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                                          電力系統安全穩定問題研究
                                          發布時間: 2021-07-17 來源:包頭青辰科技有限公司 瀏覽次數:

                                          摘要:介紹了國內外電力系統安全穩定問題的研究現狀,供電力工程參考。
                                          關鍵詞:電力系統;安全穩定;新進展
                                          Abstract:Thispaperintroducesthestudystatusofsafetyandstabilityproblemsforpowersystemsathomeandabroad,anditisveryusefulforelectricalengineeringreference.
                                            Keywords:powersystem;safetyandstability;newdevelopment
                                            當今,電力已作為現代社會的主要能源,與國民經濟建設和人民生活有著極為密切的關系,供電不穩定,特別是大面積停電事故所造成的經濟損失和社會影響是十分嚴重的,例如2003年的紐約、倫敦和東京大停電事故。因此,對現代電力系統的運行提出了更高的要求,既保證安全、可靠和經濟地發供電能,又要求保證合格的供電質量。但是,現代電力系統是一個由電能產生、輸送、分配和用電環節組成的大系統。同時,由于電能的發、送、變、配、用電各個環節是同時進行,這樣現代電力系統又是一個復雜的實時動態系統,這個系統除了包括發電、送電、變電、配電和用電設備外,還包括監測系統、繼電保護系統、調度通信系統、遠動和自動調控設備等組成的二次系統[1-5]。
                                            在這個大系統中,其設備眾多,分布區域很廣,要保證每一臺裝置設備或每一條輸電線路在任何時候都不發生任何故障是絕對不可能的。隨著社會生產技術的發展,現代電力系統由于機組容量不斷提高,電網規模不斷擴大,電壓等級不斷提高,超高壓遠距離輸電以及互聯電網形成,使電網結構更加復雜,造成現代電力系統的控制管理極為困難,一個嚴重干擾都能波及全系統導致瓦解的嚴重后果。因此,保證電力系統安全穩定運行是一個極端重要的問題,只有在電力系統安全穩定運行的前提下,才有可能進一步考慮運行的經濟性等問題?! ‘斍暗闹袊巡饺氪箅娋W、高電壓和大機組的時代。隨著中國電力系統的日益發展和擴大,電力系統安全穩定問題已成為最重要的問題,越來越突出。解決好電力系統實時安全分析方法和安全穩定控制技術的研究和應用,已成為電力生產、運行、科研和制造部門的重要任務,不管在任何情況下,電力調度運行部門都要把電力系統安全穩定運行放在首位[6-9]。

                                          1電力系統安全穩定問題
                                            電力系統中各同步發電機間保持同步是電力系統正常運行的必要條件,如果不能使各發電機相互保持同步或在暫時失去同步后不能恢復同步運行,這就使電力系統失去穩定。電力系統穩定問題最早應追溯到上世紀初。當同步電機由單機運行發展到與其它同步發電機并列運行后,就出現電力系統穩定問題,特別是在發生故障情況下,有可能使發電機失去同步。電力系統穩定的破壞,往往會導致系統的解列和崩潰,造成大面積停電,所以保證電力系統穩定是電力系統安全運行的必要條件。在電力系統穩定研究中,除了維持發電機間的同步運行的穩定性外,還開展了電力系統的電壓穩定和頻率穩定性問題的研究。
                                            近幾十年來,國內外電力系統由于穩定破壞,曾發生大面積停電事故,對國民經濟造成極大損害,使社會和人民生活受到很大影響。
                                            美國1965年東北包括紐約大停電事故。造成了21000MW用電負荷停電,停電最長時間13h,停電區域20萬km2,經濟損失達1億美元,影響居民3000萬人。事故原因為加拿大拜克水電站向多倫多送電的5條230kV線路中的一條突然跳閘,造成系統穩定破壞。
                                            美國1977年7月13日紐約大停電事故。這次事故起因為大風暴造成輸電線路斷開,短時的供需不平衡,使電網電壓劇升,發電機超速解列。這次大停電引起貧民區的搶劫和縱火,華爾街上造成嚴重的社會問題。
                                            法國1978年12月19日大停電事故。當時由東部向西部送電的一條400kV線路因過負荷跳閘,導致其他線路發生一系列的過負荷跳閘,并造成系統穩定的破壞,最終造成法國全國大部分地區停電。
                                            日本1987年7月23日東京電力系統大停電事故。這是一次典型的電壓崩潰事故。事故中負荷停電8168MW,影響280萬用戶,停電時間長達3h21min,使兩個500kV變電站及一個275kV變電所全停,影響日本鐵路線13條線路停運,都市自來水中斷,銀行計算機系統中斷,造成社會生活混亂[10-16]。
                                            1980年7月27日中國安徽電網大面積停電事故。事故起因是由于一臺220kV電壓互感器爆炸起火,引起二條220kV線路先后跳閘,大量負荷轉移到一條與之環網運行的110kV線路上,造成穩定破壞,系統劇烈振蕩,最后導致系統瓦解。事故發生后,甩負荷及停電320MW,少送24萬kW·h電能,給工農業生產、社會生活造成嚴重損失。
                                          1972年7月20日浙江電網瓦解事故,是華東電網的一次嚴重穩定破壞的大面積停電事故。杭常湖220kV三角大環網是連接上海、杭州、常州為中樞點的三角大環網。這個總長564km的單回線大環網給系統運行帶來復雜性。這次常湖線故障,造成浙江電網頻率崩潰而全面瓦解,兩個220kV變電站,23個110kV變電站,近100個35kV變電所停電,全省甩負荷350MW,事故直接損失約200萬元。
                                          1972年中國湖北省電力系統穩定破壞事故,使全省失去約686MW,導致湖北地區大面積停電,使武鋼等大廠礦企業受到重大經濟損失。
                                          發展電力系統是電力工業的客觀規律,是世界各國電力工業所走的共同道路。前蘇聯已基本上形成了全國統一的電力系統并且與東歐國家互聯,形成了更大規模的聯合電力系統;西歐各國的電力系統也已互聯,形成西歐十一國的互聯系統。中國已進入高電壓、大電網、大機組時代,大區電力系統的裝機容量已達20000MW以上,中國電力系統已由以省內為主,發展到跨省的大區電力系統并且大區電網之間也已開始互聯。
                                          但是,大電力系統對安全性的要求更高,對運行技術和管理水平要求也更嚴格。當大電力系統發生事故,特別是發生穩定破壞和不可控的嚴重連鎖反應時,停電波及的范圍大,停電時間長,后果嚴重,特別當電網結構薄弱,管理不善而缺乏必要的技術防范措施時,則某一電氣設備故障可能發展成為全面的大面積停電事故,例如上述國內外大停電事故。因此,必須把保證大電力系統的安全穩定運行問題放在極為重要的位置,這是從國內外大電力系統發生的多次大停電事故中得出的客觀規律。對于中國電力系統,長期以來輸變電工程建設落后于發電工程,而發電工程又遠落后于負荷增長的需要,電網結構相對薄弱,面對中國電力系統的容量不斷增長,如何保證日益發展的大容量電力系統的安全穩定運行,是一項緊
                                          急而又重大的任務[20]。

                                          2電力系統安全穩定研究[20-42]
                                          對電力系統而言,安全和穩定都是系統正常運行所不可缺少的最基本條件。安全和穩定是兩個不同的基本概念?!鞍踩笔侵高\行中的所有電力設備必須在不超過它們允許的電壓、電流和頻率的幅值和時間限額內運行,不安全后果導致電力設備損壞?!胺€定”是指電力系統可以連續向負荷正常供電的狀態,有三種必須同時滿足穩定性要求:
                                          ①同步運行穩定性;
                                          ②電壓穩定性;
                                          ③頻率穩定性。
                                          電力系統失去同步運行穩定的后果是系統發生電壓、電流、功率振蕩,引起電網不能繼續向負荷正常供電,最終可導致系統大面積停電;失去電壓穩定性的后果,則是系統的電壓崩潰,使受影響的地區停電;失去頻率穩定性的后果是發生系統頻率崩潰,引起全系統停電。
                                          早在20世紀50年代后期,一些西方工業化國家就開始把計算機應用在實現經濟調度為主要的目的上。60年代后期以來,美、法、日等國的一些大型電網相繼發生了大面積的停電事故,巨大的經濟損失和嚴重的社會影響使各方面深受震動,各國才開始重視電力系統實時安全穩定分析的研究。
                                          2.1電力系統穩定分析研究[20-28]
                                          電力系統的同步穩定問題一直是人們研究的重要課題。長期以來,無論是經典的還是現代的電力系統穩定性理論,不論在穩定性機理、數學物理模擬、計算方法,還是在控制技術對系統穩定性的影響方面,主要集中在系統功角穩定性的研究上,并且由于控制理論、計算機技術的飛速發展及其在電力系統中的廣泛應用,使得人們對于功角穩定性的研究認識達到了很高的階段,所取得的理論和實用性成果,對系統安全運行發揮了巨大的作用。
                                          電力系統的同步運行穩定分析一直是電力系統中最為關注的一種穩定性。在中國的現行規程上,把電力系統的同步運行穩定性分為三類:靜態穩定、動態穩定和暫態穩定。但迄今為止,國際上對電力系統同步穩定性并沒有統一的標準定義。1982年IEEE提出新的建議,并定義如下:
                                          1)電力系統的靜態穩定性:如果在任一小擾動后達到擾動前運行情況一樣或相接近的靜態運行情況的話,電力系統對該特定靜態運行情況為靜態穩定,又稱為電力系統的小干擾穩定性。
                                          2)電力系統的暫態穩定性:如果在該擾動后(如三相短路等大擾動)達到允許的穩定允許情況,電力系統對該特定運行情況或對該特定擾動為暫態穩定。
                                          電力系統的暫態穩定水平一般低于系統的靜態穩定水平,如果滿足了大擾動后的系統穩定性,往往可同時滿足正常情況下的靜態穩定要求,但是,保持一定的靜態穩定水平,仍是取得系統暫態穩定的基礎和前提,有了一定的靜態穩定裕度,就有可能在嚴重的故障下通過一些較為簡單的技術措施去爭取到系統的暫態穩定性。長期以來,主要對電力系統同步穩定運行的三個方面展開研究:
                                          ①研究分析長距離重負荷線路的靜態穩定裕度的計算,將電力系統的數學模型進行線性化處理,用頻域法,計算電力系統參數矩陣的特征值和特征向量。出現靜態穩定問題的情況,多屬單機對主系統模式。
                                          ②最引起研究人員感興趣的是動態穩定計算分析,但在實際系統中,由于這種模式的
                                          穩定破壞并非常見,對其求解方法一般采用數值積分法,如歐拉法、龍格庫塔法、隱式積分
                                          法的時域分析方法,計算結果給出功角對時間的曲線關系,以判別電力系統的動態穩定性。
                                          ③用來考慮大擾動對系統穩定運行的影響是暫態穩定問題。最大量的研究分析是暫態穩定性,由于系統的運行操作和故障是大量地經常發生,因此對暫態穩定性的正確評估,對電力系統安全運行具有頭等重要意義。描述電力系統受到大干擾后的機電暫態過程是一組非線性狀態方程式,大擾動引起的電力系統動態過程中,系統的許多參量都在大幅度范圍內變化,現在的普遍做法是采用時域法,用數值積分法求解非線性方程,求得個機組間的相位差角對時間的變化曲線,或求出某一母線節點電壓對時間的變化曲線。雖然用概率和統計分析方法來估算系統的安全性已經作了相當長時間的研究工作,但為了更加適應實時控制快速判斷暫態穩定的需要,一些新方法引入到這個領域,如李雅普諾夫函數法、模式識別法、專家系統和人工神經網絡等方法。應用李雅普諾夫函數法,首先必須找到一個所謂的李雅普諾夫函數。對一個特定的動態系統,如果找到這樣的函數,就不必去求解系統的微分方程組,就可以直接判定這個系統的穩定性。事實上,在很多電力系統暫態穩定性研究中,就是把系統所存貯的總能量函數作為李雅普諾夫函數的。19世紀提出的李雅普諾夫直接法是非線性系統穩定性理論的重大進展,20世紀30年代前期蘇聯學者不僅用park方程研究高電壓遠距離輸電,也提出用能量準則分析電力系統能量積分的論文,直到60年代下半葉才出現李雅普諾夫穩定意義上的電力系統穩定分析的論文,70年代末期在美、日等國提出的暫態能量函數方法是對李雅普諾夫函數法的改進。近十多年來,國內外學術界在其函數構造、穩定域估計、動態安全分析與控制方面研究發展迅速,國際國內上發表了大量論文和專著[20]。此方法克服傳統數值積分方法在線應用計算負擔較重的弱點,因其能夠定量度量穩定度,適合于靈敏度分析以及對極限參數的快速計算,因此近十多年來其方法一直是電力系統研究領域中十分活躍的一個分支。近年來,隨著人工智能方法在電力系統中應用,人工神經元網絡也應用于對暫態穩定的研究。文獻[21]提出了一種利用人工神經元進行電力系統暫態穩定分析的方法,該神經網絡取故障后系統暫態量為特征量,采用BP算法進行訓練,將樣本空間進行模式分類,并對不同類樣本作不同處理,最后以實際系統為例,將選用暫態特征與選穩定特征進行比較,驗證了選用暫態特征的準確性和有效性。電力系統暫態穩定分析要求針對當前運行工況及時準確地作出判斷,人工神經元網絡理論的應用為這一問題的解決引入了一個全新的思想模式,不需求解非線性方程,只需建立所研究問題與人工神經元網絡輸入與輸出的影射關系,離線訓練網絡,在線并行計算,以滿足電力系統暫態穩定分析的要求。目前將ANN應用于電力系統暫態穩定分析的工作越來越多。
                                          近年來,在國外的一些電力系統中出現過因電壓或頻率不穩定或者電壓或頻率崩潰而導致大面積停電,特別是電壓問題在世界范圍內引起廣泛重視和關注,許多專家和學者投入電壓穩定性研究中,使這項研究到目前為止取得了一系列成果,這些分析方法可以大致歸納為下面幾個方面:
                                          ①應用潮流方程的可行解域研究電壓穩定
                                          加拿大McGill大學的Galiana等人從分析電力系統靜態數學模型的解析性質入手研究潮流問題的可靠解域及其性質,得出了具有理論價值的結論[23]。通過研究潮流問題的可行解域,可確定給定注入矢量(包括潮流方程的PQ節點的有功無功注入,PV節點的有功注入的電壓幅值)對應的潮流計算不收斂的原因,可以計算出靜態電壓穩定裕度和臨界電壓。
                                          ②應用潮流方程多值解的性質研究電壓穩定性
                                          由于潮流方程的非線性,在給定的節點注入量下,其解不唯一,存在多值性。文獻[24]提出在潮流多值解中,低幅值電壓解是不穩定運行解的思想,如果某種干擾使系統運行由高電壓解轉移到低電壓解,即所謂的模式轉移,那么系統中的無功/電壓控制作用失效,加劇電壓下降過程,表現為對系統電壓失去控制,導致電壓崩潰。因此,低幅值電壓解對電壓不穩定負有直接的責任,通過研究潮流方程的多值解來分析系統電壓穩定性。
                                          ③采用人工神經網絡研究電壓穩定性
                                          雖然潮流的可行解域和多個值解法從理論上可以研究系統的工作點的穩定裕度,但計算復雜,實際應用困難。針對這些問題,文獻[25][26]采用人工神經元網絡來研究電壓穩定問題,為系統的優化調整提供幫助,并且方便地與潮流程序相結合,計算量大為減少。目前在中國開展對電力系統電壓穩定性的研究不僅具有較高的理論價值,而且是當前以及今后電力生產發展的迫切需要,因此迫切需要研究出新的分析方法和應用軟件來解決這一實際問題。
                                          2.2電力系統安全分析研究[29-42]
                                          電力系統安全分析包括靜態安全分析和動態安全分析,它們是電力系統調度運行工作的一個主要內容。安全分析是指在當時的運行情況下,系統有對應的潮流分布,當系統出現故障后,進入穩定后或暫態過程中,對電力系統進行計算分析,分析系統是否運行在安全約束條件以內,有多大安全儲備能力,并在實時潮流基礎上進行預想事故評定。
                                          電力系統調控中心進行在線安全分析的目的是對電力系統在當前運行情況下的安全狀況作出評價,從而預先采取合理的控制措施。當處于安全狀態的電力系統受到某種擾動,可能進入告警狀態,通過靜態安全控制(即預防性控制),如調整發電機電壓或出力,投入電容器等,使系統轉為安全狀態;電力系統在緊急狀態下為了維持穩定運行和持續供電,必須采取緊急控制,通過動態安全控制,系統可以恢復到安全狀態,也可能進入恢復狀態;通過恢復控制,使系統進入安全狀態。這些安全控制是維持一個電力系統安全、經濟運行的保證手段,一般由電力系統調度中心的能量管理系統(EMS)進行實施,如靜態安全分析、動態安全分析。電力系統的靜態與動態安全分析包括3個子問題:預想事故選擇;預想事故評估;安全性指標計算。近十年來,電力系統安全分析研究取得如下幾方面成果:
                                          ①在靜態安全分析研究中,過去很長時間廣泛采用的是逐點分析法,它需要對偶然事故表中所有運行條件逐一解潮流方程,取得潮流的再分布狀況,對所求的母線電壓和各支路的功率進行越限檢查,并檢查是否滿足安全性,因此計算量大。對此,各國進行大量研究,在程序技巧上提出稀疏矩陣的壓縮存貯和節點編號優化等方法,在求解潮流的算法上相續提出直流潮流法,牛頓-拉夫遜法,PQ分解法和快速解耦法等。近年來一種新的靜態安全分析法——安全域分析法引起了人們的重視。靜態安全域思想是由E.Hnyilicza等人在1975年首次提出的,它的優點是減少了大量潮流計算。F.F.Wu等人進一步發展了這一理論,用解析方法提出安全域的子域,用以近似表示安全域,在文獻[28]的基礎上,文獻[29]采用擴展算法求出趨于最大的直觀安全域。針對上述靜態安全域研究均沒有考慮N-1安全性約束,文獻[30]基于快速解耦潮流模型,建立了正常狀態(N狀態)和N-1狀態的靜態有功和無功安全域模型,為了獲取較大的直觀安全域,對N安全域以基本運行點作為初始點進行擴展,采用對偶單純形法的增廣解法求最安全點,并采用壓縮約束的措施,提高了計算速度。
                                          從完整的在線安全分析來看,應對擾動發生后,電力系統的靜態行為和動態行為兩個方面進行,但是過去側重于靜態安全分析,認為動態安全分析的計算量大,算法太復雜。隨著這幾年許多國家相繼發生了電力系統電壓崩潰事故,同時在許多國家里大容量電廠、超高壓遠距離輸電線路的不斷建成并投入運行,形成了多區域多層次的聯合電力系統,因此世界各國對電力系統的動態安全分析研究十分重視,提出了一些新的理論分析方法[31]。為了提高動態安全分析的實時性,文獻[32]提出了采用分解和協調理論的局部暫態安全分析和監測方法,將電力系統分為內部系統,根據調度自動化系統中的全系統實時結構導納矩陣,可以直接推導出外部系統的等值導納矩陣,這種方法可以減少數據采集和軟件處理工作,提高暫態安全分析和檢測的實時性和實用性。
                                          ②人工智能方法在電力系統安全分析中的應用研究已成為這一研究領域的一個活躍分支。人工智能是指用機器來模擬人類的只能行為,包括機器感知(如模式識別、人工神經元網絡等)、機器思維(如問題求解、機器學習等)和機器行為(如專家系統等)。人工智能(ArtificialIntelligence)是當前發展迅速、應用最廣泛的學科,其中專家系統(ExpertSystem)和人工神經元網絡(ANN)是人工智能的兩個很活躍的分支。
                                          電力系統安全分析的各個方面幾乎都已經引入了專家系統的思想,并且已有了實際運行的安全分析專家系統[33]。文獻[34]詳細討論了電力系統預想事故排序問題的特征,認為預想事故排序問題只有采用專家系統和數值計算相結合來解決。文獻[36]介紹了一個為CQ
                                          R的基于知識和常規算法的混合型安全分析專家系統。文獻[37]設計了暫態安全分析的一個
                                          專家系統總體框架,這是一個數值計算和知識處理的混合系統。文獻[38]針對美國NorthernStatePowerCompany開發的一個動態安全趨勢分析專家系統作了詳細的介紹,而
                                          文獻[39]則報導了臺灣電力系統開發的靜態安全分析專家系統。
                                          建造專家系統最困難的是知識獲取,解決知識獲取問題的有效方法是實現知識自學習。
                                          目前認為用神經網絡實現是一種有前途的方法。ANN的一個主要特征是能夠學習,可以從輸
                                          入樣本中,通過自適應學習產生所期望的知識規劃,ANN是并行、分布、聯想式的網絡系統
                                          ,很適合解決復雜的模式識別。由于人工神經網絡的BP模型可以模擬任意復雜的非線形關系
                                          ,能很好地解決分類器問題,并通過自學習功能實現。因此,使用ANN進行靜態和動態安全
                                          分析受到各國的極大重視,已有一批成果在有關文獻中報到。文獻[40]首先將ANN引入電力
                                          系統動態安全分析中,提出了用BP模型估計臨界切除時間,研究表明:訓練的ANN對不同的
                                          網絡結構有較高的估計精度,而文獻[41]則研究了BP模型進行動態安全分析過程,在訓練樣本的形成和特征量的選取方面作了不少工作,文獻[42]提出了一種利用人工神經網絡來描述和擬合電力系統暫態安全性能的方法,介紹了一種集學習規劃和遺傳算法結合起來的快速學習算法,ANN通過訓練來模擬和求解出電力系統暫態穩定程度,確定系統的暫態安全域。

                                          3存在問題和解決方法
                                          在20世紀60年代后,國內外電力系統曾發生過多次嚴重的大面積和長時間停電事故,從而保證電力系統安全穩定問題已受到極大重視,并為此進行了大量的理論科學研究和工程實踐,但到目前還有不少問題尚未很好解決,如超高壓遠距離輸電與互聯電網的安全穩定分析方法與控制策略問題;大容量機組投入電力系統運行,如何解決好系統與大機組的安全協調問題;如何最優解決有功調度中系統安全問題與經濟問題的協調問題等。
                                          另外,近年來實時相角測量技術的發展已為現代電力系統安全穩定分析開辟了一個新的
                                          領域,為超高壓大電網的安全運行監控提供了新的手段。參考文獻[1]韓禎祥.電力系統自動監視和控制[M].水利電力出版社,1988
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