電力系統安全與穩定運行問題分析

莫衍毅

（廣西電網公司橫縣供電公司，廣西 橫縣 530003）

1 引言

目前的中國電力市場化改革不斷深入，電力市場的運行前提是必須保證電網安全、穩定運行，電力市場化改革決不能以犧牲電力系統的安全和可靠性為代價，電力體制改革成功與否的重要標志是電網運行的安全性與穩定性［1－4］，電力市場化進程是電力工業發展的必然趨勢，安全性與穩定性是電力系統運行中最重要的因素［5－9］。

2 電力系統的安全運行條件

隨著現代通信技術和信息技術的發展，為了保障大電網的安全和經濟運行，各種信息系統在電力系統領域里得到了廣泛應用，圖1為現代電力系統整體框架。

圖1 現代電力系統整體框架

電力系統的運行條件可描述如下:

功率平衡約束方程，即等式約束條件，包括系統的有功功率和無功功率平衡:

式中:PGi、QGi—電源的有功與無功功率；

PLj、QLj—負荷的有功與無功功率；

ΔPs、ΔQs—有功與無功的總損耗。

運行約束條件，即不等式約束條件，包括節點電壓約束、發電機有功約束和無功約束、線路潮流約束為:

2 電力系統的靜態電壓安全裕度

電壓安全準則基于電壓安全裕度，一般是指系統需要保持多少的電壓安全裕度才認為其電壓安全裕度是符合電壓安全準則的。

計算電壓安全裕度是進行電壓安全評估的一個重要步驟，即電壓當前運行點到崩潰點之間的距離，關鍵是如何確定電壓崩潰點，計算崩潰點的方法有很多種，概括起來可以分為以下幾類。

（1）崩潰點法

崩潰點法的數學模型為:

式中:f—潮流方程組成的方程組向量；

x=［δ，V］T—系統狀態變量；

μ—負荷參數；

re、le—右、左特征值向量。

崩潰點法的理論基礎是分歧理論和雅可比矩陣奇異理論，是通過直接求解系統在電壓崩潰點所滿足的非線性方程組獲得電壓崩潰點的值。

（2）最小奇異值法

矩陣的最小奇異值分解公式為:

式中:A∈Rm×m；

U、A—m×m正交矩陣；

ui、vi—U、V的左右奇異向量；

B—對角矩陣。

則當負荷和發電機節點的注入功率改變時δmin變化量的近似表達式為:

式中:J—雅可比矩陣。

常規潮流雅可比矩陣的奇異度與電壓穩定之間有著密切關系，用潮流雅可比矩陣的最小奇異值作為定量衡量系統運行點與電壓崩潰點臨近程度的指標。

（3）最優潮流法

潮流方程和雅可比矩陣奇異為約束條件的最優化模型為:

條件如下:

式中:wT—拉格朗日乘子向量。

最優潮流法是直接法的一種，直接計算運行點到崩潰點之間的負荷增量，不要求基礎運行情況到極限點的解軌線。

3 電力系統安全經濟調度模型

以發電成本最小為目的的電力系統安全經濟調度模型:

目標函數為:

式中:NG—系統中的機組臺數；

T—優化時段數；F（）—機組i的發電成本函數；

—機組i在時段t的出力。

約束條件為:

（1）系統功率平衡約束

式中:T—調度周期的時段數；

—時段t的負荷量。

（2）線路有功功率傳輸限制約束

其中:l=1，…，L；t=1，…，T。

式中:—線路l在時段t的有功功率；

Pfl.max、Pfl.max—線路l有功的上、下限。

（3）機組出力約束

式中:PGi.min、PGi.max—機組出力上、下限。

（4）機組爬坡速率約束

式中:—優化前一時段的機組出力；

UGi、DGi—機組上、下爬坡速率限制。

處理線路有功功率傳輸限制時，當采用直流潮流方程作為約束條件時，一般采用節點功率轉移因子將線路有功功率表示為節點注入功率的線性函數。直流潮流計算方法如下:

式中:Sfl－k—節點k對線路l的轉移因子；

Pfij—直流潮流中線路有功功率；

θi、θj—節點i、j的電壓相角；

xij—線路ij的電抗。由于:

則:

節點功率轉移矩陣可表示為:

在已確定的電力系統中，線路阻抗參數固定，系統的節點功率轉移因子為常數，則有功功率可表示為節點注入功率的線性函數:

4 電力系統的暫態失穩概率

一般認為電力系統中發生故障的概率基本服從泊松分布，其表達式為:

式中:P（Ei）—線路發生故障的概率；

λi—線路i的故障率。

故障類型的概率為:

式中:fi—第i種歷史故障發生的次數；

M—4，表示四種常見故障。

故障清除時間的兩種表達形式為:

重合閘失敗的概率公式為:

式中:Pr—重合閘失敗的概率；

P（L）、P（O）—雷擊和其他原因引起的故障概率；

P（U|L）、P（U|O）—雷擊和其他原因引起的重合閘失敗概率。

5 總結

目前，隨著電力系統規模的不斷擴大以及電力市場化改革的深入，電網的安全穩定問題受到越來越多的關注和重視，對電力市場環境下的電網安全性與穩定性的研究十分必要和迫切。我國的電力工業的市場化改革剛剛起步，電力市場會對電網的安全性與穩定性造成何種影響，以及在市場環境下如何更好地提高電網的安全性與穩定性，這些都是必須認真考慮的問題。

［1］余貽鑫，陳禮義.電力系統的安全性和穩定性［M］.北京:科學出版社，1988.

［2］袁季修.電力系統安全穩定控制［M］.北京:中國電力出版社，1996.

［3］袁季修.電力系統安全穩定控制的規劃和應用［J］.中國電力.1999，32（5）:29 －32.

［4］孫元章，楊新林，王海風.考慮暫態穩定性約束的最優潮流問題［J］.電力系統自動化，2005，29（16）:56 －59，53.

［5］夏清，彭濤，江健健.兼顧經濟協調發展和電網安全的區域共同市場［J］.電力系統自動化，2004，28（19）:1 －5.

［6］譚倫農，張保會，劉海濤.市場環境下電力系統的安全可靠性問題［J］.電力系統自動化，2002，26（6）:11 －14.

［7］余貽鑫，趙義術，劉輝，等.基于實用動態安全域的電力系統安全成本優化［J］.中國電機工程學報，2004，24（6）:13 －18.

［8］譚論農.市場環境下電力系統安全性的經濟實現［D］.西安交通大學，2003.

［9］王錫凡，王秀麗，別朝紅.電力市場條件下電力系統的可靠性問題［J］.電力系統自動化，2000，25（1）.