电力系统安全稳定问题研究

摘要：介绍了国内外电力系统平安稳定问题的研究现状，供电力工程参考。
关头词：电力系统；平安稳定；新进展
Abstract:Thispaperintroducesthestudystatusofsafetyandstabilityproblemsforpowersystemsathomeandabroad,anditisveryusefulforelectricalengineeringreference.
　　Keywords：powersystem；safetyandstability；newdevelopment
　　现今，电力已作为现代社会的主要能源，与国平易近经济建设和人平易近生活有着极为紧密亲密的关系，供电不稳定，出格是年夜面积停电事故所酿成的经济损失和社会影响是十分严重的，例如2003年的纽约、伦敦和东京年夜停电事故。是以，对现代电力系统的运行提出了更高的要求，既保证平安、靠得住和经济地发供电能，又要求保证及格的供电。可是，现代电力系统是一个由电能发生、输送、分配和用电环节组成的年夜系统。同时，由于电能的发、送、变、配、用电各个环节是同时进行，这样现代电力系统又是一个复杂的实时动态系统，这个系统除包括发电、送电、变电、配电和用电装备外，还包括监测系统、继电庇护系统、调剂通讯系统、远动和自动调控装备等组成的二次系统^［1-5］。
　　在这个年夜系统中，其装备众多，散布区域很广，要保证每台装配装备或每条输电线路在任什么时候候都不发生任何以障是尽对不成能的。随着社会生产技术的成长，现代电力系统由于机组容不竭提高，电网规模不竭扩年夜，电压品级不竭提高，超高压远距离输电和互联电网形成，使电网结构加倍复杂，造成现代电力系统的控制经管极为坚苦，一个严重干扰都能波及全系统致使瓦解的严重后果。是以，保证电力系统平安稳定运行是一个极端重要的问题，只有在电力系统平安稳定运行的条件下，才有可能进一步斟酌运行的经济性等问题。　　当前的中国已步进年夜电网、高电压和年夜机组的时代。随着中国电力系统的日益成长和扩年夜，电力系统平安稳定问题已成为重要的问题，越来越突出。解决好电力系统实时平安分析方式和平安稳定控制技术的研究和运用，已成为电力生产、运行、科研和制造部门的重要使命，不管在任何情况下，电力调剂运行部门都要把电力系统平安稳定运行放在首位^{［6－9］。}

1电力系统平安稳定问题
　　电力系统中各同步发机电间连结同步是电力系统正常运行的需要条件，若是不能使各发机电相互连结同步或在暂时失往同步后不能恢复同步运行，这就使电力系统失往稳定。电力系统稳定问题早应追溯到上世纪初。当同步机电由单机运行成长到与其它同步发机电并列运行后，就泛起电力系统稳定问题，出格是在发生故障情况下，有可能使发机电失往同步。电力系统稳定的破坏，往往会致使系统的解列和解体，造成年夜面积停电，所以保证电力系统稳定是电力系统平安运行的需要条件。在电力系统稳定研究中，除维持发机电间的同步运行的稳定性外，还展开了电力系统的电压稳定和频率稳定性问题的研究。
　　近几十年来，国内外电力系统由于稳定破坏，曾发生年夜面积停电事故，对国平易近经济造成极年夜损害，使社会和人平易近生活遭到很年夜影响。
　　美国1965年东北包括纽约年夜停电事故。造成了21000MW用电负荷停电，停电长时间13h，停电区域20万km²，经济损失达1亿美元，影响居平易近3000万人。事故缘由为加拿年夜拜克水电站向多伦多送电的5条230kV线路中的一条突然跳闸，造成系统稳定破坏。
　　美国1977年7月13日纽约年夜停电事故。此次事故原由为年夜风暴造成输电线路断开，短时的供需不服衡，使电网电压剧升，发机电超速解列。此次年夜停电引发穷户区的抢劫和纵火，华尔街上造成严重的社会问题。
　　法国1978年12月19日年夜停电事故。那时由东部向西部送电的一条400kV线路因过负荷跳闸，致使其他线路发生一系列的过负荷跳闸，并造成系统稳定的破坏，终造成法国全国年夜部门地域停电。
　　日本1987年7月23日东京电力系统年夜停电事故。这是一次典型的电压解体事故。事故中负荷停电8168MW，影响280万用户，停电时间长达3h21min，使两个500kV变电站及一个275kV变电所全停，影响日本铁线路13条线路停运，都市自来水中断，银行计较机系统中断，造成社会生活紊乱^［10-16］。
　　1980年7月27日中国安徽电网年夜面积停电事故。事故原由是由于一台220kV电压互感器爆炸起火，引发二条220kV线路前后跳闸，年夜负荷转移到一条与之环网运行的110kV线路上，造成稳定破坏，系统剧烈振荡，后致使系统瓦解。事故发生后，甩负荷及停电320MW，少送24万kW·h电能，给工农生产、社会生活造成严重损失。
1972年7月20日浙江电网瓦解事故，是华东电网的一次严重稳定破坏的年夜面积停电事故。杭常湖220kV三角年夜环网是毗连上海、杭州、常州为中枢点的三角年夜环网。这个总长564km的单回线年夜环网给系统运行带来复杂性。此次常湖线故障，造成浙江电网频率解体而周全瓦解，两个220kV变电站，23个110kV变电站，近100个35kV变电所停电，全省甩负荷350MW，事故直接损失约200万元。
1972年中国湖北省电力系统稳定破坏事故，使全省失往约686MW，致使湖北地域年夜面积停电，使武钢等年夜厂矿企遭到重年夜经济损失。
成长电力系统是电力工的客观纪律，是列国电力工所走的配合道路。前苏联已基本上形成了全国统一的电力系统而且与东欧国家互联，形成了更年夜规模的联合电力系统；西欧列国的电力系统也已互联，形成西欧十一国的互联系统。中国已进进高电压、年夜电网、年夜机组时代，年夜区电力系统的装机容已达20000MW以上，中国电力系统已由以省内为主，成长到跨省的年夜区电力系统而且年夜区电网之间也已起头互联。
可是，年夜电力系统对平安性的要求更高，对运行技术和经管水平要求也更严酷。当年夜电力系统发闹事故，出格是发生稳定破坏和不成控的严重连锁反应时，停电波及的范围年夜，停电时间长，后果严重，出格当电网结构亏弱，经管不善而缺少需要的技术防范措施时，则某一电气装备故障可能成长成为周全的年夜面积停电事故，例如上述国内外年夜停电事故。是以，必需把保证年夜电力系统的平安稳定运行问题放在极为重要的位置，这是从国内外年夜电力系统发生的屡次年夜停电事故中得出的客观纪律。对于中国电力系统，持久以来输变电工程建设落后于发电工程，而发电工程又远落后于负荷增加的需要，电网结构相对亏弱，面临中国电力系统的容不竭增加，若何保证日益成长的年夜容电力系统的平安稳定运行，是一项紧
急而又重年夜的使命^［20］。

2电力系统平安稳定研究^{［20-42］}
对电力系统而言，平安和稳建都是系统正常运行所不成缺少的基本条件。平安和稳定是两个分歧的基本概念。“平安”是指运行中的所有电力装备必需在不跨越它们允许的电压、电流和频率的幅值和时间限额内运行，不平安后果致使电力装备损坏。“稳定”是指电力系统可以接连向负荷正常供电的状态，有三种必需同时知足稳定性要求：
①同步运行稳定性；
②电压稳定性；
③频率稳定性。
电力系统失往同步运行稳定的后果是系统发生电压、电流、功率振荡，引发电网不能继续向负荷正常供电，终可致使系统年夜面积停电；失往电压稳定性的后果，则是系统的电压解体，使受影响的地域停电；失往频率稳定性的后果是发生系统频率解体，引发全系统停电。
早在20世纪50年月后期，一些西方工化国家就起头把计较机运用在实现经济调剂为主要的目的上。60年月后期以来，美、法、日等国的一些年夜型电网相继发生了年夜面积的停电事故，庞大的经济损失和严重的社会影响使各方面深受震动，列国才起头重视电力系统实时平安稳定分析的研究。
2.1电力系统稳定分析研究^{［20-28］}
电力系统的同步稳定问题一直是人们研究的重要课题。持久以来，不管是经典的仍是现代的电力系统稳定性理论，非论在稳定性机理、数学物理模拟、计较方式，仍是在控制技术对系统稳定性的影响方面，主要集中在系统功角稳定性的研究上，而且由于控制理论、计较机技术的飞速成长及其在电力系统中的普遍运用，使得人们对于功角稳定性的研究熟悉到达了很高的阶段，所取得的理论和实用性功效，对系统平安运行阐扬了庞大的作用。
电力系统的同步运行稳定分析一直是电力系统中为关注的一种稳定性。在中国的现行规程上，把电力系统的同步运行稳定性分为三类：静态稳定、动态稳定和暂态稳定。但迄今为止，上对电力系统同步稳定性并没有统一的尺度界说。1982年IEEE提出新的建议，并界说以下：
1)电力系统的静态稳定性：若是在任一小扰动后到达扰动前运行情况一样或相接近的静态运行情况的话，电力系统对该特定静态运行情况为静态稳定，又称为电力系统的小干扰稳定性。
2)电力系统的暂态稳定性：若是在该扰动后（如三相短路等年夜扰动）到达允许的稳定允许情况，电力系统对该特定运行情况或对该特定扰动为暂态稳定。
电力系统的暂态稳定水平一般低于系统的静态稳定水平，若是知足了年夜扰动后的系统稳定性，往往可同时知足正常情况下的静态稳定要求，可是，连结一定的静态稳定水平，仍是取得系统暂态稳定的根蒂根基和条件，有了一定的静态稳定裕度，就有可能在严重的故障下经由过程一些较为简单的技术措施往争取到系统的暂态稳定性。持久以来，主要对电力系统同步稳定运行的三个方面展开研究：
①研究分析长距离重负荷线路的静态稳定裕度的计较，将电力系统的数学模子进行线性化处置，用频域法，计较电力系统参数矩阵的特征值和特征向。泛起静态稳定问题的情况，多属单机对主系统模式。
②引发研究人员感乐趣的是动态稳定计较分析，但在现实系统中，由于这类模式的
稳定破坏并很是见，对其求解方式一般采用数值积分法，如欧拉法、龙格库塔法、隐式积分
法的时域分析方式，计较成效给出功角对时间的曲线关系，以判别电力系统的动态稳定性。
③用来斟酌年夜扰动对系统稳定运行的影响是暂态稳定问题。年夜的研究分析是暂态稳定性，由于系统的运行操作和故障是年夜地经常发生，是以对暂态稳定性的准确评估，对电力系统平安运行具有甲等重要意义。描写电力系统遭到年夜干扰后的机电暂态进程是一组非线性状态方程式，年夜扰动引发的电力系统动态进程中，系统的许多参都在年夜幅度范围内变化，现在的普遍做法是采用时域法，用数值积分法求解非线性方程，求得个机组间的相位差角对时间的变化曲线，或求出某一母线节点电压对时间的变化曲线。虽然用几率和统计分析方式来估算系统的平安性已作了相当长时间的研究工作，但为了加倍顺应实时控制快速判断暂态稳定的需要，一些新方式引进到这个领域，如李雅普诺夫函数法、模式识别法、家系统和人工神经网络等方式。运用李雅普诺夫函数法，首先必需找到一个所谓的李雅普诺夫函数。对一个特定的动态系统，若是找到这样的函数，就没必要往求解系统的微分方程组，就能够直接判定这个系统的稳定性。事实上，在很多电力系统暂态稳定性研究中，就是把系统所存贮的总能函数作为李雅普诺夫函数的。19世纪提出的李雅普诺夫直接法长短线性系统稳定性理论的重年夜进展，20世纪30年月前期苏联学者不仅用park方程研究高电压远距离输电，也提出用能准则分析电力系统能积分的论文，直到60年月下半叶才泛起李雅普诺夫稳定意义上的电力系统稳定分析的论文，70年月末期在美、日等国提出的暂态能函数方式是对李雅普诺夫函数法的改良。近十多年来，国内外学术界在其函数机关、稳定域估、动态平安分析与控制方面研究成长迅速，国内上发表了年夜论文和著^［20］。此方式克服传统数值积分方式在线运用计较负担较重的弱点，因其能够定怀抱稳定度，适合于活络度分析和对极限参数的快速计较，是以近十多年来其方式一直是电力系统研究领域中十分活跃的一个分支。近年来，随着人工智能方式在电力系统中运用，人工神经元网络也运用于对暂态稳定的研究。文献^［21］提出了一种哄骗人工神经元进行电力系统暂态稳定分析的方式，该神经网络取故障后系统暂态为特征，采用BP算法进行训练，将样本空间进行模式分类，并对分歧类样本作分歧处置，后以现实系统为例，将选用暂态特征与选稳定特征进行比力，验证了选用暂态特征的准确性和有用性。电力系统暂态稳定分析要求针对当前运行工况实时准确地作出判断，人工神经元网络理论的运用为这一问题的解决引进了一个全新的思想模式，不需求解非线性方程，只需建立所研究问题与人工神经元网络输进与输出的影射关系，离线训练网络，在线并行计较，以知足电力系统暂态稳定分析的要求。今朝将ANN运用于电力系统暂态稳定分析的工作越来越多。
近年来，在国外的一些电力系统中泛起过因电压或频率不稳定或电压或频率解体而致使年夜面积停电，出格是电压问题在范围内引发普遍重视和关注，许多家和学者投进电压稳定性研究中，使这项研究到今朝为止取得了一系列功效，这些分析方式可以年夜致回纳为下面几个方面：
①运用潮水方程的可行解域研究电压稳定
加拿年夜McGill年夜学的Galiana等人从分析电力系统静态数学模子的解析性进手研究潮水问题的靠得住解域及其性，得出了具有理论价值的结论^［23］。经由过程研究潮水问题的可行解域，可肯定给定注进矢（包括潮水方程的PQ节点的有功无功注进，PV节点的有功注进的电压幅值）对应的潮水计较不收敛的缘由，可以计较出静态电压稳定裕度和临界电压。
②运用潮水方程多值解的性研究电压稳定性
由于潮水方程的非线性，在给定的节点注进下，其解不，存在多值性。文献^［24］提出在潮水多值解中，低幅值电压解是不稳定运行解的思想，若是某种干扰使系统运行由高电压解转移到低电压解，即所谓的模式转移，那末系统中的无功/电压控建造用失效，加重电压下降进程，浮现为对系统电压失往控制，致使电压解体。是以，低幅值电压解对电压不稳定负有直接的责任，经由过程研究潮水方程的多值解来分析系统电压稳定性。
③采用人工神经网络研究电压稳定性
虽然潮水的可行解域和多个值解法从理论上可以研究系统的工作点的稳定裕度，但计较复杂，现实运用坚苦。针对这些问题，文献［^{25］［26］}采用人工神经元网络来研究电压稳定问题，为系统的化调整提供扶助，而且利便地与潮水法式相连系，计较年夜为削减。今朝在中国展开对电力系统电压稳定性的研究不仅具有较高的理论价值，而且是当前和从此电力生产成长的迫切需要，是以迫切需要研究出新的分析方式和运用软件来解决这一现实问题。
2.2电力系统平安分析研究^［29-42］
电力系统平安分析包括静态平安分析和动态平安分析，它们是电力系统调剂运行工作的一个主要内容。平安分析是指在那时的运行情况下，系统有对应的潮水散布，当系统泛起故障后，进进稳定后或暂态进程中，对电力系统进行计较分析，分析系统是否运行在平安约束条件之内，有多年夜平安储蓄能力，并在实时潮水根蒂根基上进行预想事故评定。
电力系统调控中心进行在线平安分析的目的是对电力系统在当前运行情况下的平安状态作出评价，从而预先接纳合理的控制措施。当处于平安状态的电力系统遭到某种扰动，可能进进告警状态，经由过程静态平安控制（即预防性控制），如调整发机电电压或出力，投进电容器等，使系统转为平安状态；电力系统在紧急状态下为了维持稳定运行和延续供电，必需接纳紧急控制，经由过程动态平安控制，系统可以恢复到平安状态，也可能进进恢复状态；经由过程恢复控制，使系统进进平安状态。这些平安控制是维持一个电力系统平安、经济运行的保证手段，一般由电力系统调剂中心的能经管系统（EMS）进行实施，如静态平安分析、动态平安分析。电力系统的静态与动态平安分析包括3个子问题：预想事故选择；预想事故评估；平安性指标计较。近十年来，电力系统平安分析研究取得以下几方面功效：
①在静态平安分析研究中，曩昔很长时间普遍采用的是逐点分析法，它需要对偶然事故表中所有运行条件逐一解潮水方程，取得潮水的再散布状态，对所求的母线电压和各支路的功率进行越限检查，并检查是否知足平安性，是以计较年夜。对此，列国进行年夜研究，在法式技巧上提出稀疏矩阵的压缩存贮和节点编号化等方式，在求解潮水的算法上相续提出直流潮水法，牛顿-拉夫逊法，PQ分化法和快速解耦法等。近年来一种新的静态平安分析法——平安域分析法引发了人们的重视。静态平安域思想是由E.Hnyilicza等人在1975年提出的，它的点是削减了年夜潮水计较。F.F.Wu等人进一步成长了这一理论，用解析方式提出平安域的子域，用以近似暗示平安域，在文献^［28］的根蒂根基上，文献^［29］采用扩大算法求出趋于年夜的直观平安域。针对上述静态平安域研究均没有斟酌N-1平安性约束，文献^［30］基于快速解耦潮水模子，建立了正常状态（N状态）和N-1状态的静态有功和无功平安域模子，为了获取较年夜的直观平安域，对N平安域以基本运行点作为初始点进行扩大，采用对偶单纯形法的增广解法求平安点，并采用压缩约束的措施，提高了计较速度。
从完整的在线平安分析来看，应对扰动发生后，电力系统的静态行为和动态行为两个方面进行，可是曩昔偏重于静态平安分析，认为动态平安分析的计较年夜，算法太复杂。随着这几年许多国家相继发生了电力系统电压解体事故，同时在许多国家里年夜容电厂、超高压远距离输电线路的不竭建成并投进运行，形成了多区域多条理的联合电力系统，是以列国对电力系统的动态平安分析研究十分重视，提出了一些新的理论分析方式^［31］。为了提高动态平安分析的实时性，文献^［32］提出了采用分化和协调理论的局部暂态平安分析和监测方式，将电力系统分为内部系统，凭据调剂自动化系统中的全系统实时结构导纳矩阵，可以直接推导出外部系统的等值导纳矩阵，这类方式可以削减数据收集和软件处置工作，提高暂态平安分析和检测的实时性和实用性。
②人工智能方式在电力系统平安分析中的运用研究已成为这一研究领域的一个活跃分支。人工智能是指用机械来模拟人类的只能行为，包括机械感知（如模式识别、人工神经元网络等）、机械思维（如问题求解、机械学习等）和机械行为（如家系统等）。人工智能（ArtificialIntelligence）是当前成长迅速、运用普遍的学科，其中家系统（ExpertSystem）和人工神经元网络（ANN）是人工智能的两个很活跃的分支。
电力系统平安分析的各个方面几近都已引进了家系统的思想，而且已有了现实运行的平安分析家系统^［33］。文献^［34］具体计议了电力系统预想事故排序问题的特征，认为预想事故排序问题只有采用家系统和数值计较相连系来解决。文献^［36］介绍了一个为CQ
R的基于常识和常规算法的夹杂型平安分析家系统。文献^［37］设计了暂态平安分析的一个
家系统整体框架，这是一个数值计较和常识处置的夹杂系统。文献［38］针对美国NorthernStatePowerCompany开发的一个动态平安趋向分析家系统作了具体的介绍，而
文献^［39］则报道了台湾电力系统开发的静态平安分析家系统。
建造家系统坚苦的是常识获取，解决常识获取问题的有用方式是实现常识自学习。
今朝认为用神经网络实现是一种有前途的方式。ANN的一个主要特征是能够学习，可以从输
进样本中，经由过程自顺应学习发生所期看的常识计划，ANN是并行、散布、联想式的网络系统
，很适合解决复杂的模式识别。由于人工神经网络的BP模子可以模拟肆意复杂的非线形关系
，能很好地解决分类器问题，并经由过程自学习功能实现。是以，使用ANN进行静态和动态平安
分析遭到列国的极年夜重视，已有一批功效在有关文献中报到。文献^［40］首先将ANN引进电力
系统动态平安分析中，提出了用BP模子估临界切除时间，研究讲明：训练的ANN对分歧的
网络结构有较高的估精度，而文献^［41］则研究了BP模子进行动态平安分析进程，在训练样本的形成和特征的拔取方面作了很多工作，文献^［42］提出了一种哄骗人工神经网络来描写和拟合电力系统暂态平安性能的方式，介绍了一种集学习计划和遗传算法连系起来的快速学习算法，ANN经由过程训练来模拟和求解出电力系统暂态稳定水平，肯定系统的暂态平安域。

3存在问题息争决方式
在20世纪60年月后，国内外电力系统曾发生过次严重的年夜面积和长时间停电事故，从而保证电力系统平安稳定问题已遭到极年夜重视，并为此进行了年夜的理论科学研究和工程实践，但到今朝还有很多问题还没有很好解决，如超高压远距离输电与互联电网的平安稳定分析方式与控制策略问题；年夜容机组投进电力系统运行，若何解决好系统与年夜机组的平安协调问题；若何解决有功调剂中系统平安问题与经济问题的协调问题等。
另外，近年来实时相角丈技术的成长已为现代电力系统平安稳定分析斥地了一个新的
领域，为超高压年夜电网的平安运行监控提供了新的手段。参考文献［1］韩祯祥.电力系统自动监视和控制［M］.水利电力出书社，1988
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