葫芦岛硕士论文

工程硕士学位论文
电力系统电压稳定理论关键问题探讨
--以葫芦岛为例
Power system voltage stability theory key issues
- A Case Study of Huludao
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东北电力大学研究生部制
2015年11月20日
东北电力大学
声明
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《电网最大供电能力的安全分析及对策研究》，是本人在东北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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摘要
电力系统电压稳定性直接关系到整个电力系统的安全稳定运行，也关系到用电端用户的用电体验，如何保证整个电力系统的电压稳定性是当前电力系统研究的热点，本文以葫芦岛电力系统电压稳定性进行研究，通过对目前已有的电力系统静态电压稳定性和动态电压稳定性常用方法进行研究和分析，在此基础上进行改进和实验验证分析，最后提出了用于葫芦岛的电压稳定裕度的发电机无功出力管理方法，以提高葫芦岛电力系统电压稳定裕度和用电效率，本文主要研究内容如下：
1）对静态电压稳定的失稳类型判别方法的基本原理进行分析，并且以IEEE-30节点系统为例，对其进行了实验分析，对电力系统中的负荷不同增长方式下的静态电压稳定性的失稳类型进行了实验分析验证了本文给出的静态稳定的失稳类型判别方法进行静态稳定的失稳类型的分析的可行性。

2）研究和分析了动态电压稳定的失稳类型和判别方法，采用状态变量的模式参与因子进行电力系统动态电压稳定的失稳类型进行判断，先采用小扰动分析法对系统的状态方程进行求解，然后通过状态变量的模式参与因子来判断其失稳类别，并通过以IEEE中的典型的电力系统中的节点系统的电压进行实例分析对本文提出的判别方法进行了验证分析。

3）静态电压稳定性分析和动态电压稳定性分析的研究基础上，结合发电机无功处理管理，以葫芦岛电力系统为研究背景，提出了采用准梯度进化算法来提高葫芦岛电压稳定裕度的发电机无功出力管理方案。

关键词：电力系统，静态电压稳定，动态电压稳定，遗传算法
ABSTRACT
Power system voltage stability is directly related to security and stable operation of the entire power system, but also to experience the electricity end users of electricity, how to ensure the voltage stability of the power system is a hot current power system studies, the paper Huludao Power system voltage stability studies, currently available through the power system voltage stability and dynamic voltage stability commonly used methods of research and analysis, improvements and experiments based on this analysis. Finally, for Huludao voltage stability margin of generator reactive power management methods to improve system voltage stability margin Huludao and power efficiency of the power, the main contents are as follows:
1) The basic principle of static voltage stability instability type identification method to analyze and to IEEE-30 bus system, its experimental analysis on static voltage stability of the power system under different load growth buckling types of experimental analysis to verify the feasibility static stability of the instability type discrimination method set forth herein static stability analysis of the type of instability.
2) research and analysis of the dynamic voltage stability and instability type discrimination method using state variable mode participation factor of power system dynamic voltage stability instability type is determined, first using small perturbation analysis of the system state equation is solved and then by the mode participation factors to determine its state variables instability category, and by IEEE typical voltage power system nodes in the system to analyze an example of discrimination proposed method was validated analysis.
3) Study based on static voltage stability analysis and dynamic voltage stability analysis, combining generator reactive process management, Huludao power system as the research background, proposed quasi gradient evolutionary algorithms to improve voltage stability margin Huludao generator reactive power management scheme.
KEY WORDS:Power systems, static voltage stability, dynamic voltage stability, GA
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1 研究背景与意义 (1)
1.2 电力系统电压稳定性的研究现状 (1)
1.2.1 静态电压稳定分析方法研究现状 (2)
1.2.2 动态电压稳定性分析方法 (3)
1.3 本文主要研究内容 (4)
第2章电力系统电压稳定相关理论研究 (6)
2.1 电力系统负荷建模及对电压稳定性影响 (6)
2.2 电力系统中常见的电压失稳的场景分析 (8)
2.2.1 电压失稳的分类 (8)
2.2.2 常见的电压失稳的场景 (9)
2.3 电力系统电压稳定性控制方法及原理 (9)
2.4 本章小结 (11)
第3 章静态电压稳定的失稳类型判别方法研究 (12)
3.1 静态电压稳定的失稳类型判别方法原理 (12)
3.2 实验节点系统及相关参数设置 (14)
3.3 不同场景下的静态电压稳定的失稳类型判别仿真 (16)
3.3.1 负荷增长方式1 (16)
3.3.2 负荷增长方式2 (20)
3.4 本章小结 (22)
第4章动态电压稳定的失稳类型判别方法研究 (23)
4.1 基于小扰动分析方法的动态电压稳定性分析 (23)
4.2动态失稳类型的状态变量参与因子判别法 (25)
4.3 动态电压稳定的失稳类型判别方法实例分析 (28)
4.4 本章小结 (31)
第5章用于提高葫芦岛电压稳定裕度的发电机无功出力管理 (32)
5.1 葫芦岛电力系统概况 (32)
5.2 无功储备优化 (34)
5.2.1 无功储备优化模型构建 (34)
5.2.2 准梯度进化算法及模式分析 (35)
5.3基于葫芦岛电力节点系统的仿真分析 (37)
5.4本章小结 (39)
第6章总结与展望 (40)
6.1 总结 (40)
6.2 展望 (41)
参考文献 (42)
致谢 (46)
第1章绪论
1.1 研究背景与意义
电压稳定性是整个供电系统供电质量的一种重要指标，同时也反映出整个供电系统安全稳定运行，保持电力供电系统中的所有的母线电压在规定的可以接受的电压波动范围之内[1]，即，在一定的负载运行情况下，整个电力系统网络中的各个节点的电压可以在受到外部的干扰和负载的增加、删除的情况下，依然可以有效的维持其电压在运行的波动范围之内，不会发生电压失稳和奔溃[2-5]。

自上世纪随着我国经济的快速发展，我国滞后的电力系统经常出现一系列的电力系统事故，使得我国后续的电力系统建设对电压稳定性的关注越来越高，认识到了整个电力系统电压为稳定性问题的重要性，并且在后续的电力系统研究和建设中，都将电压稳定性作为一个重要的问题进行考虑，电力系统电压稳定性的研究早在上世纪中期，苏联的马尔科维奇等人就开始关注电压稳定性这一问题，并且提出了相关的电力系统的电压稳定性的判断依据和方法[3-10]，到上世纪末期，电压稳定性问题已经开始发展成为一门独立的学科，在电力系统中的相关的理论和技术也日渐完善，诸多的理论已经开始被应用到具体的电力系统建设和实践中，随着后续电压稳定性的研究的深入，人们对电压稳定性的认识也由静态逐步深入到动态，并且认识到整个电力系统的电压稳定并不是简单的某一条支路或者回路的电压稳定，其更多的涉及到整个电力系统的各个供电设施和用电设施及电力供电装置等诸多元素[11]，是一个动态的整体性的问题，有针对性的结合实际的电力系统和电压稳定相关理论进行综合研究，对提高对应的电力系统的电压稳定性，确保电力系统的安全稳定运行具有非常重要的意义[12]。

针对这一背景，本文通过对国内外已有的关于电力系统电压稳定相关理论技术原来进行了研究和分析，以葫芦岛电力供电系统的电压稳定为例，对其电力电压稳定技术应用的初期阶段进行了深入的研究和分析，并通过对其进行实地调查和数据采集，对葫芦岛电力系统电压稳定现状和存在的问题进行了分析，结合理论研究分析，完成了葫芦岛电力系统电压稳定相关技术及对策的研究和分析，对葫芦岛变电站电压稳定提供了全方位的技术解决方案，以确保整个葫芦岛供电系统的电压稳定可靠。

1.2 电力系统电压稳定性的研究现状
目前对于电力系统的电压稳定性的研究主要集中在分析当前电力系统的运行特点
和电压失稳特点对系统电压稳定裕度、对电力系统中可能引发的电压失稳的关键点进行分析、结合电力系统电压失稳特点研究相关对策及方法确保电力系统电压稳定性、对大干扰的电压稳定性进行故障的分析和定位研究、对负荷切换过程中的保持电压稳定所需要的负荷量及负荷切换的极限时间等几个方面。

但是这几个方面的研究总体来讲都是从静态电压稳定、动态电压稳定和时域仿真三个方面进行和开展相关研究工作的，本节将从这几个方面详细分析目前国内外在电力系统电压稳定性上的相关理论及技术研究的现状，为后续进一步研究和分析葫芦岛电力系统电压稳定问题，提供理论基础[13-19]。

1.2.1 静态电压稳定分析方法研究现状
目前对于静态电压稳定性分析方法主要有灵敏度分析方法、潮流分析方法、最大功率分析方法、奇异值分析方法、奔溃点分析方法等。

这些方法主要是用于评估电力系统当前运行的状态下的电压的稳定性情况，这也是最早研究电力系统电压稳定性常用的一种方法，经过多年的深入研究，这种基于镜头电压稳定性的分析方法的电力系统电压稳定性分析方法的相关理论和应用都非常成熟，通过镜头电压稳定性分析方法对电力系统的电压稳定性进行分析，通常可以得到较为满意的结果[20-21]。

其中灵敏度分析方法是最早被提出来的一种用于电力系统静态电压稳定性的分析方法，相对于其他方法，其物理概念非常简单明确，并且在简单的电力系统中，灵敏度分析方法具严格、准确的特点，其可以有效的反应出整个电力系统的极限电能输送能力，但是对于复杂的电力系统中，这种方法优于其模型的描述能力和适用能力的有限，通常无法正确的反应出复杂的电力系统的极限电能输送能力，同时其准确性和可靠性也无法得到保证。

这也是后来随着电力系统的日益复杂，人们开始探索应用其他方法来解决电力系统的电压稳定性的问题[22]，这也使得当前已复杂电力系统为主的环境下，这种简单的灵敏度分析方法只是在局部的电力系统电压稳定性上被验证性的使用，已经不再是当前电力系统电压稳定性评估和分析的主流方法。

目前，比较有价值和常用的方法主要是电压稳定功率裕度分析方法，通过该方法可以快速的对整个电力系统的变量的灵敏度进行分析，同时还可以快速的实现对不变子空间的参数的灵敏度分析，这种方法极为复杂[23]，但是随着现代计算机技术和软件技术的快速发展，这种复杂的方法其诸多的过程都可以使用计算机来进行计算和模拟，使得这种方法称为了当前诸多电力系统分析软件中常用的一种方法，可以方便的应用到电压奔溃点的近似评估、预防校正控制、故障选择等方面的电压稳定性性评估处理中。

同时潮流多解方法也是电压稳定性评估中常用的一种方法，其最早由日本的池田一郎提出，该方法主要用于计算电力系统极限运行状态下的电压稳定性，还有一些奇异值分析方法、奔溃点分析方法这些方法也经常用在电力系统电压稳定性分析中[24]，其主要是进行辅助性
的分析，快速的计算得到一些参考值，配合复杂的分析方法一起进行使用。

上述几种方法是目前电力系统电压稳定性分析中常用的方法，并且这几种方法的共同特点就是都是源于电力系统潮流方程进行设计的，部分是在潮流方程上进行修改，对当前的运行点进行线性化处理和计算[25]，其本质都是通过将整个电力系统的网络的潮流的极限值作为电力系统静态电压的临界值，以求取不同特征作为电压奔溃的依据，同时，近年来，随着研究的深入，部分的学者还采用了一些其他的方法来进行电压稳定分析，如文献[43]中使用了一种安全域的方法，通过超平面近似来对电压稳定性的安全域进行描述，然后采用最小二乘法对其进行拟合分析，最后句通过注入功率和割集功率对其大小进行判断，实现对电压稳定性的判断。

文献[44]也提出了一种二分法来进行电压稳定性分析，对其进行判断，通过找到电力系统中的负荷最小区间，及对应与稳定情况下的映射关系，最终实现对电力系统的电压稳定性的判断。

文献[45]将电压稳定性的计算问题[26-31]，转换为一个非线性的多目标优化问题，使用内点的方法来确定整个电力系统的负荷增量的最大值，进而判断电压稳定性。

总之，从目前已有的静态电压稳定性分析方法及发展来看，传统的静态电压稳定性分析方法依然是目前电力系统电压稳定性分析的主要理论基础和应用主流，但是随着研究的深入，部分学者已经开始尝试应用新的方法来进行电力系统电压稳定性分析，确定电力系统的负荷临界值等，并且取得了较好的效果，也是未来电力系统静态电压稳定性理论进一步发展的趋势。

1.2.2 动态电压稳定性分析方法
动态电压稳定性分析是相对于静态电压稳定性分析而言，其本质是一个动态化的问题分析，系统的各个子系统包括OLTC、无功补偿、负荷设备等都是考虑在动态的情况下的电压稳定性分析，目前动态电压稳定性分析方法主要有小扰动分析方法、非线性动力系统的分岔理论分析方法、使用本地测量数据的电压稳定性分析方法等几种[32]。

在动态电压稳定性分析过程中，采用小扰动分析方法的时候，由于电压的稳定性需要考虑的时间范围非常大，从秒级别到小时级别都需要进行考虑考虑，其分析过程几乎涉及到了整个电力系统中的有机点和动力设备的状态参数和数据分析，这也使得整个小扰动分析方法在实际操作过程中十分困难[33-39]，因此，实际操作中，使用小扰动分析方法，通常需要对其进行简化，根据经验和已有的数据恰当的选择和考虑原件的动态特性[40]，去除一些无用的数据和特性，建立起一个精简同时又可以准确的反应出电力系统动态特性的分析模型，这也是目前动态电压稳定性分析研究的热点和重点，如文献[41]中就提出了一种基于小波分析建立的动态电压稳定性分析模型，结合小扰动方法，可以快速准确的分析出整个电力系统动态特性，文献[42]也提出了将中心流
分析方法应用到小扰动分析中，建立简化的小扰动分析模型，在一定程度上有效的简化的小扰动分析方法的复杂度，同时可以保持较好的精度。

分岔动态电压稳定性分析方法目前还处于探索阶段，其主要是应用非线性动力学模型来构建电力系统电压稳定性分析模型，如文献[43]探讨了应用分岔理论来建立电压动态分析模型，以提高电压稳定性分析效率和精度，文献[44]探讨了未来分岔理论模型在电压稳定性分析中的应用，及未来分岔理论的进一步完善和发展。

基于本地测量数据进行电压稳定性分析，主要是随着近年智能电网建设的不断加速，大部分电力系统都实现了关键数据的实时采集，基于这些数据来进行电力系统动态电压稳定性分析，是未来发展的一个重要方向，如文献[45]就提出了基于PMU和SCAD设备提供的电网中的各种母线电压和电流数据来实现对电力系统的电压稳定性分析，采用基于动态潮流方程方法来实现对电力系统的电压稳定性的动态分析；文献[46]提出了一种基于大数据的分析和神经网络分析方法来实现对电力系统的电压稳定性进行分析。

总之，从上述几种常用的电力系统动态电压稳定性分析方法中可以看出，小扰动分析是目前电力系统动态电压稳定性分析的主流，也是目前常用的电力系统动态电压稳定性分析方法理论基础，分岔分析方法相关理论基础还处于发展和起步阶段，目前也被大量的研究人员关注和应用，部分研究人员已经开始将分岔分析理论应用到实际的电力系统动态电压稳定性分析，而基于本地测量数据进行电压稳定性分析的动态电压稳定性分析方法是随着当前智能电网的逐步建设和完善，自动化电力系统中未来采取的一种主要的分析方法和理论基础，也是未来电力系统和智能电网电压稳定性研究的热点，其结合当前的大数据处理、人工智能技术，是未来实现智能化的动态电压稳定性分析的关键[47]。

1.3 本文主要研究内容
本文主要从综合角度对辽宁省葫芦岛市电网电压稳定性控制相关技术和现状进行了研究。

并对电力系统电压稳定性研究背景及该领域的研究现状进行了分析。

介绍了电压稳定的定义与分类，对电压稳定的静态和动态分析方法进行了总结，并给出了相应的评述[48]。

在此基础上分析了用于求解动态非线性方程组的平衡点延拓算法，可以用来研究动态系统的平衡点随系统参数改变的演化情况。

介绍了用于动态系统数值分析的延拓算法，包括参数自然延拓法、弧长延拓法及拟弧长延拓法。

同时进行了动态电压稳定性研究。

采用局部参数延拓法追踪系统的平衡解流形，由获得的平衡点出发，在计及系统元件动态特性的情况下，利用小扰动分析法分析了电力系统的动态电压稳定性，用数值计算方法形成了系统的状态矩阵。

分析了各元件数学模型对动态电压稳定性的影响。

最后提出了适合葫芦岛市电压稳定性控制方案及措施。

本文主要安排如下：
第一章绪论，介绍了本课题的研究背景及意义，对国内外相关技术现状和理论研究现状进行了分析，确定了本文的主要研究内容；
第二章电力系统电压稳定性相关理论研究，对电力系统电压稳定性相关理论基础进行了研究分析；
第三章静态电压稳定的失稳类型判别方法进行了研究，对静态电压稳定的失稳类型的判别方法原理进行了分析，并通过实例分析进行了论证；
第四章动态电压稳定的失稳类型判别方法研究，对动态电压稳定的失稳类型判别方法进行了研究和分析，并进行了实例分析验证
第五章用于提高葫芦岛电压稳定裕度的发电机无功出力管理，研究和分析了用于提高葫芦岛电压稳定裕度的发电机无功出力管理算法方案；
第六章总结与展望，对全文进行了总结，并对本文后续工作内容进行了展望。

第2章电力系统电压稳定相关理论研究
2.1 电力系统负荷建模及对电压稳定性影响
电压稳定性与电力系统负荷密切相关，负荷的静态和动态特性直接影响到整个电力系统的电压稳定性，因此，整个电力系统负荷建模直接关系到后续电压稳定性研究，其理论基础直接决定后续电压稳定性理论发展，同时从当前已有的研究看，负荷建模也是电力系统电压稳定性的研究热点和难点，当前对于电力系统电压负荷模型的研究成果也非常多，总体来讲主要包括静态负荷模型和动态负荷模型两类，本节将首先介绍长哟的电力系统负荷模型，然后对负荷特性及对电力系统电压稳定性的影响进行分析，为后续进一步深入研究电力系统电压稳定性提供基础。

常用的电力系统负荷模型主要包括以下几种[49-52]：
1）静态负荷模型
静态负荷模型是电力系统分析中常用的模型，目前常用的静态负荷模型主要包括指数模型和ZIP模型，分别如下式（2-1）和（2-2）所示[53]：
（2-1）
（2-2）
2）动态负荷模型
在电压稳定性分析中，对于电力系统动态负荷模型，其不仅需要对负荷的端口特性进行描述，同时还需要通过负荷模型能够实现对电压稳定性进行广泛的分析，以利于对问题的理解，要求构建的整个电力系统负荷模型能够实时精确的反应出电力系统的负荷状态预电力系统电压失稳的相关性的本质，目前对于电力系统电压稳定性分析过程中使用的负荷模型主要有以下三类，也是常用的负荷模型[54]：
a）无功率平衡模型
该模型主要是通过确定负荷节点的某些变量的无功功率关系，来实现对负荷的建模分析，其模型如下式（2-3）所示。

（2-3）b）功率恢复模型
这种模型是基于负荷扰动原理来进行构建的，在电力系统负荷扰动后，其功率恢复特性将对电压稳定性造成一定的影响[55]，负荷的功率恢复特性是通过负荷的有功功率和OLTC的电压调节来共同作用的，其模型如下式（2-4）所示。

（2-4）
上述模型中，其是基于输入输出原理进行构建的，其有功功率和无功功率具
有非常相似的特性，在构建的功率模型中只需要考虑到端口的特性，这种模型构
建非常简单，但是不利于对电力系统电压稳定性问题的定性进行讨论和形成判断
动态过程中的电压稳定性的依据，如从文献[56]中的研究结果可以看出，其采用
的就是该模型来实现对电力系统电压稳定性进行分析，并不能很好的体现其电压
稳定性。

c）机理式模型
该类模型主要是对电力系统的平衡条件进行考虑，考虑在电力系统的平衡条
件被破坏之后，调整其等效导纳，建立起可以反映出电力系统线路上的导纳的变
换和功率平衡关系的方差模型，其具体的动态方程模型如下式（2-5）所示。

（2-5）其中，为动态电阻，分别为动态电阻上消耗的有功功率和输出的其
他形式的功率，为动态负荷的时间常数。

上式中没有考虑到动态电阻与负荷母
线间的连接阻抗中的电阻，通常实际应用和分析中还需要考虑这一电阻，参考文
献[57]中给出的模型，考虑该电阻的模型如下式2-6所示。

（2-6）
通过上述对研究电力系统电压稳定性的负荷模型的分析可以看出，在上述模型中的（2-1）和（2-2）中所表述的负荷的静态模型其原理实质上是相同的，模型中分别宝航了有功功率，恒电流负荷及恒电阻负荷分量。

根据已有的研究表明，在电压稳定性中，恒功功率负荷不利于电压稳定，而恒电流负荷与恒阻抗负荷是敏感负荷，根据电力系统的网络中的吸收的功率是随着电压下降而减少的这医院里可以得出[57]，这类。