电力系统安控.ppt

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1、第4章 电力系统的安全控制,电力系统是一个复杂的非线性动态的系统，各种扰动引起的响应也是非常复杂的，分析电力系统在扰动下的暂态和动态行为，确定适当的对策，包括各种措施，是电力系统设计与运行的重要的任务之一。本章主要介绍了电力系统的各种运行状态及其安全控制。主要内容包括以下几个部分:,4.1电力系统的安全性与运行状态4.2电力系统的安全分析 4.3电力系统各种状态的安全控制4.4电力系统广域同步向量测量(了解),4.1电力系统安全性与运行状态一、安全性的概念 安全性是指电力系统处于某种运行状态，在各种扰动条件下，防止扰动导致全部或部分停电的能力，以及在更多扰动下导致停电时恢复供电的能力。,二、电

2、力系统的运行状态 电力系统的运行状态必须满足两个条件：（1）系统中任意节点的有功功率与无功功率平衡。（负荷条件的约束）（2）系统中各节点或各元件的某些电气参数不应超过允许偏差（运行条件的约束）,用数学表达式表示：1、负荷约束条件：一个包含n个节点（或母线）的系统，负荷的约束条件：,2、运行约束条件：各节点电压的幅值，相位角，系统频率，各支路的潮流，发电机组的功率等应在一定的范围内。,根据以上约束条件满足的程度，电力系统的运行状态可以分为以下几种：1、正常状态 所有的约束条件均满足，同时还应具有足够的备用裕度，承受各种预计的扰动，不产生有害的后果。）2、警戒状态（预防控制）各种约束条件均能满足，

3、但随时可能由于一个偶然的事故使某些不等式约束被破坏。即在扰动情况下电力系统的备用裕度和安全水平下降，进入警戒状态。一般，警戒状态被包含在正常状态里。3、紧急状态 此状态下，运行约束条件不能完全满足。紧急状态可以是静态的，此时系统的某些参数超出允许的范围，如某些设备过负荷、某些节点的电压过低等，这些参数可以暂时维持不变，电力网一般仍能保持完整性。,紧急状态可以出现以下两种危机：稳定性危机。电力系统暂态过程积蓄的能量可能破坏其稳定性，不能再回到初始状态或停留在一个允许的新状态，这个过程很短，如几秒钟。针对稳定性危机的紧急控制称为稳定性控制通过稳定性控制可以使系统恢复正常状态，也可使系统暂时稳定于另

4、一个状态，即恢复状态。持久性危机 局部或整个电力系统的有功功率不平衡，导致运行参数大幅度偏离正常值，可能破坏对用户的持续供电，这个过程历时较长。如几秒至几分钟。针对持久性危机的紧急控制称为校正控制，如控制电压和无功功率、切机或限制发电机的出力、限制负荷和系统解列等以使系统恢复到正常状态或恢复状态保持对用户的供电。,4、恢复状态 此状态下，系统的参数一般尚能符合运行约束条件，但可能已损失部分或全部负荷或电网某些部分已解列，通过紧急处理后，系统的运行状态虽然不再继续恶化，但正常状态尚未确立。三、安全控制方式1、预防控制：（正常状态的安全控制或静态安全控制）处于安全状态的电力系统受到某种扰动时，可能

5、转入警戒状态。通过一些必要的控制如调整发电机的端电压或出力、切除线路等，使系统转入安全状态。这种控制一般由调度部门的EMS来实施。2、紧急控制：（预测控制、紧急状态下安控、动态安全控制）电力系统为维持稳定运行和持续供电，必须采取必要的控制措施。3、恢复控制：恢复状态下系统的完整性一般受到破坏，因而需要恢复控制，其包括起用备用设备、增加发电机组的功率、重新投入被切机组、用户和线路等。电力系统的正常控制、紧急控制和恢复控制统称为安全控制。,四、电力系统运行状态的转换,五、电力系统静态安全水平,六、电力系统运行稳定性分类 系统的稳定破坏可能导致系统瓦解和大面积停电等灾难性事故，造成巨大损失。一般将电

6、力系统的稳定性分为三种：角度稳定性、频率稳定性、电压稳定性1、角度稳定性。指电力系统中同步发电机在受到扰动后，发电机组的机械输入和电功率输出之间产生短时的不平衡，使并列运行的各发电机组转速发生不同的变化，因而出现发电机转子间角度的相互摆动，以及电压、电流、功率等电气量的周期性变化。如果这种摆动逐渐衰减直至消失，则称系统保持了角度稳定性。2、频率稳定性。电力系统频率在其允许的范围内认为频率是稳定的。如果电力系统或被解列后的局部系统，出现较大的有功功率缺额时，频率会大幅度下降，若不能采取紧急措施，则可能导致频率崩溃，失去频率稳定性。3、电压稳定性。指电力系统在正常情况下或遭受扰动后，能否在所有节点

7、维持可接受的电压能力。因为扰动、负荷增加或系统状态变化，引起电压损耗不断增加，系统就有可能进入电压不稳定状态，甚至引发电压崩溃。,七、电力系统安全控制的几个层次1、安全监视。安全监视是SCADA系统的主要功能，是对电力系统的实时运行参数（频率、电压、潮流等）以及断路器、隔离开关等的状态进行全过程的连续监视，当出现参数越限和开关变位时进行报警，而由运行人员进行适当的调整和操作。2、安全分析。安全分析是在安全监视的基础上，对电力系统的安全状态做出安全评价，即对各种可能发生的假想事故进行快速的计算分析。如发现在可能发生的事故中会出现不安全的状态，则由运行人员根据显示出的分析结果进行必要的调整控制，以

8、改善运行水平。3、安全控制。安全控制是为了保证电力系统安全运行所进行的调节、校正、控制。,4.2电力系统安全分析 电力系统的安全分析包括静态安全分析和动态安全分析。静态安全分析只考虑假想事故后稳定运行状态的安全性，不考虑当前运行状态向事故后稳态运行状态的动态转移。动态安全分析是对事故动态过程的分析，着眼于系统在假想事故中有无失去稳定的危险。一、静态安全分析 电力系统静态安全分析是应用电力系统的实时数据，对一组可能出现的假想事故进行分析的在线模拟计算过程，用以校核事故后稳态电力系统运行方式的安全性，以便预先使运行人员提高警惕或采取措施。静态安全分析主要包括预想故障分析和安全约束调度。这里主要介绍

9、预想故障分析。预想故障分析是对一组可能发生的假想故障进行在线的计算分析，校核这些故障后电力系统稳定运行方式的安全性，判断出各种故障对电力系统安全运行的危害程度。,预想故障分析可分为三部分：故障定义、故障筛选、故障分析（快速潮流计算）1、故障定义 通过故障定义可以建立预想故障的集合。一个运行中的电力系统，假想其中任意一个主要元件损坏或任意一台断路器跳闸，都是一次故障。预想故障集合主要包括以下各种开断故障：（1）单一线路开断；（2）两条以上线路同时开断；（3）变电站回路开断；（4）发电机回路开断；（5）负荷出线开断；（6）以上各种情况的某种组合。2、故障筛选 预想故障现象可能比较多，应该将这些故障

10、按其对电网的危害程度进行筛选和排队，然后再由计算机按此队列逐个进行快速仿真潮流计算。,3、故障分析 故障分析是对预想事故集合里的预想故障进行快速仿真潮流计算，用以确定故障后系统的潮流分布和危害程度。快速仿真潮流计算的方法有直流潮流法、PQ分解法、等值网络法等这里主要介绍直流潮流法。直流潮流法（查用直流潮流法进行电力系统静态安全分析，作者：闵尊南）,（一）基本原理 直流潮流法的特点是将电力系统交流潮流（有功功率和无功功率）用等值的直流电流来代替，甚至用直流电路的解法来分析电力系统的有功潮流，而根本不考虑无功分布对有功的影响，计算速度快，但准确度差。,如下图所示的输电线路：,若令,代入上式，则有：

11、,由于此类潮流计算要求计算速度快，所以进行三个简化：（1）考虑到一般高压电网中线路，对地电纳忽略，有，。（2）按标幺值计算时，节点电压与额定电压相差不大，故有（3）线路两端电压相角差 很小，故有：,所以上述有功功率的表达式可以简化为,应用：例：如下图所示的5节点的网络结构图，网络参数如图中所示，用直流法计算潮流分布（取节点2为基准点）。要求：（1）并与测量值（如图括号内所示）进行比较。（2）若-因故障断开，并且-线路额定负载为2.0，则重新求潮流分布，-线路是否过载？（3）若减少节点发电机的出力，若由5.0减少为4.0，则-线路是否过载？要减少多少出力，线路-线路不过载？,2、动态安全分析(了

12、解)稳定性事故是涉及电力系统全局的重大事故，对于复杂的电力系统，稳定性分析的方法也不少，如模式识别法、李雅普诺夫法、扩展等面积法等。1、模式识别法,模式识别法主要包括以下两个内容：特征量的抽取；识别函数的建立。,应用模式识别法可分为以下几步：1）确定样本（对具体的分类对象，要确立维数为N的模型向量Xi，求其分类情况，构成样本集）(如选择若干典型的电力系统运行方式，进行离线稳定计算，确定哪些运行方式是稳定的，哪些是不稳定的，组成样本集。最好运用靠近稳定边界的样本，可以使计算次数减少。)2）特征量的抽取（特征量抽取是从模型向量的N个变量中抽取少量特征量组成n维特征向量，使维数大大降低，以使构成既简

13、单又有效分类器。）在电力系统的运行参数中，选择少数与电力系统稳定性有密集关系的运行参数，一般是部分母线的电压和相位角，也可以是线路的功率等其他参数。3）建立分类器（分类器的核心是识别函数，一个简单的识别函数可以是特征向量的线性函数：若，属于稳定模型。若，属于不稳定模型。,也可以采用二阶函数电力系统用二阶函数得到满意结果。,构成样本集的各种典型的运行方式，当然是全部符合稳定判别式的，但样本集并没有包括电力系统所有的运行方式和事故，因此要选择样本集以外的若干电力系统运行方式和事故形式组成试验样本集，检验判别式准确性，也可以进行修正。模式识别法突出优点是计算速度快，但离线计算工作量很大，为了抽取特征

14、量和建立识别函数，需进行大量的计算工作。,2、李雅普诺夫法 此法是从理论上分析，在模拟条件下进行试验尚未在电力系统在线控制中得到应用。所以只须了解李雅普诺夫对稳定性的定义及其判别定理。李雅普诺夫在1892年提出将一个动态的电力系统稳定性分为：稳定、渐近稳定和大范围的稳定三种主要形式，对于一个n维的自治系统，其定义分别如下：,设未受到扰动的原点为状态空间中的平衡点，即，如果对于任意实，及初始时间，存在一个实数，一般和、时间 有关，对于任何初始状态，在 任何时刻，系统运行均满足，则此系统是稳定的。,若系统是稳定的，并且运动从靠近原点处开始，随着时间，运动收敛到原点，即，则此系统是渐近稳定的。若系统

15、是渐近稳定的，并且运动起始点可以是状态空间中的任意一点，在 均收敛到原点，则此系统是大范围渐近稳定的。,对于上述自治系统，若，相应的李雅普诺夫电力系统稳定性定理如下：稳定性定理 若在原点附近存在标量函数，并且在这个区域内，则系统在原点是稳定的。渐近稳定定理 若在原点附近存在标量函数，并且在这个区域内，则系统在原点是渐近稳定的。大范围渐近稳定定理 若系统存在标量函数，有正定，并且 负定，并且 时，即 随，是无界的，则系统在原点是大范围渐近稳定的。李雅普诺夫电力系统稳定性定理不必求取系统微分方程的数值解，而可直接利用函数 及导数 来判断系统的稳定性。此法只停留理论研究，在实践中实现是非常困难的。,

16、3、扩展等面积法（不要求，感兴趣可以查资料）4.3各种状态的安全控制一、正常状态的安全控制 为保证电力系统正常运行时的安全性，做如下工作：（一）运行方式的编制及其安全校核 运行方式的编制是调度中心的一个重要内容，运行方式编制的合理性直接影响到电力系统的安全性和经济性，运行方式的编制是根据负荷预测的负荷曲线作出来的。对运行方式进行安全校核，就是应用计算机根据负荷、气象、检修等运行条件的变化，并假定一系列的事故条件，对未来某时刻的运行方式进行安全校核。,校核内容：1、总负荷的预测计算；2、变电所的负荷预测计算；3、设备定期检修计划计算；4、开停机计划计算；5、经济负荷分配计划计算；6、最佳后备出力

17、分配计算；7、潮流过负荷检查及其解决措施；8、稳定性检查及其提高措施；9、电压检查及改善措施；10、短路容量检查及改善措施；11、继电保护检查及整定值修正。,（二）正常运行时的安全监控（对电力系统进行不间断严密的监视，对运行参数（f U P Q）等）不间断的调整，始终保持尽可能最佳状态）（主要体现SCADA系统的功能）（三）对假想事故后果进行模拟分析。（四）进行预防性安全控制（对可能发生的事故会导致不安全状态所采取的调整控制措施）,二、紧急状态的安全控制（一）紧急状态的安全控制目的 迅速抑制事故及电力系统异常状态的发展和扩大，尽量缩小故障延续时间及其对电力系统其他非故障部分的影响。（二）紧急状

18、态安全控制的三个阶段1、事故发生后迅速而有选择地切除故障（继电保护和自动装置动作）2、防止事故扩大和保持系统稳定（提高系统稳定性措施）3、最后措施（电力系统解列）（三）紧急状态电力系统可能出现的情况,1、频率大幅度下降1）原因：大机组突然退出运行，或大负荷突然投入时，出力严重不足。2）采取的紧急控制措施：（1）立即增加具有旋转备用的发电机组的有功出力。（2）立即将调相运行的机组改发电运行。（3）立即将抽水畜能电站的抽水机组改发电运行。（4）迅速启动备用机组。（5）由低频减负荷装置根据频率降低程度自动分几轮切除不重要的负荷。（6）将发电厂内一台或几台机组与系统解列。（7）采用短时间内降低电压5%

19、8%的办法，利用负荷的电压效应自动减少负荷，缓和有功不平衡，抑制频率的下降。,2、电压大幅度下降1）原因：无功电源突然被切除或无功电源不足。2）采取的紧急控制措施：（1）加大发电机的励磁电流，增加发电机的励磁出力。（2）立即增加调相机的励磁电流，增加调相机的励磁出力。（3）立即投入并联电容器。（4）迅速调节有载调压变压器分接头用以维持电压。（5）起动备用机组（提高电压）。（6）在上述方法均无效时，可以将电压最低点的负荷解除 3、电力系统的过负荷1）原因：线路过负荷：某条线路故障，使其他线路过负荷。联络线过负荷：某系统突然丢失电源而过负荷。变压器过负荷：负荷突然增加，或某台变压器由于事故突然退出

20、运行。,2）采取的紧急控制措施：注意：系统过负荷紧急控制不同于传统的过负荷保护。传统的过负荷保护属于元件保护，以保护输变电设备本身而言。而系统过负荷的安全控制以保护系统安全为前提，用切除部分电源和负荷的方法，消除某些元件的过负荷。线路可以承受一个短时间的过负荷，这段时间可作为进行控制的整定时间，变压器过负荷控制更为简单，可直接跳开低压侧的部分负荷出现开关，切除部分负荷即可解除变压器过负荷。4、电力系统发生振荡稳定破坏1）原因：电力系统发生故障后，由于处理不及时使故障延续较长，导致电力系统稳定的破坏和引起电力系统的振荡，或者由于发电机突然失磁，电源间的非同期合闸等原因引起系统振荡。2）措施注：（

21、1）静态稳定电力系统受到小扰动后，不发生自发振荡或非同期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。,发电机输出的电磁功率（单机无穷大系统）静态稳定判据提高静态稳定的措施（发电机输出功率极限 越大，静态稳定性越高），从降低 入手。A)采用自动励磁装置（减小，使变为）B）减小元件电抗（减小线路电抗）a)采用分裂导线b)提高线路额定电压等级c)采用串联电容器补偿C）改善系统的结构（增加输电线路的回路数）,（2）动态稳定电力系统在某运行状态下，突然受到大的干扰后，能否经过暂态稳定运行过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。判稳：等面积法。(作业1:理解等面积法的基本原理?)措施：（功率差额是破坏暂稳

22、的主要因素）1）电力系统稳定控制器PSS(励磁控制器上附加一个控制信号)2）快速励磁(提高Eq)3）电气制动或电阻制动(作业2:从等面积法的角度如何考虑其原理?)4）快关汽门5）切除部分负荷6）切除部分发电机组7）再同步8）解列,三、恢复状态的安全控制 重大事故后，电力系统恢复过程是一个有序协调的过程，恢复状态的安全控制首先要使各独立运行部分的频率和电压都正常，消除各元件的过负荷状态，然后再将各解列部分重新并列，并重新恢复各用户的供电。大体分为三种：1、变电站的自动恢复2、发电厂的自动恢复3、电力系统的自动恢复四、总结1、电力系统各种运行状态及其相应的控制内容,2、电力系统安全控制全过程,4.4电力系统广域同步向量测量(了解,自学,省略)一、同步向量测量的基本原理二、向量测量单元的基本结构,