CN104332998A - 一种电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明依据暂态安全稳定量化信息，计算网内机组的暂态频率安全参与因子，利用直流换流站母线与网内发电机母线等值互导纳模值对网内机组的暂态频率安全参与因子加权求和，考虑直流系统紧急功率调制后有功功率变化与解列割集断面有功功率变化的比值，快速计算各直流紧急功率调制的电力系统频率安全控制性能量化评价指标。本发明能够快速评估电网解列后孤立电网发生频率问题不同直流紧急功率调制措施的有效性，从而为电力系统直流紧急功率调制频率稳定优化控制提供量化分析与决策支持。

Description

一种电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法

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直流紧急功率调制频率安全控制性能指标计算方法。

背景技术

随着超、特高压交直流、大容量输电网络的建设，在向目标网架过渡期间，互联的交流断面联系还比较薄弱，极端情况下，多回直流闭锁、交流联络断面开断导致电网解列后，孤立电网内可能会面临严重的安全稳定问题，如高频或低频问题。直流紧急功率调制措施成为大电网中暂态频率稳定控制的必要手段。

基于暂态频率偏移量化评估理论，可计算不同发电机的暂态频率安全参与因子，若能在此基础上，进一步给出直流紧急功率调制的电力系统频率安全控制性能量化评价指标，则可为电力系统暂态频率稳定直流紧急功率调制控制快速优化以及交直流协调提供量化分析与决策支持。

发明内容

本发明的目的是：给出一种电力系统直流紧急功率调制频率安全控制性能指标，量化电力系统出现频率问题时各直流紧急功率调制控制对暂态频率稳定的影响程度，为电力系统多直流紧急功率调制频率稳定优化控制提供量化分析与决策支持。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)根据电力系统运行方式及相应的模型与参数，采用时域仿真方法获取预想故障下系统发电机功角、母线电压及系统频率受扰轨迹，所述电力系统运行参数包括系统潮流数据和元件动态模型参数；

2)计算各直流换流站母线与其所属的网内各机组的互导纳模值，反映二者之间的电气距离，所述直流换流站母线包括直流整流侧换流站母线和直流逆变侧换流站母线；

3)设置暂态频率偏移考核二元表(f_cr,T_cr)，其中f_cr为二元表中频率偏移门槛值，T_cr为频率偏移f_cr允许持续时间，并基于暂态频率偏移考核二元表和预想故障下发电机频率受扰轨迹，利用暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度η_f.min及各机组的暂态频率安全裕度η_f.g，由此计算各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g；

4)计算解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值，利用直流换流站母线与所属网内发电机组机端母线的互导纳模值对机组的暂态频率安全参与因子加权求和，综合以上参数，计算电力系统直流紧急功率调制频率安全控制性能指标。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

基于潮流计算数据，按公式(1)进行节点网络方程等值简化，计算各直流换流站母线与其所属的电网内各个机组的互导纳模值，模值越大，说明两者间的电气距离越小：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_G\\ {\stackrel{\·}{I}}_R\\ {\stackrel{\·}{I}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{\mathrm{GG}}& Y_{\mathrm{GR}}& Y_{\mathrm{GI}}\\ Y_{\mathrm{RG}}& Y_{\mathrm{RR}}& 0\\ Y_{\mathrm{IG}}& 0& Y_{\mathrm{II}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_G\\ {\stackrel{\·}{V}}_R\\ {\stackrel{\·}{V}}_I\end{array}\right]---\left(1\right)$

上述式中，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线注入电流向量，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线电压向量，Y_GG、Y_RR、Y_II分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线的等值自导纳子矩阵；Y_RG为直流整流侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GR为机组机端母线与直流整流侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_RG中元素y_rg的模值|y_rg|为第r个直流系统的直流整流侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值；Y_IG为直流逆变侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GI为机组机端母线与直流逆变侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_IG中元素y_ig的模值|y_ig|为第i个直流系统的直流逆变侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：

3-1)设置暂态频率偏移考核二元表(f_cr,T_cr)，其中f_cr为二元表中频率偏移门槛值，T_cr为频率偏移f_cr允许持续时间，并基于暂态频率偏移考核二元表和预想故障下发电机频率受扰轨迹，利用暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度η_f.min及各机组的暂态频率安全裕度η_f.g；

3-2)按式(2)计算各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g：

$P_{f.g}=\frac{(100-{\mathrm{\η}}_{f.g})}{(100-{\mathrm{\η}}_{f.\min })}---\left(2\right)$

其中，P_f.g为第g个机组的暂态频率安全参与因子，η_f.g为第g个机组的暂态频率安全裕度，η_f.min为基于暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：

4-1)按式(3)计算解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值：

$K_d=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AC}}}{\left|{\mathrm{\ΔP}}_d\right|}---\left(3\right)$

其中，K_d为第d个直流系统有功功率变化与解列割集断面有功功率变化的比值，|ΔP_d|为第d个直流系统的有功变化量绝对值，ΔP_AC为直流功率变化前与变化后预想的孤网解列割集断面有功功率的差值；

4-2)基于公式(1)、(2)、(3)计算得到的|y_rg|、|y_ig|、P_f.g、K_d，按式(4)、(5)、(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能指标：

若同步电网中只包含直流整流侧换流站母线，则按公式(4)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中只包含直流逆变侧换流站母线，则按公式(5)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中同时包含直流整流侧换流站母线和直流逆变侧换流站母线，则按公式(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；

$p_{f.\mathrm{Rd}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{rg}}\right|p_{f.g}---\left(4\right)$

$p_{f.\mathrm{Id}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{ig}}\right|p_{f.g}---\left(5\right)$

$p_{f.d}=K_d\·\left(\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\right|y_{\mathrm{rg}}|p_{f.g}+\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}|y_{\mathrm{ig}}\left|p_{f.g}\right)---\left(6\right)$

上述式中，N_g为解列后孤网内所有发电机的集合，P_f.Rd为同步电网中若只包含直流整流侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.Id为同步电网中若只包含直流逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.d为同步电网中包含直流整流侧和逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标。

上述技术方案的进一步特征在于，针对预想故障只进行一次时域仿真计算以获取各直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标。

本发明的有益效果如下：本发明依据暂态安全稳定量化信息，计算网内机组的暂态频率安全参与因子，利用直流换流站母线与网内发电机母线等值互导纳模值对网内机组的暂态频率安全参与因子加权求和，考虑直流系统紧急功率调制后有功功率变化与解列割集断面有功功率变化的比值，快速计算各直流紧急功率调制的电力系统频率安全控制性能量化评价指标。本发明能够快速评估电网解列后孤立电网发生频率问题不同直流紧急功率调制措施的有效性，从而为电力系统直流紧急功率调制频率稳定优化控制提供量化分析与决策支持。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

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。

图1中步骤1描述的是，根据电力系统运行方式及相应的模型与参数(包括系统潮流数据、元件动态模型参数)，采用时域仿真方法获取预想故障下系统发电机功角、母线电压及系统频率受扰轨迹。

图1中步骤2描述的是基于系统潮流数据、元件动态模型参数等，计算各直流换流站母线与其所属的网内各机组的互导纳模值，反映二者之间的电气距离。具体分为如下步骤：

基于潮流计算数据，按公式(1)进行节点网络方程等值简化，计算各直流换流站母线与其所属的电网内各个机组的互导纳模值，模值越大，说明两者间的电气距离越小：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_G\\ {\stackrel{\·}{I}}_R\\ {\stackrel{\·}{I}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{\mathrm{GG}}& Y_{\mathrm{GR}}& Y_{\mathrm{GI}}\\ Y_{\mathrm{RG}}& Y_{\mathrm{RR}}& 0\\ Y_{\mathrm{IG}}& 0& Y_{\mathrm{II}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_G\\ {\stackrel{\·}{V}}_R\\ {\stackrel{\·}{V}}_I\end{array}\right]---\left(1\right)$

上述式中，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线注入电流向量，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线电压向量，Y_GG、Y_RR、Y_II分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线的等值自导纳子矩阵；YRG为直流整流侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GR为机组机端母线与直流整流侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_RG中元素y_rg的模值|y_rg|为第r个直流系统的直流整流侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值；Y_IG为直流逆变侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GI为机组机端母线与直流逆变侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_IG中元素y_ig的模值|y_ig|为第i个直流系统的直流逆变侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值。

图1中步骤3描述的是各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g计算方法。具体分为如下两个步骤：

第一步：设置暂态频率偏移考核二元表(_fcr,T_cr)，其中f_cr为二元表中频率偏移门槛值，T_cr为频率偏移f_cr允许持续时间，并基于暂态频率偏移考核二元表和预想故障下发电机频率受扰轨迹，利用暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度η_f.min及各机组的暂态频率安全裕度η_f.g；

第二步：按式(2)计算各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g：

$P_{f.g}=\frac{(100-{\mathrm{\η}}_{f.g})}{(100-{\mathrm{\η}}_{f.\min })}---\left(2\right)$

其中，P_f.g为第g个机组的暂态频率安全参与因子，η_f.g为第g个机组的暂态频率安全裕度，η_f.min为基于暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度。

图1中步骤4描述的是电力系统直流紧急功率调制频率安全控制性能指标计算方法，具体分为如下两个步骤：

第一步：按式(3)计算解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值：

$K_d=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AC}}}{\left|{\mathrm{\ΔP}}_d\right|}---\left(3\right)$

其中，K_d为第d个直流系统有功功率变化与解列割集断面有功功率变化的比值，|ΔP_d|为第d个直流系统的有功变化量绝对值，ΔP_AC为直流功率变化前与变化后预想的孤网解列割集断面有功功率的差值；

第二步：基于公式(1)、(2)、(3)计算得到的|y_rg|、|y_ig|、P_f.g、K_d，按式(4)、(5)、(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能指标。

若同步电网中只包含直流整流侧换流站母线，则按公式(4)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中只包含直流逆变侧换流站母线，则按公式(5)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中同时包含直流整流侧换流站母线和直流逆变侧换流站母线，则按公式(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标。

$p_{f.\mathrm{Rd}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{rg}}\right|p_{f.g}---\left(4\right)$

$p_{f.\mathrm{Id}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{ig}}\right|p_{f.g}---\left(5\right)$

$p_{f.d}=K_d\·\left(\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\right|y_{\mathrm{rg}}|p_{f.g}+\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}|y_{\mathrm{ig}}\left|p_{f.g}\right)---\left(6\right)$

上述式中，N_g为解列后孤网内所有发电机的集合，P_f.Rd为同步电网中若只包含直流整流侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.Id为同步电网中若只包含直流逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.d为同步电网中包含直流整流侧和逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标。

总之，本发明所提出的电力系统直流紧急功率调制频率安全控制性能指标计算方法，是基于电力系统暂态安全稳定量化分析理论和方法，计算网内发电机组暂态稳定参与因子，利用直流换流站母线与发电机组机端母线的互导纳模值对所属网内机组的暂态频率参与因子加权求和，考虑解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值，快速计算各直流紧急功率调制电力系统频率安全控制性能量化评价指标。本发明能够快速评估电网解列后孤立电网发生频率问题不同直流紧急功率调制措施的有效性，从而为电力系统直流紧急功率调制频率稳定优化控制提供量化分析与决策支持。

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 (5)

1.一种电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据电力系统运行方式及相应的模型与参数，采用时域仿真方法获取预想故障下系统发电机功角、母线电压及系统频率受扰轨迹，所述电力系统运行参数包括系统潮流数据和元件动态模型参数；

2)计算各直流换流站母线与其所属的网内各机组的互导纳模值，反映二者之间的电气距离，所述直流换流站母线包括直流整流侧换流站母线和直流逆变侧换流站母线；

3)设置暂态频率偏移考核二元表(f_cr,T_cr)，其中f_cr为二元表中频率偏移门槛值，T_cr为频率偏移f_cr允许持续时间，并基于暂态频率偏移考核二元表和预想故障下发电机频率受扰轨迹，利用暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度η_f.min及各机组的暂态频率安全裕度η_f.g，由此计算各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g；

4)计算解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值，利用直流换流站母线与所属网内发电机组机端母线的互导纳模值对机组的暂态频率安全参与因子加权求和，综合以上参数，计算电力系统直流紧急功率调制频率安全控制性能指标。

2.根据权利要求1所述的电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：

基于潮流计算数据，按公式(1)进行节点网络方程等值简化，计算各直流换流站母线与其所属的电网内各个机组的互导纳模值，模值越大，说明两者间的电气距离越小：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_G\\ {\stackrel{\·}{I}}_R\\ {\stackrel{\·}{I}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Y}_{\mathrm{GG}}& Y_{\mathrm{GR}}& Y_{\mathrm{GI}}\\ Y_{\mathrm{RG}}& Y_{\mathrm{RR}}& 0\\ Y_{\mathrm{IG}}& 0& Y_{\mathrm{II}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_G\\ {\stackrel{\·}{V}}_R\\ {\stackrel{\·}{V}}_I\end{array}\right]---\left(1\right)$

上述式中，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线注入电流向量，分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线电压向量，Y_GG、Y_RR、Y_II分别为机组机端母线、直流整流侧换流站母线、直流逆变侧换流站母线的等值自导纳子矩阵；Y_RG为直流整流侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GR为机组机端母线与直流整流侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_RG中元素y_rg的模值|y_rg|为第r个直流系统的直流整流侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值；Y_IG为直流逆变侧换流站母线与机组机端母线的等值互导纳子矩阵，Y_GI为机组机端母线与直流逆变侧换流站母线的等值互导纳子矩阵，等值互导纳子矩阵Y_IG中元素y_ig的模值|y_ig|为第i个直流系统的直流逆变侧换流站母线与第g个机组的互导纳模值。

3.根据权利要求2所述的电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：

3-1)设置暂态频率偏移考核二元表(f_cr,T_cr)，其中f_cr为二元表中频率偏移门槛值，T_cr为频率偏移f_cr允许持续时间，并基于暂态频率偏移考核二元表和预想故障下发电机频率受扰轨迹，利用暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度η_f.min及各机组的暂态频率安全裕度η_f.g；

3-2)按式(2)计算各个机组的暂态频率安全参与因子P_f.g：

$P_{f.g}=\frac{(100-{\mathrm{\η}}_{f.g})}{(100-{\mathrm{\η}}_{f.\min })}---\left(2\right)$

其中，P_f.g为第g个机组的暂态频率安全参与因子，η_f.g为第g个机组的暂态频率安全裕度，η_f.min为基于暂态频率偏移量化评估理论给出系统暂态频率安全裕度。

4.根据权利要求3所述的电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：

4-1)按式(3)计算解列割集断面有功功率变化与直流系统紧急功率调制后有功功率变化的比值：

$K_d=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{AC}}}{\left|\mathrm{\Δ}{P}_d\right|}---\left(3\right)$

其中，K_d为第d个直流系统有功功率变化与解列割集断面有功功率变化的比值，|ΔP_d|为第d个直流系统的有功变化量绝对值，ΔP_AC为直流功率变化前与变化后预想的孤网解列割集断面有功功率的差值；

4-2)基于公式(1)、(2)、(3)计算得到的|y_rg|、|y_ig|、P_f.g、K_d，按式(4)、(5)、(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能指标：

若同步电网中只包含直流整流侧换流站母线，则按公式(4)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中只包含直流逆变侧换流站母线，则按公式(5)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；若同步电网中同时包含直流整流侧换流站母线和直流逆变侧换流站母线，则按公式(6)计算各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标；

$p_{f.\mathrm{Rd}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{rg}}\right|p_{f.g}---\left(4\right)$

$p_{f.\mathrm{Id}}=K_d\·\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\left|y_{\mathrm{ig}}\right|p_{f.g}---\left(5\right)$

$p_{f.d}=K_d\·\left(\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}\right|y_{\mathrm{rg}}|p_{f.g}+\underset{g=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}|y_{\mathrm{ig}}\left|p_{f.g}\right)---\left(6\right)$

上述式中，N_g为解列后孤网内所有发电机的集合，P_f.Rd为同步电网中若只包含直流整流侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.Id为同步电网中若只包含直流逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标，P_f.d为同步电网中包含直流整流侧和逆变侧换流站母线情况下各直流系统紧急功率调制的频率安全控制性能量化评价指标。

5.根据权利要求2、3或4所述的电力系统直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标计算方法，其特征在于，针对预想故障只进行一次时域仿真计算以获取各直流紧急功率调制改善频率安全的控制性能量化评价指标。