基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法
2023-10-19 07:56:57
基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法
【專利摘要】一種基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特點是:包括定義電壓穩定指標、完善電壓穩定指標、處理負荷與發電機共線節點和構建電壓穩定在線監測的基本框架及處理流程等步驟。可準確識別出系統中電壓薄弱節點，具有較強的魯棒性。採用發電機內電勢擴展的方法處理髮電機負荷共線節點，有效計及了共線節點上的發電機、負荷其系統對電壓穩定的影響，避免了傳統處理方法不考慮共線節點中負荷節點功率注入的不足，具有模型精度高、計算誤差小。綜合了廣域量測信息的實時、準確性和EMS網絡拓撲信息可靠和穩定性，只需採集一次系統的相量量測信息即可得出系統電壓穩定信息，避免多次採集造成的辨識參數漂移問題，提高了電壓穩定在線監測的準確度。
【專利說明】基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬電力系統及其自動化領域，更準確地說本發明涉及一種基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法。
【背景技術】
[0002]隨著電力工業快速發展、受端系統規模不斷擴大，特別是用電負荷迅猛增長、最高用電負荷佔比逐步增加，而受端系統電源建設不足，大量電能需遠距離輸送，迫使受端系統對區域外電力依賴度不斷增加，電網安全穩定運行主要矛盾由功角穩定問題轉化為電壓穩定問題。受環境和建設成本等因素制約，我國電網結構相對薄弱，電力系統常運行在重載工況下，電壓穩定問題越來越被研究、運行人員關注。與功角穩定問題相比，在不同時間尺度下，各元件動態特性對系統電壓失穩過程的發生、發展影響各不相同，使得電壓失穩亦表現出不同的事故特徵，進而導致系統電壓穩定問題極其複雜，因此，準確理解電壓穩定本質、正確建立電壓穩定研究數學模型、尋求合理的電壓穩定安全指標、設計有效的電壓穩定預防控制策略對研究電力系統的電壓穩定性具有重要意義。
[0003]目前，電壓穩定的研究主要側重於電壓失穩機理的探究和電壓穩定指標的尋求。就物理本質而言，系統電壓失穩是一個動態過程，在研究過程中需計及各元件的動態特性，但其研究工作極為繁雜、困難，迄今為止，學術界對電壓動態失穩機理的認識仍不能統一，其理論體系尚未建立。因而在分析系統電壓穩定和尋找電壓穩定監控指標時多採用靜態的方法，基於靜態方法的電壓穩定理論已十分成熟，在此基礎上提出的系統電壓穩定指標如電壓靈敏度指標、負荷裕度指標、雅可比矩陣最小奇異值指標可有效判斷系統中各節點的電壓穩定性，但在計算過程中均需跟蹤和判斷整個系統的潮流或平衡點方程Jacobian矩陣奇異性，涉及高維矩陣求逆，計算量大，且隨系統節點數目增多，計算時間大幅增加，難以在線實際應用。
[0004]相較於功角穩定的全局性，電壓穩定具有局部性特徵，可藉助WAMS的局部相量量測信息來分析、研究系統的電壓穩定性。基於WAMS的局部相量量測信息在線監測系統電壓穩定的方法主要分為基於支路量測信息的電壓穩定在線監測和基於節點量測信息的電壓穩定在線監測兩類。I)基於支路量測信息的系統電壓穩定在線監測假定在某一時間斷面下，系統的支路可視為一個給負荷供電的無窮大電源，當系統電壓臨界穩定時，支路功率到達極限，該方法只需搜索系統關鍵支路，避免戴維南參數辨識和跟蹤，但該方法僅在特殊情形下才有效，且理論基礎薄弱。2)基於節點量測信息的系統電壓穩定在線監測的理論基礎是，當系統電壓臨界穩定時，負荷節點消耗的功率最大，此時負荷節點阻抗模值與其戴維南等值阻抗模值相等，該方法理論基礎堅實，但在進行戴維南等值過程中存在等值參數漂移的問題，計算誤差較大。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:藉助廣域量測信息的基礎上，提出一種在線監測系統電壓穩定的方法。針對網絡中存在發電機和負荷共線的混合節點，將該節點分裂為擴展的發電機內電勢節點和電壓可控的負荷節點，有效計及發電機、負荷共線節點中發電機及負荷對電壓穩定指標的共同作用，提高了模型在線監測的精度。
[0006]本發明的目的是由以下技術方案來實現的:一種基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於，包括下列步驟:
[0007]I)定義電壓穩定指標:根據電壓穩定指標判斷簡單電力系統的穩定性；
[0008]2)完善電壓穩定指標:通過戴維南等值計算，推導得出適用於多機多負荷系統的電壓穩定指標;
[0009]3)處理負荷與發電機共線節點:針對電網中某些混合節點同時存在發電機和負荷的情況，借鑑BPA、PSS/E等仿真軟體處理電壓可控節點的方法，將負荷與發電機共線的混合節點分裂為發電機內電勢節點和電壓可控負荷節點，計及混合節點中負荷和發電機對指標的作用；
[0010]4)構建電壓穩定在線監測的基本框架及處理流程:結合廣域測量系統架構體系，對子站實時監測的包括電力網絡的元件開斷、OLTC分接頭調節拓撲結構變化信息、發電機和FACTS電壓控制設備的無功越限信息、電容器/電抗器投切信息及母線電壓相量、電流相量電氣信息通過高速廣域通信網絡上傳至區域調度控制中心的主站系統中，主站系統對上傳信息分類處理，形成新的負荷節點間的阻抗矩陣和負荷發電機節點間的阻抗矩陣，並實時監測系統網絡的信息轉換，計算出各節點的電壓穩定指標值，最後確定系統的電壓穩定指標值。
[0011 ] 所述步驟(1)的電壓穩定指標是在簡單電力系統功率傳輸模型中，確定電壓源端電壓Us Z Θ s、負荷側端電壓UtZ 0t以及支路導納Yst=Gst+jBst= I Yst I Z 和支路對地導納^0=Υ?)=.?Β3(ι=」Βω，根據節點電壓定律得到方程的公式(I);進一步推導的公式(2);將公式
(2)的實部、虛部分開，得到公式(3);根據三角函數cos Θ St2+sin Θ st2=l，得到負荷節點電壓Ut公式(4);進一步令r=Ust21 Ytt/S I /2+cos □ st，將r代入公式(4)推導得到公式(5);進一步分析得出整個PV曲線上r隨Ut變化趨勢，在PV曲線上半支，r隨節點電壓Ut的減小而減小，在PV曲線鼻子點處Nose Point, NP，r取到其最小值r=l PV曲線下半支，r隨節點電壓Ut的減小而增大，結合實際系統都運行於高電壓、小電流的PV曲線上半支這一特點可知，利用r值可有效反映系統電壓穩定情況，當r值越遠離於I時，系統電壓穩定性越好，當r值越接近於I時，系統電壓穩定性越差，當r值等於I時，系統電壓臨界穩定，因此定義系統電壓穩定指標Voltage Stability Index, VSI Ivsi,公式(6)，
【權利要求】
1.一種基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於，包括下列步驟: O定義電壓穩定指標:根據電壓穩定指標判斷簡單電力系統的穩定性； 2)完善電壓穩定指標:通過戴維南等值計算，推導得出適用於多機多負荷系統的電壓穩定指標； 3)處理負荷與發電機共線節點:針對電網中某些混合節點同時存在發電機和負荷的情況，借鑑BPA、PSS/E等仿真軟體處理電壓可控節點的方法，將負荷與發電機共線的混合節點分裂為發電機內電勢節點和電壓可控負荷節點，計及混合節點中負荷和發電機對指標的作用； 4)構建電壓穩定在線監測的基本框架及處理流程:結合廣域測量系統架構體系，對子站實時監測的包括電力網絡的元件開斷、OLTC分接頭調節拓撲結構變化信息、發電機和FACTS電壓控制設備的無功越限信息、電容器/電抗器投切信息及母線電壓相量、電流相量電氣信息通過高速廣域通信網絡上傳至區域調度控制中心的主站系統中，主站系統對上傳信息分類處理，形成新的負荷節點間的阻抗矩陣和負荷發電機節點間的阻抗矩陣，並實時監測系統網絡的信息轉換，計算出各節點的電壓穩定指標值，最後確定系統的電壓穩定指標值。
2.根據權利要求1所述的基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於:所述步驟(1)的電壓穩定指標是在簡單電力系統功率傳輸模型中，確定電壓源端電壓Us Z Θ s、負荷側端電壓Ut Z 0t以及支路導納Yst=Gst+jBst=| Yst I Z 和支路對地導納ΥΜ=Υ?)=.?Β3(ι=」Βω，根據節點電壓定律得到方程的公式(I);進一步推導的公式(2);將公式(2)的實部、虛部分開，得到公式(3);根據三角函數cos Θ St2+sin Θ st2=l，得到負荷節點電壓Ut公式(4);進一步令r=Ust21 Ytt/S I /2+cos □ st，將r代入公式(4)推導得到公式(5);進一步分析得出整個PV曲線上r隨Ut變化趨勢，在PV曲線上半支，r隨節點電壓Ut的減小而減小，在PV曲線鼻子點處Nose `Point, NP，r取到其最小值r=l PV曲線下半支，r隨節點電壓Ut的減小而增大，結合實際系統都運行於高電壓、小電流的PV曲線上半支這一特點可知，利用r值可有效反映系統電壓穩定情況，當r值越遠離於I時，系統電壓穩定性越好，當r值越接近於I時，系統電壓穩定性越差，當r值等於I時，系統電壓臨界穩定，因此定義系統電壓穩定指標Voltage Stability Index, VSI Ivsi,公式(6)，
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UstUt CosQst =|5/}；f|cos#s1-Uf UstUt Sineit = ^SfYttI Sin^sl⑶ Ut = ^U~j2 + a±^U^/4+aU~! -b~(4)
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3.根據權利要求1所述的基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於:所述步驟(2)中適用於多機多負荷系統的電壓穩定指標是對於實際的多機多負荷電力網絡，根據節點電壓方程，進一步消去網絡中的聯絡節點後推導得到負荷節點的端電壓公式(7);根據公式(7)得到負荷節點i的電壓?)"公式(8);進一步將公式(8)中負荷節點電壓表示為等值電壓源^_與等值電流源共同作用的結果，令
4.根據權利要求1所述的基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於:所述步驟(3)中處理負荷與發電機共線節點是借鑑BPA、PSS/E等商業仿真軟體中處理電壓可控節點的方法，並結合發電機實際運行特性，將混合節點分裂為負荷節點和發電機內電勢節點，將分裂後的負荷節點設置為分裂後的發電機節點的遠方電壓控制節點。
5.根據權利要求1所述的基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於:所述步驟(3)中處理負荷與發電機共線節點時，計算負荷節點電壓穩定指標Ivsi的過程中，由於負荷發電機共線的混合節點已分裂為發電機內電勢節點和遠方電壓可控的負荷節點，因此分裂後的遠方電壓可控的負荷節點Ivsi也將會被計算，但只有當發電機節點失去無功調劑能力後，該節點失去維持電壓穩定的能力後，上述Ivsi指標才具有實際參考意義，因此在發電機負荷共線節點中發電機無功未越限時，將計算得到的電壓可控負荷節點的Ivsi值作為無效數據剔除；而在發電機無功受限後，將計算得到的電壓可控負荷節點的Ivsi值作為其節點在線電壓穩定監測的指標值。
6.根據權利要求1所述的基於廣域量測系統的電壓穩定在線監測方法，其特徵在於:所述步驟(4)中構建電壓穩定在線監測的基本框架及處理流程是:結合廣域測量系統架構體系，基於本方法的電壓穩定在線監測系統，其主站系統位於區域電網調度控制中心，各子站位於變電站/發電廠內，子站系統實時監測電力網絡的拓撲結構變化信息、發電機和FACTS等電壓控制設備的無功越限信息、電容器/電抗器投切信息，並將上述信息及母線電壓相量、電流相量等電氣信息上傳至主站系統中，當監測到系統網絡拓撲結構發生變化時，主站系統重新讀取EMS系統中的網絡拓撲信息，計算出負荷節點間的阻抗矩陣和負荷發電機節點間的阻抗矩陣，當監測到電壓控制節點的發電機、同步調相機、SVC、STATCOM等FACTS裝置失去電壓控制能力時，將該電壓控制節點類型由PV節點轉化為負荷節點，並重新形成負荷節點間的阻抗矩陣和負荷發電機節點間的阻抗矩陣，結合各子站系統上傳的母線電壓幅值、相位信息及負荷節點注入的有、無功信息計算各節點的電壓穩定指標值，再根據各節點的電壓穩定指標確定整個系統的電壓穩定指標值。
【文檔編號】G01R19/00GK103760400SQ201410008551
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日
【發明者】陳厚合, 李國慶, 姜濤, 李筱婧, 王振浩, 王鶴, 王利猛, 辛業春, 于娜, 殷琦 申請人:東北電力大學