CN100444494C - 电力系统同调发电机组参数聚合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统动态等值参数聚合方法，属于电力系统动态等值技术领域，该方法通过加权法实现，包括：电网数据采集；同调发电机识别；同调发电机参数聚合；网络化简；最终得到等值系统的潮流和动态数据，经暂态稳定分析程序计算，将结果反馈给系统，以便识别系统动态安全与否，在动态不安全时进行预防控制。由本发明可得到等值发电机组及其调速与励磁系统的详细模型参数，不但能达到参数聚合的精度，同时极大的减少了计算时间。

Description

电力系统同调发电机组参数聚合方法

技术领域

本发明涉及电力系统动态等值参数聚合方法，属于电力系统动态等值技术领域。

背景技术

在电力系统规划设计和实际运行中为保证输电可靠性需做大量的暂态过程仿真计算，以估计系统遭受扰动后的稳定性。为了提高输电的经济性和可靠性，现代电力系统越来越趋向于区域互联，从而大大增加了数字仿真的计算量。因此有必要对大电力系统进行动态等值。在动态等值中，完全系统分为研究系统和外部系统，由于动态研究主要是针对研究系统进行的，外部系统可在保证其对研究系统的动态影响不畸变的条件下，进行简化。图1所示的是动态等值系统的原理图

在现代电力系统的各种动态等值方法中，基于发电机转子同摆的同调等值法是最基本的一种，主要用于暂态稳定分析，要求等值前后研究系统在大扰动下有接近的转子摇摆曲线，同时要求等值系统中的元件应为实际电力系统元件，以便直接用暂态稳定程序进行分析。它包括相关机群识别，网络化简和相关机群参数聚合三部分。所谓相关机群参数聚合，是要构造一台等值的发电机及其调节系统，使它在暂态稳定仿真的过程中，能很好的模拟一个相关机群中全部发电机及其调节系统的综合动态响应。

在同调等值法的相关机群参数聚合中，常用的是频域聚合法。它是一种适用于发电机详细模型参数聚合的经典方法。相关发电机参数聚合的条件是具有相同的角速度ω和端电压VT。其目的是由原模型各个单元的特性来确定等值模型的特性。该方法分别考虑发电机转子动态方程，原动机和调速系统模型以及励磁系统模型。求解的基本思路是先选择一个在结构上与相关群中发电机相同的等值模型，然后调整其参数使该环节的频域传递函数和相关机群组的综合频域传递函数在离散的频域上以某种精度相近似。这种近似可以用离散频率域上两个传递函数之差的平方和最小来衡量。它在理论上是严谨的，但具有如下缺点：聚合算法较复杂，对于大系统，等值时间较长。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种在能保证工程精度要求的前提下，极大减少计算时间和程序复杂度的电力系统同调发电机组参数聚合方法。

本发明提出的电力系统同调发电机组参数聚合方法，用于电力系统能量管理系统(EMS)的动态安全分析中，其步骤如下：

第一步：从电力系统能量管理系统采集所需要的电力系统暂态稳定计算数据，并确定动态安全分析的预想事故集。

第二步：基于采集到的电网数据和预想事故集中的一个既定预想事故，将电力系统划分为研究系统和外部系统；

第三步：应用格纳姆矩阵法，对外部系统中的发电机进行相关识别，将外部系统分为若干个同调机群；

第四步：将同一相关群的同调发电机合并为一台等值机，该等值机的容量为各同调发电机的容量之和，利用以该等值机容量为基值容量的加权法对发电机详细模型参数进行聚合，将发电机详细模型分为五个部分，即发电机转子摇摆方程、发电机电磁回路、发电机励磁调节系统、电力系统稳定器以及原动机调速系统，分别进行参数聚合，聚合后等值机各部分的以等值机容量为基值的参数的标幺值，等于聚合前群内各台发电机的以各自容量为基值的相应参数的标幺值的加权平均值，其中各台发电机的加权值即为发电机各自的容量；

第五步：进行电力网络化简和电力负荷等值聚合，得到等值系统的潮流数据和负荷数据；

第六步：将所得到的等值系统的网络数据，包括等值系统的潮流数据，动态数据和负荷数据，输出给暂态稳定计算程序；

第七步：暂态稳定计算程序利用等值系统的网络数据进行暂态稳定计算，得出既定预想事故下系统暂态稳定与否的结论，进而从暂态稳定分析预想事故集中选择下一个预想事故，返回第二步，从第二步到第七步形成一个内循环，直到对预想事故集中的全部预想事故都做过分析为止，如果预想事故集中的全部预想事故都不会造成暂态不稳定则说系统是动态安全的，过程结束；否则系统就是动态不安全的，需要进行预防性控制，再返回第一步。

在上述的技术方案中，步骤三通过格纳姆矩阵法进行相关发电机的识别，对于不同的故障，发电机识别为不同的相关机群。

由本发明提出的基于加权法的动态参数聚合方法，在发电机详细模型参数聚合中，具有与用频域法等值相同的优点即：等值系统元件模型均为实际电力系统元件模型，可直接用于大规模系统暂态稳定分析的等值聚合，在仿真过程中，本发明在保证精度的基础上改善了频域拟合法因同调发电机聚合较复杂而导致的对大系统进行等值时间较长的缺陷，极大的减少了等值时间，具有很大的工程意义。

此外，由于在相关机群的识别中采用了格纳姆矩阵法，当需要对一个偶然事故集中的多个故障进行分析时，只需在第一种故障情况下进行矩阵变换，后面的故障则不必进行，从而也大大节省了计算时间。

附图说明

图1是动态等值系统的原理图。

图2是本发明所提出的基于加权法的动态参数聚合方法的流程图。

图3是IEEE-1型励磁调节系统框图。

图4是IEEE39节点系统结构图。

图5是IEEE39节点系统采用本发明提出的参数聚合法得到的仿真图像与原系统仿真图像的比较图。

具体实施方式

下面接合附图及实施例，对本发明作详细说明。

本发明提出的第一种方法是通过加权法来实现的一种电力系统同调发电机组参数聚合方法，它将用于电力系统能量管理系统(EMS)的动态安全分析中，如图2所示，以IEEE39节点系统为实施例，详细说明如下：

第一步：从EMS采集所需要的电力系统暂态稳定计算数据，并确定动态安全分析的预想事故集；

对于本实施例，可以直接输入IEEE39节点系统的数据，对于实际电力系统需要连接电网控制中心中的EMS系统以获取必要的电网数据。

第二步：基于采集到的电网数据和预想事故集中的一个既定预想事故，将电力系统划分为研究系统和外部系统；

第三步：应用格纳姆矩阵法，对外部系统中的发电机进行相关识别，将外部系统分为若干个同调机群，同时，找出对系统暂态稳定性影响较小的负荷母线作为消去的负荷母线；

对于如图4所示的IEEE39节点系统，选取故障为0.5s时在26-29线路发生三相短路，在0.58s时切除故障，可以划分为三组相关机群(G2，G3；G4，G6，G7；G8，G10)。同时，将对系统影响比较小的1-10号负荷母线消去。

第四步：将同一相关群的同调发电机合并为一台等值机，该等值机的容量为各同调发电机的容量之和，利用以该等值机容量为基值容量的加权法对发电机详细模型参数进行聚合，将发电机详细模型分为五个部分，即发电机转子摇摆方程、发电机电磁回路、发电机励磁调节系统、电力系统稳定器以及原动机调速系统，分别进行参数聚合，聚合后等值机各部分的以等值机容量为基值的参数的标幺值，等于聚合前群内各台发电机的以各自容量为基值的相应参数的标幺值的加权平均值，其中各台发电机的加权值即为发电机各自的容量；

第五步：进行电力网络化简和电力负荷等值聚合，得到等值系统的潮流数据和负荷数据；

第六步：将所得到的等值系统的网络数据(包括全部等值机及其调节器参数、潮流数据和等值负荷参数)输出给暂态稳定计算程序；

第七步：暂态稳定计算程序利用等值系统的网络数据进行暂态稳定计算，得出既定预想事故下系统暂态稳定与否的结论。进而从暂态稳定分析预想事故集中选择下一个预想事故集，返回第二步，第二步到第七步形成一个内循环，直到对预想事故集中的全部预想事故都做过分析(即都走过这一循环)为止，如果预想事故集中的全部预想事故都不会造成暂态不稳定则说系统是动态安全的，过程结束；否则系统就是动态不安全的，需要进行预防性控制，再返回第一步。

对于同调等值法的正确性可以用常规的潮流程序和暂态稳定分析程序作检查。等值前后，对于稳态运行方式，系统保留节点的电压及保留支路的潮流应基本不变；对研究系统施加扰动后，保留机组的发电机转子摇摆曲线基本不变，等值后的等值发电机的转子摇摆曲线和等值前相应发电机同调，根据这一原则，对实例的原系统和等值系统分别进行仿真，由图5所示的仿真曲线观察发现，本发明提出的基于加权法的动态参数聚合方法，满足同调等值法正确性的要求，并在此基础上提高了计算速度，减少了计算时间，以华中系统为例，将其182台发电机、1319条母线、1752条线路，等值为77台发电机、461条母线、621条线路，用频域聚合法程序需要5分钟以上，而利用本发明提出的方法在1秒内即可完成等值，计算效率明显提高。

如上所述，利用本发明对同调发电机组的动态参数进行聚合分析时，需要识别相关机群，本发明采用格纳姆矩阵法识别相关机群。下面对格纳姆矩阵作简单介绍，更为详细的介绍请参见有关期刊文献或网络文献(例如闵亮，余贻鑫等撰写的“失稳模态识别方法及其在动态安全域中的运用”，论文来源：电力系统自动化-2004.28(11).-28-32)。

根据线性系统理论，线性系统可表示为

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}---\left(1\right)$

式中x∈R^2n-1；u∈R^k；A∈R^{(2n-1)×(2n-1)}；B∈R^(2n-1)×k。这样A的秩为2n-1，A为满秩矩阵。在τ时的格纳姆可定义W_τ ²：

$W_{\mathrm{\τ}}^2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{e}^{\mathrm{At}}{\mathrm{BB}}^T{e}^{A^{T}t}\mathrm{dt}---\left(2\right)$

在τ时的可达性状态集合可由下式给出：

$S_{\mathrm{\τ}}=\left\{x\right|x={\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{e}^{A(\mathrm{\τ}-1)}\mathrm{Bu}\left(t\right)\mathrm{dt},{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}{\left|\right|u\left(t\right)\left|\right|}^2\mathrm{dt}\≤K^2\}---\left(3\right)$

由于式(1)中的A为满秩矩阵，所以确保了τ时存在唯一的可达性格纳姆矩阵W_τ ²。于是S_τ还可以用半径为K的球体在W_τ映射下的集合表述：

$S_{\mathrm{\τ}}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\left\{x\right|x=W_{\mathrm{\τ}}p,\left|\right|p\left|\right|\≤K\}---\left(4\right)$

用式(1)的稳态解 $W^2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\{{\mathrm{AW}}^2+W^2{A}^T=-{\mathrm{BB}}^T\}$ 近似代替W_τ ²。对于任何x(t)，

，‖p(t)‖≤K， $\∀t\∈[0,\∞],$ 使得x(t)＝Wp(t)。

在格纳姆的求取过程中，需要利用一个正交相似变换将矩阵A转换到Schur形式。但由于A是一个定常矩阵，是不随预想事故的改变而改变的，所以当需要对一个偶然事故集中的多个故障进行分析时，只需在第一种故障情况下将其转化到Schur形式，后面的故障则不必进行。因此基于格纳姆矩阵进行相关发电机的识别，在对多个故障进行暂态分析时，可大大节省计算时间，特别适合应用于大电力系统的动态等值。

本发明提出的基于加权法的动态参数聚合方法，其具体内容如下：

设通过相关识别得到某个相关机群G＝{1，…，j，…，N}，其中包括N台相关发电机。鉴于合成的等值机的容量为各台电机的容量(MVA)之和，即 $S_G=\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j$ ，其中下标G表示等值机，由此可以导出等值发电机及其调节系统详细模型的参数：

1)转子摇摆方程：假设发电机j摇摆方程为： $M_j\frac{{\mathrm{d\ω}}_j}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{mj}}-P_{\mathrm{ej}}-D_j({\mathrm{\ω}}_j-1),\∀j\∈G---\left(5\right),$ 式中，M_j、D_j、P_mj和P_ej分别为电机j的惯性时间常数、阻尼系数、原动机功率和电磁功率，各参数值均为以其自身额定容量S_j为基值的标幺值。为了写出以聚合后的等值机容量S_G为基值容量的等值机摇摆方程，把式(5)改写为 $\frac{S_j}{S_G}{M}_j\frac{{\mathrm{d\ω}}_j}{\mathrm{dt}}=\frac{S_j}{S_G}[P_{\mathrm{mj}}-P_{\mathrm{ej}}-D_j({\mathrm{\ω}}_j-1)],\∀j\∈G$ (6)，将N台同调机运动方程相叠加，并计及一群内的各同调机转速相同(即ω_j＝ω， $\∀j\∈G$ )的假设，则得到 $\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{S_j}{S_G}{M}_j\right)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}\left\{\frac{S_j}{S_G}\right[P_{\mathrm{mj}}-P_{\mathrm{ej}}-D_j(\mathrm{\ω}-1)\left]\right\}---\left(7\right),$ 若合成等值机的转子运动方程为 $M_G\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{mG}}-P_{\mathrm{eG}}-D_G(\mathrm{\ω}-1),$ 其中的参数应是以合成等值机容量S_G为基值容量时的等值机参数。于是可得 $M_G=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{M}_j}{S_G}=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{M}_j}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j}---\left(8\right);$ $P_{\mathrm{mG}}=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{P}_{\mathrm{mj}}}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j}---\left(9\right);$ $P_{\mathrm{eG}}=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{P}_{\mathrm{ej}}}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j}---\left(10\right);$ $D_{\mathrm{eG}}=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{D}_j}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j}---\left(11\right)$ 即聚合后等值机的惯性常数、原动功率、电磁功率和阻尼系数(以聚合后等值机容量为基值)的标幺值，等于聚和前群内各台电机相应参数(以它们各自容量为基值)的标幺值的加权平均值。

2)电磁回路方程：利用类似式(8)-(11)所示的加权法求取等值机的电抗和时间常数，即等值机的电抗为 $X_G=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{X}_j}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j},$ 式中X_G为等值机电抗(以已聚合后等值机的容量为基值)，可分别为等值机d、q轴同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗。X_j为第j台相关发电机对应的参数(以第j台机自身容量为基值的标幺值)。同样等值机G的时间常数可按下式计算： $C_G=\frac{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{S}_j{C}_j}{\underset{\∀j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{C}_j},$ 式中C_G为等值机时间常数，分别为等值机d、q轴的开路暂态时间常数及d、q轴开路次暂态时间常数，C_j为第j台相关发电机对应的参数。

3)发电机励磁调节系统：以IEEE-1型励磁调节系统为例(如图3)，利用加权法分别对调压器的增益和时间常数，励磁机的增益和时间常数，调压器镇定回路的增益和时间常数进行参数聚合。

4)电力系统稳定器(PSS)：PSS有多种输入信号，应对具有相同输入信号的PSS聚合，亦即应仅对装设具有相同输入信号PSS的相关发电机群进行聚合。如果参与聚合的PSS的传递函数为 $G_S\left(s\right)=\frac{{\mathrm{sK}}_{Q0}{T}_{Q0}}{1+s{T}_{Q0}}[\frac{1+{\mathrm{sT}}_{Q1}}{1+s{T}_{Q2}}\·\frac{1+s{T}_{Q3}}{1+s{T}_{Q4}}],$ 式中，K_Q0，T_Q0分别为电力系统稳定器的增益和复归时间常数，T_Q1，T_Q2，T_Q3，T_Q4为相位补偿环节的时间常数。则等值机的PSS有相同的传递函数，其参数也可按照加权法得到。

5)对于原动机调速系统的处理原则和方法与发电机励磁调节系统相同，此时汽轮发电机与水轮发电机应分别聚合。

Claims (2)

1.一种电力系统同调发电机组参数聚合方法，如下的第一步至第四步所述：

第一步：从电力系统能量管理系统采集所需要的电力系统暂态稳定计算数据，并确定动态安全分析的预想事故集；

第二步：基于采集到的电网数据和预想事故集中的一个既定预想事故，将电力系统划分为研究系统和外部系统；

第三步：应用格纳姆矩阵法，对外部系统中的发电机进行相关识别，将外部系统分为若干个同调机群；

第四步：将同一相关群的同调发电机合并为一台等值机，该等值机的容量为各同调发电机的容量之和，利用以该等值机容量为基值容量的加权法对发电机详细模型参数进行聚合，将发电机详细模型分为五个部分，即发电机转子摇摆方程、发电机电磁回路、发电机励磁调节系统、电力系统稳定器以及原动机调速系统，分别进行参数聚合，聚合后等值机各部分的以等值机容量为基值的参数的标幺值，等于聚合前群内各台发电机的以各自容量为基值的相应参数的标幺值的加权平均值，其中各台发电机的加权值即为发电机各自的容量；

上述的参数聚合方法，用于电力系统能量管理系统的动态安全分析的步骤如下：第五步：进行电力网络化简和电力负荷等值聚合，得到等值系统的潮流数据和负荷数据；

第六步：将所得到的等值系统的网络数据，包括等值系统的潮流数据，动态数据和负荷数据，输出给暂态稳定计算程序；

第七步：暂态稳定计算程序利用等值系统的网络数据进行暂态稳定计算，得出既定预想事故下系统暂态稳定与否的结论，进而从暂态稳定分析预想事故集中选择下一个预想事故，返回第二步，从第二步到第七步形成一个内循环，直到对预想事故集中的全部预想事故都做过分析为止，如果预想事故集中的全部预想事故都不会造成暂态不稳定则说系统是动态安全的，过程结束；否则系统就是动态不安全的，需要进行预防性控制，再返回第一步。

2.如权利要求1所述的电力系统同调发电机组参数聚合方法，其特征在于，步骤三通过格纳姆矩阵法进行相关发电机的识别，对于不同的故障，发电机识别为不同的相关机群。

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