基于補償法的電網(wǎng)靜態(tài)安全評估研究

賀凌霄

【摘要】本論文采用補償分析法對電網(wǎng)進行靜態(tài)安全評估。通過課題的設(shè)計，掌握補償法求解電網(wǎng)在支路開、斷情況下潮流狀態(tài)的基本原理。針對可能出現(xiàn)的故障采取預(yù)防性措施，建立可靠的電力系統(tǒng)運行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行[1]。

【關(guān)鍵詞】補償法;靜態(tài)安全

1.前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題也變得日益嚴(yán)重。特別是發(fā)生穩(wěn)定性破壞和不可控制的惡性連鎖反應(yīng)時，停電范圍大、時間長，將產(chǎn)生無法估計的嚴(yán)重后果。

目前電力系統(tǒng)調(diào)度中心可以對運行參數(shù)監(jiān)視、記錄并由調(diào)度員直接進行操作，這部分稱為SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition），加強了電力系統(tǒng)的安全性[2-4]。

2.總體設(shè)計方案

本論文主要以22節(jié)點電力系統(tǒng)為例，采用補償分析法對電網(wǎng)進行靜態(tài)安全評估。通過分析電網(wǎng)在支路開、斷情況下潮流狀態(tài)掌握補償法求解的基本原理。針對可能出現(xiàn)的故障，采取預(yù)防性措施，建立可靠的電力系統(tǒng)運行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

3.算例分析

（1）補償法分析步驟

所謂補償法是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中支路開斷的情況下，可以認為該支路未被開斷，而在其兩端節(jié)點處引入某一待求的功率增量或電流增量（或稱補償功率或補償電流）來模擬支路的開斷。這樣就可不必修改導(dǎo)納矩陣而繼續(xù)利用原來的因子表求解，它可以對多種開斷的各種預(yù)想事故分析進行計算，能夠更好的求解電網(wǎng)在支路開斷工況下潮流狀態(tài)的計算。

以下先以單一支路開斷為例來說明補償法的物理概念，然后導(dǎo)出補償法普遍公式。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i、j之間發(fā)生支路開斷，可以等效的認為該支路并未開斷，但在i、j節(jié)點間并聯(lián)了一個追加的支路阻抗Zij，其數(shù)值等于被斷開支路阻抗的負值。這時流入原網(wǎng)絡(luò)的注入電流將由I&（0）變成I&。

圖1 節(jié)點導(dǎo)納矩陣的形成

I&（0）=[I&1，I&2，L，I&j，L，I&n，]（1-1）

I&=[I&1，I&2，L，I&i+I&ij，L，I&j-I&ij，L，I&n，] ?（1-2）

待求的節(jié)點電壓U&也可看成兩個部分：

U&=U&（0）+U&（1） （1-3）

式中：U&（0）相當(dāng)于沒有追加支路情況下的各節(jié)點電壓，這個向量可以用原網(wǎng)絡(luò)的因子表求出，即U（0）=Y-1+I&（0）;U&（1）是向原網(wǎng)絡(luò)注入電流向量為I&（1）時求出的，其值為：

U（1）=Y-1+I&（1） ? ? ? ? ?（1-4）

I&（ij）=1[0，…，0，1，0，…，-1，0，…，0，] ?↑i ?↑j

=I&（ij）[0，…，1，0，…，-1，0，…，]T

=I&ijI（ij）（1-5）

其中：

I&（ij）=[0，…，0，1，0，…，-1，0，…，0，]↑ ↑

i j （1-6）

若I&（ij）=1，則有I&（1）=I&（ij）。于是公式（1-6）就可以求出U（ij），即：

Y-1I&（ij）U&（ij）（1-7）

應(yīng)用等效發(fā)電機原理，如果把圖1所示電路上的i、j節(jié)點間的整個系統(tǒng)看成是Zij的等效電源，其空載電壓就是：

E&=U&i（0）-U&j（0） （1-8）

這個電源的等值內(nèi)阻抗ZT可以用令其他節(jié)點的注入電流為零，僅在i、j點分別通入正、負單位電流后，在i、j點產(chǎn)生的電壓差來表示。由式（1-8）求得U&（ij）后，便可求得：

ZT=U&i（ij）-U&j（ij）（1-9）

ZT亦即是從i、j點看進去的輸入阻抗。令：

Z'ij=Zij-ZT（1-10）

利用式（1-8）、式（1-9）可求出I&ij為：

（1-11）

I&ij求得之后，由式（1-3）～式（1-5）即可求得：

U&i（1）=Y-1I（1）=Y-1I&ijI&（ij）=I&ijY-1I&（ij）=I&ijU&i（ij）

（1-12）

U&=U&（0）+U&（1）=U&（0）+I&ijU&（ij） ? ? ? ? （1-13）

由式（1-13）就可以求得支路開斷后的節(jié)點電壓向量。

為了計算應(yīng)用上的方便，上述計算可以寫成以下形式：

M（ij）=[0，0，…，1，…，-1，…0]T

↑ ? ?↑

i ? ?j

U&（ij）=Y-1M（ij） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1-14）

圖2 補償法進行單、雙支路潮流計算原理流程圖

（2）靜態(tài)安全分析步驟

電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析（Static Security Analysis），即對系統(tǒng)在發(fā)生預(yù)想事故后的穩(wěn)態(tài)運行情況進行分析，如當(dāng)線路、變壓器、母線和發(fā)電機開斷后，是否會引起其他設(shè)備的過載，是否會引起節(jié)點電壓的越限，并對應(yīng)一定情況的過載和越限，給出可供選擇的系統(tǒng)調(diào)整策略。

（3）預(yù)想事故分析

電力系統(tǒng)安全分析主要是分析線路開斷，變壓器、發(fā)電機切除是否會造成系統(tǒng)負荷約束條件和電壓約束條件的破壞，即是否會導(dǎo)致某些元件過載或節(jié)點母線電壓越限，同時若有約束條件的破壞，提出可行的控制措施。預(yù)想事故分析是安全分析中最主要的一個任務(wù)，其任務(wù)是在當(dāng)前運行方式下，用一系列即將來臨的、有可能發(fā)生的事故來檢驗電力系統(tǒng)的安全性能，考察系統(tǒng)在每種預(yù)想事故發(fā)生后各元件過負荷情況和節(jié)點電壓越限情況。一般，首先由用戶定義預(yù)想事故集，然后對預(yù)想事故進行開斷模擬分析[5]。

補償法進行單、雙支路潮流計算原理流程圖，如圖2所示。

根據(jù)程序可得支路開、斷情況結(jié)果：

表1 支路開、斷程序篩選嚴(yán)重結(jié)果

單支路開斷 雙支路開斷

最嚴(yán)重情況

第二嚴(yán)重情況

第三嚴(yán)重情況

第四嚴(yán)重情況 第15條支路開斷

第30條支路開斷

第16條支路開斷

第17條支路開斷 第16和第27條支路開斷

第16和第30條支路開斷

第9和第16條支路開斷

第8和第16條支路開斷

將單雙支路開斷后PSASP計算出的數(shù)據(jù)和MATLAB計算出的單雙支路開斷后的數(shù)據(jù)與PSASP計算出來的數(shù)據(jù)的差值進行分析。運用MATLAB編制補償法潮流計算程序計算出的單雙支路開斷的潮流數(shù)據(jù)與PSASP計算出的單雙支路開斷的潮流數(shù)據(jù)之間的差值很小，這表明以補償法為計算理論依據(jù)的方法是比較合理的，能夠比較準(zhǔn)確的計算出開、斷后各支路的潮流狀況。

4.結(jié)論

采用補償法進行電網(wǎng)計算時，不必修改導(dǎo)納矩陣而繼續(xù)利用原來的因子表求解，不改變原網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，計算量少，耗費時間短。在電力系統(tǒng)分析與計算中，經(jīng)常會遇到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者運行參數(shù)發(fā)生局部變化的情況，應(yīng)用本論文的方法，能夠有效的利用變化前已有的信息快速計算出變化后的網(wǎng)絡(luò)解，使電網(wǎng)的計算速度大幅提高。而且應(yīng)用計算機進行潮流計算時，該方法還有占計算機內(nèi)存較少，計算速度較快等優(yōu)點，便于數(shù)據(jù)輸入、校核和修改，且具有一定的靈活性。本論文里的潮流計算程序思路清晰，有條理，便于作各種修改和調(diào)試，輸入和輸出的方便等特點。

參考文獻

[1]韓禎祥，曹一家.電力系統(tǒng)安全性及防制措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004（9）：1-6.

[2]Srivani J，Swarup K S.Power system static security assessment and evaluation using external system equivalent.Electrical Power and Energy Systems，2008（22）：83-92.

[3]Neal B，Timothy B，Anjan B.On-line power system security analysis.Electrical Power and Energy System，1992（2）：62-80.

[4]Savulescu S C.Equivalents for security analysis of power systems.IEEE Trans on Power Systems，1981（5）：72-82.

[5]張伯明，江曉東.一種用于電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性分析的故障篩選與排序方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005（20）：62-67.