电力市场环境下计及安全稳定约束的可用输电能力研究.pdf

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1、长沙理工大学硕士学位论文电力市场环境下计及安全稳定约束的可用输电能力研究姓名：叶佳明申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：周任军20090401摘要在电力市场环境下，输电系统的可用输电能力对系统的安全可靠性有着很大的影响。它不仅能指导系统调度员的调度，保证系统安全稳定运行；同时本身还具有市场信号的作用，指导市场参与者进行各种商业行为。静态稳定和低频振荡是制约系统可用输电能力的两个重要因素。本文在总结前人研究工作的基础上，对基于静态稳定约束和低频振荡约束的电力系统可用输电能力做了较为深入的研究。现有的功角和电压稳定约束表达方法，由于其复杂性，难以直接引入到可用输电能力模型中。因此本

2、文首先研究了线路传输有功功率极限值的表达式，分析得出线路传输功率达到其传输有功功率极限是电网功角和电压失稳的必要条件，故可用线路传输有功功率极限近似简洁地表达这两种复杂约束。然后，在对低频振荡机理深入分析的基础上，将最小部分特征值的阻尼比大于指定阈值作为低频振荡约束条件，并应用J a c o b i D a v i d s o n 方法求取系统状态矩阵的关键特征子集，这抓住了电力系统机电振荡分析问题的本质，避免了大量冗余特征值的计算。将上述两种简洁的约束与传统可用输电能力最优模型结合，建立了考虑静态稳定和低频振荡约束的可用输电能力新模型。运用逐点线性化方法实现问题求解。多个测试系统的计算结果表

3、明，所提出的模型及算法有效、可行。关键词：电力市场；可用输电能力；功角稳定；电压稳定；低频振荡；最优潮流A BS T R A C Tr h eA V a i l a b l eT r a n s f e rC a p a b i l i t y(A T C)i so fm u c hi m p o r t a l l c ef o rm es e c u r i t ya J l dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi ne l e c t r i c i 够m a r k e t s I tc a nn o to n l yi n s t

4、 n 卫c tm ed i s p a t C ho fm ed i s p a t c h e rs ot oc o n f i mm es t a b i l i t ya 1 1 ds e c u r i t yo fs y s t 锄，b u ta I s ob es e e na sm a r k e ts i 鲈a lt 0i n 咖c ta l lk i n d so f 仃a d ea c t i o n so fm a d(e tp a n i c i p a l l t s S t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya 1 1 dl

5、o w缸q u e n c yo s c i l l a t i o nc o n s 舰i n t sa r et、)I r oi m p o r t a n tf a c t o r Sw l l i C hc o u l dl i m i tA T B a s e do nm es u m m a r i z a t i o no fp r e v i o u sw o r k，m i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t ss y s t e n l a t i c a lr e s e 鲫c hw o r ko nA T Cc a l c u I

6、 a t i o nc o n s t r a i n e db ys t a t i cV o l t a g es t a b i l i 哆l i m i ta n dl o w 骶q u e n c yo s c i l l a t i o nc o n s t r a i n t s。T h ee x p r e s s i o no fe X i s t i n gp o w e ra n 酉ea 1 1 dV 0 1 t a g es t a b i l i t yc o n s t r a i n t s，b e c a u s eo fi t sc o m p l e x i

7、 吼i ti sd i m c u l tt ot r a n s 向i n t om ea V a i l a b l e 仃a n s m i s s i o nc a p a b i l i t ym o d e ld i r e c t l y F i r s to fa l l，m i s 甜i c l es t u d i e dt h et r 锄s m i s s i o nl i n ea c t i v ep o w e r1 i m i t so fe X p r e s s i o ma I l a l y S i so fp o w e r 饥m s m i s s

8、i o nl i n e st oa c h i e v ea c t i V ep o w e r1 i m i t so fi t sp o w c rn e t w o r k 托龇s m is s i o np o w e ra I l 舀ea 芏l dV o l t a g e，盯et 1 1 en e c e s s a qc o n d i t i o I l sf o ri I l s t a b i l i 畎T h e 铆oc o m p l e xc o n s 仃a i n t sc 锄b ea p p r o x i m a t es u c C i n c t l

9、ye x p r e s s e db yt 1 1 ea c t i V ep o w e r1 i m i to ft r 锄s m i s s i o nl i n e s 1 1 1 e I l，o nt h cb a S i so ft h es t u d yi n d e p t ha 1 1 a l y S i so fm em e c h a I l i s mo fl o w 丘蜘u c yo s c i l l a t i o n s；w i l l 如c u so ns o m eo ft h es m a l l e s te i g e n v a l u e so

10、 ft h ed 锄p i n gr a i oi s 黟t e rm a I lt h es p e c i f i e dt l l r e s h o l da saC o n d i t i o no fl o w 一丘e q u e l l c yo s c m a t i o l l，a n dt h e 印p l i c a t i o no fJ a c o b i D a V i d s o nm e t h o do ft h es y s t e ms t a t et os t r i k eak e yf e a t u r em a t r i xs u b s e

11、 t，w h i C hc a p n 玎硼t h eo s c i l l a t i o no fp o w e rs y s t e ma n a l y s i so fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ln a t l l r eo ft h ep r o b l e I I l，ag r e a td e a lo fr e d u I l d a n c yt oa v o i dt h ec a l c u l a t i o no fe i g e I a l u e s F i n a l l y，an o V dA T C

12、m o d e lc o n s i d 砸n gs t a t i cV o l t a g es 协i l i t yl i m i t 柚d1 0 w 疗e q u c n c yo s c i l l a t i o nc o n s t r a i n t si se s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a l l y T h ep D o b l e mh e r ei ss o l v e db ys u c c e s s i V el i n e a rp r o 伊a 胁i n g T e s t i n gr e s u l t

13、so fV a r i o u Sp o w e rs y s t e ms h o wm a tm ep r o p o s e dm o d e la n da l g o d t t l I l li nt h i sp a p e ri se a e c t i v e 孤df e a s i b l e K 0 yw o r d s：E I e c 埘c i t ym a r k e t s；A V a n a b I et r a n s f e rc a p a b i l i 够；A n g l es t a b i H 够；V b l t a g es t a b i l i

14、 够；L o wf r e q u e n c yo s c m a t i o n；o p t i m a lp o w e rn o w长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：叩5 象哏日期：矿尹年夕月矽日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论

15、文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密豳。(请在以上相应方框内打“)作者签名：叮住喝导师虢同蚜日期：矽9 7 年乡月矽日日期：伊净，月犷日第一章绪论1 1 本文研究的背景和意义电力市场是采用法律、经济等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用户等各环节的成员，组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。其管理机制主要借助经济手段进行管理，有别于传统的行政管理机制。电力市场的执行

16、系统包括交易场所、计算机系统、计量系统、通信系统等。电力市场是电力生产、传输、分配、转换、通信和计算机系统的综合体，也是技术与管理的综合体。电力市场具有交换和买卖电力，提供信息，融通资金的功能。电力市场的竞争局面，应让其在生产资料的交易上形成，电力市场的竞争性交易在发电公司与配电公司、大用户之间进行，而配电公司和大用户是电力市场的购电方主体。电力工业一直是由发、输、配、用电组合在一起的地区性垄断产业。随着全球兴起的经济自由化浪潮，一些与电力工业类似的垄断产业，如石油天然气、电信等产业的改革已取得成效，促使2 0 世纪8 0 年代在全球范围内开始电力工业的改革。其目的是要打破电力工业的垄断经营，

17、解除或放松政府对电力工业垄断的管制，对电力工业实现结构性重组(如发电、输电、配电的解开)，开放电网，形成一个公平竞争的电力市场，以达到降低发电成本和电价，提高对用户的服务水平的目的。不同的国家将根据其历史的发展和现状，以不同的方式和步骤来进行电力工业的这一巨大改革。这将使传统的电力工业规划、设计、建设和运行发生很大的变化，需要电力工业经济、管理、技术等各部门全方位的改组、配合和协作。足够的输电系统备用是电网安全最直接的保证。事实上，几乎所有大面积停电都是在输电系统运行中潮流趋于其输送容量极限时发生的。所以大型电力系统区域间的功率传输能力对整个系统运行的安全可靠性影响很大。传统垂直管制环境下，区

18、域间的输电能力仅仅是系统调度员调度时的一个参考信息，了解系统目前运行状态与各种约束的距离。在电力市场环境下，系统运行方式多变，不确定性增大，电能交易瞬息万变，系统负荷峰值常常接近电网输电容量极限，支路过负荷、节点电压越限等故障更有可能发生。这就提出了如何准确高效地计算输电网输电能力的问题。普遍采用所谓可用输电能力来衡量输电系统的备用。当可用输电能力不足时，电网出现阻塞状态，调度要采取技术上和经济上的措施来缓解阻塞。同时，在电力市场环境下，输电能力是所有电力市场参与者进行交易活动必须了解的重要参数。当出现电力转运后，电网中将出现频繁的输电交易，使得输电网的实时状态对整个电力市场交易的进行极其重要

19、。因此，必须更加频繁地计算所有输电线路的传输极限，并及时公布计算结果，使交易各方面能够做出正确的判断和计划。这样，在引导交易各方顺利完成交易的同时，使电网的输电容量也能得到充分的利用。因此，可以这样讲，输电网可用输电能力作为系统的一个可靠性指标，对指导系统调度员的操作，保证整个系统的安全可靠运行具有重要的技术价值；同时，它也是重要的市场信号，能积极指导市场参与者在电力交易过程中的各种商业行为，具有显著的经济价值。A T C 之所以还能成为目前的研究热点，并不是由于出现了新的研究内容，而是市场机制的引入，输电网络必须要面向发电商和用户开放，必须要满足公平、公正、公开的市场原则，A T C 必须透

20、明、准确且定量化。这就提出了如何准确、高效计算A T C 以及在不同交易能力、不同风险下的A T C 如何决策和评价的问题。1 2A T C 的概念为促进电力改革的深入发展，同时保证系统在市场环境中的安全可靠运行，美国联邦能源委员会(F E R C)在其1 9 9 6 年的8 8 8 8 8 9 号令【卜2】中，发布了“输电网的所有权者计算并公布输电系统可用输电能力(A T C)”的命令。其后，北美电力系统可靠性委员会(N E R C)根据F E R C 的要求给出了A T C 的统一定义，即A T C 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业使用的传输容量【3】。此定

21、义说明，电力市场环境下，输电系统输电能力的问题不再是原来意义下简单的区域功率交换能力，而是基于已有的输电合同，在保证系统安全可靠运行的条件下，区域间、或节点间可能增加输送的最大功率。它是在现有的输电合同基础之上，实际输电网络保留输电能力的尺度，可以概念性地表示为：C 一愆=C 肿一C 删一C 踟一C 伽()其中：C 彤为可用输电能力；C 删为电网的最大输电能力，反映了在满足(预想故障前和预想故障后)系统各种安全可靠性要求下，互联系统联络线上总的输电能力：C 豫w 为输电可靠性裕度，反映了不确定因素对互联系统间输电能力的影响：C 眦为现有输电协议(包括零售用户服务)所占用的输电能力；G 詹为容量

22、效益裕度，它反映了为保证现有输电协议中不可撤销输电服务顺利执行时输电网络应当保留的输电能力。一般，计算C 仃r 时所考虑的系统安全约束条件包括：网络设备的热容量约束、节点电压约束和系统稳定约束，即C 脚=M i n i m u mo f c 1 1 l e 加。lI i m i t，C v o l I a g。l i m i t，C s t a b i l i t y2l i m i t，。为了保证电力系统运行的可靠性和灵活性，C，M 中要考虑系统状态和网络模型的固有不确定性。现有研究认为C 豫M 中所考虑的不确定性因素包括：并联线路上由于功率同步传输所产生的约束、网络设备的随机故障、系统功率

23、平衡时所引起的负荷分布、负荷变化和负荷预测的随机波动、区域间功率环流的影响。C 豫M 中不考虑已安排的系统故障检修和其它已知的网络状态变化，而这些因素的影响应在C 玳计算中考虑。容量效益裕度M 是与现有输电协议C 饿相关的物理量。有A T C研究者认为，c c 删中应当包含如下三个系统备用容量：1)输电备用，即预想故障发生后、市场响应前，为保证这段时间内系统的安全可靠运行，电网应当储备的紧急备用容量；2)电网为辅助服务储备的辅助备用容量；3)电网为发电方案的变更和发电机组故障储备的机组备用容量。输电可靠性裕度C 删和容量效益裕度M 的存在，反映了系统输电能力的容量裕度水平，保证了电网在系统运行

24、方式发生变更时仍能安全可靠地运行。由上述分析可以看出，输电可靠性裕度C 豫w 是与整个电力系统的安全可靠性相关的裕度指标，而容量效益裕度C f 8 M 则是与单个输电协议相关的裕度指标。因此，输电系统可用输电能力又可表示为：C 一亿=c 仃一C 刎一C 脚(包括)(1 2)现有输电协议C 雕本质上包括了在给定条件下所有正常的输电潮流。根据C 臃合同的稳定程度，这个量可以使用诸如“可撤消和“不可撤消、“计划和“预约传输来进一步描述。由此我们可以对A T C 的概念作商业化的进一步引申：不可撤消的可用输电能力(N o n r e c a l l a b l eA T C，简写为N A T C)和可

25、撤消的可用输电能力(R e c a l l a b l eA T C，简写为R A T c)。数学上，不可撤消的可用输电能力(N A T C)表示为：陀=一q 跏一G 船(包括M)(1 3)可撤消的可用输电能力(形)在规划领域和运行领域的含义是不同的，其数学表达分别如式(1 4)和式(1 5)：1)规划领域：C 0 犯=c 岛一a 一一(包括)(1 4)2)运行领域：c 别形=C 册一芦C 岛洲一一C 删(包括C M)(1 5)式中：口，【O，l】，其值由输电网的所有者基于网络可靠性考虑来确定。R R E S 是R e c a l l a b l eR e s e r V e dT r a n

26、 s m i s s i o nS e r V i c e 的缩写，即可撤消的预约传输服务；N R E S 是N o n R e c a l l a b l eR e s e r V e dT r a n s m i s s i o nS e r v i c e 的缩写，即不可撤消的预约传输服务；R S C H 是R e c a l l a b l eS c h e d u l e dT r a n s m i s s i o nS e r v i c e 的缩写，即可撤消的计划传输服务；N S C H 是N o n R e c a l l a b l eS c h e d u l e dT

27、r a n s m i s s i o n 的缩写，即不可撤消的计划传输服务。3这旱所谓的“可撤消的传输服务(R e c a l l a b i l i t y)”是指为输电网所有者由于各种原因(包括经济性的)中断所有或部分输电服务的权利。与之对应的是“可削减的输电服务(c u r t a i l a b i l i t y)”，即输电服务所有者因受电网输电能力的约束而中断所有或部分输电服务的权力。由此可见，可削减的输电服务仅在系统的可靠性遭到威胁或紧急条件存在时才能被削减，它不适用于由于经济原因中断输电服务的情况，并且在紧急约束不再限制电网输电能力时，该服务必须重新恢复。从N A T C 和

28、R A T C 的定义我们可以看出：C 似矿是在仅保证不可撤消输电合同执行条件下，系统所剩余的容量裕度；而C 牙。竹则是在考虑所有输电合同都执行条件下。系统所剩余的容量裕度。电力市场中，当网络间的输送电量过大，随机干扰危及系统运行安全时，需要削减部分输电业务，这时就引起了输电阻塞。显然，不可撤销输电合同的价格高于可撤销输电合同的价格，因此阻塞发生时不可撤销输电业务被削减的风险也比可撤销输电业务被削减的风险小。1 3A T C 算法概述自A T C 的概念提出以来，各国学者对A T C 的计算进行了大量的研究。概括起来，主要可分为以下几类：(1)重复潮流法。重复潮流法是通过不断进行潮流计算，借助

29、所得到的一系列潮流运行点来判断是否已达到最大输电能力。该方法的优点是简单实用，但求解速度较慢，且计算精度不高。为了提高计算的效率，文献 4】提出了一种基于搜索方法的重复潮流算法，并进一步采用灵敏度分析法分析了负荷预报的误差和并行路径功率传输对A T c 的影响。文献 5】提出了一种基于严重故障筛选的参数化重复潮流算法，该方法能考虑电压崩溃、电压水平和输电支路过负荷等约束条件。(2)连续潮流法。基于连续潮流法计算系统区域间功率交换能力的分析方法也是一种运行点检测法，它的优点是可以很容易考虑各种约束条件的影响。缺点是计算速度尚不能满足实际电力系统在线分析的要求。连续法是一种求解非线性代数方程解轨迹

30、的方法。其求解速度明显优于重复潮流法。文献 6 建立了可在能级管理系统(E M S)上实施A T C 计算的基本框架，并提出了一种基于牛顿法潮流计算的连续型潮流法。此外，为了提高各种故障方式下连续潮流法的计算效率，还提出了一种并行计算方案，该方案不需要计算出所有故障方式下的功率极限，就可直接求解出最严重故障方式下的功率传输极限，进而求出A T C。文献 7 采用一种修J 下的连续潮流法计算得出输电断面传输功率与节点电压的关系曲线，并以此来获取输电断面的最大输电能力。文献 8 介绍了一种基于连续型潮流计算的区域间输电能力分析方法，并通过大系统算例仿真来说明该方法的优点。文献 9 总结了连续型方法

31、的基本理论，建立了描述互联电力系统区域问功率交换能力的数学4模型，并介绍了计算区域间最大功率交换能力的基本方法。(3)线性计算法。该方法通过计算线路的功率传输分配因子(P o w e rT r a n s f c rD i s t r i b u t i o nF a c t o r s，P T D F)、故障分配因子(L i n e o u t a g eD i s t r i b u t i o nF a c t o r s，L O D F)和故障传输分配因子(O u t a g eT r a n s f e rD i s t r i b u t i o nF a c t o r s，o

32、T D F)等信息，来分析输电交易对网络产生的影响，进而求解出A T c。文献 3】提出了网络响应法来计算A T C。文献 1 0】提出了一种计算线性A T c 的快速算法，并与连续潮流法进行了比较。结果表明该方法比连续潮流法快2 5 倍左右，但该方法仅能考虑线路热稳定输送功率约束，因此其结果还需要在考虑其他约束条件下，采用严格的非线性A T C方法做进一步的校验。文献 1 1】提出了一种A T C 线性计算方法，该方法可直接考虑线路热稳定输送功率约束，并采用故障条件下指定输电断面功率传输约束代替电压约束和稳定约束。该方法可以快速计算出考虑大量预想事故条件下的A T C，并可进行灵敏度分析以考

33、虑运行中的各种不确定因素。线性A T C 方法适用于联系紧密、分布密集的输电网络，可考虑线路输送功率的限制，但难以考虑其他约束条件，因此所得出的输送功率极限往往比较乐观，需要做进一步的安全稳定校验。由于电力系统是一个非线性系统，采用线性化的分析方法本身就会产生一定的误差，特别是在分析多个同步输电交易时，往往会产生较大的误差。文献【1 2】应用非线性网络理论研究了电力网络的A T C 计算问题，并指出由于电力系统往往不具备单调响应特性，因此不适合采用线性的分析方法来求解A T C。(4)最优化法。最优化方法是将A T C 的计算描述为一个考虑系统运行约束条件的非线性优化问题。文献【1 3】采用内

34、点法来计算区域间的A T C。文献【1 4】采用拉格朗日乘子法和简化梯度法来计算实时环境下的动态A T C。文献 1 5】提出了考虑常见F A C T S 装置的最大输电能力计算模型，并采用逐次线性规划法来求解该问题。最优化方法可以考虑电压水平、线路过负荷等静态安全约束条件，也可以考虑由于潮流方程解的鞍点分叉引起的电压稳定约束条件。但这种方法也存在两方面的缺陷：一是难以考虑系统稳定性这样的动态约束条件，二是所获得的结果仅是一个理想的目标方案，能否从现有方案过渡到目标方案无法确知。近年来，有的学者也开始研究暂态和动态稳定约束下的A T C 计算方法。文献 16】首先采用一种混合的暂态能量函数法来

35、判别系统潜在的最严重的故障方式，并确定与之密切相关的关键发电机，进而在系统达到暂态稳定约束限制时，通过减少关键发电机组的出力，同时采用优化方法调整其余发电机组的出力，使联络线传输功率最大。文献 17】首先将暂态稳定约束转换为等效的考虑了所有指定故障条件的初值计算问题所对应的静态约束，之后即可采用各种常规的优化方法进行求解。不过，对实际系统而言，这类方法的计算量太大，还有待进一步的研究。(5)概率和随机分析方法。若考虑诸如系统调度方式的调整、故障引起的网络拓扑突变、电力交易业务量的改变等不确定因素，A T c 的计算可最终归结为一5个包含离散和连续变量、等式和不等式约束、确定和非确定性条件等的非

36、线性随机优化问题。为了分析各种不确定因素对A T C 的影响，文献 18】采用概率的方法来求解A T C。同样，文献 1 9 采用随机优化和机会约束优化方法来处理这一复杂的A T C 计算问题。文献 2 0】提出了将蒙特卡罗(M o n t eC a r l o)仿真与内点法最优潮流相结合的方法，以求解互联系统的最大并行传输能力。由于可以考虑各种不确定因素的影响，概率和随机分析方法在电力系统规划、合同管理和市场分析等方面有广泛的应用前景。但是，与确定性的A T C 计算方法相比，由于需要考虑更多的不确定性因素，这类方法在实际应用时，还有很多问题值得研究。(6)其他方法：除网络响应法之外，文献【

37、3 1 还提出了额定系统路径法计算A T C。该方法只适用于负荷需求与电源中心相距较远，输电路径较为清晰的输电系统，且应用该方法时，还需考虑多个所有权路径的可用输电容量在所有者之间分配的问题，因此在实际应用中有一定的局限性。文献【2 1】所提出的A T C 计算方法采用直流潮流模型描述系统在某一时间段的潮流运行方式，基于以燃料费用最小和切除负荷最小为目标函数的线性规划程序，不需进行反复的迭代计算，就可以快速计算出A T C。该方法可以计算多重的并行输电交易的A T C，但并没有分析大量“n 1”预想事故对A T C 的影响。在电力市场环境下，为了保证系统运行的安全稳定性，同时引导各市场成员进行

38、充分的市场交易，可用输电能力的计算是一个亟待解决的问题。一般来说，对于系统的在线运行，由于计算速度上的要求，可采用线性A T C 分析法，快速求解和分析系统各种运行条件的变化对A T c 的影响；对于离线计算，则需采用较为详细的模型，全面考虑系统运行的各种约束条件，可采用连续潮流法和最优化方法计算A T C，并可进一步对线性A T C 计算结果进行校验；在系统规划设计阶段，可考虑采用概率和随机分析方法进行A T c 计算，分析电力市场中大量不确定因素对A T C 的影响。1 4 本文主要研究内容输电系统可用输电能力(A T C)是电力市场环境下新提出的一项电网指标，其计算的准确性、快速性对系统

39、的可靠运行、市场交易各方的利益分配都有重要的影响。本论文在总结这方面己有的研究成果基础上，对系统A T C 的计算问题作了深入研究，主要工作如下：(1)本文阐述了计算系统可用输电能力的重要性和复杂性，并对当前国内外已提出的各种可用输电能力方法进行了较为全面的分析与比较。(2)针对现代大型电力系统中，静态稳定性问题已成为威胁系统安全运行的重要因素。本文对静态稳定性的定义和分类，静态功角稳定和静态电压稳定的描述方法，以及电压崩溃与功角失稳之间的关系进行了详细的分析比较，这为寻找有6效描述静态稳定的方法提供了有益的借鉴。(3)现有的功角和电压稳定约束表达方法，由于其复杂性，难以直接引入到可用输电能力

40、模型中。因此本文首先研究了线路传输有功功率极限值的推导，分析得出，线路传输功率达到其传输有功功率极限是电网功角和电压失稳的必要条件，故可用线路传输有功功率极限近似简洁地表达这两种复杂约束。(4)在详细分析低频振荡机理的基础上，本文研究了低频振荡稳定性的评价标准，并应用J a c o b i D a v i d s o n 方法确定低频振荡约束。(5)本文将上述两种简洁地约束与传统可用输电能力最优模型结合，建立了考虑静态稳定和低频振荡约束的可用输电能力新模型。运用逐点线性化方法实现问题求解。多个测试系统的计算结果表明，所提出的模型及算法有效、可行。7第二章静态稳定及其描述形式自2 0 世纪2 0

41、 年代始电力工作者就已认识到电力系统稳定问题并将其作为系统安全运行的重要方面加以研究。近几十年来，世界各地发生了多起由于电力系统失稳导致的大停电事故，这些事故造成了巨大的经济损失和社会影响，同时也反映出研究电力系统稳定的重要意义。现代电网中最常见的稳定性事故，仍然首推同步运行稳定性的破坏。8 0 年代以来，世界范围内发生了多次电压崩溃事故，因此各国对电压稳定性的研究已日益重视。由于历史的原因，国际上对于电力系统稳定性并没有统一的分类标准，对电压稳定性也没有公认的准则，对电压稳定与同步稳定之间关联性方面的研究更是不够深入，甚至认为电压稳定与同步稳定之间没有确切的界线。事实上在某些情况下，同步失稳

42、时可以出现电压大幅度下降的现象，反过来电压失稳时也可能伴随有同步失稳特征。本章就上述问题进行较为深入研究。2 1 静态稳定的定义及分类电力系统稳定研究中的基础问题是其定义及分类，对于电力系统安全规划和运行而言，清晰理解不同类型的稳定问题以及它们之间的相互关系是非常必要的。电力系统两大国际组织国际大电网会议(c o n s e i li n t e m a t i o n a Id e sg r a n d sr e s e a u xe l e c t r i q u e s，C I G R E)和国际电气与电子工程师学会电力工程分会(i n s t i t u t eo fe l e c t

43、 r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s，p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t y，I E E EP E S)曾分另I J 给出过电力系统稳定的定义【2 2 1。我国电力系统安全稳定导则(D L 7 5 5 2 0 0 1【2 3】)在以往定义的基础上系统地给出了电力系统稳定的定义和分类，文献 2 4】又对该定义和分类进行了补充和细化，从而形成了完整的电力系统稳定定义与分类体系。但I E E E C I G R E 和我国行标D L 7 5 5 2 0 0 l 给出的电力系统稳定的定义和

44、分类不尽相同。因此，本节将详细介绍并比较I E E E C I G R E 和行标D L 7 5 5 2 0 0 1 中的电力系统稳定定义和分类，分析不同定义和分类的依据：(1)I E E E C I G R E 的电力系统稳定定义与分类电力系统稳定性是指在给定的初始运行方式下，一个电力系统受到物理扰动后仍能重新获得运行平衡点，且在该平衡点大部分系统状态量都未越限，从而保持系统完整性的能力。I E E E C I G R E 稳定定义联合工作组根据电力系统失稳的物理特性、受扰动的大小以及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间框架等，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定3 大类以及众多

45、子类。如图2 1 所示：R图2 1I E E E C I G R E 中电力系统稳定的分类功角稳定是指互联系统中的同步发电机受到扰动后保持同步运行的能力。功角失稳可能由同步转矩和或阻尼转矩不足引起，同步转矩不足会导致非周期性失稳，而阻尼转矩不足会导致振荡失稳。为便于分析和深入理解稳定问题，根据扰动的大小将功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定。分析小干扰稳定时可在平衡点处将电力系统非线性微分方程线性化，在此基础上对稳定问题进行研究；而分析大干扰稳定时必须通过非线性微分方程进行研究。小干扰功角稳定是电力系统遭受小扰动后保持同步运行的能力，它由系统的初始运行状态决定。小干扰功角稳定可表现为转子

46、同步转矩不足引起的非周期失稳以及阻尼转矩不足造成的转子增幅振荡失稳。小干扰功角稳定研究的时间框架范围通常是扰动之后1 0 2 0 s 时间。在I E E E C I G R E 的定义与分类中，小干扰功角稳定和大干扰功角稳定均被视为一种短期现象。电压稳定性是指“在给定的初始运行状态下，电力系统遭受扰动后系统中所有母线维持稳定电压的能力。它依赖于负荷需求与系统向负荷供电之间保持恢复平衡的能力。根据扰动的大小，I E E E C I G R E 将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定2 种。其中，小干扰电压稳定是指电力系统受到诸如负荷增加等小扰动后，系统所有母线维持稳定电压的能力。小干扰电压

47、稳定可以是一种短期或长期的现象。短期电压稳定与快速响应的感应电动机负荷、电力电子控制负荷以及高压直流输电(H v D c)换流器等的动态有关，研究的时段大约在几秒钟。短期电压稳定研究必须考虑动态负荷模型，临近负荷的短路故障分析对短期电压稳定研究很重要。长期电压稳定与慢动态设备有关，如有载调压变压器、恒温负荷和发电机励磁电流限制等，长期电压稳定研究的时段是几分钟或更长时间。长期电压稳定问题通常是由连锁的设备停运造成的，而与最初的扰动严重程度无关。频率稳定是指电力系统受到严重扰动后，发电和负荷需求出现大的不平衡，系统仍能保持稳定频率的能力。频率稳定可以是一种短期或长期现象。9(2)D L 7 5

48、5 2 0 0 的电力系统稳定定义及分类电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定3 大类以及众多子类。如图2 2 所示：图2 2 行标D L 7 5 5 2 0 0 1 中的电力系统稳定的分类功角失稳表现为同步发电机受到扰动后不再保持同步运行的现象。根据受到扰动的大小以及导致功角不稳定的主导因素不同(同步力矩不足和阻尼力矩不足)，又将功角稳定分为：静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定4 个子类。静态稳定在实际运行分析中，是指系统受到小扰动后不发生非周期性失稳的功角稳

49、定性，其物理特性是指与同步力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的静稳储备情况。小干扰动态稳定是指系统受到小扰动后不发生周期性振荡失稳的功角稳定性，其物理特性是指与阻尼力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用于分析系统正常运行和事故后运行方式下的阻尼特性。电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。根据受到扰动的大小，电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定。静态电压稳定是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。主要用以定义系统在正常运行和事故后运行方式下的电压静稳储备情

50、况。频率稳定是指电力系统发生突然的有功扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内不发生频率崩溃的能力。主要用于研究系统的旋转备用容量和低频减载配置的有效性与合理性，以及机网协调问题。(3)2 种定义与分类的比较分析I E E E C I G R E 和行标D L 7 5 5 2 0 0 l 均认为电力系统稳定是一个整体性问题，客1 0观上只有稳定或不稳定状态，但依据系统的稳定特性、扰动大小和时间框架的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。在功角稳定方面，I E E E C I G R E 从数学计算方法和稳定预测的角度，将功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定。在这种分类下，小干扰功角稳