tài)穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)安全域表示： （， ）（ ）動(dòng)態(tài)安全域上式給出的動(dòng)態(tài)安全域是針對大擾動(dòng)下的暫態(tài)穩(wěn)定性而言的，它定義在全注入空間上。而在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，各節(jié)點(diǎn)注入功率總是處在一定的約束下，例如發(fā)電機(jī)出力存在