基于广域测量信息的电力系统解列研究

论文摘要

自2003年8月14日的北美“8.14”大停电后,世界范围又发生了多次大停电。这些触目惊心的大停电事故引起了世界各国从事电力生产和科研的专家的重视。所有国内外重大事故的产生,几乎都是由系统失去稳定而扩大,从而发展为灾害性后果的。是否考虑失去稳定后的对策,对电力系统的安全有极其重要的影响。长期的运行实践表明,不管对系统稳定性的要求如何严格、措施如何完善,总可能因一些事先不可预计的各种偶然因素相互叠加,产生稳定破坏事故,而过分提高对系统稳定性的要求需要大量的投资。一个较弱而有措施准备的系统,将会比一个较强而无措施准备的系统有较好的运行效果。因此,对电力系统失去稳定后的控制措施的研究成为当前的一个热点。在我国,当互联系统遭受大扰动的影响而失去同步时,失步解列作为防止系统崩溃的最后一道防线得到了广泛的应用。但目前大多数失步解列装置的动作是基于就地信息,其判据仅能反映一类或几类失步特性,并且实际应用中多套装置的配合也很困难。另外,大多数判据都是针对等值两机系统的,对于多频失步振荡,目前的方法在失步振荡判据和解列点选择上都将失效。研究解列问题主要解决“何时”在“何处”解两个方面的问题。文献提到的解列时机,有的直接考虑时间,有的考虑振荡周期数,而没有考虑系统频率等参数的运行限制以及解列后各个孤岛能否保持稳定等关键问题。解列割集搜索问题是一个NP-hard问题,必须用启发式方法求解,现有方法计算时间长,难以满足在线应用要求。研究着眼于整个系统的振荡解列地点,研究易于保持解列后各孤岛稳定的解列时机,以及研究保持孤岛稳定的控制措施是非常必要的,也是十分紧迫的。本文将电力系统用一个节点-权重图来表示,在此基础上结合电力系统的特点对系统进行分区,将机组的失稳转化为子区域的失稳。利用广域测量系统所提供的系统动态信息,可以在线识别失稳区,搜索解列割集,自适应地确定解列时机。论文的主要研究内容和成果如下:1提出了一种基于电力系统分区调度与机组同调分群的电力系统分区方法。在电力系统的当前运行工况下,设置预想事故,根据机组的摇摆曲线对机组进行同调分群,一个调度区的发电机可能属于一个同调群,也可能分为两个或多个同调群。结合分区与分群结果,将系统机组分为尽量多的机群,系统分区数与机群数相对应。从各机群节点出发,根据节点邻接关系,利用广度优先搜索方法将系统的非发电机节点分到与各机群对应的子区域中去。一个互联系统被分为一系列子区域,各子区域内的发电机同调,发电机节点为各子区域的核心节点,其余节点为其外层节点。应用该方法对山东实际电网进行了仿真分析。2提出了一种基于系统分区的失步解列割集搜索算法。电力系统失稳后,根据广域测量信息可以确定失稳机群,失稳机群所在的子区域为失稳子区域。相邻的失稳子区域构成失稳区,搜索解列割集时,一次只考虑将一个失稳区解列。失稳区中与剩余区有支路直接相连的子区域为失稳区边界。搜索失稳区边界与剩余区之间的联络线即得解列割集。网络的割集搜索问题是一个NP-hard问题,对电力系统进行分区后,搜索解列割集时就不需要搜索子区域内部的大量支路,从而减小了搜索空间;再加上电力系统高度稀疏的特点,用该方法进行解列割集搜索的计算量与失稳区非发电机节点数成正比,大大降低了电力系统割集搜索问题的计算复杂度。以1318节点、134机山东省实际系统为例说明该算法搜索速度快、计算时间短,可满足在线应用要求。3提出了一种自适应解列时机确定方案。用发电机角频率和角频率的变化率来衡量机组受系统振荡影响的程度,提出系统应该在发电机所受的冲击影响还能够被解列、减载等措施抵消前解列。当机组间最大相对摇摆角差大于某一设定值时,认为系统可能失稳,搜索将“可能失稳区”解列的解列割集。根据发电机运行频率限制,从机组角频率角度提出了自适应解列时机确定方案。考虑到解列操作需要时间,当判定系统可能失稳时,如果机组当前角频率或此后0.1s的角频率预测值满足设定条件,系统可以先于失步时刻解列。若系统已失稳,根据发电机组电流、枢纽变电站电压和机组的角频率决定何时实施解列。如果失稳系统不满足上述的解列条件,仍可以短时异步运行。采取必要控制措施后,若系统不能恢复同步,运行一定时间后解列。对新英格兰10机39节点系统和山东电网实例的仿真表明,根据本文提出的解列时机实施解列,再辅助以合适的控制措施可保持孤岛稳定。4针对待解列区域有功缺额较大的情况,总结出一种解列连锁切负荷,并配合低频或低压减载的综合控制措施。分析了振荡过程中和解列后缺乏有功的孤岛的频率变化特点,指出对有些缺乏有功的孤岛,在解列后的最初一段时间内,孤岛的频率可能上升,故基于低频的控制措施将失效;并且当孤岛的有功缺额较大时,孤岛机组频率可能升高到频率上限。对待解列区域有功缺额较大,且仿真表明解列后该区域频率会异常升高的情况,给出了解列连锁切负荷措施。解列的同时切除一定比例的负荷,以改善孤岛的电压水平,增加发电机的功率输出,限制解列后最初一段时间内孤岛的频率值,使之不越限。过了最初的一段时间后,若孤岛频率下降,当下降到一定值时,低频减载装置动作切除部分负荷;如果孤岛的电压水平仍然低,也可由低压减载装置切除部分负荷。针对山东电网实例,比较了直接解列形成的孤岛与失步振荡解列形成的孤岛的频率变化的不同特点,验证了本文提出的控制措施的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 失步解列相关问题的研究进展
• 1.2.1 失步判据
• 1.2.2 解列后的减负荷策略
• 1.3 广域测量系统
• 1.3.1 同步相量测量技术
• 1.3.2 广域测量系统的发展
• 1.3.3 广域测量系统在稳定监测与控制中的应用
• 1.4 图论基础知识
• 1.4.1 图论的基本概念
• 1.4.2 图的遍历
• 1.4.3 图的存储
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 结合分区调度与机组同调分群的电力系统分区
• 2.1 引言
• 2.2 电力系统的图模型
• 2.3 系统分区问题的图论描述
• 2.4 系统分区方法简介
• 2.4.1 人工智能方法
• 2.4.2 基于慢同调的方法
• 2.5 结合分区调度与同调分群的分区方法
• 2.5.1 分层、分区的电网结构
• 2.5.2 电力系统的分层、分区调度原则
• 2.5.3 同调分析
• 2.5.4 结合分区调度与机组同调性的发电机分群
• 2.5.5 结合分区调度与机组同调分群的分区方法
• 2.6 实际电网分区
• 2.7 小结
• 第三章 基于系统分区的电力系统解列割集搜索方法
• 3.1 引言
• 3.2 解列问题的图论描述
• 3.3 解列割集搜索方法
• 3.3.1 基于慢同调的方法
• 3.3.2 最小割集枚举法
• 3.3.3 全空间搜索法
• 3.4 基于系统分区的解列割集搜索算法
• 3.4.1 失稳区域判别
• 3.4.2 解列割集搜索
• 3.4.3 算法的计算量分析
• 3.5 算例仿真
• 3.5.1 IEEE6机30节点系统
• 3.5.2 山东电网
• 3.6 小结
• 第四章 基于广域测量信息的自适应解列时机确定方案
• 4.1 引言
• 4.2 发电机组运行频率限制
• 4.3 发电机角频率预测
• 4.4 解列时机确定方案
• 4.4.1 解列时机确定依据
• 4.4.2 确定方案
• 4.5 仿真结果
• 4.5.1 新英格兰10机39节点系统
• 4.5.2 山东电网实例
• 4.6 小结
• 第五章 电气孤岛的控制措施
• 5.1 引言
• 5.2 孤岛机组频率变化特点
• 5.3 孤岛的控制措施
• 5.3.1 基于频率升高的控制措施
• 5.3.2 基于低频和低压的控制措施
• 5.3.3 解列连锁控制措施
• 5.3.4 孤岛保稳措施的协调
• 5.4 仿真结果
• 5.4.1 无故障解列
• 5.4.2 振荡解列
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表