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面向故障后电力系统的静态安全稳定快速计算方法探索与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着经济的飞速发展和科技的不断进步，现代电力系统规模持续扩张，结构愈发复杂，已然成为世界上最庞大且复杂的人造系统之一。其涵盖了发电、输电、变电、配电和用电等多个环节，涉及众多的电力设备、复杂的网络拓扑以及海量的运行数据。电力系统不仅规模庞大，各组成部分之间还存在着紧密的相互关联和相互作用，呈现出高度的非线性和强耦合特性。同时，新能源的大规模接入、电力市场的逐步开放以及智能电网技术的广泛应用，进一步增加了电力系统运行的不确定性和复杂性。

保障电力系统的安全稳定运行至关重要，这是国民经济稳定发展和社会正常运转的基石。电力供应一旦出现中断或不稳定，将对工业生产、商业活动和居民生活造成严重的负面影响。例如，2003年发生的美加“8?14”大停电事故，致使美国东北部和加拿大安大略省大面积停电，约5000万人受到影响，造成的直接经济损失高达数十亿美元；2019年，英国发生的大规模停电事故，导致交通系统瘫痪、医院正常医疗秩序被打乱，给民众生活带来极大不便，经济损失也相当可观。这些严重的停电事故不仅凸显了电力系统安全稳定运行的重要性，也警示着我们必须高度重视电力系统的安全稳定问题，采取有效措施加以保障。

在电力系统的运行过程中，故障的发生难以完全避免。短路故障、设备故障、线路跳闸等各类故障，都可能导致系统结构发生变化，潮流分布出现异常，进而对电力系统的静态安全稳定产生严重影响。当故障发生后，快速准确地计算电力系统的静态安全稳定状况，对于及时采取有效的控制措施、防止事故扩大以及保障电力系统的安全稳定运行具有关键意义。通过静态安全稳定计算，能够快速确定系统的薄弱环节和潜在风险，为调度人员提供决策依据，使其能够迅速调整系统运行方式，采取诸如切负荷、调整发电机出力、投切无功补偿装置等有效措施，确保系统在故障后的稳定运行。

传统的电力系统静态安全稳定计算方法，如牛顿-拉夫逊法、PQ分解法等，虽然在一定程度上能够满足常规运行状态下的计算需求，但在面对故障后的复杂情况时，却暴露出诸多不足。这些传统方法通常需要进行大量的矩阵运算和迭代求解，计算过程复杂，耗时较长，难以满足故障后对计算速度的迫切要求。同时，由于传统方法在模型简化和假设条件等方面存在一定的局限性，导致计算结果的准确性也受到影响，无法精确反映电力系统在故障后的真实运行状态。在实际电力系统中，故障情况复杂多变，可能涉及多个元件的同时故障、不同类型故障的组合以及故障后的连锁反应等，传统计算方法难以全面准确地考虑这些复杂因素，从而降低了计算结果的可靠性和实用性。

因此，开展故障后电力系统静态安全稳定快速计算方法的研究具有极为重要的现实意义和理论价值。一方面，快速准确的计算方法能够在故障发生后的短时间内，为调度人员提供准确的系统安全稳定信息，帮助他们及时做出科学合理的决策，有效防止事故的进一步扩大，提高电力系统的安全性和可靠性；另一方面，这一研究有助于推动电力系统分析理论和计算技术的发展，为智能电网的建设和运行提供更加坚实的技术支撑，促进电力行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在故障后电力系统静态安全稳定计算领域，国内外学者开展了广泛而深入的研究，取得了一系列丰富的成果。

在国外，诸多先进的计算方法和技术不断涌现。例如，潮流计算法是较早被广泛应用的经典方法之一。它通过利用电力系统中各个元件的等效电路参数进行建模，再借助基于矩阵的分析方法来进行计算，以此分析电力系统的稳态运行特性，包括节点电压计算和支路电流计算，从而求解得到各节点的电压和各支路的电流。潮流计算不仅能分析电力系统的稳定性、可靠性和效率，为电力系统的规划、设计和运行提供重要依据，还能用于分析电力系统的故障情况，为故障诊断和恢复提供有力支持。但潮流计算法在处理大规模复杂电力系统时，由于矩阵运算量庞大，计算效率较低，且对于一些复杂的故障场景和不确定性因素的考虑存在局限性，导致计算结果与实际情况存在一定偏差。

动态暂态分析法则针对电力系统中因故障形成的动态变化进行计算和模拟。它能够对系统的稳定进行动态分析，并给出合理的控制策略，在研究电力系统受到大扰动后的暂态行为方面具有重要作用。然而，该方法对计算资源的需求极高，计算过程复杂，且模型的准确性依赖于对电力系统各元件动态特性的精确描述，在实际应用中，由于元件特性的复杂性和不确定性，模型的精确建立存在一定困难。

随着计算机技术和建模技术的迅猛发展，一些新的技术手段被引入到该领域。如蒙特卡罗方法，这是一种基于随机抽样的数值计算方法，在电力系统静态安全分析中得到了广泛应用。它利用大量的随机抽样来代替对参数的精确确定，从而能够评估不确定性对电力系统安全性的影响，并获得一定的概率分析结果。但蒙特