CN105305389B - 一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法，本发明将保护对象由单个过载线路扩展到输电断面整体，通过计算各可控节点对断面的综合灵敏度，并选取综合灵敏度大于设定阈值的节点；根据所选取出的各节点综合灵敏度符号和数值确定加、减出力节点操作序列，采用反向等量配对调整，选取调整节点(对)以保证断面安全；根据约束条件计算所选取的各调整节点的调整量，根据确定的调整量修改对应节点出力，并利用灵敏度关系修正断面内线路潮流，使修正后断面内各线路均没有过载。本发明对于断面内一条线路过载和多条线路过载均能有效处理，且所需时间在几毫秒到几十毫秒之间，计算速度快，能够在过负荷保护动作之前完成整个方案输出及执行。

Description

一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法

技术领域

本发明涉及一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法，属于输电断面安全性保护技术领域。

背景技术

近年来国际上屡屡发生的大停电事故多是因为系统因静态潮流越限而引起一系列连锁过载跳闸，动态问题随后加剧了事故的发展。连锁过载跳闸发生的一个重要原因是目前的继电保护以元件保护为己任，利用局部信息将运行异常的过载输电元件切除，而没有顾及过载切除后电网的安全性，保护和安全自动装置之间缺乏协调配合。因此，在我国即将实现全国联网，要求保障电网实时运行安全性之际，研究如何充分利用基于同步相量测量单元PMU(Phase Measurement Unit)的广域测量系统WAMS(Wider Area MeasurementSystem)和现代高速通信网络使分散安装的继电保护和安全自动装置彼此动作协调配合，避免连锁跳闸将是一项非常有意义且必要的研究工作。输电断面安全性保护的实现策略为：有支路发生过载时，先判断切除该过载支路是否会引起所在输电断面内其它支路的过载。如果不会，则允许过负荷保护将其切除以避免损坏元件；如果会，则在过负荷保护动作之前采取紧急控制措施消除支路过载，以保证输电断面的安全。

实现输电断面安全性保护包括三项关键技术：输电断面在线快速搜索，输电断面连锁过载的实时预测以及防止输电断面连锁跳闸的实时控制。本发明重点研究第三项关键技术，即如何采取紧急控制措施快速有效地消除支路过载。

采取措施来消除系统中原支路过载并同时保证无新支路越限，属于有功安全校正范畴。传统静态有功安全校正主要包括优化控制和灵敏度两大类。优化规划方法由目标函数和约束条件得到数学模型的最优解，因此经济性和安全性都较好，但快速有效性是紧急控制的第一要求，为达到控制方案最优而造成计算速度降低甚至可能存在收敛性问题的优化方法并不可取。而灵敏度方法无需迭代，不存在收敛性问题，易达到调整量最小或调整设备最少的目的，便于操作实施。而传统灵敏度算法中仅依据对过载支路的灵敏度正负区分加减出力节点，极有可能导致调整时出现新的过载，需要进行多次潮流校验，不能满足紧急控制的速度要求。现有的综合灵敏度算法虽考虑了过载线路及接近极限线路的综合作用，但没有考虑权重差异，调整量确定方案等仍不够完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法，以快速有效地消除支路过载。

本发明为解决上述技术问题提供了一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法，该控制方法的步骤如下：

1)获取断面内各支路的运行状态；

2)计算各可控节点对断面的综合灵敏度，并选取综合灵敏度大于设定阈值值的节点；

3)根据所选取出的各节点综合灵敏度符号和数值确定加、减出力节点操作序列，并采用反向等量配对原则选取调整节点对；

4)计算所选取的各调整节点的调整量，根据确定的调整量修改对应节点出力，并利用灵敏度关系修正断面内线路潮流；

5)判断修正后断面内各线路是否仍有过载，若仍有过载，则返回步骤2)，重复执行步骤2)-4)，直至修正后断面各线路均没有过载，并将调整方案发给执行机构。

所述在执行步骤2)之前，可先计算所有可控节点对断面内各支路的灵敏度，筛选出灵敏度大于设定值的可控节点，使步骤2)中只需计算所筛选出的可控节点的综合灵敏度，以提高计算效率。

所述步骤2)中综合灵敏度S_T-k的计算公式为：

其中S_l-k,S_m-k分别为节点k对过载线路l和正常线路m的灵敏度；α_l,α_m分别为过载线路和正常线路对应的权重。

所述S_T-k>0，表示节点出力调整方向与断面潮流变化方向相同，即节点减出力会降低断面潮流，将该类节点归为加出力节点；S_T-k<0时，归为减出力节点。

所述步骤3)中调整节点的选择采用反向等量配对原则，从加、减处理节点操作序列的第一个节点开始，选取具有可调量的节点进行顺序操作，为每一个加出力节点寻找一个减出力节点与之配对，为每一个减出力节点寻找一个加出力节点与之配对，且两者调整量的绝对值相等。

所述步骤3)中所选取的所选取的调整节点(对)应满足：a)保证断面内支路潮流总和是下降的；b)首先应尽量保证断面内所有过载支路潮流是下降的，若该条件不能满足，应当寻找至少使得过载最严重支路的潮流是下降的；c)保证运行接近极限的支路潮流不上升。

所述步骤4)中调整量的计算公式如下：

其中分别为加出力节点i的最大可加量和减出力节点j的最大可减量；ΔP_Ofys,ΔP_Nfys分别为针对过载线路和正常线路的潮流反向约束量；ΔP_ytl为由过载量求得的应调量；ΔP_ys-min为保证正常线路不越限的约束量。

所述灵敏度的计算公式为：

[D^P]＝[H][B′]^-1

其中[H]为稀疏的m×(n-1)阶常数矩阵，m为支路的条数，n为可控节点的数量，[B′]--直流潮流电纳矩阵，[D^P]为灵敏度矩阵，矩阵[D^P]中的每一个元素S_l-i＝ΔP_l/ΔP_i，其物理含义为当系统中某一节点i有功注入增加一个单位，相应的平衡机减少一个单位注入时，支路l的有功潮流变化量。

所述步骤1)中各支路的运行状态包括过载支路数及各自过载量、正常支路数及各自冗余量。

本发明的有益效果是:本发明将保护对象由单个过载线路扩展到输电断面整体，保证消除过载的同时正常支路不越限；通过计算各可控节点对断面的综合灵敏度，并选取综合灵敏度大于设定阈值的节点；根据所选取出的各节点综合灵敏度符号和数值确定加、减出力节点操作序列，采用反向等量配对调整，选取调整节点(对)以保证断面安全；根据约束条件计算所选取的各调整节点的调整量，根据确定的调整量修改对应节点出力，并利用灵敏度关系修正断面内线路潮流，使修正后断面内各线路均没有过载。本发明对于断面内一条线路过载和多条线路过载均能有效处理，且所需时间在几毫秒到几十毫秒之间，计算速度快，能够在过负荷保护动作之前完成整个方案输出及执行，实用性强。

本发明将节点对线路的灵敏度扩展为对断面的综合灵敏度，为输电断面内过载线路和正常线路的综合作用，使得综合灵敏度本身(数值和符号)具备了评价节点消除断面整体过载能力的信息。根据过载量和冗余量考虑权重差异，依据该综合灵敏度的符号进行节点调整方向分类，依据其大小筛选能有效调整断面潮流的节点。按照断面安全的原则选择调整节点，使调整节点的选择更加合理，并放宽条件，减少了平衡机越限的可能；完善调整量的约束条件，加入潮流反向约束避免调整量过大时线路的潮流反向增长。

附图说明

图1是本发明防止输电断面连锁过载的紧急控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中断面1的示意图；

图3是本发明实施例中断面2的示意图。

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说明。

本发明能够在找到过载线路所在输电断面及预测到切除线路会引起断面内其他支路新的过载的前提条件下，在过负荷保护动作之前采取紧急控制措施消除支路过载，保证输电断面的安全性；完善现有的综合灵敏度算法，在对节点进行分类时综合考虑节点对输电断面内过载线路和正常线路的共同作用，即研究如何调整节点出力消除断面过载且保证断面内没有新的线路过载。整个控制方法的流程如图1所示，具体的实施步骤如下：

1.获取断面内各支路的运行状态。

各支路的运行状态包括过载支路数及各自过载量、正常支路数及各自冗余量，可通过基态潮流获取。

2.计算所有可控点对断面内各支路的灵敏度，并筛选出灵敏度大于第一设定值的节点。

系统中的可控点包括发电机和负荷节点，当系统规模很大时，可控点数量很多，且存在很多线路灵敏度绝对值很小的节点，这些节点对消除过载的作用很微弱，可予以剔除或放在最后操作，本实施例通过计算各节点的灵敏度对进行节点进行初步筛选。

对于有m条支路和n个节点的网络，灵敏度矩阵的计算方法为

[D^P]＝[H][B′]^-1 (1)

其中[H]为稀疏的m×(n-1)阶常数矩阵，每行至多有两个元素，假如支路ij的支路号为l，则H_l-i＝B_ij＝-b_ij，H_l-j＝-B_ij＝b_ij，b_ij为支路ij的电纳；[B′]--直流潮流电纳矩阵；矩阵[D^P]中的每一个元素S_l-i＝ΔP_l/ΔP_i，其物理含义为当系统中某一节点i有功注入增加一个单位，相应的平衡机减少一个单位注入时，支路l的有功潮流变化量。

根据得到的各节点灵敏度，筛选出灵敏度S_l-i＞S_lset的可控节点，其中S_lset为设定阈值，可取0.01。

3.计算各筛选出的节点对断面的综合灵敏度，并选取综合灵敏度大于第二设定值的节点。

本步骤是为了进一步筛选出对消除断面过载较有效且对消除线路过载较有效的节点。

假设断面T包含L条过载线路和M条正常线路，节点k对断面T的综合灵敏度S_T-k计算如下：

其中：S_l-k,S_m-k分别为节点k对过载线路l和正常线路m的灵敏度；α_l,α_m分别为过载线路和正常线路对应的权重。

过载线路的过载量越大，消除过载的需求越迫切；正常线路的冗余量越小，对控制的约束越强，则对应权重越大，分别以过载最严重支路和冗余量最小线路为基准，确定如下权重：

式中：λ为过载支路与正常支路的整体指标权重(λ＞1)，初步规定为1.5；ΔP_l为过载支路l的过载量；ΔP_l-max为过载最严重支路的过载量；ΔP_m为正常支路m的冗余量；ΔP_m-min为断面内冗余量最小的正常支路冗余量。

由于综合灵敏度的计算考虑了断面内过载支路和正常支路的共同影响，因此综合灵敏度本身(数值和符号)具备了评价节点消除断面整体过载能力的信息。S_T-k的绝对值越大，调整节点出力对消除断面过载越有利。当系统规模很大时，控制节点数量很多，而对消除断面整体过载真正有效的节点并不多，为降低计算量，可以根据综合灵敏度大小选择适当的阈值S_Tset，以筛选出比较理想的控制节点作为最先调整的节点集合，以便使整体潮流较快地降至安全水平。阈值S_Tset根据实际情况取值，由于发电机调整优于负荷调整，相对于负荷，发电机门槛值可取较低值，本例中根据实际情况，考虑到平衡机可减量明显小于可加量，为避免平衡机越限，希望其他调整节点减出力量较多。综合考虑，S_Tset取值如下：当节点为发电机减出力节点时，阈值S_Tset取0.01，当节点为发电机加处理节点时，阈值S_Tset取0.02，当节点为负荷节点时，阈值S_Tset取0.02。

4.根据所选取出的各节点综合灵敏度符号和数值确定加、减出力节点操作序列，并采用反向等量配对原则选取调整节点(对)。

S_T-k>0，表示节点出力调整方向与断面潮流变化方向相同，即节点减出力会降低断面潮流，将该类节点归为加出力节点；S_T-k<0时，归为减出力节点。根据S_T-k的绝对值降序排列得到加、减出力节点操作序列，由于发电机调整优先于负荷切除，在操作序列中将发电机节点排在负荷节点之前。

调整节点的选取采用反向等量配对原则，所选取的调整节点对需保证断面安全。

为尽可能避免平衡机越限，应用反向等量配对调整原则，从加、减出力节点操作序列的第一个节点开始，选取具有可调量的节点进行顺序操作，为每一个加出力节点i寻找一个减出力节点j与之配对，反之亦然，两者调整量绝对值相等。

每次都选择一个调整对(两个节点)确定相应控制量，但并非立即对该调整对采取实际控制，而是作为总体控制中的一个步骤，后续步骤修正已参与过调整的节点的控制量，当最终方案得出后才执行实际紧急控制，这样也避免了单一节点配对，实现了多个节点顺序配对调整。平衡机在无可加出力节点或无可减出力节点时调整出力。当平衡机出力改变量达到限值时，考虑切负荷。

一次配对调整计算中，选取的调整对灵敏度表示为

SS_l-ij＝S_l-i-S_l-j (4)

式中：S_l-i,S_l-j分别为加出力节点i，减出力节点j对支路l的灵敏度。

本发明的目的是调整有效节点降低输电断面整体潮流，保证断面在安全范围之内，因此选取的调整节点对应满足以下两点要求：

A.保证断面最终潮流小于最大传输容量(包括各种静态及动态安全约束)。因此调整节点出力首先应保证断面内支路潮流总和是下降的，即其中反映在指定的断面潮流方向下，调整节点i对断面T内支路潮流总和的影响效果。

B.保证断面内无任何支路过载。因此调整节点出力首先应尽量保证断面内所有过载支路潮流是下降的，若该条件不能满足，应当寻找至少使得过载最严重支路的潮流是下降的，即SS_l-ij＜0首先对于所有过载支路成立。当SS_l-ij＞0时需进一步判断S_l-i和S_l-j的符号：当S_l-i＞0时按加出力节点操作序列寻找下一加出力节点，S_l-j＜0时按减出力节点操作序列寻找下一减出力节点，直到SS_l-ij＜0对所有过载支路成立。按操作序列搜索完成后仍不满足时，寻找SS_l-ij＜0对于过载最严重支路成立的节点对。此外由于断面内存在运行接近极限的支路(定义为冗余量小于0.01倍限值的线路)，称之为警戒线路，应保证其潮流不上升，即SS_l-ij＜0也对警戒线路成立。

按照上述两个规则选取调整节点，可能会出现平衡机越限，因此，当按照A、B发现没有合适的调整节点或此时平衡机已没有可调量时，放宽约束条件，按照加、减出力节点操作序列，寻找使得断面内支路潮流总和下降的节点对，并进行调整即可。

5.计算所选取调整节点的调整量，根据确定的调整量修改对应节点出力，并利用灵敏度关系修正断面内线路潮流。

一次配对调整计算中的调整量由下式确定

式中：

a)分别为加出力节点i的最大可加量和减出力节点j的最大可减量。

b)ΔP_ytl为由过载量求得的应调量。对于一条过载线路，设其过载量为ΔP_l，当SS_l-ij＜0时，表示调整节点出力将使该线路潮流下降；为消除过载，节点调整量应为ΔP′_ytl＝-ΔP_l/SS_l-ij，当断面内存在多条过载支路时，应调量应取最大值，即ΔP_ytl＝max{ΔP′_ytl1,ΔP′_ytl2,…}。

c)ΔP_ys-min为保证正常线路不越限的约束量：对于一条正常线路，设其冗余量为ΔP_m，当SS_l-ij＞0时，表示调整节点出力将使该线路潮流上升，甚至超过上限值，因此需要对调整量进行约束；约束量为ΔP_ys＝ΔP_m/SS_l-ij，为保证所有正常线路均不越限，约束量确定为最小值，即ΔP_ys-min＝min{ΔP_ys1,ΔP_ys2,…}。

d)ΔP_Ofys,ΔP_Nfys分别为针对过载线路和正常线路的潮流反向约束量。当SS_l-ij＜0时，表示调整节点出力将使线路潮流下降，这是期望结果，但若调整量过大，可能会引起线路潮流反向增大，对于安装有方向性保护的线路来说，潮流反向会导致保护失去作用，因此应当在调整量中加入反向约束，尽可能保证潮流不会反向增加；对于正常线路，设其当前有功功率为P₀，则潮流反向约束量为ΔP_Nf＝-P₀/SS_l-ij，为保证所有正常线路的有功潮流均不会反向增大，反向约束量应取最小值，即ΔP_Nfys＝min{ΔP_Nf1,ΔP_Nf2,…}。对于过载线路，按同样的方法确定ΔP_Ofys＝min{ΔP_Of1,ΔP_Of2,…}。

6.判断修正后断面内各线路是否仍有过载，若仍有过载，则返回步骤3)，重复执行步骤3-5，直至修正后断面各线路均没有过载，并将调整方案发给执行机构。

下面以表1和表3中的输电断面为例说明本发明的控制结果。所采用的断面例为某省电网系统，共有511个节点，942条支路，系统基准容量为100MVA。其中平衡机设在511号节点，有功出力上限为6.6，下限为4。

表1

表2

如表1所示，断面内共有6条支路，其中仅有1条支路过载，按照控制流程图得到控制方案如表2所示。可以看出，方案实施后，线路过载消除，且其他正常线路潮流均在安全极限值之下。调整节点数为3，总调整量为1.702288，由于对平衡机出力的处理，避免了平衡机参与调整，从而避免了平衡机越限的问题。

表3

表4

如表3所示，断面内共有11条支路，其中有3条支路过载。按照控制流程图得到控制方案如表4所示。可以看出，方案实施后，线路过载消除，且其他正常线路潮流均在安全极限值之下。调整节点数为6，总调整量为1.398544，且同样避免了平衡机越限的问题。

因此，本发明对于断面内一条线路过载和多条线路过载均能有效处理，均能保证过载消除的同时不会出现其他正常线路新的过载，且所需时间在几毫秒到几十毫秒之间，计算速度快，能在过负荷保护动作之前完成整个方案输出及执行，满足输电断面安全性保护对快速性要求，实用价值高。

Claims (9)

1.一种防止输电断面连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，该控制方法的步骤如下：

1)获取断面内各支路的运行状态；

2)计算各可控节点对断面的综合灵敏度，并选取综合灵敏度大于设定阈值的节点；

3)根据所选取出的各节点综合灵敏度符号和数值确定加、减出力节点操作序列，并采用反向等量配对原则选取调整节点对；

4)计算所选取的各调整节点的调整量，根据确定的调整量修改对应节点出力，并利用灵敏度关系修正断面内线路潮流；所述调整量的计算公式如下：

其中ΔP_i ^max，分别为加出力节点i的最大可加量和减出力节点j的最大可减量；ΔP_Ofys,ΔP_Nfys分别为针对过载线路和正常线路的潮流反向约束量；ΔP_ytl为由过载量求得的应调量；ΔP_ys-min为保证正常线路不越限的约束量；

5)判断修正后断面内各线路是否仍有过载，若仍有过载，则返回步骤2)，重复执行步骤2)-4)，直至修正后断面各线路均没有过载，并将调整方案发给执行机构。

2.根据权利要求1所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，在执行步骤2)之前，可先计算所有可控节点对断面内各支路的灵敏度，筛选出灵敏度大于设定值的可控节点，使步骤2)中只需计算所筛选出的可控节点的综合灵敏度，以提高计算效率。

3.根据权利要求1或2所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤2)中综合灵敏度S_T-k的计算公式为：

其中S_l-k,S_m-k分别为节点k对过载线路l和正常线路m的灵敏度；α_l,α_m分别为过载线路和正常线路对应的权重。

4.根据权利要求3所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述S_T-k>0，表示节点出力调整方向与断面潮流变化方向相同，即节点减出力会降低断面潮流，将该类节点归为加出力节点；S_T-k<0时，归为减出力节点。

5.根据权利要求4所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤3)中调整节点对的选择采用反向等量配对原则，从加、减处理节点操作序列的第一个节点开始，选取具有可调量的节点进行顺序操作，为每一个加出力节点寻找一个减出力节点与之配对，为每一个减出力节点寻找一个加出力节点与之配对，且两者调整量的绝对值相等。

6.根据权利要求5所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤3)中所选取的调整节点对应满足：a)保证断面内支路潮流总和是下降的；b)首先应尽量保证断面内所有过载支路潮流是下降的，若该条件不能满足，应当寻找至少使得过载最严重支路的潮流是下降的；c)保证运行接近极限的支路潮流不上升。

7.根据权利要求1所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤5)中的发给执行机构的调整方案作为最终实际调整方案，而步骤4)仅确定调整量，并非立即对该调整对采取实际控制，而是作为总体控制中的一个步骤，后续步骤修正已参与过调整的节点的控制量，当最终方案得出后才执行实际紧急控制，从而实现多个节点顺序配对调整。

8.根据权利要求2所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述节点对线路的灵敏度的计算公式为：

[D^P]＝[H][B′]^-1

其中[H]为稀疏的m×(n-1)阶常数矩阵，m为支路的条数，n为可控节点的数量，[B′]--直流潮流电纳矩阵，[D^P]为灵敏度矩阵，矩阵[D^P]中的每一个元素S_l-i＝ΔP_l/ΔP_i，其物理含义为当系统中某一节点i有功注入增加一个单位，相应的平衡机减少一个单位注入时，支路l的有功潮流变化量。

9.根据权利要求1所述的防止输电断面内连锁过载的紧急控制方法，其特征在于，所述步骤1)中各支路的运行状态包括过载支路数及各自过载量、正常支路数及各自冗余量。