CN102819618A - 一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，包括下列步骤：进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析；建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型；针对改进后的满足分区电网大功率缺额要求的电气元件仿真模型，基于目前机电暂态仿真采用的隐式梯形法和迭代求解算法，获得分区电网大功率缺额后的仿真算法。本发明提出适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，能够准确地模拟大范围频率电压偏移后的电网动态过程，保证分区电网低周、低压减载整定和安全控制策略制定的准确可靠，保障分区电网的安全稳定运行。

Description

一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定分析与控制领域，且特别涉及一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法。

背景技术

随着电网的不断加强，短路电流超标问题日益突出，为抑制短路电流华东电网目前普遍采用了分层分区的运行方式，每个分区通过2～4台变压器供电。目前220kV电网普遍采取分层分区方式，当分区电网供电联络线或分区主变因故开断后，将导致220kV电网孤网运行。虽然每个分区内都配有电源，但受入功率的比例仍然很大，多数分区功率缺额都超过30％，甚至达到60％。因而导致局部分区内出现低频的概率很大，局部的停电风险增大。当外部电源失去时，分区电网将出现较大的功率缺额，导致频率和电压大幅度下降，面临全面崩溃的风险。

为避免电网发生频率和电压崩溃事故，主要依赖于安全稳定控制系统、低周低压减载和其他安全自动装置(例如，高低周切机)等二、三道防线的迅速、准确动作。除此之外，在线安全稳定分析控制系统中如果预见到可能发生的问题，也可在线计算出预防控制策略，辅助调度员调整运行方式，恢复系统至安全区域。然而，无论二、三道防线装置定值和控制策略的制定还是在线预防控制策略搜索，依据的都是对故障后的系统动态行为进行仿真计算，如果仿真计算不能准确模拟系统动态特性，则无法保证大功率缺额后分区电网的安全稳定运行。例如，实际运行中由于定值整定不合理导致大功率缺额后低周低压减载动作，切除大量负荷后又造成高周切机动作，发电机切除后低周又造成低周减载动作，最终损失大量负荷的事故已有发生。

目前国内外常用的时域仿真软件如BPA、PSASP、PSS/E、DSATools、Netomac和FASTEST等均建立了完善和复杂的元件模型库，有的还具有模型的用户自定义功能，所采用的隐式梯形法和交替求解微分网络方程等仿真方法也已相当成熟和完善，可以模拟一般故障下系统的动态行为，已经成为电网运行方式计算和分析重要和必备的工具。然而，当进行分区电网大功率缺额的仿真时，由于频率和电压大范围偏离额定值，原有的元件模型不能保证其适应性。对动力系统而言，原有模型可以考虑频率降低后调速器的动作，但频率电压下降造成电厂辅机效率减低等的影响则无法考虑；目前大多数情况下发电机定子方程和摇摆方程中不考虑速度影响，频率大幅下降后计及速度影响对仿真结果的影响需要详细分析；对负荷模型而言，计及频率因子的静态ZIP模型是否满足分区电网大功率缺额后的仿真，频率因子等参数是否符合实际均需确认；有文献指出，线路正序电感基本不随频率变化，正序电阻随频率有增长。零序参数，特别是零序电阻，明显地受到频率的影响。即使正序电感与频率变化无关，但仿真计算中采用的电抗则随频率正比变化。以上种种均说明频率和电压偏移较大的情况下，国内外常用的时域仿真软件在进行分区电网大功率缺额的仿真时，由于频率和电压大范围偏离额定值，原有的元件模型不能保证其适应性，采用传统的仿真方法无法得到准确的分析结果。

目前的机电暂态仿真程序采用的隐式梯形法和交替求解微分网络方程等仿真方法已相当成熟和完善，对于大功率缺额后系统的动态过程仿真而言，线路和变压器采用的是随频率变化的模型，而系统网络方程求解需要进行的导纳阵因式分解需要较长的计算时间，原来的程序仅需在故障后重新进行导纳阵因式分解，而线路变压器参数随频率变化后，每一积分步长均需进行因式分解，对计算时间而言无法接受，需要研究新的仿真方法。

国内外UFLS的整定都假设动态过程中各母线的频率相同，电压不变，忽略暂态过程，按经验整定，再通过中期动态仿真的反复试探来校核。UVLS的整定大都基于系统的静态特性，并通过动态仿真来校核。显然，这种基于经验的配置方法已越来越不适应电网发展的要求，而应考虑暂态频率和暂态电压错综跌落时的负荷控制。

对于功率缺额过大情况，仅依靠低频低压减负荷装置动作可能因延时过长导致频率下降速度快且很难恢复到安全范围的问题，需要考虑联切负荷与低频低压减负荷装置互相配合。即根据功率缺额量，通过联切负荷装置切除一定量的负荷，其他的功率缺额再依靠低频低压减负荷切除，这便需要研究联切负荷与低频低压减负荷两种控制手段的协调配合方案。

因此，对分区电网大功率缺额后的动态行为进行准确地仿真，对保障分区电网安全稳定运行，防止电压和频率崩溃具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提出适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，准确地模拟大范围频率电压偏移后的电网动态过程，保证分区电网低周、低压减载整定和安全控制策略制定的准确可靠，保障分区电网的安全稳定运行。

为了达到上述目的，本发明提出一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，包括下列步骤：

进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析；

建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型；

针对改进后的满足分区电网大功率缺额要求的电气元件仿真模型，基于目前机电暂态仿真采用的隐式梯形法和迭代求解算法，获得分区电网大功率缺额后的仿真算法。

进一步的，所述进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析步骤包括：

通过搜集实际发生的分区电网解列后的故障录波数据和PMU测量数据，获取当时的系统运行工况数据和低频低周减载、发电机电动机保护及控制装置和其他自动控制装置动作信息；

对这些数据进行分析，分析严重故障下分区电网解列后的频率电压变化过程，分析系统工况和各种保护及控制装置对频率电压动态特性的影响，为后续仿真模型和算法研究打下基础。

进一步的，所述建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型步骤包括：

对目前机电暂态仿真中采用的动力系统、发电机、负荷和网络模型分析其在分区电网大功率缺额后的适应性，提出满足工程实际要求的仿真模型；

研究大范围频率电压偏移对发电厂动力系统的影响并提出对模型的改进方案；

分析发电机模型的定子电压方程和转矩方程中考虑转速变化对仿真计算结果的影响并揭示其内在机理；

研究目前考虑频率电压特性的负荷模型参数在分区电网大功率缺额后的适应性及改进方案。

进一步的，对以上分区构造引起大功率缺额的事故，重点关注供电联络线或该地区各变电站主变因故开断后，将导致220kV电网孤网运行的分区。

进一步的，不考虑低频低压减负荷装置动作，通过利用已建立的仿真模型和算法仿真分析各分区的电压、频率特性，重点关注大功率缺额后频率的时空分布特性，当某区域内的低压和低频问题交织在一起时，重点研究两者间的相互影响程度及机理，对各分区不同功率缺额水平下的电压、频率特性进行总结、归纳，进行电压、频率特性的影响因素分析。

进一步的，针对电网现有低频低压减负荷配置方案，仿真分析包括切机、切负荷、解列、低压和低频减载以及发电机组高、低频保护在内的安全稳定控制装置的动作特性，对电网频率和电压安全性进行评估，分析电网现有低频低压减负荷配置方案对各种运行方式的适应性，并对其配置的合理性进行评价。

进一步的，针对存在的低频问题，结合大功率缺额后的频率特性，提出低频减载的优化配置方案；

针对存在的低压问题，结合大功率缺额后的电压特性，提出低压减载的优化配置方案；

针对低频低压同时存在的情况，提出低频和低压减载方案间的协调配合原则和方案；

针对现有低频低压减载方案在某些方式及故障下可能造成的欠切现象，研究为保证系统安全在分区内配置联切负荷装置的可行性，并进一步研究不同功率缺额方式下，联切负荷与低频低压减负荷的协调配合方案。

本发明提出的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，能够准确地模拟大范围频率电压偏移后的电网动态过程，保证分区电网低周、低压减载整定和安全控制策略制定的准确可靠，保障分区电网的安全稳定运行。对分区电网大功率缺额后的动态行为进行准确地仿真，对保障分区电网安全稳定运行，防止电压和频率崩溃具有重要意义，避免造成巨大的经济损失。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法流程图。

图2所示为本发明较佳实施例的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法的计算流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

分区电网大功率缺额后的仿真模型及算法研究，目的是准确地模拟大范围频率电压偏移后的电网动态过程，保证分区电网低周、低压减载整定和安全控制策略制定的准确可靠。为了指导模型和算法的研究工作和验证研究结果，需要搜集各网省实际发生的分区电网解列后的事故数据，并对这些数据进行详细的分析，揭示严重故障下分区电网解列后普遍的频率电压变化过程，分析系统工况和各种保护及控制装置对频率电压动态特性的影响。

现有的机电暂态仿真程序包括丰富和完备的原动机和调速器模型，通过详细分析事故后发电机出力变化和调速器动作情况，在现有模型中计及频率电压下降造成电厂辅机效率减低等的影响，建立满足要求的数学模型。现有的仿真程序中发电机定子方程和摇摆方程中均可考虑速度影响，基于EEAC等理论分析转速变化对仿真结果的影响，揭示其内在机理，提出大范围频率偏移下的发电机模型。对负荷模型而言，在对国内外研究成果和大功率缺额事故广泛调查研究基础上，提出满足要求的静态负荷模型和合理的频率因子，提出大范围频率电压下降后电动机堵转、脱扣和再启动过程的仿真方法。建立线路和变压器参数随频率变化的仿真模型。以上工作均建立在对国内外研究成果和事故情况广泛调查研究基础上，所建立的仿真模型需要准确模拟大功率缺额后系统的动态过程。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法流程图。本发明提出一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，包括下列步骤：

S1：进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析；

S2：建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型；

S3：针对改进后的满足分区电网大功率缺额要求的电气元件仿真模型，基于目前机电暂态仿真采用的隐式梯形法和迭代求解算法，获得分区电网大功率缺额后的仿真算法。

根据本发明较佳实施例，所述进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析步骤包括：

通过搜集实际发生的分区电网解列后的故障录波数据和PMU测量数据，获取当时的系统运行工况数据和低频低周减载、发电机电动机保护及控制装置和其他自动控制装置动作信息；

对这些数据进行分析，分析严重故障下分区电网解列后的频率电压变化过程，分析系统工况和各种保护及控制装置对频率电压动态特性的影响，为后续仿真模型和算法研究打下基础。

其中，所述建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型步骤包括：

对目前机电暂态仿真中采用的动力系统、发电机、负荷和网络模型分析其在分区电网大功率缺额后的适应性，提出满足工程实际要求的仿真模型；

研究大范围频率电压偏移对发电厂动力系统的影响并提出对模型的改进方案；

分析发电机模型的定子电压方程和转矩方程中考虑转速变化对仿真计算结果的影响并揭示其内在机理；

研究目前考虑频率电压特性的负荷模型参数在分区电网大功率缺额后的适应性及改进方案。

其中，对以上分区构造引起大功率缺额的事故，重点关注供电联络线或该地区各变电站主变因故开断后，将导致220kV电网孤网运行的分区。

其中，不考虑低频低压减负荷装置动作，通过利用已建立的仿真模型和算法仿真分析各分区的电压、频率特性，重点关注大功率缺额后频率的时空分布特性，当某区域内的低压和低频问题交织在一起时，重点研究两者间的相互影响程度及机理，对各分区不同功率缺额水平下的电压、频率特性进行总结、归纳，进行电压、频率特性的影响因素分析。

其中，针对电网现有低频低压减负荷配置方案，仿真分析包括切机、切负荷、解列、低压和低频减载以及发电机组高、低频保护在内的安全稳定控制装置的动作特性，对电网频率和电压安全性进行评估，分析电网现有低频低压减负荷配置方案对各种运行方式的适应性，并对其配置的合理性进行评价。

其中，针对存在的低频问题，结合大功率缺额后的频率特性，提出低频减载的优化配置方案；

针对存在的低压问题，结合大功率缺额后的电压特性，提出低压减载的优化配置方案；

针对低频低压同时存在的情况，提出低频和低压减载方案间的协调配合原则和方案；

针对现有低频低压减载方案在某些方式及故障下可能造成的欠切现象，研究为保证系统安全在分区内配置联切负荷装置的可行性，并进一步研究不同功率缺额方式下，联切负荷与低频低压减负荷的协调配合方案。

针对改进后的满足分区电网大功率缺额要求的动力系统、发电机、负荷和网络模型，基于目前机电暂态仿真通常采用的隐式梯形法和迭代求解算法，提出分区电网大功率缺额后准确性和计算速度均满足工程要求的仿真算法。请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法的计算流程图。首先输入原始数据和信息，进行扰动前系统的潮流计算，并计算电力网络的运行参数初值y₍₀₎，并由此求出电力系统中有关元件的状态参数初始值x₍₀₎，采用考虑频率大范围偏移的发电机组模型、线路模型、变压器模型、负荷模型等，形成微分方程式和代数方程式。在一般潮流计算中，不需要计算发电机和负荷的内部的情况，因此描述电力网络的阻抗矩阵或导纳矩阵一般只由电力网络的接线和参数决定。在暂态稳定计算中因为要计及发电机和负荷内部的机电暂态过程，所以在描述电力网络的阻抗矩阵或导纳矩阵中就要考虑发电机和负荷等值电路的影响。然后进入推算扰动以后电力系统运行参数变化过程的计算，描述电力系统机电暂态过程的方程式非常复杂，并且由于故障和操作等原因，其中有些方程式还是不连续的。对于式

0＝g(x，y)的解一般不能求得解析的形式，而只能用某种数值解法离散地求出和某一时间序列t₀，t₁，t₂，...t_m相对应的系统运行参数(x₍₀₎，y₍₀₎)，(x₍₁₎，y₍₁₎)，(x₍₂₎，y₍₂₎)...(x_(m)，y_(m))，称时间间隔Δt_n＝t_n+1-t_n为t_n时刻的步长。目前大多数暂态稳定计算程序取相等的步长。假设暂态稳定的计算已进行到t时刻，因而电力系统运行参数(x_(t)，y_(t))为已知量。在推算t+Δt时刻系统运行状态时，应该首先检查在t时刻系统有无故障成操作，如果有故障或操作，则需要修改有关的方程式。即置t＝0，判断有无故障或操作，若有则修改微分方程式和代数方程式，接着判断是否网络故障或操作，若是则进行因式分解，求解网络方程并重新计算y(t)，然后计算y(t+Δt)和X(t+Δt)，然后判断系统是否稳定，若是则置t＝t+Δt，最后当t≥t_max时输出计算结果并停止，否则回到根据判断有无故障或操作来修改微分方程式和代数方程式的步骤。当t时刻的故障或操作是发生在电力网络内时，电力网络的远行参数y_(t)在该时刻可能发生突变，因此还必须计算故障或操作以后电力网络的运行参数y_(t+0)，一般地讲，与各元件动态特性有关的状态参数是不会突变的，因此故障(或操作)前后的x_(t)和x_(t+0)应该相同。

可以采用交替求解法或联立求解法对微分-代数方程组作进一步的计算，由t时刻的状态参数和运行参数求出t+Δt时刻的状态参数和运行参数。推算出t+Δt时刻系统运行状态后，即可采用一定的判据来判断系统的暂态稳定性，如观察任意两台发电机之间的相对转角是否大于180度。如果系统失稳，则停止计算输出结果，否则将时间向前推进Δt，继续计算下一时刻系统的运行状态直至到达预定的时间t_max。

本发明提出的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，能够准确地模拟大范围频率电压偏移后的电网动态过程，保证分区电网低周、低压减载整定和安全控制策略制定的准确可靠，保障分区电网的安全稳定运行。对分区电网大功率缺额后的动态行为进行准确地仿真，对保障分区电网安全稳定运行，防止电压和频率崩溃具有重要意义，避免造成巨大的经济损失。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，包括下列步骤：

进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析；

建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型；

针对改进后的满足分区电网大功率缺额要求的电气元件仿真模型，基于目前机电暂态仿真采用的隐式梯形法和迭代求解算法，获得分区电网大功率缺额后的仿真算法。

2.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，所述进行严重故障下分区电网解列后的物理特性分析步骤包括：

通过搜集实际发生的分区电网解列后的故障录波数据和PMU测量数据，获取当时的系统运行工况数据和低频低周减载、发电机电动机保护及控制装置和其他自动控制装置动作信息；

对这些数据进行分析，分析严重故障下分区电网解列后的频率电压变化过程，分析系统工况和各种保护及控制装置对频率电压动态特性的影响，为后续仿真模型和算法研究打下基础。

3.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，所述建立分区电网大功率缺额后电气元件仿真模型步骤包括：

对目前机电暂态仿真中采用的动力系统、发电机、负荷和网络模型分析其在分区电网大功率缺额后的适应性，提出满足工程实际要求的仿真模型；

研究大范围频率电压偏移对发电厂动力系统的影响并提出对模型的改进方案；

分析发电机模型的定子电压方程和转矩方程中考虑转速变化对仿真计算结果的影响并揭示其内在机理；

研究目前考虑频率电压特性的负荷模型参数在分区电网大功率缺额后的适应性及改进方案。

4.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，对以上分区构造引起大功率缺额的事故，重点关注供电联络线或该地区各变电站主变因故开断后，将导致220kV电网孤网运行的分区。

5.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，不考虑低频低压减负荷装置动作，通过利用已建立的仿真模型和算法仿真分析各分区的电压、频率特性，重点关注大功率缺额后频率的时空分布特性，当某区域内的低压和低频问题交织在一起时，重点研究两者间的相互影响程度及机理，对各分区不同功率缺额水平下的电压、频率特性进行总结、归纳，进行电压、频率特性的影响因素分析。

6.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，针对电网现有低频低压减负荷配置方案，仿真分析包括切机、切负荷、解列、低压和低频减载以及发电机组高、低频保护在内的安全稳定控制装置的动作特性，对电网频率和电压安全性进行评估，分析电网现有低频低压减负荷配置方案对各种运行方式的适应性，并对其配置的合理性进行评价。

7.根据权利要求1所述的适应于大功率缺额后的分区电网计算方法，其特征在于，针对存在的低频问题，结合大功率缺额后的频率特性，提出低频减载的优化配置方案；

针对存在的低压问题，结合大功率缺额后的电压特性，提出低压减载的优化配置方案；

针对低频低压同时存在的情况，提出低频和低压减载方案间的协调配合原则和方案；

针对现有低频低压减载方案在某些方式及故障下可能造成的欠切现象，研究为保证系统安全在分区内配置联切负荷装置的可行性，并进一步研究不同功率缺额方式下，联切负荷与低频低压减负荷的协调配合方案。

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