论文总字数：25501字

摘 要

16011001 陈倩

指导教师 汤奕

随着特高压交直流电网建设的逐步推进，城市负荷逐年增长，电网容量迅速增加，网架结构日趋紧密，短路电流逐步上升。当电网安全运行约束条件或者负荷约束条件遭到破坏而进入传统意义下的紧急状态时，电力系统已有紧急控制措施会根据故障集进行动作，以维持系统安全稳定运行；而当电网发生故障集之外的突发情况（如间歇性能源发电剧烈波动、负荷高位/低位快速攀升/下降等）时，如何在这种“紧急状态”下对电网进行合理分区分片、提高电网安全稳定裕度、控制短路电流上升，保证重要负荷的供电可靠性成为大容量落点电网发展所面临的重要问题。

进行动态分区课题研究，必须要解决三个关键问题：1）何谓动态分区技术；2）如何综合评价分区方案；3）何时启动动态分区方案。首先，动态分区技术是本课题提出的一个新概念，本文认为紧急状态下通过改变电网的网络架构，改善电网整体运行状态的控制技术即可称为动态分区技术。目前已有的动态分区技术包括负荷转供、电磁环网的开合环以及故障限流器的配置，本文重点研究前两种分区技术，并通过实际电网算例进行分区有效性的验证。其次，动态分区是一个全局性的问题，对系统安全稳定、短路电流、供电可靠性等各个方面均产生一定的影响。现有的运行规划分区方法，过多依赖于专家经验，难以统筹考虑不同分区方案对系统的综合影响，难以形成面向多目标要求的最优方案。本文在阅读大量有关电网运行规划评价指标的文献后，提出一套涵盖电网安全性、可靠性的分区方案综合评价指标体系。最后，本文根据分区电网运行状态的紧急程度，将安全性指标中的电压指标作为启动分区方案的执行判据，通过指标值的裕度，判断是否需要采取分区措施。

关键词：紧急状态；启动判据；动态分区技术；综合评价体系

Abstract

Abstract： With the gradual development of UHV AC/DC power grid construction, urban load grows year by year, the capacity of city power grid increases rapidly, power network structure becomes increasingly close, and short circuit current rises step by step. Once the constraints of safe operation of power grid or load are damaged and into the traditional meaning of emergency state, the exiting emergency control will act to keep the system safe and stable, according to fault set. However, if an unpredictable case which is not contained in the fault set happens, such as dramatic power fluctuation of intermittent energy, rapid ramping or dropping during peak or valley load periods, etc. Under that kind of "emergency", how to reasonably realize grid operation by level and district, improve the margin of power grid security and stability, control the rising short circuit current, and guarantee the power supply reliability of important load has become an important issue faced by the large capacity placement grid development.

To carry on dynamic partition research, three key problems must be solved: 1) what is dynamic partition technology; 2) how to comprehensively evaluate partition scheme; 3) when to start the dynamic partition scheme.

First, dynamic partition technology is a new concept put forward in this topic. It argues that control technology which can improve the overall power grid operation state under emergency by changing the network architecture of grid can be called dynamic partition technology, including load transfer, opening and closing of electromagnetic loop network, and the configuration of fault current limiter. This paper focuses on the first two kinds of partition technology, and verify the effectiveness through the actual power grid cases.

Second, dynamic partition is a global problem, which has an impact on the system security and stability, short circuit current, power supply reliability and so on. Relying much on the expert experience, it is difficult for the operator to plan as a whole to consider different partition scheme on the system of comprehensive influence, and to form the optimal solution for multiple objective requirements. After reading a lot of related papers, an index system to evaluate partition scheme in operating and planning of power grid is established by considering the power system security and reliability.

Last but not least, this paper regards the voltage index as the executive criterion to determine whether need to adopt measures to start partition scheme through the margin index.

Key words: state of emergency; executive criterion; dynamic partition technology; comprehensive evaluation system

绪论

1.1 课题背景与意义

安全稳定是电力系统运行的首要保证，而这一保证的前提就是电网结构和负荷分配的合理性。区域电网互联、特高压交直流系统的迅速发展以及远距离大容量输电格局的基本形成都大大加强了大电网间的电气联系。这种全局性、一体化的电力格局的发展将导致电网稳定特性更为复杂，加剧区域电网之间动态交互影响。以江苏电网为例，根据国网公司特高压建设规划，江苏建成“一交两直”特高压电网后，将成为典型交直流混联受端电网。江苏电网特高压交直流主要落点为负荷较重的苏南地区（如图1-1所示），具有落点集中、输入功率大、区域交直流相互影响复杂的特点，对电网无功电压控制、潮流分布、短路电流限制等提出了挑战。

图1-1 江苏电网特高压交直流混联系统示意图

在这一背景下，电网紧急情况甚至故障情况下能否快速控制负荷、利用原有线路对分区供电网络进行合理重组，进而控制相关元件的潮流、提高分区无功电压支撑作用是决定电网保持安全稳定运行的关键。对于已实现了分层分区运行的电网来说，动态分区技术无疑是针对电网运行进行预防控制的有效手段，也是针对处于紧急状态下的电网进行紧急控制的有效手段。此外，《国务院第599号令电力安全事故应急处置和调查处理条例》（下简称《599号令》）对电力系统发生不同程度事故情况下不同区域电网切负荷比例进行了明确的规定（如表1-1所示），合理应用电网动态分区技术能积极响应《599号令》，在最大程度上降低减供负荷比例，保证供电可靠性。

表1-1 事故类型与切负荷比例一览表

电网动态分区是一个综合性问题，需要对电网全局（包括安全稳定、短路电流以及供电可靠性等方面）有一个整体把握。随着电网规模的不断增大，对动态分区的需求越来越高，可选择的分区方案也越来越多。如何拟定并权衡各种分区指标、确定分区方案以及制定紧急状态启动判据都是本课题研究的重点内容。

1.2 课题研究现状

1.2.1 电网评价指标体系调研

研究人员为了更好地判断电网运行状态，在电网运行评价指标方面进行了大量研究。通过调研发现，关于电网运行的评价指标主要集中在安全性、经济性和可靠性这三方面^[1-4]。文献[1,4]提出主变压器负载率、电网电压合格率、短路电流指标（计算三相短路电流）、暂态安全稳定指标（包括电压、频率、功角稳定性）、N-1约束指标等安全性评价指标；文献[2]提出系统网损、容载比、单位投资供电量等经济性评价指标；文献[3]提出电网充裕性、系统平均停电频率等可靠性评价指标。针对评价体系中的每一个分指标也有很多不同的表示方法，研究人员对此也展开了深入研究。以电压评价指标为例，该指标主要有基于静态电压分析方法的指标和基于动态电压分析法的指标。其中，基于静态电压分析方法的评价指标主要有灵敏度指标、奇异值/特征值指标、临近电压崩溃指标、基于戴维南等值的指标、裕度指标等^[5]；动态电压分析指标主要有基于小扰动分析法的指标、基于能量函数法的指标和基于时域仿真法的指标^[6]。

对电网运行进行综合评价需要将多个指标进行综合考虑，这时便需要确定各个分指标的权重。目前，在综合指标权重确定方面的研究已经比较成熟，本课题根据确定权重时原始数据来源的不同，将赋权方法分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法这三种，其中主观赋权法的原始数据来自于专家学者的经验（如专家咨询法、层次分析法）；客观赋权法的原始数据来自于指标的实际数据（如熵权法、逼近理想点法、多目标优化法以及变异系数法等）；组合赋权法是结合主、客观赋权法的优势进行权重确定的兼顾考虑了各分区指标重要性的主观因素和决策的客观因素，得到更为科学的权重值^[7]。

1.2.2 动态分区技术研究

目前，已有的动态分区技术包括电磁环网解合环操作、负荷转供、故障限流器操作，具体研究如下：

（1）电磁环网开合环操作

稳定性破坏问题、短路电流超标问题、潮流控制困难等都是电磁环网合环运行时可能带来的主要问题^[8-10]。研究人员针对上述在电网建设发展过程中因电磁环网现象而导致的问题，在开环运行条件和控制等方面进行了相关的研究：①总结单级电磁环网和多级电磁环网中开环研究的一般步骤^[11-13]；②在已有的解合环在线操作研究基础上，引入PMU量测数据进行分区电网解合环操作^[14]；③建立模糊综合评价模型对电磁环网开环方案进行评价^[15]；④针对弱电磁环网运行控制可能面临的问题提出相应的控制对策^[16]。其中，文献[11,13]分别针对河南电网和广西电网进行单级电磁环网解环研究；文献[12] 则针对因特高压建设初期而形成的三级电磁环网进行了具体的分析与研究。

（2）负荷转供

负荷转移的研究集中在转移负荷的分配、转移方向等问题上，主要包括：①针对各种设备（如主变、线路）故障、过载或N-1检修等情况提出负荷转供方案^[17-20]；②电网负荷转移的多目标优化问题求解^[21-23]。其中，文献[17-18]针对主变故障或者N-1故障情况，分别提出负荷转供方案；文献[20]针对220kV故障情况下减负荷全站失电情况，提出负荷转供方案；文献[21]采用粒子群优化算法对负荷转供中的多目标优化问题进行迭代求解；文献[22]采用局部最小树搜索方法寻找重载或故障情况下负荷转供的最优方案；文献[23]基于模糊集技术选择最优的停电恢复方案。

（3）故障限流器操作

有文献提到利用故障限流器（fault current limiter, FCL）实现电网的动态分区主要指的是整个电网正常运行时出现故障的情况下，电网自动分裂，以防止故障的进一步扩散。现阶段对FCL在分区方面的研究主要集中在利用FCL减小短路电流^[24]，FCL最优配置问题方面^[25]，文献[26]提到利用FCL提高直流多馈入受端系统运行特性^[26]，但在FCL对电网稳定性影响以及对FCL的经济性评价方面的研究还比较欠缺^[27]。其中，文献[24]指出FCL的使用从某种程度上来说，解决了抑制短路电流上升与保证电网可靠性这两者间的矛盾；文献[25]基于PSO算法对湖南电网中的FCL进行了优化配置；文献[26] 指出通过FCL可以有效减小直流换相失败时间，缓解由此导致的交流系统功率不平衡以及潮流转移问题。

1.3 相关研究存在的不足

目前关于本课题相关领域的研究还存在一些缺陷。传统意义下的紧急状态指当电网安全运行约束条件或者负荷约束条件遭到破坏，此时电力系统已有紧急控制措施会根据故障集进行动作，以维持系统安全稳定运行；而当电网发生故障集之外的突发情况时（如间歇性能源发电剧烈波动、负荷低或高位快速下降或上升等），虽没有达到要启动紧急控制措施的程度，但对电网运行已造成比较紧急的状况，如何解决这类紧急状况下电网出现的问题还有待研究。

在分区方案的评价指标方面，缺乏合理、系统的、可量化的评价体系，往往是只重点关注局部指标，研究分区方案，再校核对其他指标的影响，缺乏兼顾多评价指标的分区技术评估体系。

在分区技术方面的研究还比较零散，工程中多针对单一问题，利用负荷转供、电磁环网开合环等手段来解决相关问题，并没有系统的给出动态分区技术的定义。因此，有必要系统分析当电网发生故障集之外的突发情况时电网动态分区技术。

在分区方案启动判据方面，需要根据系统所处的严重状况，判断是否需要采取分区方案，而目前相关研究还比较缺乏。

总之，关于电网紧急状态下动态分区技术的研究还处于起步阶段，有必要系统分析电网动态分区优化技术，提高电网供电可靠性、安全性，减少负荷损失风险。

1.4 本文主要研究工作

本文针对电网紧急状态下的动态分区技术开展了相关研究，具体如下：

（1）对传统紧急状态进行归纳总结，提出本课题研究的“紧急状态”定义；

（2）研究不同分区方案措施对短路电流、安全性和可靠性等因素的影响，提出适用于不同分区方案的量化评价指标以及综合评价体系；

（3）给出本课题对“动态分区”的定义，集中研究包括负荷转供、电磁环网开合环在内的动态分区技术，并通过实际电网进行分区技术有效性的算例验证；

（4）研究电网紧急状态下动态分区启动判据，通过实际电网进行算例分析。

电网紧急状态定义

2.1 电网运行状态分类

目前，对电网的运行状态没有严格统一的划分与定义，有学者将电网运行状态分为三大类，如安全状态、紧急状态和恢复状态^[28]，再如安全状态、不安全状态和故障状态^[29]；也有学者将电网运行状态细分为五大类，如分别为正常状态、警戒状态、紧急状态、分解状态和恢复状态^[30]。表2-1给出了不同学者对电网运行状态的分类与定义。

表2-1 电网运行状态定义一览表

通过对电网运行状态的分类，可以使我们比较清晰地了解电网运行的概念并能深入理解在各种情况下的运行控制特点，为下文研究系统的紧急状态提供理论基础。图2-1展示了电网运行状态的过渡过程，该图比较详细地列出了电网中的各种状态，并且对每一种状态都进行了一定的总结。

图2-1 电网运行状态的过渡

2.2 传统紧急状态定义

本文在阅读相关文献的基础上，对传统紧急状态的定义进行了总结：当电力系统处于正常运行或警戒状态时，一旦再受到一个足够大的扰动（例如短路故障等），系统中某些不等式的安全运行约束条件或者负荷约束条件将遭到破坏（这里的安全约束条件一般是指节点电压、节点相角、支路潮流不超过电网规定的上限或下限值），系统则有可能进入紧急状态^{[28, 30]}。

有学者进一步将紧急状态又分为稳定危机和大停电危机，其中稳定危机是指一个动态过渡过程，时间很短，从故障开始最多只能持续几秒时间，在这一危机中，系统面临失步，整体性处在危机中，稳定控制需要在很短的时间内快速作用，保持系统的同步运行；大停电危机指在电力系统发生严重故障时，经过了稳定危机，虽然能在一个新的平衡点稳定下来，但不能满足正常运行条件，即发电系统，输电系统，负荷间功率不平衡，安全约束条件被破坏，这一危机的持续时间最多只有几秒到几分钟，若不及时控制，则电力系统的整体性就会被破坏^[30]。也有学者将紧急状态分为静态紧急状态和动态紧急状态，在包括某些设备过载或某些电压越限等情况在内的静态紧急状态下，系统虽然违反不等式约束条件但仍保持其稳定性；而在系统出现频率越限、发电机转子间角度分开等动态紧急状态下，系统将失去稳定^[31]。

总之，当电网进入传统定义下的紧急状态时，电网运行虽然已不存在安全裕度，但此时仍保持整体性，必须立即投入紧急状态控制，使系统恢复到正常状态。

图2-2电力系统运行状态转换及控制措施关系图^[32]

图2-2对电网主要状态之间的转换关系进行了简单明了的总结。从图中可以看出，一旦电网由正常状态或者警戒状态进入紧急状态，却没有及时采取紧急控制措施或者控制措施不起作用时，可能造成电力系统中出现停机、局部电压或系统频率越限等现象，部分负荷严重超出其额定值而中断供电，还可能引发电网连锁反应停电，甚至造成系统崩溃。针对这种很难保证系统同步运行和完整性的极端严重故障，这时应有计划和控制的进行系统解列、切机切负荷以及断开线路，尽可能多的将系统从大范围停电中恢复出来，保证系统的电压和频率在正常运行范围内

2.3 本课题中紧急状态定义

本课题中研究的电网紧急状态和传统意义上的紧急状态有所区别，传统的电网紧急状态主要指各种运行约束条件被打破后电网进入不稳定的状态，而本课题研究的动态分区技术主要针对电网受到内外部扰动后，由于自身的脆弱性，进入非正常运行状态，这种状态未必一定会出现约束条件越限的情况，当运行约束留有的裕度小于某一设定值时，也可以认为电网进入紧急状态。从理论上讲，电网处于何种运行状态取决于多种因素，除了电网自身的网架结构与电气参数外，各类注入和汲出电网的源流量以及电网中各种扰动都会影响电网的运行状态^[33]。本文分别考虑电源侧和负荷侧超常变化时可能导致电网进入紧急状态的因素（如风电等间歇性新能源功率剧烈波动、重载情况下出现负荷突变等方面），并对由以上因素导致的电网紧急状态典型情景进行具体分析。

2.3.1 电源侧超常变化引起的紧急状态

电源侧可能导致电网进入异常运行状态的因素主要体现在电源有功/无功容量、响应支撑能力不足和间歇性电源功率的超常剧烈波动两方面^[33]。

（1）电源有功/无功响应支撑能力不足

当电网中负荷水平较高而系统频率偏低或者负荷水平较低而系统频率偏高时，若电源侧有功调节能力偏弱，即电源侧的有功容量、响应支撑能力不足/过剩，此时的电力系统较脆弱，稍有扰动，便可能引起电网故障。同理，当电网中负荷水平较高而节点电压偏低或者负荷水平较低而节点电压偏高时，若电源侧无功调节能力偏弱，即电源侧的无功容量、响应支撑能力不足/过剩，此时的电力系统也比较脆弱，稍有扰动，便可能引起局部电压崩溃甚至电网大规模故障。

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