CN101153881A - 基于同步相量测量的区域电压稳定性监视方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，包括如下步骤：选择系统中的重负荷受端区域作为监视对象，利用同步相量测量装置对区域总负荷和区域内少数关键负荷节点的电压和电流相量进行同步采样；依据电压、电流相量连续采样数据，计算关键节点电压稳定性指标；通过考察节点负荷与其所在区域的总负荷变化之间是否满足近似同步变化的关系判断各节点指标的有效性；取同一时刻、同一区域内所有采样负荷节点的有效稳定性指标中的最大值作为该区域的稳定性指标输出。在区域负荷持续攀升等长期电压失稳易发阶段，由本发明所提供的方法可以准确地对系统电压稳定性进行有效的实时评估，及时向运行人员提供有效的电压稳定性信息。

Description

基于同步相量测量的区域电压稳定性监视方法

技术领域

本发明属于电力系统电压稳定在线监视领域。

背景技术

为了保证电力系统的稳定运行，为用户提供稳定经济的电能，电网调度中心要随时监控电力系统的运行情况，并通过安全分析对系统的安全水平做出评价，对于系统电压稳定的监视是其中的一个重要方面。

目前电压稳定的监视和预防控制方法包括以下三类：

1.低电压切负荷。这类方法依靠本地测量设备实现，仅仅根据节点电压幅值的降低值、延时值以及变化率等制定切负荷等控制措施，不依赖通信信道，控制成本低，简单，快速，实际应用较多。但是实际应用情况显示，该方法不能完全有效地消除电压失稳事故的发生，并且切负荷的电压临界值也很难确定，容易发生不必要的误动作造成经济损失。

2.电压稳定性状态指标。这类方法(包括灵敏度方法和奇异值分解法等)可基于网络结构拓扑和系统实时工况快速求解，同一运行状态下的灵敏度指标有一定可比性，可以作为辅助分析指标，帮助运行人员确定系统的相对弱负荷母线和弱区域，便于运行人员采取措施进行有效监控。但是其求解过程不反映实际系统由运行点向临界点的过渡过程，不考虑各种限制性因素的影响，作为独立的电压稳定性评价指标物理意义不够明确、存在很大的局限性。

3.电压稳定裕度指标。这类方法从系统的当前运行状态出发，按照设定的负荷增长方式和有功出力的不同调整原则，不断增加负荷功率注入，来逼近电网向负荷母线(或区域)输送功率的极限运行状态，从而得到稳定裕度指标。能够给出系统目前运行状态下稳定储备的量化指标，为运行和规划人员提供电压稳定水平的参考依据。但是该类方法需要采用连续潮流或优化潮流技术，对不同的方式和故障设定进行大量的计算，当系统规模较大时所需计算时间很长，因此多用于离线运行方式分析。

上述方法都属于集中控制的方法，需要获得系统全局运行信息包括系统拓扑结构和所有节点的数据，因此都会遇到数据传输的可靠性问题。近些年来，基于全球定位系统的同步相量测量技术逐步成熟，各分布的相量测量装置在时间上保持同步，不仅可以获得各个节点或母线的电压幅值，而且可以直观测量得到电压相角，使得基于同步的直接测量信息进行电压稳定分析的方法得到发展。其中最具代表性的是Khoi Vu等(Vu K，BegovicM M，Novosel D，et al.Use of Local Measurements to Estimate Voltage Stability Margin.IEEE Trans on Power Systems，1999，14(3)：1029-1035)提出的利用曲线拟合法进行“系统侧戴维南等值”参数跟踪的电压失稳预测指标，但是这种方法在实际应用中存在等值参数漂移(parameters drift)的情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于同步相量测量的区域电压稳定性监视方法，该方法以电压失稳过程所具有的区域特征为出发点，利用同步相量测量装置同步采集区域范围内少数节点的电压和电流数据，可快速地在线计算区域的电压稳定性指标，向调度人员提供系统的电压稳定信息。

本发明的一种基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，该方法包括以下步骤：

第一步：选择系统中的重负荷受端区域作为监视对象，利用同步相量测量装置对区域总负荷需求和区域内关键负荷节点的电压和电流相量进行同步采样；

为满足经济性要求，有效减少采样点，当区域内负荷节点数较多时，采取以下措施：

1)以区域间联络线上流入的潮流总和代替负荷区域总体负荷需求，虽然数据不能和该区域的负荷总量完全对应，但它们变化趋势是一致的；2)只选取区域内几个分散的末端负荷节点作为观测对象，来代表该区域的稳定性水平，而非全部，由于同一负荷区域内的电压稳定水平基本一致，所以这样是可行的。

第二步：依据电压、电流相量的连续采样数据，分别计算各关键负荷节点的电网侧等值阻抗，进而计算各节点电压稳定性指标；

第三步：考察观测节点负荷与其所在区域的总负荷变化之间是否满足近似同步变化的关系，若满足，则可判定依据该节点采样数据计算所得电压稳定性指标有效，否则无效；

第四步：取同一时刻、同一区域内所有采样负荷节点的有效稳定性指标的最大值作为该区域的稳定性指标输出。

为方便使用，本发明所用的数学变量列表如下：

两节点系统发电机节点电压

负荷节点注入电流

负荷节点电压

等值电压源电压

Z_th：等值阻抗

S_l：负荷功率

Z_l：负荷等值阻抗

本发明的依据是电力系统电压稳定性所具有的区域特征，以重负荷的受端区域作为一个整体的监视对象，进行电压稳定性评估。

本发明在步骤一中，采集点分布如图4所示。所需要的数据采集包括以下内容：区域间总负荷功率，该区域中关键负荷节点的负荷和电压电流向量。

在步骤二中，本发明利用最小二乘法计算各被监视节点的等值参数，进而计算电压稳定性指标。进行等值简化的目标系统如图3所示，等值模型为：

${\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{th}}=\stackrel{\·}{V}+Z_{\mathrm{th}}*\stackrel{\·}{I}$

这个方程中包含了

和Z_th两个待确定的未知量，因此需要至少两组电压和电流的相量数据才能求解。由于在实际系统运行过程中，节点电压和电流只具有近似线性关系，因此要求

和

的连续测量数据多于两组，以保证采用最小二乘法曲线拟合技术求解的准确性。而后计算|Z_th|/|Z_l|作为该节点的电压稳定性指标。

在步骤三中，本发明采用相关系数来评价采样数据组间的正相关关系，判断观测节点负荷与其所在区域的总负荷变化之间是否满足近似的同步变化关系，进而判定该节点电压稳定性指标的有效性。以下详细说明：

对于点集(x₁，y₁)，...(x_n，y_n)，变量x和y的线性相关系数为r：

$r=\frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\mathrm{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

设关键负荷节点i负荷功率的n个采样点数据为(S_li)，i＝1，...，n，其所在区域的总负荷功率同步采样数据为(S_ai)，i＝1，...，n，两组数据之间的线性相关度即线性相关系数为r，要求负荷功率数据(S_li)，i＝1，...，n和(S_ai)，i＝1，...，n满足如下条件：

1)组数据(S_li)，i＝1，...，n和(S_ai)，i＝1，...，n存在较好的正相关关系，线性相关系数r需满足r∈[0.75，1]，以保证数据窗中的采样运行点观测母线负荷和区域负荷的变化近似同步；

2)第n和第n-1采样点即(S_li)，i＝n-1，n和(S_ai)，i＝n-1，n之间满足正相关，即相关系数r＝1，以保证第n个采样点S_ln和S_an与区域负荷近似同步变化。

当被监测节点的采样数据同时满足这两个条件时，该节点计算所得指标才是有效可信的；否则，指标不可信，应舍弃。

本发明所提出的方法是基于区域范围的同步相量数据采样的一种快速评估负荷区域电压稳定性水平的方法，适合在线应用。电力系统的电压稳定性主要涉及负荷区域和负荷动态，因此在一个大电网中，只需要对其关键的几个重负荷受电区域布置同步相量测量装置，进行电压和电流的相量数据信息进行采样，即可有效掌握系统的电压稳定性情况。

本发明提出的区域性电压稳定性评估方法所依据的是长期电压失稳发展过程中负荷区域无功、电压和电流的变化趋势特征，下面对这一特征进行简单的介绍：

首先以一个两节点的简单系统为例进行说明，如图2所示。该系统中节点1为发电机节点，其电压恒为

节点2为负荷节点，负荷功率为S_l＝P_l+jQ_l，等值阻抗为 $Z_l={\left|V\right|}^2/S_l^{*},$ 输电线路阻抗为Z。无论负荷如何变化，负荷节点的电压和流入电流之间关系都满足 $\stackrel{\·}{V}=\stackrel{\·}{E}-\stackrel{\·}{I}*Z,$ 即电压和电流之间始终具有线性关系。

多节点系统中负荷节点的负荷与电压和电流的关系与简单系统不同，负荷节点电压不只是由自身的负荷水平决定，其临近节点的负荷和电压的调整也会对其产生明显的影响，例如在区域整体负荷持续增长的情况下，区域内的一个节点，无论它自身的负荷增加或减少，其电压幅值都很可能随整体下降。因此多节点系统中的负荷节点的电压和注入电流之间关系与简单系统的线性关系不同。只有当电网中两区域间存在送电和受电关系时，可以把系统 映射为一个两节点简单系统，此时受电区域的总负荷发生变化时，该区域的电压和电流变化才近似具有简单系统中负荷节点的特征，而此时若受电区域内的某负荷节点的负荷与区域的总负荷变化基本同步，这个节点的电压和电流才会呈现同样的近似线性关系。

多节点系统中负荷节点电压与电流关系的这种特征，实际上是区域特性的反映，这时可依据该节点的一系列连续电压和电流采样值可计算获得一戴维南等值模型的参数，如图3所示，进而计算电压稳定性指标，该指标能够近似地表征区域电压稳定水平。由于一般区域范围内的负荷增长并不是连续潮流仿真的那种严格均衡的模式，区域总负荷与节点负荷的变化只能近似同步，因此基于节点的电压和电流采样计算的稳定性指标是对区域稳定性情况的一种近似。为提高准确度，本发明提出的区域电压失稳监测方法同时在负荷区域内选择几个关键负荷节点作为测点，分别进行指标计算，并通过考察区域的总负荷和关键节点的负荷间的同步关系来判别结果的有效性，最后选择所有有效指标中最严重的一个，也就是最大值作为区域稳定性评估指标。

由本发明所提供的方法，依据电力系统电压稳定性的区域特征，以区域为对象进行监视，在区域负荷持续攀升等长期电压失稳易发阶段，可以准确地对系统电压稳定性进行有效地实时评估，及时向运行人员提供有效的电压稳定性信息。既能够避免全局性指标对系统数据和计算量的需求，又解决了基于单一节点信息的评估方法的误判情况。

附图说明

图1是本发明所提出的区域电压稳定性评估方法的流程图。

图2是简单的两节点系统图。

图3是等值简化后的系统模型图。

图4是区域电压稳定监视方法的同步采样测点分布图。

图5是河南周口地区接线图和相量测量装置分布。

图6是周口地区电压稳定性评估结果。

具体实施方式

实施例1以河南电网周口地区为实施例

第一步：选择系统中的重负荷受端区域作为关键监视区，利用同步相量测量装置对区域整体负荷功率和区域内关键负荷节点的电压和电流相量进行同步采样。在本实施例中，周口地区作为河南省网中的一个负荷区域是被监视的区域对象，采样点分布如图5，包括薛坡——淮阳，邵陵——淮阳，邵陵——水寨三条支路上的潮流功率，它们的和是流入周口地区的总外送功率，可以表征该地区总的负荷变化情况；以及淮阳110KV和水寨110KV两个负荷节点的电压和电流相量，表1中的“周口地区总负荷”、“节点电压”和“节点负荷”为某-时段的连续采样数据。

第二步：利用最小二乘方法，分别依据各关键负荷节点的电压(

)、电流相量(

)连续采样数据，计算电网侧阻抗，进而计算电压稳定性指标；实施例中淮阳和水寨节点的计算结果见表1中“节点稳定性指标值”一栏，本实例中每次计算需要六组连续采样数据，故前五组数据没有计算结果。

第三步：采用相关系数概念考察采样数据组间的正相关关系。如表1中“最后两点相关系数”和“组数据相关系数”，表中标志为灰色的一行已被判定为无效，其结果被舍弃。

第四步：取每一时刻淮阳和水寨节点稳定性指标中较大的一个作为该时刻周口地区的稳定性指标。图6中的折线为本方法对周口地区的电压稳定性评估。图中箭头所指的是无效的采样点，从结果中被去除。

周口地区总负荷		淮阳节点电压		淮阳节点负荷(流入总和)		最后两点相关系数	组数据相关系数	淮阳节点稳定性指标值
									有功(MW)	无功(MVar)	幅值(p.u.)	相角	有功(MW)	无功(MVar)
274.32	121.04	0.97624	-10.49	113.7	35.7										-	-	-
						283.32	115.64	0.9767	-13.92	116.8	32	-	-	-
297.06	125.08	0.97382	-14.4	123.3	36										-	-	-
						303.54	126.74	0.97231	-14.26	126.5	33.3	-	-	-
302.46	128.06	0.97152	-14.61	129.2	34.9										-	-	-
						310.76	139.83	0.97032	-15.09	129.3	36	1	0.9705	0.4343
310.85	140.95	0.96993	-15.68	132.4	36.1										1	0.9597	0.2107
						321.19	141.01	0.96947	-15.6	134.8	36.3	1	0.931	0.2843
326.22	141.61	0.96929	-15.93	137.2	37.2										1	0.9372	0.3306
						329.04	138.77	0.96833	-17.98	137.7	36.8	1	0.9404	0.5332
329.78	130.32	0.96976	-16.27	138.1	31.3										1	0.9621	0.3717

表1-1

周口地区总负荷		水寨节点电压		水寨节点负荷		最后两点相关系数	组数据相关系数	水寨节点稳定性指标值
									有功(MW)	无功(MVar)	幅值(p.u.)	相角	有功(MW)	无功(MVar)
274.32	121.04	0.97088	-10.82	107.5	42.4										-	-	-
						283.32	115.64	0.97187	-14.27	110.4	35.7	-	-	-
297.06	125.08	0.96858	-14.78	115.3	39.1										-	-	-
						303.54	126.74	0.96694	-14.65	116.8	36.4	-	-	-
302.46	128.06	0.96582	-15	119.9	42.6										-	-	-
						310.76	139.83	0.96451	-15.46	119.4	44.3	1	0.9407	0.4088
310.85	140.95	0.96413	-16.06	120.7	44.1										1	0.9329	0.2015
						321.19	141.01	0.96355	-15.99	122.5	44.3	1	0.8698	0.2428
326.22	141.61	0.96319	-16.32	124.1	45.7										1	0.873	0.2728
						329.04	138.77	0.96226	18.39	123.8	45.2	-1	0.9291	0.6519
329.78	130.32	0.96456	-16.69	125.5	36.1										1	0.9566	0.2501

表1-2

Claims (5)

1.一种基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，其特征是该方法包括以下步骤：

第一步：选择系统中的重负荷受端区域作为监视对象，利用同步相量测量装置对区域总负荷需求和区域内关键负荷节点的电压和电流相量进行同步采样；当区域内负荷节点数较多时，可采取以下措施：1)以区域间联络线上流入的潮流总和代替负荷区域总体负荷需求；2)只选取区域内几个分散的末端负荷节点作为观测对象，来代表该区域的稳定性水平；

第二步：依据电压、电流相量的连续采样数据，分别计算各关键负荷节点的电网侧等值阻抗，进而计算各节点电压稳定性指标；

第三步：考察观测节点负荷与其所在区域的总负荷之间是否满足近似同步变化的关系，若满足，则可判定依据该节点电压稳定性指标有效，否则无效；

第四步：取同一时刻、同一区域内所有采样负荷节点的有效稳定性指标的最大值作为该区域的稳定性指标输出。

2.如权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，其特征在于：该方法依据的是电力系统电压稳定性所具有的区域特征，以重负荷的受端区域作为一个整体的监视对象，进行电压稳定性评估。

3.如权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，其特征在于：在步骤一中，所需要的数据采集包括以下内容：区域间总负荷功率，该区域中关键负荷节点的负荷和电压电流向量。

4.如权利要求3所述的基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，其特征在于：在步骤二中，利用最小二乘法计算各被监视节点的等值参数，进而计算电压稳定性指标。

5.如权利要求4所述的基于同步相量测量的区域电压稳定监视方法，其特征在于：在步骤三中，采用相关系数来评价采样数据组间的正相关关系，判断观测节点负荷与其所在区域的总负荷变化之间是否满足近似的同步变化关系，进而判定该节点电压稳定性指标的有效性。

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