输电断面安全性保护与关键技术

输电断面安全性保护与关键技术第1页，共54页，2023年，2月20日，星期日报告内容1、研究背景与意义2、输电断面安全性保护3、关键技术电力网络结构安全性分析理论基础电力网络潮流转移快速搜索算法基于灵敏度分析的紧急控制算法输电断面安全性保护综合仿真平台第2页，共54页，2023年，2月20日，星期日1、研究背景与意义国外大面积停电事故频繁发生国家时间事故事故后果美国2003.8.14北美东部损失负荷61.8GW，停电8州1省5000万人，停电面积24000平方公里，最长停电29小时，损失300亿美元。瑞典丹麦2003.9.23瑞典丹麦停电1800MW，影响500万人用电，停6.5小时意大利2003.9.28意大利6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃，停电19小时。英国2003.8.28伦敦地铁停电724MW，影响41万用户，50万乘客被困，停电37分钟～1小时马来西亚2003.9.1马来西亚马来西亚北方5个州发生大停电事故，停电持续约4个小时。第3页，共54页，2023年，2月20日，星期日广域测量系统传统SCADA/EMS系统(采用窄带宽的通信介质、用模拟信号进行远距离传输1200bps)，刷新周期长(>5s)，无法满足紧急控制的实时性要求。电力系统光缆SDH通信技术(622Mbps)、微处理器技术、IP技术、GPS、PMU…的发展，使得构建实时的广域测量系统成为现实；其刷新周期可达20~50ms，为实现系统级的实时安全性保护与控制提供了可能。第4页，共54页，2023年，2月20日，星期日典型大停电事故分析1978法国大停电事故图11978法国大停电事故第5页，共54页，2023年，2月20日，星期日1982加拿大魁北克大停电图2魁北克735kV系统事故前接线和潮流示意图第6页，共54页，2023年，2月20日，星期日研究目的绝大多数大面积停电事故，起因都是静态潮流问题，动态问题随后加剧了系统的崩溃。运行在接近极限边缘的输电网络，因若干低概率事故引发功率大范围转移，造成相邻元件过载，形成连锁过载跳闸以致系统失去电压稳定或功角稳定，最终瓦解。基于广域测量信息对紧急状态下的静态潮流转移问题进行研究，并在线实时寻找相应的控制对策，对于有效抑止大停电事故的发展、蔓延具有重要意义。第7页，共54页，2023年，2月20日，星期日2、输电断面安全性保护的概念（1）输电断面安全性保护的任务

通过协调断面上的后备保护和自动装置的动作，避免断面内的支路发生连锁过载跳闸，维持断面的输电能力，防止断面潮流的大幅度转移。

预测出并行输电断面存在连锁过载跳闸的可能时，通过安全稳定控制系统进行紧急控制，消除支路过载。反之，则允许过负荷保护延时跳闸。第8页，共54页，2023年，2月20日，星期日2、输电断面安全性保护的概念（2）实现安全性保护的信息条件

输电断面安全性保护需要实时获取系统级的信息，快速收索当前的输电断面，快速评估线路开断后断面的潮流情况，并给出可行的控制方案执行之。提升SCADA/EMS系统的数据更新速度或利用快速动态信息系统，刷新周期长短于1秒；将分散安装的过负荷保护和各种安全自动装置联网，构成安全稳定紧急控制系统；完成对电网的实时监视、实时计算真、实时控制。第9页，共54页，2023年，2月20日，星期日输电断面的在线快速搜索：从网络拓扑结构的角度，分析支路开断后潮流转移的规律利用广域测量信息，根据潮流转移特点，快速搜索系统的薄弱环节/并行输电断面。输电断面连锁过载的实时预测通过对电力网络中薄弱环节安全性状况的分析获得整个系统的安全信息，以减少分析计算的工作量，以提高安全控制的实时性。消除输电断面过载的实时控制当确认系统薄弱环节存在连锁跳闸的危险后，须快速确定相应的紧急控制策略，在保护动作前消除元件过载3.实现输电断面安全性保护的关键技术（1）第10页，共54页，2023年，2月20日，星期日电力网络结构安全性分析理论基础广义基尔霍夫定律

通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零，或者说，流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流。

以上3式相加后，得对闭合面S的电流代数和：第11页，共54页，2023年，2月20日，星期日网络拓扑与负荷分布对潮流转移的影响潮流转移特征分析(1)结论：断面C中所有线路有功功率之和在线路开断前后相同，换言之，线路功率转移到断面其它线路之中。

线路断开：第12页，共54页，2023年，2月20日，星期日对于弱受端系统电网结构，重负荷线路因运行异常延时切除后，系统潮流往往在与该重负荷线路有相同电源区或负荷区的并行输电断面内转移。

对于强受端系统电力网络，电源与负荷就近供电，多数没有明显的并行输电断面。弱受端系统：指受端电源容量小，主要依靠外电源送电的结构。强受端系统：电源与负荷均匀分布，受端系统内的电源容量比较大，内部联系紧密的电网结构。第13页，共54页，2023年，2月20日，星期日中国电力网络：系统一次比较薄弱，由于能源与经济发展不平衡，电源与负荷分布不均，存在若干并行输电通道。预计到2020年，每年将有大约100000MW电力从西部送至东部第14页，共54页，2023年，2月20日，星期日潮流转移特征分析(2)输电元件物理参数对系统潮流的影响根据直流潮流模型：忽略支路电阻和对地电容，支路两端的相角差一般不大，可以近似认为，于是任意两节点之间的功率可表示为：

结论：输电线路阻抗参数越小，在相同条件下，传输功率就越大

第15页，共54页，2023年，2月20日，星期日支路开断数学模型

补偿法：认为支路未被开断，而是在两端节点处引入某一待求的功率增量来模拟支路开断。(a)系统初始状态(b)系统最终状态(c)模拟支路开断得最终状态(d)系统补偿网络第16页，共54页，2023年，2月20日，星期日简单系统示例支路电流支路电流j-m0.09I0j-k0.10I0j-n0.18I0m-k0.27I0n-m0.18I0k-p0m-q0k-i0.36I0等效注入电流在网络中的分布：两节点之间长度最小的最短路径(Rs：

j-n-m-k-i)支路电流最大，换言之，开断支路两节点之间的最短路径上支路功率变化量最大第17页，共54页，2023年，2月20日，星期日

(1)

(2)

(3)

(4)最短路径潮流转移分析简单并行网络最短路径潮流转移分析虚线：表示通过若干中间节点相连粗实线：表示两节点直接相连粗实线：长度近似表示线路阻抗大小ij最短路径：inpqmj第18页，共54页，2023年，2月20日，星期日最短路径潮流转移分析最短路径上每一条支路的电流，分别大于与之并联的其它支路电流进一步分析发现，随电流分支数目增加，相应最短路径上的支路电流也就会越来越小：而非最短路径支路功率(该支路不在最短路径上)在终端节点b汇总：?第19页，共54页，2023年，2月20日，星期日对于强受端系统电力网络电源与负荷均匀分布，电源与负荷就近供电任意母线节点“出线”回路数K一般都比较少k<10最小值就不会因为过多“分流”而变得很小；最大值就不会因“汇流”支路数过多而变得很大,式(#)

是基本成立的。难以从理论上严格证明式：即最短路径支路功率的最小值严格大于非最短路径支路功率的最大值。……(#)对于强受端电力网络，重负荷线路因运行异常被切除后，系统潮流往往容易在该重负荷线路两端节点之间的最短路径上转移。第20页，共54页，2023年，2月20日，星期日电压等级对潮流转移的影响高压线路500kv一般用于远距离输电，目标电源与目标负荷地理位置一般相隔较远。因此，开断后潮流影响范围较大，但主要集中于高压网络。低压线路220kv一般是就近供电，目标电源与目标负荷地理位置一般比较近。因此，开断后潮流影响范围较小，常集中于某一个局部网络。

高低压电磁环网：高电压等级线路开断后，其潮流就会大量地涌向低压网络，很容易造成造成低压网络静态潮流越限。潮流转移特征分析(3)第21页，共54页，2023年，2月20日，星期日电力网络潮流转移搜索算法(1)并行输电断面快速搜索三步算法简化原始网络

建立系统状态图/分区搜索并行送电断面与并行受电断面第22页，共54页，2023年，2月20日，星期日

简化原始网络(2)合并“悬挂”节点

(1)消去权为零的节点

第23页，共54页，2023年，2月20日，星期日

建立系统状态图/分区A:

123456B:

3456C:

6供电域1区:

12------

A2区:345------

AB3区:6------

ABC相同发电机供电节点第24页，共54页，2023年，2月20日，星期日

搜索并行输电断面并行输电断面：在某一运行方式下，有相同电源区或负荷区的输电断面。第25页，共54页，2023年，2月20日，星期日数值仿真

CEPRI36节点系统接线图CEPRI36节点系统状态图第26页，共54页，2023年，2月20日，星期日

结果表明：并行输电断面覆盖了绝大多数实际受影响较严重的关键输电断面，这个结论与对广泛大停电事故的分析基本一致。第27页，共54页，2023年，2月20日，星期日电力网络潮流转移搜索算法(2)最传输路径搜索算法

采用经典的Dijkstra

最小路径算法。其基本原理是,若v1v2..vn-1vn是从v1到vn的最短路径，则v1v2…vn-1也必然是从v1到vn-1的最短路径。假设A为起点E为终点，3条路径：A－B－E、A－C－E和A－D－E的路径长度分别为15、14和13，Dijkstra最短路径为A－C－D－E，其权值为11。第28页，共54页，2023年，2月20日，星期日开断支路相关支路(降序)开断支路相关支路(降序)3-416-170.70994-513-140.820315-160.70449-110.817714-150.70445-60.817704-140.603410-130.750017-180.601910-110.75003-180.60144-140.74302-30.40423-40.25784-50.39321-390.19061-20.29441-20.19051-390.29445-80.189513-146-110.990816-1514-151.008510-110.912716-171.004210-130.91273-40.82804-50.892217-180.77975-60.86443-180.77414-140.82474-140.724216-170.172113-140.284815-160.17096-110.28406-70.135910-110.26147-80.135110-130.2614支路(降序)支路(降序)1-21.000016-170.313168-90.999915-160.311149-390.999910-120.3030939-10.999910-130.303292-30.815714-150.238303-40.688325-260.195014-50.667426-270.194015-80.56702-250.188116-70.4413617-180.119727-80.438923-180.1193913-140.332045-60.101666-110.3301017-270.03509假设支路2-1断开，根据Dijstra算法，节点2与1之间的最短路径：2-3-4-5-8-9-39-1，其路径的长度为0.1469。NEWSLAND39

系统仿真注：黑体表示最短支路及其功率变化量第29页，共54页，2023年，2月20日，星期日基于直流潮流的分布系数法

当确定了系统的薄弱环节(并行输电断面/最短传输路径)后，需要对该局部环节作进一步的安全性分析，判断当前过载支路跳闸后，并行输电断面内是否会出现新的过载支路。本文采用基于直流潮流的分布系数法：物理含义：第k条支路的功率为Pk，该支路开断后，将会在其他支路(L)中引起的功率的增量为。………………(1)第30页，共54页，2023年，2月20日，星期日进一步整理得：通过式(3)

：

判断断面内支路是否会发生新的过载。若不会引起相关断面内其他支路过载，则允许其延时跳闸；否则应采取紧急控制措施，迅速消除过载，保证输电断面的安全，以防连锁过载跳闸的发生。

………………(2)………………(3)第31页，共54页，2023年，2月20日，星期日改进的启发式灵敏度调控算法根据传统灵敏度算法的特点，以输电断面为控制对象提出了改进的启发式灵敏度调控算法按照灵敏度绝对值大小划分控制节点的优先级，减少不必要的计算量以节点消除断面过载能力/综合灵敏度大小为依据，确定控制节点操作序列根据反向等量配对调整法确定控制量，提高控制算法的计算速度引入针对正常支路和过载支路的启发式规则，保证过载支路潮流不上升，正常支路不过载第32页，共54页，2023年，2月20日，星期日控制节点优先级区分在实际系统中，对消除支路过载真正有效的控制节点是不多的，系统中绝大多数的可控点对过载支路的灵敏度绝对值是很小的。为了使控制算法的执行更快更有效，首先需要对控制节点按照对消除支路过载的作用大小简单地划分出控制优先等级，具体的就是采取以下做法：

当节点对任意一条过载支路的灵敏度绝对值大于某一个相对较高的门槛值（可取0.05）时，该节点就可分为第一级控制节点当节点对任意一条过载支路的灵敏度绝对值大于某一个相对较低的门槛值（可取0.005）时，该节点就可分为第二级控制节点将所有控制节点统归为第三级节点第33页，共54页，2023年，2月20日，星期日综合灵敏度控制节点对输电断面潮流调整的综合灵敏度以节点对断面内各个过载支路的灵敏度为基础，考虑到支路的过载量差异，引入权重，确定节点对各个过载支路潮流调整的总体作用，其计算模型可用下式表达：上式中，是节点i对过载支路L的灵敏度，PI(i)是节点i

的综合灵敏度，T表示断面内所有的过载支路集合，是过载支路L对应的权重。………………(4)第34页，共54页，2023年，2月20日，星期日过载支路对应的权重与支路的过载量成正比，各支路过载量的差异反映了控制节点消除断面过载的总体能力。根据节点综合灵敏度大小就能找到对消除整个断面过载总体能力较大的控制节点，并以此确定控制顺序，从而提高控制算法的效率，减少总的控制量。第35页，共54页，2023年，2月20日，星期日反向等量配对调整法反向等量配对调整：为每一个加出力点找到与之配对的减出力点，且加、减出力值相等反向等量配对调整可以保证系统的功率平衡，不会出现所有功率不平衡量都有平衡机组承担，尽可能避免平衡机组的越限每次是对两个节点进行调整，提高了控制算法的计算效率在应用该方法调整前，首先应根据节点的综合灵敏度的符号将节点分为加出力点和减出力点两类：综合灵敏度大于零的发电机节点为减出力点，综合灵敏度小于零的发电机节点以及可切负荷点为加出力点第36页，共54页，2023年，2月20日，星期日确定控制量大小控制量由式(5)式中为节点i的可加量，为节点j的可减量，为应该调整量，其中可由下式计算：………………(5)………………(6)

经过一次配对调整，若支路的越限尚未完全消除，则节点ij中必有一个不可再调，则按照操作序列寻找下一个加出力点或减出力点，重复配对调整，直到完全消除过载。第37页，共54页，2023年，2月20日，星期日启发式规则在调整过程中，正常支路有可能出现过载，过载支路潮流有可能进一步增加，使得计算量大大增加引入启发式规则，从控制量上保证不会引起正常支路过载，尽量避免过载支路潮流增加，以减小计算量第38页，共54页，2023年，2月20日，星期日调整对灵敏度假设节点i和节点j配对调整，它们对断面内支路潮流的影响可以通过下面的调整对灵敏度来表征：当时，表明调整节点i和节点j会使支路L潮流上升当时，表明调整节点i和节点j会使支路L潮流下降第39页，共54页，2023年，2月20日，星期日过载支路的启发式规则：根据调整对灵敏度的符号判断节点i和节点j对过载支路的作用，以寻找能尽快消除过载的控制调整对。启发式规则分为三级，其优先级依次降低：Rule1>Rule2>Rule3,即首先寻找满足Rule1的调整对，若没有则寻找Rule2，再没有则Rule3。Rule1：能有效降低所有过载支路潮流的控制调整对i、jRule2：只能降低最严重支路潮流与断面过载量总和的控制调整对i、jRule3：只能降低断面总体过载量的控制调整对i、j第40页，共54页，2023年，2月20日，星期日正常支路的启发式规则：根据调整对灵敏度的符号判断节点i和节点j对正常支路的作用，以确定满足支路潮流约束的调节量。若，表明调整ij会使支路潮流降低，则不必对调整量进行约束若，表明调整ij会使支路潮流增加，则需要对调整量进行约束，调整量不应超过，其值由下式确定其中为正常支路K距离其输电极限的冗余量第41页，共54页，2023年，2月20日，星期日为了保证所有正常支路都不过载，确定出最小的调整量约束：节点i和节点j的最终调节量是以下四项数据的最小值：本次控制的应调量，本次控制的最小约束量，节点的可加量，和节点的可减量，即为第42页，共54页，2023年，2月20日，星期日输电断面安全性保护仿真平台输电断面安全性保护算法的测试平台由以下几个模块构成：数据输入模块并行输电断面快速搜索最短传输路径快速搜索基于分布系数法断面潮流分析

防止输电断面连锁过载的紧急控制算法第43页，共54页，2023年，2月20日，星期日算法流程第44页，共54页，2023年，2月20日，星期日仿真平台界面第45页，共54页，2023年，2月20日，星期日输电断面搜索流程第46页，共54页，2023年，2月20日，星期日输电断面安全性分析流程第47页，共54页，2023年，2月20日，星期日紧急控制算法流程第48页，共54页，2023年，2月20日，星期日山东系统仿真系统特点513个节点，940条支路，网络规模庞大500kV与220kV高低压运行，结构复杂,无明显高低压电磁环网西部电源较集中，东部负荷较重，呈现“西电东送”的特点存在若干并行输电通道第49页，共54页，2023年，2月20日，星期日支路编号分布因子(降序)断开前有功(pu)开断后有功(pu)调整后有功(pu)600234#0.5378960%95.5%57.92％600233#-1.0000110%0.0098.0%600823#