電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術研究

趙選宗，雷鳴，李靖，喬立同，廖大鵬，劉軍

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術研究

趙選宗，雷鳴，李靖，喬立同，廖大鵬，劉軍

（山東電力調(diào)度控制中心，山東濟南250001）

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)離線安全穩(wěn)定分析計算量大，計算結果較為保守且與實際運行方式差別較大，而電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術直接采用當前電網(wǎng)實時運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，更加符合當前電網(wǎng)實際情況。調(diào)研了在線安全穩(wěn)定分析技術的應用現(xiàn)狀，詳細介紹在線安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)的基本原理及構成模塊，深入分析各個模塊的運行方式和主要作用，最后通過對山東電網(wǎng)主網(wǎng)架線路跳閘后的系統(tǒng)特性進行在線安全穩(wěn)定計算和分析，并與WAMS系統(tǒng)實際采集結果進行比較，驗證了在線安全穩(wěn)定分析計算的準確性和可靠性。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)；調(diào)控運行；離線研究分析；在線安全穩(wěn)定分析；實時態(tài)；研究態(tài)

0 引言

近年來，隨著特高壓輸電技術的全面推廣，我國電網(wǎng)進入了特大型交直流混聯(lián)電網(wǎng)的新時期，電網(wǎng)特征、運行特性等都將發(fā)生重大變化。2014—2015年，國家電網(wǎng)公司將開工建設錫盟—山東、上海廟—山東、榆橫—山東等特高壓交、直流輸電工程。2020年，山東電網(wǎng)將建成“三交三直”特高壓工程。屆時，山東電網(wǎng)交直流系統(tǒng)相互耦合、特高壓系統(tǒng)與500 kV電網(wǎng)相互制約的問題更加突出，大電網(wǎng)穩(wěn)定風險將會進一步增加；同時隨著新能源發(fā)電的不斷建設和逐步延伸，500 kV層面遠距離電源和大容量送電規(guī)模持續(xù)增長，電網(wǎng)穩(wěn)定裕度將呈下降趨勢；清潔能源季節(jié)性、隨機性特點的影響也將日益顯著，使得電網(wǎng)潮流復雜多變，電網(wǎng)控制難度進一步增加；另外，用電側分布式電源和微電網(wǎng)的接入及大用戶直供的全面開展等都將對電網(wǎng)實時調(diào)控運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)［1］。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性也變得越來越重要，因此電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析技術成為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要手段之一［2-5］。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析采用離線計算手段，主要用于電網(wǎng)規(guī)劃研究、年度方式研究、檢修方式安排、穩(wěn)定控制策略研究等方面，通常選用一些具有典型性、代表性的電網(wǎng)方式，例如夏季大方式、冬季小方式、水電大發(fā)及枯水方式、正常方式和檢修方式等。由于傳統(tǒng)離線計算都是基于極端典型方式，計算中往往又留有較大裕度，計算條件與實際運行情況可能差別較大，導致多數(shù)情況下計算結果趨于保守。對于日常調(diào)度運行或穩(wěn)定控制策略來說，過于保守的計算結果將使電網(wǎng)運行效益降低，不利于提高電網(wǎng)輸電能力。另外，繁重的計算量也令運行方式人員不堪重負。為了能夠更精確地獲得最匹配當前電網(wǎng)方式的安全穩(wěn)定分析結果，電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術越來越得到電網(wǎng)運行人員的重視和歡迎。

近年來，國內(nèi)外對在線安全穩(wěn)定分析和控制策略方面進行了深入的探索和研究［6-9］。電網(wǎng)穩(wěn)定分析計算技術的發(fā)展情況如圖1所示。現(xiàn)今的技術水平完全可以實現(xiàn)電網(wǎng)的在線安全評估及穩(wěn)定決策。在線方式下的仿真計算，直接采用當前電網(wǎng)實時的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，分析結果符合當前電網(wǎng)實際，避免了離線方式造成的結果過于保守，又能使運行方式人員從繁重的計算工作中解脫出來，對電網(wǎng)日常的調(diào)度運行與控制具有重要的實際意義。

圖1 電網(wǎng)穩(wěn)定分析計算技術的發(fā)展

1 國內(nèi)外在線安全穩(wěn)定分析應用現(xiàn)狀

電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定分析模塊地開發(fā)和建設是一項長期復雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了多學科、多專業(yè)領域的理論技術，包括電網(wǎng)建模與仿真、穩(wěn)定分析以及并行計算等領域的新技術，同時還要綜合考慮對現(xiàn)有資源的充分利用和有機集成，如目前已有的EMS、離線方式計算系統(tǒng)、離線安全分析計算軟件以及并行計算平臺等［10-13］。

2003年8月14日美加大停電事故后，不少國家開始研究在線動態(tài)預警技術［14］，但投入工程應用的只有中國和美國。美國最大的PJM電網(wǎng)于2006年提出了建設在線動態(tài)穩(wěn)定評估系統(tǒng)的設想，2007年初步建成，2009年進行了一次功能擴展，2011年投入調(diào)度運行，目前具備在線靜態(tài)分析和暫態(tài)分析計算功能，適應于電力市場的運行調(diào)度，對指導電網(wǎng)的調(diào)度運行發(fā)揮了重要作用。與之相比，國內(nèi)研發(fā)的在線安全穩(wěn)定分析及預警系統(tǒng)的工程化和應用化水平更高，具體對比見表1、表2。

人員配置方面，美國PJM專門設立在線分析崗位，在PJM總部和下轄的13個州及美國華盛頓特區(qū)均設置該崗位，并按值輪換，主要職責包括：在線計算技術支持、實時計劃和決策計算、突發(fā)事件評估分析、電壓穩(wěn)定研究、電網(wǎng)阻塞評估等。此外，專門設置了24 h在線的電力系統(tǒng)資深專家，協(xié)調(diào)解決疑難問題。

數(shù)據(jù)維護方面，建立穩(wěn)定分析模型維護機制，美國PJM遵循一次設備“誰擁有、誰維護”原則，建立了相應模型更新的管理辦法，各設備擁有者通過統(tǒng)一格式將模型上報給PJM，由PJM處理后反饋給下級調(diào)度機構。除原有系統(tǒng)維護人員外，針對在線計算各級調(diào)度機構均設置了數(shù)據(jù)維護崗位。

歐洲在研究電網(wǎng)的在線動態(tài)預警系統(tǒng)方面，尚處在數(shù)據(jù)平臺研制階段，面臨的主要問題是現(xiàn)行國際標準CIM／XML效率太低；而國內(nèi)研發(fā)的CIM／E技術，模型數(shù)據(jù)文件縮小近10倍，處理效率提高100多倍，詳見表3。目前已提交為IEC國際標準的新標準提案。

2 在線安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)的基本原理及構成

基于在線潮流數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)，針對計算分析過程中遇到的各類需求與習慣，為用戶提供了一整套的自動化工具，包括基礎數(shù)據(jù)準備與質(zhì)量檢查，潮流計算和快速調(diào)整、穩(wěn)定評估、輔助決策，計算結果的深度分析等內(nèi)容，覆蓋了電力系統(tǒng)研究過程的所有環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)可在線跟蹤電網(wǎng)實際運行工況，對靜態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)安全穩(wěn)定及斷面極限、小擾動、短路電流和孤網(wǎng)安全等進行實時分析和控制決策支持，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的可視化監(jiān)視和調(diào)度輔助決策，提高運行決策的科學性、預見性，通過友好的人機界面向運行人員提供當前方式下電網(wǎng)預防控制措施，為未來實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定控制奠定基礎。

在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)屬于智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)D5000實時與監(jiān)控類應用，其在D5000系統(tǒng)平臺中的位置如圖2所示。系統(tǒng)建設遵循“統(tǒng)一分析，分級管理”原則，包含實時態(tài)和研究態(tài)兩個模塊，采用統(tǒng)一計算數(shù)據(jù)，各級調(diào)度負責調(diào)度管轄電網(wǎng)內(nèi)的安全穩(wěn)定分析任務，分析結果實現(xiàn)全網(wǎng)共享，同時根據(jù)需要開展在線聯(lián)合分析工作。

表1 國調(diào)系統(tǒng)與PJM電網(wǎng)調(diào)度中心在線安全分析應用水平比較表

表2 國調(diào)系統(tǒng)與PJM電網(wǎng)調(diào)度中心在線安全分析應用計算情況比較表

表3 現(xiàn)行國標CIM／XML與國內(nèi)研發(fā)的CIM／E技術計算效率比較表

圖2 在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)在D5000平臺中的位置

在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)包括實時態(tài)模塊和研究態(tài)模塊，兩者都包括靜態(tài)安全分析、靜態(tài)穩(wěn)定分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、動態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、短路電流計算等六大類計算功能，其主要差別在于啟動周期不同，其余功能基本相同，體系結構可參見圖3所示。

實時態(tài)模塊在線跟蹤電網(wǎng)實際運行情況，每15min定期對電網(wǎng)運行展開六大類計算分析和預防控制決策支持（靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析、短路電流分析、靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析、穩(wěn)定裕度評估分析等），實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的可視化監(jiān)視和在線輔助決策，向調(diào)度運行人員提供當前運行方式下的電網(wǎng)預防控制措施方案，給出穩(wěn)定極限和調(diào)度策略，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

圖3 在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)體系結構

研究態(tài)模塊則是選擇調(diào)度運行人員關心的斷面數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)存在的靜態(tài)、暫態(tài)以及動態(tài)等問題作詳細研究，尋找系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)等安全穩(wěn)定問題的成因，研究解決問題的根本方法，達到在當前運行狀態(tài)下優(yōu)化系統(tǒng)運行、提高系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的目的。

在線安全穩(wěn)定分析系統(tǒng)通過整合設備參數(shù)、故障集、電網(wǎng)實時信息等相關數(shù)據(jù)［15］，進行電網(wǎng)的基態(tài)潮流掃描、靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、動態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、短路電流分析，同時計算電網(wǎng)關鍵斷面的穩(wěn)定裕度，并對裕度較低的穩(wěn)定運行情況提示告警，給出相應輔助決策，調(diào)整電網(wǎng)運行在一個安全、穩(wěn)定的裕度范圍內(nèi)。

2.1 數(shù)據(jù)整合

通過接收狀態(tài)估計提供的電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)、靜態(tài)模型數(shù)據(jù)和方式計算提供的電網(wǎng)動態(tài)模型參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)匯集和整合計算生成在線分析應用所需要的計算數(shù)據(jù)，形成準確合理的電網(wǎng)運行工況，為各類穩(wěn)定分析應用提供在線整合潮流數(shù)據(jù)。

計算數(shù)據(jù)方面，遵循“源端維護，計算數(shù)據(jù)統(tǒng)一下發(fā)”原則，華北、華中區(qū)域內(nèi)省級以上調(diào)控機構使用國調(diào)中心統(tǒng)一下發(fā)的全網(wǎng)計算數(shù)據(jù)，其他區(qū)域內(nèi)省級以上調(diào)控機構使用分中心統(tǒng)一下發(fā)的全網(wǎng)計算數(shù)據(jù)。

2.2 靜態(tài)安全分析

靜態(tài)安全分析基于當前電網(wǎng)運行方式，對系統(tǒng)中所有元件進行靜態(tài)N-1開斷或指定預想故障集進行開斷潮流分析，確定在靜態(tài)N-1故障條件下或指定預想故障集過后系統(tǒng)是否存在過載的線路或變壓器和電壓越限的母線等，并給出相應的輔助措施，確保N-1開斷后潮流均不越限。靜態(tài)安全分析假定故障后系統(tǒng)再次進入穩(wěn)定狀態(tài)，對其進行潮流計算，根據(jù)潮流結果評估各監(jiān)視設備的過載情況，它是傳統(tǒng)靜態(tài)N-1故障條件下的靜態(tài)安全分析的延伸。圖4為靜態(tài)安全分析導引圖，給出了各類過載情況下相關的過載信息。

圖4 靜態(tài)安全分析導引圖

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定分析

暫態(tài)穩(wěn)定分析包括暫態(tài)功角、暫態(tài)電壓和暫態(tài)頻率分析，可以判別系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)頻率穩(wěn)定性，并針對失穩(wěn)故障或故障后阻尼比較低故障給出相應輔助措施。通過對仿真曲線進行數(shù)據(jù)挖掘，給出每個預想故障的暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度和主導模式、暫態(tài)電壓和頻率安全穩(wěn)定裕度和主導模式，為調(diào)度員提供在線監(jiān)視暫態(tài)電壓和頻率安全穩(wěn)定水平的手段。暫態(tài)穩(wěn)定分析相關信息如圖5所示。

圖5 暫態(tài)穩(wěn)定評估功能導引圖

2.4 電壓穩(wěn)定分析

電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在特定運行條件下，依據(jù)預先設定及人工提交的斷面數(shù)據(jù)、各設備動態(tài)參數(shù)（考慮與電壓穩(wěn)定性密切相關的動態(tài)元件特性，包括有載調(diào)壓變壓器、發(fā)電機定子和轉子過流限值、過勵和低勵限值等），經(jīng)受一定擾動后（如設備停運、負荷或發(fā)電變動等），各節(jié)點維持合理電壓水平的能力，是電力系統(tǒng)動態(tài)安全評估的重要組成部分。

電壓穩(wěn)定評估方法可分為基于靜態(tài)潮流的分析方法和基于時域仿真的分析方法，前者主要采用PV曲線技術分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性，這是一種實用的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法，通過建立監(jiān)視節(jié)點電壓和一個區(qū)域負荷或斷面?zhèn)鬏敼β手g的關系曲線，判斷區(qū)域負荷水平或傳輸斷面功率水平導致整個系統(tǒng)臨近電壓崩潰的程度，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性；后者通過求解微分代數(shù)方程，判斷大擾動下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，分析結果稱為系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

電壓穩(wěn)定評估分為實際電壓穩(wěn)定評估及故障后電壓穩(wěn)定評估，給出電壓的穩(wěn)定裕度，以及裕度最小的敏感元件，同時給出相應的故障信息，如圖6所示。

圖6 電壓穩(wěn)定評估功能導引圖

2.5 小擾動穩(wěn)定分析

小擾動穩(wěn)定分析，分析電網(wǎng)受到小擾動后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下保持運行穩(wěn)定的能力，判斷斷面潮流的動態(tài)穩(wěn)定性。小擾動穩(wěn)定分析功能應分析計算全網(wǎng)振蕩模式和阻尼比，并從中篩選出最關鍵的若干主導振蕩模式，給出當前運行方式下系統(tǒng)存在的低頻振蕩模式，給出阻尼比、振蕩頻率和參與元件等信息，得出系統(tǒng)小擾動的動態(tài)穩(wěn)定性結論，同時給出提升阻尼比水平的輔助措施，如圖7所示。

圖7 動態(tài)穩(wěn)定評估功能導引圖

2.6 短路電流分析

短路電流分析是在某種故障下，求出流過短路點及各支路的故障電流，確定系統(tǒng)中各廠站的短路電流水平和短路容量。短路電流計算通過先求解網(wǎng)絡節(jié)點導納矩陣，再根據(jù)指定的短路節(jié)點，求取該節(jié)點在阻抗矩陣中對應的一列元素，該列阻抗元素包含節(jié)點的自阻抗和與全網(wǎng)其它節(jié)點互阻抗，由此就可以求出該節(jié)點的短路電流及全網(wǎng)其它節(jié)點的短路電壓及其它支路的短路電流。而流經(jīng)斷路器的短路電流功能主要是通過分析短路母線所屬廠站內(nèi)部的設備連接關系，確定某物理母線短路后各斷路器上的電流。在潮流文件中，母線為邏輯母線；一條邏輯母線可以對應有多條物理母線，物理母線之間通過開關設備連接成通路。

短路電流分析包括實時運行情況下短路電流分析以及故障后短路電流評估，相關信息如圖8所示。

圖8 短路電流分析功能導引圖

2.7 穩(wěn)定裕度評估

穩(wěn)定裕度評估用來評估電網(wǎng)斷面的穩(wěn)定水平，分別計算指定斷面的靜態(tài)穩(wěn)定極限、暫態(tài)穩(wěn)定極限和熱穩(wěn)定極限，將三者的最小值作為斷面的傳輸極限，并計算相應的穩(wěn)定裕度，可以應用于實時監(jiān)控、檢修計劃安排、發(fā)電安排等多個方面，為電網(wǎng)運行操作提供依據(jù)，相關邏輯如圖9所示。

圖9 穩(wěn)定裕度評估應用功能模塊及數(shù)據(jù)邏輯關系

3 仿真分析

2013年某日，山東局部地區(qū)有雷雨天氣，統(tǒng)調(diào)用電負荷較高。16∶12∶07，500 kV聊長Ⅱ線跳閘，AC相故障，兩側兩套線路主保護動作；16∶12∶11，500 kV聊長Ⅰ線跳閘，BC相故障，兩側兩套線路主保護動作；山東電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)架結構遭到一定程度的破壞。以此故障為例，對500 kV聊長雙線相繼跳閘時，系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓安全性和暫態(tài)頻率安全性進行仿真計算，結果如圖10所示，并與WAMS系統(tǒng)中記錄的實際曲線進行了對比。

圖10 各種情況下的仿真結果

由圖10可見，500 kV聊長雙線相繼跳閘時系統(tǒng)的暫態(tài)功角、暫態(tài)電壓和暫態(tài)頻率均不會失穩(wěn)，且有較大的穩(wěn)定裕度，相關敏感機組的功角、敏感母線的電壓及頻率經(jīng)過兩次波動后，均能過渡到新的或恢復到原有的穩(wěn)定運行狀態(tài)。同時，DSA離線計算曲線與WAMS實際曲線的一致性證明了DSA離線計算模塊的準確性。

4 結語

電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術實現(xiàn)了更短周期的方式計算。目前，在年度典型方式下，為了兼顧較長時間區(qū)間內(nèi)可能出現(xiàn)的特性各異的運行方式，必須將運行控制要求限制在相容交集中，大大制約了輸電能力的挖潛。同時，由于電網(wǎng)結構和開機方式多變，實際運行中可能出現(xiàn)比典型方式更為惡劣的情況，存在巨大的安全風險。通過在線安全穩(wěn)定分析可以大大縮短計算周期，解耦不同運行時段之間控制要求的矛盾，為電網(wǎng)的運行提供更加科學有效的依據(jù)。

電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術實現(xiàn)了真正意義上與運行控制有機銜接的計劃校核。日前輸電計劃編制是以發(fā)電計劃、負荷預測和檢修計劃為依據(jù)，重點是有功計劃，大多僅進行經(jīng)驗性評估，誤差較大。通過在線分析技術可結合相似日、相同時段的基礎潮流數(shù)據(jù)，形成日前計劃潮流方式，實現(xiàn)全網(wǎng)各斷面有功計劃的量化安全校核，同時，還可以解決無功計劃不詳實問題，為無功計劃的統(tǒng)籌安排提供手段。

電力系統(tǒng)在線安全穩(wěn)定分析技術為事故處理提供了科學決策。目前的電網(wǎng)事故應急處置通常按照“各負其責、分層處理、逐級協(xié)調(diào)”的模式，參照基于離線分析計算確定的事故處理預案，結合運行經(jīng)驗，進行事故處置。對于密切耦合的大電網(wǎng)，為了避免相互沖突的事故處置，需要建立協(xié)調(diào)運作的運行控制體系；對于離線方式計算沒有考慮到的嚴重故障情況，需要科學智能化的分析手段，擺脫傳統(tǒng)經(jīng)驗化的處置方式。基于在線安全穩(wěn)定分析平臺，可依據(jù)實際運行工況或超短期預測編制事故預想，可為多重故障提供臨時限額依據(jù)，可實現(xiàn)多級調(diào)度一體化的分析與決策。

具有強自適應能力的在線安全穩(wěn)定分析及輔助決策系統(tǒng)，將成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行必不可少的支柱。調(diào)控運行人員可以全方位、不間斷、全周期地監(jiān)視電網(wǎng)運行情況，有助于實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的實時監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)各種運行方式存在的問題，能夠及時提出有針對性的改進或預防措施，對提高電網(wǎng)調(diào)度的安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。該系統(tǒng)為調(diào)度運行部門提供一種有效、快速、可靠的分析評價手段，為實現(xiàn)由倒閘操作與運行控制并重的經(jīng)驗型調(diào)度向電網(wǎng)安全分析決策的科學智能型調(diào)度轉變，實現(xiàn)調(diào)度業(yè)務轉型升級，提供了堅實的基礎。

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Research and Analysis on Online Security and Stability of Power System

The traditional offline analysis for the power system security and stability has a large amount of calculation，and the conservative calculation results are different from the actual operation mode.In contrast，the power system online security and stability analysis accords with the actual power by using the current power grid operation state and data.In this paper，the application situation of the online analysis was investigated，the component modules and basic principles of the online security and stability analysis system were introduced，the operation mode and main function of each module were analyzed，and system characteristics of Shandong Power Grid after line tripping were calculated and analyzed finally.The comparison between the calculation results and the actual acquisition results by the WAMS system verified the high accuracy and reliability of online security and stability analysis.

modern power system；dispatch and control operation；offline research and analysis；security and stability online analysis；real-time state；research state

TM712

：A

：1007－9904（2014）05－0006－07

2014-05-04

趙選宗（1985—），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度運行分析工作。