一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法
2023-12-12 11:09:27 1
一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制決策方法，將能量函數方法和軌跡預測方法相結合，採用PMU實時數據，快速決定系統的穩定措施、實現策略和方法，使在電網故障中進行後追加控制成為可能。結合基於SCADA/EMS實時數據信息，能夠提取基於電網能量函數的電力系統動態特徵，包括切機能量函數和切機量的靈敏度提取；對可能發生的故障失穩進行校核，生成故障失穩追加策略表，滿足電力系統信息在線安全控制實時性的需求，提高了電力系統安全穩定控制決策的效率。提出「在線循環周期的運行方式監控及分析」和「系統發生大擾動故障時的操作監控及後追加控制」相結合的控制策略，能夠減輕在線控制和時域仿真對實時性的要求。
【專利說明】一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統領域，特別涉及一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法。
【背景技術】
[0002]對於切機穩定控制而言，在特定的大擾動場景下，主要需要解決兩方面問題，一個是控制地點，也就是靈敏度問題；另一個是控制強度，實際上就是穩定裕度問題。這兩個問題在不同的規模和不同的網絡結構下呈現的複雜性有所不同[1]。近些年來，隨著全球定位系統GPS技術以及相量測量裝置(PMU)的日益發展，為電力系統暫態穩定控制提供了新的條件[2]。美國Stanton等人提出的局部暫態能量函數方法，採用PMU在線測量發電機相對於慣性中心的轉速的最大值與離線計算的臨界轉速的比值確定切機量，但發電機相對於慣性中心的轉速計算需要全系統所有發電機的信息，並且信息必須嚴格同步，這在耗資和通信方面的要求目前可能是無法接受的[3]。這一問題實際上表明了廣域測量系統迄今無法成功進行電力系統動態安全分析的主要原因。
[0003]當前電力系統安全控制主要採用「離線計算、在線匹配」方式[4]，其中，離線計算在電網上採集數據，再利用所儲存的數據進行計算分析得到所需要的指標；在線匹配在電網上採集數據，實時的進行對比計算匹配控制方案。這種方案通過控制裝置實時檢測當前運行工況和故障，然後從由工況和故障組成的二維表中查找預先準備的控制措施並執行。此類方式具有較高的可靠性，可以針對預想事故集進行充分的離線分析；穩定控制措施易於實現，速度上滿足穩定控制啟動上的時間要求。但實際系統運行方式經常變化，在實施過程中有時會發生方式失配和故障失配等情況，方式失配包括:(1)新的未考慮到的惡化系統穩定性的方式；(2)當前方式下可供切除的機組少於策略表中的值；故障失配包括:(1)安全穩定控制裝置拒動，即安控下達過程中因安控系統的原因導致有部分執行切除命令的機組或負荷拒動；(2)發生預想故障集之外的故障，如故障切除時間延長等情況。採用「離線計算、在線匹配」的方式無法有效處理方式失配和故障失配兩種情況，從而會降低電力系統在故障條件下的安全穩定。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，本發明基於安全穩定策略方式失配的校核和系統發生大擾動故障時在線穩定措施追加校核和控制相結合的方法，快速判斷系統狀態並獲得系統最佳追加的切機量措施，促進大規模電力系統暫態安全穩定性，詳見下文描述:
[0005]一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，所述方法包括以下步驟:
[0006]( I)設定電力系統刷新周期，確定「離線計算、在線匹配」方案中的嚴重故障，形成嚴重故障集，並獲得嚴重故障集中每一個故障緊急控制措施對應的切機範圍和切機量；
[0007](2)提取區域電網的數據採集與監視控制系統實時數據信息，對電力系統運行方式仿真數據進行更新，獲得電力系統當前刷新周期內的運行工況，並提取電力系統離線安全穩定控制策略表，執行步驟(3)；
[0008](3)針對更新後的電力系統進行安全穩定策略方式失配的校核；
[0009](4)通過繼電保護系統監測電力系統是否發生故障或大擾動，若監測到電力系統發生故障，按照「離線計算、在線匹配」方案執行離線安控策略，同時觸發執行步驟(5);若沒有發生故障，判斷電力系統是否到刷新周期結束時間，若已經到達，執行步驟(2);[0010](5)基於廣域測量系統提取故障發生過程中的PMU信息，通過實時響應軌跡預判斷電力系統暫態穩定性，若判定電力系統能夠保持暫態穩定性，則不採取追加控制措施；否則執行系統發生大擾動故障時在線穩定措施追加校核和控制，獲得提高電力系統安全穩定性的緊急控制決策方案。
[0011]步驟(3)的操作具體為:
[0012]I)基於電力系統當前刷新周期內的運行工況生成相應仿真程序的輸入數據；
[0013]2)掃描離線安全穩定控制策略表，基於電力系統當前刷新周期內的運行工況選擇對應的運行方式，並獲得該運行方式下的嚴重故障集，選擇一個嚴重故障進行數值時域仿真；
[0014]3)對於發生的嚴重故障，若電力系統保持功角暫態穩定性，則返回步驟(2);若不能保證穩定，記此時的追加切機量為P1, P1=O,計算電力系統的第一最小動能，記為PKEmin IP1，執行步驟 4)；
[0015]4)查看離線安全穩定控制策略表，若離線安全穩定控制策略表中有相應的穩定措施，基於追加切機量進行數值時域仿真，執行步驟5);若沒有，則基於電力系統允許的最小切機量Pmin進行仿真，執行步驟5)；
[0016]5)若仿真結果顯示電力系統能夠保證功角暫態穩定，則返回步驟(2);若不能保證穩定，將對應的追加切機量記為P2，P2=O,計算此情況下電力系統的第二最小動能，記為PKEmin IP2，執行步驟 7)；
[0017]6)在追加切機時間tshed按照原有切機量進行再次追加控制，若能保持穩定，則將最小切機量Pmin作為追加切機量，記此時的追加切機量為P。；否則記此時的追加切機量為P3，計算此情況下電力系統的第二最小動能，記為PKEminIP3，執行步驟7)；
[0018]7 )通過第二最小動能和第二最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係Kpke(tcl, tshed, j)，j代表母線，tcl代表故障切除時間，tshed代表追加切機時間；
[0019]8)將不同發電機組的靈敏度關係KPKE(tel，tshed, j)、追加切機量、最小動能存儲至方式失配追加切機控制策略靈敏度附表，執行步驟9)；
[0020]9)針對離線安全穩定控制策略表中含有相應的穩定措施的嚴重故障進行故障失配校核，假設在對應控制時間穩定控制措施未啟動，按原穩定控制措施對應的控制量進行緊急控制，若能夠保持功角暫態穩定，則返回步驟2);若不能保持穩定，記此時的追加切機量為P4，計算此時情況下的電力系統四最小動能PKEminIP4，執行步驟10)；
[0021 ] 10)通過第一最小動能和第四最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係KF(tcl, tshed, j)；
[0022]11)將不同發電機組的靈敏度關係Kf(td，tshed, j)、追加切機量、最小動能存儲至故障失配追加切機控制策略靈敏度附表。[0023]步驟(5)的操作具體為:
[0024]I)暫態受擾軌跡預測；
[0025]2)若離線安全穩定控制策略表中有相應的穩定措施，則直接提取表中的穩定措施集合，否則基於實時運行方式失配追加切機控制靈敏度附表搜索允許的穩定措施集合；
[0026]3)基於實時運行方式失配追加切機控制靈敏度附表求得的KpkeUc^ tshed, i)，求取臨界切機量P。;
[0027]4)對於穩定措施控制集合中，獲得大於臨界切機量的最小機組組合Pmaxl，即滿足min (P-Pc)，其中，P代表發電機組合切機量；
[0028]5)基於故障方式失配追加切機控制靈敏度附表求得的Kf (td，tshed, i)，求取臨界切機量Pcl ;
[0029]6)對於穩定措施控制集合中，獲得大於臨界切機量的最小機組組合Pmax2，即min (P-Pcl)。
[0030]本發明提供的技術方案的有益效果是:
[0031](I)提供一種電力系統緊急追加控制決策和實現方法，將能量函數方法和軌跡預測方法相結合，採用PMU實時數據，快速進行系統分析和穩定措施決策，達到故障中電力系統追加控制和其實現策略和方法。
[0032](2)結合基於SCADA/EMS實時數據信息，能夠提取基於電網能量函數的電力系統動態特徵，包括切機能量函數 和切機量的靈敏度提取；對可能發生的故障失穩進行校核，生成故障失穩追加策略表。
[0033](3)提出「在線循環周期運行方式監控及分析」和「系統發生大擾動故障時的操作監控及後追加控制」相結合的控制策略，能夠減輕在線控制和系統仿真對實時性的限制，可應用於省、網級大電網。
[0034](4)滿足電力系統在線安全控制實時性的需求，提高了電力系統安全穩定控制決策的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為本發明提供的提高電力系統安全穩定性的緊急追加控制策略實施邏輯圖；
[0036]圖2為本發明提供的區域安全穩定控制系統架構；
[0037]圖3為本發明提供的後追加控制在安全穩定控制中的位置示意圖；
[0038]圖4為本發明提供的系統發生大擾動故障時的緊急控制決策流程；
[0039]圖5為本發明提供的電網安全穩定控制量不足時追加控制切機量決策方法；
[0040]圖6為本發明實例中所採用的IEEE-39節點算例系統；
[0041]圖7為本發明實例中不同切機措施下的投影動能PKE變化曲線及預測曲線；
[0042]圖8為發明實例中採用追加緊急控制措施的投影動能PKE變化曲線。
【具體實施方式】
[0043]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0044]為了快速判斷系統狀態並獲得系統最佳追加的切機量措施，促進大規模電力系統暫態安全穩定性，本發明實施例提供了一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，參見圖1，本方法基於安全穩定策略方式失配的校核和系統發生大擾動故障時在線穩定措施追加校核和控制相結合的方法，詳見下文描述:
[0045]101:設定電力系統刷新周期，確定「離線計算、在線匹配」方案中的嚴重故障，形成嚴重故障集，並獲得嚴重故障集中每一個故障緊急控制措施對應的切機範圍和切機量；
[0046]其中，嚴重故障是指在故障條件下進行離線仿真，電力系統暫態失穩或者已經到了電力系統穩定邊界的故障。故障緊急控制措施包括:切除發電機、切負荷、快關氣門等，本方法主要對切除發電機的方案進行校核，其他類型緊急措施方法可以類比獲得。切除發電機是直接切除過剩的暫態動能。「過剩的」暫態動能的確定涉及合適的地點選擇和合適的切除量兩方面的內容。具體實施過程中範圍限定在「離線計算、在線匹配」方案所涉及的母線上發電機和發電機在線發電容量。
[0047]102:提取區域電網的數據採集與監視控制系統(SCADA/EMS)實時數據信息，對電力系統運行方式仿真數據進行更新，獲得電力系統當前刷新周期內的運行工況，並提取電力系統離線安全穩定控制策略表，執行步驟103 ；
[0048]其中，SCADA是原始數據，EMS數據是反映電網實時運行狀態的穩態數據，電力系統刷新周期通常為15分鐘，若電力系統規模較小，如僅對省級電網進行詳細時域仿真分析，外省電網進行等值或簡化處理情況下，刷新周期可為10分鐘或5分鐘。離線安全穩定控制策略表是由電力系統離線控制系統針對預想事故集進行離線計算預先生成的控制策略。
[0049]103:針對更新後的電力系統進行安全穩定策略方式失配的校核；
[0050]安全穩定策略方式失配的校核是針對「離線計算、在線匹配」方案中的每一個嚴重故障分別進行時域仿真分析，獲得相應的電力系統追加緊急控制策略:對故障情況下不同母線節點的切機穩定措施和系統投影能量函數之間的靈敏度，生成故障的「方式失配追加切機控制策略靈敏度附表」;對潛在的故障失配情況進行計算分析，獲得「故障失配追加控制策略表」。
[0051]該步驟具體實施採用以下步驟:
[0052]1031:基於電力系統當前刷新周期內的運行工況生成相應仿真程序的輸入數據；
[0053]其中，本發明實施例中的仿真程序採用商業軟體BPA，基於輸入數據進行電力系統潮流計算和時域仿真的穩定分析，具體實現時，還可以採用其他的商業軟體進行計算，本發明實施例在此不做限制。
[0054]1032:掃描離線安全穩定控制策略表，基於電力系統當前刷新周期內的運行工況選擇對應的運行方式，並獲得該運行方式下的嚴重故障集，選擇一個嚴重故障進行數值時域仿真；
[0055]其中，離線安全穩定控制策略表的實施主要基於電網安全穩定控制系統，其目的是防止電力系統失去穩定性和避免電力系統發生大面積停電事故。控制手段可包括:輸電線路自動重合閘、電力系統穩定控制裝置(發電機快速汽門控制、切發電機、切負荷、電氣制動、快速補償、備用投入、直流系統控制等)、電力系統自動解列裝置、按頻率降低自動減負荷裝置和按電壓降低自動減負荷裝置等。其中，切機是當前最成熟，也是最常用的緊急控制措施。本方案主要針對切機追加控制進行說明。
[0056]1033:對於發生的嚴重故障，若電力系統保持功角暫態穩定性，則返回步驟102 ；若不能保證穩定，記此時的追加切機量為P1 (P1=O)，計算電力系統的第一最小動能，記為PKEmin IP1，執行步驟 1034 ；
[0057]1034:查看離線安全穩定控制策略表，若離線安全穩定控制策略表中有相應的穩定措施，基於追加切機量進行數值時域仿真，執行步驟1035 ;若沒有，則基於電力系統允許的最小切機量Pmin進行仿真，執行步驟1035 ；
[0058]1035:若仿真結果顯示電力系統能夠保證功角暫態穩定,則返回步驟102 ;若不能保證穩定，將對應的追加切機量記為P2 (P2=O)，計算此情況下電力系統的第二最小動能，記為PKEmin IP2，執行步驟1037 ； [0059]1036:在追加切機時間tshed按照原有切機量進行再次追加控制，若能保持穩定，則將最小切機量Pmin作為追加切機量，記此時的追加切機量為P。；否則將對應的切機量記為P3，計算此情況下電力系統的第三最小動能，記為PKEmin IP3,執行步驟1037 ；
[0060]1037:通過第二最小動能和第三最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係
KpKE (tcl，tshed，j);
[0061 ] 具體通過下式差分方法獲得:
[0062]KPKE^hed- ^ - pKE^_pKE^⑴
[0063]其中，j代表步驟101中嚴重故障對應的穩定控制措施中第j個母線上發電機的切機措施，tcl代表故障切除時間，tshed代表追加切機時間。
[0064]1038:將不同發電機組的靈敏度關係KPKE(tel，tshed, j)、追加切機量、最小動能存儲至方式失配追加切機控制策略靈敏度附表，執行步驟1039 ；
[0065]1039:針對離線安全穩定控制策略表中含有相應的穩定措施的嚴重故障進行故障失配校核。
[0066]假設在對應控制時間穩定控制措施未啟動，按原穩定控制措施對應的控制量進行緊急控制，若能夠保持功角暫態穩定，則返回步驟102 ;若不能保持穩定，記此時的追加切機量為P4，計算此時情況下的電力系統四最小動能PKEminIP4。
[0067]10310:通過第一最小動能和第四最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係KF(tcl, tshed, j)，具體由下式差分方法獲得:
p - pt
[0068]KF (tCl' tShed 』刀=----FTT( 2 )
[0069]10311:將不同發電機組的靈敏度關係KF(tel，tshed, j)、追加切機量、最小動能存儲至故障失配追加切機控制策略靈敏度附表。
[0070]其中步驟1033，1035，1036，1039中最小動能PKEmin的求取方法，可以遵循下列步驟。
[0071]I)根據式(3)求取電力系統所觀測發電機的慣性中心的角度Scra和角速度coC0I。
I n
Scoi =——Ym.S.CGI MTtt、
[0072]\(3)
% =wtM,0J1、 t-l[0073]式中n為所觀測發電機的臺數；5 ,，％分別表示所觀測發電機中第i臺發電機轉子的角度和角速度，在BPA仿真軟體中，發電機的角速度沒有直接給出，可以用一個仿
真步長中速度的變化量求取，公式為
【權利要求】
1.一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟: (1)設定電力系統刷新周期，確定「離線計算、在線匹配」方案中的嚴重故障，形成嚴重故障集，並獲得嚴重故障集中每一個故障緊急控制措施對應的切機範圍和切機量； (2)提取區域電網的數據採集與監視控制系統實時數據信息，對電力系統運行方式仿真數據進行更新，獲得電力系統當前刷新周期內的運行工況，並提取電力系統離線安全穩定控制策略表，執行步驟(3)； (3)針對更新後的電力系統進行安全穩定策略方式失配的校核； (4)通過繼電保護系統監測電力系統是否發生故障或大擾動，若監測到電力系統發生故障，按照「離線計算、在線匹配」方案執行離線安控策略，同時觸發執行步驟(5);若沒有發生故障，判斷電力系統是否到刷新周期結束時間，若已經到達，執行步驟(2); (5)基於廣域測量系統提取故障發生過程中的PMU信息，通過實時響應軌跡預判斷電力系統暫態穩定性，若判定電力系統能夠保持暫態穩定性，則不採取追加控制措施；否則執行系統發生大擾動故障時在線穩定措施追加校核和控制，獲得提高電力系統安全穩定性的緊急控制決策方案。
2.根據權利要求1所述的一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，其特徵在於，步驟(3)的操作具體為: 1)基於電力系統當前刷新周期內的運行工況生成相應仿真程序的輸入數據； 2)掃描離線安全穩定控制策略表，基於電力系統當前刷新周期內的運行工況選擇對應的運行方式，並獲得該運行方式下的嚴重故障集，選擇一個嚴重故障進行數值時域仿真； 3)對於發生的嚴重故障，若電力系統保持功角暫態穩定性，則返回步驟(2);若不能保證穩定，記此時的追加切機量為P1, P1=O,計算電力系統的第一最小動能，記為PKEmin/P1,執行步驟4); 4)查看離線安全穩定控制策略表，若離線安全穩定控制策略表中有相應的穩定措施，基於追加切機量進行數值時域仿真，執行步驟5);若沒有，則基於電力系統允許的最小切機量Pmin進行仿真，執行步驟5); 5)若仿真結果顯示電力系統能夠保證功角暫態穩定，則返回步驟(2);若不能保證穩定，將對應的追加切機量記為P2，P2=O,計算此情況下電力系統的第二最小動能，記為PKEmin/P2，執行步驟 7)； 6)在追加切機時間tshed按照原有切機量進行再次追加控制，若能保持穩定，則將最小切機量Pmin作為追加切機量，記此時的追加切機量為P。；否則記此時的追加切機量為P3,計算此情況下電力系統的第二最小動能，記為PKEminIP3，執行步驟7)； 7)通過第二最小動能和第三最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係Kpke(tcl, tshed, j)，j代表母線，tcl代表故障切除時間，tshed代表追加切機時間； 8)將不同發電機組的靈敏度關係!(-(td，tshed,j)、追加切機量、最小動能存儲至方式失配追加切機控制策略靈敏度附表，執行步驟9)； 9)針對離線安全穩定控制策略表中含有相應的穩定措施的嚴重故障進行故障失配校核，假設在對應控制時間穩定控制措施未啟動，按原穩定控制措施對應的控制量進行緊急控制，若能夠保持功角暫態穩定，則返回步驟2);若不能保持穩定，記此時的追加切機量為P4，計算此時情況下的電力系統四最小動能PKEmin IP4,執行步驟10) 10)通過第一最小動能和第四最小動能獲得對應切機措施的靈敏度關係KF(tcl, tshed, j)； 11)將不同發電機組的靈敏度關係Kf(td，tsM，j)、追加切機量、最小動能存儲至故障失配追加切機控制策略靈敏度附表。
3.根據權利要求1所述的一種提高電力系統安全穩定性的緊急控制方法，其特徵在於，步驟(5)的操作具體為: 1)暫態受擾軌跡預測； 2)若離線安全穩定控制策略表中有相應的穩定措施，則直接提取表中的穩定措施集合，否則基於實時運行方式失配追加切機控制靈敏度附表搜索允許的穩定措施集合； 3)基於實時運行方式失配追加切機控制靈敏度附表求得的KpkeUc^tshed, i)，求取臨界切機量P。; 4)對於穩定措施控制集合中，獲得大於臨界切機量的最小機組組合Pmaxl,即滿足min (P-Pc)；5)基於故障方式失配追加切機控制靈敏度附表求得的Kf(td，tshed, i)，求取臨界切機量Pd ； 6)對 於穩定措施控制集合中，獲得大於臨界切機量的最小機組組合P_2，即min (P-Pcl)。
【文檔編號】H02J3/38GK103618307SQ201310555108
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】孔祥玉, 房大中, 趙帥 申請人:天津大學