电力系统连锁故障及相关问题的研究

论文摘要

以超高压、长距离输电、大容量机组、大范围互联和大容量的区域间交换为显著特征的现代电力系统,其稳定性一旦遭受破坏,必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果,致使电力系统安全稳定问题一直是研究的热点。近年来,国内外发生的多次严重大停电事故充分地暴露了大型互联电网的脆弱性,因此对大停电事故的原因、发展机理以及预防措施的研究愈发重要和迫切。为此,国内外学者做了大量研究工作并提出了多种连锁故障模型,如OPA、CASCADE及隐性故障等,但与系统的实际情况存在一定的偏差,各电气元件的动态特性、电气参量的时域动态过程等问题都尚未解决。本文针对这些问题提出了电力系统的动态连锁故障模型,并分析了电力系统连锁故障及其自组织临界性。在此方面,本文做了如下主要工作:1.提出了一种基于频率稳定性的电力系统连锁故障模型。该模型用以研究电力系统短期频率随机动态特性,考虑了机组频率保护、低频减载装置以及元件切除时间等随机因素,并基于蒙特卡罗模拟方法分别予以分析。仿真结果初步揭示了电力系统连锁故障中频率动态的统计特性,对比分析了一次调频、起始故障规模、旋转备用容量以及不同低频减载方案对频率动态过程和停电规模及其概率的影响。2.提出了一种基于交流潮流及长期动态仿真的连锁故障模型。该模型考虑了含发电机组及负荷的全系统动态行为,同时考虑了在动态过程中机组保护、低频/低压减载、变压器过励磁、线路过载/短路保护及解列等自动装置受随机因素的影响。该模型可以较为准确的模拟电力系统动态行为及连锁故障。以PSS/E软件为仿真平台采用蒙特卡罗方法对我国某省实际电网予以仿真,仿真结果证实了所提模型可以较为准确、有效地模拟系统连锁故障,并较真实地反映了该电网实际存在的问题,仿真结果的统计数据表明系统停电规模及其概率基本符合幂率特性。与以往结论不同,根据仿真结果发现了系统存在故障规模临界点,在临界点前后系统的幂率特性会发生变化,并指出了临界点对大停电预防的重要意义。3.根据所提的动态连锁故障模型,对电网的参数做了灵敏度分析。比较了不同的减载方案、减载原理、负荷构成、一次调频以及区外联络线传输功率等因素对系统的自组织临界性、临界点以及停电概率的影响,最后根据仿真结果对预防大停电所需采取的措施提出了一些建议。4.提出了不同孤岛反措下确定性的分布式电源最大准入容量计算方法。该模型考虑了机组频率和电压保护、低频减载、低压减载以及线路过载等约束条件,比较了不同的孤岛反措方案对最大准入容量的影响,为分析分布式电源对连锁故障的影响提供了一些理论基础。5.建立了计及分布式电源的动态连锁故障模型,研究了不同DG接入水平及孤岛反措对系统连锁故障及自组织临界性的影响,仿真结果表明停电概率随关闭主力机组且DG接入水平的增大而波动,并根据系统停电概率讨论了DG的最大准入容量,为确定适当的DG接入水平提供了新的方法和思路。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 附表清单
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 电力系统可靠性
• 1.3 电力系统稳定性
• 1.4 电力系统扰动及运行状态
• 1.4.1 扰动发生的原因
• 1.4.2 扰动的分类
• 1.4.3 运行状态
• 1.5 安全控制措施
• 1.5.1 设备保护
• 1.5.2 广域保护
• 1.6 本文的主要工作
• 2 电力系统复杂性及连锁故障
• 2.1 国内外大停电事故概述
• 2.1.1 “9.28”意大利大停电
• 2.1.2 “9.23”瑞典-丹麦大停电
• 2.1.3 “8.14”美加大停电
• 2.1.4 “7.1”华中电网停电事故
• 2.1.5 事故总结与反思
• 2.2 自组织临界理论与电力系统复杂性
• 2.3 电力系统连锁故障模型
• 2.3.1 基于网络拓扑结构的连锁故障模型
• 2.3.2 基于元件级联失效的连锁故障模型
• 2.3.3 基于电网近似动态特性的连锁故障及停电模型
• 2.4 小结
• 3 基于频率稳定的电力系统连锁故障模型及其统计特性
• 3.1 引言
• 3.2 确定性的频率动态模型
• 3.2.1 一阶频率动态模型
• 3.2.2 三阶频率动态模型
• 3.2.3 四阶频率动态模型
• 3.2.4 切机切载模型
• 3.3 频率动态过程中的随机因素
• 3.3.1 机组频率保护的随机性
• 3.3.2 低频减载装置的随机性
• 3.3.3 元件切除时间的随机性
• 3.4 频率动态模拟算法
• 3.5 仿真算例及结果分析
• 3.5.1 仿真系统介绍
• 3.5.2 机组频率保护及低频减载装置参数的选取
• 3.5.3 仿真结果及分析
• 3.6 小结
• 4 基于长期动态仿真的连锁故障模型及分析
• 4.1 引言
• 4.2 确定性的连锁故障模型
• 4.3 动态过程中的随机因素分析
• 4.3.1 机组频率保护的随机性
• 4.3.2 机组电压保护的随机性
• 4.3.3 发电机/变压器过磁通保护的随机性
• 4.3.4 低频减载装置的随机性
• 4.3.5 低压减载保护的随机性
• 4.3.6 线路/变压器过载保护的随机性
• 4.3.7 线路短路的随机性
• 4.3.8 元件切除时间的随机性
• 4.4 基于随机因素的连锁故障模型及动态模拟算法
• 4.5 仿真算例及结果分析
• 4.5.1 仿真算例介绍
• 4.5.2 仿真参数的选取
• 4.5.3 仿真结果分析
• 4.6 灵敏度分析
• 4.6.1 不同的减载方案
• 4.6.2 按频率下降速率减载
• 4.6.3 负荷水平的影响
• 4.6.4 一次调频的影响
• 4.6.5 降低联络线功率的影响
• 4.7 小结
• 5 不同孤岛反措下的分布式电源最大准入容量计算
• 5.1 引言
• 5.2 孤岛检测方法
• 5.2.1 被动式检测
• 5.2.2 主动式检测
• 5.3 DG最大准入容量模拟算法
• 5.4 仿真算例及结果分析
• 5.4.1 仿真算例
• 5.4.2 仿真结果及分析
• 5.5 小结
• 6 分布式电源对电网崩溃影响的研究
• 6.1 引言
• 6.2 考虑分布式电源的连锁故障模型
• 6.2.1 确定性模型
• 6.2.2 若干随机因素
• 6.3 模拟算法
• 6.4 仿真算例及结果分析
• 6.4.1 连锁故障举例
• 6.4.2 数据统计分析
• 6.5 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 作者简历