一種基於功率梯度分量的電壓穩定性檢測方法與流程

2023-04-27 05:18:34 2

本發明屬於電力系統運行及其分析領域，具體涉及一種基於功率梯度分量來檢測電壓穩定性的方法。

背景技術：

19世紀70、80年代法國、瑞典、日本等國家相繼發生電壓崩潰性事故這些以電壓崩潰特徵的電網瓦解事故每次均帶來巨大的經濟損失，同時也引起了社會的極大混亂。電壓穩定問題已經成為國際工學界關注的焦點。電力系統電壓穩定性問題經過幾十年的發展已經有很大進步，早期人們簡單地將電力系統電壓失穩問題看作系統過載引起，從而將其視為靜態問題或者認為系統動態對電壓穩定的影響很慢。但是電力系統本質上是一個非線性動力學系統，電壓失穩究其實質是系統的動態行為，涉及到了各種元件的動態特性。因此，電壓穩定問題可分為靜態電壓穩定性與動態電壓穩定性，兩者研究的角度和目的不同。

理論和實踐已證明分岔理論是分析研究非線性動態系統結構穩定性的有效工具。電壓穩定的改變實質是一種從穩態走向分岔的過程，其外在表現為電壓幅值的振蕩失穩或瞬間大幅度跌落。目前，對於靜態電壓穩定性，學者們提出了各種指標及其方法來評估系統的靜態電壓穩定性。但是對於動態電壓穩定性問題，由於各種元件動態模型的建立和其相互影響的複雜性及其所導致的求解過程中的多維數問題，動態電壓穩定性還有待進行進一步的研究。

電壓穩定性分析方法主要分為三類：

(1)p-v曲線法

這是一種基於物理概念的計算分析。給定系統基態潮流計算結果，逐步增加系統負荷，求出系統各運行點，利用負荷特性，從而得到反映負荷實際吸收功率與節點電壓關係的一系列(p，v)點，將這些相連便可得到p-v曲線。與功角曲線相似，這條曲線的拐點處被認為是電壓穩定的分界點，拐點右側高電壓區，被認為是電壓穩定點，拐點左側低電壓區被認為是電壓不穩定點。當前系統運行點距離拐點的距離遠近反映了系統的電壓穩定裕度。然而，在考慮了系統元件的特性後，這一判據的正確與否值得進一步研究，而且負荷電壓靜特性、發電機勵磁系統穩態增益對於電壓穩定極限點的影響巨大。在某些情況下，系統有可能在p-v曲線的右側高電壓區就已失穩，也有可能直到p-v曲線的左側低電壓區仍能保持電壓穩定。利用p-v曲線拐點判斷電壓穩定性造成的誤差究竟是偏保守還是偏冒進難以估算。

(2)靈敏度分析法

給定基態潮流計算結果，通過增加有功、無功負荷來獲得電壓幅值和電壓角度的變化量。所有受控變量的敏感度由電壓幅值和電壓角度的敏感度得到，受控變量包括受限的無功源、受限的聯絡線傳輸功率、變壓器分接頭的變化等。通過對受控變量的敏感度指標進行排序，得出與電壓下降密切相關的無功源、聯絡線等強相關變量集，同時得出電壓下降最大的節點集稱為弱節點集。

靈敏度分析方法可以應用於電壓穩定的在線監控，其中強相關變量集說明了當前系統中影響電壓穩定的關鍵因素，如哪些發電機的停運、聯絡線的檢修對電壓穩定至關重要。而弱節點集說明了哪些區域是電壓不穩定，系統最可能首先在這些區域內失穩，要對這些弱節點進行監控，同時考慮增加對這些節點的無功補償。

(3)潮流多解法

潮流解的非唯一性的提法首先在1975年由klos和kerner發表的專著《thenon-uniquenessofloadflowsolution》中提出，文中提出潮流的解往往是成對出現的，解的個數隨著負荷水平的加重而減少，當系統接近極限運行狀態時，將只存在兩個解。在所有這些解中，只有一個解是和電力系統的實際運行狀態相對應的，稱為"可運行"的解。其餘的解對應於電力系統的不穩定運行點，在電壓穩定分析中，這些不穩定的解叫做"低電壓解"。但是也有文獻指出，在重負荷情況下，潮流方程的解由高電壓解轉移到低電壓解這一跳躍現象，並未在動態仿真中出現過，更不曾在實際運行狀態中觀察到，潮流多解僅僅是潮流方程非線性的數學結果，各解穩定與否不取決於解的本身，而取決於電力系統各元件的動態特性，例如如果考慮負荷等元件的動態特性而認為是恆阻抗負荷時，高、低電壓解將都是穩定的解。

目前潮流多解研究的主要意義在於為計算系統的極限運行狀態提供一種簡單方法，多解的個數及多解之間的距離是反映系統接近極限運行狀態的指標。

電力系統穩定性包含兩個方面：功角穩定性和電壓穩定性。由於現代控制理論、計算機和計算技術在電力系統中的廣泛應用，使功角穩定性的分析和控制都達到了比較高的水準，人們對功角不穩定現象和機理都有了比較深刻的認識。然而，作為電力系統穩定性的另一方面——電壓穩定問題，雖然幾十年來取得了許多重要的成果，一些電網工程人員研製了電壓穩定分析和監測應用軟體。但隨著電力系統規模的不斷擴大，新型控制設備的不斷投入運行以及電力市場化的不斷深入，人們需要更為簡便、準確的電壓穩定性指標(voltagestabilitycriterion，vsc)以及一個能正確估計電壓穩定極限(voltagestabilitylimit，vsl)的方法，為電力系統運行提供調度依據。

基於穩態潮流方程的靜態分析方法大多研究平衡點的穩定性問題，即把網絡傳輸極限功率時的系統運行狀態當作靜態電壓穩定極限狀態，採用系統穩態潮流方程進行分析。比較具有代表性的有靈敏度分析法、特徵值分析法、模態分析法、奇異值分解法、連續潮流法、非線性規劃法以及零特徵根法。以上分析方法本質上都是把電力網絡的潮流極限作為靜態穩定極限點，不同之處在於抓住極限運行狀態的不同特徵作為臨界點的判據。但極限運行狀態的求取經常因為潮流計算的迭代不收斂。

基於非線性微分方程的動態分析方法主要包括小擾動分析法和大擾動分析法。其中的小幹擾分析法的做法為將描述電力系統的微分-代數方程組在當前運行點線性化，消去代數約束後形成系統矩陣，通過該矩陣的特徵值和特徵向量來分析系統的穩定性和各元件的作用，其主要難點在於建立簡單而又包括系統主要元件相關動態的模型；大幹擾分析法主要對電壓穩定進行時域仿真研究或者對能量函數進行提取，然而對於具有複雜的動態特性和有損耗的輸電系統而言，並不能保證能量函數存在，而且時域仿真存在困難。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決對電壓穩定性問題檢測過程中存在的困難，提出一種易於實現、簡單快速的電壓穩定性的功率梯度檢測方法(powergradientcriterion,簡寫為pgc)，它在電力系統傳輸路徑的基礎上，通過功率梯度分量，可以快速、簡便地判斷電網的電壓的穩定性，並能給出相應條件下的電壓穩定裕度和整個系統或局部系統電壓最易失去穩定性的關鍵節點。

該檢測方法用於判別系統電壓穩定性時,稱系統電壓穩定性判據，用pgcs表示；該方法用於判別一個局部系統的電壓壓定性時,稱為局部系統的電壓穩定性判據，用pgcl表示；該方法用於判別一個負荷電壓穩定性時，稱為節點電壓穩定性判據，用pgcb表示；該判據用於判別系統中一個關鍵節點的電壓穩定性時，用pgcc表示。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

所述電壓穩定性控制流程如圖1所示。

首先，通過電力調度數據網採集電網運行狀態相關量測，獲取電網運行指標、系統中電網各結點的電壓、電流等信息。

其次，在電力系統ems調度自動化應用軟體中，構建電壓穩定性分析模塊。

進一步的，在其內部建立了相應的計算功能。

第三，電壓穩定極限(vsl)的計算，計算負荷功率達到vsl的條件

第四，功率梯度分量的計算。

第五，對功率梯度分量進行辨識，判斷各局部系統的關鍵節點和整個系統的關鍵節點，判斷其電壓穩定性。

第六，根據系統的電壓穩定程度及具體情況，判斷是否下發調節指令，如果本周期無需下發調節指令，則等待下一個控制周期。

本發明的有益效果是：本方法可用於電壓穩定性的在線監視和控制，易於實現、計算量較小。同時，本方法對於電壓穩定性的判別範圍不但限於局部系統，也適用於整個系統電壓穩定性的在線監視。

附圖及附圖說明

圖1是電壓穩定性控制流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明做出進一步說明。一種基於功率梯度分量的電壓穩定性檢測方法，它的方法為，

s1.通過電力調度數據網採集電網運行狀態相關量測，獲取電網運行指標、系統中電網各結點的電壓、電流等信息。

s2.在電力系統ems調度自動化應用軟體中，構建電壓穩定性分析模塊，在其內部構建相應的計算功能。

s3.電壓穩定極限(vsl)的計算，計算負荷功率達到vsl的條件。vsl的計算，包括下述兩個子步驟：

s3.1設某一負荷節點k的傳輸功率拉格朗日函數lk(u,x,y)為：

其中，λ和μ分別是有功平衡方程和無功平衡方程的拉格朗日乘子，plk為系統有功功率，u、x、y為3個變量。

為負荷節點集合，內所包含的節點均是負荷功率能發生的變化的負荷節點，它可能是所有負荷節點的集合也可能是某一局部系統所包含的負荷節點的集合還可能是整個系統的部分關鍵節點的集合甚至只包含一個負荷節點。

s3.2計算負荷功率達到vsl的條件：

其中，k為無功分量和有功分量的比例係數，v為節點電壓，θ為節點功角。

如將(3)和(4)兩式寫成矩陣方程的形式，有：

其中，λ＝[λ1，λ2，…，λn]t，為n×1階矢量；

為nl×1階矢量；

a＝[a1，a2，…，an]t，為n×1階矢量；

0＝[0，0，…，0]t，為nl×1階矢量。

s4.功率梯度分量的計算，包括下述子步驟：

s4.1給定初始運行條件。

s4.2求解(5)和(6)兩式，並保留最後一次迭代時的雅可比矩陣。

s4.3檢查發電機節點的無功功率是否越限，如越限，將其變為pq節點，返回步驟2)。

s4.4確定分別選和一個負荷節點。

s4.5計算各負荷節點的阻抗分量ge和be:

ge＝(p0+cv+gv2)/v2(8)

be＝(q0+dv+bv2)/v2(9)

其中，c和g為有功功率分量，d和b成為無功功率分量。

s4.6修正雅可比矩陣，修正後的雅可比矩陣[j』]為：

其中，h、n、j、l是考慮綜合負荷模型時的雅可比矩陣元素。

s4.7形成[j』]的轉置矩陣的因子表。

s4.8.對任意負荷節點k，令計算(7)式，求出λk和μk，計算出所有負荷節點所對應的λ和μ。

s4.9該判據用於判別系統電壓穩定性時,稱系統電壓穩定性判據，用pgcs表示；該判據用於判別一個局部系統的電壓壓定性時,稱為局部系統的電壓穩定性判據，用pgcl表示；該判據用於判別一個負荷電壓穩定性時，稱為節點電壓穩定性判據，用pgcb表示；該判據用於判別系統中一個關鍵節點的電壓穩定性時，用pgcc表示。

s5.對功率梯度分量進行辨識，判斷各局部系統的關鍵節點和整個系統的關鍵節點，判斷其電壓穩定性。按照下式求出pgc：

或表達為：

s5.1屬於的各負荷節點的pgcs、pgcl、pgcb、pgcc均大於零時，由內的各負荷節點所組成的系統的電壓是穩定的。其中,時，系統電壓是穩定的；時，局部系統的電壓是穩定的；只包含一個負荷節點時，該點電壓是穩定的。

s5.2當各功率分量pgcs、pgcl、pgcb、pgcc等於零時，處於臨界穩定狀態。

s5.3當各負荷節點的功率梯度分量均小於零時，則系統電壓不穩定。

在實際應用中，沒必要計算出整個系統各個負荷節點的pgc，只須計算出幾個關鍵點的pgcb，並求出pgcc，用幾個關鍵節點的pgcb和pgcc監視整個系統電壓的穩定性，足以滿足電力系統的實際需要。

s6.根據系統的電壓穩定程度及具體情況，判斷是否下發調節指令，如果本周期無需下發調節指令，則等待下一個控制周期。