输电断面安全性保护与关键技术

数值仿真
B1 B24
C1
B25 B11
B51 B10
B9
B26
B52 B15 B14
C B23
2
B20
B2
B19
B21
C6
B4
B22
B30
C3
C5
B3
B7
B27 B28
B12
B13
C7 B6 B17
C8
B29
B16
B34
C B18
B50
9
B5
C B33 4
B31
B8
1
2
5
4
3
7
6
9
8
CEPRI 36节点系统状态图
输电断面安全性保护的任务
通过协调断面上的后备保护和自动装置的动作，避免 断面内的支路发生连锁过载跳闸，维持断面的输电能 力，防止断面潮流的大幅度转移。
预测出并行输电断面存在连锁过载跳闸的可能时，通 过安全稳定控制系统进行紧急控制，消除支路过载。 反之，则允许过负荷保护延时跳闸。
2、输电断面安全性保护的概念（2）
预计到2020年，每年将有大约100000MW电力从西部送至东部
潮流转移特征分析(2)
输电元件物理参数对系统潮流的影响
根据直流潮流模型：忽略支路电阻和对地电容，支路两端的相 角差一般不大，可以近似认为，于是任意两节点之间的功率可表 示为：
Pmn
m n
xmn
结论：输电线路阻抗参数越小，在相同 条件下，传输功率就越大
Pij' jQi'j
Pj'i jQ'ji
Pi' jQi'
Pj'
jQ
' j
(c)模拟支路开断得最终状态
Pi' jQi'
Pj' jQ'j
(b)系统最终状态
0 0
Ik Ikm
Im Ikm (d)系统补偿网络
简单系统示例
Vp
Vk
p 1k
2
6
1
q2
4
Vi
i
2
I0
Vq
m Vm
1n
j 1 1
Vj
Vn
对于强受端系统电力网络，电源与负荷就近 供电，多数没有明显的并行输电断面。
弱受端系统：指受端电源容量小，主要依靠外电源送电的 结构。
强受端系统：电源与负荷均匀分布，受端系统内的电源容 量比较大，内部联系紧密的电网结构。
中国电力网络：系统一次比较薄弱，由于能源与经济发展 不平衡，电源与负荷分布不均，存在若干并行输电通道。
IinInpIpqImj
而非最短路径支路功率(该支路不在最短路径 上)在终端节点b汇总：
Ib jIisth In fg h Ip c d e Iq a b I mj Ibj ?
难以从理论上严格证明式 ：
m in I t|l t R S m a x I s|ls R S
……(#)
即最短路径支路功率的最小值严格大于非最短路径支路功率的最大值。
开断支 路
3-4
支路 p (降序)
1-2
1.0000
8-9
0.9999
9-39
0.9999
39-1
0.9999
2-3
0.8157
3-4
0.6883
4-5
0.6674
5-8
0.5670
6-7
0.44136
7-8
0.43892
13-14 0.33204
6-11 0.33010
支路 p (降序)
16-17 0.31316
xqj xqmj xqmxmj
xpqxqj xpcdebj
Ipqmj Ipcdebj
(2)
I I npqmj
nfghebj
源自文库
(3)
I I inpqmj
isthebj
(4)
最短路径潮流转移分析
最短路径上每一条支路的电流，分别大于与 之并联的其它支路电流
进一步分析发现，随电流分支数目增加，相应 最短路径上的支路电流也就会越来越小：
CEPRI 36节点系统接线图
结果表明：并行输 电断面覆盖了绝大多 数实际受影响较严重 的关键输电断面，这 个结论与对广泛大停 电事故的分析基本一 致。
电力网络潮流转移搜索算法(2)
最传输路径搜索算法
采用经典的Dijkstra 最小路径算法。其基本原理是, 若
v1v2..vn-1vn是从v1到vn的最短路径，则v1v2…vn-1也必然是从v1到 vn-1的最短路径。
假设A为起点E为终点，3条路径：A－B－E、A－C－E和
A－D－E的路径长度分别为15、14和13，Dijkstra最短路径为
A－C－D－E，其权值为11。
A
3
4
8
B
C
2
D
12 10
5
E
NEWSLAND 39 系统仿真
假设支路2-1断开，根据 Dijstra算法，节点2与1之间 的最短路径：2-3-4-5-8-939-1，其路径的长度为 0.1469。
高低压电磁环网：高电压等级线路开断后，其潮流就会 大量地涌向低压网络，很容易造成造成低压网络静态潮 流越限。
电力网络潮流转移搜索算法(1)
并行输电断面快速搜索 三步算法
简化原始网络 建立系统状态图 /分区 搜索并行送电断面与并行受电断面
简化原始网络
(1) 消去权为零的节点
(2) 合并“悬挂”节 点
电力系统光缆SDH通信技术(622Mbps)、微处理 器技术、IP技术、GPS、PMU…的发展，使得构 建实时的广域测量系统成为现实；其刷新周期 可达20~50ms，为实现系统级的实时安全性保 护与控制提供了可能。
典型大停电事故分析
1978 法国大停电事故
400kV
巴黎地区
220kV
北若蒙 拉维纽 若尔母 根尼斯
s
i41
i6
2
i5
3
i6 i2
i4 i4
i1 i5
0 0
i5 i3 i6 0
以上3式相加后，得对闭合面S 的电流代数和：
i2 i1i3 0
潮流转移特征分析(1)
网络拓扑与负荷分布对潮流转移的影响
I1
1
I2
2
A
Im
m
C
l1
Ic1
l2
Ic2
lk
Ick
m+1 m+2
B
n
线路 lt t k 断开：
Im+1
m
n
Im+2
Ii Ii const
i1
im1
In
k
k
Ici Ici const
i1
i1
结论：断面C中所有线路有功功率之和在线路lt t k 开断
前后相同，换言之，线路 l t 功率转移到断面其它线路之中。
对于弱受端系统电网结构，重负荷线路因运行 异常延时切除后，系统潮流往往在与该重负荷 线路有相同电源区或负荷区的并行输电断面内 转移。
建立系统状态图/分区
✓ 供电域
A: 1 2 3 4 5 6
B: 3 4 5 6 C: 6
✓相同发电机供电节点
1区: 1 2 ------ A
2区: 3 4 5 ------ A B
3区: 6
------ A B C
搜索并行输电断面
并行输电断面：在某一运行方式下，有相同电源区 或负荷区的输电断面。
minPt |lt Rs maxPs |ls Rs
最短路径潮流转移分析
i
n
p I0
q
mj
a
b
c
d
f
g
e
s
t
h
简单并行网络最短路径潮流转移分析
虚线 ：表示通过若干中间节点相连 粗实线 ：表示两节点直接相连 粗实线 ：长度近似表示线路阻抗大小 i j最短路径 R s ： i n p q m j
xqmj xqabj Iqmj Iqabj (1)
运行在接近极限边缘的输电网络，因若干低概率事故引发 功率大范围转移，造成相邻元件过载，形成连锁过载跳闸 以致系统失去电压稳定或功角稳定，最终瓦解。
基于广域测量信息对紧急状态下的静态潮流转 移问题进行研究，并在线实时寻找相应的控制 对策，对于有效抑止大停电事故的发展、蔓延 具有重要意义。
2、输电断面安全性保护的概念（1）
6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃，停电 19小时。 停电724MW，影响41万用户，50万乘客被困，停 电37分钟～1小时 马来西亚北方5个州发生大停电事故，停电持续约4 个小时。
广域测量系统
传统SCADA/EMS系统 (采用窄带宽的通信介质、 用模拟信号进行远距离传输1200bps)，刷新周期 长(>5s)，无法满足紧急控制的实时性要求。
实现安全性保护的信息条件
输电断面安全性保护需要实时获取系统级的信息， 快速收索当前的输电断面，快速评估线路开断后断面 的潮流情况，并给出可行的控制方案执行之。
提升SCADA/EMS系统的数据更新速度或利用快速动 态信息系统，刷新周期长短于1秒；将分散安装的过 负荷保护和各种安全自动装置联网，构成安全稳定紧 急控制系统；完成对电网的实时监视、实时计算真、 实时控制。
相关支 路
16-17 15-16 14-15 4-14 17-18 3-18 2-3 4-5 1-2 1-39 6-11 10-11 10-13 4-5 5-6 4-14 16-17 15-16 6-7 7-8
(降序) p
0.7099 0.7044 0.7044 0.6034 0.6019 0.6014 0.4042 0.3932 0.2944 0.2944 0.9908 0.9127 0.9127 0.8922 0.8644 0.8247 0.1721 0.1709 0.1359 0.1351
支路 j-m j-n n-m m-q
电流
0.09I0 0.18I0 0.18I0
0
支路 j-k m-k k-p k-i
电流
0.10I0 0.27I0
0 0.36I0
等效注入电流 在网络中的分布： 两节点之间长度最 小的最短路径( Rs： j-n-m-k-i )支路电流最 大，换言之，开断 支路两节点之间的 最短路径上支路功 率变化量最大
2003. 9.23 2003. 9.28 2003. 8.28 2003. 9.1
事故 北美东部
瑞典丹麦 意大利 伦敦地铁 马来西亚
事故后果
损失负荷61.8GW，停电8州1省5000万人，停电 面积24000平方公里，最长停电29小时，损失300 亿美元。
停电1800MW，影响500万人用电，停6.5小时
15-16 0.31114
10-12 0.30309
10-13 0.30329
14-15 0.23830
25-26 0.19501
26-27 0.19401
2-25 0.18811
17-18 0.11972
3-18 0.11939
5-6
0.10166
17-27 0.03509
13-14
注：黑体表示最短支路及其功率变化量
图1 1978 法国大停电事故
1982 加拿大魁北克大停电
詹姆斯湾
邱吉尔瀑布
735kV
4000MW
735kV 9000MW
4270MW
马尼夸根
莱维变电站
蒙特利尔 负荷中心
图2 魁北克735kV系统事故前接线和潮流示意图
研究目的
绝大多数大面积停电事故，起因都是静态潮流 问题，动态问题随后加剧了系统的崩溃。
支路开断数学模型
补偿法：认为支路未被开断，而是在两端节点处引入某一待求的功 率增量来模拟支路开断。
i Pi jQi
j Pj jQj
i Pi jQi
j Pj jQj
Pij jQij
Pji jQji
Pi jQi
Pj jQj
(a)系统初始状态
i Pi jQi
j Pj jQj
Pi jQi Pj jQj
报告内容
1、 研究背景与意义 2、输电断面安全性保护 3、关键技术
电力网络结构安全性分析理论基础 电力网络潮流转移快速搜索算法 基于灵敏度分析的紧急控制算法 输电断面安全性保护综合仿真平台
1、研究背景与意义
国外大面积停电事故频繁发生
国家
美国
瑞典 丹麦 意大 利 英国
马来 西亚
时间
2003. 8.14
对于强受端系统电力网络
电源与负荷均匀分布，电源与负荷就近供电
任意母线节点“出线”回路数K一般都比较少 k<10
最小值 I m j 就不会因为过多“分流”而变得很小；最大I值b j 就
不会因“汇流”支路数过多而变得很大, 式(#) 是基本成立的。
对于强受端电力网络，重负荷线路因运行异
常被切除后，系统潮流往往容易在该重负荷线路两 端节点之间的最短路径上转移。
3. 实现输电断面安全性保护的关键技术（1）
➢ 输电断面的在线快速搜索：
从网络拓扑结构的角度，分析支路开断后潮流转移的规律 利用广域测量信息，根据潮流转移特点，快速搜索系统的 薄弱环节/并行输电断面。
➢ 输电断面连锁过载的实时预测
通过对电力网络中薄弱环节安全性状况的分析获得整个系 统的安全信息，以减少分析计算的工作量，以提高安全控 制的实时性。
潮流转移特征分析(3)
电压等级对潮流转移的影响
高压线路500kv一般用于远距离输电，目标电源与目标负 荷地理位置一般相隔较远。因此，开断后潮流影响范围 较大，但主要集中于高压网络。
低压线路220kv一般是就近供电，目标电源与目标负荷地 理位置一般比较近。因此，开断后潮流影响范围较小， 常集中于某一个局部网络。
➢ 消除输电断面过载的实时控制
当确认系统薄弱环节存在连锁跳闸的危险后，须快速确定 相应的紧急控制策略，在保护动作前消除元件过载
电力网络结构安全性分析理论基础
广义基尔霍夫定律
通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零，或 者说，流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流。
4 i1 5 i2 6 i3