異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法及系統與流程
2023-05-17 23:39:26
本發明涉及電網技術領域，尤其是一種異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法及系統。
背景技術：
在雲南異步聯網的背景下，雲南電網與南方電網主網的交流聯絡線將斷開，雲南電網將水電資源經直流外送至南方電網主網。雲南電網與南方電網主網異步聯網後異步聯網直流系統的電網結構與特性將發生重大變化，頻率問題將成為其運行的主要風險。而異步聯網直流系統發生單回、多回大容量直流相繼或同時發生換相失敗時，會造成大額功率瞬時中斷，對區域交流聯絡線造成能量衝擊，這相當於給異步聯網直流系統的送端系統增加了一個瞬時的大電源，而受端系統則相當於少了一個瞬時的大電源。該過程會造成異步聯網直流系統的送、受端頻率產生較大的波動，嚴重威脅到大區電網的安全穩定運行。因此，亟需充分考慮異步聯網背景下區域電網的特點，展開對直流換相失敗衝擊功率下頻率波動的研究，為高頻切機整定和低頻減載整定提供依據。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明的目的在於：提供一種快速的，異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法。
本發明的另一目的在於：提供一種快速的，異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析系統。
本發明所採取的技術方案是：
異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法，其特徵在於：包括以下步驟：
從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理；
根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析，從而快速估算出異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，所述改進的簡化分析模型以電機轉子的運動方程為基礎並考慮了負荷的頻率調節效應。
進一步，所述從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理這一步驟，其包括：
從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，所述異步聯網直流系統送端和受端的相關數據包括但不限於送端和受端的各電機慣性時間常數、各電機額定功率、負荷的頻率調節效應係數、直流輸送功率以及負荷功率；
對實時獲取的數據進行標么化處理。
進一步，所述對實時獲取的數據進行標么化處理這一步驟，其包括：
將送端或受端等值機為送端的所有電機合併為一臺等值機，並根據送端或受端的各電機慣性時間常數和各電機額定功率計算送端或受端等值機的慣性常數，所述送端或受端等值機的慣性常數HΣ的計算公式為：其中，n為送端或受端電機的總臺數，Hi和SNi分別為送端或受端第i臺電機的慣性常數和額定功率，i＝1，2，……n，SB為統一基準功率；
對送端或受端負荷的頻率調節效應係數進行標么化處理，得到負荷頻率調節效應係數的標么值KL；
根據直流輸送功率佔送端或受端總發電功率的百分比計算異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc。
進一步，所述根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據，採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析這一步驟，其包括：
獲取送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗衝擊發生前的系統額定頻率f0，送端或受端負荷頻率調節效應係數的標么值KL，異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc，送端或受端等值機的慣性常數HΣ以及送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗故障發生後的恢復時間t；
根據獲取的f0、KL、Pc、HΣ以及t計算送端或受端的頻率變化值，所述送端或受端的頻率變化值Δf的計算公式為：
進一步，所述異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法還包括根據異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度進行高周切機參數整定和低頻減載參數整定的步驟。
本發明所採取的另一技術方案是：
異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析系統，包括以下模塊：
數據獲取與標么化處理模塊，用於從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理；
頻率波動分析模塊，用於根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析，從而快速估算出異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，所述改進的簡化分析模型以電機轉子的運動方程為基礎並考慮了負荷的頻率調節效應。
進一步，所述數據獲取與標么化處理模塊包括：
第一數據獲取單元，用於從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，所述異步聯網直流系統送端和受端的相關數據包括但不限於送端和受端的各電機慣性時間常數、各電機額定功率、負荷的頻率調節效應係數、直流輸送功率以及負荷功率；
標么化處理單元，用於對實時獲取的數據進行標么化處理。
進一步，所述標么化處理單元包括：
等值機慣性常數計算子單元，用於將送端或受端等值機為送端的所有電機合併為一臺等值機，並根據送端或受端的各電機慣性時間常數和各電機額定功率計算送端或受端等值機的慣性常數，所述送端或受端等值機的慣性常數HΣ的計算公式為：其中，n為送端或受端電機的總臺數，Hi和SNi分別為送端或受端第i臺電機的慣性常數和額定功率，i＝1，2，……n，SB為統一基準功率；
負荷的頻率調節效應係數標么化處理子單元，用於對送端或受端負荷的頻率調節效應係數進行標么化處理，得到負荷頻率調節效應係數的標么值KL；
衝擊功率的標么值計算子單元，用於根據直流輸送功率佔送端或受端總發電功率的百分比計算異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc。
進一步，所述頻率波動分析模塊包括：
第二數據獲取單元，用於獲取送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗衝擊發生前的系統額定頻率f0，送端或受端負荷頻率調節效應係數的標么值KL，異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc，送端或受端等值機的慣性常數HΣ以及送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗故障發生後的恢復時間t；
頻率變化值計算單元，用於根據獲取的f0、KL、Pc、HΣ以及t計算送端或受端的頻率變化值，所述送端或受端的頻率變化值Δf的計算公式為：
進一步，所述異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析系統還包括用於根據異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度進行高周切機參數整定和低頻減載參數整定的高周切機與低頻減載參數整定模塊。
本發明的方法的有益效果是：包括從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理以及採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析的步驟，採用了改進的簡化分析模型，以電機轉子的運動方程為基礎，結合異步聯網直流系統送端和受端的實時數據來快速估算出異步聯網直流系統在換相失敗衝擊下送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，為後續的高周切機參數整定和低頻減載整定操作提供了有效的參考依據。
本發明的系統的有益效果是：包括數據獲取與標么化處理模塊以及頻率波動分析模塊，在頻率波動分析模塊中採用了改進的簡化分析模型，以電機轉子的運動方程為基礎，結合異步聯網直流系統送端和受端的實時數據來快速估算出異步聯網直流系統在換相失敗衝擊下送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，為後續的高周切機參數整定和低頻減載整定操作提供了有效的參考依據。
附圖說明
圖1為本發明異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法的整體流程圖；
圖2為實施例二異步聯網系統在等值機的慣性常數取不同值時送端頻率上升的幅度估算結果示意圖。
具體實施方式
參照圖1，異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法，其特徵在於：包括以下步驟：
從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理；
根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析，從而快速估算出異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，所述改進的簡化分析模型以電機轉子的運動方程為基礎並考慮了負荷的頻率調節效應。
進一步作為優選的實施方式，所述從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理這一步驟，其包括：
從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，所述異步聯網直流系統送端和受端的相關數據包括但不限於送端和受端的各電機慣性時間常數、各電機額定功率、負荷的頻率調節效應係數、直流輸送功率以及負荷功率；
對實時獲取的數據進行標么化處理。
進一步作為優選的實施方式，所述對實時獲取的數據進行標么化處理這一步驟，其包括：
將送端或受端等值機為送端的所有電機合併為一臺等值機，並根據送端或受端的各電機慣性時間常數和各電機額定功率計算送端或受端等值機的慣性常數，所述送端或受端等值機的慣性常數HΣ的計算公式為：其中，n為送端或受端電機的總臺數，Hi和SNi分別為送端或受端第i臺電機的慣性常數和額定功率，i＝1，2，……n，SB為統一基準功率；
對送端或受端負荷的頻率調節效應係數進行標么化處理，得到負荷頻率調節效應係數的標么值KL；
根據直流輸送功率佔送端或受端總發電功率的百分比計算異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc。
進一步作為優選的實施方式，所述根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據，採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析這一步驟，其包括：
獲取送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗衝擊發生前的系統額定頻率f0，送端或受端負荷頻率調節效應係數的標么值KL，異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc，送端或受端等值機的慣性常數HΣ以及送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗故障發生後的恢復時間t；
根據獲取的f0、KL、Pc、HΣ以及t計算送端或受端的頻率變化值，所述送端或受端的頻率變化值Δf的計算公式為：
考慮到異步聯網直流系統發生換相失敗故障後的恢復時間可能長達200ms，一般取t＝200ms。
進一步作為優選的實施方式，所述異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法還包括根據異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度進行高周切機參數整定和低頻減載參數整定的步驟。
參照圖1，異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析系統，包括以下模塊：
數據獲取與標么化處理模塊，用於從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理；
頻率波動分析模塊，用於根據標么化處理後的數據和異步聯網直流系統的實時數據採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析，從而快速估算出異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度，所述改進的簡化分析模型以電機轉子的運動方程為基礎並考慮了負荷的頻率調節效應。
進一步作為優選的實施方式，所述數據獲取與標么化處理模塊包括：
第一數據獲取單元，用於從EMS系統中實時獲取異步聯網直流系統送端和受端的相關數據，所述異步聯網直流系統送端和受端的相關數據包括但不限於送端和受端的各電機慣性時間常數、各電機額定功率、負荷的頻率調節效應係數、直流輸送功率以及負荷功率；
標么化處理單元，用於對實時獲取的數據進行標么化處理。
進一步作為優選的實施方式，所述標么化處理單元包括：
等值機慣性常數計算子單元，用於將送端或受端等值機為送端的所有電機合併為一臺等值機，並根據送端或受端的各電機慣性時間常數和各電機額定功率計算送端或受端等值機的慣性常數，所述送端或受端等值機的慣性常數HΣ的計算公式為：其中，n為送端或受端電機的總臺數，Hi和SNi分別為送端或受端第i臺電機的慣性常數和額定功率，i＝1，2，……n，SB為統一基準功率；
負荷的頻率調節效應係數標么化處理子單元，用於對送端或受端負荷的頻率調節效應係數進行標么化處理，得到負荷頻率調節效應係數的標么值KL；
衝擊功率的標么值計算子單元，用於根據直流輸送功率佔送端或受端總發電功率的百分比計算異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc。
進一步作為優選的實施方式，所述頻率波動分析模塊包括：
第二數據獲取單元，用於獲取送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗衝擊發生前的系統額定頻率f0，送端或受端負荷頻率調節效應係數的標么值KL，異步聯網直流系統換相失敗後送端或受端衝擊功率的標么值Pc，送端或受端等值機的慣性常數HΣ以及送端或受端在異步聯網直流系統換相失敗故障發生後的恢復時間t；
頻率變化值計算單元，用於根據獲取的f0、KL、Pc、HΣ以及t計算送端或受端的頻率變化值，所述送端或受端的頻率變化值Δf的計算公式為：
考慮到異步聯網直流系統發生換相失敗故障後的恢復時間可能長達200ms，一般取t＝200ms。
進一步作為優選的實施方式，所述異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析系統還包括用於根據異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度進行高周切機參數整定和低頻減載參數整定的高周切機與低頻減載參數整定模塊。
下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例一
針對現有技術缺乏針對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下頻率波動分析方法的缺陷，本發明提出了一種全新的異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法。
以異步聯網直流系統為遠距離高壓直流輸電系統為例，如圖1所示，本發明異步聯網系統換相失敗衝擊下的頻率波動分析方法包括以下步驟：
(1)從EMS系統中實時獲取遠距離高壓直流輸電系統送端和受端的相關數據，並對實時獲取的數據進行標么化處理。
其中，遠距離高壓直流輸電系統送端和受端的相關數據包括送端和受端各電機慣性時間常數，各電機額定功率，負荷的頻率調節效應係數、直流輸送功率和系統負荷功率等數據。
(2)根據標么化處理後的數據和遠距離高壓直流輸電系統的實時數據採用改進的簡化分析模型對異步聯網直流系統換相失敗衝擊下的頻率波動進行分析，從而快速估算出異步聯網直流系統送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度。
在遠距離高壓直流輸電系統換相失敗衝擊下，本發明考慮了負荷的頻率調節效應，以模型分析理論為基礎，根據遠距離高壓直流輸電系統的實時參數來快速估算出送端頻率上升的幅度和受端頻率下降的幅度。
在電力系統穩定分析中，核心方程是電機轉子的運動方程，它描述了各個電機的電磁轉矩和機械轉矩之間不平衡所造成的影響，而電機轉子的運動方程具體表達式如下：
式(1)中，J為電機的轉動慣量(kg·m2)，w為電機轉子的角速度(rad/s)，t為時間(s)，Tm為電機的機械轉矩,Pm為電機的電功率；Te為電機的電磁轉矩，Pe為電機的負荷功率。而f為電機轉子的頻率，且ω＝2πf；
本發明引入了慣性常數H來規範定義：
式(2)中，SNB為電機的基準容量。
因此，由式(1)和(2)可得：
式(3)中，ω0為電機轉子的額定角速度，和分別為發生換相失敗後電機的電功率和負荷功率。
為簡化分析，本發明將送端或受端的n臺電機合併為一臺等值機，則等值機的慣性時間常數H∑為送端或受端各電機慣性時間常數歸算到統一基準功率SB的慣性時間常數之和，如下式所示：
式(4)中，i為送端或受端電機編號，i＝1，2，……n，SNi為送端或受端第i臺電機的額定功率。由式(3)、式(4)以及ω＝2πf可得：
式(5)中，f0為遠距離高壓直流輸電系統換相失敗衝擊發生前送端或受端的系統額定頻率。
當遠距離高壓直流輸電系統發生換相失敗後，由於衝擊功率的持續時間很短，遠距離高壓直流輸電系統的調速器還來不及動作，所以發生換相失敗後電機的電功率在短時間內保持不變，而其中，和分別為發生換相失敗前等值電機的電功率和電機的負荷功率，Pc為衝擊功率的標么值(由直流輸送功率佔送端或受端總發電功率的百分比決定，送端為正值，受端為負值)，KL為送端或受端負荷頻率調節效應係數的標么值KL。考慮到遠距離高壓直流輸電系統在發生最嚴重故障的情況下，Pc等於發生故障的直流輸電線路傳輸的功率標么值，相當於將發生故障的直流線路閉鎖的情況以及異步聯網背景下還需要將負荷的調節效應考慮進來的情況，可得：
由式(6)可以推知：
又f(t＝0)＝f0，故求解微分方程公式(7)，可得：
式(8)中，f(t)為遠距離高壓直流輸電系統發生換相失敗後在時間t時送端或受端電機的頻率。
則送端頻率上升的幅度Δf和受端頻率下降的幅度Δf的計算公式為：
本發明提供了一種異步聯網直流輸電系統換相失敗衝擊下送端或受端頻率的波動的簡化分析方法，可快速大致估算異步聯網系統送端的頻率上升水平和受端的頻率下降水平，為高周切機參數整定和低頻減載參數整定提供了參考依據。
實施例二
參照圖2，本發明的第二實施例：
假設在異步聯網直流系統換相失敗的情況下，若換相失敗的直流線路輸送功率佔送端系統發電功率的30％，則Pc＝0.3，KL取2，則在等值機的慣性時間常數H∑不同時，異步聯網直流系統送端的頻率升幅採用本發明的方法得到的估算結果如圖2所示。
考慮到異步聯網直流系統發生換相失敗故障的恢復時間可能長達200ms，而從圖2可知，當H∑＝2時，在200ms後送端的頻率增量可達0.71hz，此時送端會有引起高周切機的風險，需要進行高周切機參數整定操作，降低送端的頻率值。
以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。