浅述电力系统静态电压安全域

曲晨宇

（内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司内蒙古呼和浩特010000）

摘要：我国的电力能源供应日益紧张，电网经常在重负荷、临近稳定极限的状态下运行。为了保证电力系统的正常运行，特别需要对电力系统的安全稳定有全面的认识与评估。在电力系统的在线安全监视、评估与优化中，决策空间上安全域的计算方法具有十分重要的意义，鉴于节点电压约束是实际电网运行中最为基本的安全约束之一。

关键词：电力系统静态电压安全域

我国目前已经成为世界第二大经济体，随着社会的数字化程度越来越高，社会对电力的需求越来越强，对电能的质量要求也越来越高。然而目前随着煤炭、石油等一次能源的日趋枯竭，能源的供应日益紧张，电网经常在重负荷、临近稳定极限的状态下运行，电网各项指标越限情况和停电事故时有发生。导致的后果会严重影响电力用户和整个社会对电能的正常使用，造成难以估计的经济损失。随着煤炭、石油等能源供应的日益紧张，电力系统经常在临近极限、重负荷的状态下运行。而近几年风能、太阳能等可再生能源得到大规模发展，其出力的波动性和间歇性给电网的安全稳定运行带来了更大的挑战。电网的电压稳定问题、线路电流越限问题和节点电压越限问题时有发生，给电力用户的正常用电的带来了很大的影响。所以，电力系统中的节点电压越限问题值得关注，目前已有的研究节点电压幅值约束的安全域只有无功静态安全域。无功静态安全域的决策空间中的变量是节点无功功率注入向量，其基于解藕潮流方程中表达电压向量与无功功率向量间的映射关系，给出了高维空间上超多面体形式的无功安全域。所求的无功静态安全域是由多对近似平行的超平面组成，十分简明。而且该域与网络拓扑一一对应，与运行方式全然无关，所以在应用上可以离线计算，在线实用，优越性十分突出。但是，由于它是基于解藕潮流的，忽略了有功注入对电压的影响，所以有时误差较大，不能满足在线安全监视、防御与控制的要求。本文在无功静态安全域的基础上，基于交流潮流模型，研究计及节点电压约束的静态电压安全域，力图得到能够满足工程实际应用需要的静态电压安全域边界的近似解析表达式，进而为电力系统中节点电压越限问题的在线监视和控制提供有利的工具。

一、电力系统安全域

近年来，电力系统的停电事故时常发生，严重影响了电力系统的安全稳定运行，所以为了保证电力系统的正常运行，对电力系统在线实时安全监视、防御和优化的方法亟待研究。逐点法是对电力系统安全性和稳定性进行分析的传统方法，已经在电力系统中得到广泛应用。逐点法可以根据系统某种故障状态的运行点进行仿真计算，得出系统能否安全稳定运行的结论。逐点法具有一定的优势，使其在电力系统中得到广泛应用，但是逐点法也有很多不足，逐点法不能对系统的整体安全稳定水平做出评估，例如系统当前运行点与安全稳定边界的最近距离，使运行点远离安全稳定边界的最优路径如何确定等等。

安全域（securityregion，SR）是实现对电力系统在线实时安全监视、防御与控制的一种新方法，安全域即是系统整体能够安全稳定运行的区域，它是由传统逐点法发展起来的。安全域可以提供系统当前运行点与安全稳定边界的相对位置关系，进而能够确定系统当前的安全稳定裕度和最优控制策略，所以它可以更加有效的指导电力系统的在线实时安全监视、防御和控制，安全域方法改善了逐点法的很多不足，逐点法与安全域方法的优缺点比较详见表1。

表1逐点法与安全域方法的优缺点比较

逐点法难以从整体上对系统进行判断和评估安全域方法可从整体上对系统进行判断和评估，同时可加深对系统安全稳定边界的认识

只能对系统的当前状态进行评估，得出是否安全稳定的结论，提供的信息严重不足当系统存在不确定因素时，对系统进行安全评估的难度和计算量很大在电力系统的优化问题中难以应用，不能解决安全稳定约束条件处理难的问题可以根据系统当前运行点与稳定安全边界的相对关系，得出系统安全稳定的相关信息和最优控制策略可用解析方法，从而大大降低了对系统进行安全评估的计算量安全域超平面的表示形式可以使最优化问题中安全稳定约束的计及变得十分方便

二、静态安全域

电力系统静态安全域是指针对给定的网络拓扑结构，在决策空间上能够满足某个静态安全约束的集合。如果系统的运行点在安全域内，就能够满足静态安全约束，而在域外的任何系统运行点都不满足静态安全约束。目前已经研究的静态安全域包括有功静态安全域、无功静态安全域和热稳定安全域等。静态安全域的研究开始于二十世纪六十年代，并且取得了诸多成果，但是这方面的研究大多以直流潮流模型为基础，远不能满足实际应用的要求。后来有功静态安全域、无功静态安全域和热稳定安全域等静态安全域的发展，为静态安全域的实际应用奠定了理论基础。

2.1有功静态安全域

有功静态安全域（activepowersteady-stateregion，简写为ASSR）利用以节点电压幅值和支路角为伏态变量的线性化潮流模型，由仿射变换的性质求出有功静态安全域边界，有功静态安全域有全域和响应域两种形式。全域和响应域两种安全域应用形式的配合使用，为安全域的实际应用提供了新的思路。

2.2无功静态安全域

无功静态安全域（reactivepowersteady-stateregion，简写为RSSR）根据解耦潮流方程，利用无功功率向量和电压向量的映射关系，研究了在无功功率注入空间上计及节点电压约束的系统安全运行区域。所求的无功静态安全域是由多对近似平行的超平面组成，十分简明。而且该域与网络拓扑一一对应，与运行方式全然无关，所以在应用上可以离线计算，在线实用，优越性十分突出。但是，由于它是基于解藕潮流的，忽略了有功注入对电压的影响，所以有时误差较大，不能满足在线安全监视、防御和优化的要求。静态电压安全域与无功静态安全域的约束条件都是节点电压约束，但是静态电压安全域的研究是基于交流潮流模型的。热稳定安全域（ThermalSecurityRegion，简写为THSR）是使系统所有输电线路的电流限值约束都得到满足的节点注入功率空间上的或决策变量空间上的集合，热稳定安全域与有功静态安全域的约束条件都是线路电流约束，但是热稳定安全域的研究是基于交流潮流模型的。

三、电压稳定域

电压稳定问题是电力系统安全稳定的主要问题之一。如果负荷功率随着负荷导纳的增大而增大，并且系统的电压和功率都是可以控制的，则系统是电压稳定的。在既定的网络拓扑结构下，使系统不失去电压稳定的系统运行点的集合是电压稳定域。由于在实际运行中发生的电压失稳大部分是单调电压失稳，所以一般采用静态分析方法研究电压稳定问题。

四、动态安全域

动态安全域(DynamicSecurityRegion)分为用DAE表示的暂态功角稳定与暂态电压稳定和线性化DE表示的小扰动稳定，动态安全域不是基于潮流解析的。电力系统的暂态稳定可以分为事故前、事故中和事故后三个变化阶段。在状态空间中，事故后的系统稳定流形上的I型不稳定平衡点构成了暂态稳定域边界。在注入参数空间中，动态安全域是指系统发生预想事故后，事故清除后系统的状态点还在系统的暂态稳定域内部。动态安全域对应给定的预想事故和事故前后的系统网络拓扑。对于一个给定的事故，判断事故前系统的功率注入是否在动态安全域内部，就可以评估系统是不是动态安全的。

总之，电力系统静态电压安全域是使系统所有节点的电压幅值约束都得到满足的节点功率注入空间上的或决策变量空间上的集合，它是仅计及节点电压幅值约束的电力系统静态安全域。在实际电网运行中，节点电压约束是最为基本的安全约束之一，故本文详细研究了计及节点电压约束的电力系统静态电压安全域。静态电压安全域的研究为监视和解决电网运行中节点电压越限问题提供了有效方法。

参考文献：

[1]宿吉锋.电力大系统保证静态电压稳定的安全运行区域及其可视化[D].天津大学,2002.

[2]韩晓.电力系统静态可行域的研究[D].华北电力大学(河北),2007.

作者简介：

曲晨宇(1993-)，助理工程师，身份证号：371082199310250014