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1、电力系统安全稳定控制装置,现状、技术要求和实现要素,西安交通大学 2006年10月17日,张保会,目 录,1、安全稳定控制装置的现状2、对安全稳定控制装置的技术要求3、实现稳定性预测的三个基本要素4、三个基本要素在稳定性预测中体现举例,一、安全稳定控制装置的现状（0）,配置安全稳定控制系统是互联电网安全稳定运行的技术保证安全稳定控制系统的研制是一项需要多专业协同工作的研究项目明确对安全稳定控制系统的基本要求与其实现的必要技术条件是做好安全稳定控制系统研究的首要任务,一、安全稳定控制装置的现状（1）,稳定性监测与预测装置的分类间接反映功角的监测装置直接测量功角或角速度的监测装置 基于能量原理的失
2、步预测,一、安全稳定控制装置的现状（2）,间接反映功角的监测装置阻抗型检测装置 测量振荡中心电压的检测装置 利用电压和电流变化率的监测装置,一、安全稳定控制装置的现状（3）,阻抗（电阻）型失步判别装置能反映各种原因造成的失步，它受发电机调节系统的影响较小，在预测动态稳定性方面准确性较高，反映电阻分量的装置在区分同步摇摆和失步在灵敏性上较阻抗型略高。反映振荡中心电压的失步预测装置在失步边缘区段灵敏度较高，加入变化率后的装置具有预测功能，能在失步前发出失步信号。反映电流电压变化率的预测装置对于由重大扰动引起的失步事故能做出快速预测，有利于采取控制措施，保持系统稳定。,对间接反映功角的监测装置的评价
3、（优点）,一、安全稳定控制装置的现状（4）,纯反映阻抗（电阻）的失步继电器只能在发电机失步时 给出信号，时间常数不易整定，太小预测作用不强，太大又有误动的危险。振荡中心电压和功角的简单函数关系是在假定两侧电势相等，各元件阻抗角都相等的理想条件下给出的，在实际系统中它不能准确跟踪功角的变化，所以存在计算误差。电流电压变化率的预测装置随网络参数的变化K值也在变化，在实际运行中难以确定。在复杂的电力系统中不能通用，因为它仅能反应系统局部的一些信息。,对间接反映功角的监测装置的评价（不足）,一、安全稳定控制装置的现状（5）,直接测量功角的失步预测 直接测量角速度的失步预测 对这类装置的评价装置要获得大
4、量的实时参数，数据的测量和传输需要使用通讯手段，一旦通讯故障，整个装置都将失灵。这种仅测量某台发电机的功角或角速度不能构成严格的失步判据，只能通过与一临界功角或临界角速度相比较，而临界值在实际中难于确定，因为它强烈地依赖于故障前的运行方式、故障发生的情况以及故障切除后系统的网络结构。,直接测量功角或角速度的监测装置,一、安全稳定控制装置的现状（6）,基于能量原理的失步预测基于等面积定则的失步预测 基于能量函数的失步预测,一、安全稳定控制装置的现状（7）,对基于能量原理的失步预测装置的评价基于等面积定则的失步预测方案预测速度快，但它仅适用于单机无穷大母线模式。利用GPS实测相角提高了相角测量的精
5、度，可以计及对端电压、网络参数的变化对功角测量的影响，但是是否稳定的判别仍然需要预知系统极限能量，而这是难于准确估计的。利用有功功率及功率变化量的失步预测装置对某些重大扰动引起的失步事故能够快速动作，理论上在扰动瞬间给出预测结果。但它仅能反映简单系统中某些暂态稳定破坏事故，在较复杂网络中应用存在一定困难。,一、安全稳定控制装置的现状（8）,区域性稳定控制系统的现状 紧急状态稳定控制发展趋势是：由分散设置的单一装置或局部稳定控制系统发展为能考虑一个区域或全系统的带失步预测的紧急控制系统，且具有判断执行的快速性、功能的高度可靠性，对电网工况的适应性和动作的选择性与抗干扰性。,目前采用的方案离线预想
6、计算，实时匹配：存在失配，自适应能力很差。在线预想计算，实时匹配：避免了工况的失配问题，能够自动适应系统的发展变化。但对决策分析软件的要求很高，要求其在尽可能短的时间内作出决定。,一、安全稳定控制装置的现状（9）,可行性：GPS的出现和引入电力系统，使得对电力系统具有重要作用的相角测量得以实现。现代的远距离通讯能力和工作站技术使我们能得到系统的实时摇摆运动轨迹信息，于是可进行全系统的在线实时性的动态监视，因此必将极大地改善系统暂态稳定预测及控制的水平，为暂态稳定的失稳预测和控制提供新的思路和方法。出发点：以系统动态监视的实时轨迹信息为基础，预测系统未来的发展趋势和变化，并快速识别系统的稳定性，
7、对于防止系统的稳定性破坏和快速起动紧急控制将起到关键作用。,基于轨迹信息进行实时预测的可行性,一、安全稳定控制装置的现状（10）,基于系统的轨迹信息,不需预先知道电力网络结构、参数以及负载动力学特性等难以准确获得的知识，所需参数由实时测量信息获得或计算得到，因而它能更准确地反映系统的真实运行情况。,基于轨迹信息进行实时预测的优点,1、安全稳定控制装置的相对选择性,安全稳定控制装置（系统）以局部损失为代价换取全系统稳定运行的全局利益充分利用电力系统本身的抗扰动能力安全稳定控制装置（系统）投入紧急控制后获得的全局利益应远大于所造成的局部损失为保证安全稳定控制装置（系统）动作的选择性，首先应做好安全
8、稳定预测工作,二、安全稳定控制装置的技术要求（1）,2、安全稳定控制措施投入后的切实有效性,投入控制措施的快速性是保证控制有效性的必要条件安全稳定控制措施的施加地点、时刻、控制量应进行协调，才能保证有效性控制有效性应校核,二、安全稳定控制装置的技术要求（2）,3、安全稳定控制装置的经济性,在系统的规划设计阶段同时考虑安全稳定控制系统所获得的效益在电力系统正常运行中由于使用安全稳定控制系统所获得的经济效益安全稳定控制装置（系统）在系统故障时维持安全稳定运行所产生的效益,二、安全稳定控制装置的技术要求（3）,4、安全稳定控制装置的有限适应性,适应相同不稳定模式下的不同电力系统适应启动投入不同的稳定
9、控制措施安全稳定控制装置产品典型化、系列化,二、安全稳定控制装置的技术要求（4）,5、安全稳定控制装置的高度可靠性,使用系列安全稳定控制装置的协同配合，简化单个装置的复杂程度，提高控制系统动作的正确性采用本地故障量闭锁和必要的双重化措施保证控制系统动作的正确性利用故障再现手段评价装置动作的正确性,二、安全稳定控制装置的技术要求（5）,三、实现失稳预测的三个基本要素（1）,以下三种参数决定扰动后系统的稳定性(1)扰动前系统的运行状态及电机参数(2)扰动消除后的网络拓扑(3)扰动对系统产生的影响,3.1 电力系统的数学模型(1),其中：Mi，Pn惯性常数及机械功率。,对于一个机系统，转子运动方程为
10、：,Gij、Bij为*i机与*j机间的互导、互电纳，Gii为自电导。,三、实现失稳预测的三个基本要素（1）,3.1 电力系统的数学模型(2),这里所讲的失步预测，是考查扰动消除后系统的同步稳定性，所关心的是否失步，即在范数意义下：,发电机相对系统角度中心的运动方程为：,三、实现失稳预测的三个基本要素（2）,3.1 电力系统的数学模型(3),系统是稳定的，反之是不稳定的。,三、实现失稳预测的三个基本要素（3）,的获得可以用数值积分，但是受模型、参数的,影响；也可以通过PMU同步测量。共同的问题是对稳定性的判别需要很长时间，一般的判别方法是计算几秒的时段，观察摇摆曲线的发展趋势，当估计出不稳定时，
11、投入控制措施。发展运动系统不稳定的简捷、快速的判据是一个很难的数学问题。,三、实现失稳预测的三个基本要素（4）,假定扰动消除时刻记为t=0，则：方程是一组非零初值、非线性常微分方程组。众所周知，解析解是难以求得的，如果失步预测只关心系统摇摆的结果，不关心摇摆的过程，初值即扰动消除时刻角度角速度确定后，方程才有定解，即系统是否稳定才是确定的，才有可能预测系统是否失步。,3.2 实现安全稳定控制的基本要素(1),明显看出，方程的解与下列因素有关：(1)转动惯量M、机械功率PT、电势E；(2)自互电导、电纳Gii、Gij、Bij；(3)初值条件,条件（1）表示各发电机扰动前的运行状态和参数，据扰动前
12、的系统条件可以确定。条件（2）由扰动消除后的拓扑和扰动前的负荷状态决 定，不同的元件切除影响各发电机间的自、互导纳。条件（3）表示“扰动造成系统的位移”，包括扰动的地点、种类、持续时间等。,三、实现失稳预测的三个基本要素（4）,3.2 实现安全稳定控制的基本要素(2),系统稳定性的预测就是在充分反映以下条件的基础上：(1)扰动前系统的运行状态及电机参数；(2)扰动消除后的网络拓扑；(3)扰动对系统状态造成的偏移。正确挖掘并定量利用以上三者之间的关系，才能正确预测稳定性。研究预测原理，就是在寻找以上三者与稳定性之间的定量关系。任何失步快速预测判据若不充分反映以上三个条件，预测的结果就不会是完全正
13、确。,三、实现失稳预测的三个基本要素（5）,3.3 暂态稳定性预测结论得出的时刻,暂态稳定性预测结论得出的最快时刻为最后一次扰动消除时刻。若能预计扰动对系统状态造成的偏移和网络变化，稳定性预测结论可以提前得出。暂态稳定性预测是对复杂系统发展过程的结果进行预计，而继电保护是对某元件的状态进行甄别，前者要困难得多。，,三、实现失稳预测的三个基本要素（6）,四、三个基本要素在暂态稳定性预测中体现(1),四、三个基本要素在暂态稳定性预测中体现(2),用面积定则预测稳定性，三个基本要素体现在：扰动前运行状态由、PT表征。扰动消除后的网络拓扑C和PT决定扰动后的稳定平衡点 和不稳定平衡点。网络吸收暂态能量的最大值仅与扰动前的PT、扰动消除后的C有关，而与扰动无关。扰动对系统的影响表现为、B，影响A1的大小。,五、结论,理论分析和工程实践表明，要快速、准确地预测失步，其装置至少应该反映以下三个因素：扰动前系统的运行状态及电机参数；扰动消除后的网络拓朴；扰动对系统稳定性的影响。在全面考虑这三个因素的基础上，寻找并正确地利用这三个因素之间的关系，才能做好失步快速预测工作。在预知扰动后网络拓扑及参数时，准确地失步预测信号最快只能在扰动的极限消除时刻发出。,谢谢大家！,再见！,
