基于pws的电力系统电压稳定性研究大学学位论文.docx
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基于pws的电力系统电压稳定性研究大学学位论文
基于PWS的电力系统电压稳定性研究
XX
（陕西理工学院电气工程学院电气工程及其自动化专业093班，陕西汉中723003）
指导老师：
XX
【摘要】：
了解可视化电力系统设计的基本思想及发展情况以及电压稳定的基本原理，介绍了PowerworldSimulator的基本功能和使用方法，以区域电网的简化模型为例,搭建可视化电网模型，实现单机版的可视化电力系统设计；根据区域电网的模型完成了系统参数的设置，并且对电网各节点的电压稳定性进行可视化的运行分析。
通过区域电网实例的分析及运行，验证了该软件的合理性与有效性。
【关键字】：
PowerWorldSimulator、建模、仿真、可视化、电压稳定
PWS-basedpowersystemvoltagestability
WuDong
（Grade09,class3,ElectricalEngineeringandAutomation,SchoolofElectricalEngineering,ShaanxiuniversityoftechnologyHanzhong723003Shaanxi）
Tutor:
LiAng
[abstracts]:
UnderstandthebasicideaofvisualizationofPowersystemdesignanddevelopmentandthebasicprincipleofvoltagestability,thispaperintroducesthePowerWorldSimulator,thebasicfunctionoftheSimulatorandtheusingmethod,simplifiedmodelinRegionalPowergridasanexample,tobuildvisualizationgridmodel,realizethestand-aloneversionofvisualizationofPowersystemdesign;AccordingtotheRegionalpowergridmodeltocompletethesystemparametersetting,andeachnodevoltagestabilityofpowergridsforvisualanalysisoftheoperation.ThroughtheanalysisofRegionalpowergridinstanceandoperation,verifytherationalityandvalidityofthissoftware.
[Keyword]:
PowerWorldSimulator,acomputercalculationofthetrend,visualization,voltagestabilization
目录
第一章绪论1
1.1电压稳定性研究的意义和背景1
1.2国内外研究状况1
第二章电压稳定的理论基础3
2.1电压稳定的概念3
2.2电压稳定的分类3
2.3电压失稳的机理研究4
第三章电压稳定的静态分析6
3.1电压稳定的静态分析的基本原理6
3.2P-V曲线的介绍6
3.3V-Q曲线介绍9
第四章PowerWorldSimulator介绍11
4.1PowerWorld软件介绍11
4.2电力系统的建模12
4.2.1电力系统单线图12
4.2.2仿真环境和参数设置15
4.3软件主要功能模块16
4.3.1潮流计算（PowerFlow）16
4.3.2故障分析（FaultAnalysis）18
4.3.3电压稳定性分析（VoltageStability）19
4.3.4最优潮流（OPF/SCOPF）19
4.3.5事故分析（ContingencyAnalysis）20
4.3.6线性分析（LinearAnalysis）20
4.3.7可用传输容量分析（ATC）21
第五章汉中电网的建模与运行分析22
5.1汉中电网的建模过程22
5.2电网的运行与分析22
5.3最大与最小运行方式22
5.4各节点电压稳定性分析26
第六章提高电力系统电压稳定性的措施29
6.1提高电力系统电压稳定的必要性29
6.2电压波动和电压管理29
6.2.1电压波动29
6.2.2电压管理29
6.3提高电压稳定性措施的分类30
6.3.1规划设计阶段的措施30
6.3.2调度运行阶段的措施30
6.3.3实时控制方面的措施31
6.4提高电压稳定性的措施31
6.4.1采用自动调节励磁装置32
6.4.2降低系统电抗32
6.4.3系统运行方面的措施33
参考文献36
中文翻译40
第一章绪论
1.1电压稳定性研究的意义和背景
电力系统是一个复杂的包含很多电气和机电设备的大规模非线性系统，而电力系统稳定性分析作为电力运行和规划当中非常重要的一环，一直受到学界的广泛关注。
作为电压稳定性研究的两个方面，电力系统的功角稳定和电压稳定则是研究重点中的重点。
一直以来功角稳定受到学者们的广泛关注，随着计算机技术和更先进的控制技术的运用，功角稳定的研究取得了不少有价值的成果。
但是受到条件和技术水平的限制，作为电力系统稳定的另一个方面，电压稳定的却发展却停滞不前，直到上个世纪七十年代末期才受到电力学界的广泛关注。
近几十年来不断发生地区、甚至国家的电网电压失稳事故，带来了巨大的经济损失。
1972年7月27日湖北电网，1973年7月12日大连电网，1987年6月张家口电网等，这些都是我国近几十年来发生的停电事故，虽然停电范围不大，影响较小，但对于正步入大电网，超高压，大机组，远距离的我国电力系统提供了宝贵的经验。
全国联网后，我国电力系统已经跻身于世界最大的系统之一，面临的稳定性问题将更复杂，波及面将更广，由此产生的后果也将更严重。
但电力建设普遍落后于经济发展水平，并且此情况在短期内得不到有效的改变，这迫使电力系统常常运行在稳定极限附近状态下。
因此，借鉴国外恶性停电事故和我国以往的局部失稳的经验和教训，深入研究电压不稳定的起因，研究加强系统的安全性，对于避免电压崩溃事故的发生具有重大的意义。
从而对电压失稳的机理、电网电压稳定指标、防止电压失稳事故发生的策略等一系列研究课题成为研究者们关注的热点。
电压是衡量电力系统电能质量的标准之一，电压的过高和过低都将对人身及用电设备产生重大的影响。
保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调度的基本任务之一，当电力系统的电压偏离允许值时，电力系统必须应用调压技术调节系统电压的大小，使其维持在允许范围之内。
否则会对运行中的用电设备造成不良的影响，而且电压下降，使网络中的功率损耗和能量损耗增大，电压过低还可能危及电力系统运行的稳定性。
在系统无功功率不足，电压水平底的情况下，某些枢纽变电站所在母线电压发生微小扰动的情况下，顷刻之间会造成电压大幅度下降的“电压崩溃”现象，其后果是相当严重的，可能导致发电厂之间失去同步，造成整个系统瓦解的重大停电事故。
所以研究电压稳定性的分析方法，实现对电力系统电压稳定水平的准确评估，提出预防电压失稳的措施，研究电压不稳定的接近程度（稳定裕度）及其机理、影响因素，从而可以找到某些电压薄弱点，并利用并补装置进行补偿，对于防止电压失稳和提高输送电系统的安全可靠性都具有十分重要的意义。
1.2国内外研究状况
20世纪40年代马尔科维奇已经提出了电力系统电压稳定的问题，但是受到当时电力系统机组容量，网络规模，电压等级及输电距离的限制，电压稳定未受到足够的重视，直到70年代后，世界上一些大的电网连续发生以电压崩溃为特征的大停电事故，造成了巨大的经济损失，引起社会生活混乱，致使电压稳定这一长期被忽视的课题变成关注的焦点，对此国内外进行了大量深入的研究。
美国EPRI输电小组在1982年规划电力系统运行的研究方向时把电压崩溃和电压失稳问题作为两个最重要的研究课题，IEEE专门成立了电压稳定的两个专家小组TF38.02.10和TF38.02.11.在众多专家的不懈努力下，取得了丰硕的成果。
一般处于对电压崩溃机理的探讨认为电压失稳是由于无功不足造成的，但深入研究表明，电压失稳与整个系统的所有元件的动态特性，系统结构，负荷特性及控制系统等有着密切的联系。
电压稳定研究作为电力系统领域一个重要的课题，在近三十年来取得了很多重要的成果，但是目前仍然存在很多问题，学术界的声音也不统一，目前存在的问题和今后可能的研究方向主要归纳为以下几点：
（1）对电压崩溃机理的认识处于模糊阶段导致对电压稳定性的定义也不明确，不同的专家持有不同的看法。
（2）对各种元件的动态特性缺乏充分，全面的了解。
建立符合实际情况的模型仍然是电力系统稳定性分析的重点和难点。
（3）电压稳定和功角稳定是电力系统稳定的两个主要方面，在实际的电力系统中，两者密不可分，不存在单一电压稳定的问题，也不存在单一的功角稳定问题。
本文的研究只针对电压稳定。
（4）在进一步研究电压稳定机理的同时，我们应该充分与现实联系起来。
首先要解决分析工具的问题，它应该具备以下几种功能：
给出定量的电压稳定指标和稳定裕度；能够预测复杂网络中的电压崩溃；能够确定电压失稳或者电压崩溃的极限传输功率；能够识别电压不稳定敏感的弱电压点或者弱电压区域；能够决定临界电压水平，能够识别影响电压失稳或电压崩溃的关键因素；能够对系统特性进行深入的研究和认识以帮助开发校正控制。
其次，要指定电压稳定的规划与运行导则，包括以下几点：
无功的补偿优化配置（何地安装哪类，多少容量的无功源）；无功的储备和稳定裕度的确定；线路保护，发电机保护与系统内在要求之间的协调；如何使用励磁调节系统；系统运行调度人员的操作。
第二章电压稳定的理论基础
2.1电压稳定的概念
电力系统的稳定涉及到电力系统的大部分电气元件及各种负荷，因此对于电力系统中的电压稳定现象不同的研究人员就有不同的见解。
关于电力系统电压稳定的概念一直备受电力界的争议，而关于电力系统稳定的概念也一直有多种的定义，主要包括以下几条术语：
《电力系统安全稳定导则》中将电压稳定性定义为：
电力系统受到小的或者大的扰动后，系统电压保持或者恢复到允许范围内，不发生电压崩溃的能力。
IEEE（美国电气和电子工程师协会）电压稳定工作小组在1990年最早给出了电压稳定性，电压崩溃和电压安全性的定义。
报告中指出：
如果电力系统能够维持电压来确保负荷增加时，负荷消耗的功率随之增大，则认为系统是稳定的，反之，认为系统不稳定。
CIGRE（国际大电网会议）TF38.02.10工作组与1993年的年度报告中提出：
在系统受到一定扰动后，邻近节点负荷电压达到扰动后平衡的值，并且受扰动的状态处于扰动后稳定平衡的吸引区域内，那么就认为系统的电压是稳定的，不然，如果扰动发生后平衡状态下负荷邻近的节点电压低于可接受的极限值，那么就认为系统电压崩溃。
CIGRE和IEEE在2004年联合发布报告认为：
电压稳定是指电力系统在初始的稳定状态受到扰动后维持母线电压稳定的能力。
这种维持系统稳定的能力受到系统中负荷侧和发电机的限制。
下面是2004年IEEE和CIGRE在“电力系统稳定性的定义和分类”中关于电压稳定性的定义的一些论述。
电压稳定性是指电力系统遭受到偏离给定的起始运行条件的扰动后维持系统中各节点稳定电压的能力。
它取决于电力系统中维持/恢复负荷需求和负荷供给之间的平衡。
可能产生的电压不稳定以某些母线电压持续的下降或者不断上升的形式发生。
电压不稳定可能的结果是一部分区域失去负荷，或者传输线断开，可能造成其停运或者造成磁场电流限制器的越限。
在我国的电力界，研究人员关于电压稳定的定义达成的共识为：
”电力系统电压稳定是指系统在受到扰动后，在系统特性和负荷特性共同作用下，维持负荷点电压在平衡点运行的能力。
”一些专家还强调电压稳定是维持系统电压在可以接受范围内的能力；也有部分专家认为，所谓的维持电压的稳定就是对电压的可控性，即向负荷点注入无功时电压应该升高，反之电压失稳。
总之对于各种各样的说法，还没有一个被学界完全接受，清晰的电压稳定的定义。
电压失稳：
既是电力系统失去稳定，表现在电力系统电压持续下降（或上升），从而导致系统的控制系统达到工作极限，并加速系统电压失去稳定的现象。
电压崩溃：
由于电压的不稳定最后导致系统电压的大面积，大幅度的下降的过程。
电压崩溃包括两个阶段：
电压失稳和电压崩溃。
一般在电压崩溃之前都会有较缓慢的电压失稳现象，这一过程可能只有几秒钟，也有可能长达几分钟甚至几十分钟。
在这个过程中腰考虑电力系统各个电器元件对电压的影响，比如发电机的励磁系统，PSS，SVC,负荷特性等等。
2.2电压稳定的分类
电压稳定按扰动的性质不同可以分为“小扰动电压稳定”和“大扰动电压稳定”两类。
（1）小扰动电压稳定
小扰动电压稳定是指系统在受到小的电压扰动后（负荷的缓慢变化）维持各个节点电压在一定范围内的能力。
在电压稳定分析中，小扰动通常结合非线性的分岔理论来研究电压失稳的机理。
由于小扰动下系统可以线性化，因此可以在这种电压稳定分析中使用矩阵特征值，参与因子，灵敏度等小扰动稳定分析中的常用手段。
（2）大扰动电压稳定
大扰动电压稳定是指系统在经历诸如断线，短路，切机等故障后系统维持电压稳定的能力。
这种能力由系统的负荷特性，连续与离散的控制和保护共同作用所决定的。
大扰动稳定的确定需要在合适时间长的时间内观察系统的非线性动态特性以便获取如ULTC和发电机励磁电流限制器等一些装置的相互的作用情况。
研究的阶段可从几秒延长到几十分钟。
因此需要通过长期的动态模拟仿真分析。
大扰动稳定的判据，是在给定扰动及其随后的系统控制后，所有的母线都必须达到可以接受的稳态水平。
2.3电压失稳的机理研究
电压失稳最本质的原因还是功率的平衡的问题，电力系统稳定性分析的前提是系统必须包含一个平衡节点。
当电力系统的节点提供的无功和有功能够满足负荷的需求，切平衡节点能够提供抑制系统扰动的能力的情况下，电力系统的电压即为稳定，反之当系统不能维持这种平衡，从而导系统电压的持续下降，最终电力系统崩溃。
在电力系统运行不正常时，首先是接近重负荷地区的发电机组停运，这样就加重了其它母线的传输压力，在平衡节点不能维持系统电压稳定的情况下，无功得不到必要的补偿，断路器工作，将重负荷线路转移到其它线路，导致其它线路的无功损耗大大增加，电压降低，断路器断开，引起级联跳闸。
由于负荷中心无功的缺乏带来周围电压的降低，这将反过来影响配电系统，将导致负荷二次侧电压的下降，此时变压器工作，在很短时间内将电压水平恢复到初始状态。
而变压器分接头的每一次变化都将引起传输母线传输的负荷加重且加大了线路的损耗，增加的负荷又反过来因此高压传输线路电压的降低。
在高压传输母线的功率极限每增加1MVA，相应的线损将增加几兆瓦，随着变压器分接头的每一次动作，发电机提供的无功将增加，在这种无功输出加大的情况下，系统内发电机输出的无功达到极限的电机越来越多，在第一台发电机的电压出现下降，在其端电压下降的情况下维持恒定的功率输出，导致定子电流变大，这将进一步限制无功的出力。
为了保持这台发电机的定子的电流不超过一定范围，这台发电机将负荷转移到相邻的发电机上，在这样的循环中，一台台电机达到它的运行极限，在这种情况下电压不稳很容易发生。
同时在无功补偿装置不够的情况下，也削弱了无功补偿装置的作用。
以上是对电压失稳的分析，这种状况持续得不到改善将会引起电压崩溃造成大面积停电事故。
下面以一简单系统为例分析这一过程。
图2.1单机系统
通过图2.1分析电力系统变量之间的关系。
变量主要包括有功功率，无功功率，电压幅值，电压相角。
送端功率：
（2.1）
得到：
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
得到单机供电方程：
（2.6）
（2.7）
将式（2.6）代入式（2.7）式得：
（2.8）
解得电压与受端负荷功率的关系为：
（2.9）
从上式可以看出，
的最小值当
时存在最低点的电压，既稳定运行时的临界电压
，可见，
越大，既有功负荷越大，系统要求的最低稳定运行电压越高。
同时还可以看出受端有功过大（P）过大，或者系统输电电抗（X）过大，或系统电压过低，为了保护受端负荷的稳定运行，受端区域必须有足够的无功补偿，除了补偿无功负荷外，还必须向系统输入一定的无功，用来持受端母线电压有足够高的运行电压水平才能稳定运行。
当系统电源电动势E下降，一般会导致受端母线电压随之降低，从而引起受端负荷P、Q值的变化。
假设P对电压变化不敏感取定值，当E下降时，降增大。
如果要保持原来的受端母线电压，那就要相应的增加受端的无功补偿，如果不能随E的下降而相应的增大此无功补偿，受端母线电压将下降。
并且，通过送端与受端的功率比较，可以看出线路功率损耗为：
（2.10）
从式（2.10）可以看出，随着有功传输的增大，线路两端的相角差将增大，而从式（2.8）中可以看出，线路两端相角差增大，则线路上无功的损耗将增大，随着有功传输的增大，线路上消耗的无功也将增大。
并且可以看到，在传输相同的有功时，如果传输线路两端电压低，则相角差将增大，将导致消耗的无功也要增大。
第三章电压稳定的静态分析
3.1电压稳定的静态分析的基本原理
电压稳定的静态分析方法是沿时间轨迹捕捉不同时间断面上的系统状态。
通过假设断面上的系统状态变量的微分为零，从而将描述非线性动态电力系统的微分—差分—代数方程组简化为纯代数方程组。
由于早期的电压失稳事故多表现为中长期电压失稳过程，其时间跨度较长，而且通常是由于负荷的缓慢增长或系统输出功率转移而导致的，因此在较长的一段时期内，静态分析方法成为电压稳定研究的主流。
静态电压稳定性的研究经历了较长时间的积淀，取得了丰富的研究成果。
由于这种分析方法在一定程度上能较好地反应系统的电压稳定水平，并能给出电压稳定性指标以及对状态变量、控制变量等的灵敏度信息，便于系统的监视和优化调整，能够较好地适应实际应用的要求。
在静态分析方法中，忽略了电力系统中动态元件的动力学特性，其所要求的系统元件模型相对简单，一般为稳态或准稳态模型。
随着对电压稳定认识的深入，越来越多的静态分析模型中考虑了系统实际调节和限制特性，使得静态分析方法更加符合电力系统实际。
在电力系统静态电压稳定分析中，发电机有功功率由发电机输出功率决定，另外由于励磁调节作用，使得发电机的母线电压幅值能够维持在一定范围内，所以对于发电机节点，有功功率P、电压幅值V可以给定，而电压相角、无功功率Q待求。
因此，发电机通常以PV节点表示。
但在潮流计算过程中，有可能出现发电机节点为了维持给定的电压，无功出力可能超过容许范围，特别是当电力系统无功电源不太充裕时，往往出现PV节点无功越界的现象。
因此，需对PV节点的无功功率加以监视，当无功功率超出给定范围时，通常的做法是将该节点的无功处理固定在限制值上，将该节点由PV节点转化为PQ节点。
当然，若某些发电机的有功出力、无功出力给定，待求量为电压幅值和相角时，则将作为PQ节点处理。
另外，由于在潮流计算中通常需指定一个平衡节点，节点的电压幅值和相角为给定，待求量为有功功率和无功功率，也称为V节点。
负荷是电力系统的组成部分，负荷模型的选取是电压稳定研究的基础，在很大程度上影响电压稳定的分析结果。
由于电力系统负荷由各种不同种类的负荷所组成，不仅组成情况随时发生变化，而且各个节点的负荷构成也不尽相同，要准确的获得各个节点的负荷模型是很困难的。
因此，往往根据研究内同和目的的不同，对负荷模型也作相应的简化。
在潮流为基础的静态电压稳定分析中，通常只考虑负荷的静态特性模型。
电压稳定的静态分析方法是建立在系统潮流方程的基础上，其电压稳定的临界点，在物理上是系统达到最大传输功率的点，在数学上是系统潮流雅可比矩阵奇异点。
因此，从本质上来说，静态电压稳定分析是研究潮流是否存在可行解的问题。
3.2P-V曲线的介绍
电力系统电压失稳往往发生在系统接近最大传输功率运行阶段。
在临界状态下，如果负荷在增加相当小的数量，系统电压变回急剧下降，导致系统电压失稳。
PV曲线是一种基于电压稳定机理的基本静态电压稳定分析的工具，其中，P可以表示为某区域的总负荷，也可以表示传输断面或区域联络线上的传输功率，V为关键母线电压。
通过建立负荷与节点电压的关系，能够形象地、连续地现实随负荷的增加，系统电压降低乃至崩溃的过程。
同时，通过计算系统中各节点的PV曲线，能够得到关于系统电压稳定性的两个重要参量：
负荷点的临界电压和极限功率，可用以指示系统的电压稳定裕度，表征各负荷节点维持电压稳定性能力的强弱。
图3.1简单的电力系统
对于图3.1所示的简单电力系统：
（3.1）
（3.2）
其中我们取
，则：
（3.3）
（3.4）
将式（3.3）代入式（3.4）式得：
（3.5）
对于单位功率因数，
；对该式求导并令其等于零，由此可求得临界电压和最大功率。
（3.6）
（3.7）
（3.8）
以及
（3.9）
另外，在功率最大点处，
。
对于电阻性负荷情况，可以证明当负荷电阻R等于电源电抗X时功率为最大值
（3.10）
当负荷为纯阻抗，表示送端发出的无功功率，Q表示负荷无功功率，求“电压崩溃临近指标（VoltageCollapseProximityIndicator,VCPI）”。
即有：
（3.11）
（3.12）
（3.13）
（3.14）
同样可验证有关最大功率的理论，以标准化形式表示如下
（3.15）
（3.16）
电压崩溃临近指标（VCPI）的计算方法如下：
（3.17）
（3.18）
（3.19）
（3.20）
由以上计算结果知，当系统由空载变化到最大负荷时，电压V的数值由E降到，而VCPI则从1增加到无穷大。
这表明在接近最大负荷功率时，如果负荷功率有一微小增量，则需要送端增加相当大的无功来满足负荷要求。
因此VCPI可以看作为系统逼近电压崩溃的一种灵敏性指标，类似的灵敏性指标还有相应的无功备用的启动用量和无功损耗大小。
对于简单的模型，图3.2所示为一簇标准化的P-V曲线，分别对应着不同负荷的功率因数。
功率因数越超前（并通过并联补偿来获得超前的负荷功率因数），最大功率值越大，相应的临界电压也越高。
这是电压稳定性问题中非常重要的一个因素。
图3.2恒定电源（无穷大）和纯阻抗网络条件下的标准化P-V曲线
PV曲线的顶点对应着系统的负荷能力极限状态，即电压稳定的临界点。
PV曲线的上半支是高电压解或可行解，是系统能过稳定运行的平衡点，下半支是低电压解或不可行解，是系统不平衡点，当系统负荷逐渐增加将使得系统运行点从PV曲线上半支向下半支过度，在拐点处系统将失去稳定，为电压运行的临界点。
3.3V-Q曲线介绍
根据图3.2所示的标准化P-V曲线，可以作出系统相应的V-Q曲线，当P恒定时，Q和V之间对应的关系
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