基于PSASP的電壓穩定性分析

初曉晨王蕾

（四川省電力公司資陽公司，四川 資陽 641300）

近年來，全球電力系統多次發生電壓崩潰事故，使得電壓穩定問題的研究在世界引起廣泛關注。電力系統電壓穩定性分析要解決以下問題：判斷系統在某一運行狀態下，電壓是否穩定；給出系統在當前運行點的穩定裕度，也即當前運行點離電壓不穩定的距離；找出系統中電壓穩定的薄弱節點、支路和區域。

二、電壓穩定性的含義及分類

1、電壓穩定性的含義

電壓穩定性是指系統在受到擾動后，在系統特性和負荷特性的共同作用下能維持負荷點電壓運行在平衡點附近的能力。就問題的物理本質意義而言，電力系統的電壓穩定性是指系統在承受各種擾動后能夠維持負荷電壓于某一規定的運行極限之內的能力；就穩定性的物理表現而論，電力系統的穩定性是指其具有抑制各種擾動并恢復到原始穩定平衡狀態(小擾動穩定性)或過渡到新的穩定平衡狀態(大擾動穩定性)的能力。

2、電壓穩定性的分類

（1）電壓穩定可以按照擾動大小和時間框架分別進行劃分，按擾動大小分，電壓穩定可以分為小擾動電壓穩定和大擾動電壓穩定。其中，小擾動指的是諸如負荷的緩慢增長之類的擾動；大擾動指的是諸如系統事故、發電機被迫切除之類的擾動。

（2）按時間框架分，電壓穩定可以分為短期電壓穩定和長期電壓穩定。短期電壓穩定的研究對象主要是感應電動機、高壓直流輸電(HVDc)變流器等，時間范圍一般在幾秒以內：長期電壓穩定的研究對象主要是變壓器分接頭調節、發電機勵磁限流器等，時間范圍一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。

三、電力系統分析綜合程序PSASP的電壓分析功能

1、電力系統分析綜合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)是中國電力科學研究院自主研發的一套功能強大、使用方便的電力系統分析大型軟件包，包括電壓穩定性分析模塊。本文基于PSASP，對電網進行了靜態電壓穩定性分析，指出了系統中的薄弱節點、薄弱區域。

2、PSASP電壓穩定計算的主要功能和特點

(1)可考慮負荷發電機及其勵磁系統有載調壓變壓器分接頭(OLTC)等與電壓穩定性密切相關的動態元件特性；

(2)可求出對應于指定系統過渡方式的電壓穩定極限(穩定裕度)；

(3)常規潮流計算方法與兩種改進病態潮流計算方法結合可得到完整的P-V（Q-V）曲線；

(4)可分別在系統初始穩態運行點和電壓穩定極限點進行模態分析確定系統的關鍵節點和關鍵區域；

(5)可求出系統初始穩態運行點和電壓穩定極限點處各節點的電壓-功率(系統總功率)靈敏度；

(6)可通過P-V(Q-V)曲線監視系統電壓穩定極限的計算過程；

(7)可在系統單線圖上計算系統電壓穩定極限進行模態分析。

3、PSASP采用模態分析方法來判別系統的薄弱節點和薄弱區域。分別在初始穩態運行點和電壓穩定極限點進行模態分析，求出各節點對主導電壓失穩模式的參與因子，根據參與因子的大小可確定系統的薄弱節點和薄弱區域。參與因子越大則表明該節點的功率變化對電壓穩定性影響越大，也就說明此節點越薄弱。

4、負荷模型和發電機出力方式的確定在進行電壓穩定性計算時，負荷模型采用40%恒阻抗+60%恒功率的靜態負荷模型，不考慮負荷的頻率特性。負荷增長方式為：全系統各負荷保持當前狀態時的功率因數和比例不變，同步增長至電壓穩定極限點；發電機出力按照當前狀態的比例不變，同步增長；在迭代過程中，若發電機無功出力越界，則將PV節點轉化為PQ節點。

四、電力系統電壓穩定的研究方法

電力系統電壓穩定的研究主要在以下幾個方面:分析當前系統運行點與電壓失穩點的距離或電壓穩定裕度的大小；分析可能引發系統電壓失穩的薄弱節點或薄弱區域；研究防止系統電壓失穩的控制策略：對于大干擾電壓穩定進行故障選擇和篩選，研究影響電壓穩定的故障極限切除時間：當需要切負荷時，快速計算為保持電壓穩定所應切除的負荷量以及負荷的極限切除時間。

1、求取系統小干擾電壓穩定極限的算法

（1）在給定的初始運行狀態及過渡方式下，系統小干擾電壓穩定極限的求解過程可以描述為：從系統被研究的穩態運行點開始，按一定步長不斷增加k的取值，然后進行潮流計算，同時考慮各種約束條件，采用小干擾電壓穩定新判據判別系統的穩定性直至得到系統電壓穩定極限。采用逐步搜索計算電壓穩定極限，并在每個搜索步上采用預估-校正算法，以提高求解速度 。

（2）校正算法可以是綜合程序PSASP現有的適合于不同特性網絡的各種潮流解法。隨著系統運行方式的不斷惡化，校正時所用的潮流解法可能不收斂，即出現病態潮流問題，對此可選擇改進潮流算法來消除奇異點或將奇異點移到電壓低于最大負荷點電壓的區域。改進算法實際是通過增加各個節點與主導節點之間的虛擬支路來克服常規潮流算法的病態問題。改進算法實際為算法的推廣，并給出了選擇更好的數值函數提高算法收斂性的余地。改進算法僅需對潮流雅可比矩陣做簡單修正沒有增加矩陣的維數，并基本保持了雅可比矩陣的稀疏性，計算效率比較高。

（3）為了得到完整的P-V(Q-V)曲線，可在改進潮流算法不收斂后，再次切換到常規的潮流算法。常規的潮流算法和改進潮流算法相結合，可得到完整的P-V(Q-V)曲線。

2、確定系統關鍵節點和關鍵區域

（1）由于根據電壓穩定極限所得出的裕度指標僅是系統的一個全局安全指標，它并不能給出系統的關鍵節點(薄弱節點)和關鍵區域(薄弱區域)等信息，因而還不能為實際系統運行提供全面的指導信息例如當系統的電壓穩定裕度較低時可選擇在某些地點裝設無功補償裝置以改善系統的電壓穩定性另外在某些重負荷情況下為防止系統發生電壓崩潰，在系統無功補償裝置都已投入的情況下，應在某些關鍵節點緊急切負荷，以使系統的電壓穩定性滿足所能接受的水平。最佳無功補償裝置設置點和最佳切負荷點實際均為系統電壓穩定性最薄弱的節點。

（2）很多電壓穩定性指標都可提供有關系統弱節點、弱區域的信息。由于現有的判別系統弱節點、弱區域的方法都是基于常規潮流雅可比矩陣的。并不是基于系統的狀態方程系數矩陣，因而所得出的結果并不嚴格基于發電機負荷靜態化雅可比矩陣JS，PSASP采用模態分析方法來判別系統的弱節點和弱區域，這相當于近似考慮了與電壓穩定性密切相關的動態元件特性。

可分別在初始穩態運行點和電壓穩定極限點進行模態分析，求出各節點對主導電壓失穩模式的參與因子，根據參與因子的大小，可確定系統的薄弱節點和薄弱區域。參與因子越大，則表明該節點功率的變化對電壓穩定性影響越大。由于通常情況下，初始穩態運行點的電壓穩定裕度較高，故在電壓穩定極限點或重負荷運行方式下的模態分析結果可能更有實際意義。

（3）另外，在計算電壓穩定極限的過程中，還可計算出各母線的電壓對系統總功率的變化率，即電壓-功率靈敏度，根據該靈敏度由大到小也可確定系統的薄弱節點和薄弱區域。由于是基于靜態的潮流方程計算電壓-功率靈敏度，所以該靈敏度反映的是由于系統網絡特性所決定的薄弱節點和薄弱區域，可能與考慮發電機及其勵磁系統的模態分析結果有較大差異。

結論

通過對電網的電壓穩定性分析，可以得出如下有意義的結論：(1)母線的電壓穩定性不僅同所帶負荷輕重有關系，而且同母線在網絡中的位置、電網的運行方式有關。(2)在負荷增加的過程中，電壓穩定的薄弱區域有可能發生轉移，運行人員不僅要監控當前運行狀態下最薄弱的母線，更要注意電壓穩定極限點時最薄弱母線的運行狀態。(3)線路的功率傳輸裕度較大，但有可能線路兩端母線的電壓波動范圍較小，運行人員也應該密切監控這些線路或母線的運行情況。(4)電力系統綜合分析程序PSASP的分析計算結果與電網運行運行實際相吻合，為電網規劃和安全穩定運行提供了依據。

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