电力系统在线安全稳定分析技术研究

赵选宗，雷鸣，李靖，乔立同，廖大鹏，刘军

（山东电力调度控制中心，山东济南250001）

电力系统在线安全稳定分析技术研究

赵选宗，雷鸣，李靖，乔立同，廖大鹏，刘军

（山东电力调度控制中心，山东济南250001）

传统的电力系统离线安全稳定分析计算量大，计算结果较为保守且与实际运行方式差别较大，而电力系统在线安全稳定分析技术直接采用当前电网实时运行状态和数据，更加符合当前电网实际情况。调研了在线安全稳定分析技术的应用现状，详细介绍在线安全稳定分析系统的基本原理及构成模块，深入分析各个模块的运行方式和主要作用，最后通过对山东电网主网架线路跳闸后的系统特性进行在线安全稳定计算和分析，并与WAMS系统实际采集结果进行比较，验证了在线安全稳定分析计算的准确性和可靠性。

现代电力系统；调控运行；离线研究分析；在线安全稳定分析；实时态；研究态

0 引言

近年来，随着特高压输电技术的全面推广，我国电网进入了特大型交直流混联电网的新时期，电网特征、运行特性等都将发生重大变化。2014—2015年，国家电网公司将开工建设锡盟—山东、上海庙—山东、榆横—山东等特高压交、直流输电工程。2020年，山东电网将建成“三交三直”特高压工程。届时，山东电网交直流系统相互耦合、特高压系统与500 kV电网相互制约的问题更加突出，大电网稳定风险将会进一步增加；同时随着新能源发电的不断建设和逐步延伸，500 kV层面远距离电源和大容量送电规模持续增长，电网稳定裕度将呈下降趋势；清洁能源季节性、随机性特点的影响也将日益显著，使得电网潮流复杂多变，电网控制难度进一步增加；另外，用电侧分布式电源和微电网的接入及大用户直供的全面开展等都将对电网实时调控运行带来严峻挑战［1］。

现代电力系统规模不断扩大，电力系统的安全稳定性也变得越来越重要，因此电力系统安全稳定分析技术成为了保障电力系统安全稳定运行的重要手段之一［2-5］。传统的电力系统安全稳定分析采用离线计算手段，主要用于电网规划研究、年度方式研究、检修方式安排、稳定控制策略研究等方面，通常选用一些具有典型性、代表性的电网方式，例如夏季大方式、冬季小方式、水电大发及枯水方式、正常方式和检修方式等。由于传统离线计算都是基于极端典型方式，计算中往往又留有较大裕度，计算条件与实际运行情况可能差别较大，导致多数情况下计算结果趋于保守。对于日常调度运行或稳定控制策略来说，过于保守的计算结果将使电网运行效益降低，不利于提高电网输电能力。另外，繁重的计算量也令运行方式人员不堪重负。为了能够更精确地获得最匹配当前电网方式的安全稳定分析结果，电力系统在线安全稳定分析技术越来越得到电网运行人员的重视和欢迎。

近年来，国内外对在线安全稳定分析和控制策略方面进行了深入的探索和研究［6-9］。电网稳定分析计算技术的发展情况如图1所示。现今的技术水平完全可以实现电网的在线安全评估及稳定决策。在线方式下的仿真计算，直接采用当前电网实时的运行状态和数据，分析结果符合当前电网实际，避免了离线方式造成的结果过于保守，又能使运行方式人员从繁重的计算工作中解脱出来，对电网日常的调度运行与控制具有重要的实际意义。

图1 电网稳定分析计算技术的发展

1 国内外在线安全稳定分析应用现状

电网在线安全稳定分析模块地开发和建设是一项长期复杂的系统工程，涵盖了多学科、多专业领域的理论技术，包括电网建模与仿真、稳定分析以及并行计算等领域的新技术，同时还要综合考虑对现有资源的充分利用和有机集成，如目前已有的EMS、离线方式计算系统、离线安全分析计算软件以及并行计算平台等［10-13］。

2003年8月14日美加大停电事故后，不少国家开始研究在线动态预警技术［14］，但投入工程应用的只有中国和美国。美国最大的PJM电网于2006年提出了建设在线动态稳定评估系统的设想，2007年初步建成，2009年进行了一次功能扩展，2011年投入调度运行，目前具备在线静态分析和暂态分析计算功能，适应于电力市场的运行调度，对指导电网的调度运行发挥了重要作用。与之相比，国内研发的在线安全稳定分析及预警系统的工程化和应用化水平更高，具体对比见表1、表2。

人员配置方面，美国PJM专门设立在线分析岗位，在PJM总部和下辖的13个州及美国华盛顿特区均设置该岗位，并按值轮换，主要职责包括：在线计算技术支持、实时计划和决策计算、突发事件评估分析、电压稳定研究、电网阻塞评估等。此外，专门设置了24 h在线的电力系统资深专家，协调解决疑难问题。

数据维护方面，建立稳定分析模型维护机制，美国PJM遵循一次设备“谁拥有、谁维护”原则，建立了相应模型更新的管理办法，各设备拥有者通过统一格式将模型上报给PJM，由PJM处理后反馈给下级调度机构。除原有系统维护人员外，针对在线计算各级调度机构均设置了数据维护岗位。

欧洲在研究电网的在线动态预警系统方面，尚处在数据平台研制阶段，面临的主要问题是现行国际标准CIM／XML效率太低；而国内研发的CIM／E技术，模型数据文件缩小近10倍，处理效率提高100多倍，详见表3。目前已提交为IEC国际标准的新标准提案。

2 在线安全稳定分析系统的基本原理及构成

基于在线潮流数据的在线安全稳定分析及辅助决策系统，针对计算分析过程中遇到的各类需求与习惯，为用户提供了一整套的自动化工具，包括基础数据准备与质量检查，潮流计算和快速调整、稳定评估、辅助决策，计算结果的深度分析等内容，覆盖了电力系统研究过程的所有环节。该系统可在线跟踪电网实际运行工况，对静态、暂态和动态安全稳定及断面极限、小扰动、短路电流和孤网安全等进行实时分析和控制决策支持，实现电网安全稳定性的可视化监视和调度辅助决策，提高运行决策的科学性、预见性，通过友好的人机界面向运行人员提供当前方式下电网预防控制措施，为未来实现闭环稳定控制奠定基础。

在线安全稳定分析及辅助决策系统属于智能电网调度技术支持系统D5000实时与监控类应用，其在D5000系统平台中的位置如图2所示。系统建设遵循“统一分析，分级管理”原则，包含实时态和研究态两个模块，采用统一计算数据，各级调度负责调度管辖电网内的安全稳定分析任务，分析结果实现全网共享，同时根据需要开展在线联合分析工作。

表1 国调系统与PJM电网调度中心在线安全分析应用水平比较表

表2 国调系统与PJM电网调度中心在线安全分析应用计算情况比较表

表3 现行国标CIM／XML与国内研发的CIM／E技术计算效率比较表

图2 在线安全稳定分析及辅助决策系统在D5000平台中的位置

在线安全稳定分析及辅助决策系统包括实时态模块和研究态模块，两者都包括静态安全分析、静态稳定分析、暂态稳定分析、动态稳定分析、电压稳定分析、短路电流计算等六大类计算功能，其主要差别在于启动周期不同，其余功能基本相同，体系结构可参见图3所示。

实时态模块在线跟踪电网实际运行情况，每15min定期对电网运行展开六大类计算分析和预防控制决策支持（静态安全分析、暂态稳定分析、小干扰稳定分析、短路电流分析、静态电压稳定分析、稳定裕度评估分析等），实现电网安全稳定性的可视化监视和在线辅助决策，向调度运行人员提供当前运行方式下的电网预防控制措施方案，给出稳定极限和调度策略，保障电网安全稳定运行。

图3 在线安全稳定分析及辅助决策系统体系结构

研究态模块则是选择调度运行人员关心的断面数据，对系统存在的静态、暂态以及动态等问题作详细研究，寻找系统静态、暂态、动态等安全稳定问题的成因，研究解决问题的根本方法，达到在当前运行状态下优化系统运行、提高系统安全、稳定、经济运行的目的。

在线安全稳定分析系统通过整合设备参数、故障集、电网实时信息等相关数据［15］，进行电网的基态潮流扫描、静态安全分析、暂态稳定分析、动态稳定分析、电压稳定分析、短路电流分析，同时计算电网关键断面的稳定裕度，并对裕度较低的稳定运行情况提示告警，给出相应辅助决策，调整电网运行在一个安全、稳定的裕度范围内。

2.1 数据整合

通过接收状态估计提供的电网实时运行数据、静态模型数据和方式计算提供的电网动态模型参数，经数据汇集和整合计算生成在线分析应用所需要的计算数据，形成准确合理的电网运行工况，为各类稳定分析应用提供在线整合潮流数据。

计算数据方面，遵循“源端维护，计算数据统一下发”原则，华北、华中区域内省级以上调控机构使用国调中心统一下发的全网计算数据，其他区域内省级以上调控机构使用分中心统一下发的全网计算数据。

2.2 静态安全分析

静态安全分析基于当前电网运行方式，对系统中所有元件进行静态N-1开断或指定预想故障集进行开断潮流分析，确定在静态N-1故障条件下或指定预想故障集过后系统是否存在过载的线路或变压器和电压越限的母线等，并给出相应的辅助措施，确保N-1开断后潮流均不越限。静态安全分析假定故障后系统再次进入稳定状态，对其进行潮流计算，根据潮流结果评估各监视设备的过载情况，它是传统静态N-1故障条件下的静态安全分析的延伸。图4为静态安全分析导引图，给出了各类过载情况下相关的过载信息。

图4 静态安全分析导引图

2.3 暂态稳定分析

暂态稳定分析包括暂态功角、暂态电压和暂态频率分析，可以判别系统的暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性，并针对失稳故障或故障后阻尼比较低故障给出相应辅助措施。通过对仿真曲线进行数据挖掘，给出每个预想故障的暂态功角稳定裕度和主导模式、暂态电压和频率安全稳定裕度和主导模式，为调度员提供在线监视暂态电压和频率安全稳定水平的手段。暂态稳定分析相关信息如图5所示。

图5 暂态稳定评估功能导引图

2.4 电压稳定分析

电压稳定性是指系统在特定运行条件下，依据预先设定及人工提交的断面数据、各设备动态参数（考虑与电压稳定性密切相关的动态元件特性，包括有载调压变压器、发电机定子和转子过流限值、过励和低励限值等），经受一定扰动后（如设备停运、负荷或发电变动等），各节点维持合理电压水平的能力，是电力系统动态安全评估的重要组成部分。

电压稳定评估方法可分为基于静态潮流的分析方法和基于时域仿真的分析方法，前者主要采用PV曲线技术分析静态电压稳定性，这是一种实用的静态电压稳定分析方法，通过建立监视节点电压和一个区域负荷或断面传输功率之间的关系曲线，判断区域负荷水平或传输断面功率水平导致整个系统临近电压崩溃的程度，称为系统的静态电压稳定性；后者通过求解微分代数方程，判断大扰动下系统电压稳定水平，分析结果称为系统的暂态电压稳定性。

电压稳定评估分为实际电压稳定评估及故障后电压稳定评估，给出电压的稳定裕度，以及裕度最小的敏感元件，同时给出相应的故障信息，如图6所示。

图6 电压稳定评估功能导引图

2.5 小扰动稳定分析

小扰动稳定分析，分析电网受到小扰动后，在自动调节和控制装置的作用下保持运行稳定的能力，判断断面潮流的动态稳定性。小扰动稳定分析功能应分析计算全网振荡模式和阻尼比，并从中筛选出最关键的若干主导振荡模式，给出当前运行方式下系统存在的低频振荡模式，给出阻尼比、振荡频率和参与元件等信息，得出系统小扰动的动态稳定性结论，同时给出提升阻尼比水平的辅助措施，如图7所示。

图7 动态稳定评估功能导引图

2.6 短路电流分析

短路电流分析是在某种故障下，求出流过短路点及各支路的故障电流，确定系统中各厂站的短路电流水平和短路容量。短路电流计算通过先求解网络节点导纳矩阵，再根据指定的短路节点，求取该节点在阻抗矩阵中对应的一列元素，该列阻抗元素包含节点的自阻抗和与全网其它节点互阻抗，由此就可以求出该节点的短路电流及全网其它节点的短路电压及其它支路的短路电流。而流经断路器的短路电流功能主要是通过分析短路母线所属厂站内部的设备连接关系，确定某物理母线短路后各断路器上的电流。在潮流文件中，母线为逻辑母线；一条逻辑母线可以对应有多条物理母线，物理母线之间通过开关设备连接成通路。

短路电流分析包括实时运行情况下短路电流分析以及故障后短路电流评估，相关信息如图8所示。

图8 短路电流分析功能导引图

2.7 稳定裕度评估

稳定裕度评估用来评估电网断面的稳定水平，分别计算指定断面的静态稳定极限、暂态稳定极限和热稳定极限，将三者的最小值作为断面的传输极限，并计算相应的稳定裕度，可以应用于实时监控、检修计划安排、发电安排等多个方面，为电网运行操作提供依据，相关逻辑如图9所示。

图9 稳定裕度评估应用功能模块及数据逻辑关系

3 仿真分析

2013年某日，山东局部地区有雷雨天气，统调用电负荷较高。16∶12∶07，500 kV聊长Ⅱ线跳闸，AC相故障，两侧两套线路主保护动作；16∶12∶11，500 kV聊长Ⅰ线跳闸，BC相故障，两侧两套线路主保护动作；山东电网500 kV主网架结构遭到一定程度的破坏。以此故障为例，对500 kV聊长双线相继跳闸时，系统的暂态功角稳定性、暂态电压安全性和暂态频率安全性进行仿真计算，结果如图10所示，并与WAMS系统中记录的实际曲线进行了对比。

图10 各种情况下的仿真结果

由图10可见，500 kV聊长双线相继跳闸时系统的暂态功角、暂态电压和暂态频率均不会失稳，且有较大的稳定裕度，相关敏感机组的功角、敏感母线的电压及频率经过两次波动后，均能过渡到新的或恢复到原有的稳定运行状态。同时，DSA离线计算曲线与WAMS实际曲线的一致性证明了DSA离线计算模块的准确性。

4 结语

电力系统在线安全稳定分析技术实现了更短周期的方式计算。目前，在年度典型方式下，为了兼顾较长时间区间内可能出现的特性各异的运行方式，必须将运行控制要求限制在相容交集中，大大制约了输电能力的挖潜。同时，由于电网结构和开机方式多变，实际运行中可能出现比典型方式更为恶劣的情况，存在巨大的安全风险。通过在线安全稳定分析可以大大缩短计算周期，解耦不同运行时段之间控制要求的矛盾，为电网的运行提供更加科学有效的依据。

电力系统在线安全稳定分析技术实现了真正意义上与运行控制有机衔接的计划校核。日前输电计划编制是以发电计划、负荷预测和检修计划为依据，重点是有功计划，大多仅进行经验性评估，误差较大。通过在线分析技术可结合相似日、相同时段的基础潮流数据，形成日前计划潮流方式，实现全网各断面有功计划的量化安全校核，同时，还可以解决无功计划不详实问题，为无功计划的统筹安排提供手段。

电力系统在线安全稳定分析技术为事故处理提供了科学决策。目前的电网事故应急处置通常按照“各负其责、分层处理、逐级协调”的模式，参照基于离线分析计算确定的事故处理预案，结合运行经验，进行事故处置。对于密切耦合的大电网，为了避免相互冲突的事故处置，需要建立协调运作的运行控制体系；对于离线方式计算没有考虑到的严重故障情况，需要科学智能化的分析手段，摆脱传统经验化的处置方式。基于在线安全稳定分析平台，可依据实际运行工况或超短期预测编制事故预想，可为多重故障提供临时限额依据，可实现多级调度一体化的分析与决策。

具有强自适应能力的在线安全稳定分析及辅助决策系统，将成为电网安全稳定运行必不可少的支柱。调控运行人员可以全方位、不间断、全周期地监视电网运行情况，有助于实现电网安全稳定运行的实时监控和发现各种运行方式存在的问题，能够及时提出有针对性的改进或预防措施，对提高电网调度的安全性和经济性具有重要意义。该系统为调度运行部门提供一种有效、快速、可靠的分析评价手段，为实现由倒闸操作与运行控制并重的经验型调度向电网安全分析决策的科学智能型调度转变，实现调度业务转型升级，提供了坚实的基础。

［1］国家电力调度控制中心.大电网在线分析理论及应用［M］.北京：中国电力出版社，2014.

［2］Prabha Kundur.电力系统稳定与控制［M］.北京：中国电力出版社，2012.

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Research and Analysis on Online Security and Stability of Power System

The traditional offline analysis for the power system security and stability has a large amount of calculation，and the conservative calculation results are different from the actual operation mode.In contrast，the power system online security and stability analysis accords with the actual power by using the current power grid operation state and data.In this paper，the application situation of the online analysis was investigated，the component modules and basic principles of the online security and stability analysis system were introduced，the operation mode and main function of each module were analyzed，and system characteristics of Shandong Power Grid after line tripping were calculated and analyzed finally.The comparison between the calculation results and the actual acquisition results by the WAMS system verified the high accuracy and reliability of online security and stability analysis.

modern power system；dispatch and control operation；offline research and analysis；security and stability online analysis；real-time state；research state

TM712

：A

：1007－9904（2014）05－0006－07

2014-05-04

赵选宗（1985—），男，工程师，主要从事电力系统调度运行分析工作。