CN102185325A - 基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法，其特点是，它包括以下步骤：基于电力系统结构保持模型的暂态能量函数的构建；支路暂态势能函数的建立；利用支路势能建立用于电力系统暂态稳定的评价指标。利用本发明的方法可定量分析系统的暂态稳定性，评价网络中支路对系统的暂态稳定性的影响，发现网络中的薄弱环节。与传统方法相比，本发明的方法不依赖于发电机模型及信息，仅利用网络量测信息即能够实现电力系统暂态稳定性的定量评价，具有计算简单、结果准确、易于实现、工程应用价值高等优点。

Description

基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，是一种基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法。

背景技术

电力系统暂态稳定性系指对于系统的短路、重合于故障、切除线路和发电机等某个初始运行点以及指定的扰动下，如果扰动结束后，系统的状态能抵达一个可以接受的运行点，则系统的这个运行点在指定扰动下是暂态稳定的；否则，系统是暂态不稳定的。电力系统一旦失去暂态稳定性，轻则造成大面积停电，重则导致系统崩溃瓦解，对电力系统乃至社会生活无疑是一场灾难。因此，准确地分析电力系统在大扰动下的暂态稳定行为，确定适当的对策，包括各种控制的措施以保证系统对暂态稳定性的要求，是电力系统设计以及运行人员的最重要也是最复杂的任务之一。

大型电力系统的互联以及开放的电力市场的发展使得现代电力系统日益受到暂态稳定性问题的威胁，暂态稳定分析以及控制是电力科学的重要课题。虽然这一领域的研究已取得了长足的进步，但如何克服目前基于惯性中心坐标系下的暂态稳定性定量分析方法对发电机运动信息的过多依赖给快速的暂态稳定分析以及控制的可实施性所带来的困难，揭示网络局部对系统暂态稳定性影响的物理本质仍是尚未解决的难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有电力系统暂态稳定性定量评价分析方法的不足，提供一种具有计算简单、结果准确、易于实现且应用价值高的基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)基于电力系统结构保持模型的暂态能量函数的构建：

$V=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i{\mathrm{\ω}}_i^2+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^0}^{{\mathrm{\σ}}_k}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^s}^{{\mathrm{\σ}}_k^0}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}---\left(1\right)$

其中：V为电力系统结构保持模型的总能量；M_i为第i台发电机的惯性时间常数；m为发电机台数；ω_i为第i台发电机的角速度；

为第k条支路相角的参考点；l为支路数；σ_k为第k条支路相角；

为支路k相对于稳定平衡点的有功功率；P_k为支路k的有功功率；

2)支路暂态势能函数的建立：

$V_{\mathrm{PEk}}\left(t\right)={\∫}_{t_0}^t{\mathrm{\ω}}_N[P_k\left(u\right)-P_k^s]{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_k\left(u\right)\mathrm{du}---\left(2\right)$

其中：V_PEK为支路k的支路势能；ω_N为额定角速度；

为支路k的两端母线角频率之差；

3)利用支路势能建立用于电力系统暂态稳定的评价指标：

根据支路暂态势能变化特点的综合分析，从支路是否稳定的角度考虑，利用支路在其达到暂态势能极大值的时刻的

的值是否为零来判别其稳定性，支路暂态势能的分担量不仅能够反映该支路受扰动的大小，同时临界支路暂态势能的分担量能够反映系统受扰动的程度，考虑综合因素，支路稳定度指标定义如下：

如果连接节点i、j的支路k的运动轨迹是规范的，则其暂态势能第一次达到极大值时刻的稳定度指标定义为

${\mathrm{SBI}}_k=\frac{[P_k\left(t_{\mathrm{bk}}\right)-P_k^s]}{V_{\mathrm{PEk}}(t_{\mathrm{bk}},t_{\mathrm{ak}})}=\frac{\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PEk}}}{{\mathrm{d\σ}}_k}{|}_{t_{\mathrm{bk}}}}{V_{\mathrm{PEk}}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bk}},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}})},$ k∈{l}            (3)

当

t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＞0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则说明支路是不稳定的；当

t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＜0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则支路是不稳定的。

本发明的基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法，在现代大型互联电网暂态稳定性分析应用中，与传统电力系统暂态稳定分析方法相比具有如下优点：

①能够从网络暂态势能的角度解释系统的失稳机理；

②仅依赖于支路动态观测信息即能够实现暂态稳定性的定量评价，本发明在保证电力系统暂态稳定性定量评价准确性的基础上，改善了传统稳定指标计算速度慢且依赖模型精度的缺陷；

③其计算简单、结果准确、易于实现、工程应用价值高。

附图说明

图1是IEEE39节点系统示意图。

图2是系统中部分支路暂态势能变化曲线示意图。

图3是系统同步运行“撕开”的示意图。

具体实施方式

本发明的基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法，它包括以下步骤：

1)基于电力系统结构保持模型的暂态能量函数的构建：

$V=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i{\mathrm{\ω}}_i^2+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^0}^{{\mathrm{\σ}}_k}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^s}^{{\mathrm{\σ}}_k^0}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}---\left(1\right)$

其中：V为电力系统结构保持模型的总能量；M_i为第i台发电机的惯性时间常数；m为发电机台数；ω_i为第i台发电机的角速度；

为第k条支路相角的参考点；l为支路数；σ_k为第k条支路相角；

为支路k相对于稳定平衡点的有功功率；P_k为支路k的有功功率；

2)支路暂态势能函数的建立：

$V_{\mathrm{PEk}}\left(t\right)={\∫}_{t_0}^t{\mathrm{\ω}}_N[P_k\left(u\right)-P_k^s]{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_k\left(u\right)\mathrm{du}---\left(2\right)$

其中：V_PEK为支路k的支路势能；ω_N为额定角速度；

为支路k的两端母线角频率之差；

3)利用支路势能建立用于电力系统暂态稳定的评价指标：

根据支路暂态势能变化特点的综合分析，从支路是否稳定的角度考虑，利用支路在其达到暂态势能极大值的时刻的

的值是否为零来判别其稳定性，支路暂态势能的分担量不仅能够反映该支路受扰动的大小，同时临界支路暂态势能的分担量能够反映系统受扰动的程度，考虑综合因素，支路稳定度指标定义如下：

如果连接节点i、j的支路k的运动轨迹是规范的，则其暂态势能第一次达到极大值时刻的稳定度指标定义为

${\mathrm{SBI}}_k=\frac{[P_k\left(t_{\mathrm{bk}}\right)-P_k^s]}{V_{\mathrm{PEk}}(t_{\mathrm{bk}},t_{\mathrm{ak}})}=\frac{\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PEk}}}{{\mathrm{d\σ}}_k}{|}_{t_{\mathrm{bk}}}}{V_{\mathrm{PEk}}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bk}},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}})},$ k∈{l}        (3)

当

t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＞0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则说明支路是不稳定的；当

t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＜0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则支路是不稳定的。

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1-3，首先以图1所示IEEE39节点系统为例，研究支路暂态势能在时间以及空间的分布变化情况。图2为节点3发生三相短路故障时部分支路暂态势能的变化曲线。从图2中可以看出，尽管故障并非发生在支路2-1、1-39、8-9、9-39上，但故障后网络中的暂态势能主要集中于上述四支路。又从图2，所有支路的暂态势能分担量在后续摆动过程中均未发生显著的变化。

在指定的潮流方式下节点3发生三相瞬时性故障，故障结束后网络结构与故障前相同，在故障切除时间分别0.14s、0.16s、0.18s、0.20s、0.21s时网络中部分支路的SBIk的值示于表1。

表1节点3发生故障时部分支路的SBI_k

在延长故障切除时间导致系统的稳定逐步恶化的过程中，表1中的各支路在第一摆过程中的稳定指标呈现总体单调下降的趋势。而在系统稳定的情况下，纵观在相同的故障时间下支路的SBI_k，其中尤以SBI_(2-1)、SBI_(8-9)的绝对值为最小，表明在节点3处发生故障的情况下，支路2-1、8-9的稳定性最差。从网络拓扑关系可见，支路2-1、8-9构成网络中的一个割集。因此，在系统稳定的情况下，由支路2-1、8-9所构成的割集是系统在指定故障和运行方式的临界割集，是网络中的最为薄弱的输电环节，如图3所示。

为了进一步说明采用临界割集的稳定度指标可以表征系统的暂态稳定性，在IEEE39节点系统中选择网络中的一些节点为故障点，在故障后网络结构不发生变化的情况下，计算出相应故障位置发生三相瞬时性短路故障时的极限切除时间CCT，见表2。

表2不同故障位置对应的极限切除时间CCT

①序号表示由小至大的极限切除时间的排列顺序。

若在表2给出的相应故障位置上发生故障切除时间均为0.15s的同类型故障，并通过支路以及割集的稳定度指标的计算确定相应于失稳模式的临界割集，计算结果表明，支路{2-1，8-9}均为对应上述故障位置的网络所有割集中稳定度指标最小的割集。支路{2-1，8-9}为该系统的大部分区域中发生故障，网络结构不发生变化时对应于系统呈现两机失稳模式的临界割集。表3给出对应于不同故障位置的支路{2-1，8-9}稳定度指标大小值排序。

表3  t_c＝0.15s时的支路{2-1，8-9}稳定度指标SBI_{2-1，8-9}

比较表2、表3计算结果可见，按SBI{2-1，8-9}的大小排序，与按CCT的排序完全相同，当在节点3以及24发生故障时，系统的临界切除时间相同的情况下，即在系统的暂态稳定水平相同的情况下，对应于同一切除时间的SBI{2-1，8-9}基本相等，由此可见临界支路的稳定度指标可以反映全系统受扰动的严重程度。

在以上的算例中可以发现，尽管大部分的故障节点远离割集{2-1，8-9}所处的区域，但仍导致系统同步运行在该割集上“撕开”，且系统的稳定性并未因故障点远离临界支路而有所改善，分析系统的初始潮流可见，对暂态稳定性产生极不利影响的故障位置，如节点19、16等，均是系统的枢纽节点，承担着大量的有功功率的交换任务，在这一类节点故障将严重破坏系统有功功率的平衡关系，影响系统故障后的恢复能力。

Claims (1)

1.一种基于网络量测信息的电力系统暂态稳定性定量评价方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)基于电力系统结构保持模型的暂态能量函数的构建：

$V=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i{\mathrm{\ω}}_i^2+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^0}^{{\mathrm{\σ}}_k}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}+\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\σ}}_k^s}^{{\mathrm{\σ}}_k^0}[P_k\left(u\right)-P_k^s]\mathrm{du}---\left(1\right)$

其中：V为电力系统结构保持模型的总能量；M_i为第i台发电机的惯性时间常数；m为发电机台数；ω_i为第i台发电机的角速度；

为第k条支路相角的参考点；l为支路数；σ_k为第k条支路相角；

为支路k相对于稳定平衡点的有功功率；P_k为支路k的有功功率；

2)支路暂态势能函数的建立：

$V_{\mathrm{PEk}}\left(t\right)={\∫}_{t_0}^t{\mathrm{\ω}}_N[P_k\left(u\right)-P_k^s]{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_k\left(u\right)\mathrm{du}---\left(2\right)$

其中：V_PEK为支路k的支路势能；ω_N为额定角速度；为支路k的两端母线角频率之差；

3)利用支路势能建立用于电力系统暂态稳定的评价指标：

根据支路暂态势能变化特点的综合分析，从支路是否稳定的角度考虑，利用支路在其达到暂态势能极大值的时刻的

的值是否为零来判别其稳定性，支路暂态势能的分担量不仅能够反映该支路受扰动的大小，同时临界支路暂态势能的分担量能够反映系统受扰动的程度，考虑综合因素，支路稳定度指标定义如下：

如果连接节点i、j的支路k的运动轨迹是规范的，则其暂态势能第一次达到极大值时刻的稳定度指标定义为

${\mathrm{SBI}}_k=\frac{[P_k\left(t_{\mathrm{bk}}\right)-P_k^s]}{V_{\mathrm{PEk}}(t_{\mathrm{bk}},t_{\mathrm{ak}})}=\frac{\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{PEk}}}{{\mathrm{d\σ}}_k}{|}_{t_{\mathrm{bk}}}}{V_{\mathrm{PEk}}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bk}},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}})},$ k∈{l}        (3)

当t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＞0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则说明支路是不稳定的；当

t∈[t_ak，t_bk]时，SBI_k＜0说明支路是稳定的，SBI_k＝0则支路是不稳定的。

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