电力市场环境下的在线静态电压稳定评估

论文摘要

目前,我国电力系统逐渐步入大电网、超高压、大机组、远距离输电的时代,大区域电网互联的不断发展和电力市场化机制的引进在给人们带来巨大利益的同时,也带来了潜在的威胁,使电网的运行增加了更多的风险,电网运行在稳定极限边缘的可能性也大为增加。近十年来世界各国发生的一些严重的电压崩溃事故造成了巨大的经济损失和社会紊乱,使得电压稳定问题成为电力系统学术界和工程界持续关注的热点之一。电压稳定事故发生的共同特点是其突发性和隐蔽性,运行人员在事故形成期间难以察觉,不能及时采取有效的控制措施,一旦发生电压崩溃就很难挽回。新的运行环境下电力系统的安全稳定运行需要快速有效的在线电压稳定评估方法,现有的电压稳定性评估方法或者需要大量费时的计算过程,或者不能反映电力系统实时运行情况,尚不能满足在线分析的需要。因此,根据我国电力系统的实际情况,研究电压稳定性的分析方法,结合先进的测量、通信和计算技术,实现对电力系统电压稳定水平的快速、准确评估,对于防止电压失稳和提高输送电系统的安全可靠性都具有十分重要的意义。本文在考虑区域负荷发展趋势的前提下,深入研究了电力市场环境中静态电压稳定性的在线评估方法,提出利用区域短期负荷预测和经济调度数据计算负荷裕度和电压稳定指标,进行在线电压稳定评估;并且利用广域测量信息,构建了基于功率传输路径的在线电压稳定性评估的基本框架,发展了复杂电力系统的电压稳定性评估方法。论文的主要研究内容和创新性成果如下:提出了一种新的在线电压稳定评估方法。电压稳定也曾经被称为负荷稳定,电力系统负荷特性是影响电压稳定性的关键因素之一,它在很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。负荷特性以及变化模式对电压稳定分析有很大的影响。该算法采用连续潮流算法,在确定负荷和发电增长方向时,考虑到了不均衡的区域负荷增长因素,不再采用统一的负荷增长模式。由于各地区的负荷特性、经济发展状况和天气情况不同,其负荷变化模式是不同的,而且在电力市场环境下,系统发电资源分配不再以一般意义下的发电成本为单一目标,而是需要考虑更多因素,例如环境、系统安全和电价等。为了反映区域负荷的不均衡增长模式,提出利用日前区域负荷预测（Day-ahead regional load forecasting）计算未来24小时的负荷需求,计算24小时中的负荷增长方向,而后利用经济调度确定发电增长方向,使用连续潮流计算P-V曲线和电压稳定裕度,评估系统电压稳定性。该算法考虑不均衡的区域负荷增长,引入经济调度确定发电机间的负荷分配,更加真实地反映电力市场环境中系统的运行情况,计算出的P-V曲线和电压稳定裕度能够比较有效地评估系统的电压稳定程度。提出了考虑不均衡区域负荷增长的电压稳定指标算法。时前区域负荷预测（Hour-ahead regional load forecasting）根据历史负荷数据综合考虑各种影响因素（如天气,社会事件等）计算出各区域的负荷情况,包含了负荷构成的变化和负荷大小的波动信息,体现了一段事件内负荷的自然变化。该算法提出在计算电压稳定指标的过程中考虑不均衡的区域负荷增长,使用短期区域负荷预测的数据确定系统在某一时刻的负荷需求,利用经济调度得到符合电力市场运作规律的系统发电计划,以此作为潮流计算的初始值,所计算的电压稳定指标可以评估当前运行点到电压崩溃临界点之间的距离。负荷预测和经济调度已经是电力系统运行必备的功能,且具有相当高的精度,故此算法能够比较真实地反映电力系统运行情况,有效地评估电压稳定。提出一种基于相量测量单元（Phasor Measurement Unit,PMU）的电压稳定评估指标（Voltage Stability Index,VSI）。由于同步相量技术在数据实时性、同步性以及广域分布性等方面的优势,加上通信技术的飞速发展,以及现代大型互联电网安全稳定监控的实际需求,基于同步相量技术的广域测量系统（Wide Area Measurement System,WAMS）应运而生。WAMS可以在同一参考时间框架下捕捉到系统各地点的实时信息,从而为大规模电力系统的在线电压稳定性监测提供了新的数据平台;整个电力系统可以看作由若干条功率传输路径组成,由于电压失稳本质上是一种局部现象,因此系统的电压稳定程度可以由最易于电压失稳的功率传输路径的电压稳定性来表征。该方法从简单系统的电压稳定性出发,在PMU提供电压相量信息和功率传输路径定义的基础上,导出系统的电压稳定性指标;对复杂系统中的传输路径的电压稳定性指标进行了修正。所提出的指标利用相量测量单元提供同一时间断面的系统电压相量测量信息,功率传输路径首端和末端电压之间的电压降落可以很容易地迅速计算出来,此电压降落在首端电压相量上的投影与首端电压幅值一半的比值被定义为此功率传输路径的电压稳定指标（Transmission Path Voltage Stability Index,TPVSI）。最弱传输路径的TPVSI值则表明电力系统的电压稳定程度。相对于那些传统的电压稳定性指标来讲,该算法使用PMU提供的精确的同一时间断面电压相量信息,避免了潮流计算中复杂的矩阵运算,具有较高的计算速度和准确性,可以用于在线电压稳定评估。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景
• 1.2.1 历史上的电压崩溃事故
• 1.2.2 电压稳定研究现状
• 1.2.3 电力市场带来的新环境
• 1.3 论文主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 电压稳定评估
• 2.1 引言
• 2.2 电压稳定的定义和分类
• 2.2.1 电压稳定定义
• 2.2.2 电压稳定的分类
• 2.3 电压稳定评估算法
• 2.3.1 动态分析
• 2.3.2 静态分析
• 2.3.2.1 潮流分析
• 2.3.2.2 P-V/Q-V曲线和连续潮流
• 2.3.2.3 电压稳定指标
• 2.4 现存电压稳定评估算法的不足
• 第三章 基于连续潮流的在线电压稳定评估
• 3.1 引言
• 3.2 连续潮流法
• 3.3 不均衡区域负荷/发电增长
• 3.3.1 日前区域负荷预测
• 3.3.2 经济调度
• 3.4 基于连续潮流的电压稳定评估
• 3.4.1 负荷增长系数
• 3.4.2 发电增长系数
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 Wood&Wollenberg 6节点系统
• 3.5.2 IEEE 118节点系统
• 3.5.3 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 考虑不均衡区域负荷增长的在线电压稳定评估指标
• 4.1 引言
• 4.2 电压稳定评估指标
• 4.3 考虑不均衡区域负荷/发电增长的电压稳定指标
• 4.3.1 时前区域负荷预测
• 4.3.2 电力市场下的负荷分配
• 4.3.3 考虑不均衡区域负荷/发电增长的电压稳定指标
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 Wood&Wollenberg 6节点系统
• 4.4.2 IEEE 118节点系统
• 4.4.3 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于PMU电压相量信息的电压稳定指标
• 5.1 引言
• 5.1.1 PMU（Phasor Measurement Units）
• 5.1.2 广域测量系统
• 5.2 基于PMU的电压稳定指标
• 5.2.1 两节点系统的电压稳定指标
• 5.2.2 最弱传输路径
• 5.2.3 复杂系统的电压稳定指标
• 5.2.4 电压稳定分析
• 5.3 算例分析
• 5.3.1 IEEE 5节点系统
• 5.3.2 IEEE 30节点系统
• 5.3.3 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 附录A
• 附录B
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 英文部分
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF ILLUSTRATIONS
• LIST OF TABLES
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 INTRODUCTION
• 1.2 BACKGROUND
• 1.2.1 Historical incidents of voltage instability
• 1.2.2 Overview of research on voltage stability
• 1.2.3 Challenge of electrical industry's new circumstance
• 1.3 OBJECTIVES AND CONTRIBUTIONS OF THE DISSERTATION
• 1.4 THE OUTLINE OF THE DISSERTATION
• CHAPTER 2 VOLTAGE STABILITY ASSESSMENT
• 2.1 INTRODUCTION
• 2.2 DEFINITION AND CLASSIFICATION OF VOLTAGE STABILITY
• 2.2.1 Definition of voltage stability
• 2.2.2 Classification of voltage stability
• 2.3 METHODOLOGY OF VOLTAGE STABILITY ASSESSMENT
• 2.3.1 Dynamic analysis
• 2.3.2 Static analysis
• 2.4 THE DEFICIENCY OF CURRENT APPROACHES OF VOLTAGE STABILITY ASSESSMENT
• CHAPTER 3 CPFLOW BASED ONLINE VOLTAGE STABILITY
• 3.1 INTRODUCTION
• 3.2 CONTINUATION POWER FLOW
• 3.3 UNEVEN REGIONAL LOAD GROWTH
• 3.3.1 Regional Day-ahead load forecasting
• 3.3.2 Economic dispatch
• 3.4 CONTINUATION POWER FLOW BASED VOLTAGE STABILITY ASSESSMENT
• 3.4.1 Load growth
• 3.4.2 Generation growth
• 3.5 CASE STUDY
• 3.5.1 6-bus system from Wood & Wollenberg
• 3.5.2 IEEE 118-bus system
• 3.5.3 Discussion
• 3.6 SUMMARY
• CHAPTER 4 VOLTAGE STABILITY INDEX WITH THE CONSIDERATION OF UNEVEN REGIONAL LOAD
• 4.1 INTRODUCTION
• 4.2 VOLTAGE STABILITY INDEX
• 4.3 THE ON-LINE VOLTAGE STABILITY INDEX WITH CONSIDERING REGIONAL LOAD GROWTH AND GENERATION PLAN
• 4.3.1 Hour-ahead regional load forecasting
• 4.3.2 The generation scheme in power market
• 4.3.3 The voltage stability index with the consideration of uneven regional load/generation growth
• 4.4 CASE STUDY
• 4.4.1 6-bus system from Wood & Wollenberg
• 4.4.2 IEEE 118-bus system
• 4.4.3 Discussion
• 4.5 SUMMARY
• CHAPTER 5 PMU BASED VOLTAGE STABILITY INDEX
• 5.1 INTRODUCTION
• 5.1.1 Introduction of PMU
• 5.1.2 Wide Area Measurement System
• 5.2 PMU BASED VOLTAGE STABILITY INDEX
• 5.2.1 The index in two-bus system
• 5.2.2 The weakest transmission path
• 5.2.3 The index in meshed systems
• 5.2.4 The procedure of voltage stability analysis
• 5.3 CASE STUDY
• 5.3.1 IEEE 5-bus system
• 5.3.2 IEEE 30-bus system
• 5.3.3 Discussion
• 5.4 SUMMARY
• CHAPTER 6 CONCLUSION AND FUTURE WORK
• 6.1 CONCLUSIONS
• 6.2 FUTURE WORK