CN102684187A - 一种基于wams和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，属于电力系统应用领域。分析方法包括以下步骤：判断支路发电机对静态稳定极限的影响；选择送端机群和受端机群；计算所述送端机群和受端机群的功角差；计算静态稳定极限和静稳裕度；分析电网静态稳定性。该方法以机群对系统等值阻抗影响大小为依据，对电网机组进行同调分群，并应用广域同步测量系统WAMS(wide area measurement system)提供的动态信息，计算送端机群和受端机群的惯量中心COI(center of inertia)功角，从而得到输电断面的静态稳定极限和静态稳定裕度，为电力系统静态稳定安全校核提供了一种有效的分析方法。

Description

一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体讲涉及一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法。

背景技术

随着我国电力系统的跨区域互联，电网规模越来越大，结构日趋复杂，运行方式多变，因此发现电网的薄弱环节并加以重点控制是保证电网安全运行的必要条件。

对于互联电网，保持静态稳定性和必要的静稳裕度是电网安全稳定运行的基础。所谓静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到初始状态。它主要是通过稳定分析计算电网的静态稳定极限，研究系统在各种运行方式下的静态稳定储备。静态稳定极限是评价电网强度的最有效指标之一，它不仅决定于联络线本身，还与送电距离、送受端系统强度、动态电压支撑等因素有关。对于大电源送出线、跨大区或省网间联络线，网络中的薄弱断面等需要开展静态稳定分析。所以在电网安全稳定分析中，如何能够快速筛选出电网的薄弱断面加以重点控制，关注运行系统中各个输电断面的静态稳定极限值以及静稳裕度对电网的安全运行有着重要的意义。

目前求输电断面的静态稳定功率极限的方法很多，工程实用算法是采用稳定计算程序，逐步增加送端机组的功率，相应地减少受端的机组功率或增加受端的负荷，求得输电线路或断面最大输送功率即为静态功角稳定极限。计算过程中应尽量保证系统的频率和电压在正常范围内，因此，要考虑调速系统和励磁系统，并保证增减功率基本平衡。同时应注意功率的增减方案要符合实际的功率流向。

随着电力系统自动化技术的不断进步，在线动态安全预警系统得到了不断的发展。但是该方法对系统的详细模型和参数要求很高，稳定计算结果的准确性很大程度上依赖于在线安全稳定评估仿真数据中元件模型和数据的准确性。广域同步测量系统WAMS可以提供主网的实时运行信息，这为电力系统稳定性分析提供了新的手段。应用WAMS采集电网实时信息，可以有效解决一系列建立系统元件数学模型、确定参数等难题，使结果更加准确的反应电网真实的情况。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，该方法以机群对系统等值阻抗影响大小为依据，对电网机组进行同调分群，并应用广域同步测量系统WAMS(wide area measurement system)提供的动态信息，计算送端机群和受端机群的惯量中心COI(center of inertia)功角，从而得到输电断面的静态稳定极限和静态稳定裕度，为电力系统静态稳定安全校核提供了一种有效的分析方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，所述分析方法包括以下步骤：

步骤1：判断支路发电机对静态稳定极限的影响；

步骤2：选择送端机群S1和受端机群S2；

步骤3：计算所述送端机群S1和受端机群S2的功角差δ；

步骤4：计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P；

步骤5：分析电网静态稳定性。

所述步骤1包括步骤：

1-1根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算断面母线短路时的总短路电流I_f；

1-2根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算第i条支路的短路电流I_i；

1-3计算第i条支路短路电流贡献因子λ_i，即

i＝1，2，...，N      (1)

1-4根据所述电流贡献因子λ_i判断各支路发电机对静态稳定极限的影响，即λ_i越大，支路发电机对静态稳定极限的影响就越大。

所述步骤2中，根据支路发电机对静态稳定极限的影响选择所述送端机群S1和受端机群S2。

所述步骤3中，计算所述功角差δ包括步骤：

3-1确定所述送端机群S1的惯性时间常数M_1i和功角δ_1i；

3-2确定所述受端机群S2的惯性时间常数M_2i和功角δ_2i；

3-3分别计算下述式(2)和(3)所述送端机群S1和受端机群S2的惯量中心功角δ_COI1和δ_COI2：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}*{\mathrm{\δ}}_{1i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}*{\mathrm{\δ}}_{2i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}}---\left(3\right)$

3-4计算(4)式的所述功角差δ，δ＝δ_COI1-δ_COI2        (4)。

所述步骤4中，计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P：

$P_{\max }=\frac{E_1*E_2}{X_{\mathrm{\Σ}}}=\frac{P_0}{\sin \mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$K_P=\frac{P_{\max }-P_0}{P_0}*100\%---\left(6\right)$

式子(5)和(6)中，E₁和E₂分别为所述送端机群和受端机群的系统电压，X_∑为所述送端机群S1和受端机群S2的互联电抗值，P₀为断面的初始潮流值。

根据在线安全稳定评估仿真数据确定所述送端机群S1的惯性时间常数M_1i和所述受端机群S2的惯性时间常数M_2i。

根据广域同步测量系统提供的动态信息确定所述功角δ_1i和功角δ_2i。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.电网断面静态稳定极限是评价电网强度的最有效指标，通过计算输电断面的静态稳定极限，考察断面的静稳裕度是评估系统静态稳定性的有效手段之一，正常方式的静态稳定极限表征了交流断面的最大传输能力，运行中保留一定静稳裕度是电网安全稳定运行的必要条件；

2.在线DSA仿真数据中电网结构信息数据质量较高，而电网的短路电流水平和短路阻抗主要取决于电网的网架结构和机组的电抗信息，对系统详细参数要求不高，本发明解决了建立系统元件数学模型和参数准确度差等问题，能够快速、准确计算输电断面的静态稳定极限和静稳裕度，对电力系统静态稳定进行安全校核。

附图说明

图1是本发明具体实施例的支路电流示意图；

图2是本发明具体实施例的送端机群和受端机群系统图；

图3是本发明具体实施例的送端机群和受端机群互联系统图；

图4是本发明具体实施例中华北～华中电网示意图；

图5是本发明具体实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，所述分析方法包括以下步骤：

步骤1：判断支路发电机对静态稳定极限的影响；

步骤2：选择送端机群S1和受端机群S2；

步骤3：计算所述送端机群S1和受端机群S2的功角差δ；

步骤4：计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P；

步骤5：分析电网静态稳定性。

所述步骤1包括步骤：

1-1根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算断面母线短路时的总短路电流I_f；

1-2根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算第i条支路的短路电流I_i；

1-3计算第i条支路短路电流贡献因子λ_i，如图1，

i＝1，2，...，N        (1)

1-4根据所述电流贡献因子λ_i判断各支路发电机对静态稳定极限的影响，即λ_i越大，支路发电机对静态稳定极限的影响就越大。

所述步骤2中，根据支路发电机对静态稳定极限的影响选择所述送端机群S1和受端机群S2。

所述步骤3中，计算所述功角差δ包括步骤：

3-1确定所述送端机群S1的惯性时间常数M_1i和功角δ_1i；

3-2确定所述受端机群S2的惯性时间常数M_2i和功角δ_2i；

3-3如图2，别计算下述式(2)和(3)所述送端机群S1和受端机群S2的惯量中心功角δ_COI1和δ_COI2：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}*{\mathrm{\δ}}_{1i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}*{\mathrm{\δ}}_{2i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}}---\left(3\right)$

3-5计算(4)式的所述功角差δ，δ＝δ_COI1-δ_COI2        (4)。

所述步骤4中，计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P：

$P_{\max }=\frac{E_1*E_2}{X_{\mathrm{\Σ}}}=\frac{P_0}{\sin \mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$K_P=\frac{P_{\max }-P_0}{P_0}*100\%---\left(6\right)$

式子(5)和(6)中，E₁和E₂分别为所述送端机群和受端机群的系统电压，X_∑为所述送端机群S1和受端机群S2的互联电抗值，P₀为断面的初始潮流值。

根据在线安全稳定评估仿真数据确定所述送端机群S1的惯性时间常数M_1i和所述受端机群S2的惯性时间常数M_2i。

根据广域同步测量系统提供的动态信息确定所述功角δ_1i和功角δ_2i。

在图3中，当在母线1上发生短路故障时，送端机群S1向短路点提供的短路电流标幺值为I_s1；受端机群S2经过联络线向短路点流过的电流标幺值为I_L。对于互联的系统来说，系统等值电压标幺值近似等于1。则系统侧的等值阻抗X_s1可表示为1/I_s1。同理可以求得受端机群S2的等值阻抗X_s2。

则联络线的静态稳定极限可表示为：

$P_{\max }=\frac{1}{X_{s1}+X_L+X_{s2}}$

即：

$P_{\max }=\frac{1}{\frac{1}{I_{s1}}+X_L+\frac{1}{I_{s2}}}=\frac{I_{s1}*I_{s2}}{I_{s1}+X_L*I_{s1}*I_{s2}+I_{s2}}$

其中X_L是联络线的并联等值阻抗。

通过对短路阻抗法的分析发现，送端机群S1和受端机群S2向该研究断面提供的短路电流大小和断面联络线的并联阻抗大小是决定断面静态稳定极限的主要因素。所以可以根据全网机组对待研究断面两侧短路阻抗的影响大小划分同调机群，找到对断面静态稳定极限影响较大的发电机群。

将系统侧每条支路流过的短路电流值与该系统向短路点提供的总短路电流值之比定义为该条支路的短路电流贡献因子λ_i如公式(1)所示。

电源点离短路点越远，提供的短路电流也就越小，对短路阻抗影响越小，支路的短路电流贡献因子也就越小。当组成某一断面的一组联络线的短路电流贡献因子之和小于规定的阈值时(如短路电流贡献因子之和小于3％时)就认为这部分子系统对该系统侧的系统等值阻抗影响较小，可以不予考虑。在应用WAMS提供的动态信息求电网的惯量中心时应该把对断面静态稳定极限影响较小的机群去掉，减小此类机组对惯量中心功角的影响。

根据WAMS提供的系统动态信息，计算断面两侧系统影响断面静态稳定极限较大的机群的惯量中心。系统惯量中心COI的等值转子角δ_COI定义为各转子角的加权平均值，权系数为M_i，即各发电机的惯性时间常数。

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}}=\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i*{\mathrm{\δ}}_i}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i}$

应用该方法可以将输电断面两端的互联系统分别化为惯量中心坐标下的等值系统，使互联系统简化成为两机系统，如图2所示。其中，两个等值机的电压分别为E₁和E₂；系统的等值电抗为X_s1和X_s2；惯量中心坐标下断面两侧系统的惯量中心功角分别为δ_COI1和δ_COI2；联络线的并联电抗为X_L，则断面联络线上传输功率可表示为：

$P_0=\frac{E_1*E_2}{X_{\mathrm{\Σ}}}\sin \mathrm{\δ}$

其中X_∑＝X_s1+X_L+X_s2，δ为断面两侧送端机群S1和受端机群S2惯量中心的功角差。对于简单的两机系统，当功角差δ等于90度时联络线上功率达到其静态稳定极限值，即：

$P_{\max }=\frac{E_1*E_2}{X_{\mathrm{\Σ}}}=\frac{P_0}{\sin \mathrm{\δ}}$

则该输电断面的静稳裕度为：

$K_p=\frac{P_{\max }-P_0}{P_0}*100\%$

下面以蒙西外送断面为例验证算法的正确性。

图4是华北-华中电网示意图。其中蒙西断面是华北电网重要的输电断面之一，是重要的电源外送基地。蒙西外送断面由两个输电通道组成，分别为汗海～沽源双回线和丰泉～万全双回线。利用电力系统分析软件(PSD-BPA)仿真得到蒙西断面的静态稳定极限为8089MW。

当在沽源母线发生短路故障时，总的短路电流为14.91kA；华北-华中主网向蒙西断面的沽源母线提供的短路电流值约为7.05kA，蒙西电网向沽源母线提供的短路电流值约为7.86kA。表1列出了华北～华中主网各个主要区域电网对沽源母线短路电流值的影响。

表1

由表1可见当不考虑华中电网机组对沽源母线短路的影响时，沽源母线总的短路电流值基本不变；当仅考虑京津唐电网机组对沽源母线短路电流影响时，此时华北主网向沽源母线提供的短路电流值为6.86kA，减小了约2.7％，小于本发明所提算法设定的阈值，则认为京津唐电网对蒙西外送断面的静态稳定极限影响较大，应对这部分机组求取其惯量中心功角。

同理，对蒙西电网做同样的机组划分。当忽略德岭山～包头联络线和布日都～响沙湾联络线以西机组时，蒙西电网提供的短路电流减小了1.6％，满足本发明所提算法设定的阈值，求取蒙西电网的惯量中心时可以忽略这部分机组。

应用WAMS提供的电网动态数据信息，利用公式(2)得到京津唐电网惯量中心，其惯量中心的角度δ₁为-72.9°；蒙西电网惯量中心的角度δ₂为-46.3°，此时蒙西断面初始潮流P₀为3892MW。将数据代入公式(4)和公式(5)中，求出断面的静态稳定极限为8687MW，与工程实用算法之间的误差为7.4％，静态储备系数为123％。

表2列出了不对电网机组进行分群划分或粗略分群的计算结果，其结果存在较大误差。原因主要是在求电网惯量中心时，对断面静态稳定极限影响较小的电网机组使电网的惯量中心产生了偏移。以山东电网为例，其惯量约占华北总惯量的三分之一，不同运行方式将会对惯量中心产生很大影响。如山东受电350万和山东不受电时的惯量中心角差约14.8°。

表2

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：所述分析方法包括以下步骤：

步骤1：判断支路发电机对断面静态稳定极限的影响；

步骤2：选择送端机群和受端机群；

步骤3：计算所述送端机群和受端机群的功角差δ；

步骤4：计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P；

步骤5：分析电网静态稳定性。

2.根据权利要求1所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：所述步骤1包括步骤：

1-1根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算断面母线短路时的总短路电流I_f；

1-2根据短路阻抗和静态稳定极限的关系，计算第i条支路的短路电流I_i；

1-3计算第i条支路短路电流贡献因子λ_i，即

i＝1，2，...，N    (1)

1-4根据所述电流贡献因子λ_i判断各支路发电机对静态稳定极限的影响，即λ_i越大，支路发电机对静态稳定极限的影响就越大。

3.根据权利要求1所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：所述步骤2中，根据支路发电机对静态稳定极限的影响选择所述送端机群和受端机群。

4.根据权利要求1所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：所述步骤3中，计算所述功角差δ包括步骤：

3-1确定所述送端机群的惯性时间常数M_1i和功角δ_1i；

3-2确定所述受端机群的惯性时间常数M_2i和功角δ_2i；

3-3分别计算下述式(2)和(3)所述送端机群和受端机群的惯量中心功角δ_COI1和δ_COI2：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}*{\mathrm{\δ}}_{1i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{M}_{1i}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}*{\mathrm{\δ}}_{2i}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{M}_{2i}}---\left(3\right)$

3-4计算(4)式的所述功角差δ，δ＝δ_COI1-δ_COI2       (4)。

5.根据权利要求1所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：所述步骤4中，计算静态稳定极限P_max和静稳裕度K_P：

$P_{\max }=\frac{E_1*E_2}{X_{\mathrm{\Σ}}}=\frac{P_0}{\sin \mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$K_P=\frac{P_{\max }-P_0}{P_0}*100\%---\left(6\right)$

式子(5)和(6)中，E₁和E₂分别为所述送端机群和受端机群的系统电压，X_∑为所述送端机群和受端机群的互联电抗值，P₀为断面的初始潮流值。

6.根据权利要求4所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：根据在线安全稳定评估仿真数据确定所述送端机群的惯性时间常数M_1i和所述受端机群的惯性时间常数M_2i。

7.根据权利要求4所述的基于WAMS和在线仿真数据的电网静态稳定分析方法，其特征在于：根据广域同步测量系统提供的动态信息确定所述功角δ_1i和功角δ_2i。

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