第一章  緒論 

1.1 引言 
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟的命脈。電能作為能源的一種重要形式，經(jīng)過百余年發(fā)展，已滲透到人類社會的方方面面，對人類社會的生產(chǎn)和生活方式帶來了根本性的變革，已成為人類社會發(fā)展不可或缺的能源形式。充裕的電能供應(yīng)是保證國家經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和穩(wěn)定的重要基石。而作為電能生產(chǎn)和消費的載體，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行是保證電能持續(xù)穩(wěn)定供給的基礎(chǔ)，一旦電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定，不僅會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失、也會帶來嚴(yán)重的社會影響。因此，開展電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性研究和工程實踐，提高電網(wǎng)抵御事故風(fēng)險的能力，一直以來是國內(nèi)外電力工業(yè)運行、研究人員關(guān)注的重點。 隨著我國經(jīng)濟在過去 30 多年的快速增長，中國在成為世界第二大經(jīng)濟體的同時，電力工業(yè)也已進入了快速發(fā)展期，其裝機總?cè)萘亢桶l(fā)電總量不斷刷新。根據(jù)世界能源數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：截至 2013 年，我國發(fā)電總量已從 2003年的 1910.58TWh 增長到 2013 年的 5361.62TWh，10 年間發(fā)電總量增長了近 3倍，已超越美國和歐盟，躍居全球發(fā)電總量的首位[1]。 電源建設(shè)方面，隨著“上大壓小”政策的實施，單機容量 300MW 及以上的火電機組也成為我國新近入網(wǎng)火電機組的主力機型。隨著高效率、大容量的“超臨界”和“超超臨界”發(fā)電技術(shù)不斷成熟，具有更低煤耗和更高能效，單機容量在 1000MW、1100MW 甚至更高容量的火電機組已成為當(dāng)前投產(chǎn)和在建電廠的主流機型。截至 2014 年底，全國火電裝機容量已達 9.2 億千瓦，設(shè)備年平均利用小時約 4706 小時。水電方面，隨著金沙江流域的龍盤、兩家人、梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩�、觀音巖、向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德水電站和瀾滄江流域的烏弄龍、里底、大華僑、苗尾、功果橋、洛扎渡水電站的建成和投產(chǎn)，我國水電機組單機容量已從三峽電廠的 700MW 提升到向家壩電廠的 800MW，位居世界第一。截至到 2014 年底，全國水電裝機容量已達到 3.0 億千瓦，水電機組年平均利用小時約 3653 小時，同比增加 293 小時。核電方面，除已建成投入商業(yè)運行的秦山、大亞灣、田灣、嶺澳、寧德一、二號機、紅沿河一期等的 20 臺核電機組外，目前在建的核電機組共有 28 臺，約占世界在建規(guī)模的 40%以上。
.........

1.2 廣域量測系統(tǒng) 
廣域量測系統(tǒng)(Wide Area Measurement System, WAMS)是以同步相量測量單元(Phasor  Measurement  Unit，PMU)為基本采集單元，通過專用通信網(wǎng)絡(luò)，將電力系統(tǒng)中節(jié)點和線路運行狀態(tài)的實時量測信息傳輸?shù)诫娋W(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心(Phasor Data  Concentrator,  PDC)，再經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)分析算法，提取出可反映電網(wǎng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵信息，用于制定相應(yīng)的廣域控制策略，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、狀態(tài)估計、廣域控制及其他高級應(yīng)用功能。 廣域量測系統(tǒng)的基本架構(gòu)示于圖 1-1，PMU 是 WAMS 系統(tǒng)的核心部件，它利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(如“北斗”系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(Global  Positioning  System，GPS)、“伽利略”系統(tǒng)和“格洛納斯”系統(tǒng)等)對電網(wǎng)進行同步授時，將電網(wǎng)中的各種量測信息打上統(tǒng)一時標(biāo)。以便在同一時間斷面上對比和分析系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，提取出反映電網(wǎng)運行異常的關(guān)鍵信息，為后續(xù)電網(wǎng)的運行和控制提供決策依據(jù)。早在 1893 年，Charles  P.  Steinmetz  在文獻[13]就提出了采用相量信息監(jiān)測電網(wǎng)運行的構(gòu)想；直到 1988 年，Virginia Tech 的 Arun G. Phadke 和 James S. Thorp 兩位學(xué)者才開發(fā)了 PMU 的原型機[14]；而真正實現(xiàn)商業(yè)化的，則是 1992年由 Macrodyne 公司開發(fā)的型號為 Model  1690 的 PMU 裝置[15]。其后為配合PMU 裝置的推廣應(yīng)用，IEEE 于 1995 年發(fā)布了 PMU 裝置的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并于 2005 年對該標(biāo)準(zhǔn)進一步做了完善。 
............

第二章  基于廣域量測信息的跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)熱穩(wěn)定安全域構(gòu)建 

2.1 引言 

隨著電力工業(yè)快速發(fā)展和受端系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，特別是用電負(fù)荷迅猛增長和用電負(fù)荷占比的逐步增加，在受端系統(tǒng)電源建設(shè)不足情況下，大量電能需遠(yuǎn)距離輸送，迫使受端系統(tǒng)對區(qū)域外電力依賴度不斷增加，區(qū)域間斷面輸電功率日益接近其傳輸極限，將直接威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[5],[25],[244],[245]。此外，受環(huán)境和建設(shè)成本等因素制約，區(qū)域間輸電走廊建設(shè)面臨多重不確定性，區(qū)域間斷面常運行在重載工況下，這些因素導(dǎo)致世界范圍內(nèi)因關(guān)鍵斷面支路過載引發(fā)的電網(wǎng)連鎖事故頻頻發(fā)生，已造成了巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會影響，區(qū)域間聯(lián)絡(luò)斷面的安全穩(wěn)定問題越來越受到業(yè)界重視[6],[11],[245],[247]，而“N-1”準(zhǔn)則下斷面支路的熱穩(wěn)定性作為斷面安全穩(wěn)定校驗的基本要求，尤其受區(qū)域調(diào)度控制中心的運行和調(diào)度人員所關(guān)注[248]-[[249]。 目前，“N-1”準(zhǔn)則下斷面支路的熱穩(wěn)定校驗完全基于“極限計算”模式，極限計算模式簡單易用，已在電網(wǎng)的運行和規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用。但隨著電網(wǎng)的發(fā)展，極限模式也暴露出越來越多的局限性，集中體現(xiàn)在兩個方面：①在極限之下，系統(tǒng)也可能是不安全的；②極限本身隨不同的運行方式變化較大而難以確定，某一個固定的極限值難以確保電網(wǎng)的全面安全。隨著電網(wǎng)規(guī)模擴大，新能源大規(guī)模接入，影響斷面潮流因素已經(jīng)越來越多，呈現(xiàn)出明顯的多維特性，僅僅采用過去簡單的一維極限方法來控制電網(wǎng)的運行，已經(jīng)不能滿足大電網(wǎng)安全運行和精細(xì)化管理的要求，亟需發(fā)展新的技術(shù)手段來解決該問題，而多維空間安全域的方法就是一種最理想和最實用的新技術(shù)解決方案[249]。 

.........

2.2 “N-1”準(zhǔn)則下的斷面熱穩(wěn)定安全域 
對于實際電網(wǎng)而言，其支路數(shù)成百上千即 f 取值遠(yuǎn)大于 3，若以各條支路有功功率為研究對象，向量 D 中元素選取為坐標(biāo)軸，所構(gòu)建的熱穩(wěn)定安全域必將具有很高維度。如何將如此高維的安全域從概念推向?qū)嵱没�，面臨兩大主要難題：如何可視化，即從人類視角出發(fā)，提供安全域二維或三維映像；邊界如何求解，高維空間中安全域邊界拓?fù)湫再|(zhì)復(fù)雜且難以計算，一直是制約高維空間安全域應(yīng)用的主要障礙。 目前在實際電網(wǎng)中構(gòu)建電力系統(tǒng)安全域的一般思路為：針對實際系統(tǒng)所面臨的主要問題，在盡量保留系統(tǒng)關(guān)鍵信息前提下，將高維空間的安全域化簡到二維或三維空間以便于運行人員使用。本章也采用這一實現(xiàn)思路，為此將以區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度控制中心運行人員最為關(guān)心的送/受電斷面為研究對象，選擇該斷面的有功功率及對其有關(guān)鍵影響的電廠(或區(qū)域)有功出力，作為監(jiān)控參量來構(gòu)建相應(yīng)的熱穩(wěn)定安全域，其中：送/受電斷面直接由電網(wǎng)調(diào)度控制中心提供，關(guān)鍵性電廠(或區(qū)域)則由電網(wǎng)運行經(jīng)驗和利用功率傳輸轉(zhuǎn)移分布因子(Power  Transfer Distribution Factor，PTDF)分析確定。 
..........

第三章  基于廣域量測信息的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)控 .... 61 
3.1  引言.... 61 
3.2  廣域電壓穩(wěn)定指標(biāo)....... 62 
3.3  動態(tài)電壓穩(wěn)定關(guān)鍵注入?yún)^(qū)域識別.......... 63
3.4  基于廣域量測電壓穩(wěn)定指標(biāo)的廣域電壓穩(wěn)定控制......... 82
3.5  本章小結(jié)..... 95 
第四章  基于廣域量測信息的電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定在線監(jiān)測 .... 97 
4.1  引言.... 97 
4.2  基于廣域量測信息的電力系統(tǒng)狀態(tài)空間模型........ 99 
4.3  隨機子空間理論......... 100 
4.4  模型定階............ 109
4.5  基于模式匹配追蹤的大電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定在線監(jiān)測........... 110
4.6  基于隨機子空間和聚類分析的大電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定在線監(jiān)測.... 122
4.7  基于隨機子空間和逐步聚類的大電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定在線監(jiān)測.... 132
4.8  本章總結(jié)............ 145 
第五章  基于廣域量測信息的電力系統(tǒng)同調(diào)模式在線辨識 ........... 146 
5.1  引言........... 146 
5.2  投影尋蹤的基本原理.......... 147 
5.3  基于投影尋蹤的同調(diào)機群識別............ 148
5.4  算例分析............ 151 

第六章  廣域量測時滯對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定影響研究

6.1 引言 

隨著大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的日益擴大，小擾動穩(wěn)定問題已成為限制互聯(lián)系統(tǒng)輸電能力，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一[25],[201]。而電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性與系統(tǒng)運行狀態(tài)緊密相關(guān)，參數(shù)空間中，電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定域(Small  Signal  Stability  Region，SSSR)整體描述了系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定的運行區(qū)域。根據(jù)系統(tǒng)運行點與其邊界的相對位置可向調(diào)度、運行人員提供豐富的安全裕度和最優(yōu)控制信息，為電力系統(tǒng)在線實時安全監(jiān)視、防御及控制提供更加科學(xué)和有效的依據(jù)，因此，研究電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定域具有十分重要的現(xiàn)實意義[34],[159],[309]。 目前，小擾動穩(wěn)定域的研究多集中于負(fù)荷水平、勵磁調(diào)節(jié)器增益、勵磁飽和等對系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定域的影響，較少考慮量測時滯對系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定域的影響[34],[309],[310]。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展、廣域控制大規(guī)模應(yīng)用，電力系統(tǒng)量測時滯顯著增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來巨大風(fēng)險。文獻[237]和[314]的研究結(jié)果表明，時滯對電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定域邊界及構(gòu)成影響極為顯著。為計算時滯系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定域，文獻[241]基于 Rekasius 變換和 Routh 判據(jù)，在(-?,+?)空間中搜索時滯系統(tǒng)的關(guān)鍵特征值，確定系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定域，計算量較大；文獻[242]基于復(fù)矩陣變換，通過在有限范圍內(nèi)追蹤復(fù)矩陣的關(guān)鍵特征譜，確定系統(tǒng)的時滯穩(wěn)定域，但其參數(shù)的搜索范圍較小；文獻[243]構(gòu)建 Lyapunov泛函，通過解線性矩陣不等式(Linear  Matrix  Inequalities，LMI)求解系統(tǒng)的時滯穩(wěn)定域，但 LMI 方法的計算結(jié)果偏保守，且計算耗時隨系統(tǒng)規(guī)模的增大而急劇增加，難以在復(fù)雜系統(tǒng)中應(yīng)用。  上述方法大都只適用于系統(tǒng)的小時滯環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)的量測時滯較大，且在一定范圍內(nèi)隨機波動時，需在[0,+?)時滯空間中搜索系統(tǒng)的時滯穩(wěn)定臨界點，因而計算量大、耗時長，要確定其小擾動穩(wěn)定域并非易事。此外，相對于求取時滯系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定域而言，研究人員更為關(guān)注的是其穩(wěn)定域邊界的拓?fù)湫再|(zhì)，而已有的研究結(jié)果大多基于系統(tǒng)的小時滯環(huán)節(jié)，難以推廣到系統(tǒng)在大范圍時滯區(qū)域中小擾動穩(wěn)定域邊界的拓?fù)湫再|(zhì)研究中。

...........

結(jié)論

隨著 PMU 裝置在電力系統(tǒng)中大規(guī)模配置，WAMS 在電力系統(tǒng)中不斷完善和構(gòu)建，借助廣域量測信息實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時穩(wěn)定分析與控制，提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，已成為智能輸電網(wǎng)的一個重要研究方向。本文以廣域量測環(huán)境下的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制為研究重點，開展相關(guān)研究。圍繞電力系統(tǒng)的廣域量測信息，提出了相應(yīng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定在線分析方法和控制策略，主要工作內(nèi)容和結(jié)論如下： 第一， 深入研究了廣域量測環(huán)境下的電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定安全域邊界近似和構(gòu)建方法，提出了基于超平面的安全域邊界近似模型和基于斷面相位差的電力系統(tǒng)廣域熱穩(wěn)定安全域，并將其成功應(yīng)用于南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定在線監(jiān)控中。 
1)  基于多元非線性回歸理論探究滿足跨區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷面支路“N-1”熱穩(wěn)定約束下的熱穩(wěn)定安全域邊界近似算法。構(gòu)建多種電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定安全域邊界近似模型，引入模型擬合優(yōu)度、總體顯著性水平、變量顯著性水平以及參數(shù)置信區(qū)間的對所構(gòu)模型進行全面、綜合地評估，判定所提模型的可靠程度，確定合理的安全域邊界近似模型。與實際區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)相結(jié)合，通過大量計算結(jié)果對所提模型驗證、評估，確定了基于超平面的廣域熱穩(wěn)定安全域邊界近似方法可綜合、全面反映安全域的邊界特性；在此基礎(chǔ)上提出并驗證了電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定安全域邊界近似的快速算法及多支路熱穩(wěn)定約束下的電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定安全域邊界近似算法；將所提方法應(yīng)用到中國南方電網(wǎng)，構(gòu)建了滿足南方電網(wǎng)跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷面“N-1”約束的廣域熱穩(wěn)定安全域。 
2)  推導(dǎo)并定義斷面導(dǎo)納和斷面相位差；將斷面導(dǎo)納及斷面相位差拓展到大規(guī)�；ヂ�(lián)電力系統(tǒng)中；給出在斷面相位差空間中計及斷面支路“N-1”熱穩(wěn)定約束的熱穩(wěn)定域的相關(guān)概念及定義，并通過數(shù)學(xué)表達式描述了斷面有功功率與斷面相位差在不同參數(shù)空間中的映射關(guān)系；拓展了廣域安全域在廣域量測環(huán)境中的應(yīng)用。最后將所提方法應(yīng)用到南方電網(wǎng)，在斷面相位差空間中，構(gòu)建了滿足南方電網(wǎng)西電東送通道“N-1”約束的熱穩(wěn)定廣域安全域。  
.........
參考文獻(略)

本文編號：83091