发输电系统安全性评估

1、第四章发输电系统的安全性评估,Security Evaluation for Composite Generation and Transmission System 4.1 概 述 4.2 实用概率稳定分析法原理 4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析 4.4 实用概率稳定分析法计算流程 4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理 4.6 发输电系统安全性的指标体系 4.7 状态评估的流程图及算法实现,4.1 概 述,本章讨论发输电系统经受突然扰动(短路或失去非计划停运的系统元件)的能力。安全性指标反映在短暂时段内发输电系统在动态条件下系统容量满足负荷需求的程度。

2、充裕性和安全性评估的共同点和不同点 充裕性是对系统的静态特性进行概率评价；安全性则是对系统的动态特性进行评价； 研究层面的侧重点不同，两者互相完善互相补充； 评估目的不同：安全性评估的目的是估计系统对突发故障的经受能力，单纯考虑损失负荷量不能全面衡量事故后果的严重程度； 安全性评估所关注的是发生概率更小的事件，计算的复杂性和工作量更加突出。,4.1 概 述,电力系统稳定概念 安全性评估总是与电力系统稳定计算相联系的。电力系统安全稳定导则对电力系统稳定的阐述： 静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力； 暂停稳定指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持

3、同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步； 动态稳定是指电力系统受到大干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。,4.1 概 述,NERC关于正常和偶发事件的分类,注：A/R指由系统或设施所有者决定，并一贯应用于正常或紧急设施热定额或系统电压极限。,4.1 概 述,确定性电力系统稳定评价： 在给定电力系统结构，参数及扰动类型及发生地点的条件下进行的评价。基本假设和规定： 金属性短路； 不考虑短路电流中直流分量的作用并假定发电机定子电阻为零； 按给定要求选择发电机组的等价模型，并认为发电机组转速在额定值附近； 给定继电保护的动作时间，重合闸和安全自动装置的

4、时间可以给定或经稳定计算。 概率性电力系统稳定评价： 选择导致暂停稳定失去的主要因素作为随机变量； 建立随机变量的概率模型； 计算失去系统稳定的概率性指标。,4.1 概 述,基于Monte Carlo法的安全性评估 指按Monte Carlo模拟法原理来评价电力系统的安全性。主要包括：状态筛选；状态评估和可靠性指标计算3个部分。 本章将介绍实用型的概率性电力系统稳定评价法和基于Monte Carlo 法的电力系统安全性评估法。,4.2 实用概率稳定分析法原理,目标就是基于概率统计方法来定量评估电力系统的稳定性，给出概率性的电力系统稳定指标。 随机变量的选取,按计算要素分,按随机变量的性质分,4

5、.2 实用概率稳定分析法原理,概率模型 对于连续型随机变量,式中，P(Kjip)一个概率事件Kjip的概率（运行水平p，故障线路i，不稳定事件j）；P(Ei)线路i发生故障的概率事件Ei的概率；n短路故障类型；f n线路i上发生n型短路故障的条件概率；Ljpi,n简单系统中当故障发生在距首端足够远的地点时，系统恰好能保持稳定的临界长度。,对于离散型随机变量,式中，Ei故障事件i； tCC该事件对应的保持暂态稳定的极限切除时间； tC保护系统实际切除故障时间； Xi随机变量i。,4.2 实用概率稳定分析法原理,主要概率指标 系统稳定或不稳定概率,式中，PS全系统稳定概率；N故障类型数；L线路总数

6、；Pif第i种故障出现的概率；PijL第i种故障出现在第j条线路上的概率；PSij第i种故障出现在第j条线路时系统稳定的概率。 系统不稳定的期望频率 系统不稳定的期望恢复时间,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,19701997年间稳定破坏事故统计 发生电力系统稳定破坏事故共320次，平均11.8次/a； 19701980年209起，平均19次/a； 19811990年84次，平均8.4次/a； 19911997年27次，平均3.85次/a。 引起电力系统稳定破坏事故的元件类型统计,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,线路故障引起稳定破坏统计分析,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统

7、计分析,稳定破坏事故起因分析,2001年我国各电压等级平均长度统计,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,220kV线路短路类型统计,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,330kV和500kV线路短路类型统计,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,220kV母线短路类型统计,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,继电保护元件故障率,220kV母线保护拒动概率,4.3 我国电力系统稳定破坏事故统计分析,电力系统稳定破坏后恢复时间统计（北美）,中国电科院在计算三峡系统的概率稳定时，采用以下估计值： 对省内的局部系统，恢复时间取1h； 对省电力系统，取2h； 对跨省电力系统，恢复时

8、间取4h。,4.4 实用概率稳定分析法计算流程,4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理,抽样方法,4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理,抽样方法 基于下述原因，本章采用元件状态持续时间抽样法： 在安全性评估中涉及大量暂态稳定分析，需要确定故障前状态、故障中状态及故障后状态，其他两种抽样方法不能提供这些信息； 采用元件状态持续时间抽样方法，对其随机分布没有特殊要求。 元件状态持续时间抽样法的步骤如下： 根据元件的可靠性模型获得元件的模拟运行时间序列； 根据元件的无故障运行时间和故障修复时间，模拟出给定的模拟总时间段T内的运行状态持续时间序

9、列； 综合所有元件的运行状态持续时间序列，获得系统的状态序列和持续时间。在每一系统状态内，各元件状态不变； 对系统的状态序列逐个进行评估，计算切负荷量及经济损失后果。统计可靠性指标。,4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理,随机变量的选取 故障类型 可靠性评估的目标是进行中长期风险评估，指导系统规划和运行，需要对系统较为严重的情况进行分析，因此只考虑三相短路和复合三相故障的情况。 故障类型包括：KG(3)、KL(3) 、KGG(3) 、KLL(3)和KLG(3) 故障点位置 发电机故障位置：出口； 变压器故障位置：高低压侧，假定各50； 线路故障位置：定义Lf/L，

10、则可假定是0,1区间上均匀分布的随机变量，其概率密度和分布函数分别为 为简化分析，假定故障位置在线路的0,0.25,0.5,0.75和1.0五个点出现的概率均为20。对于两线路复合故障，则有25各故障位置，出现的概率均为4。,4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理,随机变量的选取 故障切除时间tC tC是一个连续型随机变量，且tC的密度函数是山峰型的，一般可设tC服从对数正态分布，其概率密度和分布函数分别为： 式中，均值；方差；标准正态分布。,故障切除时间的概率模型隐含了对继电保护及自动装置系统的功能描述。对于安全性评估中稳定控制措施的影响，目前主要研究了和系统功率

11、平衡相关的机组功率调整、切负荷等措施，还没有考虑到低频减载等频率控制措施。,4.5 基于Monte Carlo模拟法的发输电系统安全性评估原理,安全性评估中的系统状态划分,4.6 发输电系统安全性的指标体系,反映系统运行状况的指标 系统处于正常、警戒、紧急、极端紧急等状态的概率值PN，PA，PE，PEE。其中，P(x)T(x)/T 系统可接受运行状态PNPA 系统不可接受运行状态，即系统状态风险指标 (the composite system operating state risk index) CSOSRIPEPEE 反映系统的暂态稳定性的概率性指标 2-a：失稳概率 (probabili

12、ty of loss of stability) PLOSPiPUS,iPUS,iti/T 2-b：失稳频率 (frequency of loss of stability) FLOS 8760NUS/T8760NiPUS,i/T (次/a) 2-c：平均稳定运行时间 (mean time to instability) MTTIS8760(1PLOS)/FLOS (h) US系统失稳的系统状态集合； NUS系统失稳的次数； PUS,i给定系统状态i的失稳概率。,4.6 发输电系统安全性的指标体系,反映系统负荷损失的指标 3-a：动态切负荷概率 (probability of dynamic

13、load curtailments) PDLC8760Ni/T Ni有动态切负荷的状态数(连续几个系统状态均匀动态切负荷，视为一个动态切负荷状态) 3-b：动态切负荷频率 (EFDLC，expected frequency of dynamic load curtailments) 3-c：动态切负荷持续时间 (expected duration of dynamic load curtailments) EDDLCPDLC8760(h/a) 3-d：每次动态切负荷持续时间 (average duration of dynamic load curtailments) ADDLCEDDLC/E

14、FDLC(h/次) 3-e：期望动态切负荷值 (expected dynamic load curtailments) EDLC8760Ci/T(MW/a) 3-f：期望动态电量不足值 (expected dynamic energy not supplied) EDENS8760Citi/T(MW.h/a),4.6 发输电系统安全性的指标体系,综合反映系统暂态稳定事故的发生概率和事故后果的风险指标 4-a：基于损失容量的风险指标 (risk index based on EDLC) RIELCPiImiti.EDLC/T (MW/a) 4-b：基于电量不足的期望值的风险指标 (risk in

15、dex based on EDENS) RIEENSPiImiti.EDENS/T (MW.h/a) Imi表示事故严重程度的指标值。 4-c：基于费用的风险指标 (risk index based on total interruption cost) RITICPiImi(元/h) Imi是事故i发生后的所有损失费用总和与其持续时间之比。 对于机组故障停运，费用值为： Imi(Imrept)i(Imrepair)i(Imload)i Imrept(CenergCorig)Pgh/t，ImloadPloadRh/t 式中，R产电比 (元/MW.h)。简化计算中，可假设thh。 对于线路故障停

16、运，Imrept0。,4.6 发输电系统安全性的指标体系,针对系统的某一故障状态的安全性指标 停电复合总量 (sum of load curtailments) SLCPLCi(i)(MW) 停电损失费用严重性指标 (severity index of total interruption cost)。即：SITICImi(Imrept)i(Imrepair)i(Imload)i 最重要的安全性指标 系统状态发生概率PN，PA，PE，PEE及状态风险指标CSOSRI； 系统失稳概率PLOS、失稳频率FLOS及平均稳定运行时间MTTIS； 系统暂稳风险指标RITIC； 每个故障状态的停电损失负荷

17、SLC和损失费用总和SITIC。,4.7 状态评估的流程图及算法实现,对Monte Carlo法得到的系统状态进行评估，主要包括对该状态的分类确认，即根据该状态是否存在安全越限来判断属于哪一类运行状态，并对相应采取的控制措施引起的切负荷量及经济损失等进行定量评定。计算流程如图4.9所示。,4.7 状态评估的流程图及算法实现,图4.9 状态评估流程图,4.7 状态评估的流程图及算法实现,系统安全稳定限制条件包括静态稳定约束和暂态稳定约束条件两类。 静态稳定约束条件,电压幅值限制 VmVVM 线路潮流限制：线路和变压器的热容量限制 |ij|k 发电机输出功率限制 PmPPM QmQQM,根据右侧约

18、束条件，可得到对应的电压安全运行域RV、线路潮流安全运行域R和发电机出力安全运行域Rg RVV |VmVVM R|- RgP|PmPPM Q|QmQQM 因此，系统在(V，)空间的静态稳定运行域RSS RSSRVRRg,4.7 状态评估的流程图及算法实现,暂态稳定约束条件 用来评价系统在事故发生后维持稳定运行的能力。从设计角度，必须保证在特定可承受事件发生时(机端或线路三相故障)，系统能够维持同步运行，如N-1准则、N-2准则等。但是其他次严重故障也会对系统的安全稳定造成冲击，因此，采用概率统计方法，得到系统暂态稳定运行的约束条件，是一个比较完善和精确的方法。 线路k位置j发生i类故障后的稳定概率PS