考虑电压稳定的预想事故下最大输电能力分析>方鸽飞，黄晓烁，梁成红（浙江大学，杭州310027）

1引言
　　随着电力系统的不断发展，电网大范围互联，电力电子、计算机和信息等新技术的采用和电力工业市场化改革开放的需求，电力系统电网的运行越来越接近输送极限状态。因此，如何使电力系统电网变得更强，提高电网的输电能力已经成为电力工业关注的重要问题。互联电力系统其区域间的输电能力对于整个系统的安全可靠性有着很大的影响。由于电力市场的引入，使得利用现有的输电网络来输送更多的电力，以最大限度地降低成本，越来越成为必要，在这样的情况下，电力系统已经不得不把其运行极限研究作为提高经济效益的主要手段。
　　电力系统输电能力的分析和评价，早期主要从规划角度出发，对静态输电能力进行可靠性评价。后来由于世界范围内多次发生电压不稳定而导致电力系统崩溃的大事故，电压稳定性问题再次引起电力科学者的关注和重视。很多专家认为电压稳定性是制约输电能力的关键因素，提出了电压稳定临界状态的计算方法^［1］；电压稳定分叉点的计算方法^［2］；系统最大负荷的计算方法^［3～4］。实际上输电能力分析和评价是个非常复杂和困难的问题，要考虑的因素非常之多，例如发电机出力水平，电网结构，运行方式，预想事故方案和负荷情况等等。需要分析的内容也很多，例如输电线热容量，静态稳定性（包括功角稳定和电压稳定），动态稳定性，暂态稳定性，安全性和可靠性等。总之，有关电力系统的输电能力分析和评价是个复杂和综合问题，目前，许多研究还只是从某个方面对静态进行分析和评价，而对动态输电能力的分析和评价的研究还很少，还存在着很多问题尚待解决。
2可用输电能力和最大输电能力
　　近30年来，电力科学者对同样的输电能力研究也有许多名称。例如，输电交换能力；同时交换能力；输送能力；同时输送能力；北美可靠性协会于1996年又定义为可用输送能力。
　　在1996年，美国联邦能源规划委员会（FERC）制定了889号规定，提出了对一商业性可行的电力市场计算其可用输电能力AvailableTransferCapability，缩写为ATC。试图通过提供这样一个输电系统传送能力的市场信号来进一步促进大型输电网络的开放使用。所以，新的形势下关于可用输电能力ATC的研究也就是如何准确地确定电力市场下电力系统区域间的可用输电能力（ATC），使得系统在满足安全性和可靠性的前提下，最大限度地满足电力市场各方参与者的要求。
　　可以参考北美电力系统可靠性委员会（NERC）修订的关于输电能力的定义：一个系统两区域间的输电能力，是指在至少满足以下三个约束条件下，通过两区域间的所有输电回路从一个区域到另外一个区域可能输送的最大功率。三个约束条件为：①在无故障发生的正常方式下，系统中所有的设备（包括线路）的负荷及电压水平在其额定范围内；②在系统中单一元件如输电线、变压器和发电机停运的故障条件下，系统能够吸收动态振荡，维护系统的稳定性；③当第二个条件中所描述的事故发生且系统振荡平息后，在调度员进行与故障相关的系统运行方式调整之前，所有设备（包括输电线）的功率及电压水平应在给定的紧急事故条件下的额定范围内。
　　ATC是一个电力市场下带来的新概念，是用来衡量互联电力网络如何运行以满足商业性输电服务要求的指标，显然可以看出，ATC其实是一个技术性和商业性的综合体。可用输电能力可表示为TTC－TRM－ETC，其中：TTC是最大输电能力；TRM是输电可靠性裕度；ETC为现存输电协议量（其中包括零售用户服务，以及容量效益裕度CBM）。
　　最大输电能力TTC是指在一可靠方式下互联输电网络上传输的功率量，同时满足一组指定的故障前后系统条件。输电可靠性裕度TRM为必要的输电网输电能力，以确保互联输电网络在系统条件不确定的合理范围内是安全的。容量效益裕度CBM定义为负荷供应单位储备的输电网输电能力的数量，以确保从互联系统获得出力，满足发电可靠性要求。现存输电协议量（ETC）在本质上应该包括在给定条件下所有正常的输电潮流。
　　所以，求解ATC的过程就是在一个确定的运行方式下，求出传输线上所能高出基本状态的最大增加功率的量的过程。在计算中必然考虑支路功率、负荷越限、电压越限以及一系列的稳定性限制。在求解时，首先应确定功率的传输方案，然后使用连续潮流法求解正常状态下的曲线，并由各种约束分析确定正常状态下的最大输电能力TTC。最后由TTC结果及基态潮流和输电裕度来决定在这个运行方式下的可用输电能力。
　　相对于ATC而言最大输电能力TTC是个技术性指标，相当于未引入市场因素下的电力系统区域间输电能力的一个极限。从ATC的计算式能够看出，TTC计算是整个“ATC分析”中的第一步且也是相当关键的一个基础部分。在目前，我国电力市场还大部分处于理论研究状态，所以，在这样的环境下TTC的研究更加显得重要。
3考虑电压稳定的预想事故分析
以往的安全分析，基本上都是以各支路的负荷潮流为对象进行相应计算，然后对所得的计算结果检查有无潮流越限。事实上，事故状况下导致系统不安全的因素很多，而不仅仅是潮流越限。近年来，针对电压稳定方面的安全分析成为许多学者们研究的一个主要方向。
　　考虑电压稳定的电力系统预想事故分析，前提是作出根据连续潮流法求解得到的负荷－电压曲线，在此基础上，判断电力系统某个运行方式下的负荷裕度，如图1。　　相应的，对于预想事故集中的每个事故，按照以同样的负荷增长方式（这样的负荷增长方式既可以是某一系统节点处的负荷按既定的功率因素增长，也可以是整个系统的负荷功率按照既定的方式进行增长，也可以是某几个节点即某个指定的系统区域的负荷进行增长），都可以画出这样的一条P－V曲线，如果把这些曲线放在一起进行比较分析，得到各个事故下系统的负荷裕度的排序，就由此判断各事故对于系统裕度影响的大小与等级。这个排序有利于系统管理员对系统安全状况的了解
和预防。如图2。4裕度分析方法
　　在求解预想事故下的系统裕度时，很多学者提出了各自的方法，如通过灵敏度计算来确定事故下的P－V曲线的鼻点^［5］，还有学者提出了RCI指标和RSI指标^［6］。此外，也有迭代计算在事故筛选中应用及该方法和RSI法相结合对预想事故进行排序，等等。
4．1　RCI法
　　RCI指标（ReactiveCompensationIndex）的提出，为系统负荷裕度的计算提供了一种比较好的近似方法。这种方法的主要观点是：正常状况下曲线鼻点和各预想事故下鼻点间的距离，可以近似地用“为维持原电压水平所需的在系统各负荷节点处所注入的无功的总量”来描述。如图3。其步骤是：
　　1）设定一个正常状况下在鼻点处或者非常接近鼻点的运行方式；
　　2）在各负荷节点同时加上无功补偿，注意要保持各负荷节点的电压水平，执行某个预想事故；
　　3）求解负荷潮流，进而得出所加的电容器的无功输出；

式中：RCIi为出现事故i时的裕度指标；Qⁱ_ji指母线＃处的无功电源输出；j是整个负荷母线的数量；a_j是负荷母线j的权重因子。
　　权重因子，相应于各母线而不同，因为在系统不同节点加入无功补偿所起到的电压支撑作用也不一样。在权重因子的设定上，可以参考系统各节点进行无功补偿后对于系统电压水平的支撑效果，也即灵敏度分析。
　　后来，又有学者在RCI的基础上提出了RSI指标（ReactiveSupportIndex），区别在于这时候并非在每个负荷节点都加上无功补偿，而是仅仅依靠现有的无功装置来进行调节，使系统维持电压水平（注意：此时不考虑发电机的无功出力限制，认为是开放的）。在计算式上也有所区别，以发电机及其它无功装置所增加的那部分无功容量的加权代数和作为新的判别指标。
　　经过这个修改，使得算法更简便和易于实行，运算速度也相对更快。
4．2　迭代筛选
　　从图4中可以看出，整个曲线族被分为高，中，低几等级。如果系统的运行方式处在右侧“低”区域内，则更多的预想事故潮流计算结果达不到该负荷水平，现实中表现为系统的不稳定以至崩溃。相反地，在相对“高”区域，更多的预想事故下系统裕度虽然降低了，但仍是有潮流解的，安全的。　　可以通过迭代筛选选取所要求的n个最严重的事故，步骤如下：
　　1）先选取一个运行点，如负荷为90％时，求解此处的各预[1][2]下一页