基于广域量测信息的电力大系统安全性分析与协调控制

发布时间：2016-08-04 07:52

第一章  绪论 

1.1 引言 
能源是人类社会赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉。电能作为能源的一种重要形式，经过百余年发展，已渗透到人类社会的方方面面，对人类社会的生产和生活方式带来了根本性的变革，已成为人类社会发展不可或缺的能源形式。充裕的电能供应是保证国家经济发展、社会进步和稳定的重要基石。而作为电能生产和消费的载体，电力系统的安全、稳定、可靠运行是保证电能持续稳定供给的基础，一旦电力系统失去稳定，不仅会产生巨大的经济损失、也会带来严重的社会影响。因此，开展电力系统安全稳定性研究和工程实践，提高电网抵御事故风险的能力，一直以来是国内外电力工业运行、研究人员关注的重点。 随着我国经济在过去 30 多年的快速增长，中国在成为世界第二大经济体的同时，电力工业也已进入了快速发展期，其装机总容量和发电总量不断刷新。根据世界能源数据库的统计数据显示：截至 2013 年，我国发电总量已从 2003年的 1910.58TWh 增长到 2013 年的 5361.62TWh，10 年间发电总量增长了近 3倍，已超越美国和欧盟，跃居全球发电总量的首位[1]。 电源建设方面，随着“上大压小”政策的实施，单机容量 300MW 及以上的火电机组也成为我国新近入网火电机组的主力机型。随着高效率、大容量的“超临界”和“超超临界”发电技术不断成熟，具有更低煤耗和更高能效，单机容量在 1000MW、1100MW 甚至更高容量的火电机组已成为当前投产和在建电厂的主流机型。截至 2014 年底，全国火电装机容量已达 9.2 亿千瓦，设备年平均利用小时约 4706 小时。水电方面，随着金沙江流域的龙盘、两家人、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德水电站和澜沧江流域的乌弄龙、里底、大华侨、苗尾、功果桥、洛扎渡水电站的建成和投产，我国水电机组单机容量已从三峡电厂的 700MW 提升到向家坝电厂的 800MW，位居世界第一。截至到 2014 年底，全国水电装机容量已达到 3.0 亿千瓦，水电机组年平均利用小时约 3653 小时，同比增加 293 小时。核电方面，除已建成投入商业运行的秦山、大亚湾、田湾、岭澳、宁德一、二号机、红沿河一期等的 20 台核电机组外，目前在建的核电机组共有 28 台，约占世界在建规模的 40%以上。
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1.2 广域量测系统 
广域量测系统(Wide Area Measurement System, WAMS)是以同步相量测量单元(Phasor  Measurement  Unit，PMU)为基本采集单元，通过专用通信网络，将电力系统中节点和线路运行状态的实时量测信息传输到电网数据采集中心(Phasor Data  Concentrator,  PDC)，再经过相关数据分析算法，提取出可反映电网运行状态的关键信息，用于制定相应的广域控制策略，实现对电网运行状态的实时监测、状态估计、广域控制及其他高级应用功能。 广域量测系统的基本架构示于图 1-1，PMU 是 WAMS 系统的核心部件，它利用卫星导航系统(如“北斗”系统、全球定位系统(Global  Positioning  System，GPS)、“伽利略”系统和“格洛纳斯”系统等)对电网进行同步授时，将电网中的各种量测信息打上统一时标。以便在同一时间断面上对比和分析系统的运行状态信息，提取出反映电网运行异常的关键信息，为后续电网的运行和控制提供决策依据。早在 1893 年，Charles  P.  Steinmetz  在文献[13]就提出了采用相量信息监测电网运行的构想；直到 1988 年，Virginia Tech 的 Arun G. Phadke 和 James S. Thorp 两位学者才开发了 PMU 的原型机[14]；而真正实现商业化的，则是 1992年由 Macrodyne 公司开发的型号为 Model  1690 的 PMU 装置[15]。其后为配合PMU 装置的推广应用，IEEE 于 1995 年发布了 PMU 装置的相关技术标准，并于 2005 年对该标准进一步做了完善。 
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第二章  基于广域量测信息的跨区域互联电网热稳定安全域构建 

2.1 引言 

随着电力工业快速发展和受端系统规模的不断扩大，特别是用电负荷迅猛增长和用电负荷占比的逐步增加，在受端系统电源建设不足情况下，大量电能需远距离输送，迫使受端系统对区域外电力依赖度不断增加，区域间断面输电功率日益接近其传输极限，将直接威胁着电网的安全稳定运行[5],[25],[244],[245]。此外，受环境和建设成本等因素制约，区域间输电走廊建设面临多重不确定性，区域间断面常运行在重载工况下，这些因素导致世界范围内因关键断面支路过载引发的电网连锁事故频频发生，已造成了巨大的经济损失和严重的社会影响，区域间联络断面的安全稳定问题越来越受到业界重视[6],[11],[245],[247]，而“N-1”准则下断面支路的热稳定性作为断面安全稳定校验的基本要求，尤其受区域调度控制中心的运行和调度人员所关注[248]-[[249]。 目前，“N-1”准则下断面支路的热稳定校验完全基于“极限计算”模式，极限计算模式简单易用，已在电网的运行和规划中发挥了重要作用。但随着电网的发展，极限模式也暴露出越来越多的局限性，集中体现在两个方面：①在极限之下，系统也可能是不安全的；②极限本身随不同的运行方式变化较大而难以确定，某一个固定的极限值难以确保电网的全面安全。随着电网规模扩大，新能源大规模接入，影响断面潮流因素已经越来越多，呈现出明显的多维特性，仅仅采用过去简单的一维极限方法来控制电网的运行，已经不能满足大电网安全运行和精细化管理的要求，亟需发展新的技术手段来解决该问题，而多维空间安全域的方法就是一种最理想和最实用的新技术解决方案[249]。 

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2.2 “N-1”准则下的断面热稳定安全域 
对于实际电网而言，其支路数成百上千即 f 取值远大于 3，若以各条支路有功功率为研究对象，向量 D 中元素选取为坐标轴，所构建的热稳定安全域必将具有很高维度。如何将如此高维的安全域从概念推向实用化，，面临两大主要难题：如何可视化，即从人类视角出发，提供安全域二维或三维映像；边界如何求解，高维空间中安全域边界拓扑性质复杂且难以计算，一直是制约高维空间安全域应用的主要障碍。 目前在实际电网中构建电力系统安全域的一般思路为：针对实际系统所面临的主要问题，在尽量保留系统关键信息前提下，将高维空间的安全域化简到二维或三维空间以便于运行人员使用。本章也采用这一实现思路，为此将以区域电网调度控制中心运行人员最为关心的送/受电断面为研究对象，选择该断面的有功功率及对其有关键影响的电厂(或区域)有功出力，作为监控参量来构建相应的热稳定安全域，其中：送/受电断面直接由电网调度控制中心提供，关键性电厂(或区域)则由电网运行经验和利用功率传输转移分布因子(Power  Transfer Distribution Factor，PTDF)分析确定。 
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第三章  基于广域量测信息的电力系统电压稳定在线监控 .... 61 
3.1  引言.... 61 
3.2  广域电压稳定指标....... 62 
3.3  动态电压稳定关键注入区域识别.......... 63
3.4  基于广域量测电压稳定指标的广域电压稳定控制......... 82
3.5  本章小结..... 95 
第四章  基于广域量测信息的电力系统动态稳定在线监测 .... 97 
4.1  引言.... 97 
4.2  基于广域量测信息的电力系统状态空间模型........ 99 
4.3  随机子空间理论......... 100 
4.4  模型定阶............ 109
4.5  基于模式匹配追踪的大电网动态稳定在线监测........... 110
4.6  基于随机子空间和聚类分析的大电网动态稳定在线监测.... 122
4.7  基于随机子空间和逐步聚类的大电网动态稳定在线监测.... 132
4.8  本章总结............ 145 
第五章  基于广域量测信息的电力系统同调模式在线辨识 ........... 146 
5.1  引言........... 146 
5.2  投影寻踪的基本原理.......... 147 
5.3  基于投影寻踪的同调机群识别............ 148
5.4  算例分析............ 151 

第六章  广域量测时滞对电力系统小扰动稳定影响研究

6.1 引言 

随着大区电网互联规模的日益扩大，小扰动稳定问题已成为限制互联系统输电能力，影响电网安全稳定运行的重要因素之一[25],[201]。而电力系统的小扰动稳定性与系统运行状态紧密相关，参数空间中，电力系统的小扰动稳定域(Small  Signal  Stability  Region，SSSR)整体描述了系统小扰动稳定的运行区域。根据系统运行点与其边界的相对位置可向调度、运行人员提供丰富的安全裕度和最优控制信息，为电力系统在线实时安全监视、防御及控制提供更加科学和有效的依据，因此，研究电力系统小扰动稳定域具有十分重要的现实意义[34],[159],[309]。 目前，小扰动稳定域的研究多集中于负荷水平、励磁调节器增益、励磁饱和等对系统小扰动稳定域的影响，较少考虑量测时滞对系统小扰动稳定域的影响[34],[309],[310]。随着智能电网发展、广域控制大规模应用，电力系统量测时滞显著增大，对系统稳定运行带来巨大风险。文献[237]和[314]的研究结果表明，时滞对电力系统的小扰动稳定域边界及构成影响极为显著。为计算时滞系统的小扰动稳定域，文献[241]基于 Rekasius 变换和 Routh 判据，在(-?,+?)空间中搜索时滞系统的关键特征值，确定系统的小扰动稳定域，计算量较大；文献[242]基于复矩阵变换，通过在有限范围内追踪复矩阵的关键特征谱，确定系统的时滞稳定域，但其参数的搜索范围较小；文献[243]构建 Lyapunov泛函，通过解线性矩阵不等式(Linear  Matrix  Inequalities，LMI)求解系统的时滞稳定域，但 LMI 方法的计算结果偏保守，且计算耗时随系统规模的增大而急剧增加，难以在复杂系统中应用。  上述方法大都只适用于系统的小时滞环节，当系统的量测时滞较大，且在一定范围内随机波动时，需在[0,+?)时滞空间中搜索系统的时滞稳定临界点，因而计算量大、耗时长，要确定其小扰动稳定域并非易事。此外，相对于求取时滞系统的小扰动稳定域而言，研究人员更为关注的是其稳定域边界的拓扑性质，而已有的研究结果大多基于系统的小时滞环节，难以推广到系统在大范围时滞区域中小扰动稳定域边界的拓扑性质研究中。

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结论

随着 PMU 装置在电力系统中大规模配置，WAMS 在电力系统中不断完善和构建，借助广域量测信息实现电力系统的实时稳定分析与控制，提高电力系统运行的安全性和稳定性，已成为智能输电网的一个重要研究方向。本文以广域量测环境下的电力系统安全稳定分析与控制为研究重点，开展相关研究。围绕电力系统的广域量测信息，提出了相应的电力系统安全稳定在线分析方法和控制策略，主要工作内容和结论如下： 第一， 深入研究了广域量测环境下的电力系统热稳定安全域边界近似和构建方法，提出了基于超平面的安全域边界近似模型和基于断面相位差的电力系统广域热稳定安全域，并将其成功应用于南方电网安全稳定在线监控中。 
1)  基于多元非线性回归理论探究满足跨区域互联大电网联络断面支路“N-1”热稳定约束下的热稳定安全域边界近似算法。构建多种电力系统热稳定安全域边界近似模型，引入模型拟合优度、总体显著性水平、变量显著性水平以及参数置信区间的对所构模型进行全面、综合地评估，判定所提模型的可靠程度，确定合理的安全域边界近似模型。与实际区域互联大电网相结合，通过大量计算结果对所提模型验证、评估，确定了基于超平面的广域热稳定安全域边界近似方法可综合、全面反映安全域的边界特性；在此基础上提出并验证了电力系统热稳定安全域边界近似的快速算法及多支路热稳定约束下的电力系统热稳定安全域边界近似算法；将所提方法应用到中国南方电网，构建了满足南方电网跨区互联大电网联络断面“N-1”约束的广域热稳定安全域。 
2)  推导并定义断面导纳和断面相位差；将断面导纳及断面相位差拓展到大规模互联电力系统中；给出在断面相位差空间中计及断面支路“N-1”热稳定约束的热稳定域的相关概念及定义，并通过数学表达式描述了断面有功功率与断面相位差在不同参数空间中的映射关系；拓展了广域安全域在广域量测环境中的应用。最后将所提方法应用到南方电网，在断面相位差空间中，构建了满足南方电网西电东送通道“N-1”约束的热稳定广域安全域。  
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参考文献(略)

本文编号：83091