CN104638638B - 一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，所述方法包括以下步骤：I、针对电网当前运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网当前运行状态安全稳定评估结果；II、根据所述电网当前运行方式、超短期负荷预测、超短期新能源预报、实时发电计划和调度操作调整预估电网未来运行方式；III、针对所述电网未来运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网未来运行状态安全稳定评估结果；IV、确定所述电网当前运行状态安全稳定评估的结果和所述未来运行状态安全稳定评估的结果；V、确定电网安全稳定趋势等级；VI、根据所述定级的结果评估电网未来时刻的演变趋势。本发明提供的方法可超前对电网进行安全分析，预估电力系统稳定性问题和发展趋势，实现未来状态事故前预警，给出相应的预警和决策信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种大电网在线仿真与计算分析技术领域的方法，具体讲涉及一种适用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法。
背景技术
2003年“8.14”美加大停电以来，随着电网运行控制的复杂度提升和非常规性电网事故的频繁发生，在线动态安全评估技术已经在电网运行中发挥着越来越重要的作用，并在国内外主要大电网中获得了应用。在线动态安全评估技技术基于电网实际运行方式，对其安全状态进行综合评价，及时帮助调度人员掌握电网运行情况并给出辅助措施建议。
随着电力需求持续快速增长，电网规模日益扩大，电网复杂程度日益加剧；与此同时，市场化的推进、大规模间歇可再生新能源的接入使电力系统运行更多的处于不确定状态下，电网的运行压力加大，控制难度增加。同时，为有效应对电网运行的多变性，适应风电、光伏等新能源大规模接入和FACTS技术广泛应用的发展情况，需要进一步提高现有在线评估技术的时效性。
现有的在线动态安全评估技技术均是周期性(每15分钟)对电网当前运行方式进行安全稳定性评估，每次仿真分析时间为5-10分钟，得到仿真分析结论滞后电网运行方式的变化，特别是电网运行状态变化较快时，滞后的仿真分析结论已不能满足在电网规模和复杂度不断增长背景下指导调度运行人员分析决策的业务需求。
为满足系统快速、不确定变化带来的新要求以及调度运行的业务需求，迫切需要根据当前状态以及可能的变化(例如负荷快速增长、新能源功率变化等)，超前进行安全分析，预估电力系统稳定性问题和发展趋势，实现未来状态事故前预警，给出相应的预警和决策信息，实现从传统的事故报警向事故预警的新模式转变。
因此，本发明提供一种适用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：
I、针对电网当前运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网当前运行状态安全稳定评估结果；
II、根据所述电网当前运行方式、超短期负荷预测、超短期新能源预报、实时发电计划和调度操作调整预估电网未来运行方式；
III、针对所述电网未来运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网未来运行状态安全稳定评估结果；
IV、确定所述电网当前运行状态安全稳定评估结果和所述未来运行状态安全稳定评估结果；
V、确定电网安全稳定趋势等级；
VI、根据所述定级的结果评估电网未来时刻的演变趋势。
进一步的，所述步骤II中，运用连续潮流算法逐步过渡到未来运行方式，预估运行方式的潮流结果与实际量测的吻合度达90％以上的所述电网未来运行方式。
进一步的，所述步骤I和所述步骤III中，所述在线安全稳定仿真分析包括：静态安全分析、暂态稳定分析、短路电流计算、小扰动稳定分析和电压稳定分析。
进一步的，所述静态安全分析和所述暂态稳定分析为针对全网220kV及以上电压等级的线路、变压器和同杆并架双回线路的预想故障，分别进行热稳定仿真分析和暂态稳定仿真分析，评估电网N-1和N-2情况下的热稳定问题和暂态稳定问题；
所述短路电流计算为计算全网220kV及以上电压等级的母线单相和三相短路的电流，评估电网单相和三相短路电流水平；
所述小扰动稳定分析为对全网线性化和特征值求解，分析频率在0.2-2.5Hz之间的机电振荡模式和参与振荡的机组；
所述电压稳定分析计算指定区域的电压稳定极限，同时计算所有母线的无功对电压灵敏度。
进一步的，所述步骤IV中，所述安全稳定评估的指标包括：静态安全关键特征指标、暂态稳定关键特征指标、短路电流关键特征指标、小扰动稳定关键特征指和电压稳定关键特征指标。
进一步的，所述静态安全分析的关键特征信息为越限元件，判断越限严重程度的特征信息为越限/重载比例，导致越限原因的特征信息为故障元件；
所述暂态稳定分析的关键特征信息为失稳的故障元件，判断失稳严重程度的特征信息依次为失稳时刻、失稳时的最大功角差或者最低电压或者最低频率，导致失稳原因的特征信息为故障类型；
所述短路电流计算的关键特征信息为短路母线，判断越限严重程度的特征信息为故障点短路电流，导致短路电流超标的特征信息为短路类型；
所述小扰动稳定分析的关键特征信息为振荡频率和机电回路相关比，判断小扰动振荡危险程度的特征信息为阻尼比，描述小扰动稳定振荡区域特征信息为分群信息；
所述电压稳定分析的关键特征信息为薄弱母线，判断越限严重程度的特征信息为电压稳定极限，反映无功对电压支撑水平的特征信息为灵敏度信息。
进一步的，所述步骤V中，根据当前运行状态和未来运行状态下的电网进行评估，确定电网安全稳定趋势等级。
进一步的，所述电网安全稳定趋势等级包括：
(1)新增级：与所述当前运行方式相比，电网在未来运行方式出现新的安全隐患问题；
(2)不安全恶化级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式的安全稳定问题变得愈加严重；
(3)不安全保持级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下仍然保持不变；
(4)减轻级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在未所述来运行方式安全稳定问题已减轻，但仍处于不安全状态；
(5)安全保持级：电网在所述当前运行方式和所述未来运行方式均安全；
(6)安全恶化级：电网在所述当前运行方式下安全，在所述未来运行方式有向不安全的趋势发展，但仍处于安全状态；
(7)不安全消失级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下电网处于安全状态。
与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的方法在实际应用中的各项计算结果满足在线应用要求，分析生成的电网运行变化趋势信息，可以让调度员不仅知道当前电网的稳定情况，而且能预知电网即将发生哪些重大稳定状态变化，为调度运行人员提前掌握电网运行趋势，处理电网安全隐患提供了新的技术手段并预留了足够的处理时间，能全面提高电网调度控制的预判能力，实现了从传统的事故报警向事故预警的模式转变，整体提升了调度运行水平，可更好地保障国家电网的安全稳定经济运行。
2、本发提供的方法通过实现对电网故障的预防控制，减少电网出现大面积停电的概率，提升电网对新能源的消纳水平，降低电网事故给国家和社会带来的经济损失，减少停电对人民生活的影响，有利于保持社会安定，具有广泛的推广应用前景。
3、本发明提供的方法中，基于电网当前运行方式和未来运行方式的详细仿真分析结果，提取电网运行关键特征指标，对电网安全稳定趋势进行定级，综合评价电网从当前运行状态(起点)到未来运行状态(终点)这段期间内电网变化的安全趋势，向调度运行人员提供电网运行趋势，为调度运行人员预留足够的时间进行分析决策，实现真正的预防控制。
4、本发明提供的方法中，基于电网当前运行方式、实时发电计划、超短期负荷预测、超短期新能源预报、超短期交易计划和检修计划等在线周期性(每15分钟)预估电网未来运行方式(15到60分钟)，能针对电网未来运行方式进行详细的仿真分析，具体包括静态安全分析、暂态稳定分析、短路电流计算、小扰动稳定分析和电压稳定分析，从而能全面提高电网调度控制的预判能力。
附图说明
图1为本实施例中用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供的方法，使用状态估计应用提供的电网当前运行方式、超短期负荷预测应用提供的超短期负荷预测、超短期新能源预报应用提供的超短期新能源预报、实时交易计划应用提供的实时发电计划和实时直流线交易计划和从操作票应用提供的调度操作调整等数据，生成电网未来运行方式，并对未来运行方式进行全面的仿真分析计算；针对当前运行方式和未来运行方式详细仿真分析结果提取电网运行关键特征指标，对电网安全稳定趋势进行定级，综合评价电网从当前运行状态(起点)到未来运行状态(终点)这段期间内电网变化的安全趋势。
如图1所示，图1为本实施例中用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法流程图；用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法包括以下步骤：
步骤一、针对电网当前运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网当前运行状态安全稳定评估结果；
步骤二、根据所述电网当前运行方式、超短期负荷预测、超短期新能源预报、实时发电计划和调度操作调整预估电网未来运行方式；
步骤三、针对所述电网未来运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网未来运行状态安全稳定评估结果；
步骤四、根据所述电网当前运行状态安全稳定评估结果和所述未来运行状态安全稳定评估结果，确定各安全稳定问题的关键特征指标；
步骤五、根据所述关键特征指标，确定电网安全稳定趋势等级；
步骤六、根据所述定级的结果评估电网未来时刻的演变趋势。
步骤一中，根据超短期预测应用获取超短期负荷预测、新能源预测；根据实时交易计划应用获取实时发电计划、输电计划；根据操作票应用获取调度操作；根据状态估计应用获取当前运行方式。
超短期预测指预测每15分钟内的负荷、新能源情况。
操作票指在电力系统中进行电气操作的书面依据，包括调度指令票和变电操作票。
步骤二中，在电网当前运行方式的基础上，叠加超短期负荷预测、超短期新能源预报、实时发电计划和调度操作调整，运用连续潮流算法逐步过渡到未来运行方式(包括拓扑结构、发电计划、负荷情况、电网潮流)，预估运行方式的潮流计算(包括有功功率和无功功率)结果与实际量测的吻合度达90％以上的所述电网未来运行方式。
未来运行方式的吻合度按下式(1)进行评价：
式中，ζ为线路有功功率相似率，Pnext、Pscada分别为220kV及以上电压等级的线路未来态潮流与量测值，为220kV及以上电压等级的线路未来态潮流与量测值的偏差在50MW以内的线路的数量，Nall为所有的220kV及以上电压等级线路数量。
所述运用连续潮流算法逐步过渡到未来运行方式包括以下步骤：
S201、建立大型互联电网的多断面有功控制模型，在传统潮流计算模型中增加断面有功功率偏差方程，由指定的发电机群控制多个断面功率，通过逐次迭代实现系统有功平衡。
断面功率偏差方程如下：
式中，ΔPcut(γ)为断面γ的有功功率偏差；为断面γ的有功功率，由构成该断面的Nline条线路的有功相加得到；Pdes(γ)为断面γ的有功功率目标值。
S202、采用逐步逼近的有功调整策略，根据断面的有功功率和断面的有功功率目标值的偏差大小，通过多步调整，逐渐将断面功率调至目标值。
多步调整采用逐步逼近的有功调整策略，将控制措施分为单步控制和多步控制。
多步控制中的每一步设定一个分步目标，该分步目标逐步逼近断面的目标值。每一分步计算相当于一个单步控制，其步长为分步目标与本步起始值之差。
单步控制的计算步骤如下：
1)根据预先给定原则选择控制和平衡机群的机组及台数；
2)利用对发电机限值约束的处理，使断面功率控制变成连续的发电机启停和自动调整过程，调整过程通过先后调整非调控机组和调控机组实现。
在单步控制的基础上，多步控制的计算步骤增加了如下内容：
1)下一步步长与本步控制中电网电压的最大变化量成反比；
2)上一步计算的潮流解做为本步初值，使迭代起始点接近真解；
3)若计算不收敛，步长自动减半，重新本步控制计算；
4)当步长小于预设的门槛，潮流仍不收敛，则控制失败，结束计算。
S203、在控制发电机的功率方程中附加功率项进行有功迭代，进行自动微调发电有功控制。第δ个控制机群中第α台发电机的有功功率Pg(α)为：
Pg(α)＝fp(α)+η(δ)ΔPvail(α) (3)
式中，fp(α)为发电机节点的拓扑约束，与传统的潮流方程一致；η(δ)为机群δ有功功率控制因子；ΔPvail(α)为带权重的发电机有功可调出力。
断面功率的变化使电网中不平衡功率增加，采用多台发电机共同承担不平衡功率的方法，即分布式平衡机。
分布式平衡机有功表达式与上式(3)相同，其与断面功率控制机统称为调控机组。每个电气岛增加一个相位基准方程。若电气岛h中发电机α为相位基准，则有：
θα＝θ0h (4)
式中，θα为第α台发电机的相角；θ0l为第h个电气岛的基准相角，通常取为0。
S204、基于电压无功分区进行无功电压就地控制，将枢纽节点无功不平衡量分配至分区内无功电源。
电压无功分区是将整个系统按分层分区平衡原则划分为若干个子区域，为实现无功控制的分层分区、就地平衡提供基础。具体的，由电网结构预先选定枢纽节点集合，根据电气距离将系统节点划分为若干个由枢纽节点和多个无功电源节点组成的无功平衡区域Ωi，并计算Ωi内各无功电源节点对枢纽节点i的无功分配系数λki，有：
其中，xij为枢纽节点i与无功电源节点j之间的支路电抗。
无功电压就地控制，在潮流方程中增加新的扩展节点类型，并在其迭代过程增加无功电压调整措施，依据无功出力约束和电压约束将节点无功不平衡量分配至各无功源，实现无功电压的就地自动调整。
新增扩展节点类型：类型，其发电有功PG已知，发电无功QG和电压幅值V未知， 类型，其发电有功功率PG未知，电压相位θ已知，发电无功和电压幅值未知，但可在一定范围内变化。基于上述扩展节点类型，在潮流方程迭代过程中增加无功电压调整方程，如下式：
其中，Qfpi为第t-1次迭代时分配到节点i上的无功出力；和分别为节点i无功出力的第t-1次和t次的迭代值。
在无功迭代过程中，按照无功分配系数将节点i的无功不平衡量分配至无功平衡区域内的各无功源，并重新计算节点i的无功不平衡量如式(7)～(8)所示。
式中，lbc1和lbc2为步长系数；和分别为t-1次迭代节点i、j的无功不平衡量；ΔQdyyxj为因节点i电压越限而分配到节点j的无功功率；ΔQdyyxi为节点i电压越限时其自身无功功率的调整量；ΔQclyxj为因节点i无功功率越限而分配到节点j的无功功率；ΔQclyxi为节点i无功功率越限时其自身无功功率的调整量。
根据各无功电源节点的无功调节能力及其电压调节裕度，将枢纽节点无功不平衡量ΔQi分配至周围的各无功电源节点，如式(9)～(10)所示。
Q′Gi＝QGi-lbc1|ΔQi|sgn(ΔQi) (9)
Q′Gk＝QGk-lbc2λki|ΔQi|sgn(ΔQi) (10)
式中，QGk、Q′Gk分别为分区内无功电源节点k调整前和调整后的无功出力；sgn(ΔQi)为变量ΔQi的符号函数，取值-1或1。
步骤三中，所述在线安全稳定仿真分析包括：静态安全分析、暂态稳定分析、短路电流计算、小扰动稳定分析和电压稳定分析。
所述静态安全分析和所述暂态稳定分析为针对全网220kV及以上电压等级的线路、变压器和同杆并架双回线路的预想故障进行热稳定和暂态稳定仿真分析，评估电网N-1和N-2情况下的热稳定问题和暂态稳定问题；
所述短路电流计算为计算全网220kV及以上电压等级的母线单相和三相短路的电流，评估电网单相和三相短路电流水平；
所述小扰动稳定分析为对全网线性化和特征值求解，分析频率在0.2-2.5Hz之间的机电振荡模式和参与振荡的机组；
所述电压稳定分析计算指定区域的电压稳定极限，同时计算所有母线的无功对电压灵敏度。
步骤四中，安全稳定评估的指标包括：静态安全关键特征指标、暂态稳定关键特征指标、短路电流关键特征指标、小扰动稳定关键特征指和电压稳定关键特征指标。
静态安全关键特征指标：所述静态安全分析的关键特征信息为越限元件，判断越限严重程度的特征信息为越限/重载比例，导致越限原因的特征信息为故障元件。
暂态稳定关键特征指标：所述暂态稳定分析的关键特征信息为失稳的故障元件，判断失稳严重程度的特征信息依次为失稳时刻、失稳时的最大功角差或者最低电压或者最低频率，导致失稳原因的特征信息为故障类型。
短路电流关键特征指标：所述短路电流计算的关键特征信息为短路母线，判断越限严重程度的特征信息为故障点短路电流，导致短路电流超标的特征信息为短路类型。
上述静态安全关键特征指标、暂态稳定关键特征指标、短路电流关键特征指标的评估方法为：预想电网可能的故障，根据预想故障对上述指标进行分析，例如静态安全关键特征指标分析中，根据预想故障，确定可能导致越限原因的故障元件；暂态稳定关键特征指标分析中，根据预想故障，确定导致失稳原因的故障类型；短路电流关键特征指标分析中，根据预想故障，确定导致短路电流超标的短路类型。
小扰动稳定关键特征指：所述小扰动稳定分析的关键特征信息为振荡频率和机电回路相关比，判断小扰动振荡危险程度的特征信息为阻尼比，描述小扰动稳定振荡区域特征信息为分群信息；
电压稳定关键特征指标：所述电压稳定分析的关键特征信息为薄弱母线，判断越限严重程度的特征信息为电压稳定极限，反映无功对电压支撑水平的特征信息为灵敏度信息。
步骤五中，根据所述关键特征指标对在当前运行状态和未来运行状态下的电网进行评估，根据评估结果确定电网安全稳定趋势等级。
所述电网安全稳定趋势等级包括：
(1)新增级：与所述当前运行方式相比，若电网在未来运行方式出现新的安全隐患问题，判定为新增级；
(2)不安全恶化级：若电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式的安全稳定问题变得愈加严重，判定为不安全恶化级；
(3)不安全保持级：若电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下仍然保持不变，判定为不安全保持级；
(4)减轻级：若电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在未所述来运行方式安全稳定问题已减轻，但仍处于不安全状态，判定为减轻级；
(5)安全保持级：若电网在所述当前运行方式和所述未来运行方式均安全，判定为安全保持级；
(6)安全恶化级：若电网在所述当前运行方式下安全，在所述未来运行方式有向不安全的趋势发展，但仍处于安全状态，判定为安全恶化级；
(7)不安全消失级：若电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下电网处于安全状态，判定为不安全消失级。
步骤六中，根据步骤五确定的各种安全稳定情况的定级结果，综合评价电网在未来时刻的运行趋势。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
I、针对电网当前运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网当前运行状态安全稳定评估结果；
II、根据所述电网当前运行方式、超短期负荷预测、超短期新能源预报、实时发电计划和调度操作调整预估电网未来运行方式；
III、针对所述电网未来运行方式进行在线安全稳定分析，生成电网未来运行状态安全稳定评估结果；
IV、确定所述电网当前运行状态安全稳定评估的结果和所述未来运行状态安全稳定评估的结果；
V、确定电网安全稳定趋势等级；
VI、根据确定的电网安全稳定趋势等级评估电网未来时刻的演变趋势；
所述步骤II中，运用连续潮流算法逐步过渡到未来运行方式，预估运行方式的潮流结果与实际量测的吻合度达90％以上的所述电网未来运行方式；
所述步骤I和所述步骤III中，所述在线安全稳定分析包括：静态安全分析、暂态稳定分析、短路电流计算、小扰动稳定分析和电压稳定分析；
所述静态安全分析和所述暂态稳定分析为针对全网220kV及以上电压等级的线路、变压器和同杆并架双回线路的预想故障，分别进行热稳定仿真分析和暂态稳定仿真分析，评估电网N-1和N-2情况下的热稳定问题和暂态稳定问题；
所述短路电流计算为计算全网220kV及以上电压等级的母线单相和三相短路的电流，评估电网单相和三相短路电流水平；
所述小扰动稳定分析为对全网线性化和特征值求解，分析频率在0.2-2.5Hz之间的机电振荡模式和参与振荡的机组；
所述电压稳定分析计算指定区域的电压稳定极限，同时计算所有母线的无功对电压灵敏度。
2.如权利要求1所述的一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其特征在于：所述步骤IV中，所述安全稳定评估的指标包括：静态安全关键特征指标、暂态稳定关键特征指标、短路电流关键特征指标、小扰动稳定关键特征指和电压稳定关键特征指标。
3.如权利要求2所述的一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其特征在于：所述静态安全分析的关键特征信息为越限元件，判断越限严重程度的特征信息为越限/重载比例，导致越限原因的特征信息为故障元件；
所述暂态稳定分析的关键特征信息为失稳的故障元件，判断失稳严重程度的特征信息依次为失稳时刻、失稳时的最大功角差或者最低电压或者最低频率，导致失稳原因的特征信息为故障类型；
所述短路电流计算的关键特征信息为短路母线，判断越限严重程度的特征信息为故障点短路电流，导致短路电流超标的特征信息为短路类型；
所述小扰动稳定分析的关键特征信息为振荡频率和机电回路相关比，判断小扰动振荡危险程度的特征信息为阻尼比，描述小扰动稳定振荡区域特征信息为分群信息；
所述电压稳定分析的关键特征信息为薄弱母线，判断越限严重程度的特征信息为电压稳定极限，反映无功对电压支撑水平的特征信息为灵敏度信息。
4.如权利要求1所述的一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其特征在于：所述步骤V中，根据当前运行状态和未来运行状态下的电网进行评估，确定电网安全稳定趋势等级。
5.如权利要求4所述的一种用于大电网的在线安全稳定趋势分析方法，其特征在于：所述电网安全稳定趋势等级包括：
(1)新增级：与所述当前运行方式相比，电网在未来运行方式出现新的安全隐患问题；
(2)不安全恶化级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式的安全稳定问题变得愈加严重；
(3)不安全保持级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下仍然保持不变；
(4)减轻级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在未所述来运行方式安全稳定问题已减轻，但仍处于不安全状态；
(5)安全保持级：电网在所述当前运行方式和所述未来运行方式均安全；
(6)安全恶化级：电网在所述当前运行方式下安全，在所述未来运行方式有向不安全的趋势发展，但仍处于安全状态；
(7)不安全消失级：电网在所述当前运行方式下已存在安全隐患，在所述未来运行方式下电网处于安全状态。
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