CN102915471A

CN102915471A - 一种风电扰动在线安全预警的方法

Info

Publication number: CN102915471A
Application number: CN2012103649255A
Authority: CN
Inventors: 吕颖
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; 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: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明公开了一种风电扰动在线安全预警的方法，即获得电网和风电场实时运行方式，结合风电场历史数据得到当前电网可能发生的风电扰动，对当前电网发生风电扰动后的安全稳定情况进行全面的计算评估，实现风电扰动的在线安全预警。本发明综合利用SCADA和WAMS的信息进行潮流计算，其与实际接近，得到的效果好。本发明对风电场高频率的历史监测数据进行分析，解决了难以获得风电扰动信息的难题，使得风电场预想扰动符合电网真实情况。本发明结合动态安全评估和预警技术，采用分布式并行方式对风电扰动后的电网进行全面的安全稳定计算，计算效率高。并且，本发明给出风电扰动后电网中的薄弱区域，计算结果直观易懂，易于指导实际调度运行。

Description

一种风电扰动在线安全预警的方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真与计算分析领域，具体涉及一种风电扰动在线安全预警的方法。

背景技术

现代电网规模庞大、运行机理复杂，风电技术的发展在为电网提供更多机遇的同时，也是电网面临一系列挑战，使电网运行控制更加复杂，对电网调峰和电压质量及安全稳定运行均产生较大影响。由于地域广阔，供电线路长，且大部分风电场都远离负荷中心等情况，所接入的电网结构相对薄弱，因此大容量风电机组集中接入电网，挤占了电网输送能力。特别是在系统发生故障和系统电压波动过程中，容易造成风电机组的大量退出，引起系统故障影响范围的扩大，降低系统的安全稳定水平。

风电的随机、间歇特性将对电网的电量平衡、电压稳定、电能质量等产生较大影响。由于风电注入改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，并且由于风电机组与现有同步发电机组有不同的稳态与暂态特性。因此风电接入后电网的电压稳定性、暂态稳定性等都会发生变化。风电场大多在电网的末端，网络结构比较薄弱，在风速、风力机组类型、控制系统、电网状况、偏航误差以及风剪切等因素的扰动下，必然导致输出功率的变化和电压的波动，从而影响电能质量和电压的稳定性。在风电装机比例较大的电网中，风电接入除了会产生电压稳定问题外，由于改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，因此风电接入后电网的暂态稳定性会发生变化。风电场并网对电网短路容量有一定影响，由于目前大部分使用的还是异步发电机，当风电场接入电网后，会增加接入点的短路电流，短路容量的增大可能超过电网保护装置的容量。

对这些问题，必须采取新的研究方法，在基础理论及分析方法方面需要不断探索和完善，才能满足现代电网在节能环保、安全稳定经济运行多方面对技术创新的要求。WAMS的快速发展和应用使得调度中心可以获得高频率的风电场运行数据，为后续分析与评估技术发展奠定了基础。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种风电扰动在线安全预警的方法，解决了难以获得风电扰动信息的难题，使得风电场预想扰动符合电网真实情况，指导实际调度运行。

本发明提供的一种风电扰动在线安全预警的方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

1）从数据采集与监视控制系统SCADA和广域监测系统WAMS获取在线数据，获得电网和风电场实时运行方式，针对风电机组建立双馈直驱通用风力发电机组模型，进行含风电场的电力系统潮流计算，得到电网潮流数据。

2）从广域监测系统WAMS获取风电场高频率的历史监测数据，进行分析后预测风电场发生的风速扰动和风电场发生的功率扰动。其中，高频率一般指大于10Hz，历史监测数据一般指一个月之前的历史值；

3）在电网当前潮流的基础上叠加至少一个设定的风电场功率扰动，得到对应的风电扰动后的电网潮流，结合动态安全评估和预警技术，采用分布式并行方式对风电扰动后的电网进行安全稳定计算。

4）根据步骤3）的计算结果，找到当前电网在发生预测的风电扰动后，会发生暂态稳定失稳的故障发生位置、电压稳定裕度较低的输电断面和短路电流超标的电网故障点，并确定风电扰动后电网中的薄弱识别。电压稳定裕度较低一般指阈值小于10%；

其中，步骤2）风速扰动包括阵风扰动、渐变风扰动。

其中，步骤2）风电场发生的功率扰动是指由于风力变化引起的风电场出力突然增大、减小的情况。风电场出力突然增大一般指风电场出力超过原功率的10%；风电场出力突然减小一般指风电场出力低于原功率的10%；

其中，步骤3）安全稳定计算包括暂态稳定计算、电压稳定计算和短路电流扫描。

其中，基于电网当前潮流，根据步骤2）得到预测的阵风扰动和渐变风扰动，并预测在风电场附近发生故障，采用时域仿真方法进行暂态稳定性评估，得到当前电网考虑风电扰动的暂态稳定分析结论。风电场附近指与风电场母线相接的范围内。

其中，在电网当前潮流的基础上叠加至少一个设定的风电场功率扰动，得到对应的风电扰动后的电网潮流，然后逐一对风电场附近输电断面进行电压稳定分析，得到当前电网风电扰动后的电压稳定分析结论。

其中，在电网当前潮流的基础上叠加至少一个设定的风电场功率扰动，得到对应的风电扰动后的电网潮流，然后逐一对风电场附近进行短路电流计算，得到当前电网风电扰动后的短路电流分析结论。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1）综合利用SCADA和WAMS的信息，进行包含风电场的潮流计算，得到反映电网和风电场实时运行方式的在线潮流数据。

2）根据从WAMS获得的风电场高频率的历史监测数据，进行分析得到风电场可能发生的风速扰动和功率扰动，解决了难以获得风电扰动信息的难题，使得风电场预想扰动符合电网真实情况。

3）结合动态安全评估和预警技术，采用分布式并行计算方法对风电扰动后的电网进行全面的安全稳定计算，包括暂态稳定计算、电压稳定计算、短路电流扫描，稳定评估计算全面，计算效率高。

4）根据风电扰动在线安全稳定评估的计算结果，给出风电扰动后电网中的薄弱区域，计算结果直观易懂，易于指导实际调度运行。

附图说明

图1为本发明提供的风电扰动在线安全预警的方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明要解决的是一种风电扰动在线安全预警的方法。具体说就是基于SCADA和WAMS获得电网和风电场实时运行方式，结合风电场历史数据得到当前电网可能发生的风电扰动，对当前电网发生风电扰动后的安全稳定情况进行全面的计算评估，及时发现风电扰动导致的电网的薄弱环节，实现风电扰动的在线安全预警。其中解决的关键问题有：

风电随机扰动因素及预想扰动故障：基于WAMS量测及其他相关信息，对当前电网可能发生的风电扰动进行分析，找出对电网安全影响较大的预想扰动。风电安全预警的扰动分析不同于风电功率预测，后者的目标是给出未来风电场概率最大的功率，前者的目标是找出当前电网下对电网安全影响较大的风电扰动。

新能源在线安全稳定分析：风电接入后电网的安全稳定性受风电特性、风电装机容量、风电接入电网的系统规模、电源结构和布局、负荷特性等密切相关，而且风电具有随机性和间歇性的特点，现有的离线稳定分析方法无法满足要求，必须实时跟踪风电场运行工况和电网的运行方式进行在线分析，利用动态安全评估和预警系统实现风电扰动的电压稳定在线预警、暂态稳定在线预警、短路电流在线预警。

本实施例提出的一种风电扰动在线安全预警的方法，其示意图如图1所示，具体包括如下步骤：

1）、从SCADA和WAMS获取在线数据，获得电网和风电场实时运行方式。针对风电机组建立双馈直驱通用风力发电机组模型，进行含风电场的电力系统潮流计算，得到反映电网和风电场实时运行方式的电网潮流数据：

因为风电场中机组的众多，不可能对每台风机进行详细建模，实际的大规模风电场通常包含几十台，上百台风电机组。受到计算量的限制，在动态仿真中通常将风电场中的风电机组等值为一台等值机。需要等值的参数主要包括风电机组的惯性时间常数、阻尼系数（考虑传动轴柔性的模型）、异步发电机阻抗参数以及等效扫风面积等。

惯量常数和阻尼系数的等值采用加权平均的方法，即：

M_{M} = \frac{1}{S_{M}} Σ_{j = 1}^{n} M_{j} S_{j}

其中M_j和M_M分别为每台机组和等值机的惯量常数或阻尼系数，S_j和S_M为每台机和等值机的容量。

进行异步发电机阻抗参数的等值时，假设同一机群的风电机组出口电压相同，结合异步发电机的Γ型等值电路进行串并联计算即可以得到等值机的阻抗参数。

对于风力机的机械转矩模型采用等效扫风面积来近似模拟，即假设等值后的风力机扫风面积与等值前相同，即等值前后风力机所捕获的风能相同。

每5分钟获取一次在线数据，包括SCADA数据和WAMS数据，都为文本格式。然后整合SCADA数据和WAMS数据进行含风电场的潮流计算，和普通潮流计算的区别在于将异步风力发电机的滑差修正量引入到雅可比矩阵中，相应地对雅可比矩阵形成加以修改，将风电机组和电力系统的模型结合在一起，用牛顿-拉夫逊法进行迭代计算潮流。

2）、从WAMS获得风电场高频率的历史监测数据，进行分析得到风电场可能发生的风速扰动，包括阵风扰动、渐变风扰动，并得到风电场可能发生的功率扰动即由于风力变化引起的风电场出力突然增大、减小的情况：

从WAMS获得风电场高频率（每秒1个测点）的历史监测数据，进行分析得到风电场可能发生的风速扰动和功率扰动。

风速扰动包括：

阵风扰动1：正常方式下运行于额定风速，阵风风速由额定风速升高到切出风速；

阵风扰动2：正常方式下运行于额定风速，阵风风速由额定风速降低到切入风速；

渐变风扰动1：正常方式下运行于额定风速，渐变风升至切出风速，之后保持一段时间后结束；

渐变风扰动2：正常方式下运行于额定风速，渐变风降至切入风速，之后保持一段时间后结束；

功率扰动即由于风力变化引起的风电场出力突然增大、减小的情况，根据历史数据得到各个风电场功率波动的最大值和最小值。

3）、根据1）和2）在电网当前潮流的基础上叠加若干风电场功率扰动，得到一系列风电扰动后的电网潮流，然后结合动态安全评估和预警技术，采用分布式并行计算方法对风电扰动后的电网进行全面的安全稳定计算，包括暂态稳定计算、电压稳定计算、短路电流扫描：

暂态稳定计算方法如下：选择风电场附近网络故障作为预想故障，风电扰动包括故障引起电压跌落时风机能否保持并行运行，以及常见的风速扰动。采用时域仿真法进行暂态稳定分析计算，判别系统的暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性。计算给出当前电网在预想故障及风电扰动下的暂态稳定判别结果（包括暂态功角稳定性、暂态电压稳定性和暂态频率稳定性），当电网稳定时以时域仿真中的最大功角时刻及最大功角差等指标表示暂态稳定裕度，当电网失稳时以失稳时刻等指标表示电网的暂态稳定严重程度。

电压稳定预警的目标是定量分析风电扰动对电网电压稳定性的影响，采用连续潮流法计算静态电压稳定裕度。计算中将常规潮流计算方法与改进病态潮流计算方法结合，可得到完整的P-V(Q-V)曲线，并考虑与系统电压稳定性密切相关的各种动态元件特性（如：负荷特性，有载调压变压器的分接头动作和发电机励磁电流限制器等），电压稳定预警计算给出风电场不同输出功率下的电压稳定裕度（MVA）指标，稳定裕度值越低表明电网电压稳定性越差。

短路电流预警计算给出在风电场的预想功率扰动后风电场附近母线节点的短路电流，和遮断容量相比短路电流越大则电网的安全程度越低。

4）根据3）的结果，找到当前电网在发生预想的风电扰动后，可能发生暂态稳定失稳或暂态稳定裕度较低的故障发生位置，电压稳定裕度较低的输电断面和短路电流超标的电网故障点，找出风电扰动后电网中的薄弱识别：

其中，风电扰动电网薄弱区域识别包括：

分别找到当前电网在发生预想的风电扰动后，可能发生暂态稳定失稳或暂态稳定裕度较低的故障发生位置，电压稳定裕度较低的输电断面和短路电流超标的电网故障点，即为薄弱区域。

本申请中所涉及的专业数据及缩略语如下：

数据采集与监视控制系统SCADA系统：在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

广域监测系统WAMS系统：WAMS是基于PMU/APMU的广域测量系统，可以在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点的实时稳态、动态信息，这些信息对电力系统稳态及动态分析与控制的许多领域(如潮流计算、状态估计、暂态稳定分析、电压稳定分析、频率稳定分析、低频振荡分析、全局反馈控制等)都有用。

动态安全评估和预警系统：电力系统动态安全评估和预警系统是基于电力系统在线实时数据和动态信息，在给定的时间间隔（5至15分钟）内，对电力系统做出动态安全评估，给出稳定极限和调度策略，保障电力系统的安全稳定运行。

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

1.一种风电扰动在线安全预警的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2）从广域监测系统WAMS获取风电场高频率的历史监测数据，进行分析后预测风电场发生的风速扰动和风电场发生的功率扰动。

4）根据步骤3）的计算结果，找到当前电网在发生预测的风电扰动后，会发生暂态稳定失稳的故障发生位置、电压稳定裕度较低的输电断面和短路电流超标的电网故障点，并确定风电扰动后电网中的薄弱识别。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）风速扰动包括阵风扰动、渐变风扰动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）风电场发生的功率扰动是指由于风力变化引起的风电场出力突然增大、减小的情况。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）安全稳定计算包括暂态稳定计算、电压稳定计算和短路电流扫描。

5.如权利要求1或4任一所述的方法，其特征在于，基于电网当前潮流，根据步骤2）得到预测的阵风扰动和渐变风扰动，并预测在风电场附近发生故障，采用时域仿真方法进行暂态稳定性评估，得到当前电网考虑风电扰动的暂态稳定分析结论。

6.如权利要求1或4任一所述的方法，其特征在于，在电网当前潮流的基础上叠加至少一个设定的风电场功率扰动，得到对应的风电扰动后的电网潮流，然后逐一对风电场附近输电断面进行电压稳定分析，得到当前电网风电扰动后的电压稳定分析结论。

7.如权利要求1或4任一所述的方法，其特征在于，在电网当前潮流的基础上叠加至少一个设定的风电场功率扰动，得到对应的风电扰动后的电网潮流，然后逐一对风电场附近进行短路电流计算，得到当前电网风电扰动后的短路电流分析结论。