電力系統同調發電機組及異步電動機群參數聚合方法
2023-05-16 21:32:46
專利名稱：電力系統同調發電機組及異步電動機群參數聚合方法
技術領域：
本發明涉及電力系統動態等值參數聚合方法，屬於電力系統動態等值技術領域。
背景技術：
在電力系統規劃設計和實際運行中為保證輸電可靠性需做大量的暫態過程仿真計算，以估計系統遭受擾動後的穩定性。為了提高輸電的經濟性和可靠性，現代電力系統越來越趨向於區域互聯，從而大大增加了數字仿真的計算量。因此有必要對大電力系統進行動態等值。在動態等值中，完全系統分為研究系統和外部系統，由於動態研究主要是針對研究系統進行的，外部系統可在保證其對研究系統的動態影響不畸變的條件下，進行簡化。圖1所示的是動態等值系統的原理圖在現代電力系統的各種動態等值方法中，基於發電機轉子同擺的同調等值法是最基本的一種，主要用於暫態穩定分析，要求等值前後研究系統在大擾動下有接近的轉子搖擺曲線，同時要求等值系統中的元件應為實際電力系統元件，以便直接用暫態穩定程序進行分析。它包括相關機群識別，網絡化簡和相關機群參數聚合三部分。所謂相關機群參數聚合，是要構造一臺等值的發電機及其調節系統，使它在暫態穩定仿真的過程中，能很好的模擬一個相關機群中全部發電機及其調節系統的綜合動態響應。
在同調等值法的相關機群參數聚合中，常用的是頻域聚合法。它是一種適用於發電機詳細模型參數聚合的經典方法。相關發電機參數聚合的條件是具有相同的角速度ω和端電壓VT。其目的是由原模型各個單元的特性來確定等值模型的特性。該方法分別考慮發電機轉子動態方程，原動機和調速系統模型以及勵磁系統模型。求解的基本思路是先選擇一個在結構上與相關群中發電機相同的等值模型，然後調整其參數使該環節的頻域傳遞函數和相關機群組的綜合頻域傳遞函數在離散的頻域上以某種精度相近似。這種近似可以用離散頻率域上兩個傳遞函數之差的平方和最小來衡量。它在理論上是嚴謹的，但具有如下缺點聚合算法較複雜，對於大系統，等值時間較長。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種在能保證工程精度要求的前提下，極大減少計算時間和程序複雜度的電力系統同調發電機組參數聚合方法。本發明同時還提供一種基於同一種發明思路的異步電動機群參數聚合方法。
本發明提出的電力系統同調發電機組參數聚合方法，用於電力系統能量管理系統(EMS)的動態安全分析中，其步驟如下
第一步從電力系統能量管理系統採集所需要的電力系統暫態穩定計算數據，並確定動態安全分析的預想事故集；第二步基於採集到的電網數據和預想事故集中的一個既定預想事故，將電力系統劃分為研究系統和外部系統；第三步應用格納姆矩陣法，對外部系統中的發電機進行相關識別，將外部系統分為若干個同調機群；第四步將同一相關群中的同調發電機合併為一臺等值機，利用加權法對同調發電機及其調速與勵磁系統的詳細模型參數進行聚合，得到等值系統的動態數據；第五步進行電力網絡化簡和電力負荷等值聚合，得到等值系統的潮流數據和負荷數據；第六步將所得到的等值系統的網絡數據，包括等值系統的潮流數據，動態數據和負荷數據，輸出給暫態穩定計算程序；第七步暫態穩定計算程序利用等值系統的網絡數據進行暫態穩定計算，得出既定預想事故下系統暫態穩定與否的結論，進而從暫態穩定分析預想事故集中選擇下一個預想事故，返回第二步，從第二步到第七步形成一個內循環，直到對預想事故集中的全部預想事故都做過分析為止，如果預想事故集中的全部預想事故都不會造成暫態不穩定則說系統是動態安全的，過程結束；否則系統就是動態不安全的，需要進行預防性控制，再返回第一步。
在上述的技術方案中，步驟三通過格納姆矩陣法進行相關發電機的識別，對於不同的故障，發電機識別為不同的相關機群。在步驟四中利用加權法對發電機詳細模型參數進行聚合時，可以將發電機詳細模型分為五個部分，即發電機轉子搖擺方程、發電機電磁迴路、發電機勵磁調節系統、電力系統穩定器以及原動機調速系統，分別進行參數聚合。
本發明還提供一種基於同一種發明思想的電力系統異步電動機群參數聚合方法，用於配用中小型配電網絡的電力系統負荷分析中，其步驟如下第一步將其中的異步電動機群合併成一臺等值機；第二步利用加權法對每臺異步電動機等值機參數進行聚合。
由本發明提出的基於加權法的動態參數聚合方法，在發電機詳細模型參數聚合中，具有與用頻域法等值相同的優點即等值系統元件模型均為實際電力系統元件模型，可直接用於大規模系統暫態穩定分析的等值聚合，在仿真過程中，本發明在保證精度的基礎上改善了頻域擬合法因同調發電機聚合較複雜而導致的對大系統進行等值時間較長的缺陷，極大的減少了等值時間，具有很大的工程意義。
此外，由於在相關機群的識別中採用了格納姆矩陣法，當需要對一個偶然事故集中的多個故障進行分析時，只需在第一種故障情況下進行矩陣變換，後面的故障則不必進行，從而也大大節省了計算時間。
圖1是動態等值系統的原理圖。
圖2是本發明所提出的基於加權法的動態參數聚合方法的流程圖。
圖3是IEEE-1型勵磁調節系統框圖。
圖4是IEEE39節點系統結構圖。
圖5是IEEE39節點系統採用本發明提出的參數聚合法得到的仿真圖像與原系統仿真圖像的比較圖。
具體實施例方式
下面接合附圖及實施例，對本發明作詳細說明。
本發明提出的第一種方法是通過加權法來實現的一種電力系統同調發電機組參數聚合方法，它將用於電力系統能量管理系統(EMS)的動態安全分析中，如圖2所示，以IEEE39節點系統為實施例，詳細說明如下第一步從EMS採集所需要的電力系統暫態穩定計算數據，並確定動態安全分析的預想事故集；對於本實施例，可以直接輸入IEEE39節點系統的數據，對於實際電力系統需要連接電網控制中心中的EMS系統以獲取必要的電網數據。
第二步基於採集到的電網數據和預想事故集中的一個既定預想事故，將電力系統劃分為研究系統和外部系統；第三步應用格納姆矩陣法，對外部系統中的發電機進行相關識別，將外部系統分為若干個同調機群，同時，找出對系統暫態穩定性影響較小的負荷母線作為消去的負荷母線；對於如圖4所示的IEEE39節點系統，選取故障為0.5s時在26-29線路發生三相短路，在0.58s時切除故障，可以劃分為三組相關機群(G2，G3；G4，G6，G7；G8，G10)。同時，將對系統影響比較小的1-10號負荷母線消去。
第四步同一相關群中的同調發電機合併為一臺等值機，利用加權法對同調發電機及其調速與勵磁系詳細模型參數進行聚合；將發電機詳細模型分為五個部分，即發電機轉子搖擺方程、發電機電磁迴路、發電機勵磁調節系統、電力系統穩定器以及原動機調速系統分別進行參數聚合；第五步進行電力網絡化簡和電力負荷等值聚合，得到等值系統的潮流數據和負荷數據，此時加權法也可用於負荷異步電動機聚合中；第六步將所得到的等值系統的網絡數據(包括全部等值機及其調節器參數、潮流數據和等值負荷參數)輸出給暫態穩定計算程序；第七步暫態穩定計算程序利用等值系統的網絡數據進行暫態穩定計算，得出既定預想事故下系統暫態穩定與否的結論。進而從暫態穩定分析預想事故集中選擇下一個預想事故集，返回第二步，第二步到第七步形成一個內循環，直到對預想事故集中的全部預想事故都做過分析(即都走過這一循環)為止，如果預想事故集中的全部預想事故都不會造成暫態不穩定則說系統是動態安全的，過程結束；否則系統就是動態不安全的，需要進行預防性控制，再返回第一步。
對於同調等值法的正確性可以用常規的潮流程序和暫態穩定分析程序作檢查。等值前後，對於穩態運行方式，系統保留節點的電壓及保留支路的潮流應基本不變；對研究系統施加擾動後，保留機組的發電機轉子搖擺曲線基本不變，等值後的等值發電機的轉子搖擺曲線和等值前相應發電機同調，根據這一原則，對實例的原系統和等值系統分別進行仿真，由圖5所示的仿真曲線觀察發現，本發明提出的基於加權法的動態參數聚合方法，滿足同調等值法正確性的要求，並在此基礎上提高了計算速度，減少了計算時間，以華中系統為例，將其182臺發電機、1319條母線、1752條線路，等值為77臺發電機、461條母線、621條線路，用頻域聚合法程序需要5分鐘以上，而利用本發明提出的方法在1秒內即可完成等值，計算效率明顯提高。
如上所述，利用本發明對同調發電機組的動態參數進行聚合分析時，需要識別相關機群，本發明採用格納姆矩陣法識別相關機群。下面對格納姆矩陣作簡單介紹，更為詳細的介紹請參見有關期刊文獻或網絡文獻(例如閔亮，餘貽鑫等撰寫的「失穩模態識別方法及其在動態安全域中的運用」，論文來源電力系統自動化-2004.28(11).-28-32)。
根據線性系統理論，線性系統可表示為x=Ax+Bu...(1)]]>式中x∈R2n-1；u∈Rk；A∈R(2n-1)×(2n-1)；B∈R(2n-1)×k。這樣A的秩為2n-1，A為滿秩矩陣。在τ時的格納姆可定義Wτ2W2=0eAtBBTeATtdt...(2)]]>在τ時的可達性狀態集合可由下式給出S={x|x=0eA(-t)Bu(t)dt,0||u(t)||2dtK2}...(3)]]>由於式(1)中的A為滿秩矩陣，所以確保了τ時存在唯一的可達性格納姆矩陣Wτ2。於是Sτ還可以用半徑為K的球體在Wτ映射下的集合表述S={x|x=Wp,||p||K}...(4)]]>用式(1)的穩態解W2={W2|AW2+W2AT=-BBT}]]>近似代替Wτ2。對於任何x(t)，p(t)，||p(t)||K,]]>t∈
，使得x(t)＝Wp(t)。
在格納姆的求取過程中，需要利用一個正交相似變換將矩陣A轉換到Schur形式。但由於A是一個定常矩陣，是不隨預想事故的改變而改變的，所以當需要對一個偶然事故集中的多個故障進行分析時，只需在第一種故障情況下將其轉化到Schur形式，後面的故障則不必進行。因此基于格納姆矩陣進行相關發電機的識別，在對多個故障進行暫態分析時，可大大節省計算時間，特別適合應用於大電力系統的動態等值。
本發明提出的基於加權法的動態參數聚合方法，其具體內容如下設通過相關識別得到某個相關機群G＝{1，Λ，j，Λ，N}，其中包括N臺相關發電機。鑑於合成的等值機的容量為各臺電機的容量(MVA)之和，即SG=jGSj,]]>其中下標G表示等值機，由此可以導出等值發電機及其調節系統詳細模型的參數1)轉子搖擺方程假設發電機j搖擺方程為Mjdjdt=Pmj-Pej-Dj(j-1),jG...(5),]]>式中，Mj、Dj、Pmj和Pej分別為電機j的慣性時間常數、阻尼係數、原動機功率和電磁功率，各參數值均為以其自身額定容量Sj為基值的標么值。為了寫出以聚合後的等值機容量SG為基值容量的等值機搖擺方程，把式(5)改寫為SjSGMjdjdt=SjSG[Pmj-Pej-Dj(j-1)],jG...(6)]]>，將N臺同調機運動方程相疊加，並計及一群內的各同調機轉速相同(即ωj＝ω，j∈G)的假設，則得到jG(SjSGMj)ddt=jG{SjSG[Pmj-Pej-Dj(-1)]}...(7),]]>若合成等值機的轉子運動方程為MGddt=PmG-PeG-DG(-1),]]>其中的參數應是以合成等值機容量SG為基值容量時的等值機參數。於是可得MG=jGSjMjSG=jGSjMjjGSj...(8);]]>PmG=jGSjPmjjGSj...(9);]]>PeG=jGSjPejjGSj...(10);]]>DeG=jGSjDjjGSj...(11)]]>即聚合後等值機的慣性常數、原動功率、電磁功率和阻尼係數(以聚合後等值機容量為基值)的標么值，等於聚和前群內各臺電機相應參數(以它們各自容量為基值)的標么值的加權平均值。
2)電磁迴路方程利用類似式(8)-(11)所示的加權法求取等值機的電抗和時間常數，即等值機的電抗為XG=jGSjXjjGSj,]]>式中XG為等值機電抗(以已聚合後等值機的容量為基值)，可分別為等值機d、q軸同步電抗、暫態電抗和次暫態電抗。xj為第j臺相關發電機對應的參數(以第j臺機自身容量為基值的標么值)。同樣等值機G的時間常數可按下式計算CG=jGSjCjjGCj,]]>式中CG為等值機時間常數，分別為等值機d、q軸的開路暫態時間常數及d、q軸開路次暫態時間常數，Cj為第j臺相關發電機對應的參數。
3)發電機勵磁調節系統以IEEE-1型勵磁調節系統為例(如圖3)，利用加權法分別對調壓器的增益和時間常數，勵磁機的增益和時間常數，調壓器鎮定迴路的增益和時間常數進行參數聚合。
4)電力系統穩定器(PSS)PSS有多種輸入信號，應對具有相同輸入信號的PSS聚合，亦即應僅對裝設具有相同輸入信號PSS的相關發電機群進行聚合。如果參與聚合的PSS的傳遞函數為Gs(s)=sKQ0TQ01+sTQ0[1+sTQ11+sTQ21+sTQ31+sTQ4],]]>式中，KQ0，TQ0分別為電力系統穩定器的增益和復歸時間常數，TQ1，TQ2，TQ3，TQ4為相位補償環節的時間常數。則等值機的PSS有相同的傳遞函數，其參數也可按照加權法得到。
5)對於原動機調速系統的處理原則和方法與發電機勵磁調節系統相同，此時汽輪發電機與水輪發電機應分別聚合。
6)，對於配電系統中的異步電動機群，同樣可以採用加權法進行參數聚合，以考慮轉子迴路電磁暫態過程和轉子機械暫態過程的三階模型為例，設異步電動機群M＝{1，L，i，L，L}，其中包括L臺異步電動機，則等值機的容量為各臺電機的容量(MVA)之和SM=iMSi,]]>其中下標M表示等值機。同樣利用加權法求取等值機的阻抗ZM=iMSiZiiMSi...(12)]]>，式中ZM為等值機阻抗，可分別為定子電抗和電阻、轉子電阻和電抗以及定子和轉子繞組間的互感抗；Zi為第i臺異步電動機對應的參數。等值機時間常數及機械轉矩係數也可由式(12)求得。
權利要求
1.一種電力系統同調發電機組參數聚合方法，用於電力系統能量管理系統的動態安全分析中，其步驟如下第一步從電力系統能量管理系統採集所需要的電力系統暫態穩定計算數據，並確定動態安全分析的預想事故集；第二步基於採集到的電網數據和預想事故集中的一個既定預想事故，將電力系統劃分為研究系統和外部系統；第三步應用格納姆矩陣法，對外部系統中的發電機進行相關識別，將外部系統分為若干個同調機群；第四步將同一相關群中的同調發電機合併為一臺等值機，利用加權法對同調發電機及其調速與勵磁系統的詳細模型參數進行聚合，得到等值系統的動態數據；第五步進行電力網絡化簡和電力負荷等值聚合，得到等值系統的潮流數據和負荷數據；第六步將所得到的等值系統的網絡數據，包括等值系統的潮流數據，動態數據和負荷數據，輸出給暫態穩定計算程序；第七步暫態穩定計算程序利用等值系統的網絡數據進行暫態穩定計算，得出既定預想事故下系統暫態穩定與否的結論，進而從暫態穩定分析預想事故集中選擇下一個預想事故，返回第二步，從第二步到第七步形成一個內循環，直到對預想事故集中的全部預想事故都做過分析為止，如果預想事故集中的全部預想事故都不會造成暫態不穩定則說系統是動態安全的，過程結束；否則系統就是動態不安全的，需要進行預防性控制，再返回第一步。
2.如權利要求1所述的電力系統同調發電機組參數聚合方法，其特徵在於，步驟三通過格納姆矩陣法進行相關發電機的識別，對於不同的故障，發電機識別為不同的相關機群。
3.如權利要求1所述的電力系統同調發電機組參數聚合方法，其特徵在於，在步驟四中利用加權法對發電機詳細模型參數進行聚合時，將發電機詳細模型分為五個部分，即發電機轉子搖擺方程、發電機電磁迴路、發電機勵磁調節系統、電力系統穩定器以及原動機調速系統，分別進行參數聚合。
4.一種電力系統異步電動機群參數聚合方法，用於配用中小型配電網絡的電力系統負荷分析中，其步驟如下第一步將其中的異步電動機群合併成一臺等值機；第二步利用加權法對每臺異步電動機等值機參數進行聚合。
全文摘要
本發明涉及電力系統動態等值參數聚合方法，屬於電力系統動態等值技術領域，該方法通過加權法實現，包括電網數據採集；同調發電機識別；同調發電機參數聚合；網絡化簡；最終得到等值系統的潮流和動態數據，經暫態穩定分析程序計算，將結果反饋給系統，以便識別系統動態安全與否，在動態不安全時進行預防控制。由本發明可得到等值發電機組及其調速與勵磁系統的詳細模型參數和負荷等值異步電動機的詳細模型參數，不但能達到參數聚合的精度，同時極大的減少了計算時間。
文檔編號H02J1/12GK1967960SQ20061001607
公開日2007年5月23日 申請日期2006年9月29日 優先權日2006年9月29日
發明者餘貽鑫, 胡杰 申請人:天津大學