CN102193504A

CN102193504A - 一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法

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Publication number: CN102193504A
Application number: CN2011100647662A
Authority: CN
Inventors: 吴国旸; 宋新立; 汤涌; 仲悟之; 刘涛; 叶小辉
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102193504B

Abstract

本发明涉及一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，该方法采用分层分解的方式对安全稳定控制系统进行层级建模，采用逻辑梯形图对运行方式、故障信息和控制策略进行模拟，得到主站模型、子站模型，安全控制稳定系统模型并与一次系统模型进行接口，实现了含安全稳定控制系统模型的大规模电力系统闭环式动态仿真；本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同安全稳定控制系统动作行为和控制特性的准确模拟，克服了以往仿真软件不能反映安全稳定控制系统动作行为的缺点，可进行复杂和严重事故的事后分析，能够满足大规模电力系统动态仿真对安全稳定控制系统模拟的要求。

Description

一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的模拟与计算方法，具体讲涉及一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展，形成了规模巨大的全国性交直流互联电网，电力系统的静态和动态行为变得更加复杂，系统稳定裕度逐年减小，事故后的严重程度明显增加，甚至导致局部故障迅速传播到整个网络。近年来国内外发生的一系列大停电事故就是一个很好的例证。电网安全稳定控制系统是提高系统稳定性，维护电网安全稳定运行的有效措施，是连锁反应事故中防止系统崩溃的重要防线。

超大规模交直流混合输电网的安全稳定运行高度依赖于电力系统仿真计算。在电力系统数字仿真中，电力系统各元件的数学模型和参数是仿真结果准确性的重要决定因素，直接影响着以此为基础的决策方案。为满足我国大电网安全运行仿真的需要，研究和开发适于电力系统全过程动态仿真的安全稳定控制装置模型，准确模拟这些装置的动作行为和控制特性，是研究和分析非线性超大规模电力系统动态特性机理、严重事故特征及其稳定措施的重要保证。

一般来说，安全稳定控制系统针对性强，种类繁多，并且装置结构复杂，启动环节、闭锁环节很多。因此，对一个大型电网中的安全稳定控制系统进行全面逼真的模拟是一个复杂的课题。国内外学者对这一课题已经做了大量的工作，但大都限于调度员培训系统(Dispatcher Training Simulator System，DTS)的应用中，并且建立的自动装置模型往往是面对具体应用的，通用性相对较差，况且由于实时性的限制，所建模型往往比较粗略，仿真结果与实际情况出入较大。

目前，国内外广泛应用的电力系统分析工具，如电力系统仿真软件PSS/E、EUROSTAG和NETOMAC，虽然提供了一些简单的SPS(Special Protection Systems)模型，但种类不够丰富，且都是以国外的相应装置为原型，与我国电力系统中实际大量应用的安全稳定控制系统有着较大区别，不能反映我国电力系统中安全稳定控制装置的控制规律；电力系统分析综合(Power System Analysis Software Package，PSASP)稳定程序、PSD-BPA暂态稳定程序和PSD-FDS全过程动态仿真程序虽然考虑了简单的低周减载和低压减载电压频率紧急控制装置模型，但在安全稳定控制系统方面，目前还是一片空白，远远不能满足在电力系统全过程动态仿真的需求。

在电力系统动态仿真程序中建立与实际应用的安全稳定控制系统装置动作特性相一致的模型，能够对电力系统全动态过程进行有效仿真，准确模拟电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程，解决了现有仿真程序中缺乏的安全稳定控制系统模型，无法真实地反映安全稳定控制系统元件动作行为的缺点。为研究分析电力系统全过程动态稳定性、防止连锁故障引起大面积停电的措施提供了强有力的仿真工具。此外，还可以进行复杂和严重事故的事后分析，研究扰动后较长时间的事故重演，以了解事故发生的本质原因，研究正确的反事故措施。准确的安全稳定控制系统模型将大大提高仿真的真实性和准确性，无论对于研究非线性超大规模电力系统动态特性机理，还是对于准确分析电力系统动态过程的稳定性问题，都具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法。

本发明的目的采用下述技术方案予以实现：

一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其改进之处在于，所述方法采用分层分解的方式对安全稳定控制系统进行层级建模；所述方法采用逻辑梯形图对运行方式、故障信息和控制策略进行模拟，得到主站模型、子站模型，所述安全稳定控制系统模型可与一次系统模型进行接口；所述方法包括如下步骤：

步骤101：设置计算时间T＝0，开始仿真计算；

步骤102：预先将输入的潮流基础数据、系统网络等值参数、动态元件参数和安全稳定控制系统定值进行初始化；

步骤103：根据发电机的开机方式、出力情况，线路、变压器的运行状态以及负荷水平确定当前电网运行方式；

步骤104：按照预定的迭代算法计算得到本步长全网模拟量和状态量；

步骤105：安全稳定控制系统模型从相应厂站的母线、支路获取相关量；

步骤106：扫描安全稳定控制系统子站逻辑；

步骤107：判别当前子站是否启动，如果启动则执行步骤108，否则，执行步骤111；

步骤108：扫描子站当前运行方式下的控制策略；

步骤109：判别所述当前子站是否动作出口，如果发生动作，则执行步骤110，否则，执行步骤111；

步骤110：将所述当前子站的控制措施动作信息插入事件队列中；

步骤111：判别是否扫描完本安全稳定控制系统内所有子站的控制策略，如果扫描完毕则执行步骤113，否则执行步骤112索引下一个子站；

步骤112：找到所述本安全稳定控制系统下一个子站，并重复执行步骤106至步骤111；

步骤113：判别是否全网所有安全稳定控制系统均已扫描完毕，如果扫描完毕则执行步骤115，否则，执行步骤114；

步骤114：索引到电网中下一个安全稳定控制系统，并重复执行步骤105至步骤113；

步骤115：判别有无事件发生，如果有则执行步骤116，否则执行步骤118；

步骤116：改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素；

步骤117：联立求解事件触发时刻的系统状态；

步骤118：判别计算时间是否已经到了，若时间到了则结束，否则重复执行步骤104至步骤117；

步骤119：计算时间到，则所述整个安全稳定控制系统模型的本次计算结束。

本发明提供的一种优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统简化为主站模型和子站模型两个层级；所述主站模型具有系统管理功能，负责收集并提供各厂站信息，识别电网运行方式，实现切机、切负荷优先级排序和量化控制；所述子站模型和实际厂站一一对应，所有信息采集功能由所述子站模型完成，控制功能简化为子站模型的控制措施。

本发明提供的第二优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统根据发电机的开机方式、出力情况，线路、变压器的运行状态以及负荷水平对所述子站模型运行方式进行唯一性描述，进而确定相应运行方式下的控制策略。

本发明提供的第三优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统的控制策略表以子站为单位分解成为若干子策略表；所述子策略表采用直观的策略树方式，即系统-＞运行方式-＞断面潮流-＞故障信息-＞控制措施进行存储和查询。

本发明提供的第四优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统模型的控制措施包括切机、切负荷、快关汽门、切除线路、切除变压器、投切电抗器、电容器，闭锁直流线路，改变直流线路输送功率。

本发明提供的第五优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统的子站模型完成相应子策略表中的故障信息识别；所述故障信息包括故障类型、故障区域以及相应的保护动作行为；所述故障类型如：线路单相瞬时接地故障、线路单相永久性故障、单相故障跳三相、两相短路故障、线路或主变无故障跳闸、母线故障、保护误动引起跳闸、断路器失灵和直流输电单极闭锁。

本发明提供的第六优选的技术方案是：所述安全稳定控制系统模型从相应厂站获取输入信息，并在动作后将信息插入到动态仿真程序的事件队列中，改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素联立求解事件触发时刻的系统状态，实现闭环的大规模电力系统安全稳定控制系统的动态仿真。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，能够实现对实际电力系统中各种不同安全稳定控制系统装置进行准确模拟，可与一次系统模型进行接口，实现含安全稳定控制系统模型的电力系统闭环式动态仿真；

本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同安全稳定控制系统动作行为和控制特性的准确模拟，克服了以往仿真软件不能反映安全稳定控制动作行为的缺点，可进行复杂和严重事故的事后分析，为研究分析电力系统全过程动态稳定性、防止连锁故障引起大面积停电的措施提供强有力的仿真工具，为研究和分析非线性超大规模电力系统动态特性机理、电网的安全运行分析和决策提供有力支持。

附图说明

图1是电力系统安全稳定控制系统结构层次示意图；

图2是本发明运行方式模型示意图；

图3是本发明的单相瞬时接地故障模型示意图；

图4是本发明的子站故障信息模型示意图；

图5是本发明的策略表模型示意图；

图6为本发明的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实际电力系统中安全稳定控制系统针对性强，种类繁多，并且装置结构复杂，启动环节、闭锁环节很多。因此，直接针对一个大型电网中的安全稳定控制系统进行全面逼真的模拟是非常困难的。为满足电网安全稳定的要求，安全稳定控制装置通常按分层分区的结构设计，将多套安全稳定控制装置，经通道互联构成区域电网或全国互联电网安全稳定控制系统。一个安全稳定控制系统由一个或多个主站系统构成一级控制层，多个子站系统构成二级控制层，若干个执行站系统构成三级控制层，图1是电力系统安全稳定控制系统结构层次示意图，为了获得通用的安全稳定控制系统模型，简化模块间的功能耦合，有必要对实际系统进行适当的简化和功能整合。本发明采用面向对象的建模思想，对安全稳定控制系统进行分层分解建模，并采用逻辑梯形图对运行方式、故障信息和控制策略进行模拟。

本发明提供的方案具体实施如下：

1、安全稳定控制系统层级建模

安全稳定控制系统是一个跨地域的大系统，通常由若干个安全自动装置组成，彼此之间通过光纤联系，整个安全稳定控制系统的构成异常复杂，为了实现安全稳定控制系统的通用建模，本发明提出如下方法：

1)安全稳定控制系统模型简化为主站模型和子站模型两个层级，取消执行站层级；

2)主站模型仅具有系统管理功能，负责收集并提供各厂站信息，识别运行方式，实现切机切负荷等优先级排序和量化控制；

3)子站模型和实际厂站一一对应，所有信息采集功能均由子站模型完成，控制功能简化为子站模型的控制措施。

2、运行方式建模

为了确保安全稳定控制系统的可靠动作，需要根据发电机的开机方式、出力情况，线路、变压器的运行状态以及负荷水平等对电网运行方式进行描述，建立如图2所示运行方式模型，各类元件的状态汇总得到一组状态量，对该状态量进行标识排序即可得到运行方式状态值，从而确定相应运行方式下的控制策略。

3、故障信息建模

通常控制措施和故障信息紧密相关，因此，故障信息的正确识别是实现控制策略建模的关键，根据用户对稳定控制功能的需求，结合开关量信号，辅以元件的电气量变化，可以形成各种故障信息模型；

例如线路单相瞬时接地故障判据为：突变量启动；有一相电流增加；有一相电压降低；有且只有一相跳闸信号；满足以上条件则判为单相瞬时故障，图3给出了单相瞬时接地故障模型的逻辑梯形图。

同理，可以建立线路单相永久性故障，单相故障跳三相，两相短路故障，发展性故障，线路或主变无故障跳闸判据、母线故障判据，保护误动引起跳闸判据，断路器失灵判据，直流单极故障检测，直流双极故障检测等判据的模型。

在每一个积分步长中，子站查询本站所属所有线路、变压器、发电机和直流输电线路，所有元件就地判别与本元件相关的故障信息，并保存相应状态用于策略表扫描，图4给出了子站故障信息模型示意图。

4、控制措施建模

本发明定义的控制措施有切机、切负荷、快关汽门、切除线路、切除变压器、投切电抗器、投切电容器，闭锁直流线路和改变直流线路输送功率，所有控制措施在安全稳定控制系统模型子站动作后作为动作事件插入到全过程动态仿真程序的事件队列中，有效的控制措施可根据实际情况通过定值整定的方式对可控对象进行优先级及控制量的排序。

5.策略表建模

安全稳定控制系统模型采用策略表的方式来确定控制决策，控制策略表涉及运行方式、故障信息和控制措施等多个环节，组合方式非常复杂；本发明采用直观的策略树方式，即系统-＞运行方式-＞断面潮流-＞故障信息-＞控制措施进行存储和查询；由于整个安全稳定控制系统模型分为主站模型和子站模型两个层级，其中，子站模型是控制功能的主要载体，因此，策略表以子站为单位分解成为若干子策略表，并根据不同的运行方式对每一种故障及其相应的逻辑判别和控制措施进行分层描述。

策略表包含了系统各种运行方式下的控制策略；正常运行时，子站模型可以从主站模型获得当前运行方式，当系统中的线路或其他元件发生故障时，程序将自动扫描当前运行方式下的策略部分。与该元件相关的子站模型进行故障信息识别。子站模型根据故障情况，查阅并判断是否与本站当前运行方式下的策略表相符，若相符并且控制决策执行信号已解锁，则发出执行控制决策命令以保证系统稳定运行，图5为策略表模型的示意图。

6、如图6所示，图6为本发明实施例的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法的流程图，该方法的步骤如下：

步骤101：设置计算时间T＝0，开始仿真计算；

步骤103：根据发电机的开机方式、处理情况，线路、变压器的运行状态、以及负荷水平等确定当前电网运行方式；

步骤105：安全稳定控制系统模型从相应厂站的母线、支路等获取相关量；

步骤106：扫描安全稳定控制系统子站逻辑；

步骤108：扫描子站当前运行方式下的控制策略；

步骤109：判别当前子站是否动作出口，如果发生动作，则执行步骤110，否则，执行步骤111：

步骤110：将当前子站的控制措施动作信息插入事件队列中；

步骤111：判别是否扫描过本安全稳定控制系统内所有子站的控制策略，如果扫描完毕则执行步骤113，否则执行步骤112索引下一个子站；

步骤112：找到本安全稳定控制系统下一个子站，并重复执行步骤106至步骤111；

步骤117：联立求解事件触发时刻的系统状态；

步骤119：计算时间到，则整个安全稳定控制系统模型的本次计算结束。

依照本发明的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其中，采用分层分解的方法对安全稳定控制系统进行层级建模，采用逻辑梯形图对运行方式、故障信息和控制策略进行模拟，得到主站模型、子站模型，并与一次系统模型进行接口，实现了含安全稳定控制系统模型的大规模电力系统闭环式动态仿真。本发明能够实现对大规模电力系统中各种不同安全稳定控制系统动作行为和控制特性的准确模拟，克服了以往仿真软件不能反映安全稳定控制系统动作行为的缺点，可进行复杂和严重事故的事后分析，能够满足大规模电力系统动态仿真对安全稳定控制系统模拟的要求。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims

1.一种电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述方法采用分层分解的方式对安全稳定控制系统进行层级建模；所述方法采用逻辑梯形图对运行方式、故障信息和控制策略进行模拟，得到主站模型、子站模型，所述安全稳定控制系统模型可与一次系统模型进行接口；所述方法包括如下步骤：

步骤101：设置计算时间T＝0，开始仿真计算；

步骤106：扫描安全稳定控制系统子站逻辑；

步骤108：扫描子站当前运行方式下的控制策略；

步骤117：联立求解事件触发时刻的系统状态；

2.如权利要求1所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统简化为主站模型和子站模型两个层级；所述主站模型具有系统管理功能，负责收集并提供各厂站信息，识别电网运行方式，实现切机、切负荷优先级排序和量化控制；所述子站模型和实际厂站一一对应，所有信息采集功能由所述子站模型完成，控制功能简化为子站模型的控制措施。

3.如权利要求2所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统根据发电机的开机方式、出力情况，线路、变压器的运行状态以及负荷水平对所述子站模型运行方式进行唯一性描述，进而确定相应运行方式下的控制策略。

4.如权利要求3所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统的控制策略的控制策略表以子站为单位分解成为若干子策略表；所述子策略表采用直观的策略树方式，即系统-＞运行方式-＞断面潮流-＞故障信息-＞控制措施进行存储和查询。

5.如权利要求4所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统模型的控制措施包括切机、切负荷、快关汽门、切除线路、切除变压器、投切电抗器、电容器，闭锁直流线路，改变直流线路输送功率。

6.如权利要求4所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统的子站模型完成相应子策略表中的故障信息识别；所述故障信息包括故障类型、故障区域以及相应的保护动作行为；所述故障类型如：线路单相瞬时接地故障、线路单相永久性故障、单相故障跳三相、两相短路故障、线路或主变无故障跳闸、母线故障、保护误动引起跳闸、断路器失灵和直流输电单极闭锁。

7.如权利要求1-6任一所述的电力系统动态仿真中安全稳定控制系统模型构建方法，其特征在于，所述安全稳定控制系统模型从相应厂站获取输入信息，并在动作后将信息插入到动态仿真程序的事件队列中，改变相应断路器状态，修改网络方程的雅可比矩阵元素联立求解事件触发时刻的系统状态，实现闭环的大规模电力系统安全稳定控制系统的动态仿真。