電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題研究
發(fā)布時(shí)間： 2021-07-17
來源：包頭青辰科技有限公司
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摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題的研究現(xiàn)狀，供電力工程參考。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；安全穩(wěn)定；新進(jìn)展
Abstract:Thispaperintroducesthestudystatusofsafetyandstabilityproblemsforpowersystemsathomeandabroad,anditisveryusefulforelectricalengineeringreference.
Keywords：powersystem；safetyandstability；newdevelopment
當(dāng)今，電力已作為現(xiàn)代社會(huì)的主要能源，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活有著密切的關(guān)系，供電不穩(wěn)定，特別是大面積停電事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是十分嚴(yán)重的，例如2003年的紐約、倫敦和東京大停電事故。因此，對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行提出了更高的要求，既保證安全、可靠和經(jīng)濟(jì)地發(fā)供電能，又要求保證合格的供電質(zhì)量。但是，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)由電能產(chǎn)生、輸送、分配和用電環(huán)節(jié)組成的大系統(tǒng)。同時(shí)，由于電能的發(fā)、送、變、配、用電各個(gè)環(huán)節(jié)是同時(shí)進(jìn)行，這樣現(xiàn)代電力系統(tǒng)又是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)除了包括發(fā)電、送電、變電、配電和用電設(shè)備外，還包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)和自動(dòng)調(diào)控設(shè)備等組成的二次系統(tǒng)［1-5］。
在這個(gè)大系統(tǒng)中，其設(shè)備眾多，分布區(qū)域很廣，要保證每一臺(tái)裝置設(shè)備或每一條輸電線路在任何時(shí)候都不發(fā)生任何故障是絕對(duì)不可能的。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)由于機(jī)組容量不斷提高，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)不斷提高，超高壓遠(yuǎn)距離輸電以及互聯(lián)電網(wǎng)形成，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，造成現(xiàn)代電力系統(tǒng)的控制管理困難，一個(gè)嚴(yán)重干擾都能波及全系統(tǒng)導(dǎo)致瓦解的嚴(yán)重后果。因此，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)端重要的問題，只有在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，才有可能進(jìn)一步考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性等問題?！ ‘?dāng)前的中國(guó)已步入大電網(wǎng)、高電壓和大機(jī)組的時(shí)代。隨著中國(guó)電力系統(tǒng)的日益發(fā)展和擴(kuò)大，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題已成為重要的問題，越來越。解決好電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全分析方法和安全穩(wěn)定控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，已成為電力生產(chǎn)、運(yùn)行、科研和制造部門的重要任務(wù)，不管在任何情況下，電力調(diào)度運(yùn)行部門都要把電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行放在首位［6－9］。
1電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題
電力系統(tǒng)中各同步發(fā)電機(jī)間保持同步是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件，如果不能使各發(fā)電機(jī)相互保持同步或在暫時(shí)失去同步后不能恢復(fù)同步運(yùn)行，這就使電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定。電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題早應(yīng)追溯到上世紀(jì)初。當(dāng)同步電機(jī)由單機(jī)運(yùn)行發(fā)展到與其它同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行后，就出現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題，特別是在發(fā)生故障情況下，有可能使發(fā)電機(jī)失去同步。電力系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的解列和崩潰，造成大面積停電，所以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中，除了維持發(fā)電機(jī)間的同步運(yùn)行的穩(wěn)定性外，還開展了電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定性問題的研究。
近幾十年來，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)由于穩(wěn)定破壞，曾發(fā)生大面積停電事故，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成損害，使社會(huì)和人民生活受到很大影響。
美國(guó)1965年東北包括紐約大停電事故。造成了21000MW用電負(fù)荷停電，停電長(zhǎng)時(shí)間13h，停電區(qū)域20萬km2，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1億美元，影響居民3000萬人。事故原因?yàn)榧幽么蟀菘怂娬鞠蚨鄠惗嗨碗姷?條230kV線路中的一條突然跳閘，造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。
美國(guó)1977年7月13日紐約大停電事故。這次事故起因?yàn)榇箫L(fēng)暴造成輸電線路斷開，短時(shí)的供需不平衡，使電網(wǎng)電壓劇升，發(fā)電機(jī)超速解列。這次大停電引起貧民區(qū)的搶劫和縱火，華爾街上造成嚴(yán)重的社會(huì)問題。
法國(guó)1978年12月19日大停電事故。當(dāng)時(shí)由東部向西部送電的一條400kV線路因過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致其他線路發(fā)生一系列的過負(fù)荷跳閘，并造成系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，終造成法國(guó)全國(guó)大部分地區(qū)停電。
日本1987年7月23日東京電力系統(tǒng)大停電事故。這是一次典型的電壓崩潰事故。事故中負(fù)荷停電8168MW，影響280萬用戶，停電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3h21min，使兩個(gè)500kV變電站及一個(gè)275kV變電所全停，影響日本鐵路線13條線路停運(yùn)，都市自來水中斷，銀行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷，造成社會(huì)生活混亂［10-16］。
1980年7月27日中國(guó)安徽電網(wǎng)大面積停電事故。事故起因是由于一臺(tái)220kV電壓互感器爆炸起火，引起二條220kV線路先后跳閘，大量負(fù)荷轉(zhuǎn)移到一條與之環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的110kV線路上，造成穩(wěn)定破壞，系統(tǒng)劇烈振蕩，后導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。事故發(fā)生后，甩負(fù)荷及停電320MW，少送24萬kW·h電能，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活造成嚴(yán)重?fù)p失。
1972年7月20日浙江電網(wǎng)瓦解事故，是華東電網(wǎng)的一次嚴(yán)重穩(wěn)定破壞的大面積停電事故。杭常湖220kV三角大環(huán)網(wǎng)是連接上海、杭州、常州為中樞點(diǎn)的三角大環(huán)網(wǎng)。這個(gè)總長(zhǎng)564km的單回線大環(huán)網(wǎng)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來復(fù)雜性。這次常湖線故障，造成浙江電網(wǎng)頻率崩潰而全面瓦解，兩個(gè)220kV變電站，23個(gè)110kV變電站，近100個(gè)35kV變電所停電，全省甩負(fù)荷350MW，事故直接損失約200萬元。
1972年中國(guó)湖北省電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故，使全省失去約686MW，導(dǎo)致湖北地區(qū)大面積停電，使武鋼等大廠礦企業(yè)受到重大經(jīng)濟(jì)損失。
發(fā)展電力系統(tǒng)是電力工業(yè)的客觀規(guī)律，是世界各國(guó)電力工業(yè)所走的共同道路。前蘇聯(lián)已基本上形成了全國(guó)統(tǒng)一的電力系統(tǒng)并且與東歐國(guó)家互聯(lián)，形成了更大規(guī)模的聯(lián)合電力系統(tǒng)；西歐各國(guó)的電力系統(tǒng)也已互聯(lián)，形成西歐十一國(guó)的互聯(lián)系統(tǒng)。中國(guó)已進(jìn)入高電壓、大電網(wǎng)、大機(jī)組時(shí)代，大區(qū)電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量已達(dá)20000MW以上，中國(guó)電力系統(tǒng)已由以省內(nèi)為主，發(fā)展到跨省的大區(qū)電力系統(tǒng)并且大區(qū)電網(wǎng)之間也已開始互聯(lián)。
但是，大電力系統(tǒng)對(duì)安全性的要求更高，對(duì)運(yùn)行技術(shù)和管理水平要求也更嚴(yán)格。當(dāng)大電力系統(tǒng)發(fā)生事故，特別是發(fā)生穩(wěn)定破壞和不可控的嚴(yán)重連鎖反應(yīng)時(shí)，停電波及的范圍大，停電時(shí)間長(zhǎng)，后果嚴(yán)重，特別當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，管理不善而缺乏必要的技術(shù)防范措施時(shí)，則某一電氣設(shè)備故障可能發(fā)展成為全面的大面積停電事故，例如上述國(guó)內(nèi)外大停電事故。因此，必須把保證大電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題放在重要的位置，這是從國(guó)內(nèi)外大電力系統(tǒng)發(fā)生的多次大停電事故中得出的客觀規(guī)律。對(duì)于中國(guó)電力系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來輸變電工程建設(shè)落后于發(fā)電工程，而發(fā)電工程又遠(yuǎn)落后于負(fù)荷增長(zhǎng)的需要，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，面對(duì)中國(guó)電力系統(tǒng)的容量不斷增長(zhǎng)，如何保證日益發(fā)展的大容量電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是一項(xiàng)緊
急而又重大的任務(wù)［20］。
2電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定研究［20-42］
對(duì)電力系統(tǒng)而言，安全和穩(wěn)定都是系統(tǒng)正常運(yùn)行所不可缺少的基本條件。安全和穩(wěn)定是兩個(gè)不同的基本概念?！鞍踩笔侵高\(yùn)行中的電力設(shè)備必須在不超過它們?cè)试S的電壓、電流和頻率的幅值和時(shí)間限額內(nèi)運(yùn)行，不安全后果導(dǎo)致電力設(shè)備損壞?！胺€(wěn)定”是指電力系統(tǒng)可以連續(xù)向負(fù)荷正常供電的狀態(tài)，有三種必須同時(shí)滿足穩(wěn)定性要求：
①同步運(yùn)行穩(wěn)定性；
②電壓穩(wěn)定性；
③頻率穩(wěn)定性。
電力系統(tǒng)失去同步運(yùn)行穩(wěn)定的后果是系統(tǒng)發(fā)生電壓、電流、功率振蕩，引起電網(wǎng)不能繼續(xù)向負(fù)荷正常供電，終可導(dǎo)致系統(tǒng)大面積停電；失去電壓穩(wěn)定性的后果，則是系統(tǒng)的電壓崩潰，使受影響的地區(qū)停電；失去頻率穩(wěn)定性的后果是發(fā)生系統(tǒng)頻率崩潰，引起全系統(tǒng)停電。
早在20世紀(jì)50年代后期，一些西方工業(yè)化國(guó)家就開始把計(jì)算機(jī)應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度為主要的目的上。60年代后期以來，美、法、日等國(guó)的一些大型電網(wǎng)相繼發(fā)生了大面積的停電事故，巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響使各方面深受震動(dòng)，各國(guó)才開始重視電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全穩(wěn)定分析的研究。
2.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析研究［20-28］
電力系統(tǒng)的同步穩(wěn)定問題一直是人們研究的重要課題。長(zhǎng)期以來，無論是經(jīng)典的還是現(xiàn)代的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，不論在穩(wěn)定性機(jī)理、數(shù)學(xué)物理模擬、計(jì)算方法，還是在控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響方面，主要集中在系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的研究上，并且由于控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，使得人們對(duì)于功角穩(wěn)定性的研究認(rèn)識(shí)達(dá)到了很高的階段，所取得的理論和實(shí)用性成果，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行發(fā)揮了巨大的作用。
電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定分析一直是電力系統(tǒng)中為關(guān)注的一種穩(wěn)定性。在中國(guó)的現(xiàn)行規(guī)程上，把電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性分為三類：靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。但迄今為止，上對(duì)電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。1982年IEEE提出新的建議，并定義如下：
1)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性：如果在任一小擾動(dòng)后達(dá)到擾動(dòng)前運(yùn)行情況一樣或相接近的靜態(tài)運(yùn)行情況的話，電力系統(tǒng)對(duì)該特定靜態(tài)運(yùn)行情況為靜態(tài)穩(wěn)定，又稱為電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
2)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性：如果在該擾動(dòng)后（如三相短路等大擾動(dòng)）達(dá)到允許的穩(wěn)定允許情況，電力系統(tǒng)對(duì)該特定運(yùn)行情況或?qū)υ撎囟〝_動(dòng)為暫態(tài)穩(wěn)定。
電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平一般低于系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定水平，如果滿足了大擾動(dòng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性，往往可同時(shí)滿足正常情況下的靜態(tài)穩(wěn)定要求，但是，保持一定的靜態(tài)穩(wěn)定水平，仍是取得系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)和前提，有了一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕度，就有可能在嚴(yán)重的故障下通過一些較為簡(jiǎn)單的技術(shù)措施去爭(zhēng)取到系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來，主要對(duì)電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定運(yùn)行的三個(gè)方面展開研究：
①研究分析長(zhǎng)距離重負(fù)荷線路的靜態(tài)穩(wěn)定裕度的計(jì)算，將電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性化處理，用頻域法，計(jì)算電力系統(tǒng)參數(shù)矩陣的特征值和特征向量。出現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定問題的情況，多屬單機(jī)對(duì)主系統(tǒng)模式。
②引起研究人員感興趣的是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定計(jì)算分析，但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于這種模式的
穩(wěn)定破壞并非常見，對(duì)其求解方法一般采用數(shù)值積分法，如歐拉法、龍格庫(kù)塔法、隱式積分
法的時(shí)域分析方法，計(jì)算結(jié)果給出功角對(duì)時(shí)間的曲線關(guān)系，以判別電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
③用來考慮大擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響是暫態(tài)穩(wěn)定問題。量的研究分析是暫態(tài)穩(wěn)定性，由于系統(tǒng)的運(yùn)行操作和故障是大量地經(jīng)常發(fā)生，因此對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的正確評(píng)估，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有頭等重要意義。描述電力系統(tǒng)受到大干擾后的機(jī)電暫態(tài)過程是一組非線性狀態(tài)方程式，大擾動(dòng)引起的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中，系統(tǒng)的許多參量都在大幅度范圍內(nèi)變化，現(xiàn)在的普遍做法是采用時(shí)域法，用數(shù)值積分法求解非線性方程，求得個(gè)機(jī)組間的相位差角對(duì)時(shí)間的變化曲線，或求出某一母線節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)時(shí)間的變化曲線。雖然用概率和統(tǒng)計(jì)分析方法來估算系統(tǒng)的安全性已經(jīng)作了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的研究工作，但為了更加適應(yīng)實(shí)時(shí)控制快速判斷暫態(tài)穩(wěn)定的需要，一些新方法引入到這個(gè)領(lǐng)域，如李雅普諾夫函數(shù)法、模式識(shí)別法、專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。應(yīng)用李雅普諾夫函數(shù)法，首先必須找到一個(gè)所謂的李雅普諾夫函數(shù)。對(duì)一個(gè)特定的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如果找到這樣的函數(shù)，就不必去求解系統(tǒng)的微分方程組，就可以直接判定這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。事實(shí)上，在很多電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究中，就是把系統(tǒng)所存貯的總能量函數(shù)作為李雅普諾夫函數(shù)的。19世紀(jì)提出的李雅普諾夫直接法是非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的重大進(jìn)展，20世紀(jì)30年代前期蘇聯(lián)學(xué)者不僅用park方程研究高電壓遠(yuǎn)距離輸電，也提出用能量準(zhǔn)則分析電力系統(tǒng)能量積分的論文，直到60年代下半葉才出現(xiàn)李雅普諾夫穩(wěn)定意義上的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的論文，70年代末期在美、日等國(guó)提出的暫態(tài)能量函數(shù)方法是對(duì)李雅普諾夫函數(shù)法的改進(jìn)。近十多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界在其函數(shù)構(gòu)造、穩(wěn)定域估計(jì)、動(dòng)態(tài)安全分析與控制方面研究發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)上發(fā)表了大量論文和專著［20］。此方法克服傳統(tǒng)數(shù)值積分方法在線應(yīng)用計(jì)算負(fù)擔(dān)較重的弱點(diǎn)，因其能夠定量度量穩(wěn)定度，適合于靈敏度分析以及對(duì)限參數(shù)的快速計(jì)算，因此近十多年來其方法一直是電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中十分活躍的一個(gè)分支。近年來，隨著人工智能方法在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)用于對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的研究。文獻(xiàn)［21］提出了一種利用人工神經(jīng)元進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的方法，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取故障后系統(tǒng)暫態(tài)量為特征量，采用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，將樣本空間進(jìn)行模式分類，并對(duì)不同類樣本作不同處理，后以實(shí)際系統(tǒng)為例，將選用暫態(tài)特征與選穩(wěn)定特征進(jìn)行比較，驗(yàn)證了選用暫態(tài)特征的準(zhǔn)確性和有效性。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析要求針對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工況及時(shí)準(zhǔn)確地作出判斷，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論的應(yīng)用為這一問題的解決引入了一個(gè)的思想模式，不需求解非線性方程，只需建立所研究問題與人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出的影射關(guān)系，離線訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，在線并行計(jì)算，以滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的要求。目前將ANN應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的工作越來越多。
近年來，在國(guó)外的一些電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過因電壓或頻率不穩(wěn)定或者電壓或頻率崩潰而導(dǎo)致大面積停電，特別是電壓?jiǎn)栴}在世界范圍內(nèi)引起廣泛重視和關(guān)注，許多專家和學(xué)者投入電壓穩(wěn)定性研究中，使這項(xiàng)研究到目前為止取得了一系列成果，這些分析方法可以大致歸納為下面幾個(gè)方面：
①應(yīng)用潮流方程的可行解域研究電壓穩(wěn)定
加拿大McGill大學(xué)的Galiana等人從分析電力系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的解析性質(zhì)入手研究潮流問題的可靠解域及其性質(zhì)，得出了具有理論價(jià)值的結(jié)論［23］。通過研究潮流問題的可行解域，可確定給定注入矢量（包括潮流方程的PQ節(jié)點(diǎn)的有功無功注入，PV節(jié)點(diǎn)的有功注入的電壓幅值）對(duì)應(yīng)的潮流計(jì)算不收斂的原因，可以計(jì)算出靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和臨界電壓。
②應(yīng)用潮流方程多值解的性質(zhì)研究電壓穩(wěn)定性
由于潮流方程的非線性，在給定的節(jié)點(diǎn)注入量下，其解不唯一，存在多值性。文獻(xiàn)［24］提出在潮流多值解中，低幅值電壓解是不穩(wěn)定運(yùn)行解的思想，如果某種干擾使系統(tǒng)運(yùn)行由高電壓解轉(zhuǎn)移到低電壓解，即所謂的模式轉(zhuǎn)移，那么系統(tǒng)中的無功/電壓控制作用失效，加劇電壓下降過程，表現(xiàn)為對(duì)系統(tǒng)電壓失去控制，導(dǎo)致電壓崩潰。因此，低幅值電壓解對(duì)電壓不穩(wěn)定負(fù)有直接的責(zé)任，通過研究潮流方程的多值解來分析系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。
③采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究電壓穩(wěn)定性
雖然潮流的可行解域和多個(gè)值解法從理論上可以研究系統(tǒng)的工作點(diǎn)的穩(wěn)定裕度，但計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用困難。針對(duì)這些問題，文獻(xiàn)［25］［26］采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來研究電壓穩(wěn)定問題，為系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整提供幫助，并且方便地與潮流程序相結(jié)合，計(jì)算量大為減少。目前在中國(guó)開展對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究不僅具有較高的理論價(jià)值，而且是當(dāng)前以及今后電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要，因此迫切需要研究出新的分析方法和應(yīng)用軟件來解決這一實(shí)際問題。
2.2電力系統(tǒng)安全分析研究［29-42］
電力系統(tǒng)安全分析包括靜態(tài)安全分析和動(dòng)態(tài)安全分析，它們是電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行工作的一個(gè)主要內(nèi)容。安全分析是指在當(dāng)時(shí)的運(yùn)行情況下，系統(tǒng)有對(duì)應(yīng)的潮流分布，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，進(jìn)入穩(wěn)定后或暫態(tài)過程中，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，分析系統(tǒng)是否運(yùn)行在安全約束條件以內(nèi)，有多大安全儲(chǔ)備能力，并在實(shí)時(shí)潮流基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)想事故評(píng)定。
電力系統(tǒng)調(diào)控中心進(jìn)行在線安全分析的目的是對(duì)電力系統(tǒng)在當(dāng)前運(yùn)行情況下的安全狀況作出評(píng)價(jià)，從而預(yù)先采取合理的控制措施。當(dāng)處于安全狀態(tài)的電力系統(tǒng)受到某種擾動(dòng)，可能進(jìn)入告警狀態(tài)，通過靜態(tài)安全控制（即預(yù)防性控制），如調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓或出力，投入電容器等，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)；電力系統(tǒng)在緊急狀態(tài)下為了維持穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)供電，必須采取緊急控制，通過動(dòng)態(tài)安全控制，系統(tǒng)可以恢復(fù)到安全狀態(tài)，也可能進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)；通過恢復(fù)控制，使系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。這些安全控制是維持一個(gè)電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保證手段，一般由電力系統(tǒng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)（EMS）進(jìn)行實(shí)施，如靜態(tài)安全分析、動(dòng)態(tài)安全分析。電力系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)安全分析包括3個(gè)子問題：預(yù)想事故選擇；預(yù)想事故評(píng)估；安全性指標(biāo)計(jì)算。近十年來，電力系統(tǒng)安全分析研究取得如下幾方面成果：
①在靜態(tài)安全分析研究中，過去很長(zhǎng)時(shí)間廣泛采用的是逐點(diǎn)分析法，它需要對(duì)偶然事故表中運(yùn)行條件逐一解潮流方程，取得潮流的再分布狀況，對(duì)所求的母線電壓和各支路的功率進(jìn)行越限檢查，并檢查是否滿足安全性，因此計(jì)算量大。對(duì)此，各國(guó)進(jìn)行大量研究，在程序技巧上提出稀疏矩陣的壓縮存貯和節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化等方法，在求解潮流的算法上相續(xù)提出直流潮流法，牛頓-拉夫遜法，PQ分解法和快速解耦法等。近年來一種新的靜態(tài)安全分析法——安全域分析法引起了人們的重視。靜態(tài)安全域思想是由E.Hnyilicza等人在1975年首次提出的，它的優(yōu)點(diǎn)是減少了大量潮流計(jì)算。F.F.Wu等人進(jìn)一步發(fā)展了這一理論，用解析方法提出安全域的子域，用以近似表示安全域，在文獻(xiàn)［28］的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［29］采用擴(kuò)展算法求出趨于的直觀安全域。針對(duì)上述靜態(tài)安全域研究均沒有考慮N-1安全性約束，文獻(xiàn)［30］基于快速解耦潮流模型，建立了正常狀態(tài)（N狀態(tài)）和N-1狀態(tài)的靜態(tài)有功和無功安全域模型，為了獲取較大的直觀安全域，對(duì)N安全域以基本運(yùn)行點(diǎn)作為初始點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，采用對(duì)偶單純形法的增廣解法求安全點(diǎn)，并采用壓縮約束的措施，提高了計(jì)算速度。
從完整的在線安全分析來看，應(yīng)對(duì)擾動(dòng)發(fā)生后，電力系統(tǒng)的靜態(tài)行為和動(dòng)態(tài)行為兩個(gè)方面進(jìn)行，但是過去側(cè)重于靜態(tài)安全分析，認(rèn)為動(dòng)態(tài)安全分析的計(jì)算量大，算法太復(fù)雜。隨著這幾年許多國(guó)家相繼發(fā)生了電力系統(tǒng)電壓崩潰事故，同時(shí)在許多國(guó)家里大容量電廠、超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的不斷建成并投入運(yùn)行，形成了多區(qū)域多層次的聯(lián)合電力系統(tǒng)，因此世界各國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全分析研究十分重視，提出了一些新的理論分析方法［31］。為了提高動(dòng)態(tài)安全分析的實(shí)時(shí)性，文獻(xiàn)［32］提出了采用分解和協(xié)調(diào)理論的局部暫態(tài)安全分析和監(jiān)測(cè)方法，將電力系統(tǒng)分為內(nèi)部系統(tǒng)，根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的全系統(tǒng)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)納矩陣，可以直接推導(dǎo)出外部系統(tǒng)的等值導(dǎo)納矩陣，這種方法可以減少數(shù)據(jù)采集和軟件處理工作，提高暫態(tài)安全分析和檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。
②人工智能方法在電力系統(tǒng)安全分析中的應(yīng)用研究已成為這一研究領(lǐng)域的一個(gè)活躍分支。人工智能是指用機(jī)器來模擬人類的只能行為，包括機(jī)器感知（如模式識(shí)別、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）、機(jī)器思維（如問題求解、機(jī)器學(xué)習(xí)等）和機(jī)器行為（如專家系統(tǒng)等）。人工智能（ArtificialIntelligence）是當(dāng)前發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的學(xué)科，其中專家系統(tǒng)（ExpertSystem）和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN）是人工智能的兩個(gè)很活躍的分支。
電力系統(tǒng)安全分析的各個(gè)方面幾乎都已經(jīng)引入了專家系統(tǒng)的思想，并且已有了實(shí)際運(yùn)行的安全分析專家系統(tǒng)［33］。文獻(xiàn)［34］詳細(xì)討論了電力系統(tǒng)預(yù)想事故排序問題的特征，認(rèn)為預(yù)想事故排序問題只有采用專家系統(tǒng)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合來解決。文獻(xiàn)［36］介紹了一個(gè)為CQ
R的基于知識(shí)和常規(guī)算法的混合型安全分析專家系統(tǒng)。文獻(xiàn)［37］設(shè)計(jì)了暫態(tài)安全分析的一個(gè)
專家系統(tǒng)總體框架，這是一個(gè)數(shù)值計(jì)算和知識(shí)處理的混合系統(tǒng)。文獻(xiàn)［38］針對(duì)美國(guó)NorthernStatePowerCompany開發(fā)的一個(gè)動(dòng)態(tài)安全趨勢(shì)分析專家系統(tǒng)作了詳細(xì)的介紹，而
文獻(xiàn)［39］則報(bào)導(dǎo)了臺(tái)灣電力系統(tǒng)開發(fā)的靜態(tài)安全分析專家系統(tǒng)。
建造專家系統(tǒng)困難的是知識(shí)獲取，解決知識(shí)獲取問題的有效方法是實(shí)現(xiàn)知識(shí)自學(xué)習(xí)。
目前認(rèn)為用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)是一種有前途的方法。ANN的一個(gè)主要特征是能夠?qū)W習(xí)，可以從輸
入樣本中，通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)產(chǎn)生所期望的知識(shí)規(guī)劃，ANN是并行、分布、聯(lián)想式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
，很適合解決復(fù)雜的模式識(shí)別。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP模型可以模擬任意復(fù)雜的非線形關(guān)系
，能很好地解決分類器問題，并通過自學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)。因此，使用ANN進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全
分析受到各國(guó)的重視，已有一批成果在有關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)到。文獻(xiàn)［40］首先將ANN引入電力
系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全分析中，提出了用BP模型估計(jì)臨界切除時(shí)間，研究表明：訓(xùn)練的ANN對(duì)不同的
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有較高的估計(jì)精度，而文獻(xiàn)［41］則研究了BP模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全分析過程，在訓(xùn)練樣本的形成和特征量的選取方面作了不少工作，文獻(xiàn)［42］提出了一種利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來描述和擬合電力系統(tǒng)暫態(tài)安全性能的方法，介紹了一種集學(xué)習(xí)規(guī)劃和遺傳算法結(jié)合起來的快速學(xué)習(xí)算法，ANN通過訓(xùn)練來模擬和求解出電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定程度，確定系統(tǒng)的暫態(tài)安全域。
3存在問題和解決方法
在20世紀(jì)60年代后，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)曾發(fā)生過多次嚴(yán)重的大面積和長(zhǎng)時(shí)間停電事故，從而保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題已受到重視，并為此進(jìn)行了大量的理論科學(xué)研究和工程實(shí)踐，但到目前還有不少問題尚未很好解決，如超高壓遠(yuǎn)距離輸電與互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析方法與控制策略問題；大容量機(jī)組投入電力系統(tǒng)運(yùn)行，如何解決好系統(tǒng)與大機(jī)組的安全協(xié)調(diào)問題；如何優(yōu)解決有功調(diào)度中系統(tǒng)安全問題與經(jīng)濟(jì)問題的協(xié)調(diào)問題等。
另外，近年來實(shí)時(shí)相角測(cè)量技術(shù)的發(fā)展已為現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析開辟了一個(gè)新的
領(lǐng)域，為超高壓大電網(wǎng)的安全運(yùn)行監(jiān)控提供了新的手段。參考文獻(xiàn)［1］韓禎祥.電力系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)視和控制［M］.水利電力出版社，1988
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蒙公網(wǎng)安備 15029002000327號(hào)