CN103235239A - 多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，包括如下步骤：1：获得电网动态响应数据；2：对大电网数据进行提取，得到本发明中所需要的发电机功角、母线电压大小、母线功率、联络线两端电压相角差；3：利用发电机相对功角进行系统分群；4：观察临界支路电压波动情况；5：对可能存在的振荡中心进行无功积分；6：对得到的支路利用母线电压相角差进行检验。本发明方法利用振荡中心电气量的变化特征和发电机相对功角差辅助支路无功功率积分确定振荡中心所在断面，提高了原始无功功率积分方法的速度和精度，不受运行方式和电网结构变化的影响，直观准确，易于实现且可靠性高。

Description

多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法

技术领域

本发明涉及一种振荡中心定位分析方法，尤其是涉及多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法。

背景技术

目前，常见的振荡中心定位的方法有以下几种：

（1）基于

的振荡中心定位方法：

该方法是基于

的电力系统失步解列装置是利用装置安装处采集到的电压和电流计算得到振荡中心的电压,根据振荡中心电压的变化规律来区分失步振荡和同步振荡及短路故障等。

振荡中心电压与功角δ之间存在明确的函数关系，因此可以利用振荡中心电压

的变化反映功角的变化。作为状态量的功角是连续变化的,因此在失步振荡时振荡中心的电压也是连续变化的,且过零;在短路故障及故障切除时振荡中心电压是不连续变化且有突变的;在同步振荡时,振荡中心电压是连续变化的,但振荡中心电压不过零。因此,可以通过振荡中心的电压变化来区分失步振荡、短路故障和同步振荡。

该装置的判据本判据反映的是系统振荡中心电压的变化规律,物理概念清晰、明确。与系统的运行方式、电网的结构无关,只反映测量线路所在断面的失步状态。不需要用户提供判断失步的定值,给用户的使用提供了极大的方便。

（2）基于阻抗角变化特征辨识振荡中心的方法

视在阻抗θ与功角δ之间存在着一定的函数关系，因此可以用阻抗角的变化间接地反映功角的变化：作为状态量的功角是连续变化的,在失步振荡中阻抗角也是连续变化的;在短路故障及故障切除时阻抗角是不连续变化且有突变的;在同步振荡时阻抗角虽然也是连续变化的,但变化的范围有限。因此可通过阻抗角的大小和变化方式来区分失步和短路、同步振荡和失步。

在阻抗平面上将4个象限内的阻抗角分为6个区，如图1所示：

之间为Ⅰ区,

之间为Ⅱ区，

之间为Ⅲ区,

之间为Ⅳ区,

之间为Ⅴ区,之间为Ⅵ区。将

定为-70°；

定为70°；

定为110°；

定为-110°。此整定能保证当振荡中心落在所保护的线路上时,阻抗角的变化能可靠地穿越4个区。

该方法能够适应复杂的电网结构和多变的运行方式，且整定方便等优点，能判断出失步中心的位置方向，目前在我国的电力系统中得到大量应用。

（3）基于电压相角差辨识振荡中心

两侧电压失步时，两侧的等值电动势的相位差δ在0°～360°的范围内连续变化，而所有不构成临界割集的支路两端相角差在有界的范围内变化，因此可以通过观察联络线两端母线电压相角差来判断振荡中心是否落在该条联络线上。

利用支路两端相角差作为失步解列原理的判据，只有位于临界割集上的解列装置才能正确反应系统失稳而动作，而所有位于非临界割集上的解列装置均无法反应系统失稳，因此这种方法能够在线准确地识别出失稳系统的失步断面。

但该判据也存在不足，当两端电势幅值之比超出一定范围时，失步中心将会移出线路之外，此时联络线两端的电压相角差仍在很小的范围内波动，解列装置不会失步，造成误动。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

步骤S1、采集不同时刻的大电网的电气特征量，并根据电气特征量获得大电网的动态响应数据；

步骤S2、对大电网的动态响应数据进行特征提取；

步骤S3、测量各发电机之间的相对功角是否发散，对系统进行初步分群处理；

步骤S4、测量发电机分群临界支路的电压波动情况，辨识振荡中心可能存在的联络线；

步骤S5、对可能存在振荡中心的联络线进行无功功率积分，捕捉振荡中心所在断面；

步骤S6、对判断出振荡中心的线路进行母线电压相角差检验。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S1中采集大电网的电气特征量，并将所采集的大电网电气特征量进行整合，获取不同时刻大电网的电力特征量，即：采集大电网不同时刻的数据采集与监视控制系统数据、同步相量测量单元数据和网络拓扑结构数据，并将所采集的电气特征量数据进行整合，得到大电网的动态响应数据。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S2中对步骤S1中所得到的大电网数据进行筛选，达到该方法中所需要的数据：发电机功角δ、母线电压大小U、母线功率PQ、联络线两端电压相角差θ。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S3中对步骤S2中所得的发电机功角数据进行分析，观察发电机之间的相对功角变化情况来判断系统的分群情况；通过观察发电机之间的相对功角，对系统进行初步分群，有以下两种情况：

情况一：当发电机之间的相对功角δ_ij在0~360°内的范围内波动，则发电机i和发电机j为一个机群；

情况二：当发电机之间的相对功角δ_ij发散至无穷，则发电机i和发电机j为两个不同的机群；其中，定义发电机两个机群之间的联络线所相连的母线为临界母线。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S4中根据步骤S3步骤中通过发电机分群筛选得到的群与群之间的临界母线，配合步骤S2中所得到的母线电压数据，对振荡中心可能存在的联络线进行；因此，通过电压比较有以下两种情况：

情况一：电压幅值波动最大的母线越振荡中心；

情况二：对电压幅值波动较小的母线进行忽略。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S5中对步骤S4中所捕捉到的母线相邻的振荡中心潜在线路进行无功功率积分处理，其中，电压幅值波动最大的母线所连接的联络线即是振荡中心潜在线路：

E_N为发电机B端电压，Z_∑为联络线总电抗Z_∑=Z_M+Z_L+Z_N，电压幅值

比

k=k_e/(1+k_e),

为等值阻抗角；

基于无功功率在单位失步周期中的积分值确定失步中心位置的判据为式一至式三所示。

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<-\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式一；

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}>-\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式二；

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式三；

其中，Q为母线无功功率，t1、t2为积分的起始时间，|Q_set|为整定值，|Q_set|是无功功率单周期积分值的整定值；考虑无功功率的摆动，两侧等值电势的变化和电网的实际参数，应设定合适的无功功率积分的整定值，选取|Q_set|为零；在对无功功率进行积分时对于积分时间选取t2和t1，为一个周期长度，此处配合有功功率过零进行选择，有功功率连续两次过零为一个周期；即联络线两端无功积分值异号，则振荡中心位于该线路上；若同号则振荡中心没有位于该线路上。

在上述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，所述的步骤S6中对S5所捕捉到的振荡中心断面进行相角差检验，确认振荡中心位于该条线路上；分为以下两种情况：

情况一：母线联络线两端电压相角差δ在0～360°或-180°～180°范围内连续变化时，振荡中心位于该条线路之内；

情况二：母线联络线两端电压相角差δ在0～360°或-180°～180°范围内非连续变化时，振荡中心位于该条线路之外；

两侧电压失步时，两侧的等值电动势的相位差δ在0°～360°的范围内连续变化，而所有不构成临界割集的支路两端相角差在有界的范围内变化，因此能够通过观察联络线两端母线电压相角差来判断振荡中心是否落在该条联络线上。

因此，本发明具有如下优点：充分考虑了电气特征量的动态响应特性，基于无功功率积分的定位判据优点，提出了利用发电机相对功角和母线电压大小辅助缩小积分范围，与单独的无功功率辨识振荡中心的方法相比，简单有效，准确及时地确定了振荡中心所在断面及解列动作断面。

附图说明

图1是阻抗角各区域划分。

图2是本发明的方法流程示意图。

图3是本发明步骤S5所涉及的两机等值模型示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明提供了一种基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，本方法充分考虑到了大电网电气特征量的动态响应特性，在对大电网的动态响应数据进行特征提取后，利用发电机之间的相对功角差对系统进行初步分群，然后根据母线电压大小波动情况判断振荡中心可能存在的联络线，再通过对这些联络线进行无功功率积分来确定振荡中心所在断面，最后利用联络线两端电压相角差来检验所捕捉的振荡中心是否正确。

下面将对本发明方法做进行一步说明图1，本发明包括如下步骤：

步骤S1、采集不同时刻的大电网的电气特征量，并根据不同时刻的电气特征量获得大电网的动态响应数据。

该步骤的具体实施方式为：采集大电网不同时刻的数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）数据、同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）数据和网络拓扑结构数据，并将所采集的电气特征量数据进行整合，得到大电网的动态响应数据。

步骤S2、对大电网的动态响应数据进行特征提取；

对S1步骤中所获得的大量数据进行提取，得到该方法中所需要的数据：发电机功角δ、母线电压大小U、母线功率PQ、联络线两端电压相角差θ等。

步骤S3、测量各发电机之间的相对功角是否发散，来判断系统的基本分群情况；

对已得到的发电机功角数据进行观察，观察发电机之间的相对功角是否发散，若发散则相对发电机不属于一个机群，若相对功角在小范围内波动则相对发电机属于同一个机群。该方法能初步判断出系统的分群情况。

步骤S4、测量发电机分群临界支路的电压波动情况；

在上述S3步骤中，已知系统的分群情况。通过观察分群情况找出群与群之间的临界支路，观察临界支路的电压波动情况。

母线M电压随着δ在[0,180°]之间变化时，|U_M|单调递减；当δ在[180°，360°]之间变化时，|U_M|单调递增；当δ=180°时|U_M|达到最低值；越靠近振荡中心，幅值越低。

因此通过观察母线的电压大小，波动最大，幅值最小的母线可能位于振荡中心附近，能初步分析出振荡中心所在区域，进一步缩小范围。

步骤S5、对可能存在振荡中心的联络线进行无功功率积分

对于等值两机系统，装置安装点的视在功率：S=P+jQ

由此可知，P是δ的函数，反映了系统失步的状态，从系统失步后有功功率的变化轨迹来看，在1个振荡周期（δ从0到360°）中有功功率都会有过零两次。

同样可得，在1个失步振荡周期中，联络线两端无功功率轨迹偏向于横坐标轴一侧，无功功率由两端流向线路中间（主要是由失步断面联络线存在明显的电压梯度所致）。因此可用失步断面联络线的无功功率的流向去寻找存在失步中心的失步断面联络线。

在1个振荡周期中，安装点处的无功功率的积分为：

将上式对k进行求导：

因为

故函数f₁(k)关于变量k单调递减，当

时，f₁(k)>0；当

时，f₁(k)=0；当

时，f₁(k)<0。

当等值电势比k_e恒定时，失步中心处的单调周期的无功积分值为：

实际电力系统中，两侧系统等值电势比k_e≈1，故联络线上失步中心距离单周期无功积分为0的点很小，因此可认为单周期无功积分为0的点就在失步中心附近，且位于等值电势幅值相对较小的一侧。

定义电流的正方向是由母线流向线路。当电流的正方向指向失步中心时，认为失步中心在测量点的正方向；当电流的正方向离开失步中心时，认为失步中心在测量点的反方向。

基于无功功率在单位失步周期中的积分值确定失步中心位置的判据为式1~式3所示。

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<-\left|Q_{\mathrm{set}}\right|---\left(1\right)$

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}>-\left|Q_{\mathrm{set}}\right|---\left(2\right)$

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<\left|Q_{\mathrm{set}}\right|---\left(3\right)$

其中|Q_set|是无功功率单周期积分值的整定值。考虑无功功率的摆动，两侧等值电势的变化和电网的实际参数，应设定合适的无功功率积分的整定值。

如果积分显示式（1）成立，说明失步中心在装置安装的反向；如果积分显示式（2）成立，说明失步中心在装置安装的正向；如果积分显示式（3）成立，说明失步中心在装置安装处附近。采样点t1和t2之间的长度根据具体振荡情况确定，通常选择一个振荡周期，可与有功功率过零相配合，有功功率连续两次过零记为一个周期。

步骤S6、对判断出振荡中心的线路进行母线电压相角差检验

两侧电压失步时，两侧的等值电动势的相位差δ在0°~360°的范围内连续变化，而所有不构成临界割集的支路两端相角差在有界的范围内变化，因此可以通过观察联络线两端母线电压相角差来判断振荡中心是否落在该条联络线上。

通过对母线电压相角差检验振荡中心可以进一步确定振荡中心是否位于该条联络线上，验证无攻积分方法的正确性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：

步骤S1、采集不同时刻的大电网的电气特征量，并根据电气特征量获得大电网的动态响应数据；

步骤S2、对大电网的动态响应数据进行特征提取；

步骤S3、测量各发电机之间的相对功角是否发散，对系统进行初步分群处理；

步骤S4、测量发电机分群临界支路的电压波动情况，辨识振荡中心可能存在的联络线；

步骤S5、对可能存在振荡中心的联络线进行无功功率积分，捕捉振荡中心所在断面；

步骤S6、对判断出振荡中心的线路进行母线电压相角差检验。

2.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S1中采集大电网的电气特征量，并将所采集的大电网电气特征量进行整合，获取不同时刻大电网的电力特征量，即：采集大电网不同时刻的数据采集与监视控制系统数据、同步相量测量单元数据和网络拓扑结构数据，并将所采集的电气特征量数据进行整合，得到大电网的动态响应数据。

3.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S2中对步骤S1中所得到的大电网数据进行筛选，达到该方法中所需要的数据：发电机功角δ、母线电压大小U、母线功率PQ、联络线两端电压相角差θ。

4.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S3中对步骤S2中所得的发电机功角数据进行分析，观察发电机之间的相对功角变化情况来判断系统的分群情况；通过观察发电机之间的相对功角，对系统进行初步分群，有以下两种情况：

情况一：当发电机之间的相对功角δ_ij在0～360°内的范围内波动，则发电机i和发电机j为一个机群；

情况二：当发电机之间的相对功角δ_ij发散至无穷，则发电机i和发电机j为两个不同的机群；其中，定义发电机两个机群之间的联络线所相连的母线为临界母线。

5.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S4中根据步骤S3步骤中通过发电机分群筛选得到的群与群之间的临界母线，配合步骤S2中所得到的母线电压数据，对振荡中心可能存在的联络线进行分析，能够进一步缩小振荡中心所在区域；因此，通过电压比较有以下两种情况：

情况一：电压幅值波动最大的母线越靠近振荡中心；

情况二：对电压幅值波动较小的母线进行忽略。

6.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S5中对步骤S4中所捕捉到的母线相邻的振荡中心潜在线路进行无功功率积分处理，积分表达式如下所示：

E_N为发电机B端电压，Z_∑为联络线总电抗Z_∑=Z_M+Z_L+Z_N，电压幅值

比k=k_e/(1+k_e),

为等值阻抗角；

基于无功功率在单位失步周期中的积分值确定失步中心位置的判据为式一至式三所示：

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式一；

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}>-\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式二；

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}Q\left(t\right)\mathrm{dt}<\left|Q_{\mathrm{set}}\right|$   式三；

其中|Q_set|是无功功率单周期积分值的整定值，考虑无功功率的摆动，两侧等值电势的变化和电网的实际参数，应设定合适的无功功率积分的整定值，通常选取|Q_set|为零；在对无功功率进行积分时对于积分时间选取t2和t1，定义t2-t1是一个周期长度，此处配合有功功率过零进行选择，选择有功功率首次连续两次过零为一个周期；无功功率积分的比较结果有如下两种：

比较结果一：联络线两端积分值异号，则振荡中心位于该条线路上；

比较结果二：联络线两端积分值同号，则振荡中心落于该条线路之外。

7.根据权利要求1所述的多机系统中基于无功功率积分的振荡中心定位分析方法，其特征在于，所述的步骤S6中对步骤S6S5所捕捉到的振荡中心断面进行相角差检验，确认振荡中心位于该条线路上；分为以下两种情况：

情况一：母线联络线两端电压相角差δ在0~360°或-180°~180°范围内连续变化时，振荡中心位于该条线路之内；

情况二：母线联络线两端电压相角差δ在0~360°或-180°~180°范围内非连续变化时，振荡中心位于该条线路之外；

两侧电压失步时，两侧的等值电动势的相位差δ在0°~360°的范围内连续变化，而所有不构成临界割集的支路两端相角差在有界的范围内变化，因此能够通过观察联络线两端母线电压相角差来判断振荡中心是否落在该条联络线上。

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