CN103955594B - 一种电力系统动态等值方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统动态等值方法，本发明步骤为，将电力系统划定为内部系统和外部系统，在内部系统和外部系统间设置过渡系统，内部系统和过渡系统一起组成研究系统，即不被等值原样保留的系统；研究系统与外部系统相交于边界节点；确定边界节点：在内部系统设置短路点，从内部系统外联支路开始考察短路电流是否衰减；若衰减，则继续考察相临的外部支路，直至被考察支路短路电流不衰减，该支路端点即为外部系统边界节点；从内部系统边界节点到外部系统边界节点间是过渡系统；等等。本发明的适用于研究系统容量与外部系统容量相比较小时的电力系统暂态过程分析，可处理研究系统与外部系统多联络线相连的情况。

Description

一种电力系统动态等值方法

技术领域

本发明属于一种电力系统动态等值方法技术领域。

背景技术

电力系统从十九世纪末发展至今，各地(甚至各国)的电力系统逐渐互联，使单个有电气联系的电力系统的规模越来越大，已形成人类历史上覆盖范围最广、规模最大的人造系统。这种电力系统间的互联，增加了电力系统运行的经济性和可靠性，但同时也增加了电力系统数字仿真的计算量和难度。由于计算机数字计算技术的限制，有些类型的电力系统数字仿真，如电力系统电磁暂态过程仿真至今还不能计算规模较大的系统，这样就只能将庞大的电力系统分成两部分，一部分为需详细研究的系统，简称为研究系统；另一部分为不需详细研究的系统，简称为外部系统。然后将外部系统用较简单的数学模型等效，等效的外部系统和内部系统组成一个完整的系统，以适应根据不同研究问题的特点所选用的分析工具(如，电力系统电磁暂态分析软件EMTP)的可计算网络规模。

对外部电力系统进行动态等值的方法有很多，主要可分为同调等值法、模态等值法和辨识等值法三个系列，各有优缺点，没有一种等值法可以适应所有待研究的问题。本发明提出的动态等值法假设研究系统在受到大扰动后，外部系统中的各台发电机转速没有明显变化，仍能保持大扰动前系统稳态运行时的转速，适用于和外部系统容量相比研究系统容量较小时的电力系统暂态过程分析。

发明内容

本发明提出一种电力系统动态等值方法，能处理当研究系统与外部系统有多条联络线的情况。该方法假设研究系统在受到大扰动后，外部系统中的各台发电机转速没有明显变化，仍能保持大扰动前系统稳态运行时的同步转速。根据电力系统扰动后暂态过程的物理规律，当研究系统与外部系统容量相差悬殊时，容量较小的研究系统中的扰动很难引起容量很大的外部系统中发电机的转速变化，所以当与外部系统容量相比研究系统容量较小时本方法所用假设是成立的。而研究系统与外部系统相比容量较小，符合绝大部分需进行外部系统等值研究案例的实际情况。

一种电力系统动态等值方法，本发明步骤为，

(1)将电力系统划定为内部系统和外部系统，在内部系统和外部系统间设置过渡系统，内部系统和过渡系统一起组成研究系统，即不被等值原样保留的系统；研究系统与外部系统相交于边界节点；

(2)确定边界节点：在内部系统设置短路点，从内部系统外联支路开始考察短路电流是否衰减；若衰减，则继续考察相临的外部支路，直至被考察支路短路电流不衰减，该支路端点即为外部系统边界节点；从内部系统边界节点到外部系统边界节点间是过渡系统；

(3)在原系统模型上，对于每个边界节点，在研究系统内较靠近外部系统的两个节点分别设置三相短路，记录每个节点分别短路时边界节点的电压相量，即模与相位，相位的参考节点为短路前潮流的平衡节点和由外部系统注入该边界节点的有功功率、无功功率；

(4)外部系统中既有向内部系统提供功率的电源也有从内部系统获取电能的负荷，将外部系统等值为发电机与负荷的集合：发电机等值采用电流源与导纳G_G+jB_G并联的方式，采用电流源模型的原因是在解方程时只需要求解线性方程，简化计算；负荷等值采用导纳G_L+jB_L的恒阻抗模型；发电机等值电流源导纳G_G+jB_G与负荷等值G_L+jB_L为并联关系，外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值(参见附图1)；

由于外部系统等值模型中发电机内阻抗等值导纳G_G+jB_G与负荷等值导纳G_L+jB_L为并联关系，利用并联关系将其合并用导纳G+jB表示，此时即可在每个边界节点将外部系统相应部分等值为导纳与电流源的并联，外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值(参加附图2)；由此得到如下方程，如式(1)所示：

$\frac{P-jQ}{\stackrel{*}{\stackrel{\·}{V}}}+\stackrel{\·}{I}=\stackrel{\·}{V}\×(G+jB)---\left(1\right)$

其中，P+jQ为内部系统某点短路时，由内部系统向某个边界节点注入的功率；

为该边界节点的节点电压；

为外部系统等值电流源输出的电流

G+jB为外部系统等值导纳

可将上述复数方程展开，令方程两侧的实部和实部相等，虚部和虚部相等；这样得到两个等式，见式(2)；

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{re}G+V_{im}B-I_{re}=\frac{{\mathrm{PV}}_{re}+{\mathrm{QV}}_{im}}{\left|\right|\stackrel{\·}{V}|{|}^2}\\ V_{im}G+V_{re}B-I_{im}=\frac{{\mathrm{PV}}_{im}-{\mathrm{QV}}_{re}}{\left|\right|\stackrel{\·}{V}|{|}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，V_re、V_im分别表示的实部和虚部

上述方程为四元线性方程，未知的四个变量为G、B、I_re、I_im，这四个变量分别表示外部系统等值电导、等值电纳、等值电流源输出电流的实部、虚部；

在内部系统中分别选取两组短路数据等到两组方程，即四个方程求解四个未知数；通过解该线性方程，可得G、B、I_re、I_im四个参数；

(5)在边界节点对外部系统的导纳与电流源等值模型进行戴维宁等效，即发电机与负荷等值导纳G+jB与恒定电流源经戴维宁等效后，转换为外部系统等值阻抗R+jX与外部系统等值电压源的串联关系，此时外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值，该边界节点的节点电压用等值(参见发明专利申请书附图3)；由此得到相应参数的转换公式，见式(3)

$\left\{\begin{array}{c}R+jX=\frac{1}{G+jB}\\ \stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{V}-\frac{P-jQ}{\stackrel{*}{\stackrel{\·}{V}}}(R+jX)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，R+jX为外部系统的等值阻抗；为外部系统等值电压源的电压；

(6)在原系统模型上，以边界节点为边界，去掉外部系统；在每个边界节点上，连接图3所示的等值系统；

(7)选择一个边界节点作为系统等值后的平衡节点，一般平衡节点选择为该点短路时有较大注入功率的节点；平衡节点电压设置为图3中的

(8)其余边界节点设为PQ节点，注入的有功无功具体数值设为短路前正常运行时的相应数值；

(9)对等值后的系统进行潮流计算得等值后的稳态运行值，比较原系统潮流，等值系统潮流与原系统潮流将非常接近；

(10)在内部系统选择其他短路点，对等值后的系统进行暂态过程计算，比较暂态过程中的有功、无功、电压、电流等将与原系统对应值非常接近；

至此，该系统等值完毕。

本发明的有益效果为，本发明提出了一种新的电力系统动态等值方法，该方法假设研究系统在受到大扰动后，外部系统中的各台发电机转速没有明显变化，仍能保持大扰动前系统稳态运行时的同步转速，适用于研究系统容量与外部系统容量相比较小时的电力系统暂态过程分析，可处理研究系统与外部系统多联络线相连的情况。以西双版纳电网为研究系统用该方法进行了动态等值，通过原系统与等值后系统动态仿真比较分析，表明等值后的系统很好地保持了原有系统的本质特性。

附图说明

图1为外部系统等值模型原理图；

图2为外部系统等值模型图；

图3为外部系统戴维宁等效图；

图4为系统等值示意图；

图5为等值后的网络示意图。

具体实施方式

选择我国南部Y地区的甲区域电网实际数据作为本发明的应用举例。

甲区域电网是我国南部Y地区电网的一部分，Y地区电网装机容量达到14318万千瓦，甲区域电网装机容量490.62千瓦，甲区域电网的装机容量仅占Y地区电网的3.4％，可见研究系统甲区域电网和Y地区装机容量相差非常悬殊，研究系统中的扰动很难引起容量很大的外部系统中发电机的转速变化，所以用本发明所述方法对甲区域电网以外的外部系统进行等值是可行的。

如图4为系统等值示意图，实线方框中的系统为过渡系统，虚线方框内是我们研究的内部系统—甲区域电网系统，那么内部系统和过渡系统就组成了我们的研究系统。

在内部系统内设置短路点，采用机电暂态仿真程序计算短路电流，其中，变电站5—母线1、变电站5—母线2，变电站5—母线3、变电站4—母线4线路的短路电流不再衰减，所以这四条支路端点母线1、母线2、母线3、母线4即为外部系统边界节点。研究系统为某地区电网，等值后的网络保留某地区电网全部网络，保留距离某地区电网较近的接入电压等级为500kV的发电厂(电厂0、电厂1、电厂2、电厂3、电厂4、电厂5、电厂6、电厂7、电厂8)，保留距离某地区电网较近的变电站(变电站4、变电站5、变电站6、变电站7)。

采用本发明所述动态等值方法，将边界点等值成发电机和负荷集合，比如边界点母线3等值：设置变电站4短路，得出短路时刻内部系统向边界点母线3注入功率P₁+jQ₁和母线3电压V&₁；我们设置变电站0短路，同样得出短路时刻内部系统向边界点母线3注入功率P₂+jQ₂和母线3电压V&₂，根据式(2)即可计算出G、B、I_re、I_im四个参数，再根据式(3)参数转换，得出外部系统的等值阻抗R+jX和外部系统等值电压源的电压U&。其他边界点母线1、母线2、母线4都做类似的等值。设置短路点得系统等值边界点潮流数据如表1，通过公式(2)、(3)计算出参数如表2，等值后网络等值图如图5。

表1系统等值边界点潮流数据

表2边界点等值参数表

为了验证等值效果，我们在机电暂态软件仿真中分别计算了等值后网络与原网络稳态潮流和暂态稳定过程。

首先对等值前后的潮流进行比较，表3列出了等值前后的稳态潮流。

表3等值前后的稳态潮流

从表3可以看出，外部网络等值前后主要线路的潮流尤其有功相差的在0.3％以内，无功相差在2.8％以下，主要节点电压相差的不到0.04％，等值稳态效果很好。

对于等值后暂态等值效果验证，我们在甲区域电网内部设置短路看内部系统与过渡系统之间的潮流和短路电流的情况，观察线路变电站0—变电站4(双回线)、变电站3—变电站6(单回线)变电站5-变电站4(双回线)、电厂0—变电站4、变电站4—母线4、变电站5—母线1、变电站5—母线3的短路电流，暂态过程检验表4：

表4暂态过程检验表

线路名称	等值前短路电流/A	等值后短路电流/A	相差率/％
				变电站0—变电站4(1)	910.01	911.84	0.20
变电站3—变电站6	568.31	565.72	0.46
				变电站5-变电站4(1)	551.06	552.88	0.33
电厂0—变电站4	700.37	702.51	0.30
				变电站4—母线4	1330.75	1335.08	0.32
变电站5—母线1	984.62	985.85	0.12
				变电站5—母线2(1)	872	875.5	0.40
变电站5—母线2(2)	837	840.3	0.39
				变电站5—母线3(1)	1462.4	1468.34	0.40

由表4可以看出，内部短路情况下，等值前后网络提供的短路电流相差不到0.5％，说明这种新的动态等值方法在暂态过程仿真中是非常成功的。

本发明采用一种新的电力系统动态等值实用方法，我们通过用稳态、暂态仿真校验了等值效果，得到的等值系统网络与原系统网络稳态、暂态仿真数据非常接近，等值效果非常理想。

Claims (1)

1.一种电力系统动态等值方法，其特征在于，步骤为，

(1)将电力系统划定为内部系统和外部系统，在内部系统和外部系统间设置过渡系统，内部系统和过渡系统一起组成研究系统，即不被等值原样保留的系统；研究系统与外部系统相交于边界节点；

(2)确定边界节点：在内部系统设置短路点，从内部系统外联支路开始考察短路电流是否衰减；若衰减，则继续考察相临的外部支路，直至被考察支路短路电流不衰减，该支路端点即为外部系统边界节点；从内部系统边界节点到外部系统边界节点间是过渡系统；

(3)在原系统模型上，对于每个边界节点，在研究系统内较靠近外部系统的两个节点分别设置三相短路，记录每个节点分别短路时边界节点的电压相量，即模与相位，相位的参考节点为短路前潮流的平衡节点和由外部系统注入该边界节点的有功功率、无功功率；

(4)外部系统中既有向内部系统提供功率的电源也有从内部系统获取电能的负荷，将外部系统等值为发电机与负荷的集合：发电机等值采用电流源与导纳G_G+jB_G并联的方式，采用电流源模型的原因是在解方程时只需要求解线性方程，简化计算；负荷等值采用导纳G_L+jB_L的恒阻抗模型；发电机等值电流源导纳G_G+jB_G与负荷等值G_L+jB_L为并联关系，外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值；

由于外部系统等值模型中发电机内阻抗等值导纳G_G+jB_G与负荷等值导纳G_L+jB_L为并联关系，利用并联关系将其合并用导纳G+jB表示，此时即可在每个边界节点将外部系统相应部分等值为导纳与电流源的并联，外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值；由此得到如下方程，如式(1)所示：

$\frac{P-jQ}{\stackrel{*}{\stackrel{\·}{V}}}+\stackrel{\·}{I}=\stackrel{\·}{V}\×(G+jB)---\left(1\right)$

其中，P+jQ为内部系统某点短路时，由内部系统向某个边界节点注入的功率；

为该边界节点的节点电压；

为外部系统等值电流源输出的电流

G+jB为外部系统等值导纳

可将上述复数方程展开，令方程两侧的实部和实部相等，虚部和虚部相等；这样得到两个等式，见式(2)；

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{re}G+V_{im}B-I_{re}=\frac{{\mathrm{PV}}_{re}+{\mathrm{QV}}_{im}}{\left|\right|\stackrel{\·}{V}|{|}^2}\\ V_{im}G+V_{re}B-I_{im}=\frac{{\mathrm{PV}}_{im}-{\mathrm{QV}}_{re}}{\left|\right|\stackrel{\·}{V}|{|}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，V_re、V_im分别表示的实部和虚部，

上述方程为四元线性方程，未知的四个变量为G、B、I_re、I_im，这四个变量分别表示外部系统等值电导、等值电纳、等值电流源输出电流的实部、虚部；

在内部系统中分别选取两组短路数据得到两组方程，即四个方程求解四个未知数；通过解该线性方程，可得G、B、I_re、I_im四个参数；

(5)在边界节点对外部系统的导纳与电流源等值模型进行戴维宁等效，即发电机与负荷等值导纳G+jB与恒定电流源经戴维宁等效后，转换为外部系统等值阻抗R+jX与外部系统等值电压源的串联关系，此时外部系统与内部系统间的功率交换用P+jQ等值，该边界节点的节点电压用等值；由此得到相应参数的转换公式，见式(3)

$\left\{\begin{array}{c}R+jX=\frac{1}{G+jB}\\ \stackrel{\·}{U}=\stackrel{\·}{V}-\frac{P-jQ}{\stackrel{*}{\stackrel{\·}{V}}}(R+jX)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，R+jX为外部系统的等值阻抗；为外部系统等值电压源的电压；

(6)在原系统模型上，以边界节点为边界，去掉外部系统；在每个边界节点上，连接等值系统；

(7)选择一个边界节点作为系统等值后的平衡节点，一般平衡节点选择为该点短路时有较大注入功率的节点；平衡节点电压设置为

(8)其余边界节点设为PQ节点，注入的有功无功具体数值设为短路前正常运行时的相应数值；

(9)对等值后的系统进行潮流计算得等值后的稳态运行值，比较原系统潮流，等值系统潮流与原系统潮流将非常接近；

(10)在内部系统选择其他短路点，对等值后的系统进行暂态过程计算，比较暂态过程中的有功、无功、电压、电流等将与原系统对应值非常接近；

至此，该系统等值完毕。