电力系统调度自动化EMS7静态安全分析

1、North China Electric Power University EMS(7)静态安全分析 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page22021-6-22 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 l可靠性可靠性:电力系统元件、设备和系统在规定条件下和规定的时电力系统元件、设备和系统在规定条件下和规定的时 间内，完成规定功能的可能性间内，完成规定功能的可能性 n系统在长的运行周期中工作正常的概率系统在长的运行周期中工作正常的概率 n表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够的电表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够的电 力供应的能力力

2、供应的能力 l安全性安全性 n电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力 n安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运 行条件以及意外事件的发生概率行条件以及意外事件的发生概率 l稳定性稳定性 n扰动后系统整体性的维持能力扰动后系统整体性的维持能力 n取决于系统的运行条件和扰动的性质取决于系统的运行条件和扰动的性质 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page32021-6-22 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 l可靠性是系统设计和运行的总体

3、目标可靠性是系统设计和运行的总体目标 n为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的 n为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其他不能为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其他不能 归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒 塌或者人为破坏等塌或者人为破坏等 l安全性和稳定性是时变的，可以通过对特定运行方式的研究进安全性和稳定性是时变的，可以通过对特定运行方式的研究进 行判断行判断 l可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间

4、内系统 性能的整体考虑进行判断性能的整体考虑进行判断 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page42021-6-22 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 lNERC北美电力可靠性协会北美电力可靠性协会 l可靠性是评估电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断可靠性是评估电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断 地向用户供电的能力的度量指标地向用户供电的能力的度量指标 l可靠性包括概率充分性和概率稳定性两个方面可靠性包括概率充分性和概率稳定性两个方面 n概率充分性是指电力系统考虑计划内和非计划内元件停运概率充分性是指电力系统考虑计划内和非计划内元件停

5、运 时，为用户不间断地提供电力和电量的能力。时，为用户不间断地提供电力和电量的能力。 n概率充分性也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力概率充分性也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力 系统满足用户电力和电量的能力。系统满足用户电力和电量的能力。 n概率稳定性是指电力系统承受突然发生的扰动概率稳定性是指电力系统承受突然发生的扰动(例如突然短例如突然短 路或非计划地失去系统元件路或非计划地失去系统元件)的能力的能力 n概率稳定性有时也称动态可靠性，也就是在动态条件下电概率稳定性有时也称动态可靠性，也就是在动态条件下电 力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电量的力系统经受住突然扰动并

6、不间断地向用户提供电力和电量的 能力能力 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page52021-6-22 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 l安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性 n要求1：系统在扰动发生后能够达到新的运行状态，并且在该 状态下满足所有必须的约束 n要求2：系统在向新的运行状态过渡的过程中不发生任何失稳 现象 n对要求1的验证称为静态安全分析，对要求2的验证称为动态 安全分析 l因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也进而是可靠因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也进

7、而是可靠 性评估的一部分性评估的一部分 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page62021-6-22 电力系统的可靠性、安全性和稳定性 l电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法 n设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动N1准准 则则 n比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急 控制措施控制措施 l主要不足之处主要不足之处 n认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果认为所有的扰动具有相同的发

8、生概率和相同程度的后果 l发展方向：基于风险的安全性评估发展方向：基于风险的安全性评估 n考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风 险险 n对电力系统面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综对电力系统面临的不确定性因素，给出可能性与严重性的综 合度量合度量 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page72021-6-22 电力系统运行状况的数学模型 等式约束和不等式约束 节点功率平衡条件节点功率平衡条件 cossin0 sincos0 GiDiijijijijij ji GiDiiji

9、jijijij ji PPVVGB QQVVGB 节点电压幅值约束节点电压幅值约束VVV i m ii M 发电机功率出力约束发电机功率出力约束 M GiGi m Gi M GiGi m Gi QQQ PPP 各支路（线路、变压器）潮流约束各支路（线路、变压器）潮流约束 M ijij II 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page82021-6-22 电力系统运行状况的数学模型 等式约束等式约束0,uxf 不等式约束不等式约束 0,uxh lx是状态变量。取为节点电压幅值和相角是状态变量。取为节点电压幅值和相角 lu是控制变量，可选为发电机有功、

10、无功出是控制变量，可选为发电机有功、无功出 力，变压器变比，可投切的电容器，等等力，变压器变比，可投切的电容器，等等 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page92021-6-22 电力系统实时运行状态的分类 正常状态正常状态 ：同时满足等式约束和不等式约束：同时满足等式约束和不等式约束 安全正常状态：正常状态下的电力系统，在承受安全正常状态：正常状态下的电力系统，在承受 一个合理的预想事故集的扰动之后，系统仍处于一个合理的预想事故集的扰动之后，系统仍处于 正常运行状态正常运行状态 预警状态预警状态 ： 正常状态下的电力系统，在承受规正常状态下的电

11、力系统，在承受规 定的合理的预想事故集的扰动之后，有预想事故定的合理的预想事故集的扰动之后，有预想事故 使系统不满足不等式约束使系统不满足不等式约束 紧急状态：满足等式约束，但不满足不等式约束紧急状态：满足等式约束，但不满足不等式约束 待恢复状态：有部分地区违反了等式约束待恢复状态：有部分地区违反了等式约束 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page102021-6-22 电力系统安全控制的分类 l安全控制：指系统工作在某一运行状态时，为安全控制：指系统工作在某一运行状态时，为 了提高其安全性，所拟订的防止事故，预防事了提高其安全性，所拟订的防止事

12、故，预防事 故的对策措施故的对策措施 n预防控制（预防控制（Preventive Control） n校正控制（校正控制（Corrective Control） n紧急控制（紧急控制（Emergency Control） n恢复控制（恢复控制（Restorative Control） 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page112021-6-22 电力系统运行状态及状态转移 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page122021-6-22 电力系统静态安全分析中的潮流算法 l要对大量开断故障进行潮流计

13、算以便确定事要对大量开断故障进行潮流计算以便确定事 故发生后系统是否会进入静态紧急状态故发生后系统是否会进入静态紧急状态 l实时应用对潮流计算的快速性有很高的要求实时应用对潮流计算的快速性有很高的要求 l速度和精度的协调速度和精度的协调 l直流潮流直流潮流 vs 交流潮流交流潮流 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page132021-6-22 直流潮流法的近似处理 对于输电线对于输电线ij，支路有功潮流，支路有功潮流 ijijijijjiijiij bgVVgVpsincos 2 2222 0,1/ ij ijijij ijijijij x r

14、gbx rxrx ij jiijij sin, 1cos 忽略电阻忽略电阻rij，则，则: VV ij 1 忽略支路对地电容忽略支路对地电容 很小，令 () ij ijijij ij pb x 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page142021-6-22 直流潮流法 ij ji ij x p 1011011 0 10 0 1 0 . . . n nnnnn PBB PBB PB BP 记为: 11 , oiioij j i ijij j i BB xx 支路方程: 节点方程: B0阵的元素: Pi Pi1 Pik , ijj i iij j i

15、 j ij i j ij i j ij i ijijij PP xxx 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page152021-6-22 直流潮流法的特点 l求DC潮流不需要迭代，只需求解一次N-1阶 方程，计算速度快 lDC潮流只能计算有功潮流的分布，不能计算 电压幅值，有其局限性 lDC潮流要满足假设条件 l (1)rijxij l (2)相邻母线的相角差很接近 l (3)各母线的电压在额定值附近 l (4)支路对地电容很小 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page162021-6-22 Newt

16、on-Raphson潮流法 (cossin ) (sincos ) iiijijijijij j i iiijijijijij j i P P VV GB Q Q VV GB 1 P J VQ |,|PQ 电压初始化 PP V J QQ V 结束 否 是 VVV 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page172021-6-22 快速分解法 PP V J QQ V (1) 0,0 (2) sin0, cos1 (3) ijij P Q PQ V 解 耦 假 设 ： 电 压 在 额 定 值 附 近 的 假 设 ： 支 路 电 阻 与 电 抗 比 的 假

17、 设 ： r/x1 PB QB V 由此，可以将牛顿法修正方程简化为：由此，可以将牛顿法修正方程简化为： B是是n*n阶，以阶，以-1/x为支路参数建立的为支路参数建立的 B是是(n-r)*(n-r)，导纳阵的虚部，导纳阵的虚部:-x/(x2+r2) 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page182021-6-22 FD法与DC法的对比 lDC法是对潮流方程的简化，其结果精度下降法是对潮流方程的简化，其结果精度下降 lPQ法仅对迭代矩阵的简化，潮流方程未作任法仅对迭代矩阵的简化，潮流方程未作任 何简化这种简化只在迭代过程中发生，迭代何简化这种简化只

18、在迭代过程中发生，迭代 收敛后，潮流方程自然满足，计算精度不会下收敛后，潮流方程自然满足，计算精度不会下 降降 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page192021-6-22 在线潮流 l各种安全和经济分析计算的数据源头各种安全和经济分析计算的数据源头 l内含内含 n外部网络等值外部网络等值 n短期短期/超短期负荷预报超短期负荷预报 n不平衡功率分配不平衡功率分配 n潮流计算潮流计算 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page202021-6-22 外网等值 网络划分网络划分 为什么？为什么？ 外网实

19、时信息不可用；外网实时信息不可用； 计算规模限制；计算规模限制； 保证内网操作计算的精度保证内网操作计算的精度 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page212021-6-22 外网等值(续) l数学模型数学模型 I B E I B E IIIB BIBBBE EBEE I I I V V V YY YYY YY 0 0 l对外网对外网E进行网络化简，得进行网络化简，得 l其中等值导纳其中等值导纳 和导值注入电流和导值注入电流 为为 I B I B IIIB BIBB I I V V YY YY BB Y B I EBEEBEBBBB YYYYY

20、1 EEEBEBB IYYII 1 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page222021-6-22 外网等值(续) l边界匹配边界匹配 l通过内网的状态估计，计算出边界节点的电压通过内网的状态估计，计算出边界节点的电压VB ； l将边界节点作为将边界节点作为V节点，对等值后的网做潮流计算，计算出节点，对等值后的网做潮流计算，计算出 边界注入潮流；边界注入潮流； l将边界节点作为将边界节点作为PQ节点，重新进行潮流计算，得到在线潮流节点，重新进行潮流计算，得到在线潮流 结果。结果。 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析

21、静态安全分析 page232021-6-22 在线潮流-未来方式 l在线潮流的三个数据源：历史、现在和未来 l负荷预报为分析未来潮流做准备 l最重要的一个应用：预先分析未来短时间内 系统的变化和操作 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page242021-6-22 在线潮流-模拟调度操作 l模拟开断线路、变压器、发电机组和各种倒 闸操作 l模拟出力和负荷调整 l模拟机组开断及出力和负荷调整时，应考虑 功率缺额或余额在其它机组间的再分配 l安全分析的好工具 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page252

22、021-6-22 电力系统静态安全分析 l重要方法预想事故分析 定义： 针对预先设定的电力系统元件(如线路、变压器、发电机、负荷 和母线等)的故障及其组合，确定它们对电力系统安全运行产生 的影响。 功能： 1、按调度员的需要方便的设定预想故障 2、快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害程度 3、准确分析严重故障后的系统状态，并能方便而直观展示结果 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page262021-6-22 电力系统静态安全分析 X l预想事故分析的内容 n故障定义 n故障筛选 n故障分析 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS

23、7静态安全分析静态安全分析 page272021-6-22 故障定义 根据电网结构和运行方式定义的事故集合。根据电网结构和运行方式定义的事故集合。 必须对故障定义的集合进行分类，原因：必须对故障定义的集合进行分类，原因： 提高预想故障分析的准确程度提高预想故障分析的准确程度 降低预想故障分析的计算量降低预想故障分析的计算量 改善预想故障分析的灵活性和方便性改善预想故障分析的灵活性和方便性 故障分类的原则：故障分类的原则： 定义故障时，采用物理分类方式定义故障时，采用物理分类方式 分析过程中，按危害程度分类分析过程中，按危害程度分类 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全

24、分析静态安全分析 page282021-6-22 故障定义 根据电网结构和运行方式定义的事故集合。根据电网结构和运行方式定义的事故集合。 必须对故障定义的集合进行分类，原因：必须对故障定义的集合进行分类，原因： 提高预想故障分析的准确程度提高预想故障分析的准确程度 降低预想故障分析的计算量降低预想故障分析的计算量 改善预想故障分析的灵活性和方便性改善预想故障分析的灵活性和方便性 故障分类的原则：故障分类的原则： 定义故障时，采用物理分类方式定义故障时，采用物理分类方式 分析过程中，按危害程度分类分析过程中，按危害程度分类 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安

25、全分析 page292021-6-22 故障筛选 在线的运行条件下，利用电力系统实时信息，自动迭代在线的运行条件下，利用电力系统实时信息，自动迭代 出引起潮流过载、电压越限、以及危害系统安全运行的出引起潮流过载、电压越限、以及危害系统安全运行的 预想事故，并用指标来表示危害的程度，按其从大到小预想事故，并用指标来表示危害的程度，按其从大到小 的顺序排列得出预想事故一览表。的顺序排列得出预想事故一览表。 l有功功率指标有功功率指标 l电压无功功率指标电压无功功率指标 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page302021-6-22 故障分析 基态网络

26、 开断 元件 基态 潮流 开断 潮流1 开断 潮流2 修正 元件1 修正 元件2 快速计算方法开断潮流分析快速计算方法开断潮流分析 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page312021-6-22 不同的开断处理 l支路（线路，变压器）开断 n网络结构发生变化，迭代矩阵改变，注入功 率不变 l发电机，负荷开断 n网络结构不变化，只改变注入功率 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page322021-6-22 快速支路开断潮流算法 1 P B V 1 T BBMM x 11 T M l迭代矩阵的修正算法

27、l以快速解耦潮流算法的有功迭代为例 B B l当支路l开断以后 ， 变成 ， P 变成P 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page332021-6-22 1 P B V P迭代修改为： 1 Q VB V VVV Q迭代修改为： 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page342021-6-22 发电机开断的模拟 l当发电机开断时，整个系统的发电功率不足以供给有当发电机开断时，整个系统的发电功率不足以供给有 功负荷需要，系统频率将降低。功负荷需要，系统频率将降低。 l借助发电机调速器的作用，系统中各发电机

28、都会自动借助发电机调速器的作用，系统中各发电机都会自动 增加出力来恢复系统频率。增加出力来恢复系统频率。 l由于调速器有一定的调差系数，整个系统频率将会稳由于调速器有一定的调差系数，整个系统频率将会稳 定于略低于额定频率的值。定于略低于额定频率的值。 l这一过程在几秒到十秒内结束。届时，所有发电机的这一过程在几秒到十秒内结束。届时，所有发电机的 有功出力都将发生变化。有功出力都将发生变化。 l发电机开断时潮流迭代矩阵不变，只是节点注入变化。发电机开断时潮流迭代矩阵不变，只是节点注入变化。 电力系统调度自动化第电力系统调度自动化第7章章EMS7静态安全分析静态安全分析 page352021-6-22 发电机组出力的变化 PPPkG kkk , PPPiG iii , PP ki i G ik 0 l节点节点k上发生发电机开断，该节点注入功率