CN104833887B - 基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有发电厂母线电压稳定性评估所存在的问题，提供一种发电厂母线电压稳定性的实用评估方法，该评估方法，包括如下步骤：在与发电厂母线相连的出线的位置进行短路实验；在短路实验发生时的暂态过程中或者在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算暂态过程的电压跌落率；采用扩展的S型隶属度函数，根据扩展的S型隶属度函数通过所述电压跌落率计算暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。本发明不受电网、电厂规模、区位等因素的影响，适用于电网中各类、各级、各处的电厂母线电压稳定状态的评估，具有很高的普适性。

Description

基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统电压稳定性评估相关技术领域，具体地说，涉及一种基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，用于评估发电厂母线所能够得到的发电厂自身发电机组以及与之所相连电网的电压支撑。

背景技术

近年来，应节能减排的要求，许多火电厂辅机的设计上都倾向于采用变频器技术。而变频调速装置也带来了电力系统稳定运行方面的新问题：变频装置对电压波动非常敏感，相关辅机可能因变频器低电压穿越能力不足而停运，进而可能导致机组被动减负荷甚至机组跳闸，影响电网运行。

因此，随着大量变频调速装置的采用，人们对厂用母线电压的稳定性提出了更高的要求。发电厂自身发电机组以及与发电厂相连电网的电压支撑都直接影响着厂用母线电压的稳定水平。电网中不同位置、不同规模的电厂，其电厂母线受电网故障的影响程度以及得到的电压支撑程度都不相同，相同配置下的厂用系统的运行稳定性也就不尽相同。

综上，如果根据一定的判定指标，就可以在无需进行庞杂的网络分析和解析计算的情况下，针对处于不同位置、不同规模的电厂，得到发电厂母线的电压稳定性状况，即发电厂母线可以得到的电网以及发电厂自身发电机组的电压支撑能力。这将为厂用系统规划和经济、合理配置提供理论指导。从而具有十分重要的实用意义。

发明内容

本发明针对现有发电厂母线电压稳定性评估所存在的问题，提供一种发电厂母线电压稳定性的实用评估方法，可用于评估发电厂母线所能够得到的发电厂自身发电机组以及与之所相连电网的电压支撑，进而可以为厂用系统规划和经济、合理配置提供理论指导。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

1、在与发电厂母线相连的出线的位置进行短路实验；

2、在短路实验发生时的暂态过程中或者在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算暂态过程的电压跌落率；

3、采用扩展的S型隶属度函数，根据扩展的S型隶属度函数通过所述电压跌落率计算暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

本发明中，所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端或者末端位置进行的单相短路实验，在单相短路实验发生时的暂态过程中，计算短路暂态过程的电压跌落率，采用扩展的S型函数，根据所形成的隶属度函数通过所述短路暂态过程的电压跌落率计算短路暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验，短路暂态过程中的电压偏移指标值越小，发电厂自身的发电机组对电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的单相短路实验，短路暂态过程中的电压偏移指标值越小，电厂自身发电机组及小部分电网对电厂母线的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述短路暂态过程的电压跌落率其中，V_s为短路暂态过程中发电厂母线电压最低幅值，V₀为短路前发电厂母线电压初始幅值。

本发明中，所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端或者末端位置进行的三相短路实验，在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算母线电压恢复暂态过程的电压跌落率，采用扩展的S型函数，根据所形成的隶属度函数通过所述母线电压恢复暂态过程的电压跌落率计算母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的三相短路实验，母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值越小，电网对发电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的三相短路实验，母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值越小，与发电厂相连的电网以及发电厂自身发电机组对发电厂母线电压的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

所述母线电压恢复暂态过程的电压跌落率其中，V_s为母线电压恢复的暂态过程中发电厂母线电压的最低幅值，V₀为发电厂母线电压恢复后的稳态幅值。

本发明中，与所述电压偏移指标值VDI相关的扩展的S型隶属度函数为：

本发明基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明所提供的发电厂母线电压稳定性的实用评估方法可以同时用于评估发电厂自身发电机组以及电厂母线所接外部电网对电厂母线的电压支撑情况，同时由于其包含一套具体的指标值：有用于单独评估发电厂自身发电机组对电厂母线的电压支撑情况的指标值；有用于单独评估电厂母线所接外部电网对电厂母线的电压支撑情况的指标值；还有用于发电厂自身发电机组以及电厂母线所接外部电网对电厂母线电压的综合支撑情况的指标值。从而可以较为全面的评估发电厂母线电压稳定性状况，且具有很强的灵活性。

(2)本发明的发电厂母线电压稳定性的实用评估方法，还可以为厂用辅机变频调速器的低电压保护闭锁延迟时间提供整定参考。再结合特点(1)中所提供的发电厂母线电压稳定性状况的全面评估，可以为厂用系统规划和经济、合理配置提供理论指导。从而具有很高的工程实用价值。

(3)本发明所提供的发电厂母线电压稳定性的实用评估方法，基于发电厂出线的首、末端的三相短路以及单相短路实验(实验手段多样化：仿真或现场实验均可)，而不需要进行复杂的电网以及电厂系统的解析计算、分析；且指标所需的实验参数易于获取。因此，本发明所提供的发电厂母线电压稳定性的实用评估指标获取手段多样且简单，具有很高的可实现性。

(4)本发明所提供的发电厂母线电压稳定性的实用评估方法，不受电网、电厂规模、区位等因素的影响，适用于电网中各类、各级、各处的电厂母线电压稳定状态的评估，具有很高的普适性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的流程图。

图2为电压偏移指标值的隶属度函数。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，通过对现有发电厂母线电压稳定性评估方式的分析，发现发电厂母线电压稳定性评估存在需要进行庞杂的网络分析和解析计算，发电厂母线电压稳定性评估存在较大困难的问题，通过本发明提供一种基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法以解决上述问题。

参见图1，本发明基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法的基本评估过程如下：

1、在与发电厂母线相连的出线的位置进行短路实验；

2、在短路实验发生时的暂态过程中或者在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算暂态过程的电压跌落率；

3、采用扩展的S型隶属度函数，根据扩展的S型隶属度函数通过所述电压跌落率计算暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

对于上述的短路实验，包括在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验，在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的单相短路实验，在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的三相短路实验，在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的三相短路实验。以下将以在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验具体说明，本发明如何对发电厂母线电压稳定性进行评估。

在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验时，在单相短路实验发生时的暂态过程中，首先计算短路暂态过程的电压跌落率V_dip。

短路暂态过程的电压跌落率其中，V_s为短路暂态过程中发电厂母线电压最低幅值，V₀为短路前发电厂母线电压初始幅值。

根据电压跌落率V_dip的定义，为消除阶跃效应，采用扩展的S型函数，定义电压偏移指标值VDI(Voltage Deviation Index)，形成隶属度函数如下：

由图2可见，采用扩展S型函数后，在短路暂态过程的电压跌落率V_dip为25％(即0.25)的指标分界处，可实现指标值的平滑过渡。短路暂态过程中电压偏移指标只需根据短路暂态过程前后的电压幅值即可计算得到，数据采集难度小，且指标计算复杂度低，可有效地用于表征短路暂态过程中所判定电厂母线电压的稳定性状况。

基于发电厂出线首端的单相短路实验数据，当发电厂出线首端发生单相接地短路故障时，由于尚有两个非故障相，发电厂母线尚有一定电压。但此时相当于故障直接发生在发电机组出口，所以发电厂母线电压几乎完全依靠发电机组支撑，电网对其支撑作用极小。由此可认为此时发电厂母线短路暂态过程中的电压偏移指标值主要表征了发电厂自身发电机组提供电压支撑能力的强弱。即此时的指标值越小，发电厂自身的发电机组对电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的单相短路实验，基本过程与在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验基本一致，首先计算短路暂态过程的电压跌落率V_dip。

短路暂态过程的电压跌落率其中，V_s为短路暂态过程中发电厂母线电压最低幅值，V₀为短路前发电厂母线电压初始幅值。

根据电压跌落率V_dip的定义，为消除阶跃效应，同样采用扩展的S型函数，定义电压偏移指标值VDI(Voltage Deviation Index)，形成隶属度函数如下：

基于发电厂出线末端的单相短路实验数据，与发电厂线路出线首端单相接地短路实验所不同的，发电厂线路出线末端发生单相接地短路时，故障发生地点变为远厂端，故障点距离发电机组较远，发电厂自身对故障点的电压支撑作用将减少，而电网对故障点的电压支撑作用将增强，但发电厂对电压的支撑作用仍占主导地位。由此可认为此时的发电厂母线的电压偏移指标值表征了以发电厂自身电压支撑作用为主、极少部分电网支撑作用为辅的综合作用结果。即此时的指标值越小，电厂自身发电机组及小部分电网对电厂母线的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的三相短路实验，与前述的实验评估发电厂母线电压稳定性的方法有所不同，具体过程是，在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算母线电压恢复暂态过程的电压跌落率V_dip。

母线电压恢复暂态过程的电压跌落率其中，V_s为母线电压恢复的暂态过程中发电厂母线电压的最低幅值，V₀为发电厂母线电压恢复后的稳态幅值。

根据电压跌落率V_dip的定义，为消除阶跃效应，同样采用扩展的S型函数，定义电压偏移指标值VDI(Voltage Deviation Index)，形成隶属度函数如下：

基于发电厂出线首端的三相短路实验数据，当发电厂出线首端发生三相接地短路故障时，发电厂母线电压将跌落至非常低的水平，发电机组的状态不能瞬变，但电网的调压过程为电磁暂态过程，因此在故障切除后的发电厂母线电压暂态恢复的过程中，主要由电网的调压功能做主导。故可以认为发电厂出线首端三相接地短路故障后的母线电压偏移指标表征了发电厂相连的电网的电压支撑能力。即该指标值越小，故障切除后的瞬间电压恢复的水平越高，即电网的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的三相短路实验，基本过程与在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的三相短路实验基本一致，在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算母线电压恢复暂态过程的电压跌落率V_dip。

母线电压恢复暂态过程的电压跌落率其中，V_s为母线电压恢复的暂态过程中发电厂母线电压的最低幅值，V₀为发电厂母线电压恢复后的稳态幅值。

根据电压跌落率V_dip的定义，为消除阶跃效应，同样采用扩展的S型函数，定义电压偏移指标值VDI(Voltage Deviation Index)，形成隶属度函数如下：

基于发电厂出线首端的三相短路实验数据，当发电厂出线末端发生三相接地短路时，故障点距发电厂母线尚有一段距离，短路发生时，由于发电厂自身的电压支撑，发电厂母线将保有部分残压。在故障切除后电压恢复的暂态过程中，虽然由电网的调压功能做主导，但故障切除前电厂母线保有的小部分残压也体现了发电厂自身的电压支撑能力。因此可以认为发电厂出线末端三相接地短路故障后的恢复过程中的母线电压偏移指标值表征了发电厂相连的电网以及发电厂自身发电机组对发电厂母线电压支撑的综合能力。即指标值越小，故障切除后的瞬间电压恢复的水平越高，即电网和电厂自身发电机组对发电厂母线电压的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

以下以BPA仿真算例进一步说明本发明的实际效果。

为保证验证结果的工程实际和全面性，BPA仿真基于2013年华东电网夏季高峰时期调度的实际数据。并预先通过电网网架结构以及电厂发电机组电压支撑能力分析，选取了以下五个具有不同电网支撑强度的代表性电厂作为验证重点，发电厂的实际名称以字母代替：

1)发电厂A，拥有两台667MVA发电机组，自身电压支撑能力一般。电厂母线位于220kV电网末端，周边没有大型发电厂或者500kV电网联络节点，电网支撑薄弱。

2)发电厂B，拥有两台388MVA发电机组，自身电压支撑能力较弱。电厂母线同样位于220kV电网末端，但与500kV电网联络节点距离比电厂A近，故电厂母线处电网支撑仍较弱，但稍强于电厂A。

3)发电厂C，拥有两台667MVA发电机组，自身电压支撑能力一般。电厂母线位于500kV电网的中间位置，得到电网支撑极强。

4)发电厂D，拥有两台733MVA的发电机组，自身电压支撑能力强。电厂母线位于220kV电网的中间位置，周边没有直接相连的500kV联络节点，电厂母线得到的电网支撑能力一般。

5)发电厂E，拥有单台716MVA的发电机组，自身电压支撑能力较弱。电厂母线位于1000kV线路末端，单从电网拓扑来看，其得到的电网电压支撑较弱，但由于其处于1000kV特高压线路上，电厂母线处仍可得到的较强的电网电压支撑。

算例一：发电厂线路出线首端单相接地短路实验

基于BPA的仿真结果，计算得到发电厂一回出线首端发生单相短路接地故障时，对应发电厂母线电压偏移指标和低电压持续指标，并按照电厂自身电压支撑能力的强弱顺序对各电厂及其对应的母线电压偏移指标进行排列如表1所示。

从表1中不难看出：发电厂母线电压偏移指标V_dip和VDI值随着电厂自身电压支撑能力的减弱而逐渐增大。这与之前的电网网架结构以及电厂发电机组电压支撑能力理论分析完全吻合。由此，可以得出结论：发电厂出线首端单相短路情况下求得的电压偏移指标值，可以用于评价电厂自身的电压支撑能力；其值越小，发电厂自身的发电机组对电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

算例二：发电厂线路出线末端单相接地短路实验

基于BPA的仿真结果，计算得到发电厂一回出线末端发生单相短路接地故障时，对应发电厂母线电压偏移指标和低电压持续指标，并按照电厂及小部分电网支撑能力的强弱顺序对各电厂及其母线电压指标进行排列如表2所示。

从表2中不难看出：发电厂母线的电压偏移指标值随着电厂及小部分电网支撑能力的减弱而逐渐增大，例如在发电厂线路出线首端单相接地短路实验中，发电厂E因电厂自身电压支撑能力要弱于发电厂B，而使得电厂E母线电压的电压偏移指标值要大于电厂B母线。但在本实验中，由于电厂E母线得到的部分电网电压支撑能力要远强于电厂B母线，故发电厂出线末端单相接地短路实验中电厂E母线电压的电压偏移指标值反而要小于电厂B母线。

这说明，在发电厂出线末端发生单相接地短路时，随着电厂及小部分电网支撑能力的减弱，受故障影响，电厂母线电压跌落越来越大。这与之前的电网网架结构以及电厂发电机组电压支撑能力理论分析完全吻合。由此，可以得出结论：发电厂出线末端单相短路情况下求得的电压偏移指标值，可以用于评价电厂自身发电机组及小部分电网对电厂母线的综合电压支撑能力；其值越小，电厂自身发电机组及小部分电网对电厂母线的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

算例三：发电厂线路出线首端三相接地短路实验

基于BPA的仿真结果，计算得到发电厂一回出线首端发生三相短路接地故障，并于80ms切除故障之后的电厂母线电压恢复过程中，对应的发电厂母线电压偏移指标，并按照电厂出线首端三相故障后电厂母线电压偏移指标的高低顺序对各电厂母线进行排序如表3所示。

从表3不难看出，根据指标值排序得到的各电厂母线得到电网电压支撑能力的强弱顺序与理论分析结果相吻合。由此，可以得出结论：发电厂出线首端三相接地短路故障后的母线电压偏移指标，可以用于评价与发电厂相连的电网对发电厂母线的电压支撑能力。其值越小，故障切除后的瞬间电压恢复的水平越高，即电网对发电厂母线电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

算例四：发电厂线路出线末端三相接地短路实验

基于BPA的仿真结果，计算得到发电厂一回出线末端发生三相短路接地故障，并于80ms切除故障之后的电厂母线电压恢复过程中，对应的发电厂母线电压偏移指标，并按照电厂出线末端三相故障后电厂母线电压偏移指标的高低顺序对各电厂母线进行排序如表4所示。

从表4不难看出，根据指标值排序得到的各电厂母线处得到的电网和电厂电压的综合支撑能力的强弱顺序与理论分析结果相吻合。由此，可以得出结论：发电厂出线末端三相接地短路故障后的母线电压偏移指标值，可以用于评价该排序即为各电厂母线处得到的电网和电厂电压对发电厂母线电压的综合支撑能力。其值越小，故障切除后的瞬间电压恢复的水平越高，即发电厂母线处得到的电网和电厂电压的综合支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

综上，通过上述四个算例，即验证了本发明所提出的发电厂母线电压稳定性实用评估指标的实际有效性。

表1发电厂出线首端单相故障下电厂母线电压偏移指标排序

表2发电厂出线末端单相故障下电厂母线电压偏移指标排序

表3发电厂出线首端三相故障后电厂母线电压偏移指标排序

表4发电厂出线末端三相故障后电厂母线电压偏移指标排序

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在与发电厂母线相连的出线的位置进行短路实验；

2)在短路实验发生时的暂态过程中或者在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算暂态过程的电压跌落率；

3)采用扩展的S型隶属度函数，根据扩展的S型隶属度函数通过所述电压跌落率计算暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

2.根据权利要求1所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端或者末端位置进行的单相短路实验，在单相短路实验发生时的暂态过程中，计算短路暂态过程的电压跌落率，采用扩展的S型函数，根据所形成的隶属度函数通过所述短路暂态过程的电压跌落率计算短路暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

3.根据权利要求2所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的单相短路实验，短路暂态过程中的电压偏移指标值越小，发电厂自身的发电机组对电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

4.根据权利要求2所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的单相短路实验，短路暂态过程中的电压偏移指标值越小，电厂自身发电机组及小部分电网对电厂母线的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

5.根据权利要求3或4所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路暂态过程的电压跌落率其中，V_s为短路暂态过程中发电厂母线电压最低幅值，V₀为短路前发电厂母线电压初始幅值。

6.根据权利要求1所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端或者末端位置进行的三相短路实验，在短路实验故障切除后，发电厂母线电压恢复的暂态过程中，计算母线电压恢复暂态过程的电压跌落率，采用扩展的S型函数，根据所形成的隶属度函数通过所述母线电压恢复暂态过程的电压跌落率计算母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值，电压偏移指标值越小，发电厂母线电压的稳定性越好。

7.根据权利要求6所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的首端位置进行的三相短路实验，母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值越小，电网对发电厂母线的电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

8.根据权利要求6所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述短路实验为在与发电厂母线相连的出线的末端位置进行的三相短路实验，母线电压恢复暂态过程中的电压偏移指标值越小，与发电厂相连的电网以及发电厂自身发电机组对发电厂母线电压的综合电压支撑能力越强，发电厂母线电压的稳定性越好。

9.根据权利要求7或8所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：所述母线电压恢复暂态过程的电压跌落率其中，V_s为母线电压恢复的暂态过程中发电厂母线电压的最低幅值，V₀为发电厂母线电压恢复后的稳态幅值。

10.根据权利要求1至4或者6至8任一所述的基于短路实验的发电厂母线电压稳定性评估方法，其特征在于：与所述电压偏移指标值VDI相关的扩展的S型隶属度函数为：

其中，V_dip为所述电压跌落率。