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基于电网络理论的电力系统过负荷脆弱性与其控制方法分析.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下1.应用潮流转移因子,构建了一种快速识别电力系统脆弱性的方法,该方法不仅与系统结构和参数有关,而且和系统运行状态有关。能够快速有效的识别对系统的静态安全运行有影响的脆弱支路。2.利用有向图的网络传输特性和发电机再调度的潮流控制方法,构建一种改善系统脆弱性的潮流控制方法。该方法能够实现对支路传输功率的有效控制,消除系统的脆弱性。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所弓l起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名 姑缸翮参日期咖f}.土.f/万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘要当前,经济社会正在快速发展,以特高压为主干网络的全国互联的输电网络正在建设中,当系统中脆弱线路出现故障时很容易发生连锁故障,给社会生产和人民生活带来严重影响。为了避免大停电事故和连锁故障的发生,减少连锁故障对系统的损失,需要对电力系统的脆弱元件进行识别和分析,并对脆弱支路进行优化控制,使其满足安全稳定运行条件。本文主要利用潮流转移因子对系统中的脆弱支路进行了辨识。同时,利用基于电网络理论的潮流控制方法,对不满足静态安全运行条件的支路进行了潮流控制,使其满足静态安全运行条件,提高系统的稳定性。主要工作及结论如下1利用电网络理论及叠加原理,研究了支路断开后系统中剩余支路功率分配的快速估算方法,并与潮流计算的方法在计算精度及计算速度等方面进行了比较。研究结果表明,利用电网络理论及叠加原理的方法,能够快速估算出支路断开后系统中其他支路的潮流,为系统脆弱性快速辨识奠定了基础。2给出了一种系统支路的过负荷脆弱性评估方法,及节点电压的脆弱性评估方法。运用潮流转移因子及节点影响因子,能够快速地识别系统中的脆弱支路。该方法虽然不够精确,但是作为系统的脆弱性评估的快速应用,其结果是可以接受的。而且本文定义的脆弱性评估方法,不但与系统的拓扑结构和网络参数有关,而且和系统的运行状态有关。通过算例分析可知,不同的运行状态下系统的脆弱支路是不同的,发生连锁故障时支路断开的路径也不同。3利用有向图的网络传输特性,和发电机再调度的潮流控制思想,构建一种潮流控制方法。在电力系统发生紧急事故或出现线路过负荷的情况下,首先通过对发电机有功功率的调节,使系统满足静态安全运行的状态或者消除线路的过负荷情况;在调节发电机有功不能满足静态安全的运行条件下,将对系统的负荷进行调节,使系统最终满足静态安全的运行条件。结果表明,该方法可以很好地消除支路开断对系统静态安全的影响。关键词潮流转移因子;节点影响因子;脆弱性;机组再调度万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I页AbstractAt present,China is in a period of rapid economic and social development.Nationwidebackbone UHV network of interconnected transmission network is under construction.Sowhen the system vulnerable line failure easily triggered a cascading failure,to a seriousimpact on social production and people’S lives.In order to avoid blackouts and cascadingfailure,to reduce losses of the system caused by cascading failures,it is necessary toidentified and analyzed of the vulnerable components in power system.And make anoptimization control for也e vulnerable branch,to make its meet the safe and stable operationcondition.In this thesis,use power flow transferring relativity factor to identify the vulnerabilitybranches in the system.At the same time,using flow control based on graph theory,to meet the tide of branch of the safe operation of the static condition control,make it meetthe static safety running condition,to improve the stability ofthe system.The main work andconclusions ale as followsCompared the calculating speed and precision of using the theory of electric networkand the superposition principle to estimate for a branch of3fⅡle rest of the branch power inthe system ,and the of power flow calculation.The results showed that usingthe theory of electric network and the of superposition principle,able to quicklyestimate the branch after disconnection,the tide of other branch in the system.This laid thegroundwork for the vulnerability of system identification.Build a vulnerability assessment system of branch overload,and the node voltagevulnerability assessment system.Application trend of power flow transferring factor and thes of impact factor could quickly identify vulnerable branch in the system,althoughnot precise enough as the application of the vulnerability assessment system,but the result isacceptable.And the definition of vulnerability uation ,not only related with thesystem’S topology structure and network parameters,and is related to the running status andsystem.Through example analysis,the system under different running states of fragilebranch is different;a cascading failure OCCURS branch broken path is different also.Use directed graph of the network transmission characteristics,and generator andscheduling for power flow control,build a current control .The inthe power system emergency accidents or a 1ine under the condition of overload.firstthrough the adjustment of generator active power,make the system meet the safe operation万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第l I l页of the static state or eliminate line overload conditions.When active in regulating generatorcan’t meet the static safety nmning condition,will be adjusted to the system load,the systemeventually meet the static safe operating condition.The results show that the canwell eliminate branch static security implications of open circuit on the system.key wordsflow transferring relativity factor;node impact factor;vulnerability;generatorredispatching万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第l V页目 录第1章绪论11.1研究背景及意义11.1.1研究背景..11.1.2研究意义..31.2电力系统脆弱性及其控制研究现状.31.2.1状态脆弱性..31.2.2结构脆弱性..51.2.2潮流定向控制方法71.3本文的主要内容及结构8第2章潮流转移的快速计算方法92.1 i;I言.92.2基于追加电流源的线路传输功率估算方法92.2.1追加电流源的潮流转移原理..92.2.2潮流转移因子的构建112.2.3算例132-3算例分析..152.4本章小结..19第3章基于潮流转移快速计算的电力系统脆弱性分析..203.1引言..203.2线路脆弱性辨识..203.2.1基于潮流转移因子的过负荷脆弱性评估213.2.2基于节点影响因子的节点电压脆弱性评估223.3算例分析..223.3.1系统脆弱性分析223.3.2连锁故障分析253.3.3潮流转移计算误差对脆弱性辨识的影响..273.4本章小结..27第4章基于电网络理论的潮流控制策略..294.1引言..294.2发电机贡献因子及负荷汲取因子一294.2.1发电机贡献因子29万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页4.2.2负荷汲取因子314.2.3简单系统的算例324.3潮流控制方法354.3.1目标函数354.3.2约束条件364.3.3实现步骤364.4算例分析一384.4.1仅调节发电机组384.4.2同时调节发电机组和系统负荷404.4.3潮流控制方法应对连锁故障分析424.5本章小结..45结论与展望46主要结论.46工作展望.46致谢..48参考文献49附录1.53附录2.58万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页1.1研究背景及意义1.1.1研究背景第1章绪论随着经济社会的快速发展,人们对电能的需求的日益增加,促使电网规模不断扩大。大规模跨区域的电力网络互联使电力系统成长为世晃上覆盖范围最广、元件数量最多、组织结构最为复杂的系统之一。大规模的网络互联虽然能实现大范围的资源优化配置,产生巨大的经济效益,但同时也加大了电力系统运行控制的复杂性。当电力系统发生局部故障时,故障很容易波及整个网络,造成大面积的停电事故。因此,如何保证快速发现能够引起电网连锁故障的潜在故障,以及如何控制使电力系统满足安全稳定运行,是电力工作者的工作重点和当务之急。近年来,先后发生的多起大停电事故,引起了国内外学者的广泛关注。2003年8月14日,美国东部以北美五大湖为中心的地区发生了大面积停电事故,停电范围包括美国的纽约州、康涅狄格州、马萨诸塞州、俄亥俄州、密歇根州的全部以及新泽西州北部和新英格兰州的部分地区,同时也造成了加拿大的安大略等地区发生停电事故,停电事故蔓延过程仅有7分钟,造成了至少263座发电站停运,其中至少包括9座核电站,造成的负荷损失有61800MW,受此影响的人估计有5000万之多,造成的直接经济损失达60亿美元,间接经济损失达300亿美元11]。由美加电力系统停电事故特别调查组提交的报告可知,美加“8.14”大停电事故主要是由于电力系统运行在高负荷的状态下,系统的无功功率发生缺额,造成系统中局部电压降低,而继电保护装置误动作使其先后切除了连接俄亥俄州南部和北部的5条主要输电线路,导致系统中的潮流出现了大范围的转移,而系统不能在线路断开前预测线路断开对其他支路运行状态的影响,从而导致了大停电事故的发生【2J。2011年9月8日,美国西南部电力系统发生了大面积停电事故,负荷损失超过4300MW,停电区域包括加利福尼亚州南部、亚利桑那州和墨西哥的部分地区,受停电影响的人超过500万pJ。无独有偶,同样,这次大面积停电事故也是由于单一元件故障导致线路跳闸,从而引起了大范围的潮流转移、造成了电压大幅度的波动而引起输电线路越限,进一步促使继电保护设备和安全自动装置发生一系列的动作,先后造成一系列的主变压器、输电线路、发电机和负荷的自动切除,最终使得由供电区至受电区的主要供电通道全部解列14】。2012年7月30曰与7月31日,印度电网连续两天发生了大面积的停电事故,两次停电事故造成的负荷损万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页失多达84000MW,受停电事故影响的人数多达6亿,是世界范围内影响人数最多的大停电事故[51。“7.30”事故的原因是印度电网运行在安全稳定的边缘,由于停运使线路过载,使继电保护和安全自动装置动作切除了过载线路,造成了大规模的潮流转移,促使主要的供电通道过负荷相继断开。“7.31”事故同样也是由于供电紧张使线路过负荷跳闸,造成大范围的潮流转移,随后引起一系列的线路跳闸,最终导致电网解列。综上所述,近年来发生的多起大停电事故,都主要是由潮流转移引起处在相同输电断面的线路传输的功率超过安全稳定运行的极限功率而跳闸,从而引起一系列的继电保护和安全自动装置动作,最终导致大面积停电事故[6’丌。此类连锁故障过程一般如下图所示。图1.1电力系统连锁故障过程图对于连锁故障,美国的橡树岭国家实验室、威斯康星大学电力系统研究中心等科研机构【引,主要将电力系统连锁故障的宏观动态特点和电力系统的自组织临界特性作为理论依据,从模型建立、预防措施和实用分析等方面对过负荷引发的连锁故障进行了分析[9’11]。另外有一些专家学者利用复杂网络理论,从连锁故障和脆弱性方面对电力系统的拓扑结构进行了建模分析和仿真研究【l 2.13J。和国外相比,我国在判定电力系统是否处于自组织临近性方面的研究相对较少,更注重的是当出现故障时对系统的区域性万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页协调控制。1.1.2研究意义当前,我国正处在经济社会快速发展的时期,以特高压为主干网络全国互联的输电网络正在建设中,因此当系统中脆弱线路出现故障时很容易发生连锁故障,给社会生产和人民生活带来严重影响。为了避免大停电事故和连锁故障的发生,或减少连锁故障对系统的损失,需要对电力系统的脆弱性进行分析并给出相应优化控制措施。长期以来,电网的安全分析主要是基于还原论的思想方法【l 41,但是由于电网的规模不断扩大,人们已经难以用精确的数学建模的方法全面地描述其静态和动态特性,而且传统的分析方法也不能从宏观的高度对电网的安全运行状态提出整体的评价【1引。近年来复杂网络理论的发展使一些科学家开始从网络理论的方向研究电网拓扑结构的复杂性及对连锁故障的影响【161,但其模型过于简单抽象而且结果也不尽如人意。因此,本文从潮流转移的方向来分析故障对电力系统的影响,从系统的角度分析了不同运行状态下系统中各元件对系统安全稳定运行的影响。同时当电力系统出现事故或者过负荷时,利用电网络理论方法通过对发电机发出功率或负荷消耗功率的调控使系统满足安全稳定运行的条件。对于预防连锁故障的发生或减少连锁故障对系统带来的影响有一定的意义。1.2电力系统脆弱性及其控制研究现状虽然针对电力系统脆弱性方面的研究,国内外的专家学者已经提出了许多的理论、模型和方法,但是这些理论、模型和方法并没有得到广泛的认可。从研究角度的不同,可以将电力系统的脆弱性分析方法主要分为两类结构脆弱性和状态脆弱性。结构脆弱性主要是从复杂网络理论的方向研究系统中的边和节点在网络拓扑结构中的作用【l¨。状态脆弱性主要研究电力系统在故障或扰动的情况下,电力系统的各种运行状态变量偏离正常状态的程度,同时也可以反应系统的抗干扰能力。1.2.1状态脆弱性状态脆弱性主要是应用电网的运行状态的评估出发,将越限条件作为指标来分析电力系统的脆弱程度,是从全局的角度分析电力系统运行状态的方法。可以从多方面对电网安全性进行评估,其评估指标体系如图1.2所示【18]。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页功率平衡指标网络安全指标有功旋转备用上调容量压豆受塑夏亘囹压耍受疆匣豆豳匡蔓匦耍互翌囹匡蔓旦亟巫翌晒匡蔓圄耍麴垂妥四厂重强返域历摹可骊酮潮流异常指标开关遮掩容量功角稳定指标压稳定指标稳定指标定匝堕雯巫亟囹匪匿受曼噩圜匿垂豳亘匿圈匦蔓圃亟蜘匮垂堑亟匝圈匮蒌雯巫亟圈睡甄焉琵丽翦田压稳匿垂墅叠匿委塑亟匹匿垂亚垂歪亘亟弼圃}丝塑塑垩鲎枣堡整堕l嚯嚣丽军覆吾厕夏田眄甄颈覃嚣吾陌匝里霾圈隔辱蕊丽图1·2状态指标评估体系文献【19]应用电力系统分析的方法,对系统的动态安全性进行了评估,利用暂态能量函数,引入能量差△v作为系统安全性能的评估指标,并用灵敏度系数弘v/of作为评价系统的安全性变化的趋势指标,同时计算各条支路和母线的指标给出排序,荠与设定的系统安全水平基准值比较,其中基准值的设置为系统的临界稳定值。文献[20]币lJ用灵敏度因子对系统潮流极限和负荷过载进行分析,来评论电网的安全性。文献【21】构建了电力系统中支路的势能函数模型,并且将支路的势能作为衡量指标,来判断系统当前运行状态与系统安全稳定运行条件的差距。文献【22】从能量函数的角度,定义了系统到电压崩溃边界的裕度,并指出了发电机的无功出力和电压崩溃之间的关系。文献f23]应用扩展等面积法,通过计算系统稳定的各项因素对系统稳定性的灵敏度,来评估系统功角的暂态稳定性。以上文献虽然能够较为精确的反映系统的状态,但是,计算过程较为复杂,尤其是当系统的节点较多,拓扑结构较复杂的情况下,当故障发生时,不能快速确定故障对系统的运行状态的影响。一一一一一一一巫麴豳一一一万方数据
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