CN105162131B - 快速投切电容器的配置方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速投切电容器的配置方法和系统，该方法包括：确定故障集以及若干个待配置快速投切电容器的候选站点；获取在故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；计算各个候选站点对薄弱站点集中各站点电压的V‑Q灵敏度，并根据其大小确定配置站点集；根据配置站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案，并获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；根据综合系数指标的大小选择最佳容量配置方案。本发明基于正交试验理论，采用量化分析手段，以综合系数指标指导确定快速投切电容的配置站点和配置容量，兼顾故障下对各电压薄弱站点的无功电压支撑和配置方案的经济性。

Description

快速投切电容器的配置方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种快速投切电容器的配置方法和系统。

背景技术

对于大型受端电网，由于负荷无功需求大，而本地动态无功支撑能力有限，往往存在暂态电压失稳风险，特别是如我国已经形成的珠三角、长三角等多回高压直流落点的大型受端电网。在交流系统故障期间以及故障切除后，受端系统的动态无功支撑能力对于直流输电系统的功率恢复以及系统稳定性具有重大影响。

快速投切电容器是指在变电站(220kV及以上电压等级)内快速投切无功控制装置控制的低压电容器组，可通过改造站内低压电容器组的监控系统得到。快速投切电容器能够在系统发生故障导致电压跌落时快速投入(响应时间一般在0.1秒左右)，能够给系统提供动态无功支撑，有效提高系统的暂态电压稳定性。受端电网变电站(220kV及以上电压等级)内一般配置有大量低压电容器组，因此快速投切电容器能够以较低的成本提高系统暂态电压稳定性，具有较好的应用推广潜力。

在受端系统合适的位置配置合适容量的快速投切电容器，能够以较低的经济代价在受端交流系统故障期间以及故障切除后提供有效的无功电压支撑，改善直流输电系统功率恢复情况，提高系统的电压稳定性。因此如何选择快速投切电容器的配置站点和配置容量，使得快速投切电容器发挥最大效用，具有重要的实际意义。

发明内容

基于此，本发明提出一种快速投切电容器的配置方法和系统，基于统计学中的正交试验理论，采用量化分析手段，快速确定配置站点和配置容量，使快速投切电容器发挥最大效用。

为实现上述技术目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种快速投切电容器的配置方法，包括如下步骤：

根据受端系统的仿真模型确定故障集，并确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度，并根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案，并获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

以及一种快速投切电容器的配置系统，包括：

故障集获取模块，用于根据受端系统的仿真模型确定故障集；

候选站点确定模块，用于确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

薄弱站点确定模块，用于针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

灵敏度计算模块，用于利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度；

配置站点确定模块，用于根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

候选方案生成模块，用于根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案；

综合系数指标计算模块，用于获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

配置方案生成模块，用于根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

本发明基于正交试验理论，采用量化分析手段，以综合系数指标指导确定快速投切电容的配置站点和配置容量。本发明应用于受端系统，能够兼顾故障下对各电压薄弱站点的无功电压支撑和配置方案的经济性，得出有效的快速投切电容器的配置方案，有效提高系统的暂态电压稳定性。具体说来，本发明具有以下技术效果：(1)本发明充分考虑了对电压薄弱站点的无功电压支撑；(2)本发明采用故障集的方式考虑多种故障，分析更全面；(3)本发明兼顾了配置方案的有效性和经济性，且具备较高的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种快速投切电容器的配置方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种计算V-Q灵敏度的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中一种获取综合系数指标的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中归一化处理的曲线示意图；

图5为本发明实施例中一种快速投切电容器的配置系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合较佳实施例对本发明的内容作进一步说明。

如图1所示，在本实施例中，提供一种快速投切电容器的配置方法，包括如下步骤：

S10根据受端系统的仿真模型确定故障集，并确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

S20针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

S30利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度，并根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

S40根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案，并获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

S50根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

具体而言，本实施例以受端系统为研究重点，搜集或建立待研究的受端系统的仿真模型，根据仿真模型确定需要研究的故障集{F₁,F₂,…,F_M}，其中F_i为第i个故障，M为所考虑的故障总数，确定N个待配置快速投切电容器的候选站点{B₁,B₂,…,B_N}。

然后针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序计算分析得到在故障集{F₁,F₂,…,F_M}下暂态电压失稳的薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}。

利用电力系统机电暂态仿真程序计算候选站点B_i对薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中各站点电压的V-Q灵敏度K_i(i＝1,2,...,N)。其中V-Q灵敏度K_i越大，说明在第i处站点配置快速投切电容器对薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中各站点的总体电压支撑作用越强，在一种具体实施方式中，该V-Q灵敏度K_i可以采用如下方式进行计算。

如图2所示，在一种具体实施方式中，可采用如下方法计算V-Q灵敏度：

S301当在候选站点投入预设容量大小的快速投切电容器后，计算薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅；

S302根据薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅，以及薄弱站点集中各站点对应的加权系数，获得候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度。

假设在站点B_i投入预设容量大小为QMvar的快速投切电容器，薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中各站点的瞬时电压增幅为{ΔV_i1,ΔV_i2,…,ΔV_in}，则：

其中，c_j为加权系数，体现站点j的重要性。

根据K_i(i＝1,2,...,N)的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集{C₁,C₂,…,C_m}。

假设配置站点集{C₁,C₂,…,C_m}最大配置容量为：

{Q_1，max＝t_1,max×Q₁,Q_2，max＝t_2,max×Q₂,…,Q_m，max＝t_m×Q_m}

其中Q_i是配置站点集中站点C_i中的单组快速投切电容器容量，t_i,max是站点C_i中配置单组容量为Q_i的快速投切电容器的最大可配置组数。根据正交试验理论，配置站点集{C₁,C₂,…,C_m}中各站点快投投切电容器的容量配置问题实质是一个多因素且水平数不同的试验问题。因此，利用正交试验方法可得到若干个候选容量配置方案，每一个候选容量配置方案包括了配置快速投切电容器的站点及其配置容量。对于各个候选容量配置方案，可设置综合系数指标，该综合系数指标要能反映受端系统故障后的电压支撑效果。因此，可将候选容量配置方案对应的快速投切电容器配置总容量与上述的V-Q灵敏度K_i进行关联，作为综合系数指标，用以反映候选容量配置方案所具备的电压支撑效果。

较佳的，本实施例提供一种具体的综合系数指标，该综合系数指标一方面能反映受端系统故障后的电压支撑效果，另一方面又兼顾候选容量配置方案的经济性。如图3所示，该综合系数指标通过如下方法获取：

S401对当前候选容量配置方案，进行基于故障集的系统故障暂态仿真，针对故障集中的每一个故障，获取薄弱站点集中的每一站点在该故障结束后电压低于阈值的持续时间，并对该持续时间作归一化处理；

S402根据归一化处理后的持续时间计算当前候选配置方案对应的电压支撑强度指标；

S403根据电压支撑强度指标、当前候选容量配置方案对应的快速投切电容器配置总容量、配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，获取当前候选容量配置方案的综合系数指标。

假设根据正交试验方法有L个候选容量配置方案，对于候选容量配置方案l∈[1,L]，配置站点集{C₁,C₂,…,C_m}中各站点的快速投切电容器配置容量为{Q_l,1,Q_l,2,…,Q_l,m}，配置总容量为对于候选容量配置方案l，进行基于故障集{F₁,F₂,…,F_M}的系统故障暂态仿真。针对故障集{F₁,F₂,…,F_M}中的每一个故障，获取薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中的每一站点在发生该故障后电压低于阈值的持续时间。

假设对于故障F_j的仿真结果，薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中各站点在故障F_j结束后电压低于阈值Vpu的持续时间为{T_j,1,T_j,2,…,T_j,n}，对该持续时间进行归一化处理后计算当前候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标W_l。该电压支撑强度指标W_l反映了候选容量配置方案l对薄弱站点集{A₁,A₂,…,A_n}中各站点的电压支撑的有效性，可依据上述归一化处理后的持续时间进行设置。本实施例给出一种具体的电压支撑强度指标W_l如下：

其中，W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；T_j,i指薄弱站点集中的站点i在故障j结束电压低于阈值的持续时间；n为薄弱站点集中的元素个数；M为故障集中的元素个数；T₁、T₂为归一化处理过程中的可调参数，归一化处理的曲线示意图如图4所示。

由上述公式可以看出，W_l越大则电压支撑强度越大，且W_l≤n×M。

然后根据电压支撑强度指标W_l、当前候选容量配置方案l对应的快速投切电容器配置总容量Q_l、配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，计算当前候选容量配置方案的综合系数指标，具体计算方法可为考虑各因素的加权计算。该综合系数指标既考虑到了候选容量配置方案对应的电压支撑强度指标，又考虑了配置总容量，因此具备有效性和经济性。

本实施例中给出一种具体的综合系数指标，参照如下公式：

Q_i，max＝t_i，max×Q_i

其中，f_l为候选容量配置方案l的综合系数指标；W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；n为薄弱站点集中的元素个数；M为故障集中的元素个数；Q_l为候选容量配置方案l对应的快速投切电容器配置总容量；t_i,max为配置站点集中的站点i的最大可配置组数；Q_i是配置站点集中站点i的单组电容器的容量；m为配置站点集中的元素个数；c′₁、c′₂为可调权重系数；a为可调系数，0＜a≤1。

从上面的公式可以看出，在经济性方面，以Q_l作为候选容量配置方案l的经济性指标。其中a用于调节配置总容量对f_l的影响，a越小，配置总容量对f_l的影响越小。

最终根据综合系数指标的大小筛选出最佳容量配置方案，根据最佳容量配置方案为配置站点集中的各站点选择快速投切电容器的配置组数，配置快速投切电容器，使快速投切电容器发挥最大效用，提高系统暂态电压稳定性。

综合以上内容，本发明基于正交试验理论，采用量化分析手段，以衡量对于各电压薄弱站点的电压支撑作用强度的电压支撑强度指标、配置方案的经济性指标指导确定快速投切电容的配置站点和配置容量。具体说来，本发明具有以下技术效果：(1)本发明充分考虑了对电压薄弱站点的无功电压支撑；(2)本发明采用故障集的方式考虑多种故障，分析更全面；(3)本发明兼顾了配置方案的有效性和经济性，且具备较高的灵活性；(4)电压支撑强度指标利用了归一化处理手段、综合系数指标利用了加权求和方法，其中相应参数可以根据实际情况进行调整，具有灵活性。

因此，将本发明应用于受端系统，能够兼顾故障下对各电压薄弱站点的无功电压支撑和配置方案的经济性，得出有效的快速投切电容器的配置方案，提高系统的暂态电压稳定性。

本发明还提供一种快速投切电容器的配置系统，该配置系统应用于受端系统，能够得出有效的快速投切电容器的配置方案，兼顾有效性和经济性。下面给出该配置系统的一个具体实施例。

如图5所示，在该实施例中，快速投切电容器的配置系统包括：

故障集获取模块10，用于根据受端系统的仿真模型确定故障集；

候选站点确定模块20，用于确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

薄弱站点确定模块30，用于针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

灵敏度计算模块40，用于利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度；

配置站点确定模块50，用于根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

候选方案生成模块60，用于根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案；

综合系数指标计算模块70，用于获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

配置方案生成模块80，用于根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

在一种具体实施方式中，灵敏度计算模块40包括：

瞬时电压增幅计算模块401，用于在候选站点投入预设容量大小的快速投切电容器后，计算所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅；

加权计算模块402，用于根据所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅，以及所述薄弱站点集中各站点对应的加权系数，获得候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度。

在一种具体实施方式中，综合系数指标计算模块70包括：

故障仿真计算模块701，用于对当前候选容量配置方案，进行基于所述故障集的系统故障暂态仿真，针对所述故障集中的每一个故障，获取所述薄弱站点集中的每一站点在发生该故障后电压低于阈值的持续时间，并对该持续时间作归一化处理；

电压支撑强度指标计算模块702，用于根据归一化处理后的持续时间计算当前候选配置方案对应的电压支撑强度指标；

综合计算模块703，用于根据所述电压支撑强度指标、当前候选容量配置方案对应的快速投切电容器配置总容量、所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，获取当前候选容量配置方案的综合系数指标。

在一种具体实施方式中，电压支撑强度指标计算模块702通过如下公式计算电压支撑强度指标：

其中，W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；T_j,i指薄弱站点集中的站点i在故障j结束电压低于阈值的持续时间；n为薄弱站点集中的元素个数；M为故障集中的元素个数；T₁、T₂为归一化处理过程中的可调参数。

在一种具体实施方式中，综合计算模块703通过如下公式计算综合系数指标：

Q_i，max＝t_i，max×Q_i

其中，f_l为候选容量配置方案l的综合系数指标；W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；n为薄弱站点集中的元素个数；M为故障集中的元素个数；Q_l为候选容量配置方案l对应的快速投切电容器配置总容量；t_i,max为配置站点集中的站点i的最大可配置组数；Q_i是配置站点集中站点i的单组电容器的容量；m为配置站点集中的元素个数；c′₁、c′₂为可调权重系数；a为可调系数，0＜a≤1。

以上各个模块其具体功能的实现方法，可参照上述快速投切电容器的配置方法实施例中的公开的方法，此处不再进行赘述，

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种快速投切电容器的配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据受端系统的仿真模型确定故障集，并确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度，并根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案，并获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

2.根据权利要求1所述的快速投切电容器的配置方法，其特征在于，利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度的过程包括如下步骤：

当在候选站点投入预设容量大小的快速投切电容器后，计算所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅；

根据所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅，以及所述薄弱站点集中各站点对应的加权系数，获得候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度。

3.根据权利要求1所述的快速投切电容器的配置方法，其特征在于，获取各个候选容量配置方案的综合系数指标的过程包括如下步骤：

对当前候选容量配置方案，进行基于所述故障集的系统故障暂态仿真，针对所述故障集中的每一个故障，获取所述薄弱站点集中的每一站点在该故障结束后电压低于阈值的持续时间，并对该持续时间作归一化处理；

根据归一化处理后的持续时间计算当前候选配置方案对应的电压支撑强度指标；

根据所述电压支撑强度指标、当前候选容量配置方案对应的快速投切电容器配置总容量、所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，获取当前候选容量配置方案的综合系数指标。

4.根据权利要求3所述的快速投切电容器的配置方法，其特征在于，所述电压支撑强度指标的计算公式为：

其中，W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；T_j,i指所述薄弱站点集中的站点i在故障j结束后电压低于阈值的持续时间；n为所述薄弱站点集中的元素个数；M为所述故障集中的元素个数；T₁、T₂为归一化处理过程中的可调参数。

5.根据权利要求3所述的快速投切电容器的配置方法，其特征在于，所述综合系数指标的计算公式为：

Q_i，max＝t_i，max×Q_i

其中，f_l为候选容量配置方案l的综合系数指标；W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；n为所述薄弱站点集中的元素个数；M为所述故障集中的元素个数；Q_l为候选容量配置方案l对应的快速投切电容器配置总容量；t_i,max为所述配置站点集中的站点i的最大可配置组数；Q_i是所述配置站点集中站点i的单组电容器的容量；m为所述配置站点集中的元素个数；c′₁、c′₂为可调权重系数；a为可调系数，0＜a≤1。

6.一种快速投切电容器的配置系统，其特征在于，包括：

故障集获取模块，用于根据受端系统的仿真模型确定故障集；

候选站点确定模块，用于确定若干个待配置快速投切电容器的候选站点；

薄弱站点确定模块，用于针对受端系统所对应的区域，利用电力系统机电暂态仿真程序得到在所述故障集下暂态电压失稳的薄弱站点集；

灵敏度计算模块，用于利用电力系统机电暂态仿真程序获得各个所述候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度；

配置站点确定模块，用于根据所述V-Q灵敏度的大小确定待配置快速投切电容器的配置站点集；

候选方案生成模块，用于根据所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，利用正交试验方法得到若干个候选容量配置方案；

综合系数指标计算模块，用于获取各个候选容量配置方案的综合系数指标；

配置方案生成模块，用于根据综合系数指标的大小从候选容量配置方案中选择最佳容量配置方案。

7.根据权利要求6所述的快速投切电容器的配置系统，其特征在于，所述灵敏度计算模块包括：

瞬时电压增幅计算模块，用于在候选站点投入预设容量大小的快速投切电容器后，计算所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅；

加权计算模块，用于根据所述薄弱站点集中各站点的瞬时电压增幅，以及所述薄弱站点集中各站点对应的加权系数，获得候选站点对所述薄弱站点集中各站点电压的V-Q灵敏度。

8.根据权利要求6所述的快速投切电容器的配置系统，其特征在于，所述综合系数指标计算模块包括：

故障仿真计算模块，用于对当前候选容量配置方案，进行基于所述故障集的系统故障暂态仿真，针对所述故障集中的每一个故障，获取所述薄弱站点集中的每一站点在发生该故障后电压低于阈值的持续时间，并对该持续时间作归一化处理；

电压支撑强度指标计算模块，用于根据归一化处理后的持续时间计算当前候选配置方案对应的电压支撑强度指标；

综合计算模块，用于根据所述电压支撑强度指标、当前候选容量配置方案对应的快速投切电容器配置总容量、所述配置站点集中各站点的单组电容器的容量和最大可配置组数，获取当前候选容量配置方案的综合系数指标。

9.根据权利要求8所述的快速投切电容器的配置系统，其特征在于，所述电压支撑强度指标计算模块通过如下公式计算电压支撑强度指标：

其中，W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；T_j,i指所述薄弱站点集中的站点i在故障j结束电压低于阈值的持续时间；n为所述薄弱站点集中的元素个数；M为所述故障集中的元素个数；T₁、T₂为归一化处理过程中的可调参数。

10.根据权利要求8所述的快速投切电容器的配置系统，其特征在于，所述综合计算模块通过如下公式计算所述综合系数指标：

Q_i，max＝t_i，max×Q_i

其中，f_l为候选容量配置方案l的综合系数指标；W_l指候选容量配置方案l对应的电压支撑强度指标；n为所述薄弱站点集中的元素个数；M为所述故障集中的元素个数；Q_l为候选容量配置方案l对应的快速投切电容器配置总容量；t_i,max为所述配置站点集中的站点i的最大可配置组数；Q_i是所述配置站点集中站点i的单组电容器的容量；m为所述配置站点集中的元素个数；c′₁、c′₂为可调权重系数；a为可调系数，0＜a≤1。