CN105244887A - 电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，本发明通过从广域测量系统获取实时量测信息，根据所述实时量测信息以及电力系统的惯量中心，确定需要切除的发电机组，并进行切机控制；基于广域量测系统继续监测电力系统的运行状态，根据暂态功角失稳判据对电力系统稳定性进行判定，若电力系统失稳，则采取切机控制措施，直至系统恢复稳定，从而形成一个闭环控制策略，提高电力系统暂态功角失稳控制措施的有效性。

Description

电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法。

背景技术

随着互联电网的规模越来越大，风能、太阳能等新能源的大规模接入，新型电力电子装置的广泛应用，电网的暂态稳定特性越来越复杂。传统基于事件的“离线决策，在线匹配”和“在线决策，实时匹配”的暂态稳定分析与控制模式已不能满足大电网安全稳定运行要求，逐渐向着“实时决策，实时控制”的方向发展。

与此同时，近年来广域测量系统的完善，为实现实时暂态稳定分析与控制提供了可能的技术手段。“实时控制”是建立在“实时分析”的基础之上的，对受扰后的系统，判断稳定性只是暂态稳定研究的第一步。当识别出系统即将失稳时，如何进行适当的控制以避免系统失稳才是研究的最终目的。

基于广域量测信息的暂态稳定控制，主要涉及到控制措施的量化分析及控制措施的优化两方面。控制措施的量化分析，即控制变量与表征系统稳定特性的状态变量之间的轨迹灵敏度关系，早期的轨迹灵敏度研究，主要基于暂态稳定问题的数学模型，进行数值积分运算得到。这种方法不但计算量巨大，而且依赖于仿真模型和参数的准确性，很难用于在线暂态稳定控制。广域测量系统的出现，使得利用实测响应数据求取灵敏度成为可能，这就避免了模型和参数的影响，能更真实地反映控制变量与状态变量之间的内在联系。控制措施的优化是保证系统在受扰后能恢复稳定运行的前提下，使控制代价最小的问题。对于基于广域量测信息的暂态稳定控制策略而言，控制措施的优化包含两层含义：一是采用何种控制措施，其本质是研究不同的失稳模式。不同类型的控制措施在不同的失稳模式下具有不同的效果，根据系统状态确定失稳模式，进而才能选择最有效的控制措施类型；二是在何处进行控制，其本质反映的是控制变量与状态变量之间的灵敏度关系。系统失稳时，在不同地点采取同一类型的控制措施，其效果往往是不同的，因此需要在最合理的地点实施控制措施，才能保证控制措施的效果。因此，目前电力系统中基于广域量测信息的暂态失稳控制措施的有效性不够理想。

发明内容

针对上述现有技术中存在的电力系统中基于广域量测信息的暂态失稳控制措施的有效性不够理想的问题，本发明的目的在于提供一种电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，能够提高电力系统暂态功角失稳控制措施的有效性。

一种电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，包括以下步骤：

获取广域测量系统中的实时量测信息，根据所述实时量测信息中发电机组切机控制装置的配置信息以及发电机组的运行状态确定参与切机控制的发电机组；

获取所述实时量测信息中发电机组的动态特征信息；

根据所述发电机组的动态特征信息以及电力系统的惯量中心，获取所述参与切机控制的发电机组的暂态动能；

根据所述参与切机控制的发电机组的暂态动能，确定切除的发电机组，并进行切机控制。

本发明的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，通过从广域测量系统获取实时量测信息，根据所述实时量测信息以及电力系统的惯量中心，确定需要切除的发电机组，并进行切机控制。本发明根据失稳的具体情况而制定相应的切机控制，其所使用的物理量均来自于实时量测信息，从而能够提高电力系统暂态功角失稳控制措施的有效性。

附图说明

图1为一个实施例的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法的流程示意图；

图2为一个实施例的振荡两区域系统的结构示意图；

图3为另一个实施例的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法的流程示意图；

图4为另一个实施例的IEEE9节点系统的网架机构示意图；

图5为一个实施例的全网功角曲线示意图；

图6为一个实施例的采取切机措施后发电机组的功角曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

请参阅图1中一个实施例的一种电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法的流程示意图。

S102，获取广域测量系统中的实时量测信息。

所述实时量测信息包括发电机组切机控制装置的配置信息、发电机组的运行状态信息、以及发电机组的动态特征信息等电力系统暂态功角失稳时的实时数据信息。通过该步骤，获得切机控制措施的原始物理量数据，提高电力系统暂态功角失稳控制措施中原始物理量数据的准确性。

S104，根据所述实时量测信息中发电机组切机控制装置的配置信息以及发电机组的运行状态确定参与切机控制的发电机组。

其中，所述发电机组切机控制装置的配置信息包括：发电机组与切机控制装置的关联信息、发电机组ID信息、发电机组地理位置信息、发电机组参数信息、切机控制装置ID信息、切机控制装置地理位置信息、切机控制装置参数信息等；所述发电机组的运行状态包括启动状态、停止状态等工作状态。通过该步骤来确定参与切机控制的发电机组，能缩短切机控制措施的制定时间，进而提高切机控制措施的制定效率。

S106，获取所述实时量测信息中发电机组的动态特征信息。

所述动态特征信息的采样周期与广域量测系统中测量单元的采样周期相同，从而使得动态特征信息与广域量测系统中的数据同步，数据准确度更高。

在其中一个实施例中，所述发电机组的动态特征信息包括：

发电机组的角速度信息，其中，第i时刻第k台发电机的角速度为ω_k ⁱ。

S108，根据所述发电机组的动态特征信息以及电力系统的惯量中心，得到所述参与切机控制的发电机组的暂态动能。

在其中一个实施例中，所述电力系统的惯量中心为：

其中为第i时刻电力系统的惯量中心，n为所述发电机组的数量，M_k为第k台发电机组的惯性时间常数。

根据李雅普诺夫稳定性理论，对于多机互联电力系统，系统同步坐标下的暂态动能E_k、暂态势能E_p及全系统暂态能量E可定义如下：

$E_k=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_k{\left({\mathrm{\Δ\ω}}_k\right)}^2---\left(1\right)$

$E_p=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_s}^{\mathrm{\δ}}(P_{ek}-P_{mk}){\mathrm{d\δ}}_k$

E＝E_k+E_p

其中δ_k为发电机组k的转子角，Δω_k为发电机组k的转速与同步速的偏差，M_k为发电机组k的转子惯性时间常数，P_mk、P_ek分别为发电机组k的机械功率和电磁功率，δ_s为失稳后系统稳定平衡点所对应的发电机组功角，作为势能的参考点。故障切除时系统的动能和势能分别为：

$E_k{|}_c=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{M}_k{\mathrm{\Δ\ω}}_{ck}^2=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_0}^{{\mathrm{\δ}}_c}\left(M_k\frac{{\mathrm{d\Δ\ω}}_k}{dt}\right){\mathrm{d\δ}}_k=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_0}^{{\mathrm{\δ}}_c}(P_{mk}-P_{ek}^f){\mathrm{d\δ}}_k$

$E_p{|}_c=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_s}^{{\mathrm{\δ}}_c}(P_{ek}^{fc}-P_{mk}){\mathrm{d\δ}}_k$

其中δ_c、Δω_c分别为故障切除时的功角和转速差；为故障期间的电磁功率；为故障清除后的电磁功率。

根据上述同步坐标下的暂态能量函数定义可知，所定义的暂态动能为全系统发电机组动能之和。当系统受扰后稳定运行在一个高于同步转速的频率上，即Δω_k≠0，则由式(1)可知所定义的系统暂态动能不为零。实际上，这个能量对系统失步并不起作用，可见在同步坐标下所定义的暂态动能并不能精确反映导致系统失步的能量，会影响分析结果的正确性。

惯量中心坐标下的暂态动能与同步坐标下的暂态动能相比，减少了惯量中心自身运动的动能，这部分动能对系统失步而言并不起作用。因此该步骤中，基于惯量中心坐标下的电力系统的惯量中心进行暂态稳定分析，能提高分析的正确性。

S110，根据所述参与切机控制的发电机组的暂态动能，确定切除的发电机组，并进行切机控制。

在其中一个实施例中，所述根据参与切机控制的发电机组的暂态动能，确定切除的发电机组的步骤包括：

将所述参与切机控制的发电机组按照暂态动能的大小进行从大到小的排序；

根据排序结果以及切机控制条件，确定切除的发电机组，其中，所述切机控制条件为其中c为排序前c台的发电机组，s为参与切机控制的发电机组总数，r为切机量控制系数。

通过该步骤中参与切机控制的发电机组的暂态动能，来确定需要切除的发电机组，使得电力系统暂态功角失稳控制的措施制定，能够根据失稳的具体情况而制定相应的切机控制，提高其措施的效果。

本实施例通过从广域测量系统获取实时量测信息，根据所述实时量测信息以及电力系统的惯量中心，确定需要切除的发电机组，并进行切机控制。本实施例根据失稳的具体情况而制定相应的切机控制，其所使用的物理量均来自于实时量测信息，从而能够提高电力系统暂态功角失稳控制措施的有效性。

在其中一个实施例中，所述电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，还包括电力系统暂态功角失稳的判断步骤：

根据所述实时量测信息，以及暂态功角失稳状态判断模型判断电力系统的暂态稳定性，若满足所述判断模型，则判定电力系统处于暂态功角失稳状态，否则，判定电力系统处于暂态功角稳定状态；

其中，所述实时量测信息包括第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的有功功率首端母线电压相角末端母线电压相角以及送端母线频率所述判断模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{ek}^i=P_{ek}^i-P_e^{i-T}<0\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_k^i={\mathrm{\&theta;}}_k^i-{\mathrm{\&theta;}}_k^{i-T}>0\\ {\mathrm{\&Delta;f}}_k^i=f_k^i-f_k^{i-T}>0\end{array}\right.,$

式中，T为实时量测信息的采样周期、为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的有功功率变化量、为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的母线电压相角差变化量、其中为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的母线电压相角差、以及为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的送端母线频率变化量。

该实施例中，根据实时量测信息判断系统是否稳定，互联系统受到扰动后的暂态功角稳定性，取决于输电网络的运行状态。

如图2所示的振荡两区域系统。联络线两端的相角差可直观表示区域A和区域B作相对运动，当相角差减小时，说明区域A和区域B趋于同步，此时不可能发生失稳；当相角差增大时，说明区域A和区域B有失步的趋势。但系统是否真正失去同步取决于联络线有功功率与等值机械功率的变化趋势，当相角差持续增大，而有功功率持续减小，直至等值发电机组再加速时，系统将失去稳定。

等值发电机组再加速，依公式：ω＝2πf，可知Δω_i＝2πΔf_i＝2π(f_i-f_i-1)＞0，则f_i-f_i-1＞0，从而得到如下判据模型：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{ek}^i=P_{ek}^i-P_{ek}^{i-T}<0\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}^i={\mathrm{\&theta;}}^i-{\mathrm{\&theta;}}^{i-T}>0\\ {\mathrm{\&Delta;f}}_k^i=f_k^i-f_k^{i-T}>0\end{array}\right.,$

若满足所述判断模型，则判定电力系统处于暂态功角失稳状态，否则，判定电力系统处于暂态功角稳定状态。

该实施例通过对电力系统暂态稳定性的判断，能够及时检测出电力系统暂态功角的失稳状态，从而提高所述电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法的时效性。

以下为本发明的一个优选实施方式，如图3所示：

以IEEE9节点系统为例，该系统的网架机构示意图如图4所示，系统中各负荷均为恒阻抗，采用的仿真计算工具为全过程动态仿真程序(PSD-FDS，电力系统全过程动态仿真程序)，用仿真程序得到的扰动响应数据来模拟广域测量系统的实时量测信息。故障条件为0s时线路bus5-bus7发生三相短路，0.21s故障切除，全网功角曲线如图5所示，可知系统发生暂态功角失稳。

步骤S1：通过实时量测信息确定参与切机控制的机组，即通过实时量测信息确定在此轮切机控制中，所有可以参与切机控制的机组。本实施方式中G1号发电机为平衡机，不参与切机控制，所有参与切机控制的机组为{G2,G3}。

步骤S2：从海量量测数据中，提取系统中发电机的动态特征信息。故障后数据从0s开始，包括G1、G2、G3号发电机的角速度信息。

步骤S3：利用电力系统的惯量中心计算惯量中心坐标下参与切机控制策略机组的暂态动能。

电力系统的惯量中心为：其中n为电力系统中发电机的总台数，M_k为第k台发电机的惯性时间常数，则惯量中心坐标下第i时刻第k台发电机的角速度偏差为：则第i时刻第k台发电机的暂态动能为：由角速度信息，计算0.30s时G2、G3号发电机的暂态动能分别为2.8217及0.4632。

步骤S4：依机组暂态动能从大到小的原则将所有可以参与切机控制的机组进行排序，确定本轮次切除的机组并进行切机控制。本轮次需切除的机组，其暂态动能需满足下列条件：

$\underset{k=1}{\overset{c-1}{\&Sigma;}}{E}_k^i\&le;r\underset{k=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}{E}_k^i\&le;\underset{k=1}{\overset{c}{\&Sigma;}}{E}_k^i,$

其中c为排序前c台的发电机组，s为参与切机控制的发电机组总数，r为切机量控制系数。通过计算得到，c值取为0.7，则需要切除的暂态动能为2.2994，因此，根据机组排序及切除的暂态能量可知，本轮切机措施为：0.3s时切除G2号发电机。

步骤S5：根据实时量测信息判断电力系统暂态稳定性，失稳判据条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{ek}^i=P_{ek}^i-P_{ek}^{i-T}<0\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}^i={\mathrm{\&theta;}}^i-{\mathrm{\&theta;}}^{i-T}>0\\ {\mathrm{\&Delta;f}}_k^i=f_k^i-f_k^{i-T}>0\end{array}\right.,$

若满足上述条件，则电力系统仍处于暂态功角失稳状态，执行步骤S6，不满足上述条件，则电力系统恢复稳定，切机控制结束。由计算可知，采取切机控制措施后，支路bus9-bus8之间的相角差维持在5.413度不变，因此上述失稳判别条件不成立，图5为采取切机措施后发电机的功角曲线，进一步证明了采取切机措施后系统稳定。

步骤S6：系统稳定，切机控制结束。

本实施例通过从广域测量系统获取实时量测信息，根据所述实时量测信息以及电力系统的惯量中心，确定需要切除的发电机组，并进行切机控制；基于广域量测系统继续监测电力系统的运行状态，根据暂态功角失稳判据对电力系统稳定性进行判定，若电力系统失稳，则采取切机控制措施，直至系统恢复稳定，从而形成一个闭环控制策略，提高电力系统暂态功角失稳控制措施的有效性。

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本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 (6)

1.一种电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取广域测量系统中的实时量测信息，根据所述实时量测信息中发电机组切机控制装置的配置信息以及发电机组的运行状态确定参与切机控制的发电机组；

获取所述实时量测信息中发电机组的动态特征信息；

根据所述发电机组的动态特征信息以及电力系统的惯量中心，得到所述参与切机控制的发电机组的暂态动能；

根据所述参与切机控制的发电机组的暂态动能，确定切除的发电机组，并进行切机控制。

2.根据权利要求1所述的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，所述发电机组的动态特征信息包括：

发电机组的角速度信息，其中，第i时刻第k台发电机的角速度为

3.根据权利要求2所述的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，所述电力系统的惯量中心为：

其中为第i时刻电力系统的惯量中心，n为所述发电机组的数量，M_k为第k台发电机组的惯性时间常数。

4.根据权利要求3所述的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，所述参与切机控制的发电机组的暂态动能通过以下公式计算：

其中 为所述惯量中心下第i时刻第k台发电机组的角速度偏差。

5.根据权利要求4所述的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，所述根据参与切机控制的发电机组的暂态动能，确定切除的发电机组的步骤包括：

将所述参与切机控制的发电机组按照暂态动能的大小进行从大到小的排序；

根据排序结果以及切机控制条件，确定切除的发电机组，其中，所述切机控制条件为其中c为排序前c台的发电机组，s为参与切机控制的发电机组总数，r为切机量控制系数。

6.根据权利要求1所述的电力系统暂态功角失稳的闭环控制方法，其特征在于，还包括电力系统暂态功角失稳的判断步骤：

根据所述实时量测信息，以及暂态功角失稳状态判断模型判断电力系统的暂态稳定性，若满足所述判断模型，则判定电力系统处于暂态功角失稳状态，否则，判定电力系统处于暂态功角稳定状态；

其中，所述实时量测信息包括第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的有功功率首端母线电压相角末端母线电压相角以及送端母线频率所述判断模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{ek}^i=P_{ek}^i-P_{ek}^{i-T}<0\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_k^i={\mathrm{\&theta;}}_k^i-{\mathrm{\&theta;}}_k^{i-T}>0\\ {\mathrm{\&Delta;f}}_k^i=f_k^i-f_k^{i-T}>0\end{array}\right.,$

式中，T为实时量测信息的采样周期、为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的有功功率变化量、为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的母线电压相角差变化量、其中为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的母线电压相角差、以及为第i时刻振荡联络断面上第k条联络线的送端母线频率变化量。