基于PSASP的电压稳定性分析

摘要:本文主要阐述了电压稳定研究的意义，电压稳定问题的定义、分类，运用电力系统分析综合程序PSASP电压稳定计算功能，如求取系统小干扰电压稳定极限的算法和确定系统关键节点和关键区域等方法，从而保证电网的安全稳定运行。

关键词：电压稳定；电力系统分析综合程序(PSASP)；系统小干扰；负荷型。

中图分类号：TM71 文献标识码：A

一、引言

近年来，全球电力系统多次发生电压崩溃事故，使得电压稳定问题的研究在世界引起广泛关注。电力系统电压稳定性分析要解决以下问题：判断系统在某一运行状态下，电压是否稳定；给出系统在当前运行点的稳定裕度，也即当前运行点离电压不稳定的距离；找出系统中电压稳定的薄弱节点、支路和区域。

二、电压稳定性的含义及分类

1、电压稳定性的含义

电压稳定性是指系统在受到扰动后，在系统特性和负荷特性的共同作用下能维持负荷点电压运行在平衡点附近的能力。就问题的物理本质意义而言，电力系统的电压稳定性是指系统在承受各种扰动后能够维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力；就稳定性的物理表现而论，电力系统的稳定性是指其具有抑制各种扰动并恢复到原始稳定平衡状态(小扰动稳定性)或过渡到新的稳定平衡状态(大扰动稳定性)的能力。

2、电压稳定性的分类

（1）电压稳定可以按照扰动大小和时间框架分别进行划分，按扰动大小分，电压稳定可以分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。其中，小扰动指的是诸如负荷的缓慢增长之类的扰动；大扰动指的是诸如系统事故、发电机被迫切除之类的扰动。

（2）按时间框架分，电压稳定可以分为短期电压稳定和长期电压稳定。短期电压稳定的研究对象主要是感应电动机、高压直流输电(HVDc)变流器等，时间范围一般在几秒以内：长期电压稳定的研究对象主要是变压器分接头调节、发电机励磁限流器等，时间范围一般在几分钟到几十分钟之间。

三、电力系统分析综合程序PSASP的电压分析功能

1、电力系统分析综合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)是中国电力科学研究院自主研发的一套功能强大、使用方便的电力系统分析大型软件包，包括电压稳定性分析模块。本文基于PSASP，对电网进行了静态电压稳定性分析，指出了系统中的薄弱节点、薄弱区域。

2、PSASP电压稳定计算的主要功能和特点

(1)可考虑负荷发电机及其励磁系统有载调压变压器分接头(OLTC)等与电压稳定性密切相关的动态元件特性；

(2)可求出对应于指定系统过渡方式的电压稳定极限(稳定裕度)；

(3)常规潮流计算方法与两种改进病态潮流计算方法结合可得到完整的P-V（Q-V）曲线；

(4)可分别在系统初始稳态运行点和电压稳定极限点进行模态分析确定系统的关键节点和关键区域；

(5)可求出系统初始稳态运行点和电压稳定极限点处各节点的电压-功率(系统总功率)灵敏度；

(6)可通过P-V(Q-V)曲线监视系统电压稳定极限的计算过程；

(7)可在系统单线图上计算系统电压稳定极限进行模态分析。

3、PSASP采用模态分析方法来判别系统的薄弱节点和薄弱区域。分别在初始稳态运行点和电压稳定极限点进行模态分析，求出各节点对主导电压失稳模式的参与因子，根据参与因子的大小可确定系统的薄弱节点和薄弱区域。参与因子越大则表明该节点的功率变化对电压稳定性影响越大，也就说明此节点越薄弱。

4、负荷模型和发电机出力方式的确定在进行电压稳定性计算时，负荷模型采用40％恒阻抗+60％恒功率的静态负荷模型，不考虑负荷的频率特性。负荷增长方式为：全系统各负荷保持当前状态时的功率因数和比例不变，同步增长至电压稳定极限点；发电机出力按照当前状态的比例不变，同步增长；在迭代过程中，若发电机无功出力越界，则将PV节点转化为PQ节点。

四、电力系统电压稳定的研究方法

电力系统电压稳定的研究主要在以下几个方面:分析当前系统运行点与电压失稳点的距离或电压稳定裕度的大小；分析可能引发系统电压失稳的薄弱节点或薄弱区域；研究防止系统电压失稳的控制策略：对于大干扰电压稳定进行故障选择和筛选，研究影响电压稳定的故障极限切除时间：当需要切负荷时，快速计算为保持电压稳定所应切除的负荷量以及负荷的极限切除时间。

1、求取系统小干扰电压稳定极限的算法

（1）在给定的初始运行状态及过渡方式下，系统小干扰电压稳定极限的求解过程可以描述为：从系统被研究的稳态运行点开始，按一定步长不断增加k的取值，然后进行潮流计算，同时考虑各种约束条件，采用小干扰电压稳定新判据判别系统的稳定性直至得到系统电压稳定极限。采用逐步搜索计算电压稳定极限，并在每个搜索步上采用预估-校正算法，以提高求解速度 。

（2）校正算法可以是综合程序PSASP现有的适合于不同特性网络的各种潮流解法。随着系统运行方式的不断恶化，校正时所用的潮流解法可能不收敛，即出现病态潮流问题，对此可选择改进潮流算法来消除奇异点或将奇异点移到电压低于最大负荷点电压的区域。改进算法实际是通过增加各个节点与主导节点之间的虚拟支路来克服常规潮流算法的病态问题。改进算法实际为算法的推广，并给出了选择更好的数值函数提高算法收敛性的余地。改进算法仅需对潮流雅可比矩阵做简单修正没有增加矩阵的维数，并基本保持了雅可比矩阵的稀疏性，计算效率比较高。

（3）为了得到完整的P-V(Q-V)曲线，可在改进潮流算法不收敛后，再次切换到常规的潮流算法。常规的潮流算法和改进潮流算法相结合，可得到完整的P-V(Q-V)曲线。

2、确定系统关键节点和关键区域

（1）由于根据电压稳定极限所得出的裕度指标仅是系统的一个全局安全指标，它并不能给出系统的关键节点(薄弱节点)和关键区域(薄弱区域)等信息，因而还不能为实际系统运行提供全面的指导信息例如当系统的电压稳定裕度较低时可选择在某些地点装设无功补偿装置以改善系统的电压稳定性另外在某些重负荷情况下为防止系统发生电压崩溃，在系统无功补偿装置都已投入的情况下，应在某些关键节点紧急切负荷，以使系统的电压稳定性满足所能接受的水平。最佳无功补偿装置设置点和最佳切负荷点实际均为系统电压稳定性最薄弱的节点。

（2）很多电压稳定性指标都可提供有关系统弱节点、弱区域的信息。由于现有的判别系统弱节点、弱区域的方法都是基于常规潮流雅可比矩阵的。并不是基于系统的状态方程系数矩阵，因而所得出的结果并不严格基于发电机负荷静态化雅可比矩阵JS，PSASP采用模态分析方法来判别系统的弱节点和弱区域，这相当于近似考虑了与电压稳定性密切相关的动态元件特性。

可分别在初始稳态运行点和电压稳定极限点进行模态分析，求出各节点对主导电压失稳模式的参与因子，根据参与因子的大小，可确定系统的薄弱节点和薄弱区域。参与因子越大，则表明该节点功率的变化对电压稳定性影响越大。由于通常情况下，初始稳态运行点的电压稳定裕度较高，故在电压稳定极限点或重负荷运行方式下的模态分析结果可能更有实际意义。

（3）另外，在计算电压稳定极限的过程中，还可计算出各母线的电压对系统总功率的变化率，即电压-功率灵敏度，根据该灵敏度由大到小也可确定系统的薄弱节点和薄弱区域。由于是基于静态的潮流方程计算电压-功率灵敏度，所以该灵敏度反映的是由于系统网络特性所决定的薄弱节点和薄弱区域，可能与考虑发电机及其励磁系统的模态分析结果有较大差异。

结论

通过对电网的电压稳定性分析，可以得出如下有意义的结论：(1)母线的电压稳定性不仅同所带负荷轻重有关系，而且同母线在网络中的位置、电网的运行方式有关。(2)在负荷增加的过程中，电压稳定的薄弱区域有可能发生转移，运行人员不仅要监控当前运行状态下最薄弱的母线，更要注意电压稳定极限点时最薄弱母线的运行状态。(3)线路的功率传输裕度较大，但有可能线路两端母线的电压波动范围较小，运行人员也应该密切监控这些线路或母线的运行情况。(4)电力系统