基于Matpower的负荷中断分析

陈　辰，李　森，李领娟

(上海出版印刷高等专科学校 印刷设备工程系，上海 200093)

基于Matpower的负荷中断分析

陈辰，李森，李领娟

(上海出版印刷高等专科学校 印刷设备工程系，上海 200093)

摘要为了提高电力系统负荷中断量的研究精度和效率，提出一种基于Matpower的电力系统负荷中断量的研究处理方法。该方法是根据Matpower中的系统潮流计算来分析系统在出现故障时应采取的应急措施，利用改变Matpower中系统的有关参数来仿真模拟真实系统，以达到研究的目的。文中方法较之前的人工计算，不仅在速率上得到较大的提升，且具有较高的可操作性和准确性，适用于电力系统负荷中断量的相关研究。

关键词负荷中断分析；可靠性评估；Matpower；潮流计算

在社会环境对电力资源需求和依赖不断提高同时，对电力系统的安全性和稳定性有更高的要求[1]。随着电力系统电压等级的不断提升，运行效率也大幅增长，但系统运行的不确定性和故障类型也更加难以判定[2]。现代电网系统事故发生频率虽在不断减小，但事故后果却愈来愈严重，常导致大面积停电，严重影响社会的正常工作和生活[3]。

当线路输送功率超过其最大容量限值时会发生线路过载，造成设备损坏、部分用户失负荷，在严重情况下将导致系统解列乃至崩溃。为保证电力系统的安全性，防止线路在系统发生偶发性故障时，长期处于越限运行状态，最终引起连锁反应进而导致系统失控和大面积的停电，快速进行负荷中断显得尤为重要[4]。基于Matlab语言编写的潮流计算软件Matpower[5]，具有操作简单快捷、运行稳定、输出结果清楚直观的特点，虽不能直接进行负荷中断量计算分析，但是通过增加相应的参数能够快速计算系统负荷的中断量，满足中断分析需求。

本文根据电力系统线路故障情况，提出负荷中断分析方法，并建立N-1准则下的负荷分析模型，然后根据提出的方法和模型通过对Matpower中节点加发电机和参数修正方式，进行负荷中断计算[6]，最后根据计算结果调整发电机出力和中断负荷，使系统重新达到一个新的稳定状态，此方法不仅拓展了Matpower在电力系统潮流计算的作用，且有利于快速解决电力系统中遇到的故障问题，为电力系统的稳定运行添加一份保障。

1负荷中断分析

1.1负荷中断分析的意义

在电力系统中，为避免过负荷和电压越限引起的设备损坏，或由于过负荷设备在系统保护作用下退出运行而导致的大面积连锁故障停电，常采用负荷的中断量分析方法，削减部分可中断负荷，使系统恢复正常运行[7]。

近年各国大停电事故的发生也显示了负荷中断量分析重要性。如2003年意大利大停电[8]，由于瑞士与意大利电网之间的互联线，在风力作用下意外断开，导致其他线路通过潮流急剧增大，线路过载。此时意大利电网没有及时中断负荷，使得线路在过载一段时间后断开，随着第二条线路的跳开，导致越来越多的线路越限，而此时意大利电网中断负荷量不足以使越限线路恢复正常，于是越来越多的线路相继断开，最终导致意大利电网从欧洲电网中分离出来，发生大规模的停电事故。同时中断负荷量的不足也是2003年美加“8.14”大停电事故[9]的重要原因。

负荷的中断分析[10]，不仅能保证电力系统在发生故障后，及时中断足够量负荷，防止级联事故的发生，使电力系统恢复正常运行，同时也可防止系统中断负荷量过大，导致部分用户不必要的停电。

1.2负荷中断分析方法

负荷中断分析主要是分析系统出现故障之后，为了使系统恢复正常运行所需中断的最小负荷量。以9节点系统为例进行说明，图1为9节点系统图，图中发电机发电量和节点负荷量已经给出，1～3节点发电机最大发电量分别为220 MW、40 MW、120 MW。本文对线路过载的确定采用通用的线路输送容量上限来确定，每条线路允许通过的最大有功功率如表1所示。

图1　9节点系统图

线路允许最大功率/MW1～42502～81203～61404～51104～91605～61106～71107～8558～955

当线路6～7发生故障时，节点7处的负荷所需功率只能通过线路7～8传输，节点7处的负荷量为60 MW，线路7～8允许通过的最大功率为55 MW，此时如果不进行发电机的调整或中断负荷，线路7～8将处于越限状态，随着时间的推移线路将会断开，导致节点处的负荷60 MW负荷被中断。随后可能会引发更严重的电力事故甚至导致系统崩溃，为阻止系统恶化，在进行发电机出力调整的同时，配合负荷的快速中断才能使系统恢复正常。由于线路7～8最大只能通过55 MW的功率，因此将节点7处的负荷中断5 MW，同时调整发电机，系统恢复正常运行不再引发级联故障。图2为负荷中断后电力系统正常运行图。

图2　负荷中断后系统正常运行图

1.3Matpower下的负荷中断量计算

传统的潮流计算只能通过基本编程实现，不仅输入工作量较大导致错误率上升，且其输出结果不直观,导致数据不好比较，也不易修改错误。此时一种具有友好界面并且便捷的电力系统分析软件Matpower逐渐成为主流趋势。

通过Matpower只需将电网的电源、负荷和支路参数按规定格式输入，即可准确快速地计算出各节点参数值，且软件应用方便、计算精度高，所得到的数据清晰明了。然而Matpower虽能进行潮流计算，无法直接计算出系统中负荷的中断量，需要通过参数调整间接得到中断量值。为得到负荷中断量，在发电机的每个负荷节点加高价发电机，高价发电机最大发电量为该节点处负荷量。在正常运行或故障但不需要中断负荷的情况下，该高价发电机由于价格昂贵不会进行发电，当系统需要进行中断负荷时，由于只通过调整低价发电机无法满足系统的正常运行，高价发电机必须也进行发电才能使系统恢复，此时的高价发电机的发电量即为负荷中断量。

2负荷中断量分析流程图

本文分析负荷中断量方法如图3所示，具体步骤为：(1)根据N-1准则[11]选择系统中一条线路为故障线路；(2)对线路故障之后的电力系统进行孤岛判断，如果形成孤岛，则对孤岛进行处理，即将系统分成两个独立系统分开进行处理，若没有形成孤岛，则直接进行下一步；(3)进行最优潮流计算处理，判断最优潮流计算是否收敛，如果收敛则说明通过发电机调整即可恢复系统正常运行，不需要中断负荷量。若最优潮流计算不收敛则需要中断部分负荷才能使系统恢复正常运行；(4)对最优潮流计算不收敛系统继续处理，在每一个负荷节点加上高价发电机，确定高价发电机的负荷量；(5)更新负荷的中断量指标。

图3　负荷中断量分析流程图

3N-1原则下算例分析

根据负荷中断量的分析流程，在IEEE 30节点系统上进行负荷的中断量计算。图4为IEEE 30节点系统[12]结构图，包括6个发电机出力、21个负荷、30个节点、41条支路。针对以下3种不同线路故障状况进行负荷的中断量分析：(1)线路1～3故障；(2)线路27～28故障；(3)线路25～26故障。

图4　IEEE30节点系统结构图

表2为故障前发电机发电量。当线路1～3故障之后，系统中并没有孤岛的形成，此时发电机1的所发出的电量只能通过线路1～2传送。而线路1～2的允许通过最大功率小于发电机的出力，导致线路1～2处于越限状态，进行最优潮流计算后，发电机1的发电量减小，其余发电机发电量增大，如表3所示，线路1～2此时不在越限恢复正常。因此当线路1～3故障时只需调整发电机出力即可使系统恢复正常运行，无需中断负荷。

表2　故障前发电机发电量

当线路27～28故障之后，系统中没有孤岛产生，进行最优潮流计算之后系统不收敛，这是因为当线路27～28故障之后，节点26、29、30上16.5 MW负荷所需功率只能由线路24～25传输，而线路24～25上所能传送的最大功率为16.5 MW，因此单纯通过发电机的出力不能使系统恢复正常，必须进行负荷中断。在负荷节点加高价发电机后，进行最优潮流计算得到发电机发电量如表4所示，由表可知在26、29、30节点上加的高价发电机发电量为均为0.17 MW，说明当线路27～28故障之后负荷中断量约为0.51 MW的负荷。

表3　故障后发电机发电量

表4　故障后发电机发电量

当线路25～26故障时，节点26独立于系统之外形成孤岛，对孤岛进行处理，由于节点26上只有负荷节点而没有发电机节点，因此该节点上的负荷由于不能供电导致断开。而剩余系统进行最优潮流计算之后恢复正常运行，无需中断负荷，因此当线路25～26故障之后，系统负荷的中断量为3.5 MW。

4结束语

电力系统中负荷中断分析一直是电力系统安全的重要研究方向之一。本文利用Matpower直观、简单的特点，提出了N-1故障后负荷中断量计算流程，并根据计算流程在IEEE 30系统上进行计算验证。然而本文的对负荷中断量分析并不全面，在以后的研究中还需要对以下几方面进行分析：(1)对线路还需要按照N-2考虑；(2)计算交流潮流下的负荷中断量；(3)对负荷进行分级，按照由要高到低的中断原则，进行负荷的中断分析，以减小中断负荷后对生产生活的影响。

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Analysis of Load Shedding Based on Matpower

CHEN Chen，LI Sen，LI Lingjuan

(Printing Equipment Engineering Department，Shanghai Publishing and Printing College， Shanghai 200093, China)

AbstractThe research of power system load curtailments has important effect on the reliability of the system. In order to improve the accuracy of power system analysis, the researchers can use Matpower to study power system load curtailments. The researchers can change the parameters to assume that the circuit fault occurs and solve the amount of load curtailments by using of power flow calculation in Matpower.Compared with manual calculation, this method not only has large improvement in the speed, and has high operability. It is suitable for power system load curtailments amount of related research.

Keywordsanalysis of load shedding; reliability assessment; Matpower; power flow calculation

收稿日期:2015-11-07

基金项目:上海市教育委员会科研创新基金资助项目(14YS167)

作者简介:陈辰(1988-)，男，助理工程师。研究方向：电力系统可靠性。李森(1987-)，男，讲师。研究方向：电气自动化。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.004

中图分类号TM 714

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-011-04