CN101841154A - 输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法 - Google Patents

Abstract

输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法，步骤为：(1)从能量管理系统得到电网正常网架拓补数据和目前网架状态；(2)通过计算得到正常网架下的初始运行点；(3)引入电网故障，改变网络数据，通过阻尼牛顿法求解潮流得到解点；(4)通过判断上一步骤中计算得到的解点是真实解还是最优解来判断故障后系统的电压稳定性：(5)如果故障后电压稳定，通过连续性潮流计算得到故障后电网电压稳定裕度；(6)如果故障后电压失稳，通过最优解点和当前运行点之间的向量制定最优恢复策略。本发明具有在电网严重故障后向调度员及时提供系统电压稳定情况，并针对可能出现的电压失稳情况提供最优恢复策略；以及计算速度快、物理意义明确、准确度高的显著优点。

Description

输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法

技术领域

本发明属于电网在线电压安全评估和控制领域，是一种不依赖于预想故障集即可快速获得故障后系统电压稳定信息和最优控制策略的方法。

背景技术

2008年初，我国南方大部分地区出现了历史上罕见的持续低温、雨雪冰冻极端天气，造成输变电设施严重覆冰，输电线路发生倒塔、断线、跳闸，部分地区大面积停电。这场冰灾对电网今后的安全稳定运行提出了新的要求，即：在冰灾等严重自然灾害下，输电网如果发生严重故障(多条线路、变压器、发电机停运)，如何对电网运行状况作出快速准确的评估？如何实时计算电网安全稳定裕度？如果电网已经失去稳定，如何快速给出电网恢复策略以供运行人员参考是亟待解决的问题。

目前，对于故障后电网电压稳定在线评估及控制的方法有以下几种：

1、低电压切负荷方案。该方案已经在电力系统中获得广泛应用，它通过在线监视若干关键节点的电压值来进行电压稳定监视，当节点电压低于给定数值时，按照预订顺序进行切负荷操作。该方案具有监控量简明直观、无须大量计算、易于实施的优点，其不足在于不能向运行人员提供“距离电压失稳点还有多远”的电压稳定充裕度信息，不能对尚未发生的预想故障进行计算处理，因此不能实现电压稳定的预防控制，也无法获得电压恢复的最优控制策略。

2、基于电压稳定状态指标的方案。该方案通过计算电压稳定性局部指标(L指标、VIP指标等)或全局指标(特征值/奇异值指标、能量函数指标、各种灵敏度指标等)进行电压稳定监视，通过事先编制的控制策略进行电压稳定控制。该方案能够为运行人员提供一定的局部或全局电压稳定充裕度信息，但是这些指标不够简明直观，电压稳定充裕度大小与指标大小之间的线性性差，在复杂电力系统中的有效性尚有待检验，并且事先制定的控制策略往往不能适应系统实际运行方式的变化，具有很大局限性。

3、基于裕度指标的方案。该方案从系统当前运行点出发按照某种模式进行计算，通过系统注入功率增长逼近电压崩溃点，从而得到系统当前运行点到电压崩溃点的距离，即裕度指标，同时计算得到裕度对重要控制量的灵敏度系数，制定电压稳定控制策略。该方案物理意义明确，线性性强，能给运行人员提供直观的电压稳定充裕度信息。但是该方案需要使用重复潮流(RPF)、连续性潮流(CPF)或者最优潮流(OPF)计算裕度指标，当系统规模较大、给定预想故障很多的时候计算时间将难以忍受，往往不能适应在线快速计算的要求。

总体而言，现有方法往往依赖于事先给定的预想故障集，需要针对预想故障离线计算电压稳定指标从而实现在线应用。但是，对于类似冰灾条件下的输电网严重故障而言，故障设备数量众多，远远超过常规的N-2或者N-3故障，在这种情况下事先计算预想故障集将面临“维数灾”问题，很难囊括所有可能出现的严重故障。因此，研究输电网严重故障后的电压稳定裕度快速实时评估方法，以及在输电网严重故障后快速实时地给出电网最优恢复策略，将对保障重大自然灾害下电网的安全稳定运行具有重要的理论意义和实用价值。

本发明“输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法”是一种不依赖于预想故障集的新型快速计算分析方法，该方法以电力系统静态电压稳定域(SVSR)理论为基础，通过故障后系统最优解点在功率注入空间中的位置来判断电压稳定裕度及最优控制策略，具有计算速度快、物理意义明确、准确度高的优点。

本发明相关的技术途径和实施的关键内容均未曾公开过。

发明内容

本发明的目的是：提供一种不依赖于预想故障集的输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法，在电网严重故障后向调度员及时提供系统电压稳定情况，并针对可能出现的电压失稳情况提供最优恢复策略。

本发明目的是这样实现的：输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法，该方法包括下列步骤：

(1)从能量管理系统得到电网正常网架拓补数据和目前网架状态；

(2)通过计算得到正常状态下的初始运行点；

(3)引入电网故障，改变网络数据，通过阻尼牛顿法求解潮流得到解点；

(4)通过判断上一步骤中计算得到的解点是真实解还是最优解来判断故障后系统的电压稳定性：如果是真实解，则故障后运行点电压稳定；如果是最优解，则故障后电压失稳；

(5)如果故障后电压稳定，通过连续性潮流计算得到故障后电网电压稳定裕度；

(6)如果故障后电压失稳，通过最优解点和当前运行点之间的向量制定最优恢复策略。

在第(6)步骤中，由于最优解点和当前运行点均在功率注入空间中描述，因此最优恢复策略仅仅需要进行简单的空间几何计算即可获得。

由于最优解点和当前运行点均在功率注入空间中描述，因此功率注入空间中两点连成的向量就是最优恢复策略(发电机功率、负荷功率的调整方向和调整大小)。

本发明的有益效果是，在电网严重故障后向调度员及时提供系统电压稳定情况，并针对可能出现的电压失稳情况提供最优恢复策略；本发明是一种不依赖于预想故障集的新型快速计算分析方法，该方法以电力系统静态电压稳定域(SVSR)理论为基础，通过故障后系统最优解点在功率注入空间中的位置来判断电压稳定裕度及最优控制策略，具有计算速度快、物理意义明确、准确度高的优点。

附图说明

图1为本发明整体实施流程图；

图2为本发明实施例节点系统。

具体实施方式

本发明输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与控制方法，该方法包括下列步骤：

(1)从能量管理系统得到电网正常网架拓补数据和目前网架状态；

(2)通过计算得到正常状态下的初始运行点；

(3)引入电网故障，改变网络数据，通过阻尼牛顿法求解潮流得到解点；

(4)通过判断上一步骤中计算得到的解点是真实解还是最优解来判断故障后系统的电压稳定性：如果是真实解，则故障后运行点电压稳定；如果是最优解，则故障后电压失稳；

(5)如果故障后电压稳定，通过连续性潮流计算得到故障后电网电压稳定裕度；

(6)如果故障后电压失稳，通过最优解点和当前运行点之间的向量制定最优恢复策略。

在上面第(6)步骤中，由于最优解点和当前运行点均在功率注入空间中描述，因此最优恢复策略仅仅需要进行简单的空间几何计算即可获得。

上述第(3)步骤中的阻尼牛顿法包括如下步骤：

(1)潮流方程可由式(1)表示，其中x是系统状态变量(包括节点电压幅值和相角)，S是系统注入量(包括节点有功、无功注入)。为了能够适应在静态电压稳定域之外(传统潮流无法收敛)的计算要求，将对式(1)的求解转化成具有如式(2)描述的目标函数的优化问题：

f(x)＝g(x)-S＝0     (1)

min F(x)＝[g(x)-S]^T[g(x)-S]     (2)

(2)为求解该优化问题，在对潮流方程式(1)的每步迭代过程中使用式(3)更新x。其中J(x^k)是第k次迭代中的潮流Jacobian矩阵，μ^*是本次迭代中的最优阻尼乘子。

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{k+1}=x^k+{\mathrm{\μ}}^{*}{\mathrm{\Δx}}^k\\ {\mathrm{\Δx}}^k=-J^{-1}\left(x^k\right)f\left(x^k\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)μ^*的确定方法如下：在点x^k附近沿着Δx^k定义的方向，可以用二次函数φ(μ)来近似表示式(2)中的不平衡量函数F(x)。其中标量μ是φ(μ)在Δx^k方向上的参数。当μ＝-μ₀，μ＝0，μ＝μ₀时得到三个点φ₁、φ₂和φ₃，通过这三个点可以得到二次函数φ(μ)的表达式如式(4)所示。根据二次函数的性质，在第k步迭代中使φ(μ)取最小值的μ％可以通过式(5)计算得到。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\μ}\right)={\mathrm{\φ}}_2+\frac{{\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_1}{{2\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\φ}}_1-{2\mathrm{\φ}}_2+{\mathrm{\φ}}_3}{{2\mathrm{\μ}}_0^2}{\mathrm{\μ}}^2\\ {\mathrm{\φ}}_1=F(x^k-{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\Δx}}^k)\\ {\mathrm{\φ}}_2=F\left(x^k\right)\\ {\mathrm{\φ}}_3=F(x^k+{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\Δx}}^k)\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\mathrm{\μ}\%=\frac{{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_3}{{2\mathrm{\φ}}_1-{4\mathrm{\φ}}_2+{2\mathrm{\φ}}_3}{\mathrm{\μ}}_0---\left(5\right)$

(4)通过对式(2)描述的优化问题的求解可以得到式(1)的最小不匹配解S′＝g(x′)，即所求解点。

本发明技术解决方案以电力系统静态电压稳定域(SVSR)理论为基础，采取阻尼牛顿法直接计算故障后系统解点，通过故障后系统解点在功率注入空间中的位置来判断电压稳定情况，并且很方便地计算得到电压稳定裕度或者最优恢复策略。

以下根据附图和实例对本发明作详细描述。

图1给出了输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法的整体实施流程图，从EMS采集得到电力系统网络拓补数据，根据实际故障情况或者调度员需要引入故障，通过阻尼牛顿计算得到解点，通过判断解点是真实解还是最优解即可以得到系统电压稳定情况。如果故障后电压稳定，则通过连续性潮流计算故障后电压稳定裕度；如果故障后电压不稳，则通过计算最优恢复策略供调度员参考，通过调整系统注入功率恢复电压稳定。

图1给出了本发明方法的整体实施流程。整个系统中，电力系统EMS现有的硬件设备和数据库，可以不经过改造直接使用，新增加的内容主要是计算分析模块，利用EMS数据进行相关计算分析，该模块可以集成于现有EMS计算分析程序之中，也可以放在单独的一台或多台服务器上单独运行，还可以采用分布式计算机群以进一步提高计算速度。

下面以修改后的IEEE118节点系统(见图2，将其负荷水平在原有数据基础上按照等比例方式增加1倍)为例进一步说明本方法实施。

(一)情况1计算分析

假设如下3条线路故障停运：33-15、38-30、24-23。计算过程如下：

(1)通过阻尼牛顿法计算，得到真实解，由此可以判断当前运行点位于电压稳定域内部。该过程耗时0.05s；

(2)根据当前负荷和发电机出力水平，按照等比例方式增长功率，通过连续性潮流计算得到电压稳定域度为1.5％。该过程耗时0.38s。

(3)根据1.5％的电压稳定裕度运行人员可以作出如下判断：故障后电网电压稳定域度远低于10％，系统失去电压稳定的风险较大，因此在故障线路恢复送电之前需要通过限制负荷来提高系统电压稳定水平。

(二)情况2计算分析

假设如下6条线路故障停运：33-15、38-30、24-23、17-18、4-11、27-25。计算过程如下：

(1)通过阻尼牛顿法计算，得到最优解，由此可以判断当前运行点位于电压稳定域外部。该过程耗时0.23s；

(2)根据计算得到的最优解，可以确定如下表所示的最优恢复策略(仅列出部分发电节点和负荷节点)。按照该恢复策略调整相关节点负荷和发电机出力，可以使系统运行点以最短的距离回到电压稳定域内部。该过程耗时约为0.0001s。

最优恢复策略表(部分)

节点编号	当前运行点(MW)	最优解点(MW)	功率调整(MW)
				80	700.14	344.41	355.73
66	706.07	353.63	352.44

节点编号	当前运行点(MW)	最优解点(MW)	功率调整(MW)
				26	621.13	310.39	310.74
100	431.88	215.54	216.35
				25	439.15	223.62	215.53
61	320.81	160.64	160.17
				11	-139.78	-6.74	-133.05
59	-243.57	-115.80	-127.78
				42	-186.18	-95.84	-90.34
56	-168.00	-84.00	-83.99
				15	-179.89	-97.10	-82.80
60	-156.00	-78.21	-77.78
				62	-154.00	-76.86	-77.14

Claims (2)

1.输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)从能量管理系统得到电网正常网架拓补数据和目前网架状态；

(2)通过计算得到正常状态下的初始运行点；

(3)引入电网故障，改变网络数据，通过阻尼牛顿法求解潮流得到解点；

(4)通过判断上一步骤中计算得到的解点是真实解还是最优解来判断故障后系统的电压稳定性：如果是真实解，则故障后运行点电压稳定；如果是最优解，则故障后电压失稳；

(5)如果故障后电压稳定，通过连续性潮流计算得到故障后电网电压稳定裕度；

(6)如果故障后电压失稳，通过最优解点和当前运行点之间的向量制定最优恢复策略。

2.根据权利要求1所述的输电网严重故障后的电压稳定裕度实时评估与最优控制方法，其特征在于，在第(6)步骤中，由于最优解点和当前运行点均在功率注入空间中描述，因此最优恢复策略仅仅需要进行简单的空间几何计算即可获得。

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