电力市场化与电网互联对稳定分析技术的挑战

1引言
稳定性是反映系统的输人、初始条件或参数的小变化不会使系统行为发生大变化的性质。

例如，电力系统的安全稳定性就包括在受扰后保持各发电机之间同步运行的能力（大扰动同步稳定性和小扰动同步稳定性），在扰动清除后保证母线电压不长时间低于或高于对应限值的能力（暂态、中长期电压安全性），不丢失感应电动机和逆变器等动态负荷的能力（动态负荷稳定性），以及确保所有元件运行在许可范围内的能力。

其中，最基本的同步稳定性是描述电力系统在一定的初始工况和扰动下，各发电机转子角相对位置的有界特性。

电力系统的安全供电对于社会文明和国民经济极为重要，而稳定性又是电力系统安全运行的关键。

不能保证稳定的系统是谈不上其他品质的，而任何经济上的考虑都必须接受安全供电的制约。

对此，世界各国均不乏惨痛教训。

例如1996年7月2日美国西部WSCC系统的一回345kV输电线因对树放电而断开，同时继电保护装置误跳平行线路，一系列连锁过负荷最终导致了电压不稳定和振荡。

太平洋联络线跳开后，系统瓦解为五个孤岛，爱达荷州全部停电，时间长达3～5h[1]。

1996年8月10日该系统再次发生类似故障，系统瓦解成四个孤岛，使约750万用户分别停电几分钟到六个小时，损失负荷30.49GW，电量41.33GWh。

美国总统将此提高到“危及美国国家安全”的高度，可见问题的严重性。

全国联网和建立电力市场是我国电力工业改革和发展的战略目标。

电网的互联和开放不但使电力系统的运行条件越来越苛刻，并且大大增加了其不可预知性，故电力系统的安全稳定问题将越来越突出，并显著地影响输电服务价格，从而又会制约互联电网和电力市场的发展。

因此，研究电力市场环境下的跨大区联网对于安全稳定性的影响，明确稳定分析算法的发展方向具有重要意义。

本文从环保、电力市场竞争机制、跨大区联网的角度，探讨了它们对现有的稳定分析技术的冲击。

从系统规划、运行规划、在线运行、稳定控制等方面讨论了新一代稳定分析软件应该具有的功能；指出新一代算法的基本特征是对同步稳定性、电压安全稳定性、频率安全稳定性分别提供严格的量化指标，并在参数空间中给出安全稳定域；指出在新一代故障中引入概率观点和风险观点的重要意义。

电力系统灾变防治目标的实现有赖于非线性稳定理论上的突破，文中介绍了近年发展起来的互补群群际能量壁垒准则所取得的成果，指出了进一步发展的方向。

2 环境保护对安全稳定性的影响
环保方面的考虑使建设新的发电、输电项目日益困难。

电力系统必须在越来越紧张的条件下运行，因此对已有设备能力的充分利用显得日趋重要，而灵活地调节线路潮流，提高稳定极限传输功率的要求也越来越迫切。

环境限制将有利于选用水力资源和天然气资源，水电往往伴随着远方输电及稳定性问题，而燃气轮机的大量采用使电压稳定性问题更加突出。

将大量分散的发电厂（特别是风电和热电联产）接人系统时可能对系统运行可靠性和动态安全产生较大的影响。

常规的稳定分析算法和稳定控制系统已经无法满足电力系统在越来越小的稳定度下运行的要求，故建立全新的稳定性理论、特别是定量分析理论成为当务之急。

3 市场竞争对安全稳定性的影响
3.1 电力市场的开放[2，3]
从1990年英国电力工业私有化开始，接着在西班牙、新西兰、阿根廷、智利等国进行电力工业机制改革，其主要目标是“改变电力工业国营或地区专营的性质，优化对现有资产的利用，通过竞争，降低成本，促进经济效率，改进对用户的服务”，即使在已经私有化的国家（如美国）也实行非管制化。

其共同点为：
（1）在发电侧实行竞争，提高经济效率（如降低成本和电价，更好服务和技术进步），以争取配电公司和大用户的买电合同。

（2）新型的小容量机组投资少而清洁，用户考虑自建电厂以获得廉价的电能。

在发达国家中出现独立电能生产者和非电力公司发电，例如意大利的非电力公司发电在2022年将占17.5％。

（3）输电系统作为一个垄断的服务实体，与发电分离；开放输电网和转送（即卖电方通过第三方拥有的电网卖电给买电方的过程）。

通过高质量的服务（合格的频率和电压，供电连续性）获得经济回报。

如果输电资产为几个公司所有，则系统的运行由独立系统调度员担任，为所有参与者提供一个公正、透明、不歧视的活动场所。

（4）配电也成为独立实体，进行管理和价格控制，而一些大用户也可以直接向发电侧买电。

（5）一次和二次控制作为输电系统辅助服务中的一个重要部分，在新的计费标准中将与发电价和输电价分开。

电力市场的发展进一步增强了用户对供电可靠性和电能质量的自我保护意识，也使设备的运行越来越接近其热容量，并增加了运行条件的不可预知性。

研究人员和工程师不但对如何应用现代化控制策略来节约投资和运行费感兴趣，并且非常关心电力市场对潮流分布、动态行为和稳定性的影响。

这就向安全稳定分析方法和控制技术的实时性和智能性提出越来越严峻的挑战
3.2市场机制下的规划
从发电、输电一体化的体制演变到开放和竞争的环境，规划设汁中的不确定因素大大增加，在新厂建设和老厂关闭之间不再有集中的协调。

不但独立电能生产者和非电力公司发电的未来规模、地点和特性难以确定，相邻电力企业现在和将来的战略信息也不容易掌握。

电力规划的战略方针必须在充分研究电力市场的基础上，综合考虑发电规划、需求侧管理、社区能源规划、电价、输电和配电等的技术经济性，以及环境、社会经济等因素，协调各部门的战略规划目标。

必须认真对待各种不确定因素，使综合资源利用最优，达到最佳的经济效益并使客户总支出费用最低。

为了适应这种新情况，电力公司提出了各种适应众多不确定因素的措施；①更有效地利用现有设备和引人新技术，使系统运行于较高的负荷水平。

例如法国电力公司研究将400kV线路的运行温度从75℃提高到90℃，从而在增加10％负荷能力的同时，也增加了20％的损耗，降低了系统稳定性。

应用新颖的电力电子控制设备可能比建新线路要经济省时，但是这将增加线损和可能减少长期的灵活性。

利用全球定位系统（GPS）和高速通信测量远方母线相位，通过远距离控制功角来提高系统的稳定性。

这种控制是一种复杂的多变量控制系统，要用智能的方法来解决。

②在不确定性大和将来系统变化的风险大的场合，采用可移动的设备。

③减少建设的超前时间，但系统规划还是要短期和长期相结合。

在合理的代价下限制风险，既减少系统对不定因素的依赖性，也应避免在若干年后付出更高代价。

市场竞争将更加突出电力系统经济和安全性的优化，提出能量可靠性价格和停电价格等概念，用价格代替成本，建立新的目标函数。

安全稳定因素将显著地影响输电服务价格，这将导致对优化问题的重新考虑和定义。

在某些情况下由于维持电压稳定性等要求，有些机组即使发电成本较高也必须投人运行。

这些必投机组的存在和旋转备用容量一样将使电价上升，因此需要有合理的算法来动态确定在特定工况下必须的必投机组分布和容量。

这样的约束优化算法必须考虑非常复杂的动态约束，目前还没有实用的成果。

3.3 市场竞争中的调度运行
开放和竞争使供电合同更具多样性和多变性，各成员公司及各电厂间的发电分配难以预料，市场经济下的系统运行工况将由市场需求来决定。

系统间大量的电能交换和交易。

不可预测的潮流和线损等因素都增加了运行调度的不确定因素。

为了适应电力市场中的负荷对电能质量的更高要求，还需要装备二次电压或更复杂的电压控制系统。

市场环境对负荷中短期和超短期预报提出更高的要求，不但要按母线来预报负荷，并且要对各发电厂的电价和市场份额进行预报。

与计划经济时相比，电力市场运行机制下的运行更容易遇到离线分析未考虑的工况。

官方关于WSCC 系统事故的分析报告明确指出，造成这些灾难的主要原因之一是缺乏在线的稳定性量化分析软件及自适应的稳定控制决策支持。

事实上，当相继发生了若干事件后，系统工况很可能超出离线分析的范围。

此时，即使工程师们意识到运行规程上的稳定极限值已经无效，却无法了解当时的系统离开崩溃点还有多远，更不知道应该如何来施加适当的控制。

按离线计算来确定输电极限的方法不再能满足在线运行的要求，离线制定的
3．2 市场机制下的规划
从发电、输电一体化的体制演变到开放和竞争的环境，规划设汁中的不确定因素大大挪p，在新厂建设和老厂关闭之间不再有集中的协调。

不但独立电能生产者和非电力公司8电的未来规模、地点和特性难以确定，相邻电力企业现在和将来的战略信息也不容易掌握。

电力规划的战略方针必须在充分研究电力市场的基础上，综合考虑发电规划、需求侧管理、社区能源规划、电价、输电和配电等的技术经济性，以及环境、社会经济等因素，协调各部门的战略规划目标。

必须认真对待各种不确定因素，使综合资源利用最优，达到最佳的经济效益并使客户总支出费用最低。

为了适应这种新情况，电力公司提出了各种适应众多不确定因素的措施；①更有效地利用现有设备和引人新技术，使系统运行于较高的负荷水平。

例如法国电力公司研究将4＠kV线路的运行温度从75℃提高到90℃，从而在增加10％负荷能力的同时，也增加了20％的损耗，降低了系统稳定性。

应用新颖的电力电子控制设备可能比建新线路要经济省时，但是这将增加线损和可能减少长期的灵活性。

利用全球定位系统（GPS）和高速通信测量远方母线相位，通过远距离控制功角来提高系统的稳定性。

这种控制是一种复杂的多变量控制系统，要用智能的方法来解决。

②在不确定性大和将来系统变化的风险大的场合，采用可移动的设备。

③减少建设的超前时间，但系统规划还是要短期和长期相结合。

在合理的代价下限制风险，既减少系统对不定因素的依赖性，也应避免在若干年后付出更高代价。

市场竞争将更加突出电力系统经济和安全性的优化，提出能量可靠性价格和停电价格等概念，用价格代替成本，建立新的目标函数。

安全稳定因素将显著地影响输电服务价格，这将导致对优化问题的重新考虑和定义。

在某些情况下由于维持电压稳定性等要求，有些机组即使发电成本较高也必须投人运行。

这些必投机组的存在和旋转备用容量一样将触价上升，因此需要有合理的算法来动态确定在特定工况下必须的必投机组分布和容意这样的约束优化算法必须考虑非常复杂的动态约束，目前还没有实用的成果。

3．3 市场竞争中的调度运行
开放和竞争使供电合同更具多样性和多变性，各成员公司及各电厂间的发电分配难以预料，市场经济下的系统运行工况将由市场需求来决定。

系统间大量的电能交换和交易。

不可预测的潮流和线损等因素都增加了运行调度的不确定因素。

为了适应电力市场中的负荷对电能质量的更高要求，还需要装备二次电压或更复杂的电压控制系统。

市场环境对负舢中短期和超短期预报提出更高的要求，不但要按母线来预报负荷，并且要对各发电厂M电价和市场份额进行预报。

与计划经济时相比，电力市场运行机制下的运行更容易遇到离线分析未考虑的工况。

前关于WSCC 系统事故的分析报告明确指出，造成这些灾难的主要原因之一是缺乏在线的稳定性量化分析软件及自适应的稳定控制决策支持。

事实上，当相继发生了若干事件后系统工况很可能超出离线分析的范围。

此时，即使工程师们意识到运行规程上的稳定视值已经无效，却无法了解当时的系统离开崩溃点还有多远，更不知道应该如何来施加B当的控制。

按离线计算来确定输电极限的方法不再能满足在线运行的要求，离线制定的运行规程也难以保证系统的安全运行。

独立系统调度员必须具备在线环境下进行电压分析和暂态稳定分析的手段，才能履行保证系统可靠性的职责。

因此，在线动态安全的量化分析将是控制中心必须引进的功能，该分析工具既要有量化能力又具有快速性。

一个普通的局部故障，可能由于保护及控制装置的误动或拒动、不适当或不及时的手动措施、加上电网结构的不合理，而导致一系列的相继故障或过载元件的连锁开断，以至最终酿成灾难性的大面积停电事故。

一般来说，一个普通的局部故障并不会被离线分析所遗漏，但是在运行工况由市场规律决定的情况下，发生该故障时的实际工况则极有可能并未事先研究过。

对于市场经济下的互联系统来说，各机组的保护设置及机组的开停调度可能经常被所属电力公司改变，因此潜在的相继故障序列是难以事先计及的。

但由于相继的
两次过载开断之间会有一定的时间间隔，如果能够在该时段内完成对下一个潜在事件（而不是整个事件序列）的在线评估并实施预防控制，那么连锁开断事件就可以被分解为一系列单个事件，并在不同的时间段内分别处理。

如果在线应用软件能够紧紧跟随相继发生的开断事件，按照动态工况进行在线准实时的安全稳定性定量分析，算出系统各联络线的传输极限，并在必要时给出稳定控制的建议，动态修正控制策略，那么不论系统中相继发生了多少条支路的开断和多少个注入量的切除，运行人员仍然能够清楚地把握住系统的实际稳定程度和必要的稳定控制措施。

电力市场中的成员公司能否得到需要的外部信息，以及信息的质量和交换的频度等问题变得非常突出；系统的充裕性、经济性和可靠性之间也越来越难以协调。

在这样的环境中进行安全稳定的分析和决策，更有必要采用概率的观点方法来代替确定性的观点方法。

经济性和安全稳定性在电力市场中更加复杂地相互制约。

提供运行备用控制、电能平衡管理、网损控制、预防控制和紧急控制、停电后的启动能力等附属服务都会影响输电及发电分配费用，故必须计入到输电成本中。

过网费定价人员和调度员都必须清楚地掌握系统在市场要求下趋近其极限时所冒的风险，因此极限值的合理确定问题就更为突出。

合理的过网费应该根据当时工况，在线评估新的转送申请使系统承受的风险变化。

为此必须在线评估电网在潜在故障下失稳的概率，计算为保证系统稳定必须付出的控制代价。

在一个商业化的、竞争的电力市场环境中，电力系统的运行越来越接近系统极限，系统承受扰动的能力大大降低。

调度员面临着更大的压力和更少的选择性，他们往往不得不将系统运行在从可靠性角度来看井不好的状态，因此调度员的知识、技术、经验和主动性成为决定电力系统性能的重要因素。

培训仿真器中也应该有上述稳定性定量分析功能，以便让调度员清楚地了解管理的期望和所承担的风险，提高应付紧急情况的能力。

3.4 竞争环境下的稳定控制
当运行的风险增加时，需要有更可靠的稳定控制系统。

预防控制和紧急控制是维持电力系统安全稳定运行的两种重要手段。

当系统处于警戒状态下时，为防止系统在可能的扰动下失去安全稳定性，可以在扰动并未发生的情况下通过预防控制使系统进人安全状态。

一方面这种控制可能使系统长期运行于一个相对不经济的状态，另一方面，由于不可能在预防控制中采用控制代价大的措施，故控制效果也较为有限。

显然，纯粹用增加设备或预防性控制来解决小概率严重事故下的稳定性问题极不经济，甚至不可行。

紧急控制是在特定扰动被检测到的情况下才采取的措施，由于正常运行时并不付出经济代价，故可以采用动作代价虽高但效果强大的一些措施。

由于紧急控制措施在扰动初期并未起作用，因此采取的措施要比预防控制激烈得多。

要在200ms以内，针对具体故障完成对控制地点、措施种类及控制量的最佳决策，就需要极其快速的量化算法、灵敏度分析技术，以及在多维离散空间中快速寻优搜索技术。

既然在预防控制和紧急控制之间存在很强的互补性，在它们之间进行协调就十分重要。

这样的协调是一种决策的优化，高质量的稳定控制决策需要一个严格的定量分析方法来支持。

该方法应该能够识别出所有的潜在失稳模式，识别出最安全的控制方向，并给出相应的稳定裕度；这个方法也应能给出各种灵敏度系数、联络线极限潮流及功率注人空间的稳定域；另外该方法应足够快，能跟踪系统的变化。

同时，还必须有评估停电损失和评估稳定控制代价的合理方法，以及协调开环逻辑控制和闭环连续控制的全局策略。

市场经济对大面积停电事故后的恢复控制策略的有效性提出了很高的要求，也要求在恢复送电的各个阶段中避免在可能发生的新故障下再次失去稳定。

为了在保证安全恢复供电的前提下使停电损失最少，需要有支持恢复控制决策的子系统，其中数值算法应该由交互方式的启发推理来调用。

系统负荷平衡和稳定控制的手段（如备用容量）分散在市场的众多参与者手中，而后者的目标与独立系统调度员并不相同，从而增加了稳定控制的复杂性。

为保证电力市场的正常运行，独立系统调度员应该审核和监视新设备是否满足系统的要求，而稳定控制系统的自适应能力也极为重要。

安全稳定的预警保障系统必须及时地发现潜在的危险，用最小的控制代价将系统导人安全合理的运行状态；尽量减少简单故障扩大为大灾变的概率，用最小的控制代价来尽量缩小停电的范围和持续时间，恢复供电。

4 电力系统互联对安全稳定性的挑战
电力系统互联是合作和竟争的一种模式，也是当前国际电力工业的重要趋势之一。

其目的是实现更大范围的资源优化利用．更有效地实现水火补偿、错峰错谷、减少备用。

由于在同样风险度下降低了一次调节的备用容量和紧急支援的备用容量，互联的各方都能得到经济效益。

因此，互联是适应电力生产力发展的必然规律，没有互联就不存在真正的竞争。

北美东部系统（600GW）是目前世界上最大的同步电网，而整个北美联合系统（800GW）则是最大的非同步电网。

前苏联在70年代末就建成全国统一电力系统（310GW）。

波兰、捷克、斯洛伐克和匈牙利四国的电力系统于1995年与西欧系统互联（490GW）；西欧系统还将与北欧系统相联；独联体与西欧互联的方案和步骤还在拟定。

中东和沿地中海的20个国家之间，南非发展共同体各国之间，拉丁美洲各国之间均在考虑互联。

巴西等国也在研究各自国内各系统间增强互联的问题。

我国电网的覆盖面积大，结构薄弱，各种一次能源的分布和负荷的密度极不均匀，而电源又往往远离负荷中心，单位装机容量分摊到的标准输电线长度比发达国家的少得多，故电力系统的互联在带来明显经济效益的同时，也更具有挑战性。

正在建设的三峡工程将初步形成覆盖我国中部的大电网，标志着全国性跨大区联网的开始，而实施中的华北东北联网工程则将形成北部电网。

西北与川渝之间、西北与华北之间、福建与华东之间、山东与华北之间的联网工程也在准备之中[4~6]。

互联大电网的稳定问题并不是小系统稳定问题的简单叠加，弱联络线的互联电网很易在故障中失去稳定。

在我国，初期互联电网的联络线不可能很强，高效的远方大机组越来越重要，联络线的作用从紧急支援延伸到经济换电而接近稳定极限。

为此，必须对可能出现的新问题进行充分的研究。

电网的互联形成了区域振荡模式，后者的动态行为非常复杂，甚至可能产生混沌。

系统规模的扩大，快速控制装置的引人，可能会使系统的阻尼减少，发生持续的功率振荡。

振荡的阻尼是弱系统间传输功率的关键问题。

对欧洲互联系统区间振荡的研究表明，不同的区间振荡模式的阻尼情况取决于主要的潮流流向，且对潮流很敏感，特别是对于从边缘地区向中心地区的传输。

采用串联电容补偿的措施可能引起次同步谐振，而电压稳定性问题越来越成为制约电力传输的重要因素。

各国分别研究了用静止补偿器、可控串补、统一潮流控制器、超导磁铁蓄能系统、有飞轮的调速发电机等新设备来协调和控制系统。

国际大电网组织的研究认为，振荡的阻尼效果依次为PSS、HVDC和SVC的辅助控制，在机械投切的设备上加装电力电子装置，增加新设备。

有人建议通过降低调压器和水电机组调速器的增益，增设PSS，应用FACTS设备等方法来解决该问题。

但也有人认为降低调压器和调速器的暂态增益在特定情况下反而不利于阻尼。

互联既涉及环流、短路容量、规划及运行的可靠性、在正常状态、紧急状态和恢复期间的协调问题，也涉及互联线的交换功率极限值、区域稳定控制、经济性和安全稳定性之间的最佳协调等新问题。

这些影响运行安全性和经济性的问题受到广泛的关注，迫切需要深人的科学研究和工程研究，评价系统的可靠性及在各种意外故障下出现的问题和对策。

在一个自由化的世界中，如何解决技术和商业数据的保密性和可用性？在众多参与者和非管制化的情况下，独立系统调度员如何在系统安全管理、运行计划和市场运行中发挥应有作用？这些问题对稳定分析软件和控制决策支持软件提出了新的要求。

在线动态安全分析越来越重要，希望能利用电网各种动态指标对某些控制变量变化的灵敏度，并加入智能化方法，帮助调度员预测电力系统中可能发生的动态问题并给出预防措施，保证有功功率和无功功率的合理价格。

使用相位量测的状态估计或许将来能把状态估计包含到动态安全控制的程序中，利用设备的动态容量和控制策略来挖取输电系统得潜力。

有研究指出快速暂态和慢速暂态常常不能完全解耦，因此需要特殊的灵活模型，同时必须改进内部系统的动态表示，以及外部系统的等值，正确地建立包括保护动作在内的复杂和灵活的模型。

原先分散的独立控制装置无法适应联网的要求。

必须在不同层次、不同区域的控制系统之间实现信息和决策的相互协调，需要深人研究阻尼控制器、分布式稳定控制器和FACTS的全局优化协调方法及其强壮性。

除了阻尼以外，实际工程还要关心电压等其他问题，为此需要协调不同的要求，而不是单目标优化问题。

跨大区联网对大面积停电故后的恢复控制策略也提出了严格的要求。

区域性紧急控制装置一方面要在外部信息不足的情况下，巧妙地采用合理的伪量测量，另一方面又要充分地利用就地信息的冗余度，这使其工况估计得非常困难。

5 对稳定分析算法的挑战
线性动力系统的时间响应曲线可以由系统的特征根来精确地描述和分类，继而进行模态分析和模态综合。

但对于非线性动力系统，特别在多自由度下，其时间响应曲线不再能由特征根技术来描述，并且难以对其解的形式进行分类。

非线性的工程问题往往要在参数空间中识别稳定域与不稳定域之间的分界面，或研究解在参数变化时的拓朴结构变化。

理想的稳定分析算法除了要满足一般关于精确性、强壮性、快速性，适用各种模型和受扰场景，与使用者的友好性，与其他软件的交互友好性等要求以外，还应该满足下述要求：
（1）对稳定性实现定量化评估及决策。

规划人员往往用故障的临界清除时间来描述系统的稳定程度，而运行人员却更加希望知道特定电源或关键接口上的稳定极限功率，以及必要时的最优控制决策。

要求该定量方法给出各种灵敏度系数及各种参量的极限值和稳定域，为此必须先找到关于稳定性的严格充要。