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1、广域动态运行信息条件下的网络保护与紧急控制研究,张 保 会,西安交通大学 2006/03/25,目 录,国际大停电事故及其教训我国保障电网安全运行的“三道防线”电力系统广域运行信息及其应用输电断面安全性保护研究利用广域动态信息的网络操作优化研究基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测研究结论,一、国际大停电事故及其教训（1）,国外03年发生的大停电事故特大停电事故是现代社会的灾难,一、国际大停电事故及其教训（2）,美国发生的其它大停电事故预防特大停电事故是对现代科学技术的挑战,一、国际大停电事故及其教训（3）,大停电的直接原因分析：在部分元件停运检修状态下，局部发生故障；故障切除后运行状态转移中部分输
2、电元件运行异常或保护误动；后备保护和自动装置切除过载的输电元件；连锁过载被切除后的输电通道转移及系统不稳定；输电网络被大面积的无序断开后低周波、低电压、高周波等自动装置分散动作使系统崩溃。,一、国际大停电事故及其教训（4）,一、国际大停电事故及其教训（5）,一、国际大停电事故及其教训（6）,一、国际大停电事故及其教训（7）,一、国际大停电事故及其教训（8）,一、国际大停电事故及其教训（9）,一、国际大停电事故及其教训（10）,一、国际大停电事故及其教训（11）,大停电事故的启示：任意坚强的网络都存在较薄弱的运行方式和严重的运行状态；跟踪运行方式和适应运行状态的实时控制系统是不可缺或的；分散安装
3、、独立动作的自动装置可能保护电网，也可能切跨电网；电网主网架结构的不安全，是大停电事故的直接原因；电网的无序解列、开断造成了恢复的困难。,一、国际大停电事故及其教训（12）,可吸取的教训：元件的故障或扰动，在局部系统内部采取措施来消除，影响，不使其扩散到局部系统外；区域系统之间输电断面上的故障，切除故障元件后尽量保持输电断面的完整性；反应元件运行异常的保护应与系统的安全自动装置协调动作，保证网络连接的强壮性，尽量满足输电能力与输电需求的平衡，切不可独立、无序乱动；互联系统失稳后，应按功率尽可能平衡的原则有序解列，避免大面积停电，并有利快速恢复。,二、我国保障电网安全运行的“三道防线”（1）,第
4、一道防线：高速、准确地切除故障元件的继电保护和 反应被保护设备运行异常的保护被我国超高压电网普遍采用的装备利用被保护元件两端的尽可能简单的信息；超高压系统主保护动作速度1025毫秒；超高压系统主保护动作正确率99.82%;正在研究、未来可能装备电网的保护利用被保护元件单端或两端故障暂态信息的继电保护主保护动作速度25毫秒以尽可能快的速度、在尽可能小的范围内切除故障，减少系统产生的不平衡能量,二、我国保障电网安全运行的“三道防线”（2）,第二道防线：保障电网安全运行的安全自动装置自动重合闸装置：除减少重合于永久故障时系统不平衡能量外，尽量减少网络拓扑的变化，尽快恢复网络输电能力；备自投、事故减出
5、力、自动切负荷、抽水改发电等：快速保持稳态发输电能力与用电需求的平衡。过负荷控制：连锁切机、切负荷，远方切机、切负荷等。保持稳态输电能力与输电需求的平衡。暂态稳定控制：逻辑式连锁切机、切负荷；利用局部量的稳定性预测与紧急控制装置；基于离线或在线计算的区域性稳定控制系统；用于保持动态输电能力和输电需求的的平衡。,二、我国保障电网安全运行的“三道防线”（3）,第三道防线：失步解列与频率、电压控制失步解列：在互联电网失去同步后，在预定的地点解列，以求各子网能独立满足供电需求。频率控制：通过低周减载、开启备用机组等满足频率要求，通过高周切机保证频率稳定、机组安全。电压和无功控制：通过低压减载和增发无功
6、维持电压水平，防止电压崩溃。争取各自平衡，尽量减少对用户的损失，维持各子网的安全，创造并网条件。,二、我国保障电网安全运行的“三道防线”（4）,市省级电网,省 大区电网,我国电网规模升级与稳定破坏事故,二、我国保障电网安全运行的“三道防线”（5）,“三道防线”建设中应该加强的研究：采用最佳重合闸技术，减少第二次故障冲击、尽可能减少网络结构和潮流的变化，维持稳态输电能力、提高暂稳极限。构建输电断面或网络的输电能力保护，协调和优化在元件运行异常、特别是线路过负荷后采取的网络切换，保证网络的稳态传输能力与负荷的平衡，防止元件连锁过载被切除。研制自适应电力系统模型和参数的暂态稳定预测与紧急控制系统，提
7、高系统的暂态稳定极限，增加网络的输电能力。研究自适应的失步解列与快速恢复控制系统，减少停电容量和停电时间。,三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（1）,1、电力系统广域稳态运行信息 电力系统地域的广袤性、电力设备的众多性、电能传输的快速性以及电能实时的平衡特性，决定了反应电力设备运行状态和电力系统运行方式的实时信息系统，是保障电力系统安全、可靠和经济运行的基础系统。经过几十年与电网建设同步的发展，基于五级SCADA静态信息采集系统的电力调度自动化系统已经建立，支撑着现代的电力生产。这些信息反应电力系统的稳态运行情况，以分层分布式信息流结构，数据更新周期为秒钟级。,三、电力系统广域运行信息及其
8、可能的应用（2）,2、电力市场信息支持系统 电力市场化改革后，电能的商品属性日渐凸现，表达电能价值、价格的实时经济信息成为决定电能交易的决定性信息。因为电能在物理上的实时平衡特性，使得电能安全运行与经济交易互相制约、密不可分。同时表征二者特性的信息系统，成为市场环境下电力系统生产运行的基础信息系统。这些信息反应电力市场的交易、电价、电费和电力系统的稳态运行情况，以分层分布式信息流和点到点的信息流结构，数据更新周期为秒钟级。,三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（3）,3、电力系统广域动态运行信息 描述电力设备及电力系统动态行为的信息，利用这些信息可以掌握和预计电力系统的动态变化规律，通过施加
9、适当的控制，调控电力系统向预定的目标变化。例如：具有同步时钟、同时测量的电压、电流、功率和功角信息及其高速的传递网络。随着全球同步时钟的出现和高速信息网络的发展，建设电力系统广域动态信息系统初步具备了条件。,三、电力系统广域运行信息及其可能的应用（4）,4、电力系统广域动态运行信息的可能应用快速切除故障元件的继电保护防线是不需要广域信息的；广域信息下的集中协调控制系统是不可能取代分散安装的继电保护装置的。被保护的目标是单一设备，使用两端信息判别故障已经足够了；保护的可靠性要求极高，越是简单越可靠；保护的动作速度要求极高，广域信息速度不够；具备广域动态运行信息将使保障整个电力系统安全运行的第二道
10、、第三道防线的水平发生“质”的提高。,四、输电断面安全性保护（1）,1.输电断面安全性保护的任务 通过协调断面上的过载保护和自动装置的动作，避免断面内的支路发生连锁过载跳闸，维持断面的输电能力，防止断面潮流的大幅度转移。预测出并行输电断面存在连锁过载跳闸的可能时，迅速闭锁过载保护，通过安全稳定控制系统进行紧急控制，消除支路过载。反之，则允许过负荷保护延时跳闸。,四、输电断面安全性保护（2）,2.实现安全性保护的信息条件 输电断面安全性保护需要实时获取系统级的信息，快速收索当前的输电断面，快速评估线路开断后断面的潮流情况，并给出可行的控制方案执行之。提升SCADA/EMS系统的数据更新速度或利用
11、快速动态信息系统；将分散安装的过负荷保护和各种安全自动装置联网，构成安全稳定紧急控制系统；完成对电网的实时监视、实时计算真、实时控制。,四、输电断面安全性保护（3）,3.实现输电断面安全性保护的关键技术输电断面的在线快速搜索：运行状态的变化，并行输电断面也会发生变化，研究的基于图论的并行输电断面快速搜索算法有两种：对于电源与负荷分布不均具有较明显断面的网络，简化原始网络；进行系统分区，建立系统状态图；在系统潮流状态图上，寻找有相同电源区或负荷区的并行输电断面。对于电源与负荷分布均匀的多环路网络，并行输电通道也许就不存在，对这样的网络提出了基于图论的最短路径搜索算法，确定过载元件跳闸后最易遭受大
12、功率转移的线路。,四、输电断面安全性保护（4）,输电断面连锁过载的实时预测 在当前状态或元件过载的紧急状态下，利用直流潮流分布系数法进行快速安全性评估：,四、输电断面安全性保护（5）,消除输电断面过载的实时控制1、将节点分为加出力（切负荷）和减出力两类 根据过载支路的过载量差异，评价节点对过载支路的总体作用，分为加出力和减出力两类。当，节点为加出力节点，反之为减出力节点。,四、输电断面安全性保护（6）,2、定义控制效果综合指标：以节点消除断面过载能力为依据，定义消除过载线路过载量、对未满载线路的过载影响的输电断面控制效果综合指标。根据该指标得到加出力节点控制序列OS1(i)F(PI(i)和减出
13、力节点控制序列OS2(j)=F(PI(j)。,四、输电断面安全性保护（7）,3、确定控制节点和控制量：反向等量调整发电功率，其次减负荷功率配对调整。定义调整对灵敏度：(1)根据OS1(i)和OS(j)的序列寻找能降低过载支路潮流的可调控制点I、j，对所有过载支路均要满足，若不满足，在序列中寻找下一节点。(2)根据正常支路的潮流约束，确定最大调整量（3）确定过载支路确定应调最大量，并得出调整对的最终调整量,四、输电断面安全性保护（8）,经过对几个测试系统进行仿真，该算法能快速正确捕捉输电断面。过载评估的更新时间是潮流计算的1/10（113节点）。根据综合指标确定的控制节点操作序列，保证了形成控制
14、方案的有效性和控制方案获得的快速性。,五、利用广域动态信息的网络切换优化（1）,理论研究表明，多机电力系统在动态过程中最后一次网络操作完成时应使系统不平衡能量最小，未来的系统最稳定。,min,+,1、动态过程中网络切换优化理论,五、利用广域动态信息的网络切换优化（2）,以全系统的惯性中心坐标（动态变化）为参考，其中：各发电机不平衡功率的一部分；发电机间的联系电纳、电导功率；操作完成后系统稳定平衡点；操作完成时各机组的角度、角速度,五、利用广域动态信息的网络切换优化（3）,全系统的惯性中心坐标：,五、利用广域动态信息的网络切换优化（4）,在确定的潮流方式下，网络切换对系统稳定性有利的因素：切换后
15、的网络能承载切换前的潮流，即存在平衡点；一般由故障前潮流满足N-1原则来保证。切换后网络间联系尽可能强壮，增强吸收动能的能力；可用优化重合闸方式、调节直流传输功率、投入串补、FACTS控制、优化切负荷容量及地点等措施。,五、利用广域动态信息的网络切换优化（5）,捕捉轨迹距离稳定平衡点最近的时刻，完成网络最后切换；尽快切除故障，减小故障期间系统的不平衡动能，依靠高速的保护装置，减少：跟踪系统轨迹变化，当系统轨迹运动至能量最小处时完成操作，需要轨迹跟踪测量、预测等条件和技术；,五、利用广域动态信息的网络切换优化（6）,2、网络切换优化例最佳重合闸重合方式优化：单相故障跳单相，瞬时故障合单相，永久故
16、障不重合；相间故障跳三相，最佳时间试合单相，成功则合另两相；这种重合方式最大限度地减少了重合于永久故障产生的二次故障冲击；在故障首次切除后尽可能强的保留了网络间的联系。,五、利用广域动态信息的网络切换优化（7）,重合闸合闸时刻优化,五、利用广域动态信息的网络切换优化（8）,五、利用广域动态信息的网络切换优化（9）,按照最佳重合时间重合，提高故障前传输容量10以上,五、利用广域动态信息的网络切换优化（10）,最佳重合时间的规律 最佳重合时间是周期性、连续变化的；受运行条件、故障条件影响，但不明显；最佳重合时间的周期主要取决于系统的惯性。采用最佳重合闸的效益分析无本千利离线计算最佳重合时间并整定之
17、；一本千利保护中采用瞬时与永久故障区分技术；几本万利采用最佳重合闸装置；,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（1）,1）现有暂态稳定性控制系统的识别与控制策略离线计算控制策略表：依据系统模型与参数，预想可能破坏稳定性的事故及其控制对策，逐次计算并提取特征量，主观形成故障特征量与控制量的逻辑关系。在线计算控制策略表：在当前潮流方式下，在线计算以上内容，极大的减少了计算量。判别的准确性与控制的有效性取决于模型与参数的准确性、策略表的复杂程度、计算人员对稳定性及其控制理解的水平等，属于经验型。,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（2）,2）基于轨迹信息的暂态不稳定性判据系统暂态不稳定的判据是任意
18、一台机对系统惯性中心不稳定：其中：判据仅与系统各发电机的轨迹 有关，由负变正的点称为拐点。,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（3）,上式等价于：,1,1.5,2,2.5,3,3.5,-0.015,-0.01,-0.005,0,0.005,0.01,0.015,0.02,功角（rad）,量增度速角,不稳定边界,通常意义下不稳定边界,不稳定平衡点,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（4）,判据的优点：仅观测网络最后一次操作后系统的响应（），根据相应的变化判定系统的稳定性。在系统到达不稳定平衡点以前即可作出暂态不稳定的结论，有一定的预测作用。判据实现需要的条件：所有发电机动态过程中的角度、角速
19、度的实时测量与简单的判据计算。,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（5）,多机系统算例,故障切除时间0.2s时，稳定相轨迹,故障切除时间0.45s时，失稳相轨迹,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（6）,识别方法速度比较,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（7）,3）轨迹的预测对于暂态不稳定的系统，控制措施投入的越早效果越好，为尽快预测出不稳定，除依据轨迹的判据具有预测特性外，需要对轨迹进行预测。,p阶自记忆预测方程：,微分动力系统：,微分动力系统的预测方法：自记忆算法,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（8）,自记忆预测方程的离散表达式：,用最小二乘法确定系数：,六、基于广域轨迹信息
20、的暂态稳定性预测（9）,模糊控制在线智能修正：模糊模型结构采用以下解析表达式,按照对角度影响的因素大小（）计算隶属度：,可得修正因子：,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（10）,利用实时测量的广域功角、角速度、不平衡功率，采用自记忆模糊遗忘算法预测轨迹变化的流程图。,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（11）,00.20s，19*-14三相对地短路，0.20s后三相断开，4号发电机功角的预测曲线图,六、基于广域轨迹信息的暂态稳定性预测（12）,00.30s，19*-14三相对地短路，0.30s后三相断开，4号发电机功角的预测曲线图,七、结 论,1、西电东送、全国联网和电力市场化运营的电网发展战略的实施，对我国电网的继电保护和紧急控制提出了新的挑战，这些挑战必须立足于国内的科学研究和技术进步来解决。2、广域动态运行信息为加强安全运行实时控制的“第二、第三道防线”建设提供了基础，研究的重点应放在输电断面安全性保护、优化网络切换、系统稳定性上。3、利用广域动态轨迹信息，新的稳定性预测和控制原理可以摆脱模型与参数的束缚，暂态稳定紧急控制和自适应的解列控制等重大问题有望得到解决。4、这些科学技术问题的解决，需要全国高校、研究院所、制造厂家、运行部门的通力合作，共同重视和努力。,谢谢大家！,
