CN104638621B - 一种基于dsr的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法，所述方法包括以下步骤：采用动态安全域的方法对系统重合闸时间域进行分析；结合动态安全域的紧急控制量化分析与最优时间紧急控制策略；重合闸与紧急控制的综合优化。本发明提出了在永久性故障时，以动态安全域为依据的最优重合闸时刻方案，此方法能有效缓解重合闸不成功对系统稳定性的冲击，提高系统安全极限。

Description

一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法

技术领域

本发明涉及电气设备及电气工程领域，尤其涉及一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法。

背景技术

自动重合闸是电力系统发展的关键技术，已经过长时间的研究与发展，形成了多样化专业化的分支。随着现代电力系统研究的不断深入，重合闸已向模块化、一体化、智能化的方向发展。目前国内外的重合闸研究归结起来主要分以下两部分：基于故障类型判别(瞬时性故障及永久性故障)的“自适应重合闸”研究及基于暂态稳定性考虑的最优时间重合闸研究。

自动重合闸是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而在最短时间内恢复整个系统的正常运行状态。但目前电力系统中的自动重合闸不能区分故障是永久性的还是瞬时性的，如果线路故障是瞬时性的，则重合成功；如果故障是永久性的，则将对系统稳定和电气设备造成超过正常运行状态下发生短路时的危害。为了克服传统自动重合闸的这一缺点，提出自适应自动重合闸。实现自适应重合闸的实质，是在做出是否重合的决策以前即能正确识别瞬时性和永久性故障。目前，自适应的重合闸方法经过一系列发展，使得自适应技术在电网应用上更加成熟。

紧急控制主要任务是在大扰动后，系统发生崩溃之前，尽可能的挽救更多的负荷，保护系统暂态安全。采用有效的紧急控制措施，可以以较小的控制代价维持系统发生严重故障后的稳定性，防止事故进一步扩大。近年来，暂态稳定紧急控制已经取得了非常丰富的成果。紧急控制算法有直接法，使用暂态能量裕度来分析系统暂态稳定性，依据其灵敏度来计算切机和切负荷量。由于能量函数法假设量较多，在大系统计算中需要加入很多部分的修正，准确性会受到一些现实情况的影响，比较适合用于分析小系统单摆稳定性问题。但是能量函数法在紧急控制的研究中确实取得了一些重要的理论成果。大量实验事实证明，在紧急控制中，负荷的切除并不是越快越好，其存在某一最佳时间可以使得负荷切除对维护系统稳定的效果达到最大。

发明内容

本发明提供了一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法，本发明提出了在永久性故障时，以动态安全域为依据的最优重合闸时刻方案，此方法能有效缓解重合闸不成功对系统稳定性的冲击，提高系统安全极限，详见下文描述：

一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法，所述方法包括以下步骤：

采用动态安全域的方法对系统重合闸时间域进行分析；

结合动态安全域的紧急控制量化分析与最优时间紧急控制策略；

重合闸与紧急控制的综合优化；

制定的紧急控制及最优时间重合闸综合优化方法如下：

(1)列写发生在系统各节点母线出口处的致命性故障，形成表R；

(2)针对表R进行筛选，根据离线紧急控制策略制定方法制定各线路的紧急控制策略表X；

(3)在完成各段线路的紧急控制表Xi,j之后，分条提取紧急控制策略Xi,jk，将此单条紧急控制策略作为在该故障下，该线路上的系统固定动作，对系统两端节点母线出口故障下重合闸时间不同的情况进行安全域计算，算出6s内的系统安全域系数，形成系数Aki，Akj，该系数为在第K个紧急控制情况下，i出口和j出口处母线故障时对应的0.5s-6s安全域系数矩阵；

(4)实际应用下在致命故障时，查表过程为：故障—>符合紧急控制策略Xi，jk应用条件—>紧急控制动作—>得到电网功率注入、故障在该段线路位置—>代入系数Aki，Akj进行推算，得到重合闸时间-失稳度曲线—>判断重合闸时间。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、在传统快速重合闸(0.7s)、定时重合闸(1s)下的系统动态安全稳定情况及使用本方法求得的三个重合闸冲击极小值时刻，可以发现三个极值时刻合闸能使系统稳定极限都能较传统重合闸有所提高，而在3.60s时重合闸可以使系统稳定极限比1.0s定时重合闸提高4.4％，比0.7s快速重合闸时提高13.18％。同时求得在3.60s进行重合闸时失稳度低于不进行重合闸情况下系统失稳度。所以当发生永久性故障时，适当选取重合闸时间，较不进行重合闸动作更有利于系统稳定。

重合于永久性故障时失稳度曲线极值点之后的上升斜率较大，而重合闸装置反应、动作需要一定的时间裕度，选取严格的失稳度最小时刻加大了对重合闸设备的要求，并且在重合闸动作滞后的情况下，永久故障可能重合于冲击值较大的时刻。所以，充分利用永久故障重合闸时间-冲击曲线极值点前平缓低谷可以增加重合闸设备动作裕度，更有实际工程意义。

2、在最佳控制时间进行切机切负荷操作能够有效降低系统故障后的失稳度，增加安全域裕度。

当采用最优时间进行紧急控制策略搜索时，可以降低切机切负荷量，有效降低紧急控制经济成本。

3、结合了最优时间自动重合闸及最优时间紧急控制策略两大有助系统稳定的控制策略，提出了一种基于动态安全域的重合闸和紧急控制时间综合整定方法。该方法在实时应用时能保证：1、紧急控制能及时动作；2、重合闸查表推算十分快速。该方法能将两大主要控制手段相结合，最大化的发挥紧急控制在保护系统稳定的优势，及重合闸系统快速试探性排除故障的优势，形成对扰动系统的综合调控。

附图说明

图1为IEEE 4机11节点系统图；

图2为不同紧急控制策略下系统二维超平面；

图3为离线计算时框图；

图4为在线应用时推算步骤；

图5为系统失稳度曲线；

图6为系统功角曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

1、关于本综合优化系统的输入输出参量

本综合优化系统旨在弥补原有电力系统控制整定系统只针对紧急控制或重合闸无法统一控制动作,导致在永久性故障情况下二次冲击对系统暂态稳定威胁过大的缺陷。

系统输入量参数分两部分：离线计算部分及在线推算部分。其中离线计算部分所需的输入参数为：系统拓扑结构(节点、线路关系、变压器分布及线路阻抗导纳等系统、线路参数)、短路多发线路。在线推算所需的输入参数为：系统中各节点有功功率、无功功率分布情况、各发电机节点机群功角，发生故障类型、发生位置。其中，在线推算部分输入量参数全部可以从现今广泛安装的电力系统同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)设备中获取，通过开发兼容IEC61850协议的通信接口可以实现输入量自动更新。

系统输出量参数依照上述两部分分为：离线计算部分及在线推算部分。离线计算部分输出量为：全系统各功率节点出口处严重故障安全域超平面系数矩阵、全系统各功率节点出口处严重故障重合闸安全域超平面系数矩阵，系统预想故障紧急控制优化列表，预想故障紧急控制策略对应系统重合闸安全域超平面系数矩阵。以上输出参数均存储在系统中备用。在线推算输出量为：故障对系统致命程度；若故障会使系统面临失稳威胁则输出最优紧急控制策略，同时输出匹配该紧急控制策略的最优重合闸时间；若故障无使系统面临失稳威胁则输出该系统故障、该注入功率分布下的最优重合闸时间。

2、综合优化系统的特点

(1)采用新方法，采用离线计算、在线推算相结合的方法充分考虑在线实时应用所需的时间问题，极大的减小了在线计算的计算量，可以很好满足工程时间要求；

(2)协调了重合闸控制与紧急控制，弥补在紧急控制之后处于安全考虑闭锁重合闸所带来的紧急控制后系统无法自愈的问题；

(3)充分利用方法的系统稳定程度量化功能，仅在永久性故障重合冲击不使系统失稳的情况下才进行重合；

(4)在重合闸时间域上的优化使得重合闸可以重合于最优时间点，使得在永久性故障下对系统的冲击最小；

(5)对紧急控制在时间域上进行了优化，使得紧急控制方法成本最低。

3、技术方案

3.1采用动态安全域(DSR)的方法对系统重合闸时间域进行研究分析

系统失稳程度的判断，既是确定系统在保护设备及重合闸设备动作后所处的状态的参考，又是对重合闸动作的指导条件。使用动态安全域的方法将注入功率变为对系统稳定程度的自变量，在某一组给定的系统节点功率注入下，电力系统在经历了某种给定事故及控制方式后是暂态稳定的，则定义该组注入是动态安全的，其安全域可以为重合闸时间对系统稳定的影响进行在线快速判断。

动态安全域的边界可用超平面来近似表示，其中，A＝[a₁,a₂,...a_i,...,a_n]为给定故障状态下超平面系数向量，不随现实注入功率变化；n是注入节点的维数，Y＝[y₁,y₂,...y_i,...,y_n]为临界有功功率注入。

由于动态安全域的求取，在自变量为注入功率的情况下，其在时间轴上的形式是离散的，需要通过一些方法形成完整时间轴上的安全域计算。一般在保证取点密度的情况下，采用近似方法。在动态安全域基础上，某一重合闸时刻对于永久性故障的冲击造成系统振荡的程度可以表示为测度C_ns(t_re,a_ns,y_i)。可以通过二分法求取C_ns(t_re,a_ns,y_i)最小时的重合闸时间t_re。式中a_ns是重合闸不成功时的超平面系数矩阵；y_i是母线注入功率。

上式中,k_ns是测度系数；V_ns是重合闸不成功时安全域边界；a_nsi和a'_nsi是t_re时刻左右相邻时刻t_ns和t'_ns时的超平面系数，由离线计算形成离散参照表；测度C_ns是永久性故障重合闸不成功情况下对系统失稳的影响程度。

在求取系统动态安全域时，可以采用拟合法或解析法，拟合法的特点是计算结果精确，能完整构造出所计算的安全域全貌，但是耗时较长；解析法精度相对较低，但是计算速度快。由于，对于计算安全域都为离线计算(对其的应用是在线的)所以计算时间并非主要影响量，为了保证本发明依据的正确及可靠，此处选择拟合法计算。

对于附图1：IEEE 4机11节点系统图，求取节点处母线出口三相短路时，不同重合闸时刻的超平面系数向量A_i＝[a₁,a₂,...a_i,...,a_n]，A_i与现实功率向量Y_act＝[y_act1,y_act2,...y_acti,...,y_actn]相乘得动态安全测度C_d，(其中，i＝1,2，…,n)。定义稳定度M_S，定义失稳度M_ins，时系统失稳；M_inS＝0时系统处于稳定的临界状态；M_inS<0时系统稳定，且M_inS越小系统越稳定。

使用DSR方法，可以具体定量反映出系统随重合闸时间不同，稳定性的非单调变化，并能直观描述稳定及失稳状态。

3.2结合动态安全域的紧急控制量化分析与最优时间紧急控制策略

系统故障后采用切机和切负荷紧急控制措施时，DSR边界超平面向外平移，将安全域降维至二维的情况下时，采用多种控制措施时迁移距离示例如附图2所示。图中系统运行点已经给定，当不采取紧急控制时，系统运行点位于安全域外侧，系统不稳定。当采用紧急控制策略使安全域迁移至运行点外侧时系统动态稳定。

采取切机切负荷方式得到的扩展实用动态安全域(EPDSR)的临界面有近似平行性，并且在动态安全域中，有效的切机和切负荷操作的控制效果有近似可叠加性。切机和切负荷配合操作近似迁移距离可以表示为：

d＝d_Gt+d_Lt (3)

其中，d为总迁移距离，d_Gt为切机迁移距离，d_Lt为切负荷迁移距离；a_Li为不采取控制措施时故障超平面系数，y_ji为不采取控制措施时系统注入功率，a’_Li为控制后的超平面系数，y’_ji为采取控制措施情况下系统功率注入。

对于切机操作，在一节点上切除n台机时其对系统的影响灵敏度可表示为：

上式中：d_n-d_n-1为单一切除的迁移距离差，P_n为第n台机有功输出。

对于切负荷操作，切负荷操作引起的迁移距离可以用二次函数近似简化。其对系统的影响灵敏度可表示为其函数的导数。

考虑统一的最佳切机切负荷时间，使切机切负荷对超平面的作用达到最大的迁移距离，使紧急控制效果达到最佳，在紧急控制措施中考虑灵敏度，考虑紧急控制时间t_e对安全域迁移距离非线性影响，使综合最优紧急控制方案e_k的成本最小如式6，满足约束如式7-10：

s.t.y∈Ω_d(i,j,F,τ₁,e_K) (7)

M_inS(Ω_d,t_e)≤M_inSmax(Ω_d,t_e) (8)

S_Le≤S_{Lj max} (9)

t_e≥t_{e min} (10)

式中：C(e_K)表示控制措施e_K的成本；G_e为参与紧急控制的发电机集合；C_Gn(i)为发电机紧急控制成本；L_e为参与紧急控制的负荷的集合；τ₁为故障排除时间；S_Le为切除的负荷总量；S_Ljmax是最大的可切除负荷量；M_inSmax<0，为最大系统失稳度；M_inS为系统进行紧急控制后的失稳度；紧急控制时间t_e必须大于最小控制时间t_emin。

3.3重合闸与紧急控制的综合优化

使用动态安全域的方法可以很好地描述在不同情况下系统暂态稳定性所出现的情况。根据总体系统分类可以得到在细化的控制策略中，紧急控制与重合闸的匹配计算需要做更进一步的分析推算就能解决全系统图的控制策略。由于一般系统下系统未配备快速判断故障瞬时性的智能单元，而永久故障下重合对于系统造成的危害最大，主要讨论致命性故障时，在紧急控制之后重合于永久故障下的情况。在此种情况下，为确保系统安全，必须进行紧急控制，由此制定的紧急控制及最优时间重合闸综合优化方法如下：

(1)列写发生在系统各节点母线出口处的致命性故障(如三相短路故障)，形成表R，为保证紧急控制应用时的快速性，所以一段线路故障后，失稳度在某一区间内则采用同一套紧急控制策略。针对同种致命故障，当同线路两端节点母线出口短路都会出现系统失稳时，需采用保证该线路最严重故障下稳定的紧急控制策略。

(2)针对表R进行筛选，根据3.2中描述的离线紧急控制策略制定方法制定各线路的紧急控制策略表X。

(3)在完成各段线路的紧急控制表Xi,j之后，分条提取紧急控制策略Xi,jk，将此单条紧急控制策略作为在该故障下，该线路上的系统固定动作，对系统两端节点母线出口故障下重合闸时间不同的情况进行安全域计算，算出6s内的系统安全域系数，形成系数Aki，Akj，该系数为在第K个紧急控制情况下，i出口和j出口处母线故障时对应的0.5s-6s安全域系数矩阵。

(4)实际应用下在致命故障时，查表过程为：故障—>符合紧急控制策略Xi,jk应用条件—>紧急控制动作—>得到电网功率注入、故障在该段线路位置—>代入系数Aki，Akj进行推算，得到重合闸时间-失稳度曲线—>判断重合闸时间。

离线计算中，对应附图3；在线应用时，推算步骤如附图4。

4.综合优化系统的运作过程

系统在得到输入量后，先进行系统稳定性判断，方法采用将故障线路有关功率节点出口处严重故障安全域超平面系数矩阵通过角度旋转法进行推算确定出该故障时系统安全域超平面系数矩阵，将该矩阵与注入功率向量相乘得到系统安全测度。1.评估后若系统暂态稳定：推算该线路重合闸在时间域上的安全程度，给出最优重合时间；2.评估后若系统暂态失稳：则快速查表给出最优紧急控制策略，此后依据该策略找出配套的紧急控制后重合闸在时间域上的超平面系数矩阵，与注入功率向量共同计算出采用该紧急控制策略之后，最优的重合闸时间。

5.基于动态安全域方法的综合优化算例

对于IEEE4机11节点系统，当注入功率y＝[y₁₁,y₂,y₃,y₅,y₆,y₈]＝[70,230,248,229,136,236](MW)，发生8-10线路a段节8母线出口处三相短路故障。

在系统无法分析出是否暂时性故障时，通过动态安全域方法先进行紧急控制策略，然后离线制定出匹配的重合闸安全域系数。

由现实仿真可得，该情况下系统面临二摆失稳状态，紧急控制策略计算按照上述方式进行计算得下表：

计算本方法所述预想故障下，紧急控制动作策略，在此控制动作策略基础上，将控制动作作为故障过程一部分加入重合闸安全系数的计算中。离线计算上述紧急控制表，选择控制方式2为最优控制方法，在此方法下，离线计算时间域上重合闸的安全域系数如下表。

上表为带有特定紧急控制操作的故障后重合闸失败系统安全系数，由上述重合闸安全域系数，结合系统功率注入可以算得该紧急控制策略下，在重合于永久故障时，重合闸时间-失稳度对应曲线，代入本算例注入功率向量Y，得到系统失稳度曲线如下：

从图5可以明显看出，当忽略重合闸熄弧这一条件进行单一针对性分析时可以发现，在紧急控制(0.3s)之前进行重合，系统偏离稳定距离极远，而在进行完紧急控制之时进行重合闸操作时，由于系统状态被紧急控制动作改变，导致重合危险性降低，但在1.5s以前重合系统仍然面临失稳。在计算所得的最优重合闸时间1.7s，3.2s等时间附近重合才能避免系统失稳解列。为了验证该方法的正确性，采用BPA系统仿真软件对于同系统，同故障，同种紧急控制方法下，重合闸时间不同时的系统失稳情况进行分析，以1.7s区域时的重合最优极值点为例，在2.5s重合时，系统失稳；在1.5s以前重合系统失稳，在优化时间2s重合时，系统功角曲线形式如下：

从图6可以看出，虚线为未进行重合闸时系统功角曲线，可知，在多摆振荡失稳威胁情况下(2摆)，紧急控制存在最优控制条件(0.1s控制系统失稳)；在此后的波动中，最优重合闸重合于永久故障时的系统功角曲线(实线)收敛程度比未进行重合闸时更好。由此，可得在采用此种紧急控制策略下，于1.7s进行重合闸对系统危害确实较小，不会造成系统失稳事故。由此可以证明，基于动态安全域方法的紧急控制-重合闸时间综合优化方法是切实可行的，有着良好的正确性及适应性。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于DSR的电网下重合闸及紧急控制综合优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采用动态安全域的方法对系统重合闸时间域进行分析；

结合动态安全域的紧急控制量化分析与最优时间紧急控制策略；

重合闸与紧急控制的综合优化；

制定的紧急控制及最优时间重合闸综合优化方法如下：

(1)列写发生在系统各节点母线出口处的致命性故障，形成表R；

(2)针对表R进行筛选，根据离线紧急控制策略制定方法制定各线路的紧急控制策略表X；

(3)在完成各段线路的紧急控制表Xi,j之后，分条提取紧急控制策略Xi,jk，将此单条紧急控制策略作为在该故障下，该线路上的系统固定动作，对系统两端节点母线出口故障下重合闸时间不同的情况进行安全域计算，算出6s内的系统安全域系数，形成系数Aki，Akj，该系数为在第K个紧急控制情况下，i出口和j出口处母线故障时对应的0.5s-6s安全域系数矩阵；

(4)实际应用下在致命故障时，查表过程为：故障—>符合紧急控制策略Xi，jk应用条件—>紧急控制动作—>得到电网功率注入、故障在该段线路位置—>代入系数Aki，Akj进行推算，得到重合闸时间-失稳度曲线—>判断重合闸时间。