發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估

1、第四章發(fā)輸電系統(tǒng)的安全性評估,Security Evaluation for Composite Generation and Transmission System4.1 概 述4.2 實用概率穩(wěn)定分析法原理4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析4.4 實用概率穩(wěn)定分析法計算流程4.5 基于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理4.6 發(fā)輸電系統(tǒng)安全性的指標體系4.7 狀態(tài)評估的流程圖

2、及算法實現(xiàn),4.1 概 述,本章討論發(fā)輸電系統(tǒng)經受突然擾動(短路或失去非計劃停運的系統(tǒng)元件)的能力。安全性指標反映在短暫時段內發(fā)輸電系統(tǒng)在動態(tài)條件下系統(tǒng)容量滿足負荷需求的程度。充裕性和安全性評估的共同點和不同點充裕性是對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進行概率評價；安全性則是對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行評價；研究層面的側重點不同，兩者互相完善互相補充；評估目的不同：安全性評估的目的是估計系統(tǒng)對突發(fā)故障的經受能力，單純考慮損失負荷量不能全面衡量事故后果

3、的嚴重程度；安全性評估所關注的是發(fā)生概率更小的事件，計算的復雜性和工作量更加突出。,4.1 概 述,電力系統(tǒng)穩(wěn)定概念 安全性評估總是與電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算相聯(lián)系的?！峨娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定導則》對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的闡述：靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生非周期性的失步，自動恢復到起始運行狀態(tài)的能力；暫停穩(wěn)定指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)定運行方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失

4、步；動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，不發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步。,4.1 概 述,NERC關于正常和偶發(fā)事件的分類,注：A/R指由系統(tǒng)或設施所有者決定，并一貫應用于正常或緊急設施熱定額或系統(tǒng)電壓極限。,4.1 概 述,確定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定評價： 在給定電力系統(tǒng)結構，參數(shù)及擾動類型及發(fā)生地點的條件下進行的評價?；炯僭O和規(guī)定：金屬性短路；不考慮短路電流中直流分量的作用并假定發(fā)電機定子電阻為零；按給定要求

5、選擇發(fā)電機組的等價模型，并認為發(fā)電機組轉速在額定值附近；給定繼電保護的動作時間，重合閘和安全自動裝置的時間可以給定或經穩(wěn)定計算。概率性電力系統(tǒng)穩(wěn)定評價：選擇導致暫停穩(wěn)定失去的主要因素作為隨機變量；建立隨機變量的概率模型；計算失去系統(tǒng)穩(wěn)定的概率性指標。,4.1 概 述,基于Monte Carlo法的安全性評估指按Monte Carlo模擬法原理來評價電力系統(tǒng)的安全性。主要包括：狀態(tài)篩選；狀態(tài)評估和可靠性指標計算3個部分。

6、本章將介紹實用型的概率性電力系統(tǒng)穩(wěn)定評價法和基于Monte Carlo 法的電力系統(tǒng)安全性評估法。,4.2 實用概率穩(wěn)定分析法原理,目標就是基于概率統(tǒng)計方法來定量評估電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給出概率性的電力系統(tǒng)穩(wěn)定指標。 隨機變量的選取,按計算要素分,按隨機變量的性質分,4.2 實用概率穩(wěn)定分析法原理,概率模型對于連續(xù)型隨機變量,式中，P(Kjip)－一個概率事件Kjip的概率（運行水平p，故障線路i，不穩(wěn)定事件j）；P(Ei)－線路

7、i發(fā)生故障的概率事件Ei的概率；nφ－短路故障類型；f nφ－線路i上發(fā)生nφ型短路故障的條件概率；Ljpi,nφ－簡單系統(tǒng)中當故障發(fā)生在距首端足夠遠的地點時，系統(tǒng)恰好能保持穩(wěn)定的臨界長度。,對于離散型隨機變量,式中，Ei－故障事件i；tCC－該事件對應的保持暫態(tài)穩(wěn)定的極限切除時間；tC－保護系統(tǒng)實際切除故障時間；Xi－隨機變量i。,4.2 實用概率穩(wěn)定分析法原理,主要概率指標系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定概率,式中，PS－全系統(tǒng)穩(wěn)定概率；

8、N－故障類型數(shù)；L－線路總數(shù)；Pif－第i種故障出現(xiàn)的概率；PijL－第i種故障出現(xiàn)在第j條線路上的概率；PSij－第i種故障出現(xiàn)在第j條線路時系統(tǒng)穩(wěn)定的概率。系統(tǒng)不穩(wěn)定的期望頻率系統(tǒng)不穩(wěn)定的期望恢復時間,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,1970～1997年間穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計發(fā)生電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故共320次，平均11.8次/a；1970～1980年209起，平均19次/a；1981～1990年84次，平均8.4次

9、/a；1991～1997年27次，平均3.85次/a。引起電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故的元件類型統(tǒng)計,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,線路故障引起穩(wěn)定破壞統(tǒng)計分析,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,穩(wěn)定破壞事故起因分析,2001年我國各電壓等級平均長度統(tǒng)計,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,220kV線路短路類型統(tǒng)計,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,330kV和500kV線路短路類型統(tǒng)計,4.3

10、 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,220kV母線短路類型統(tǒng)計,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,繼電保護元件故障率,220kV母線保護拒動概率,4.3 我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故統(tǒng)計分析,電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞后恢復時間統(tǒng)計（北美）,中國電科院在計算三峽系統(tǒng)的概率穩(wěn)定時，采用以下估計值：對省內的局部系統(tǒng)，恢復時間取1h；對省電力系統(tǒng)，取2h；對跨省電力系統(tǒng)，恢復時間取4h。,4.4 實用概率穩(wěn)定分析法計算流程,4.5 基

11、于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理,抽樣方法,4.5 基于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理,抽樣方法基于下述原因，本章采用元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法：在安全性評估中涉及大量暫態(tài)穩(wěn)定分析，需要確定故障前狀態(tài)、故障中狀態(tài)及故障后狀態(tài)，其他兩種抽樣方法不能提供這些信息；采用元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣方法，對其隨機分布沒有特殊要求。元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法的步驟如下：根據(jù)元件的可靠性模型獲得元件的模擬

12、運行時間序列；根據(jù)元件的無故障運行時間和故障修復時間，模擬出給定的模擬總時間段T內的運行狀態(tài)持續(xù)時間序列；綜合所有元件的運行狀態(tài)持續(xù)時間序列，獲得系統(tǒng)的狀態(tài)序列和持續(xù)時間。在每一系統(tǒng)狀態(tài)內，各元件狀態(tài)不變；對系統(tǒng)的狀態(tài)序列逐個進行評估，計算切負荷量及經濟損失后果。統(tǒng)計可靠性指標。,4.5 基于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理,隨機變量的選取故障類型可靠性評估的目標是進行中長期風險評估，指導系統(tǒng)規(guī)劃和運行

13、，需要對系統(tǒng)較為嚴重的情況進行分析，因此只考慮三相短路和復合三相故障的情況。故障類型包括：KG(3)、KL(3) 、KGG(3) 、KLL(3)和KLG(3)故障點位置發(fā)電機故障位置：出口；變壓器故障位置：高低壓側，假定各50％；線路故障位置：定義α＝Lf/L∑，則可假定α是[0,1]區(qū)間上均勻分布的隨機變量，其概率密度和分布函數(shù)分別為為簡化分析，假定故障位置在線路的0,0.25,0.5,0.75和1.0五個點出現(xiàn)的

14、概率均為20％。對于兩線路復合故障，則有25各故障位置，出現(xiàn)的概率均為4％。,4.5 基于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理,隨機變量的選取故障切除時間tCtC是一個連續(xù)型隨機變量，且tC的密度函數(shù)是山峰型的，一般可設tC服從對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度和分布函數(shù)分別為：式中，μ－均值；σ－方差；Φ－標準正態(tài)分布。,故障切除時間的概率模型隱含了對繼電保護及自動裝置系統(tǒng)的功能描述。對于安全性評估中穩(wěn)定控

15、制措施的影響，目前主要研究了和系統(tǒng)功率平衡相關的機組功率調整、切負荷等措施，還沒有考慮到低頻減載等頻率控制措施。,4.5 基于Monte Carlo模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估原理,安全性評估中的系統(tǒng)狀態(tài)劃分,4.6 發(fā)輸電系統(tǒng)安全性的指標體系,反映系統(tǒng)運行狀況的指標系統(tǒng)處于正常、警戒、緊急、極端緊急等狀態(tài)的概率值PN，PA，PE，PEE。其中，P(x)＝T(x)/T系統(tǒng)可接受運行狀態(tài)＝PN＋PA系統(tǒng)不可接受運行狀態(tài)，即系統(tǒng)狀

16、態(tài)風險指標 (the composite system operating state risk index)CSOSRI＝PE＋PEE反映系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的概率性指標2-a：失穩(wěn)概率 (probability of loss of stability) PLOS＝∑PiPUS,i＝∑PUS,iti/T2-b：失穩(wěn)頻率 (frequency of loss of stability) F

17、LOS ＝8760×NUS/T＝8760∑NiPUS,i/T (次/a)2-c：平均穩(wěn)定運行時間 (mean time to instability) MTTIS＝8760×(1－PLOS)/FLOS (h)US－系統(tǒng)失穩(wěn)的系統(tǒng)狀態(tài)集合；NUS－系統(tǒng)失穩(wěn)的次數(shù)；PUS,i－給定系統(tǒng)狀態(tài)i的失穩(wěn)概率。,4.6 發(fā)輸電系統(tǒng)安全性的指標體系,反映系統(tǒng)負荷損失的指標3-a

18、：動態(tài)切負荷概率 (probability of dynamic load curtailments)PDLC＝8760Ni/T Ni－有動態(tài)切負荷的狀態(tài)數(shù)(連續(xù)幾個系統(tǒng)狀態(tài)均勻動態(tài)切負荷，視為一個動態(tài)切負荷狀態(tài))3-b：動態(tài)切負荷頻率 (EFDLC，expected frequency of dynamic load curtailments)3-c：動態(tài)切負荷持續(xù)時間 (expected duratio

19、n of dynamic load curtailments)EDDLC＝PDLC×8760(h/a)3-d：每次動態(tài)切負荷持續(xù)時間 (average duration of dynamic load curtailments)ADDLC＝EDDLC/EFDLC(h/次)3-e：期望動態(tài)切負荷值 (expected dynamic load curtailments)EDLC＝8760∑Ci/T

20、(MW/a)3-f：期望動態(tài)電量不足值 (expected dynamic energy not supplied)EDENS＝8760∑Citi/T(MW.h/a),4.6 發(fā)輸電系統(tǒng)安全性的指標體系,綜合反映系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定事故的發(fā)生概率和事故后果的風險指標4-a：基于損失容量的風險指標 (risk index based on EDLC)RIELC＝∑PiImi＝∑ti.EDLC/T (MW/a)4-b

21、：基于電量不足的期望值的風險指標 (risk index based on EDENS)RIEENS＝∑PiImi＝∑ti.EDENS/T (MW.h/a)Imi－表示事故嚴重程度的指標值。4-c：基于費用的風險指標 (risk index based on total interruption cost)RITIC＝∑PiImi(元/h)Imi是事故i發(fā)生后的所有損失費用總和與其持續(xù)時間之比。對于機

22、組故障停運，費用值為：Imi＝(Imrept)i＋(Imrepair)i＋(Imload)iImrept＝(Cenerg－Corig)×Pg×h/t，Imload＝Pload×R×h’/t式中，R－產電比 (元/MW.h)。簡化計算中，可假設t＝h＝h’。對于線路故障停運，Imrept＝0。,4.6 發(fā)輸電系統(tǒng)安全性的指標體系,針對系統(tǒng)的某一故障狀態(tài)的安全性指標停電復合總量 (su

23、m of load curtailments)SLC＝∑PLCi(i)(MW)停電損失費用嚴重性指標 (severity index of total interruption cost)。即：SITIC＝Imi＝(Imrept)i＋(Imrepair)i＋(Imload)i最重要的安全性指標系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生概率PN，PA，PE，PEE及狀態(tài)風險指標CSOSRI；系統(tǒng)失穩(wěn)概率PLOS、失穩(wěn)頻率FLOS及平均穩(wěn)定運行時間M

24、TTIS；系統(tǒng)暫穩(wěn)風險指標RITIC；每個故障狀態(tài)的停電損失負荷SLC和損失費用總和SITIC。,4.7 狀態(tài)評估的流程圖及算法實現(xiàn),對Monte Carlo法得到的系統(tǒng)狀態(tài)進行評估，主要包括對該狀態(tài)的分類確認，即根據(jù)該狀態(tài)是否存在安全越限來判斷屬于哪一類運行狀態(tài)，并對相應采取的控制措施引起的切負荷量及經濟損失等進行定量評定。計算流程如圖4.9所示。,4.7 狀態(tài)評估的流程圖及算法實現(xiàn),圖4.9 狀態(tài)評估流程圖,4.7 狀態(tài)評

25、估的流程圖及算法實現(xiàn),系統(tǒng)安全穩(wěn)定限制條件包括靜態(tài)穩(wěn)定約束和暫態(tài)穩(wěn)定約束條件兩類。 靜態(tài)穩(wěn)定約束條件,電壓幅值限制Vm≤V≤VM線路潮流限制：線路和變壓器的熱容量限制|δi－δj|≤θk發(fā)電機輸出功率限制Pm≤P≤PMQm≤Q≤QM,根據(jù)右側約束條件，可得到對應的電壓安全運行域RV、線路潮流安全運行域Rθ和發(fā)電機出力安全運行域RgRV＝{V |Vm≤V≤VM}Rθ＝{δ|-θ≤δ≤θ}Rg＝{P|Pm≤P

26、≤PM }∩{Q|Qm≤Q≤QM } 因此，系統(tǒng)在(V，θ)空間的靜態(tài)穩(wěn)定運行域RSSRSS＝RV∩Rθ∩Rg,4.7 狀態(tài)評估的流程圖及算法實現(xiàn),暫態(tài)穩(wěn)定約束條件 用來評價系統(tǒng)在事故發(fā)生后維持穩(wěn)定運行的能力。從設計角度，必須保證在特定可承受事件發(fā)生時(機端或線路三相故障)，系統(tǒng)能夠維持同步運行，如N-1準則、N-2準則等。但是其他次嚴重故障也會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成沖擊，因此，采用概率統(tǒng)計方法，得到系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定

27、運行的約束條件，是一個比較完善和精確的方法。線路k位置j發(fā)生i類故障后的穩(wěn)定概率PSTkPSTk＝∑k∑i∑jPijkPiPj式中，Pj－線路位置j發(fā)生故障的概率；Pi－線路發(fā)生i類故障的概率；Pijk－線路k位置j發(fā)生i類故障的穩(wěn)定概率，可通過故障切除時間的概率密度函數(shù)得到。系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定能力的限制條件和運行域RTSPSTk≥PSTkm and RTS＝{PST|PSTl≥PSTlm}系統(tǒng)在(V,θ, t)空間

28、的穩(wěn)定運行域RTRT＝RSS∩RTS,4.7 狀態(tài)評估的流程圖及算法實現(xiàn),暫態(tài)穩(wěn)定約束條件系統(tǒng)是否失穩(wěn)判據(jù)：臨界切除時間tcr根據(jù)給定故障類型和故障點位置，采用確定性的暫態(tài)穩(wěn)定分析計算出臨界切除時間tcr，然后根據(jù)故障切除時間的分布函數(shù)計算該給定故障類型和故障點位置的失穩(wěn)概率，即,當可靠性安全性評估中需要考慮穩(wěn)定控制措施的影響時，通常假定發(fā)電機功率調整和切負荷在故障切除時同時進行，以簡化計算。概率穩(wěn)定分析方法如圖4.10所

29、示。,4.7 狀態(tài)評估的流程圖及算法實現(xiàn),4.8 小 節(jié),發(fā)輸電系統(tǒng)的安全性反映在短暫時間段內發(fā)輸電系統(tǒng)在動態(tài)條件下系統(tǒng)容量滿足負荷需求的程度。安全性所關注的是發(fā)生概率很小的事件，分析計算的復雜性和工作量更加突出。有效地進行狀態(tài)合并、篩選和高效算法是成功的關鍵所在。 本章介紹了兩種評估方法：實用概率穩(wěn)定分析法基于Monte Carlo法的安全性評估法基于元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法線路故障類型、故障點位置、故障切