CN105243187A - 一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，包括以下步骤：(1)、选取研究电网中的功角和电压监测点；(2)、定义并计算系统的暂态稳定测度指标和综合评价指标：包括功角稳定测度指标S_δ、电压稳定测度指标S_V、功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v；(3)、计算系统监测点的功角初值δ₀、电压初值V₀以及功角轨迹曲线δ(t)和电压轨迹曲线V(t)；运用参数摄动原理，计算参数变化前后各指标值；(4)、根据暂态稳定测度指标和综合评价指标的变化情况，对比分析各参数对暂态稳定性的影响程度。本发明能详细直观地反映元件参数对暂态稳定性的影响程度，为指导电网运行及采取有效的控制措施提供参考。

Description

一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法。

背景技术

当前，由于社会经济的快速发展，电能需求不断增长，电网互联规模越来越大。这一方面促进了电网的大力发展，但随着电网规模的扩大，网络结构和电源分布也变得更加复杂，从而使得电网运行方式越来越复杂，影响电网安全稳定运行的因素增多，保证系统安全可靠运行的难度增大，电网的安全稳定问题更加突出，稳定破坏对电力系统和社会经济造成的影响也越大，这都对电网稳定分析与控制提出了新的挑战和更高的要求。

为了保证电网运行的安全稳定和经济高效，必须要制定合理的运行方式，而运行方式的制定是以仿真计算为基础和基本依据的，因此仿真计算结果准确与否，直接关系到电网调度控制决策的正确性和科学性。影响仿真计算结果的因素众多，同步发电机(包括其励磁调节系统和转速调节系统)、主变压器、线路、综合负荷等元件模型及参数是构成电力系统的基础，对电网仿真计算的结果产生直接的影响。因此，电力系统元件参数是否准确是关键因素。为了保证仿真计算结果的准确性和可信赖性，一方面应当有准确可靠的元件参数；另一方面，任何元件参数的准确性都是相对的，因而就必须能够把握不同元件参数对仿真结果的影响程度，从而可以据此对仿真结果的准确性和可以信赖的程度做出判断和评估。因此，研究电力系统元件参数对电力系统暂态稳定性的影响具有重要的理论意义和实际工程价值。

故障极限切除时间、断面极限控制功率等是衡量电力系统暂态稳定水平的常用指标，以往研究中，通过分析各种因素对以上常用指标的影响情况，进而得到其对系统暂态稳定性的影响规律性。而这些常用指标对某些元件参数的变化不敏感，即对元件参数的灵敏度并不高，很难体现元件参数对系统暂态稳定性的影响程度。针对上述情况，通过分析功角和电压动态轨迹特征量与系统稳定性之关系的基础上，提供了一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，该方法能详细直观地反映元件参数对暂态稳定性的影响程度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对常用的衡量暂态稳定水平指标对某些元件参数的灵敏度并不高，且很难直观地反映元件参数对暂态稳定性影响程度的情况，提供一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，实现了元件参数对暂态稳定性影响程度的定量评价，为电网的安全稳定运行、发展规划、运行调度提供参考。

本发明的技术解决方案为：

一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，包括以下步骤：

步骤一：在所研究的电网中，选取功角监测点和电压监测点；

步骤二：定义电力系统的暂态稳定测度指标，包括与参数对应的功角稳定测度指标S_δ和电压稳定测度指标S_v、功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v；功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v用于表征研究参数对暂态稳定性影响程度；

参数第i次变化后的功角稳定测度指标表示为S_δi，其计算公式为：

$S_{\mathrm{\δ}i}={\∫}_0^{T_1}|{\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)-{\mathrm{\δ}}_0|dt---\left(1\right)$

其中，i＝0,2,...,n，T₁为故障后功角第一次恢复至初始稳态值的时间，δ₀为功角初始稳态值，δ_i(t)为参数第i次变化后的功角轨迹曲线；

参数第i次变化后的电压稳定测度指标表示为S_vi，其计算公式为：

$S_{vi}={\∫}_{t_1}^{t_2}|V_i\left(t\right)-0.9V_0|dt---\left(2\right)$

其中，i＝0,2,...,n，t₁、t₂分别是故障切除时刻和电压恢复至0.9V₀对应的时刻，V₀是电压初始稳态值，V_i(t)为参数第i次变化后的电压轨迹曲线；

功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v的计算公式分别为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\δ}}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{\mathrm{\δ}i}-S_{\mathrm{\δ}0})}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_v=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{vi}-S_{v0})}^2}---\left(4\right)$

其中，n是参数变化的总次数；S_δ0和S_v0分别表示i＝0，即参数未变化，参数大小等于其初始值时的功角和电压稳定测度指标值；

步骤三：通过潮流计算得到功角监测点的功角初始稳态值δ₀和电压监测点的电压初始稳态值V₀；然后进行暂态稳定计算，得到i＝0，即参数未变化，参数大小等于其初始值时的功角曲线δ_o(t)和电压轨迹曲线V_o(t)；

步骤四：在初始值上下以设定步长改变某一研究参数，保持其它参数不变，参数变化的总次数为n；在每一次改变该研究参数后，进行一次暂态稳定计算，得到功角轨迹曲线δ_i(t)和电压轨迹曲线V_i(t)，i＝1,2,...,n；每改变一次研究参数后，都需要产生一次与之前相同的故障设置，然后再进行暂态稳定计算。

步骤五：由公式(1)、(2)、(3)和(4)计算得到该研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v，获得该研究参数对暂态稳定性影响程度；

步骤六：根据步骤四和步骤五中的方法，依次计算每一个研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v；比较各研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v大小，得到各研究参数对暂态稳定性影响程度的相对大小。

所述步骤一中，选取电网中稳定性最薄弱的区域，将该区域的发电机功角作为功角监测点，将该区域的变电站母线电压作为电压监测点。

所述步骤四中，参数变化的总次数n＝2，所述设定步长为10％参数初始值。

所述研究参数为电力系统中同步发电机、调速器、励磁系统、输电线路、变压器或负荷的参数。

同步发电机参数包括：直轴、交轴同步电抗、直轴暂态电抗、直轴、交轴次暂态电抗、转子惯性时间常数、直轴开路暂态时间常数、直轴、交轴开路次暂态时间常数；

调速器参数包括：调差系数、伺服机构时间常数、死区、量测环节放大倍数、软负反馈放大倍数、软负反馈时间常数、水锤效应时间常数、蒸汽容积时间常数、中间过热系数；

励磁系统参数包括：量测时间常数、功率放大增益、功率放大时间常数、串联校正直流增益、串联校正时间常数、整流器负荷系数；

输电线路参数包括：线路电阻、线路电抗、线路对地电容；

变压器参数包括：绕组电抗、绕组变比；

负荷参数包括：转子电阻；定子、转子电抗；定子开路转子回路时间常数；转子惯性时间常数；初始滑差。

所述故障的设置、潮流计算以及暂态稳定计算均通过PSASP实现。

本发明使用了电力系统综合分析程序PSASP和MATLAB。其中电力系统的故障设置、潮流计算以及暂态稳定计算是在综稳程序PSASP中进行的，之后将仿真结果数据导入至MATLAB中求取暂态稳定测度指标及综合评价指标。

有益效果：

1、使用该方法能够详细直观地体现元件参数对系统暂态稳定性的影响程度，克服了故障极限切除时间、断面极限控制功率等常用的衡量暂态稳定水平指标对某些元件参数的灵敏度不高所存在的不足，实现了元件参数对暂态稳定性影响程度的定量评价，为分析元件参数对暂态稳定性的影响程度提供新的思路。

2、使用该方法能够明确各元件参数对暂态稳定性的影响程度及其影响规律性，这可为指导电网运行及采取有效的控制措施提供一定的参考价值，为确保电网的安全稳定运行和可靠供电奠定基础。

3、使用该方法能够把握不同元件参数对仿真结果的影响程度，从而可以据此对仿真结果的准确性和可以信赖的程度做出判断和评估，而仿真计算结果准确与否，直接关系到电网调度控制决策的正确性和科学性，因而根据该方法的分析结果，可为电网的调度运行提供决策参考依据。

附图说明

图1为本发明暂态功角稳定测度指标示意图；

图2为本发明暂态电压稳定测度指标示意图；

图3为本发明方法流程图；

图4为实施例1中A省电网架构示意图；

图5为实施例1功角轨迹变化曲线；

图6为实施例1电压轨迹变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的具体说明。

本发明方法及原理为：

(1)、选取所研究的电网中的功角和电压监测点。

选取的监测点能一定程度上反映研究电网的稳定性状况，如：地区i是所研究的电网中稳定性最薄弱的区域，那么该区域的稳定性水平能反映所研究的电网的稳定性状况，从而可以选取该区域的发电机功角作为功角监测点，选取该区域的变电站母线电压作为电压监测点。

(2)、计算系统监测点的功角初值δ₀和电压初值V₀以及功角轨迹曲线δ(t)和电压轨迹曲线V(t)。

通过潮流计算得到监测点的功角初值δ₀和电压初值V₀；然后暂态稳定计算得到功角轨迹曲线δ(t)和电压轨迹曲线V(t)。

(3)、定义电力系统的暂态稳定测度指标并计算其值:

电力系统发生严重故障时，故障后发电机功角的第一摆幅值与周期和电压的跌落程度与恢复时间对系统暂态稳定性具有重要影响。对功角而言，为综合考虑第一摆幅值和周期对暂态稳定性的影响，以功角变化曲线相对稳态值在第一摆周期内形成的上半曲面面积作为新的功角稳定测度指标，该曲面面积如图1功角曲线图中的阴影部分，将该面积记为S_δ，其计算公式如下。

$S_{\mathrm{\δ}}={\∫}_0^{T_1}|\mathrm{\δ}\left(t\right)-{\mathrm{\δ}}_0|dt---\left(1\right)$

式(1)中，T₁是故障后功角第一次恢复至初始稳态值的时间，简记为初次恢复时间，δ₀是功角的稳态值。

不难知道，功角初次恢复时间与功角第一摆周期是正相关的，第一摆周期越小，功角初次恢复时间也就越短，恢复得越快；第一摆周期越大，功角初次恢复时间也就越长，恢复得越慢。因此，当功角第一摆幅值和周期减小时，S_δ也相应地减小，功角稳定性水平提高；当功角第一摆幅值和周期增大时，S_δ也相应地增大，功角稳定性水平降低。因此，S_δ的变化能在一定程度上反映功角稳定性的变化情况，S_δ变化越大，对功角稳定性的影响程度也越大，反之也就越小。

同样地，对电压而言，为综合考虑电压的跌落程度和恢复时间对暂态稳定性的影响，以电压变化曲线相对电压恢复值(一般取0.9pu)(0.9pu为标么值，是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值，单位为pu。标幺值＝实际值/基准值。)在恢复时间内(故障切除时刻至电压恢复到0.9pu所需的时间)形成的曲面面积作为新的电压稳定测度指标，该曲面面积如图2电压曲线图中的阴影部分，将该面积记为S_v，其计算公式如下。

$S_v={\∫}_{t_1}^{t_2}|V\left(t\right)-0.9V_0|dt---\left(2\right)$

式(2)中，t₁、t₂分别是故障切除时刻和电压恢复至0.9pu对应的时刻，V₀是电压的稳态值。

当电压跌落程度和恢复时间减小时，S_v也相应地减小，电压稳定性水平提高；当电压跌落程度和恢复时间增大时，S_v也相应地增大，电压稳定性水平降低。因此，S_v的变化能在一定程度上反映电压稳定性的变化情况，S_v变化越大，对电压稳定性的影响程度也越大，反之也就越小。

(4)、根据步骤(3)得到的结果，进一步计算系统的综合评价指标：

为分析比较参数对暂态稳定性的影响程度，分别将各参数以一定步长在初始值上下进行变化，分析各参数对上述定义的暂态稳定测度指标的影响情况，将各参数的测度指标变化量平方和的均方值作为参数对暂态稳定性影响程度的综合评价指标，该值越大，说明参数对暂态稳定性的影响程度也越大，反之越小，其计算公式如式(3)、(4)所示。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\δ}}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{\mathrm{\δ}i}-S_{\mathrm{\δ}0})}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_v=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{vi}-S_{v0})}^2}---\left(4\right)$

其中，η_δ、η_v分别是功角和电压的综合评价指标值；S_δi、S_vi分别是参数第i次变化后功角和电压的稳定测度指标；n是参数变化的次数；S_δ0、S_v0分别是功角和电压的稳定测度指标的初值。

由上可知，该方法的计算过程如下：首先通过潮流计算得到系统监测点的功角初值δ₀和电压初值V₀；然后暂态稳定计算得到功角曲线δ(t)和电压曲线V(t)；再后根据式(1)、(2)计算S_δ和S_V；最后由式(3)、(4)即可得到η_δ和η_V。计算基本流程如图3所示。

本发明的工作原理是：功角稳定和电压稳定是系统稳定性的两种主要表现形式，功角和电压时域轨迹能够显示系统的稳定状况，其运动轨迹包含了系统稳定性的相关信息，通过分析功角和电压动态轨迹特征量与系统稳定性之间的关系，构建衡量系统暂态稳定水平的暂态稳定测度指标，然后以各元件参数对暂态稳定测度指标影响的灵敏度为指针，以暂态稳定测度指标变化量平方和的均方值为综合评价标准，运用摄动原理定量地比较不同参数变化时对暂态稳定性的影响程度。

某A省电网架构示意图如图4所示，按区域划分，该省共由5个地区电网组成。

本发明基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法包括以下步骤：

(1)、选取A省电网中的功角和电压监测点。

2地区是A省电网稳定性最薄弱的区域，该地区的稳定性水平能反映整个电网的稳定性状况，为简要分析起见，以该区域的G发电机功角为功角监测点，该区域的T变电站母线电压为电压监测点。

(2)、计算系统监测点的功角初值δ₀和电压初值V₀以及功角轨迹曲线δ(t)和电压轨迹曲线V(t)。

通过潮流计算可得系统功角和电压的初值如表1所示。

表1功角和电压的初值

经暂态稳定计算得到功角和电压的轨迹曲线如图5、图6所示。

(3)、根据公式(1)、(2)，计算系统的暂态稳定测度指标。

电力系统的组成元件有很多，包括同步发电机、调速器、励磁系统、输电线路、变压器以及负荷等。这里选取A省电网的元件参数有a、b、c、d、e、f、g、h共八个参数，a、b、c、d、e、f、g、h八个参数为A省主要电站的同步发电机和励磁系统参数，本实施例考察其参数对电网暂态稳定性的影响程度。元件参数a、b、c、d分别是同步发电机的直轴同步电抗、直轴暂态电抗、交轴同步电抗、转子惯性时间常数；e、f、g、h分别是励磁系统的串联校正直流增益、串联校正时间常数1、串联校正时间常数2、整流器负荷系数。当然，本发明方法对于调速器、输电线路、负荷等元件参数的计算分析也同样适用。

考察其对暂态稳定性的影响程度，当以上参数在一定范围内变化时，由公式(1)、(2)，计算得到各自对应的参数变化前后的暂态稳定测度指标值，如表2所示。

表2参数对暂态稳定测度指标的影响

注：表中各参数对应的每一列数据，是其余参数不变时，在各自初始值(100％)上下以一定步长进行变化计算得到的。对每一参数而言，百分比的含义是参数变化后的值与其初始值(100％)之比的百分数。

(4)、根据公式(3)、(4)，计算系统的综合评价指标。

根据步骤(3)得到各参数变化前后的暂态稳定测度指标值，由公式(3)、(4)，计算得到各参数的综合评价指标值如表3所示。

表3参数对综合评价指标的影响

注：表中各参数对应的每一列数据，是其余参数不变时，在各自初始值(100％)上下变化不同次数计算得到的。表3中的n是参数按一定步长变化的总次数，如n取2时，表示参数在初值上下各变化一次，对应于表2中的90％和110％所在行的数据，并由公式(3)、(4)进一步计算得到表3中n＝2所在行的数据，依此类推。

(5)、根据暂态稳定测度指标和综合评价指标的变化情况，对比分析各参数对暂态稳定性的影响程度。

从表2、3中的暂态稳定测度指标和综合评价指标的变化情况可以看出，本次计算的参数对暂态稳定性的影响程度由大到小依次是d、b、c、e、g、f、a、h。

需要说明的是：元件参数对系统暂态稳定性的影响程度及其影响大小排序与系统的网络结构和元件位置等因素有关，上述得到的元件参数影响程度的次序关系不一定具有普遍适用性，但是所提供的分析方法是具有普遍适应意义的。

另外，从表3中还可以看到，参数在初值正负方向变化的次数n分别取2、4、6时，参数的影响次序没有发生改变，分析结果都是一致的，只是n取值变大时，综合评价指标值都相应的增大，因而为分析计算的方便，参数变化的次数n取2即可(考虑变化的正负方向)。

Claims (5)

1.一种基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在所研究的电网中，选取功角监测点和电压监测点；

步骤二：定义电力系统的暂态稳定测度指标，包括与参数对应的功角稳定测度指标S_δ和电压稳定测度指标S_v、功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v；功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v用于表征研究参数对暂态稳定性影响程度；

参数第i次变化后的功角稳定测度指标表示为S_δi，其计算公式为：

$S_{\mathrm{\δ}i}={\∫}_0^{T_1}|{\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)-{\mathrm{\δ}}_0|dt---\left(1\right)$

其中，i＝0,2,...,n，T₁为故障后功角第一次恢复至初始稳态值的时间，δ₀为功角初始稳态值，δ_i(t)为参数第i次变化后的功角轨迹曲线；

参数第i次变化后的电压稳定测度指标表示为S_vi，其计算公式为：

$S_{vi}={\∫}_{t_1}^{t_2}|V_i\left(t\right)-0.9V_0|dt---\left(2\right)$

其中，i＝0,2,...,n，t₁、t₂分别是故障切除时刻和电压恢复至0.9V₀对应的时刻，V₀是电压初始稳态值，V_i(t)为参数第i次变化后的电压轨迹曲线；

功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v的计算公式分别为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\δ}}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{\mathrm{\δ}i}-S_{\mathrm{\δ}0})}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_v=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(S_{vi}-S_{v0})}^2}---\left(4\right)$

其中，n是参数变化的总次数；S_δ0和S_v0分别表示i＝0，即参数未变化，参数大小等于其初始值时的功角和电压稳定测度指标值；

步骤三：通过潮流计算得到功角监测点的功角初始稳态值δ₀和电压监测点的电压初始稳态值V₀；然后进行暂态稳定计算，得到i＝0，即参数未变化，参数大小等于其初始值时的功角曲线δ_o(t)和电压轨迹曲线V_o(t)；

步骤四：在初始值上下以设定步长改变某一研究参数，保持其它参数不变，参数变化的总次数为n；在每一次改变该研究参数后，进行一次暂态稳定计算，得到功角轨迹曲线δ_i(t)和电压轨迹曲线V_i(t)，i＝1,2,...,n；

步骤五：由公式(1)、(2)、(3)和(4)计算得到该研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v，获得该研究参数对暂态稳定性影响程度；

步骤六：根据步骤四和步骤五中的方法，依次计算每一个研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v；比较各研究参数对应的功角综合评价指标η_δ和电压综合评价指标η_v大小，得到各研究参数对暂态稳定性影响程度的相对大小。

2.根据权利要求1所述的基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，其特征在于，所述步骤一中，选取电网中稳定性最薄弱的区域，将该区域的发电机功角作为功角监测点，将该区域的变电站母线电压作为电压监测点。

3.根据权利要求1所述的基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，其特征在于，所述步骤四中，参数变化的总次数n＝2，所述设定步长为10％参数初始值。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，其特征在于，所述研究参数为电力系统中同步发电机、调速器、励磁系统、输电线路、变压器或负荷的参数。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的基于暂态稳定测度指标的参数影响程度分析方法，其特征在于，所述故障的设置、潮流计算以及暂态稳定计算均通过PSASP实现。