基于PSASP的電壓穩(wěn)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(tǒng)多次發(fā)生電壓崩潰事故，使得電壓穩(wěn)定問題的研究在世界引起廣泛關(guān)注。電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析要解決以下問題：判斷系統(tǒng)在某一運(yùn)行狀態(tài)下，電壓是否穩(wěn)定；給出系統(tǒng)在當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)的穩(wěn)定裕度，也即當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)離電壓不穩(wěn)定的距離；找出系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定的薄弱節(jié)點(diǎn)、支路和區(qū)域。

二、電壓穩(wěn)定性的含義及分類

1、電壓穩(wěn)定性的含義

電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，在系統(tǒng)特性和負(fù)荷特性的共同作用下能維持負(fù)荷點(diǎn)電壓運(yùn)行在平衡點(diǎn)附近的能力。就問題的物理本質(zhì)意義而言，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在承受各種擾動(dòng)后能夠維持負(fù)荷電壓于某一規(guī)定的運(yùn)行極限之內(nèi)的能力；就穩(wěn)定性的物理表現(xiàn)而論，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指其具有抑制各種擾動(dòng)并恢復(fù)到原始穩(wěn)定平衡狀態(tài)(小擾動(dòng)穩(wěn)定性)或過渡到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)(大擾動(dòng)穩(wěn)定性)的能力。

2、電壓穩(wěn)定性的分類

（1）電壓穩(wěn)定可以按照擾動(dòng)大小和時(shí)間框架分別進(jìn)行劃分，按擾動(dòng)大小分，電壓穩(wěn)定可以分為小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定和大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。其中，小擾動(dòng)指的是諸如負(fù)荷的緩慢增長之類的擾動(dòng)；大擾動(dòng)指的是諸如系統(tǒng)事故、發(fā)電機(jī)被迫切除之類的擾動(dòng)。

（2）按時(shí)間框架分，電壓穩(wěn)定可以分為短期電壓穩(wěn)定和長期電壓穩(wěn)定。短期電壓穩(wěn)定的研究對象主要是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、高壓直流輸電(HVDc)變流器等，時(shí)間范圍一般在幾秒以內(nèi)：長期電壓穩(wěn)定的研究對象主要是變壓器分接頭調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限流器等，時(shí)間范圍一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。

三、電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP的電壓分析功能

1、電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)是中國電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的一套功能強(qiáng)大、使用方便的電力系統(tǒng)分析大型軟件包，包括電壓穩(wěn)定性分析模塊。本文基于PSASP，對電網(wǎng)進(jìn)行了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析，指出了系統(tǒng)中的薄弱節(jié)點(diǎn)、薄弱區(qū)域。

2、PSASP電壓穩(wěn)定計(jì)算的主要功能和特點(diǎn)

(1)可考慮負(fù)荷發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器分接頭(OLTC)等與電壓穩(wěn)定性密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)元件特性；

(2)可求出對應(yīng)于指定系統(tǒng)過渡方式的電壓穩(wěn)定極限(穩(wěn)定裕度)；

(3)常規(guī)潮流計(jì)算方法與兩種改進(jìn)病態(tài)潮流計(jì)算方法結(jié)合可得到完整的P-V（Q-V）曲線；

(4)可分別在系統(tǒng)初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)和電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析確定系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域；

(5)可求出系統(tǒng)初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)和電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)處各節(jié)點(diǎn)的電壓-功率(系統(tǒng)總功率)靈敏度；

(6)可通過P-V(Q-V)曲線監(jiān)視系統(tǒng)電壓穩(wěn)定極限的計(jì)算過程；

(7)可在系統(tǒng)單線圖上計(jì)算系統(tǒng)電壓穩(wěn)定極限進(jìn)行模態(tài)分析。

3、PSASP采用模態(tài)分析方法來判別系統(tǒng)的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域。分別在初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)和電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析，求出各節(jié)點(diǎn)對主導(dǎo)電壓失穩(wěn)模式的參與因子，根據(jù)參與因子的大小可確定系統(tǒng)的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域。參與因子越大則表明該節(jié)點(diǎn)的功率變化對電壓穩(wěn)定性影響越大，也就說明此節(jié)點(diǎn)越薄弱。

4、負(fù)荷模型和發(fā)電機(jī)出力方式的確定在進(jìn)行電壓穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，負(fù)荷模型采用40%恒阻抗+60%恒功率的靜態(tài)負(fù)荷模型，不考慮負(fù)荷的頻率特性。負(fù)荷增長方式為：全系統(tǒng)各負(fù)荷保持當(dāng)前狀態(tài)時(shí)的功率因數(shù)和比例不變，同步增長至電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)；發(fā)電機(jī)出力按照當(dāng)前狀態(tài)的比例不變，同步增長；在迭代過程中，若發(fā)電機(jī)無功出力越界，則將PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)。

四、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的研究方法

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的研究主要在以下幾個(gè)方面:分析當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)與電壓失穩(wěn)點(diǎn)的距離或電壓穩(wěn)定裕度的大??；分析可能引發(fā)系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的薄弱節(jié)點(diǎn)或薄弱區(qū)域；研究防止系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的控制策略：對于大干擾電壓穩(wěn)定進(jìn)行故障選擇和篩選，研究影響電壓穩(wěn)定的故障極限切除時(shí)間：當(dāng)需要切負(fù)荷時(shí)，快速計(jì)算為保持電壓穩(wěn)定所應(yīng)切除的負(fù)荷量以及負(fù)荷的極限切除時(shí)間。

1、求取系統(tǒng)小干擾電壓穩(wěn)定極限的算法

（1）在給定的初始運(yùn)行狀態(tài)及過渡方式下，系統(tǒng)小干擾電壓穩(wěn)定極限的求解過程可以描述為：從系統(tǒng)被研究的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)開始，按一定步長不斷增加k的取值，然后進(jìn)行潮流計(jì)算，同時(shí)考慮各種約束條件，采用小干擾電壓穩(wěn)定新判據(jù)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性直至得到系統(tǒng)電壓穩(wěn)定極限。采用逐步搜索計(jì)算電壓穩(wěn)定極限，并在每個(gè)搜索步上采用預(yù)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(xiàn)有的適合于不同特性網(wǎng)絡(luò)的各種潮流解法。隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的不斷惡化，校正時(shí)所用的潮流解法可能不收斂，即出現(xiàn)病態(tài)潮流問題，對此可選擇改進(jìn)潮流算法來消除奇異點(diǎn)或?qū)⑵娈慄c(diǎn)移到電壓低于最大負(fù)荷點(diǎn)電壓的區(qū)域。改進(jìn)算法實(shí)際是通過增加各個(gè)節(jié)點(diǎn)與主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)之間的虛擬支路來克服常規(guī)潮流算法的病態(tài)問題。改進(jìn)算法實(shí)際為算法的推廣，并給出了選擇更好的數(shù)值函數(shù)提高算法收斂性的余地。改進(jìn)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(shù)，并基本保持了雅可比矩陣的稀疏性，計(jì)算效率比較高。

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

2、確定系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域

（1）由于根據(jù)電壓穩(wěn)定極限所得出的裕度指標(biāo)僅是系統(tǒng)的一個(gè)全局安全指標(biāo)，它并不能給出系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(薄弱節(jié)點(diǎn))和關(guān)鍵區(qū)域(薄弱區(qū)域)等信息，因而還不能為實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行提供全面的指導(dǎo)信息例如當(dāng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度較低時(shí)可選擇在某些地點(diǎn)裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置以改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性另外在某些重負(fù)荷情況下為防止系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰，在系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置都已投入的情況下，應(yīng)在某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)緊急切負(fù)荷，以使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性滿足所能接受的水平。最佳無功補(bǔ)償裝置設(shè)置點(diǎn)和最佳切負(fù)荷點(diǎn)實(shí)際均為系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性最薄弱的節(jié)點(diǎn)。

（2）很多電壓穩(wěn)定性指標(biāo)都可提供有關(guān)系統(tǒng)弱節(jié)點(diǎn)、弱區(qū)域的信息。由于現(xiàn)有的判別系統(tǒng)弱節(jié)點(diǎn)、弱區(qū)域的方法都是基于常規(guī)潮流雅可比矩陣的。并不是基于系統(tǒng)的狀態(tài)方程系數(shù)矩陣，因而所得出的結(jié)果并不嚴(yán)格基于發(fā)電機(jī)負(fù)荷靜態(tài)化雅可比矩陣JS，PSASP采用模態(tài)分析方法來判別系統(tǒng)的弱節(jié)點(diǎn)和弱區(qū)域，這相當(dāng)于近似考慮了與電壓穩(wěn)定性密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)元件特性。

可分別在初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)和電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析，求出各節(jié)點(diǎn)對主導(dǎo)電壓失穩(wěn)模式的參與因子，根據(jù)參與因子的大小，可確定系統(tǒng)的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域。參與因子越大，則表明該節(jié)點(diǎn)功率的變化對電壓穩(wěn)定性影響越大。由于通常情況下，初始穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的電壓穩(wěn)定裕度較高，故在電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)或重負(fù)荷運(yùn)行方式下的模態(tài)分析結(jié)果可能更有實(shí)際意義。

（3）另外，在計(jì)算電壓穩(wěn)定極限的過程中，還可計(jì)算出各母線的電壓對系統(tǒng)總功率的變化率，即電壓-功率靈敏度，根據(jù)該靈敏度由大到小也可確定系統(tǒng)的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域。由于是基于靜態(tài)的潮流方程計(jì)算電壓-功率靈敏度，所以該靈敏度反映的是由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特性所決定的薄弱節(jié)點(diǎn)和薄弱區(qū)域，可能與考慮發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)的模態(tài)分析結(jié)果有較大差異。

結(jié)論

通過對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性分析，可以得出如下有意義的結(jié)論：(1)母線的電壓穩(wěn)定性不僅同所帶負(fù)荷輕重有關(guān)系，而且同母線在網(wǎng)絡(luò)中的位置、電網(wǎng)的運(yùn)行方式有關(guān)。(2)在負(fù)荷增加的過程中，電壓穩(wěn)定的薄弱區(qū)域有可能發(fā)生轉(zhuǎn)移，運(yùn)行人員不僅要監(jiān)控當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下最薄弱的母線，更要注意電壓穩(wěn)定極限點(diǎn)時(shí)最薄弱母線的運(yùn)行狀態(tài)。(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(dòng)范圍較小，運(yùn)行人員也應(yīng)該密切監(jiān)控這些線路或母線的運(yùn)行情況。(4)電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP的分析計(jì)算結(jié)果與電網(wǎng)運(yùn)行運(yùn)行實(shí)際相吻合，為電網(wǎng)規(guī)劃和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了依據(jù)。

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