电力系统调度与运营6.ppt

第七章网络分析软件,一、主要组成,二、电力系统的运行状态,三、电力系统的安全分析与控制,安全分析的功能是确定系统当前的运行状态在出现事故时是否安全；,网络安全分析是在安全监视的基础上对实时状态及预测的未来状态作出分析和判断；,预防性安全分析就是在一组假设事故分析的基础上确定系统的安全性,N-1,N-2；,安全控制正常监控、越限报警与预调整、事故隔离与紧急控制、恢复控制。,1、静态安全分析,概念只考虑预想事故后系统稳定运行状态的安全性（即越限），不考虑当前的运行状态向事故后的稳态运行状态的动态转移。,所谓预想故障分析指的是针对预先设定的电力系统元件（如线路、变压器、发电机、负荷和母线等）的故障及其组合，确定他们对电力系统安全运行产生的影响。,预想故障分析,预想故障分析的主要功能是1按调度员的需要方便地设定预想故障；2快速区分各种故障对电力系统安全运行的危害程度；3准确分析严重故障后的系统状态，并能方便而直观展示结果。,预想事故评定自动事故选择预防控制,预想故障评定,故障的定义,在早期的预想故障分析中，一般只进行n-1扫描式的故障选择和分析，即分别开断系统的每个网络元件，计算其后的电网状态。,90年代初出现了以预想故障集合方式代替n-1扫描方式，其特点是能方便灵活地定义多重故障，因此是最实用的方式。预想故障集合是由有经验的调度人员和运行分析人员给出的，它包括各种可能的故障及其组合，并且可以规定监视元件及条件故障以自动产生复杂故障。,预想故障集合,预想事故评定的方法,支路开断模拟,,发电机开断模拟,,直流法；,分布系数法；,与Newton潮流算法结合的直接法；,与快速解耦潮流算法相结合的直接法；,补偿法。,,直流法；,发电量转移分布系数法,广义发电量分布系数法；,计及系统频率变化的发电机开断模拟；,自动故障选择,传统方法是逐一地对所有可能预想事故用完全AC潮流计算分析，从计算结果评定系统的安全性；,事先根据运行人员的经验和离线计算的结果，得到一个预想事故一览表，实时分析时，只对这个表中的事故进行评估；,由于经验的不足而遗漏一些关键性的预想事故，或者由于系统现状不同于离线模拟的运行状态，使得一览表不能准确反映系统的真实情况；,按每一个可能的预想事故对系统导致的后果严重程度进行排序，动态形成一览表。再对事件表中的预想故障进行分析,自适应的预想事故处理器（事件扫描）,自适应的预想事故处理器（事件扫描）,预想事故对系统所致后果的严重程度，用各种行为指标（PeranceIndex--PI）表征。不同的预想事故自动选择算法，其PI有不同的表达式。相应的终止判据也不同。几种捕获率高有代表性的算法是,,FDLF-1（快速解耦潮流的第一次迭代解）；,负荷卸除法；,分布系数法；,提供最大载荷能力法；,2、动态安全分析,概念对事故动态过程的分析，着眼于系统在假象事故中有无失去稳定的危险。,,离线稳定计算分段数值积分法，实时性差。目前快速判断稳定性无好办法,模式识别法；,Lyapunov直接法；,扩展等面积法；,模式识别法,,假想事故离线稳定计算；,选择特征量（节点电压和相角）构成判别式；,在线代入判断系统的稳定性；,Lyapunov法,,用Lyapunov函数V和状态方程构成稳定域；,算出扰动后的状态量并计算V函数值；,V临界不平衡点的V值时，系统稳定；,扩展等面积EEAC法（ExtendedEqual_AreaCriterion,,南瑞薛禹胜，第一个稳定实用软件；,静态、动态、集成；,快速强壮的在线定量分析和相应的灵敏度分析；,在线预算、实时匹配；,四、安全约束调度,如果由预想事故分析发现系统处于正常的不安全状态，就要确定应当采取怎样的对策，才能使系统恢复到正常的安全状态。安全控制（SecurityControl）问题基本任务就是通过系统中的可控制变量的再安排来消去潜在的约束条件越限现象，通常称之为预防性控制或安全约束调度。当然，如果系统已经出现约束条件越限现象，也可通过可控变量的再安排，来使之恢复到安全状态校正控制。,1、安全约束调度模型,,预防再安排或预防控制问题的列式，可以表示为,2、求解方法,,非线性系统的最优化问题，线性规划法和非线性规划法。为了简化，通常首先采用P-Q分解，即P-和Q-V解耦模型，既将完整问题分解为有功功率安全校正分析和无功功率安全校正分析两个子问题，分别用于研究,最小发电成本问题----有功经济调度问题；,卸负荷问题；,防止线路两端的角度分离问题；,防止线路因有功潮流引起的过负荷问题；,防止发电机有功出力越限的问题；,,,线损最小化问题----无功经济调度问题；,防止母线电压越限问题；,防止线路因无功潮流引起的过负荷问题；,防止发电机无功出力越限的问题；,,控制变量---发电机有功无功的输出；移相器的角度；发电机电压；有载调压的接头；无功电源（调相机、电容器、电抗器等）。,3、实时安全约束问题,4、预防性安全约束调度,5、研究型安全约束调度,五、最优潮流（OptimalPowerFlow）,从优化运行角度调节控制设备参数，满足节点正常功率平衡及各种安全指标的约束下，实现目标函数最下化的优化过程,目标函数,总发电费用极小化有功网损极小化有功不变时调节无功使有功网损最小,技术,牛顿法处理非线性问题互补线性规划技术处理不等约束采用稀疏矩阵技巧提高速度,,,1、最优潮流一般描述,目标函数,约束条件,u控制变量；,x状态变量；,等式约束条件；,不等式约束条件；,处理函数不等式约束；解决非线性收敛问题；考虑离散变量问题。,这是一个典型的非线性规划问题,2、最优潮流的基本理论,非线性规划问题可以表述如下,等式约束条件,不等式约束条件,目标函数,minfx,gx0,hx0,考虑等式约束的拉格朗日函数L如下式,引入松弛变量将不等式约束化为等式约束，与上式合成为增广目标函数C*,求最优,gx0,hx0,uhx0,u0,是典型的非线性方程组，可以用牛顿迭代法求解,是典型的非线性方程组，可以用牛顿迭代法求解,其修正方程如下,,,,H增广目标函数对自变量的海森矩阵；J等式约束的雅可比矩阵；B不等式约束的雅可比矩阵,3、OPF的解法,经典算法,线性规划法LP,,简单梯度法DG,序列二次规划法SQP,牛顿法,内点法IP,最优潮流解耦法DG,经典算法,遗传算法GA,,模拟退火法SA,并行算法,线性规划法LP,线性约束条件下，求目标函数最优；,非线性方程线性化；,单纯形法或对偶线性规划法；,有功功率优化好，无功功率优化不好；,随网络规模增大，迭代次数迅速上升；,,简化梯度法DG,仅在控制变量子空间寻优，采用梯度法搜索；,用罚函数处理违约的不等约束条件无约束最速下降法；,接近最优点，出现锯齿；,计算量大、罚因子影响大，研究较少。,,牛顿法,被公认为是最优潮流算法研究的一次重大飞跃；,利用二阶导数，收敛快；,使用稀疏技术，节省内存，可用于大规模网络；,很难准确估计起作用的约束集；,海森矩阵随着罚因子的增大容易出现数值稳定问题；,,内点法IP,从初始内点出发，沿着最速下降的方向，从可行内部直接走向最优解；,计算量随系统规模的增大不是很明显；,步长和障碍因子的修正需凭经验。,,没有识别起作用的约束集的困难；,遗传算法GA,机理源于自然界生物进化的选择和遗传；,通过选择、杂交、变异等核心操作，“优胜劣汰”；,沿多条路径搜索，实现全局或准全局最优；,可处理混合整数离散性问题；,计算量大、计算时间长；,,改进目标函数计算方法提高计算速度；,改进遗传算法的操作改进收敛性和寻优性能；,是一种有效的自适应优化方法；,4、各种方法的比较,经典算法（基于导数）,按导数信息确定搜索方向，速度快；,算法成熟，可信度高；,对目标函数及约束条件有一定的限制,维数灾问题难以解决,容易陷入局部极小或接近最优时难以收敛,对离散控制变量的处理不理想,,,优点,缺点,现代算法（非导数优化）,与导数无关；,灵活性可用复杂目标函数；,表现不稳定,不能保证最优解,有些控制参数需凭经验人为给定,速度慢,,,优点,缺点,随机性全局优化，非线性求解；,内在并行性一组可行解，搜索轨道多条；,5、OPF的发展方向,向大系统、实时控制、在线计算方向发展；,电力市场提出了新要求计算实时电价、阻塞管理、输电能力、输电费用、辅助服务费用；,灵活交流系统下的OPF问题有待深入研究；,考虑负荷变动和系统故障情况下的动态优化潮流,考虑电压稳定与暂态稳定安全约束,6、最优潮流与传统经济调度的区别是什么,传统经济调度只对有功进行优化,虽然考虑了线损修正,也只考虑了有功功率引起线损的优化；,最优潮流还考虑了母线电压的约束及线路潮流的安全约束；,传统经济调度一般不考虑母线电压的约束,对安全约束一般也难以考虑；,最优潮流除了对有功及耗量进行优化外,还对无功及网损进行了优化;,DTS（DispatcherTrainingSystem）,安全运行要求,元件与自动装置可靠性高,,第八章调度员培训模拟系统,高水平的调度员,,实时工作积累,培训,,跟班,课堂式反事故演习,事故处理经验总结,调度员培训,,正常情况下的操作能力,事故状态下的快速反应及处理能力,要求,,真实性模型逼真,一致性身临其境,灵活性多种方式,一、总体结构,CCM控制中心模型,PSM电力系统模型,IP教员台,CCM,,能量管理系统的完全拷贝,与控制中心环境一样,PSM,,稳态母线、线路、变压器、开关、保护、安控,动态,,求解微分方程模拟动态响应,电源、负荷、交直流输电系统,IP,,培训前初始化,培训过程中操作与控制,培训后处理,,,对电力系统模型的操作,对培训过程的控制,对学员的监视,快照重放,培训重演,复现动态曲线,培训评估,二、主要功能,培训调度和运行人员的基本业务,模拟电网正常和紧急情况下的静态、暂态、动态过程,描述本电网主要电压等级元件,描述电网主要故障，做事故处理、系统恢复训练及事故分析研究,进行正常调频、调压、主接线方式倒闸操作等,反应事故状态下电网保护和自动装置的动作行为,灵活的培训支持功能，可设置各种初始化条件与各种故障，编制各种教案,第九章EMS系统相关技术的最新发展,,采用,JAVA,一、计算机与通信技术的发展,因特网,面向对象,电力市场下安全运行与商业化运营,二、实时动态监控,广域测量系统WAMS以同步相角测量技术PMU、现代通信,技术和实时数据处理技术为基础，对电力系统进行动态监,测与分析全局性、实时性,广域测量系统结构,,利用实时动态测量数据实现的动态分析功能主要有,在线扰动识别,系统振荡在线监视与离线分析,事故重演与仿真曲线校核,静态功角稳定裕度监视,暂态功角稳定监视与预报,电压动态过程监测与动态稳定预报,双端故障测距分析,PMU、AMU取代RTU，WAMS取代SCADA组成新一代EMS系统,WAMS可能应用的领域,三、新的输电方式的出现与研究,,如何对混合系统进行科学调度管理,控制的方式,潮流计算及状态估计如何进行,四、EMS与PMOS（电力市场运营系统）之间的融合,影响的技术,负荷预测,发电计划,系统控制,辅助服务管理,安全稳定分析,五、安全防范反恐与防灾变,1、电力系统的安全性,电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下,系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度；,传统的安全性研究故障情况下，电力系统本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事件的复杂序列；,电力系统脆弱性电力系统因人为干预、信息、计算机（软、硬件）、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素，而潜伏着大面积停电的灾难性事故的危险状态。,2、电力系统安全性问题的影响因素,内在,,系统主要元件故障发电机、变压器、输电线故障；,控制和保护系统故障；,计算机软、硬件系统故障；,信息、通信系统故障；,电力市场竞争环境的因素；,电力系统不稳定静态/暂态/电压/振荡/频率不稳定等。,外在,,自然灾害和气候因素地震、冰雹、雷雨、风暴、洪水、热浪、森林火灾等；,人为因素操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏（包括战争或恐怖活动）等。,3、电力系统安全性的防治措施,加强电网建设，降低事故概率厂网协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行,加强电力系统监控和管理统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度,加强与电力系统安全紧密相关的基础研究目前急需建立新的理论和方法体系（建模、分析、模拟、仿真、预测、和控制方法），有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，,研究自然灾害和人为破坏（包括战争和恐怖活动）对电力系统安全运行的影响,4、若干与电力系统安全性紧密相关的基础研究方向,开展广域电力系统的建模和综合能源及通信系统体系结构（IECSA）的研究同时考虑和研究电力系统、信息系统、计算机系统、通信系统的交互和综合，在建模上要考虑多个网络的平行，多个物理过程的平行，以及多类元件的平行。要充分应用实时的量测信息，发展分布式的实时计算。,开展广域电力系统的信息理论与应用研究信息融合系统应具有完整的观测、融合、决策和协调功能。基于多智能体系统的分布式信息处理技术是这一领域颇有应用前景的研究方向；黑客的入侵使电力系统的安全增加了新的内涵，其影响亦需进一步的研究。,开展广域电力系统安全防治系统的研究开发广域的、智能的、自适应的并与电力系统的分层和全局协调的保护和控制系统,,,,六、大功率电力电子技术的应用,近10多年来，可控整流器SCR、可关断的晶闸管GTO、MOS控制的晶闸管MCT、绝缘门极双极性三极管IGBT等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。,用电力电子开关（无触点）代替传统机械开关用电力电子装置来控制P，VQ换流装置并联/串联接入系统快速AC/DC或者DC/AC变换,实现开关动作由快到慢的飞跃,,Thyristor,GTO,IGBT,机械式开关,,,,,开关频率,Losses,,,,,,,,,50/60Hz,1000Hz,开关过程20-80ms,4.5kV/4kAGTO尺寸示意图,1、灵活交流输电技术FACTS,,FACTS-FlexibleACTransmissionSystemsFACTS指装有电力电子型或其他静止型控制器以实现对电力系统电压、参数如线路阻抗、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。FACTS装置指FACTS家族中具体的成员，指用于提供一个或多个控制交流输电系统参数的电力电子系统或其他静止设备,提高传输容量，提高现有网络利用率,FACTS装置的一个巨大用途提高系统稳定性，提高远距离输电的容量。相当于可以少建输电线路，提高目前已有线路和设备的使用效率,,,交流输电线路的热稳极限,注小红球每称振荡50次,FACTS使网络联系更紧密，更强壮，减少损耗,FACTS稳态与暂态的控制作用,对TCSC（可控串联补偿）和STATCOM静止无功发生器进行工程化研究开发可转换静止补偿器CSC（第3代灵活交流输电装置）,开展对具有综合控制功能的UPFC和IPC相间功率控制器的研究开发,对FACTS的系统应用理论，则应进一步开展系统建模和分析、系统控制策略等的研究。,多个FACTS装置控制系统的协调配合问题；FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题；FACTS控制纳入现有的电网调度控制系统问题等,FACTS的研究方向,定质电力（CustomPower）技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。,开发用于配电网的静止无功发生器DSTATCOM。它由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功率，同时可以抑制电压闪变。,动态电压恢复器DynamicVoltageRestorer，它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。,2、定质电力技术,,,,,,动态电压调节器的结构框图,,,综合潮流控制器UPFC,新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。,轻型直流输电系统（LightHVDC），它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。可由于采用可关断的电力电子器件，可以免除换相失败之虞，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛）的供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。,3、新型直流输电技术,同步开断SynchronizedSwitching是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。,实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。美国西屋公司已制造出13kV、600A、由GTO元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3ms，这是一般机械开关无法比拟的。现在，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。,4、同步开断技术,现在的电力系统由于还依赖高压机械开关（油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等）实现线路、设备、负荷的投切，尚不能做到完全可控。这是因为机械的慢过程不可能控制电的快过程。“电网控制”目前只能做到部分控制，本质上仍然是一个调度员的决策支持系统。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统真正的灵活调节控制便将成为现实。,5、未来全可控的电力系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,异步机交直交变频,动态无功补偿STATCOM/SVC,串联补偿FSC/TCSC,短路电流限制器SCCL,同步机交交变频,大电流直流电源中高频交流电源,动态电压恢复器DVR,高压直流HVDC,其他FACTS装置UPFC等,电能质量控制器,,有源滤波等,轻型直流,柔性交流输电FACTS,FACTS/HVDC,CustomerPower用户电力与电能质量,,,电动机调速传动与电源,大功率电力电子应用一览,七、数字电力系统DPS新世纪电力科技发展方向,1、数字电力系统的定义与内涵,定义它是某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地形象化地描述与再现。,电力系统的物理结构（也即真实结构）的其组成部件（单元）及整体的物理性能、运行方式和运营策略、管理的模式、人员的信息等。,电力系统的各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量；,各种自动控制装置的动作特性（包括继电保护装置）；,发电厂、变电所的主要设备的“健康”；,经济结构、市场信息；,影响电力系统安全的特殊自然环境；,科技管理阶层、技术人员管理信息；,环保指标和环保设备投入及运行情况；,管理和决策的科学化指令效果反馈；,安全稳定性实时评估与改善稳定域的实时变化和状态点在稳定域中的运动轨迹可依助DPS图形化地显示，还可给出改善安全稳定性的建议和策略；,经济运行策略制定和实行DPS可给出在满足安全稳定约束条件下、在市场化运行规则指导下的全系统的经济运行策略；,最适解列方案实施；,紧急控制的措施；,2、数字电力系统能做什么,最速恢复策略制定；,科学研究、系统规划设计；,整体模型高维、非线性、动态（DAE）；,整体稳定性测度论研究稳定域的拓扑结构、稳定域边界及其影响因素；,稳定性在线实时评价方法体系对高维DAE模型采取降阶或简约化的方法；,巨大的软件工程；,区域性紧急暂稳控制；,3、需要做那些研究,结合你所学专业或所选课题就某一具体问题做深入学习与文献综述；,专题报告的要求,成果可以是课件形式或文档形式；,内容要求包括原理与方法介绍、前人所做的主要工作、目前还存在的主要问题、未来的发展方向、具体的算例或应用实例；,字数不限；,用直流法进行电力系统静态安全分析,,,1、直流潮流法,,,,在直流法潮流中，采用如下假定,,,于是上式可以写成,,,若用节点导纳矩阵中的互电导Bij表示，则,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、线路断开时，进行电力系统元件过载情况分析,在静态安全分析中，有时需要校验断开某一k－m支路（即节点k和m之间的支路）的有功功率潮流变化。显然，这时在B′中Bkm和Bmk两个非对角线元素以及Bkk和Bmm两个对角线元素发生变化。新的B′矩阵为,,式中bkm断开支路（k-m支路）的串联电抗倒数的负值，M第k个元素为1，第m个元素为－1，其余元素均为零时的行向量。根据矩阵的反演公式可得,,,,,,,,,这样，就可在断开线路后不重新形成B′矩阵而算出各母线的电压相位角为,式中θo未断开k－m支路时，原始的节点电压相位角。,式中θo未断开k－m支路时，原始的节点电压相位角。,,,,,,,,3、举例说明用直流法进行电力系统静态安全分析的步骤,例如图2所示电力系统接线图，取母线2为平衡节点。图上示出各支路的电抗（标么值）和各节点负荷（标么值）。支路4－5的极限负荷为2，试用直流法计算支路4－3断开后，支路4－5的过载情况。,,,,,,,,,,解有功功率潮流方程为,,,,,,,,,,,,所以正常通过支路4－5的有功功率为,,,,,,,,电力工程系,DepartmentofElectricalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,