CN104316827A - 一种电力系统振荡中心定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统振荡中心定位方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明通过实测电力系统中线路电流瞬时频率和线路两侧变电站母线电压瞬时频率，利用电压和电流瞬时频率信息判断振荡中心是否落在线路上。本发明解决了传统解列装置不能实现振荡中心精确定位的难题，能准确定位振荡中心在线路上的具体位置，从而为实现大电网振荡中心的动态捕捉及优化控制提供了技术支撑。

Description

一种电力系统振荡中心定位方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说，本发明涉及一种电力系统振荡中心定位方法。

背景技术

电力系统功角稳定破坏后将导致系统失步振荡，失步解列是防止失步导致系统崩溃的最后一道防线，通常是在预先选定的输电断面，以断开输电线路或解列电厂或变电所的母线来实现。通常在联络线一侧安装基于就地电气量判据的失步解列。根据振荡中心在解列装置配置点不同位置时，解列装置检测到的电气量不同变化规律来分辨振荡中心位于装置的方向，并结合装置安装点电压值的大小了估算振荡中心是否在所保护的线路上，无法精确定位振荡中心，可能带来误动的风险。

基于广域信息解列判据和控制方案是失步解列控制技术发展的重点方向，取得了多项研究成果。但均侧重于对失步振荡的判断，缺乏对振荡中心定位方法的详细研究。

中国专利申请201310180142.6“一种基于支路两端母线频差的失步解列判断方法”和陈恩泽、刘涤尘等在《电力自动化设备》2014年第3期发表的“基于支路两端母线频差的失步解列判据研究”均公开了一种基于支路两端母线频差的失步解列判断方法。该方法通过获取支路两端母线频率，计算频差极大值，当该极大值大于所设定的阈值时，判断电力系统处于失步状态，并定位振荡中心。但该方法需要人为设定频差阈值，在系统不同运行方式下，存在误判和漏判的风险，且无法精确定位振荡中心具体位置。

黄少锋，吴麟琳在《电力系统自动化》2012年第23期发表的“基于电气量频率差异的电力系统振荡识别”公开了一种基于电气量频率差异的电力系统振荡识别方法。该方法认为当系统发生振荡时，只有振荡中心的电压频率与电流频率相等，且振荡中心的一侧电压频率大于电流频率，另一侧电压频率小于电流频率，电压频率与电流频率的差值大小取决于振荡周期的长短、测量点与失步机组的电气距离以及失步机组的电动势夹角，从而提出由根据电压频率和电流频率计算出振荡因子并根据振荡因子判断振荡中心位置。原理上，考虑实际电力系统发生振荡，两侧等值电势电压幅值不等时，振荡中心的电压频率与电流频率并不相等。且该方法振荡因子计算较为复杂，方法不够直观，无法实现振荡中心精确定位的问题。

与上述方法不同，本发明根据电力系统振荡时电压和电流的瞬时频率响应特性，及其和振荡中心位置的关系，提出了一种基于瞬时频率的振荡中心定位方法，不仅能判断振荡中心是否落在线路上，且可实时定位振荡中心在线路上的具体位置。

发明内容

本发明目的是：为解决传统解列装置不能实现振荡中心精确定位的难题，提供一种新的电力系统振荡中心定位方法。该方法基于瞬时频率信息，利用电压和电流瞬时频率信息判断振荡中心是否落在线路上，能准确定位振荡中心在线路上的具体位置，从而为实现大电网振荡中心的动态捕捉及优化控制提供了技术支撑。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括如下步骤：

1)在线路两侧装设监测装置，实时监测线路两侧变电站母线电压瞬时频率和线路电流瞬时频率，将线路送端变电站母线电压瞬时频率记为f_U1，线路受端变电站母线电压瞬时频率记为f_U2，线路电流瞬时频率记为f_i；

2)若某时刻f_U1＝f_U2时，认为线路两侧系统同频率运行，在该时刻系统未发生振荡，没有振荡中心；若f_U1不等于f_U2，则实时计算振荡中心位置函数 $m=\frac{f_{U1}-f_i}{f_{U1}-f_{U2}};$

3)根据振荡中心位置函数判断振荡中心位置：

当m∈(0,1)时，认为振荡中心落在线路上，m的具体数值表示振荡中心距受端变电站的阻抗占线路总阻抗的比值；

当m＝0时，认为振荡中心落在受端变电站母线上；

当m＝1时，认为振荡中心落在送端变电站母线上；

当时，认为振荡中心在线路外部。

本发明的有益效果如下：本发明基于线路电流瞬时频率，和线路两侧变电站母线电压瞬时频率精确定位振荡中心位置。本发明解决了传统解列装置不能实现振荡中心精确定位的难题，能准确定位振荡中心在线路上的具体位置，从而为实现大电网振荡中心的动态捕捉及优化控制提供了技术支撑。

附图说明

图1为等值双机系统模型图。

图2为两机仿真系统的示意图。

图3为失步振荡时瞬时频率响应特性图。

图4为振荡中心位置在系统中位置图。

图5为振荡中心在线路BUS2-BUS3上位置图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

本发明方法主要包括三个步骤：

1)在线路两侧装设监测装置，实时监测线路两侧变电站母线电压瞬时频率和线路电流瞬时频率，将线路送端变电站母线电压瞬时频率记为f_U1，线路受端变电站母线电压瞬时频率记为f_U2，线路电流瞬时频率记为f_i；

2)若某时刻f_U1＝f_U2时，认为线路两侧系统同频率运行，在该时刻系统未发生振荡，没有振荡中心；若f_U1不等于f_U2，则实时计算振荡中心位置函数 $m=\frac{f_{U1}-f_i}{f_{U1}-f_{U2}};$

3)根据振荡中心位置函数判断振荡中心位置：

当m∈(0,1)时，认为振荡中心落在线路上，m的具体数值表示振荡中心距受端变电站的阻抗占线路总阻抗的比值；

当m＝0时，认为振荡中心落在受端变电站母线上；

当m＝1时，认为振荡中心落在送端变电站母线上；

当时，认为振荡中心在线路外部。

至于步骤(1)中f_U1、f_U2和f_I的计算方法，均是成熟算法，不在此描述。

本发明方法的基本原理如下：

基于瞬时频率的等值两机系统模型如图1所示。其中，e_A为送端机组，电势幅值为E_A，振荡频率为f_A；e_B为受端机组，电势幅值和频率分别为E_B和f_B。线路两侧系统等值阻抗分别为X_A和X_B，线路阻抗为X_L，系统总阻抗为X_Σ＝X_A+X_B+X_L。

任一时刻振荡电流瞬时频率表达式如式(1)所示。其中δ＝δ_A-δ_B，为系统功角差；Δω＝ω_A-ω_B，为系统频率差；k＝E_A/E_B，为两侧电势电压幅值比。

${\mathrm{\ω}}_i\left(t\right)=\frac{d{\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_B+\mathrm{\Δ\ω}\·\frac{k^2-k\cos \mathrm{\δ}}{k^2+1-2k\cos \mathrm{\δ}}---\left(1\right)$

由现有研究结论可知，k＞1两机系统振荡中心的位移函数如式(2)所示。当k＜1两机系统振荡中心的位移函数如式(3)所示。其中，其中f(δ)为振荡中心到受端B点的距离占线路总长度的比例。

$m=f\left(\mathrm{\δ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1-k\cos \mathrm{\δ}}{k^2+1-2k\cos \mathrm{\δ}}& \mathrm{\δ}\∈[\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k},2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k}]\\ 0& \mathrm{\δ}\∈(0,\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k})\∪(2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k},2\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(2\right)$

$m=f\left(\mathrm{\δ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1-k\cos \mathrm{\δ}}{k^2+1-2k\cos \mathrm{\δ}}& \mathrm{\δ}\∈[\mathrm{ar}\cos k,2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos k]\\ 1& \mathrm{\δ}\∈(0,\mathrm{ar}\cos k)\∪(2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos k,2\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(3\right)$

详细分析可知：当振荡中心落在线路内部时，有ω_B≤ω_i(t)≤ω_A。

当k＞1，将式(2)带入式(1)可得到振荡中心电流频率可描述式(4)。当k＜1，将式(3)带入式(1)可得到振荡中心电流频率可描述式(5)。

${\mathrm{\ω}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1-m)({\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_B)+{\mathrm{\ω}}_B& \mathrm{\δ}\∈[\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k},2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k}]\\ \frac{k^2-k\cos \mathrm{\δ}}{k^2+1-2k\cos \mathrm{\δ}}({\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_B)+{\mathrm{\ω}}_B& \mathrm{\δ}\∈[0,\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k})\∪(2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k},2\mathrm{\π}]\end{array}\right.---\left(4\right)$

${\mathrm{\ω}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1-m)({\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_B)+{\mathrm{\ω}}_B& \mathrm{\δ}\∈[\mathrm{ar}\cos k,2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos k]\\ \frac{k^2-k\cos \mathrm{\δ}}{k^2+1-2k\cos \mathrm{\δ}}({\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_B)+{\mathrm{\ω}}_B& \mathrm{\δ}\∈[0,\mathrm{ar}\cos k)\∪(2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos k,2\mathrm{\π}]\end{array}\right.---\left(5\right)$

当k＞1，在 $\mathrm{\δ}\∈[\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k},2\mathrm{\π}-\mathrm{ar}\cos \frac{1}{k}]$ 范围内，或当k＜1，在

δ∈[arcosk,2π-arcosk]范围内，式(4)和式(5)可化为式(6)

$m=\frac{{\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_A-{\mathrm{\ω}}_B}---\left(6\right)$

可见，利用两侧等值电势频率和线路电流瞬时频率可精确定位振荡中心的具体位置。

工程上难以获得两群系统等值机组的振荡频率。但由本发明所述振荡中心精确定位公式(6)可知，当且仅当振荡中心落在所监测线路内部时，才可实现振荡中心的精确定位。可见，可将线路两侧母线作为一个虚拟的等值机，取其母线电压瞬时频率作为等值机的振荡频率，用来定位振荡中心是否在线路上，并定位其具体位置。其定位公式如式(7)所示，f_U1为线路送端变电站母线电压瞬时频率,f_U2为线路受端变电站母线电压瞬时频率，f_i为线路电流瞬时频率。

$m=\frac{f_{U1}-f_i}{f_{U1}-f_{U2}}---\left(7\right)$

下面给出本发明方法仿真验证的结果。两机仿真系统如图2所示，系统额定电压为100kV，线路BUS1-BUS2和线路BUS3-BUS4的电抗为1Ω，双回线BUS2-BUS3的电抗为3Ω，。线路BUS2-BUS3一回线三永故障断开后系统暂态失稳。失步过程中，两侧电势频率和电流瞬时频率如图3所示。

利用公式(7)可求得系统振荡中心位置，结果如图4所示。图中纵坐标振荡中心位置的含义为振荡中心距离BUS1的阻抗占系统总阻抗的百分比。深入分析可知，采用公式(7)计算得到的振荡中心位置和利用式(2)和式(3)求得振荡中心位置完全一致，证明了本发明所提振荡中心定位原理的正确性。

故障后系统总阻抗为5Ω，线路BUS2-BUS3距离受端母线BUS4的阻抗占系统总阻抗的0.2至0.8。分析图4所示振荡中心所在位置可知，在0-0.536s，0.60-0.788s和0.85-0.986s三个时间段内振荡中心落在线路BUS2-BUS3上。

利用公式(7)求得振荡中心落在线路BUS2-BUS3上的位置和时刻如图5所示。可见，利用线路两侧母线电压瞬时频率和线路电流瞬时频率来定位振荡中心的位置和利用机组频率来定位振荡中心位置一致，表明本发明所提振荡中心精确定位方式的正确性。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (1)

1.一种电力系统振荡中心定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在线路两侧装设监测装置，实时监测线路两侧变电站母线电压瞬时频率和线路电流瞬时频率，将线路送端变电站母线电压瞬时频率记为f_U1，线路受端变电站母线电压瞬时频率记为f_U2，线路电流瞬时频率记为f_i；

2)若某时刻f_U1＝f_U2时，认为线路两侧系统同频率运行，在该时刻系统未发生振荡，没有振荡中心；若f_U1不等于f_U2，则实时计算振荡中心位置函数 $m=\frac{f_{U1}-f_i}{f_{U1}-f_{U2}};$

3)根据振荡中心位置函数判断振荡中心位置：

当m∈(0,1)时，认为振荡中心落在线路上，m的具体数值表示振荡中心距受端变电站的阻抗占线路总阻抗的比值；

当m＝0时，认为振荡中心落在受端变电站母线上；

当m＝1时，认为振荡中心落在送端变电站母线上；

当时，认为振荡中心在线路外部。