电力系统稳定概述.ppt

电力系统稳定与控制Power System Stability and Control,本部分的主要内容,稳定问题概述暂态稳定的数值积分法暂态稳定分析的直接法低频振荡与小扰动稳定次同步谐振（SSR）和扭振电压稳定分析简介HVDC技术简介柔性交流输电系统（FACTS）,电力系统稳定问题概述,概念：电力系统能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在受到干扰后能够恢复到允许的平衡状态。传统上稳定是一个维持同步运行的问题。电压不稳定时，系统可能仍然维持同步。,电力系统稳定概述,分类：转子角（功角）稳定电压不稳定和电压崩溃中期和长期稳定,功角稳定和电压稳定,送端,受端,电 能,功角稳定,电压稳定,稳定的分类,电力系统稳定概述,小扰动和大扰动稳定问题时域仿真法和直接法两大类有模型方法和非模型方法（ANN、灾变理论、专家系统的方法。）,电力系统稳定概述,常用仿真程序：PSASP中国电科院（程序运行演示）BPA美国PowerWorld Simulator美国UROSTAG法国和比利时NETOMAC德国西门子公司PSCAD/EMTDCPSS/E美国MatlabRTDS实时仿真器。,电力系统稳定概述,转子角（功角）稳定,电力系统稳定概述,转子角（功角）稳定,功角稳定,a,b,a：稳定平衡点（SEP）b：不稳定平衡点（UEP）,等面积定则,B,C,A,一个力学实例,能量函数动能势能,临界能量,稳定裕度,电力系统电压稳定概述,电压不稳定和电压崩溃概念：电力系统在额定运行条件下，遭受扰动之后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力。,电力系统电压稳定概述,电压稳定的准则：对系统中的每一母线，在给定的运行条件下，当注入母线的无功功率增加时其母线电压幅值也同时增加。如果系统中至少有一个母线的电压幅值（V）随注入该母线的无功（Q）的增加而减小，则该系统是电压不稳定的。（对每个节点）,电力系统电压稳定概述,电压不稳定和电压崩溃,电力系统稳定概述,电力系统稳定概述,受端电压、电流和功率对负荷需求量的函数关系,电力系统稳定概述,中期和长期稳定短期或暂态：010s中期：10s至几分钟长期：几分钟至十几分钟,电力系统稳定概述,中期和长期稳定：系统受扰动后在较长时间内，出现的持续功率不平衡问题。其中包括：热力机组的锅炉动态、水利机组的引水管动态、自动发电控制、电厂和输电线保护/控制、变压器饱和、负荷和网络的非正常频率效应等。,电力系统的大停电事故,我国电力系统稳定破坏事故：1972年湖北电网大面积停电事故1972年浙江电网瓦解事故1974年陕西电网振荡事故1979年水丰厂静稳破坏事故1980年安徽电网大面积停电事故1982年华中电网稳定破坏事故1983年华东电网解列事故1990年广东电网大停电事故1996年北京部分电网稳定事故,电力系统的大停电事故,世界著名的几次大停电事故：1965年美国东部大停电事故1977年纽约大停电事故1978年法国大停电事故1982年加拿大魁北克系统大停电事故1983年瑞典电力系统停电事故1987年东京电力系统大停电事故1989年加拿大魁北克系统大停电事故1996年美国东部大停电事故2003年美加大停电事故,大停电事故的经验教训,电网结构要合理具备合适的可靠的继电保护和安全自动装置无功电源和电压控制防止负荷大量转移引起的恶性连锁反应建立好最后一道防线，防止长时间大面积停电和对最重要用户的破坏性停电,“8.14”美加大停电,“8.14”美加大停电分析大型互联电力系统和电力市场之间存在的问题大停电对电力系统未来发展的影响和电力系统未来的发展方向,“8.14”美加大停电,2003年8月14日下午3时06分，美国俄亥俄州克里夫兰市郊外一条过热的电线下垂到一棵树上，引发一系列激烈的连锁反应，导致了北美有史以来最大规模的停电。由于这条输电线路失灵，使俄亥俄州其它电路承受极大的压力，过量电流传给俄亥俄州南部的一家电力公司，造成这家公司自动切断电路，在该州南部和北部之间形成了一道“电路墙”，阻隔了南北电流的互通。北边的克里夫兰因为电力不足，于是先从密歇根继而从加拿大的安大略省把大量的电吸过来，使更多的电线和发电厂超重负荷，供电系统瘫痪的危机延伸到纽约州的西北部，很快造成整个纽约州大停电。此次停电持续了29个小时，影响了美加东部9300平方公里的区域，使北美地区5000多万人口受到停电影响。100多个发电厂，包括22个核电厂，几十条高压输电线停运。系统失去了61.8GW负荷。成为有史以来对美加东部影响最大的停电。,“8.14”美加大停电,负责美加大面积停电事故调查的北美电力可靠性委员会披露了大停电的一些情况：这次事故的原因可能是电压变化、输电线故障和发电厂停电等问题共同造成的。,全美国卫星图片,大停电前卫星图片,大停电后卫星图片,大停电事故,2003年8月29日18时26分，英国国家电网中的一条27.5万伏特的高压输电线路发生“非正常”故障，几秒钟后又发生另一个故障，造成了此次停电。从而导致温布尔登、郝斯特等地的电力供应首先中断。随后伦敦和其毗邻的肯特郡的电力供应也被中断，停电对超过50万英国人的工作和生活造成了影响。停电约34分钟后，国家电网开始向伦敦配电网络恢复供电，但直到两个多小时之后伦敦电力供应才全面恢复。,“8.14”美加大停电,惨痛的教训可以化为珍贵无比的经验。美加州电力危机，从某种程度上使人们对电力改革的长期性和复杂性有了新的认识，改革举措的出台也因此变得比较谨慎了。可以预计最近美、英的大停电事故的发生对整个电力系统今后的发展产生深刻的影响。,1 控制适当的电网规模,随着社会的进步和电力改革的发展，大型互联电力系统有了日新月异的发展。电网规模越大，效益就越好，可靠性、互补性就越明显，这几乎已经成为人们的共识。但同时以往只是在小范围发生的事故现在随着电网规模的扩大往往影响整个大的电网。纵观世界范围的大规模停电事故时间表，可以得出这样的结论：大规模的停电事故主要是集中在九十年代以后。并且在最近的几年的事故不但规模巨大，而且发生频繁。九十年代以前，除了美国几乎没有什么特大规模的停电事故发生。造成这一现象的其中一个原因就是美国的电网发展比较早，在六、七十年代就已经具有相当的规模。而世界的其它的国家则是在最近的十几年才达到这种规模。所以以前即便是整个电网全部崩溃，由于电网规模的限制，事故无法超出电网的范围，所以不会有太大的事故。可以说现在的电网规模为今天的大停电提供了“物质基础”。而且电网的规模越大，调度、运行存在具体的困难。因此应该在系统发展的过程中，控制适当的电网规模。,2 对陈旧的电网的改善,仅仅是大的规模的电网还是不能导致事故的发生，现在电网大规模事故频繁发生的内在原因是电网的相对陈旧。2.1加强日常维护对陈旧电网的改善首先要从物理层入手。在电力系统运行过程中，可以降低单个故障的发生概率，但是不可能杜绝。然而系统范围内的大停电则是完全应该避免的。所以电力系统发展的原则就是本着尽量减少单个故障的产生，杜绝系统范围内大停电事故的发生。系统是由单个的元件组成，每一个元件在系统的运行过程中都起着及其重要的作用。每一个元件的损坏都会对系统的运行带来不可忽视的影响。因此在元件的选取方面尽量保证产品的质量。从最近的几次事故中可以看出，事故的起始原因很多都是由于单个元件的故障，进而引发或加重了事故的发生。在2003年伦敦的大停电中，就是一个装错的保险引发了事故。,2 对陈旧的电网的改善,2.2 保证足够的备用容量现在随着电力市场在世界范围内的推广。电力系统的运行方式和规则和以前有了很大的变化。在电力市场的条件下，以往以安全为第一目标的运行方式改变为以追求最大的经济利益为目的的运行方式。市场参与者之间的竞争把系统运行点推向稳定边界，导致阻塞，危及系统运行的安全性。美东区186条输电线，2002年50条曾经达到能量极限，21条10的时间超负荷运行。在世界各国进行电力改革的探索和完善阶段，系统的总体安全系数都有一定的下降。这也就是为什么最近的几年事故发生频繁的内在原因。保证足够的备用容量是必不可少的。,2 对陈旧的电网的改善,2.3 发展分散配置电网“网眼式”分散配置电网是一种比较安全的电网，采用这种方式可有效避免大面积停电事故。德国境内的电力网络由4家电力供应商各自独立分散的区域电力网络构成。一旦发生停电事故，电力供应商即可将停电区域尽快限制在局部地区内，而不会造成大面积停电事故。此外，德国与周边多个国家均有电力进出口网络，在紧急情况下可通过调度别国电力缓解本国电力紧缺。而在美国采用的大面积互连电网中，如果一个环节出现故障，就可能因为缺少回路分支而导致大面积停电事故发生。,2 对陈旧的电网的改善,2.4 开发分散式电源从发展趋势来讲，分散式电源是一个必然的方向。实际上电网的规模太大，调度、运行就存在具体的困难。长距离输电不仅投资大，而且对电网的安全可靠性有损害；这次北美的大规模停电向全世界表明了彻底依靠大规模电力消费的现代文明脆弱的一面。与其搞长距离输电，不如当地开发利用天然气、太阳能等清洁能源，进行热电或冷热电联产。发挥燃料电池及太阳能电池等小型、分散电源的作用。,3 研发新的自动控制技术,在电力市场的条件下，系统的运行条件越来越接近于稳定极限。要想在这样的运行条件下尽可能的安全运行，必须有足够的运行信息，和能够快速反应的自动控制装置，以便能够尽可能快的处理系统事故。例如在线计算。在2003年美国的停电事故中，如果拥有实时的在线阻塞数据，在系统崩溃之前的一个小时中应该有足够的时间去处理事故，降低事故的危害。其次是低频减载与低压减载装置对防止事故的扩大，维持系统稳定具有不可忽视的作用。1996年夏的美国大停电中正是低频减震装置将系统分开，阻止了系统的全面崩溃。因此在今后的发展中要对装置提出更高的要求。,4 提高运行人员的素质,电力系统不管如何先进自动化程度如何高，归根结底还需要人的操作才能运转。相对于设备来说，人既有较高的灵活性同时也有较高的不可靠性。在以往的电力事故中，可以发现，人一直起着及其重要的作用。从1996年7月3日美国的大停电可以看到，首先是电厂操作人员的失误使事故恶化，接着也是由于系统调度人员经验手动切负荷而避免了事故的进一步扩大。目前相对其它自动化程度较高的行业来说，电力企业运行人员的素质相对较低。在电力市场的苛刻运行条件下，要保证安全运行就需要运行人员有更高的素质和实际操作经验。今后对运行人员进行培训，提高运行人员的素质已经是迫在眉睫的任务了。,5 加强管制，采用统一分层管理，促进信息协调,取消管制规定本应该使用自由市场的行为准则来以合理的价格生产数量正好合适的电力。但是电力与普通商品不同。电力不能大量储存，电力系统需要大量用来备用发电的零部件和传输能力，以满足像8月份的炎热天气这样的用电高峰时期的需求。电力系统还需要有大量的规划和协调，同时它还需要采取鼓励措施来促使人们对传输线路进行维修和更新。根据所有这些理由，取消管制规定的理论是失败的。,5 加强管制，采用统一分层管理，促进信息协调,分散型电网管理也为大面积停电制造了空间。由于没有统一调度，各家公司间各自为政，出现问题无法在短时间内协调举措，容易导致部分地区长时间断电。以致引发全局性事故。美国的分散管理模式给系统的运行带来了不可拟补的缺陷。2003年事故中，有关的电力公司和输电监督机构，在当日12点之前就已知道有电线故障和发电厂停机，这些与停电有关的问题在几个州都出现并被观察到了。电力公司主管和其它涉及输电网管理作业的人员，承认他们彼此间缺乏联系，因此，没有人能够掌握停电之前出现的种种征兆，结果使事故逐渐演变成重大事件。从而实行统一分层管理，改善整个系统中的通信条件，使得各控制中心之间可以实时交换信息。实现整个系统的信息共享，使操作人员可以及时得到更多关于本系统和邻近系统的信息也应该更加引起重视，以便能控制瞬间即可导致系统失步的扰动，预防事故发生。,6 加强经济、政策的引导作用,电力系统的安全问题包括短期安全问题和长期安全问题。短期安全问题，是人们关心的重点。人们考虑的也比较周全。但是长期安全问题在市场的条件下就要靠加强经济、政策引导来保证。在市场条件下是本应该通过市场的手段来进行对投资等的引导。但是在现实条件下为提高竞争力，不少电力供应商正在通过改造电网及调整发电能力的方式来降低成本。但这往往造成了电力系统长期的安全隐患。同时无钱再投资几乎是各国电力企业长期面临的资金饥渴困境。不仅英国如此，美国也不例外。统一电网体制难破网架薄弱瓶颈。根据对美国输电网络体系隐患的分析，除了国家电力监管体制方面的漏洞外，升级快速老化的输电网也迫在眉睫。按照传统做法，公用事业公司要求当地的客户承担更新输电设备的费用。但近些年，因为电力输送业务受到了严格的控制，获利空间很小。各大公司缺乏加大投资以扩充并更新设备的动力，各运营商越来越不愿在他人可能无需付费即可使用的设备上投资。在这种情况下为了系统的长期安全就需要国家在政策和经济上同时加以引导。,7 建立紧急事故防御体系,这次北美洲有史以来最大规模的停电，暴露了全美电网的脆弱不堪。由于需求量与日俱增，北美电力供应系统负载过重，有些地方仍使用着二战时期的电力供应网。这说明，电网是反恐薄弱环节。电网的瘫痪生动地说明了恐怖袭击对美国能源基础设施构成的威胁以及保障设施安全的难度。要建立电力应急机制，首先要花大力气保护电力设施，对任何破坏电力设施的行为都应该严办，不应该姑息手软。第二，要及时检查系统及主要城市电力供应的薄弱环节，采取必要的补救措施，第三，要彻底解决电力安全问题，必须从需求侧入手。随后，还要积极研究，电力系统的安全稳定问题，作好预防恐怖袭击的准备。,大停电分析的结论,改革和发展与安全应当是并行不悖、相辅相成的，电力系统体制改革的推进不是以牺牲电力系统安全、可靠性为代价，相反，改革和发展的目的之一就是要实现更高的安全、可靠性这一目标。同时电力系统的安全也是电力改革能否顺利进行的重要条件和成功与否的重要标志。在电力市场化的今天，在电力改革的过渡时期会给电力可靠性带来一定的风险。面对众多的重大事故，在今后的发展过程中必须认识到电力系统的改革和发展必须高度重视安全问题。,防止系统失稳的措施,规划（几十年，几年）电源，线路，配电，（负荷?）运行规划（年度，季度，周，天）检修安排，紧急检修，（负荷）在线/实时运行安全监视，预防控制，校正控制,电力系统安全的三道防线,第一道防线：继电保护速断第二道防线：切机、快关、电气制动、快速励磁调节等第三道防线：低频减载甩负荷、解列,提高电力系统静态稳定的主要措施,采用自动励磁调节装置；采用分裂导线；提高线路的额定电压等级；改善系统结构、减小电气距离；采用串联补偿设备；采用并联补偿设备。,提高电力系统暂态稳定的主要措施,故障的快速切除和自动重合闸装置的应用；发电机采用快速强行励磁装置；采用电气制动；变压器中性点经小电阻接地；通过快关和切机减小原动机出力；高压直流（HVDC）输电联络线的控制。,电力战略防御系统简介,电力战略防御系统the Strategic Power Infrastructure Defense(SPID)System,电力系统的脆弱性（vulnerability）原因,自然灾害和气候条件大的电力系统元件故障 控制和保护系统故障 信息和通信系统故障电力系统不稳定问题负荷对电力系统的反作用人为的错误不合适/错误的系统模拟和估计竞争的电力市场环境中的脆弱性不能获得、综合和利用可靠的信息,如何认识电力系统？,电力战略防御系统功能要求,SPID期望功能：能获取和说明广泛的来自不同源的实时信息；能快速评估与灾难性事件有关的系统的脆弱性；能使保护设备性能建立在系统全局估计的基础上；能自动重构电力网络使系统的脆弱性最小；能自动建立系统恢复计划使停电影响,SPID体系结构满足下列控制系统要求,多目标：各个代理可同时按各自目标、约束机制和来自更高层的仲裁计划采取措施。多传感器：不是所有的传感器都要送到中央代理。然而，同一传感器的值可以由不同层使用。不同层可以处理某些形式的信息并利用其结果达到其自身的目标。鲁棒性：多代理增加系统的鲁棒性。在增加较高层的时候，体系结构的较低层继续运行。可扩展性：当系统需要增加新的层次时，每一个新增的层次可以独立运行而不受原有系统的约束。,SPID关键技术,建立在GPS/PMU基础上的电力系统广域相量测量技术防范隐藏故障-自适应保护控制 自适应自愈策略控制和分析的混合多代理框架分层多代理软件结构 快速、可靠的通信系统,动态稳定在线监测,基于分析的技术 基于测量的技术广域测量系统（WAMS）Wide Area Measurement Systems相量测量装置(PMU)Phase Measurement Unit,战争对电力系统的破坏！,石墨炸弹（号称“电力开关”）导电纤维,为什么石墨炸弹号称“电力开关”？,科索沃战争中，北约发言人吹嘘有控制南联盟的“电力开关”。1999年5月2日晚，美国空军在轰炸南联盟首都贝尔格莱德时使用一种神秘的机载武器，果然造成了贝尔格莱德及周围地区的大面积停电，对南联盟人民的生活造成严重影响。这种被北约吹得神乎其神的“电力开关”叫作石墨炸弹，美国人称其为电子炸弹，在美空军的编号为BLU114B。它是一种装在集束武器内的子弹药，外形很像一个易拉罐，体积比可口可乐易拉罐大一倍。罐内装有大量经过处理的石墨丝。石墨丝比人的头发还细，具有极强的导电能力。电站或变电网络的高压线一旦被石墨丝缠上，瞬间即可造成电网短路，烧毁电力设备，导致大面积停电。因为石墨炸弹对人没有直接的伤害作用，所以，有的国家也称BLU114B为“软炸弹”。石墨炸弹是装在SUU66B布撒器内的。攻击时，这种武器可挂在B1、B2、F117、F16等作战飞机上，飞机能在6千米的高空投放。当弹药布撒器降落到目标12千米的高度上，弹箱自动打开。弹箱内的弹药罐向四面抛出。抛出的炸弹尾部装有一个小降落伞随即自动开启，对弹药罐起稳定作用。弹药罐稳定后，降落伞自动脱开，同时爆炸。弹内的石墨丝像一片乌云一样飘浮在天空中。这些石墨丝一旦落到电站或变电站的高压线上，即成为一个强电导体，导致高压线短路，造成输电中断，线路着火，甚至烧毁变电站设施，形成大面积的停电。据悉，美国将对石墨炸弹作进一步改进，其中一项研究项目是使石墨炸弹成为美国21世纪机载武器“联合直接攻击弹药（JDAM）”中的一种子弹药，并将这种子弹药编号为AGM154D。,电力系统的-,可靠性（reliability）安全性（security）稳定性（stability）脆弱性（vulnerability）鲁棒性（robust）可控性（controllability）灵活性（flexibility）充裕性（adequacy）经济性（economy）市场性（marketability，可销售性）。,本次课的思考题,什么是电力系统的稳定问题？什么是功角稳定和电压稳定？电力系统送端和受端稳定的特点是什么？常用的电力系统稳定计算的程序都有哪些？各有什么特点？大停电的影响是什么？什么是电力系统的三道防线？简述提高电力系统静态稳定和暂态稳定的主要措施有哪些？什么是电网可用输电能力（ATC）？,THE END,