（电力系统及其自动化专业论文）电压稳定域的可视化及其应用.pdf

abs tract e l e c t r i c a l p o w e r h as b e c o m e t h e f o u n d a t i o n o f t h e d e v e lo p m e n t o f m o d e r n s o c i e t y . o n e o f t h e i m p o rt a n t f e a t u r e s o f m o d e rn p o w e r s y s t e m s i s h i g h - v o l t a g e a n d l o n g - d i s t a n c e tr a n s m i s s i o n . wi t h t h e w o r l d - w i d e d e v e l o p m e n t o f p o w e r m a r k e t , t h e s y s t e m s a r e m o r e o ft e n o p e r a t in g n e a r t h e ir s t a b i l i t y l im i t s a n d t h e r e i s la r g e p r o b a b i l it y o f v o lt a g e i n s t a b i l i t y . o n t h e c o n t r a r y t h e r e i s a l a c k o f p o w e r f u l t o o l s f o r v o l t a g e s t a b i l i t y a n a l y s i s . t h e tr a d i t i o n a l a p p ro a c h e s f o r p o w e r s y s t e m s t a t i c v o l t a g e s t a b i li t y a n a l y s is a r e o f p o i n t - w i s e . o n l y f e w in f o r m a t i o n c a n b e g i v e n b y t h i s k i n d o f m e t h o d s . i n t h i s t h e s i s , t h e re g i o n - w i s e a p p r o a c h i s a p p l i e d t o v o lt a g e s t a b il i t y a n a l y s i s a n d m o n it o r in g , w h i c h i s a n e w m e t h o d o l o g y a n d c a n g i v e o p e r a t o r s th e g l o b a l i n d e x o f s y s t e m s t a b i l i t y a n d s e c u r i t y s t a t u s . a n d s o m e c o n c l u s i o n s a r e d e r i v e d : f i r s t , a s o f t w a r e p a c k a g e o n u n i x p l a t f o r m h a s b e e n d e v e l o p e d f o r p o w e r s y s t e m v o lt a g e s t a b i l it y a n a l y s i s a n d m o n i t o r in g b a s e d o n t h e s t a t ic v o lt a g e s t a b i l i ty r e g i o n i n c u t - s e t s p a c e ( c v s r ) , w h ic h c a n v i s u a l iz e t h e s t a b i l i t y m a r g i n o f s p e c i fi e d i n t e r f a c e s a s p l a n e s i n 3 - d i m e n s i o n a n d l i n e s i n 2 - d e m e n s i o n . t h i s s o ft w a r e h as r u n o n t h e e ms o f h e n a n p o w e r s y s t e m s u c c e s s f u l l y f o r t h e f i r s t t i m e . s e c o n d , b a s e o n t h e l i n e a r d e s c r i p t i o n o f c v s r t h i s t h e s i s p r e s e n t s l i n e a r o p t i m a l m o d e l s f o r t h e c a l c u l a t i o n o f a t c a n d g e n e r a t i o n d i s p a t c h i n g . b y u s i n g t h e m o d e l s t h e c o n s tr a i n s o f v o l t a g e s t a b i l i t y a n d c a p a c i t i e s l i m i t s o f g e n e r a t o r s a n d t r a n s f o r m e r s c a n b e s a t i s f i e d a t t h e s a me t i me . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e e ff i c i e n c y o f p o w e r s y s t e m v o l t a g e s t a b i l i t y a n a l y s i s a n e w s t a t i c e q u i v a l e n t m e t h o d i s p r e s e n t e d i n c l u d i n g t h e s e l e c t i o n o f t h e c o r r e l a t i o n a r e a u s i n g l i n d e x a n d t h e s i m p l i f i c a t i o n o f t h e r e m a i n i n g p a rt u s i n g a m o d i f i e d wa r d - t y p e e q u i v a l e n t m e t h o d key w ords: d i s p a t c h i n g , s t a t i c v o l t a g e s t a b i l it y , s e c u r i t y r e g i o n , v i s u a l i z a t i o n , a t c s t a t i c v o l t a g e s t a b i l it y e q u iv a le n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得k* k 兰 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :趣 * 签 字 日 期 : 、 年 ， 月 / 、 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解适 大 一 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 孟生大 生 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。同意学 校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 文 “ 者 签 名 : ),a 叫 导师签名 涂 ，镇 签字日 期: 决 j ， 个 年 /月 / 么日 签字日 期: z o o 斗 年 1月 之 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 2 0 世纪7 0 年代以来， 世界上许多国家的电力系统相继发生了电压失稳和电 压崩溃事故，包括最近发生的美加大停电，造成了巨大的经济损失和社会影响。 在己 发生的所有电 压稳定失稳事件中，中、长期 ( 失稳过程在数十秒到几小时) 电 压失稳事故占 绝大多数 ( 7 5 %) ， 造成这类事故频频发生的主要原因有: 系统 有功、 无功功率供给的短缺: 整体或局部网络结构的不合理 ( 如长距离大功率电 力输送、负荷区缺少有效的电压支撑点等) ;电 容器的大量采用 ( 电容器供出无 功与其所连母线电压平方成正比， 在重荷时， 系统需要更多无功， 但由 于母线电 压下降，电容器所供出的无功反而减少，从而加剧局部负荷区域的无功短缺) ; 大容量机组的不断采用等， 这些可能造成系统电压失稳的原因在中国电网中也普 遍存在， 因而电 压失稳以 及电压崩溃的威胁长期存在于我国的电力系统中， 而在 目 前实施大范围电网互连、 稳步推行电力市场、 三峡电站即 将投入运行和西电东 输的背景下，系统出现电压失稳的可能性也会随之大大增加。 电压稳定性问题己经引起了世界各国电力工业界和学术界的极大重视， 并进 行了大量的研究工作， 从不同侧面对该问题进行调查和研究。目 前国内外己经有 了一些成形的方法，但这些方法多数属于 “ 逐点法” ，无法给出系统稳定的整体 测度， 其结论不具有普遍的指导意义;同时， 在估计处于连续变动的电力系统稳 定性状态时，由于计算过于复杂而无法在线应用。 “ 域”的方法是有别于 “ 逐点 法” 的一种全新的稳定性研究方法， 它可以 很好的克服 “ 逐点法” 的缺点， 达到 在线安全评估的要求。 本课题组在这一领域的研究己 有一定的深度和宽度， 分别对注入空间和割集 潮流空间的静态电压安全域和静态安全域进行了深入的研究， 并已 通过大型实际 电力系统的示例研究， 详细阐明了 这两种安全域的概念、 特点、 数学表述和几何 特性，详见1 .3 .3 和 1 .3 .4 节。 1 . 2电压稳定及其研究方法 所谓电压稳定， 是指系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时， 负荷功率亦 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1引言 2 0 世纪7 0 年代以来， 世界上许多国家的电力系统相继发生了电压失稳和电 压崩溃事故，包括最近发生的美加大停电，造成了巨大的经济损失和社会影响。 在己 发生的所有电 压稳定失稳事件中，中、长期 ( 失稳过程在数十秒到几小时) 电 压失稳事故占 绝大多数 ( 7 5 %) ， 造成这类事故频频发生的主要原因有: 系统 有功、 无功功率供给的短缺: 整体或局部网络结构的不合理 ( 如长距离大功率电 力输送、负荷区缺少有效的电压支撑点等) ;电 容器的大量采用 ( 电容器供出无 功与其所连母线电压平方成正比， 在重荷时， 系统需要更多无功， 但由 于母线电 压下降，电容器所供出的无功反而减少，从而加剧局部负荷区域的无功短缺) ; 大容量机组的不断采用等， 这些可能造成系统电压失稳的原因在中国电网中也普 遍存在， 因而电 压失稳以 及电压崩溃的威胁长期存在于我国的电力系统中， 而在 目 前实施大范围电网互连、 稳步推行电力市场、 三峡电站即 将投入运行和西电东 输的背景下，系统出现电压失稳的可能性也会随之大大增加。 电压稳定性问题己经引起了世界各国电力工业界和学术界的极大重视， 并进 行了大量的研究工作， 从不同侧面对该问题进行调查和研究。目 前国内外己经有 了一些成形的方法，但这些方法多数属于 “ 逐点法” ，无法给出系统稳定的整体 测度， 其结论不具有普遍的指导意义;同时， 在估计处于连续变动的电力系统稳 定性状态时，由于计算过于复杂而无法在线应用。 “ 域”的方法是有别于 “ 逐点 法” 的一种全新的稳定性研究方法， 它可以 很好的克服 “ 逐点法” 的缺点， 达到 在线安全评估的要求。 本课题组在这一领域的研究己 有一定的深度和宽度， 分别对注入空间和割集 潮流空间的静态电压安全域和静态安全域进行了深入的研究， 并已 通过大型实际 电力系统的示例研究， 详细阐明了 这两种安全域的概念、 特点、 数学表述和几何 特性，详见1 .3 .3 和 1 .3 .4 节。 1 . 2电压稳定及其研究方法 所谓电压稳定， 是指系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时， 负荷功率亦 第一章 绪论 随之增大， 并且功率和电压都是能控的。当出现扰动、负荷增大或系统变更使电 压急剧下降或向下漂移， 并且运行人员和自 动系统的控制已无法终止这种电压衰 落时， 系统就会进入电 压不稳定的状态。 这种电压衰落可能只需几秒钟， 也可能 长达几十分钟，甚至更长。如果电压不停的衰落下去，电 压崩溃就会发生。 对于电 压稳定问 题的 研究， 主要针对三个方面展开，即对电 压失稳机理的探 讨、 对电压稳定监控的研究和对预防电 压失稳措施的 研究。 通过多年的探索， 电 压失稳的相关机理逐渐为人们所明晰， 而预防电 压失稳措施的努力又依赖于电压 稳定监控给出的系统稳定性信息。 故而， 对电压稳定性监控方式和手段的研究成 为摆在电力系统科研工作者面前的当务之急。 总体来讲，电压稳定问题的研究方法大致有以下几种: 1 ) 基于潮流方程的 静态方法 潮流方法在电力系统中经久不衰，研究最为深入和全面，至今仍是电力系 统电压稳定研究中一个很重要的方面。 它包括了最大传输功率法、 灵敏度分析法、 潮流多解性分析法等。 其中最大传输功率法是以电力系统传输线路的输送功率极 限作为系统电压失稳点的一种稳定性判别方法: 灵敏度分析法是利用系统中某些 变量的变化之间的关系 ( 灵敏度系数) 来进行系统电压稳定性判别的方法; 潮流 多解性分析法是基于潮流方程多解性与系统负荷水平紧密相关的性质进行电压 稳定判别。 2 ) 基于小扰动分析的方法 电 力系统小扰动稳定是指正常运行的电力系统受到微小的、瞬时出现但又 立即消失的扰动后，恢复到它原来运行状态的能力。或者，这种扰动虽不消失， 但可以 用原有的运行状态近似表示可能出现的新运行状态， 亦即系统经历足够小 的 扰动后， 不会出 现单调的 发散和持续 永不消失的振荡。 小扰动稳定问 题是与非 线性动力学中的分岔理论紧密相关的， 当系统中并没有出现大的扰动时， 只有部 分参数， 如负荷在缓慢变化时所导致的失稳现象， 其内 在机制正是非线性动力学 系统的分岔现象， 属小扰动稳定研究的范畴。 从分岔理论的观点看， 局 部分岔以 及基于它的小扰动稳定分析方法就是研究系统参数缓慢变化时， 系统特征值的变 化规律的。 研究表明， 电力系统小扰动稳定性分析中的分岔现象大致有如下三种 形 式: 1 ) 鞍节点 分岔， 它 对应于系 统出 现单调失 稳的 情形; 2 ) h o p f 分 岔， 对 应于系统振荡从而失去稳定的情形;3 ) 奇异诱导分岔，它将导致系统 单调失稳 以 及更为复杂的 分岔退化现象等。 3 ) 基于时域仿真分析的方法 时域仿真分析是研究电压稳定问题的得力工具之一，它直接对系统的微分 第一章 绪论 方程进行积分， 逐步求解各时刻的系统变量值。由于积分计算的耗时性，时域仿 真主要被用于离线分析。 总体来说， 前三种方法均属于 “ 逐点法”的范畴， 只能根据一个给定的运行 状态确定系统的稳定性情况，在实时监控的环境下将面临难以容忍的计算量。 “ 域” 的方 法p . 2 1 是与 传统的“ 逐点法” 截然不同的一种新的 方法论， 它可以 解 决“ 逐点法” 无法对系统运行状态作出 整体评判的不足。 一旦得到描述系统运行 状态的安全域或稳定域之后， 判断系统稳定与否， 只需要查看运行状态是否在稳 定域内即可: 还可以依据运行状态距离稳定域边界的距离， 确定系统的稳定裕度 和最危险的事故发展方向。 可以计及各种变化的可能性， 从而给出系统整体的电 压稳定 性指示， 为实现预防性校正和紧急控制提供支持。 从域的角度着手， 对实 现基于潮流安全约束和小扰动约束的静态电压安全域的在线监控不失为一个好 的选择。 . 3电力系统安全评估中 “ 域”的方法 进行基于静态电压稳定的安全运行区域研究的目的是将其用于电力系统在 线安 全评估。 在已 有的安全评估方案中，以 基于确定性模型的d y l i a c c o 安全分 析构想和f .f .w u与y i x i n y u等提出的概率安全评估构想为代表。 . 3 . 1确定型的 安全性分析 伪l i a c c o 的 安全监视构想f2 -5 1 传统的 确定型的安全分析构想由d y l i a c c o 在二十世纪六十年代提出。 在该 构想中， 安全性被定义为“ 系统的设备不过负荷， 而且在网络上的 变量不偏离允 许范围的条件下， 满足系统的 负荷能力12 1 r 。同时在这个构想中，将电 力系统看 作是处于两种约束下运行: 负荷约束和运行约束， 负荷约束要求所有的负荷都必 须被满足; 运行约束则给出了网络运行参量的上限和下限。 根据这两种约束， 系 统被分为三种状态: 正常状态、 紧急状态和恢复状态 ( 三者间的关系， 如图1 - 1 所示) 。正常状态是指负荷约束和运行约束都被满足的状态;紧急状态是指对运 行约束有重大破坏的状态; 恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。 系统的安全性 是 相 对于一 族被 称为 下一个 偶然 事 故 集 ( s n c s e t s o f n e x t c o n t i n g e n c e 它是一 个可能发生的 扰动的集合) 的随机事件定义的: 如果系统处于正常状态， 且没有 任何一个偶然事故会使它转移到紧急状态， 则称这个系统是安全的， 反 之系统则 是不安全的。 第一章 绪论 方程进行积分， 逐步求解各时刻的系统变量值。由于积分计算的耗时性，时域仿 真主要被用于离线分析。 总体来说， 前三种方法均属于 “ 逐点法”的范畴， 只能根据一个给定的运行 状态确定系统的稳定性情况，在实时监控的环境下将面临难以容忍的计算量。 “ 域” 的方 法p . 2 1 是与 传统的“ 逐点法” 截然不同的一种新的 方法论， 它可以 解 决“ 逐点法” 无法对系统运行状态作出 整体评判的不足。 一旦得到描述系统运行 状态的安全域或稳定域之后， 判断系统稳定与否， 只需要查看运行状态是否在稳 定域内即可: 还可以依据运行状态距离稳定域边界的距离， 确定系统的稳定裕度 和最危险的事故发展方向。 可以计及各种变化的可能性， 从而给出系统整体的电 压稳定 性指示， 为实现预防性校正和紧急控制提供支持。 从域的角度着手， 对实 现基于潮流安全约束和小扰动约束的静态电压安全域的在线监控不失为一个好 的选择。 . 3电力系统安全评估中 “ 域”的方法 进行基于静态电压稳定的安全运行区域研究的目的是将其用于电力系统在 线安 全评估。 在已 有的安全评估方案中，以 基于确定性模型的d y l i a c c o 安全分 析构想和f .f .w u与y i x i n y u等提出的概率安全评估构想为代表。 . 3 . 1确定型的 安全性分析 伪l i a c c o 的 安全监视构想f2 -5 1 传统的 确定型的安全分析构想由d y l i a c c o 在二十世纪六十年代提出。 在该 构想中， 安全性被定义为“ 系统的设备不过负荷， 而且在网络上的 变量不偏离允 许范围的条件下， 满足系统的 负荷能力12 1 r 。同时在这个构想中，将电 力系统看 作是处于两种约束下运行: 负荷约束和运行约束， 负荷约束要求所有的负荷都必 须被满足; 运行约束则给出了网络运行参量的上限和下限。 根据这两种约束， 系 统被分为三种状态: 正常状态、 紧急状态和恢复状态 ( 三者间的关系， 如图1 - 1 所示) 。正常状态是指负荷约束和运行约束都被满足的状态;紧急状态是指对运 行约束有重大破坏的状态; 恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。 系统的安全性 是 相 对于一 族被 称为 下一个 偶然 事 故 集 ( s n c s e t s o f n e x t c o n t i n g e n c e 它是一 个可能发生的 扰动的集合) 的随机事件定义的: 如果系统处于正常状态， 且没有 任何一个偶然事故会使它转移到紧急状态， 则称这个系统是安全的， 反 之系统则 是不安全的。 第一章 绪论 方程进行积分， 逐步求解各时刻的系统变量值。由于积分计算的耗时性，时域仿 真主要被用于离线分析。 总体来说， 前三种方法均属于 “ 逐点法”的范畴， 只能根据一个给定的运行 状态确定系统的稳定性情况，在实时监控的环境下将面临难以容忍的计算量。 “ 域” 的方 法p . 2 1 是与 传统的“ 逐点法” 截然不同的一种新的 方法论， 它可以 解 决“ 逐点法” 无法对系统运行状态作出 整体评判的不足。 一旦得到描述系统运行 状态的安全域或稳定域之后， 判断系统稳定与否， 只需要查看运行状态是否在稳 定域内即可: 还可以依据运行状态距离稳定域边界的距离， 确定系统的稳定裕度 和最危险的事故发展方向。 可以计及各种变化的可能性， 从而给出系统整体的电 压稳定 性指示， 为实现预防性校正和紧急控制提供支持。 从域的角度着手， 对实 现基于潮流安全约束和小扰动约束的静态电压安全域的在线监控不失为一个好 的选择。 . 3电力系统安全评估中 “ 域”的方法 进行基于静态电压稳定的安全运行区域研究的目的是将其用于电力系统在 线安 全评估。 在已 有的安全评估方案中，以 基于确定性模型的d y l i a c c o 安全分 析构想和f .f .w u与y i x i n y u等提出的概率安全评估构想为代表。 . 3 . 1确定型的 安全性分析 伪l i a c c o 的 安全监视构想f2 -5 1 传统的 确定型的安全分析构想由d y l i a c c o 在二十世纪六十年代提出。 在该 构想中， 安全性被定义为“ 系统的设备不过负荷， 而且在网络上的 变量不偏离允 许范围的条件下， 满足系统的 负荷能力12 1 r 。同时在这个构想中，将电 力系统看 作是处于两种约束下运行: 负荷约束和运行约束， 负荷约束要求所有的负荷都必 须被满足; 运行约束则给出了网络运行参量的上限和下限。 根据这两种约束， 系 统被分为三种状态: 正常状态、 紧急状态和恢复状态 ( 三者间的关系， 如图1 - 1 所示) 。正常状态是指负荷约束和运行约束都被满足的状态;紧急状态是指对运 行约束有重大破坏的状态; 恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。 系统的安全性 是 相 对于一 族被 称为 下一个 偶然 事 故 集 ( s n c s e t s o f n e x t c o n t i n g e n c e 它是一 个可能发生的 扰动的集合) 的随机事件定义的: 如果系统处于正常状态， 且没有 任何一个偶然事故会使它转移到紧急状态， 则称这个系统是安全的， 反 之系统则 是不安全的。 第一章 绪论 . - 一 - 一 一 - - - - 一 - - - 一 - - - - - - - 一 - - - 一 - - 一 ， 1iiiii i- f-_ -j 一 益护燮福瑟 一 一 一 一一 一 ， 卜控制 一一一一一一弓 卜状态转移 i 状 态 图1 - 1 d y l i a c c o 的 安全性构想示意图 基于这一构想的一种安全监控和安全分析框架如图1 - 2 所示: 电力系统的运 行参量，由测量机构上传至调度中心，经过滤环节处理后，剔除其中的坏数据， 再由状态估计环节给出系统状态变量 ( 母线电压和角度) 的估计值， 并由这些状 态变量推算出各母线的可信注入功率和各支路的潮流， 随后把它们一起传给极限 校核环节，该环节依据系统是否违反负荷约束和运行约束，将其分为紧急状态、 恢复状态和正常状态。 前两者表明系统已 经处于非正常状态， 分别需要对其施加 紧急 控制 和恢复 性控 制， 以 便将系统拉回正 常状 态。 如果系统属于正常 状态， 则 还需要对其进行下一个偶然事故 ( n c , n e x t c o n t i n g e n c e )的 校验，如果对于每 一个n c ， 系统都不会离开正常状态， 则系统是安全的， 反之， 系统是不安全的， 在不安全的情况下， 需要根据所违反的n c的具体情况， 实施相应的预防性控制， 以便系统恢复到安全状态。 对全部可能的n c进行详细分析是不必要的， 因而上 述过程中涉及到对 n c的选择和对有威胁的可能事故的详细分析，即 预想事故 选择 ( 也称为事故排序和事故选择) 环节和预想事故 ( 详细) 分析环节。 而这两 个环节又需要系统在对应的n c过程中的母线负荷信息( 由 母线负荷预测环节提 供) 和整个网 络的拓扑连接情况 ( 由网络拓扑分析环节提供) 。由于现代电力系 统网络结构一般都很复杂， 完全掌握全网信息不现实也没有必要， 因而需要对系 统研究区域以外的网络进行合理的外部等值处理。 第一章 绪论 可观侧 性分析 坏数据 处理 测量 紧急 状态 恢复 状态 极限校核 正常 状态 偶然事故选择 偶然事故分析 图1 - 2安全监视和安全分析的框架 尽管基于d y l ia c c o 构想的 许多监控方案， 在电 力系统实际 运行中 还在大量 使用，但在应用中该构想的许多不足日 渐暴露:1 )该构想只是涉及电力系统的 静态安全性分析: 2 )该构想仅能提供二元信息，无法给出系统安全裕度的任何 指示: 3 ) 确定型 模型， 无法计 及各 种电 力 系统 扰动的随 机性。 为 此需要 对d y l i a c c o 构想和基于这一构想的传统的监控方案进行改进。 1 . 3 . 2概率的安全分析构想和安全域的研究 针 对确定型d y l ia c c o 构 想的 不足， 加州 大学b e r k e le y 分校的f .f .w u 提出 了 概率的安全分析构想16 1 。 在该构 想下， 安全性被看作是系统运行的 一个条件， 它 依赖于系统的图形、 事故和注入等因素。 当系统图形不变、 且设备不过负荷的情 况下能保证对负荷的供电时， 称系统是静态安全的。 当系统发生了事故， 且事故 后系统是暂态稳定的， 则称系统是动态安全的。电力系统不断经受各种扰动， 这 些扰动可以分为负荷扰动和事件扰动: 负荷扰动是负荷需求的随机波动， 一般较 小; 事件扰动包括发电机停运、 突然地幅值较大的负荷变化、线路的开合等， 事 件扰动的结果是系统的结构状态或图形发生改变。 鉴于两次相邻的系统图 形改变之间的时间，比 起与物理元件相关的系统变量 改变的时间长得多， 且在性质上前者基本上是离散的， 而后者则是连续的。 基于 这些考虑， 概率的静态和动态安全性评估构想采用两层模型: 第一层模型是系统 第一章 绪论 可观侧 性分析 坏数据 处理 测量 紧急 状态 恢复 状态 极限校核 正常 状态 偶然事故选择 偶然事故分析 图1 - 2安全监视和安全分析的框架 尽管基于d y l ia c c o 构想的 许多监控方案， 在电 力系统实际 运行中 还在大量 使用，但在应用中该构想的许多不足日 渐暴露:1 )该构想只是涉及电力系统的 静态安全性分析: 2 )该构想仅能提供二元信息，无法给出系统安全裕度的任何 指示: 3 ) 确定型 模型， 无法计 及各 种电 力 系统 扰动的随 机性。 为 此需要 对d y l i a c c o 构想和基于这一构想的传统的监控方案进行改进。 1 . 3 . 2概率的安全分析构想和安全域的研究 针 对确定型d y l ia c c o 构 想的 不足， 加州 大学b e r k e le y 分校的f .f .w u 提出 了 概率的安全分析构想16 1 。 在该构 想下， 安全性被看作是系统运行的 一个条件， 它 依赖于系统的图形、 事故和注入等因素。 当系统图形不变、 且设备不过负荷的情 况下能保证对负荷的供电时， 称系统是静态安全的。 当系统发生了事故， 且事故 后系统是暂态稳定的， 则称系统是动态安全的。电力系统不断经受各种扰动， 这 些扰动可以分为负荷扰动和事件扰动: 负荷扰动是负荷需求的随机波动， 一般较 小; 事件扰动包括发电机停运、 突然地幅值较大的负荷变化、线路的开合等， 事 件扰动的结果是系统的结构状态或图形发生改变。 鉴于两次相邻的系统图 形改变之间的时间，比 起与物理元件相关的系统变量 改变的时间长得多， 且在性质上前者基本上是离散的， 而后者则是连续的。 基于 这些考虑， 概率的静态和动态安全性评估构想采用两层模型: 第一层模型是系统 第一章 绪论 结构状态的估计; 第二层模型描述同元件动态有关的系统变量的轨迹， 两层模型 是祸合的。 在此模型的基础上， 文献 7 , 8 1 使用了 到 不安全时间 作为系 统安全性 的测度。 因为负荷分布和事件发生的随机性质， 决定了不安全时间是一个随机变 量， 它的概率分布可以 通过解一组线性微分方程来得到， 而微分方程组的系数称 为系统的安全转移概率， 可以 用元件的事故率、 修复率、 负荷注入和安全域来表 尔 。 因为所感兴趣的时间范围的不同， 传统的电力系统响应的研究被分为大扰动 的暂态稳定分析、 小扰动稳定分析和静态 ( 潮流) 分析。 因而安全域也根据这一 i ii 分方法， 分为静态安全域( s t e a d y - s t a t e s e c u ri t y r e g i o n ) 和动态安全域( d y n a m ic s e c u ri t y r e g i o n ) 。由 于在 安全性 估计中， 感兴 趣的 是系统图 形正 在变化的 情况 每个图形对应的状态空间不同， 而注入空间是不变的， 因而安全域定义在系统注 入空间上。 本文的内 容主要涉及静态电 压稳定分析方面， 因此这里重点介绍静态 安全域。 静态安全域 对于系统给定图形i 的运行情况可用如下潮流方程来描述: 关( x ) = y 其中x 表示母线电 压幅值和相角，而y 表示有功功率和无功功率注入。 约束条件为: ( 1 一 1 ) 系统安全 g , ( x ) _0 ( 1 - 2 ) 系 统的 静态安 全 域。 s ( i ) 定 义为: 0 , ( i ) 围绕不同时刻系统的静态运行点， 可以计算出不同的静态响应安 全域; 在对预想事故表中的多预想事故， 可以使用响应域的交集， 而这个交集依 然还是超长方体。 响 应 域 形 式 下 的 安 全 约 束 11 5 1 以( v o , b o , 尸 “ ， q o ) 为 允 许的 稳 态 运行点， 类似全域形 式下定 义的 安全 约束，响应域形式下的安全约束的定义如下，为了区别全域安全约束定义符号， 这里用， 表示响应域 ( 相关符号的定 义参见文献1 5 ) 0 1 .电 压幅值约束: r . 当 ( l ) x r p ( g ) ( 1 一 1 1 ) 其 中 :r v ( l ) a 仁 v i. i v l - v , : a v l : v , - v l , , ( g ) j a v c v tg 一 v c, - a v , _ v c 一 v c, a v ,. 。 sr - * , a v m 。 (qj r 2 .线路潮流约束: r e=r t b x r 1.8b b a b ta - b mtb 一 0 0tb a b t b : b mtb 一 19 0tb a b l r - b mi.r 一 b l 5 a b l r b mi.r 一 b 0i.r ( 1 - 1 2 ) 式中 e 卿，a b l e 贝 n b - 睽谬胡 3 发电 设备约束: r p a t p 一 p 0 - a p - p “ 一 p 0 r , a ( q 一 q o 、 a q q m 一 q r 4 . 响应域下的静态安全约束集: ( 1 一 1 3 ) 此安全约束集仍由 上述三个方面组成，定义表达式如下: r a x r , ) n r r n r , ( i - l 4 ) 响应域形式的静态安全域的定义 下面分别介绍静态响应安全域有功、无功两个部分的定义。 i .有功静态响应安全域的定义 对于一个给定的网 络结构( 拓扑结构和参数) ， 以 及一个已 知的基态稳定 运行点( p o ， ( ? o ) ， 有功 静态 响 应安 全域被定 义为一 组有功注 入增量， 对于 这组 增量， 潮流方程和响应域形式下的安全约束同时得到满足， 用。 y 表示 之: 第一章 绪论 卿鱿a p e 9 1 八、 协 v , a v ) 一 4 p且 ( a v , 0 9 ) e r 2 .无功静态响应安全域的定义 ( i 一 1 5 ) 对于一个给定的网 络结构 ( 拓扑结构和参数) ， 以及一个己 知的基态稳定 运 行点( p 0 ， q o ) ， 无功 静 态响 应安全 域 被定 义为一 组 无功注入 增量， 对于 这组 增 量 ， 潮 流 方 程 和 响 应 域 形 式 下 的 安 全 约 束 同 时 得 到 满 足， 用q 表 示 之: 。 a 垒 a q e 9 1 凡 ,s ( a v , 4 b ) 一 q且 ( a v , a v ) e r ( 1 - 1 6 ) 3 .定义静态响应安全域为有功静态响应安全域和无功静态响应安全域的集 合， 用。 r 表示 静 态安 全 域，即 : q ss 9p x q o 一 ! ( o p t , o q t ) t e 9 1 2 1 a p e s 2 p , a q e s 2 ( 1 - 1 7 ) 需要注意的是， 静态响应安全域不仅是相对于一个给定的网络结构的而且是 相对于一个已 知的目 前 稳定 运行点( p o ， q o ) 而定 义的，因 此， 一旦网 络结 构 变化或者稳定运行点改变，该系统的静态响应安全域都必须重新计算。 最终，我们得到的响应域的直观表述为: a 尸 m 八 尸 a 尸 m a q 0 4 q o q m ( 1 一 1 8 ) 其中4 p a p m , o q 0 和 q m 都是 注 入向 量函 数p a - 1 s t 1 . 4本文的主要工作 自 从域的方法被提出以来， 人们已经做了大量的研究工作， 积累了大量宝贵 的理论知识， 但是安全域的可视化与工程应用至今尚未成熟。 电力系统静态电压 安全域作为一种研究中长期电压稳定状况， 具有在线监控的实用前景， 其预期的 寻求电力系统的稳定运行与电力市场环境下的经济效益最大化平衡点的过程中 起的作用是显而易见的， 但它要真正达到工程实际应用， 还需解决两大难题:i ) 电 力系统静态电压安全域作为系统注入空间 上的一个域， 其边界的构成和描述方 式还有待探讨;2 )静态电 压安全域在电力系统安全性在线监控实现过程中的可 视化问题。 由于电力系统注入空间的维数很高， 由此带来的计算和显示方面的压 力都很大， 故高维空间中的静态电压安全域的降维势在必行。 余贻鑫教授、 宿吉 锋和曾 小俊 等在这一方面 所作的 大量研究工作9 - 1 5 ) 阐 述了 割集空间中 静态电 压 安全域和静态响应安全域的原理和数学表述。 本文则在他们的基础上对域的实用 化和应用进行深入研究， 重点是电力系统电压稳定安全域可视化系统的开发和割 集功率空间保证静态电压的安全运行区域应用，具体如下: 1 .开发u n i x系统下电压稳定在线监控软件包， 并与河南e ms 系统结合， 实现以下功能: 第一章 绪论 卿鱿a p e 9 1 八、 协 v , a v ) 一 4 p且 ( a v , 0 9 ) e r 2 .无功静态响应安全域的定义 ( i 一 1 5 ) 对于一个给定的网 络结构 ( 拓扑结构和参数) ， 以及一个己 知的基态稳定 运 行点( p 0 ， q o ) ， 无功 静 态响 应安全 域 被定 义为一 组 无功注入 增量， 对于 这组 增 量 ， 潮 流 方 程 和 响 应 域 形 式 下 的 安 全 约 束 同 时 得 到 满 足， 用q 表 示 之: 。 a 垒 a q e 9 1 凡 ,s ( a v , 4 b ) 一 q且 ( a v , a v ) e r ( 1 - 1 6 ) 3 .定义静态响应安全域为有功静态响应安全域和无功静态响应安全域的集 合， 用。 r 表示 静 态安 全 域，即 : q ss 9p x q o 一 ! ( o p t , o q t ) t e 9 1 2 1 a p e s 2 p , a q e s 2 ( 1 - 1 7 ) 需要注意的是， 静态响应安全域不仅是相对于一个给定的网络结构的而且是 相对于一个已 知的目 前 稳定 运行点( p o ， q o ) 而定 义的，因 此， 一旦网 络结 构 变化或者稳定运行点改变，该系统的静态响应安全域都必须重新计算。 最终，我们得到的响应域的直观表述为: a 尸 m 八 尸 a 尸 m a q 0 4 q o q m ( 1 一 1 8 ) 其中4 p a p m , o q 0 和 q m 都是 注 入向 量函 数p a - 1 s t 1 . 4本文的主要工作 自 从域的方法被提出以来， 人们已经做了大量的研究工作， 积累了大量宝贵 的理论知识， 但是安全域的可视化与工程应用至今尚未成熟。 电力系统静态电压 安全域作为一种研究中长期电压稳定状况， 具有在线监控的实用前景， 其预期的 寻求电力系统的稳定运行与电力市场环境下的经济效益最大化平衡点的过程中 起的作用是显而易见的， 但它要真正达到工程实际应用， 还需解决两大难题:i ) 电 力系统静态电压安全域作为系统注入空间 上的一个域， 其边界的构成和描述方 式还有待探讨;2 )静态电 压安全域在电力系统安全性在线监控实现过程中的可 视化问题。 由于电力系统注入空间的维数很高， 由此带来的计算和显示方面的压 力都很大， 故高维空间中的静态电压安全域的降维势在必行。 余贻鑫教授、 宿吉 锋和曾 小俊 等在这一方面 所作的 大量研究工作9 - 1 5 ) 阐 述了 割集空间中 静态电 压 安全域和静态响应安全域的原理和数学表述。 本文则在他们的基础上对域的实用 化和应用进行深入研究， 重点是电力系统电压稳定安全域可视化系统的开发和割 集功率空间保证静态电压的安全运行区域应用，具体如下: 1 .开发u n i x系统下电压稳定在线监控软件包， 并与河南e ms 系统结合， 实现以下功能: 第一章 绪论 . 以日 负荷曲 线的形式实时给出系统的电压稳定裕度; . 给出关键断面上系统的电 压稳定裕度，提供多种形式的图形显示， 生动直观; . 提供实时数据库和历史数据库，可通过数据报表和图形两种方式对 历史数据进行组合查询。 2 .研究了保证静态电压稳定的割集功率空间上的安全域 c c v s r )在实时 系统安全监视、评估中的应用，详细叙述了a t c和发电 机经济调度的建模和求 解过程。c v s r可以 使这些问题中的电压稳定约束表示为线性约束，方法简单， 计算速度快，能够适应在线应用的要求; 3 ，针对静态电压稳定在线应用的要求，提出一种新的静态等值方法，该方 法在等值过程中选取研究系统的相关区域予以 保留， 并将外部网络中的发电 机群 等值为少数等值发电 机， 与边界节点连接。 这种方法在保证连续潮流计算精度的 前提下可以很大程度的提高计算速度。 第二章 电力系统可用传输容量定义和求解 第二章 电力系统可用传输容量定义和求解 由于电力市场化改革在全世界的深入开展， 开放的输电网 络为电力市场的参 与者提供了良 好的竞争环境， 为了 获取最大利益， 发电 设备和输电系统通常运行 于接近极限 状态， 因此及时准确的评估网 络的可用传输容量成为保证网络安全运 行的关键问 题之一，也使得可用传输容量评估问题的研究显得日 益重要。 2 . 1 可用传输容量的定义 1 9 9 5年 3月，美国联邦管制委员会 ( f e r c , f e d e r a l e n e r g y r e g u l a t o ry c o m m i s s i o n ) 在规则 制定 建议通知 ( n o p r , n o t i c e o f p r o p o s e d r u l e m a k i n g ) 里 描 述了 可 用 传 输 容 量 i ( a t c a v a il a b le t r a n s f e r c a p a c it y ， 在 式( 2 - 1 ) 中 用凡 二 表示) 这一全新的术语。 1 9 9 5 年5 月， 北美可靠性委员会( n e r c . n o r th a m e r i c a