广域环境下基于暂态势能的电网稳定态势研究

摘要

新时代背景下电网互联规模空前广大，保证电力系统安全稳定运行，尤其是维持事故后的暂态稳定具有重要意义。目前世界范围内智能电网建设进程不断加速，全面覆盖的广域测量设备和高度贯通的通信网络可在时空统一角度提供足够的精度和速度，测量全网海量的真实运行状态信息，为大电网的暂态稳定与安全态势评估带来新的解决思路。 本文的研究思路围绕暂态能量展开，通过广域量测系统(Wide Area Measurement System，WAMS)获得网络的状态数据，在支路暂态势能和负荷暂态势能模型中得到二者与系统稳定性的关系，进而为实现在线安全分析、态势预测与稳定控制提供有价值的参考信息。 对 WAMS 数据采集与传输系统进行简要介绍，便于形成宏观的数据意识。之后通过严谨的数学推导和讨论，对基于不平衡功率的暂态稳定机理进行再认识。无论是单机系统还是多机系统，暂态稳定问题的本质均是系统中能量消纳是否平衡。之后将分析视角从发电机处扩大至全网络，得到了支路暂态势能模型和负荷暂态势能模型，从全网层面挖掘了更丰富的暂态稳定特征信息。 基于中国电科院电力系统仿真集成环境BPA平台和MATLAB进行大量仿真计算。一方面基于支路暂态势能模型，分别比较了不同故障延时和潮流水平下，支路暂态势能分布特性与系统稳定性的关系，结果表明总是某几条支路最先集中大部分暂态能量，形成全网络的薄弱环节，系统失稳时往往在这部分支路组成的割集上“撕裂”。基于函数极值思想构建了支路稳定测度函数，可以动态监视支路的稳定程度，并选取 1.2BIV 作为预判参考值，优先发现网络的脆弱支路。IEEE39 节点系统算例的计算结果表明指标应用有效。 考虑到维持暂态稳定往往伴随相应的紧急控制措施，从负荷暂态势能角度探索配合切机措施的切负荷策略。仿真结果表明切除暂态势能分担量较小的负荷更有利于维持系统稳定。因此提出了切负荷顺序指标 LiIC ，兼顾切除对象的体量和距离故障点的位置确定切除顺序。IEEE39节点系统算例验证了所提方法的实用性，为进一步实现紧急控制在线主动防御提供了可行方案。 为了全面细致掌握电网安全稳定水平，进行了电网态势安全可视化的需求分析，提出搭建 Web 可视化态势监测平台。依靠逻辑严密的系统架构模型和强大丰富的ECharts开发工具，初步设计了集电网地理信息可视、运行工况监测、稳定数据图表呈现于一体的信息化平台。该平台大大增强了 WAMS 数据的可读性，成为运行监控人员实时感知全网安全稳定态势智能、高效、便捷的窗口。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 广域量测技术的发展现状

1.2.2 电力系统暂态稳定问题的研究现状

1.2.3 态势评估思想在电力系统的应用

1.3 本文主要工作

第2章 广域环境下系统的暂态稳定特征信息

2.1 广域量测系统简介

2.2 基于功角信息的暂态稳定机理再认识

2.2.1 单机系统暂态稳定数学分析

2.2.2 多机系统暂态稳定等值分析

2.2.3 多机系统暂态稳定其他动态特征信息

2.3.1 简单支路的暂态势能函数

2.3.2 含损支路的暂态势能函数

2.4 本章小结

第3章 基于暂态势能的系统稳定态势分析

3.1.1 支路势能分布与系统稳定性的关系

3.1.2 支路稳定测度函数

3.1.3 算例分析

3.2.1 负荷势能分布与系统稳定性的关系

3.2.2 负荷切除顺序的确定

3.2.3 算例分析

3.3 本章小结

第4章 暂态稳定态势监测系统可视化初步设计

4.1 电网态势安全可视化功能分析

4.2.1 可视化平台架构设计

4.2.2 监测平台可视化模块展示

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与科研情况

致谢