一种确定电压稳定薄弱区域的静态分析方法

一种确定电压稳定薄弱区域的静态分析方法

韩金铜

（国网天津滨海供电公司天津滨海300450）

摘要：本文在简单分析电力系统电压稳定机理的基础上，提出了一种应用有功裕度指标、灵敏度指标，以及全网N-1，N-2电压扫描综合查找电网电压薄弱区域的方法。

关键词：电压稳定；静态稳定分析；有功欲度指标；灵敏度指标；薄弱区域

0引言

电压稳定性是指系统维持电压的能力，它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加，即功率和电压都是可控的。引起电压不稳定的主要原因是电力系统没有能力维持无功功率的动态平衡，且系统中缺乏足够的电压支持。

电压崩溃是电压不稳定导致相当一部分电压很低的过程。本文在分析电压崩溃机理，以及有功裕度指标和灵敏度指标优缺点的基础上，提出了一种应用有功裕度指标、灵敏度指标和全网N-1、N-2电压扫描综合查找电网电压薄弱区域的方法。最后应用某省电网的实际数据进行了算例验证。

1电压稳定性的机理分析

以简单辐射系统为例，U1，U2分别为电源母线和负荷母线的电压，ZT∠θ，ZL∠Ф分别表示系统等值阻抗和负荷等值阻抗，系统电流为I，注入功率为P2+jQ2。

当负荷不断增加，运行点不断向临界点靠近，最终达到PV曲线的临界点C，导致电压崩溃。电压崩溃的物理实质表现为系统已不能维持其送达负荷的功率与负荷所需的吸收功率之间的平衡，即系统丧失了平衡点，其数学表现是不存在潮流解。

2静态电压稳定分析指标

评价电网的安全性需要综合考虑系统的当前状态与状态变化率[13]。本文使用的静态电压稳定分析指标包括有功裕度指标、灵敏度指标两种，其中，有功裕度指标反映了节点承受功率扰动的能力，与电网承受负荷增长的能力有较强的对应性[14]；灵敏度指标则反映了节点电压对无功波动的反应快慢程度[15]。

2.1有功裕度指标

式中，PMAXi为第i个节点负荷增大到临界点时的有功功率值；P0i为第i个节点位于当前运行点时的功率值。KPi反映了第i个节点承受负荷持续增长的能力，越小者表示该节点承受能力越差。将KPi从小到大排序，就可以清晰地看出系统中各节点承受负荷持续增长能力的大小，较小者即为系统的薄弱节点。

决定有功裕度指标的关键因素主要有三个：崩溃点的确定、从当前运行点到崩溃点的路径的选取以及发电机和负荷模型的选择。

采用连续潮流算法，可按全网、区域、单个节点三种方式增负荷进行有功裕度指标的比较分析。无论采用哪种方式，有功裕度指标只与系统当前状态及其逼近极限状态的过渡方式有关。本文在计算有功裕度指标时，以潮流不收敛作为电压崩溃点出现的标志。

原则上，网络中各负荷点的功率可按任意方向增长以逼近崩溃点，而且以不同的方向增长，会得到不同的电压稳定临界点，但是总会有一个方向上的电压稳定临界点是最小的，计算出这个方向的电压稳定临界点，就能对电压失稳提出有效的对策。不过，在计算过程中，发电机模型和负荷模型对所得计算结果影响会比较大。

在电压的稳定计算过程中，发电机输出的无功功率可能会越界，因此必须要考虑发电机的无功越限问题。本文在分析中，当发电机无功越界时，将发电机节点从PV节点转变为PQ节点。不过，这种处理方法也有一定的局限性。因为当系统在电压稳定极限点附近运行时，系统的电压变化较大，发电机实际输出的无功会随电压的变化而变化，有时难以维持恒定，可能会产生一定的误差。

电网实际的负荷是由各种负荷组成的。想要得到一个准确的综合负荷模型非常困难，所以负荷模型的选取一般采取简化处理的办法。如在计算有功裕度指标时，就假设负荷模型全部为恒功率负荷。这样处理会得到比较保守的计算结果。

将有功裕度作为静态电压稳定分析指标的优点是：

1）直观、简单、容易被人们接受和理解；

2）运行点到电压崩溃点的距离与有功裕度指标的大小成准线性关系；

3）有功裕度仅仅要求静态电力系统模型，当具有动态模型系统时，也同样适用；

4）有功裕度指标可以全面考虑电力系统的非线性和各种限制。

有功裕度指标的缺点是：

1）计算量大；

2）提供的信息量较少；

3）不同的增长方式会有不同的电压稳定临界点；

4）负荷模型的选择不同也会有不同的电压稳定临界点。

有功裕度指标中的PV曲线反映电网节点电压随电网中负荷增长发生变化的过程。采用连续潮流算法，从当前运行点开始，保持负荷功率因数不变，缓慢增长所有带负荷节点的负荷到临界状态，便得到各节点的PV曲线。

2.2灵敏度指标

灵敏度指标可以按物理意义分为母线灵敏度，支路灵敏度和发电机灵敏度指标。

灵敏度指标除应用于判断系统电压稳定性外，还可应用于判断薄弱区域、薄弱节点，薄弱支路，关键发电机，以确定无功补偿等控制器的安装位置。灵敏度指标不仅能识别电压崩溃，而且提供的信息可以方便地识别系统中各节点的强弱以及所需要采取的对策。

灵敏度指标的优点是：

1）计算较简单且计算量少；2）提供的信息量较多；

灵敏度指标的缺点是：

1）非线性，难以确定稳定阀值，不能定量反应当前状态离极限状态的距离；

2）只适合于恒功率负荷模型。

本文选用的是母线灵敏度指标中的电压-无功负荷灵敏度指标，即：dUL/dQL。考虑到dUL/dQL的非线性，且电压失稳可能在很短的时间内迅速完成，在接近电压崩溃的过程中，仅靠某一状态的灵敏度很难反映dUL/dQL在接近电压崩溃过程中的变化情况，且临界状态的灵敏度很难捕捉到，所以本文取当前运行点电压Ui与电压崩溃点Ucr之间的各个灵敏度状态量之和的平均值，以此作为dULi/dQLi,的值，即：

将各节点的灵敏度指标排序，数值较大者表示系统在向崩溃点过渡过程中较容易出现问题的节点。

2.3全网的N-1，N-2分析

上述两类指标是基于负荷扰动情况下的分析，为了更全面地确定系统中的电压薄弱环节，还有必要对系统正常运行情况下进行N-1，N-2校验，用以查看电网中元件因故障退出运行后，系统各节点对负荷正常持续供电的能力。

对全网的220kV、500kV线路及变压器元件进行N-1开断扫描后，分析统计造成节点电压越界的线路及变压器元件。把N-1开断后造成附近较多节点电压降低的线路或变压器元件定义为全网的关键支路。

在N-1开断扫描的基础上，经更严重的N-2故障断开后，较其他节点电压普遍偏低的节点表明一旦系统中出现较严重的线路故障，该节点最容易出现电压失稳或崩溃，可定义为弱节点。统计N-2故障情况下，某节点作为弱节点出现的次数，由次数较多的节点组成全网的薄弱节点集。