《现代电力系统分析》讲义汇总

《现代电力系统分析》Advanced Analysis of Power System课程介绍：本课程是在本科阶段学习《电力系统稳态分析》的基础上，针对现代电力系统特点，结合现代电力系统分析研究成果，为硕士研究生今后从事电力系统相关课题研究打下必要的基础而设置的一门《电力系统分析》延伸性质的课程。

本课程是从事电力系统经济运行、控制和稳定性分析研究的基础，也是现代电力系统规划、电能管理系统等应用项目的基础。

课程由若干专题讲座构成，讲授和讨论相结合。

课程主要内容：一、现代电力系统分析基本功能、方法二、大规模电力系统分析的等值处理三、大规模电力系统分析的分块处理四、电力系统状态估计的基本功能、方法五、加权最小二乘状态估计六、快速分解状态估计、等值变换状态估计七、动态电力系统状态估计（*，以分块算法研究代替）八、不良数据检测和辨识方法九、广义状态估计方法（*）十、配电网络状态估计方法（*）考核方式：报告+考试。

先修课程：电力系统分析、数值计算方法。

参考书籍：诸骏伟. 电力系统分析上册. 中国电力出版社，1998年或诸骏伟. 电力系统分析上册. 水利电力出版社，1995年张伯明，陈寿孙著. 高等电力网络分析. 清华大学出版社，1996年H．H．Happ著，丘昌涛译. 分块法及其在电力系统中的应用. 科学出版社，1987年于尔铿主编. 水利电力出版社，1985年宋文南，李树鸿，张尧. 电力系统潮流计算. 天津大学出版社，1990年第1讲 现代电力系统分析基本功能、方法现代电力系统的特点规模庞大：1）系统网络节点数量多；2）系统覆盖地域广。

结构复杂：1）拓扑结构复杂；2）系统参数变化点多；3）交直流混合系统。

影响面宽：由影响一个地区、一个省、一个大区、一个国家到多个国家。

课程学习方法：复习《电力系统稳态运行分析》部分，多思考，多阅读文献，必要时编写程序对一些问题进行验证计算。

预备知识：电力网络构成，元件以及元件之间的连接。

电力网络运行性能受到两个约束：元件特性的约束和联结关系的约束（拓扑约束）。

把这种约束关系扩充到电力系统，则可认为电力系统运行性能除了元件约束、联结关系的约束外，还有许多约束：功率平衡的约束、对某些变量变化范围的约束、发电机出力的约束、安全要求的某些约束、经济性运行要求的某些约束。

因此，可以认为，电力系统运行是各种约束作用下的结果。

从电路的角度看，每一元件特性都能把施加于该元件上的电压和流过该元件的电流联系起来，这种特性通常可以用几个参数表示：R 、L 、C 。

电力网络中的电流、电压等要满足KCL 和KVL ，这是建立电力网络数学模型的基础。

对于一个独立节点数目为n 的电力网络，可以根据KCL 列出电流方程为：I YU =式中，12Tn I I I I ⎡⎤=⎣⎦为节点电流列向量，12Tn U U U U ⎡⎤=⎣⎦为节点电压列向量，Y 为网络的节点导纳矩阵。

考虑到在电力系统分析中，电流的使用极少，因此，把电流用功率代替，对于某一节点i ，有i i i S I U *⎛⎫= ⎪⎝⎭，因此有：S YU U *⎛⎫= ⎪⎝⎭注意上式的电压、功率均为列向量，因此S U *⎛⎫⎪⎝⎭可看成列向量对应元素进行的除运算。

展开上式，有：11,2,,ni iij jj iP jQ Y U i n U *=-==∑这就是电力系统运行中的功率平衡方程式。

所谓的潮流计算就是解上述方程式。

由于上式的非线性，解上述方程组也就有了各种各样的算法，这些算法的获得主要遵循以下原则：1）应用数值计算方法； 2）考虑电力系统特点；3）考虑计算结果的用途而进行适当的简化。

衡量算法的指标：计算收敛性，计算速度，计算稳定性，计算复杂性等。

电力系统分析基本功能：电力系统分析通常指的是电力系统稳态运行分析。

传统意义上的电力系统分析指的是潮流计算。

因此，潮流计算是现代电力系统分析的基础。

为什么要进行潮流计算？潮流计算的结果就是电力系统进行控制的目标；潮流计算的结果就是系统可能出现的运行状态；潮流计算的结果就是系统不希望出现的运行状态；潮流计算的结果就是进行系统经济性调度、安全性评估的基础。

控制变量和状态变量：将变量划分为两组：一组为控制变量，它包括除平衡节点外其它发电机的有功功率、各发电机节点的电压幅值及各调压变压器的变比，并将这些变量用向量u表示；另外一组为状态变量，它包括除平衡节点外其它节点的电压相位以及除发电机节点外其它节点的电压幅值，并将这些变量用向量x表示。

现代电力系统分析和传统电力系统潮流计算的差别是什么？1）计算方面的差别对一个特定的网络，在给定了一组输入量（控制变量）后，通过网络方程解出另外一组（状态变量）量，该组变量能唯一地确定系统的潮流分布，这就是传统电力系统潮流计算问题。

这种计算问题，贯穿了一个很重要的特点：网络是确定的，控制变量是确定的，从而获得的计算结果也是确定的，即潮流计算是确定性问题的解的过程，这是一个观测问题。

现代电力系统分析中所取得的输入量，是来自SCADA系统的数据，这些数据是通过各种仪表测量得到，也就是说，这些数据是包含有误差的（也称为噪声），即这些数据是不确定的，包含了随机信号，由此可以肯定，计算得出的结果也只能是不确定的，其解是一种统计意义上的解，因此，这是一个估计问题。

从原理上来讲，现代电力系统分析的目标与传统电力系统潮流计算的目标是一致的，都是希望获得电力网络中各节点的电压和相位，从而可以进一步确定系统运行的经济性、安全性。

因此，潮流计算是现代电力系统分析的基础，两者有着天然联系。

2）应用差别传统的电力系统调度的第一步是潮流计算，由于计算工具和计算技术的原因，采取的是离线计算方式，计算结果就是调度控制的结果，称为计算和控制的一致性。

缺点是这种控制的实时性较差。

传统的电力系统规划的第一步也是潮流计算，同样地采取离线计算方式，计算结果作为规划基础，依然是计算和规划的一致性。

缺点是这种计算方式对于电力系统实时经济运行控制是不适用的。

由于传统电力系统规模以及技术发展的原因，经济性分析、安全性分析多采取离线分析方式，计算多采取集中式，即由一台计算机或集中于一处的计算机群担负计算任务。

缺点是离线计算方式对电力系统预防性控制等应用帮助有限。

现代电力系统规模庞大，由此带来一系列问题：1）完成电力系统分析需要进行的计算量大，系统结构趋于复杂，导致原有计算在计算效率、计算稳定性等方面存在一些不相适应的地方，需要加以改进；2）现代电力系统分析的输入量来自系统设置的各个测量点，所获得的数据存在着误差，此外，在测量数据的采样上也存在着时差，因此，分析计算方法需要进行改进；3）现代电力系统的许多控制功能需要在线进行，实时性要求高，需要提高算法计算速度；4）需要进行更多技术参数（指标）的分析，需要进行的分析多样化。

根据以上分析，现代电力系统分析面临的研究课题主要有：1）离线算法向在线算法的过渡（观测性问题向估计性问题过渡）；2）在线算法的进一步改进（估计效率、估计的正确性、估计的可靠性等）；3）分析结果的应用（与各种不同应用目的算法的结合、）；4）全局和局部的问题（如何完成对系统的局部分析而不失准确、如何通过局部分析再现全局）；5）新技术和新理论的应用；6）分析难点的突破（观测性、异构性问题、相位问题等）。

现代电力系统分析主要研究内容：FACTS ⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎩⎧⎪⎨⎪⎩⎧⎪⎨⎪⎩⎧⎨⎩加权最小二乘二次准则快速分解量测变换估计准则问题加权绝对值最小非二次准则中位值估计抗差估计变压器抽头变化参数估计问题控制系统拓扑结构变化估计计算方法研究病态方程求解问题和最优估计问题垂直管理：分层电力系统生产管理体系问题横向管理：分布、分散电力网格调度管理体系动态电力系统建模型问题动态电力系统状态估计问题状态跟踪问题带约⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧⎪⎨⎪⎩⎪⎪⎪⎩⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎧⎪⎨⎪⎩等式约束束条件状态估计问题不等式约束配电网络的状态估计问题新理论和新技术的应用状态估计的可观测性问题不良数据检测和辨识的可观测性问题可观测性问题可观测性分析方法可观测性与量测配置估计前实现状态估计相关问题的研究不良数据检测、辨识及修正问题估计后实现估计中实现电力市场环境下的电力系统状态估计问题与电力系统EMS ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩控制、经济运行、安全运行相关的问题电力系统状态估计实践、与接口等问题新理论和新技术的应用现代电力系统能量管理系统（Energy Management System, EMS ）的构成：硬件的主要组成部分： 1）RTU ；2）数据通信设备；3）主站（模拟盘、人—机接口设备、计算机系统）。

主要软件功能：1）安全分析安全分析指的是在电力系统内部运行状态发生变化或即将发生变化的情况下，通过分析说明系统安全受到威胁或安全制约条件受到破坏时，如何寻求由分析所发现问题的预防性策略。

安全分析的主要内容包括：偶然事故分析；操作人员对潮流的分析；短路分析。

偶然事故分析包括偶然事故过滤，即准确计算的预选择，对偶然性事故的排序，即按照偶然事故的严重程度列出关键的偶然事故。

操作人员利用特定的状态改变或节点注入（节点负荷、发电功率）寻求其稳态条件。

短路分析是一种传统的规划工具，2）监视监视功能的目标是提供系统瞬时状态的描述，即完整的潮流解。

监视功能的主要内容有：拓扑和网络着色；合理性检查；可观测性；状态估计；不良数据分析；外部模型表示。

3）发电控制功能发电控制的主要目的是在维持电能质量并满足系统安全约束条件的同时减少发电费用。

主要包括有功功率/频率的控制、无功功率/电压控制。

自动发电控制（AGC）就是控制机组的出力使系统频率和区间交换功率维持在计划值的条件下使系统运行最经济。

与频率控制不同，由于对高度环网的系统进行电压/无功功率控制是困难的，因此，无功功率控制通常是在电力系统的局部进行。

4）运行情况改善该功能主要包含：最优潮流；校正计划；校正开关操作；电压/无功功率优化。

基本算法是具有不同目标函数的最优潮流。

5）能量管理该功能主要有：负荷预测；火电机组最优组合；水电机组优化；水火电协调；交换功率计算；维修安排。

6）培训仿真主要目的在于提高操作人员的技能。

第2讲大规模电力系统分析的等值处理为什么需要对电力系统分析进行等值处理？在电力系统分析过程中，常常需要对系统进行等值处理，一方面可以简化分析计算过程，减少分析计算量，另外一方面可以突出分析重点，使我们更好地关注电力系统某些局部的运行状态变化。

常用的网络变换、化简和等值技术星网变换及负荷转移星型接法电路如图所示，星型电路中的节点编号为i ，支路导纳分别为1i y 、2i y 和3i y ，节点i 的注入电流为i I ，星型电路各节点（节点i 除外）注入电流分别为1I 、2I 和3I ，变换后的电路如图所示，各支路导纳分别为12y 、21y 和31y ，各节点注入电流分别为11I I +∆、22I I +∆和33I I +∆。