CN105552881B - 一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法 - Google Patents

一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法，其特点是，包括的步骤有：利用相量测量单元测量解列断面线路两侧母线的电压、相角、频率作为原始数据；计算中心计算线路两侧母线电压相角差Δθ>130°作为启动判据；启动系统失步解列判据；计算两同调机群是否过零；通过路径搜索算法确定线路集L；利用相量测量单元采集满足过零时刻的线路集L中所有线路两侧电压频率；计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零；计算中心发送解列指令控制最优断面处解列装置解列。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的优点。

Description

一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判 据方法
技术领域
本发明属于电力系统暂态安全稳定与控制技术领域，尤其涉及一种基于广域测量信息(Wide Area Measurement System,WAMS)的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法。
背景技术
从国内外近些年发生的大停电事故中我们可以得知，电力系统在运行和设计中尽管采取一系列措施提高系统稳定性，但仍有可能会遇到突发故障情况使系统丧失稳定，因此必须通过了解系统失去稳定后的现象并采取相应措施以减轻稳定破坏后所带来的伤害，迅速使系统恢复稳定运行。随着我国各大区域电网联系越来越紧密，将形成全国联网的巨型电力系统，增加了相应的联网效益的同时，也增加了故障处理不当时造成损害的严重程度，为了避免电力系统出现全网崩溃的情况发生，当系统受到大扰动的影响而失去同步时，失步解列作为防止系统崩溃的最后一道防线得到了广泛应用。
系统发生失步振荡时，直接表现为发电机之间相对功角失去同步并在0～360°范围内周期摆动，外在变现为系统内部某些线路上出现振荡中心导致线路上传输的有功功率周期性过零、电压过低引起保护装置动作。当多个发动机之间互相失去同步时，在系统内部可能出现多个振荡中心，极容易导致系统崩溃，此时需要将互相失去同步的发电机裂隔离开，使隔离后各个孤岛满足各自同步运行，等待时机成熟后再把系统连接成一个整体。失步解列工作首先根据离线计算分析的结果，将失步解列装置安装在现失步中心可能出现的线路上，通常为互联失步系统之间或失步机组与主系统电气连接线上，当系统发生振荡时，失步解列装置根据就地测量的信息是否满足失步解列判据来判定系统是否处于失步振荡状态，进而确定是否解列系统。电力系统失步解裂判据是研究系统失步振荡过程中电气量的变化规律，研究基于单个电气量或者多个电气量的判据，能够正确判断系统失步特征。目前已经有很多不同类型的失步解列判据，判据应用较多，根据振荡中心两侧无功功率呈现流入振荡中心的特征，因此判据可以通过寻找电压最低点来确定振荡中心的位置，但是实际应用中只能确定振荡中心出现的时刻，振荡中心的位置往往会判定失误；相位角判据依据两机群发生失步时相角的特征寻找振荡中心的方位，也不能判定具体位置；阻抗角判据与视在阻抗轨迹判据依据有功功率往复振荡过零的原理，判断电压与电流之间的函数关系是否进入整定区域，但相邻线路的有功功率也可能出现相同特征；无功功率积分判据通过无功功率积分来判断失步中心，通过测量线路两侧的电气量可以确定失步中心位置，但需要经历一次振荡周期才能确定，而且缺乏实用性。目前关于失步解列判据的研究难以适应系统实际中出现多频振荡情况时，由于多机群叠加的结果可能导致一条线路上出现两个振荡中心，从而造成另一条线路上解列装置检测不到振荡中心而不动作；传统的失步解列工作是由解列装置根据就地测量信息和设定的失步解列判据判断矢步中心所在位置是否在本线路上然后确定是否解列系统，忽略了失步机群之间联络断面上解列装置之间的互相配合；振荡中心所在线路未必是解列系统的最优选择，应考虑完成解列后可以使得各个孤岛不平衡功率之和最小，而在实际情况中满足不平衡功率最小的最优选择可能不是一条线路，而是由几条线路组成的断面，复杂系统正常运行时可能出现多种运行方式使得满足不平衡功率最小的最优断面发生变化，无法通过离线计算来确定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法，当前电力系统结构日趋完善，在系统无功储备充分的条件下当系统发生失步振荡时，可以满足一定时间的失步运行而非在第一时间将系统解列掉，因此研究一种基于广域测量信息在线采集信息，由计算中心下令指挥最优断面处解列装置动作、保证解列装置协调动作不误动、可以躲过复杂系统不同运行方式下不同故障、使得解列后各孤岛不平衡功率最小的交流系统多频振荡复合解列判据是具有实际意义的。
本发明的目的是这样实现的：一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1：广域测量信息(Wide Area Measurement System,WAMS)在线监测系统运行状态，电气量：电压、功角、相角、频率均可以通过相量测量单元(Phasor MeasurementUnit,PMU)进行采集；
步骤2：两侧母线电压相角差Δθ>130°作为解列装置启动判据，系统发生失步振荡时两个机群发电机转子角速度不同从而导致功角差在0～360°周期变化，两个机群摆开的功角差可以近似等值为线路两侧母线电压相角差Δθ，计算解列装置两侧母线电压相角差是否满足Δθ>130°，满足则代表系统发生了振荡，但还不能确定振荡类型，进入步骤3。不满足则回到步骤1监测阶段；
步骤3：启动解列装置失步解列判据；
步骤4：判断并计算联络线路是否过零，失步振荡时振荡中心所在线路连续变化而且过零，同步振荡时虽然连续变化但是电压不会为零，短路故障时不会连续变化。解列判据由于仅仅是基于等值两机模型推导的单端电气量判据，在实际应用中遇到线路两端等值电势不等和多频振荡时不能准确有效捕捉到失步中心，故用作辅助判据来区分系统当前状态以及振荡中心出现的时刻。满足则可以判定系统处于失步振荡状态，进入步骤5，不满足则代表系统没有发生失步振荡，返回步骤1；
步骤5：通过路径搜索算法确定线路集L，L中包括满足步骤4的线路以及与其邻近的串联、并联的线路；
步骤6：PMU采集满足过零时刻的线路集L中所有线路两侧电压频率；
步骤7：计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零，实际情况下振荡中心线路两侧电动势不会相同，但基于母线电压频率的解列判据能够适应实际情况中线路两端等值电势不等而导致振荡中心发生迁移的情况，振荡中心同一侧的电压频率变化趋势相同有交集但幅值不同，振荡中心两侧的电压频率变化趋势相反且没有交集，因此能够通过计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零来搜寻振荡中心的位置。满足则代表振荡中心就处于线路上进入步骤9，不满足则表示没有找到振荡中心，进入步骤8；
步骤8：对线路集L中下一条线路进行判断，直至搜寻到满足判据的线路为止；
步骤9：计算中心发送解列指令给处于最优断面的解列装置同一时刻将断面解开。
本发明一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法应用于多频振荡场景，考虑基于两种不同电气量的复合判据增加在实际情况中捕捉振荡中心的可靠性；考虑复杂系统多种运行方式，计算不同运行方式下切机切负荷最小的最优解列断面；考虑系统遇到小故障扰动以及同步振荡时解列装置不会误动；考虑最优解列断面可能不是振荡中心所处的线路，计算中心只命令最优断面上的解列装置同时解列系统。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的优点。
附图说明
图1是一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法的流程图。
图2是基于解列判据的等值两机系统说明图。
图3是基于解列判据的等值两机系统向量图。
图4是基于线路两侧母线电压频率失步解列判据的等值两机系统说明图。
图5是失步解列工作分层控制说明图。
图6是基于广域测量系统的最优断面搜索方法流程图。
图7是IEEE10机39节点系统单线图。
图8是10台发电机受扰动后相对功角曲线图。
图9是10台发电机分群结果示意图。
图10是IEEE10机39节点系统最优断面示意图。
图11是运行方式1下支路L26-29两端电压相角差示意图。
图12是运行方式1下支路L26-29两端电压频率示意图。
图13是运行方式2下支路L26-29两端电压相角差示意图。
图14是运行方式2下支路L26-29两端电压频率示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
参照图1，一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法，具体步骤如下：
步骤1：广域测量信息(Wide Area Measurement System,WAMS)在线监测系统运行状态，电气量：电压、功角、相角、频率均可以通过PMU进行采集；
步骤2：两侧母线电压相角差Δθ>130°作为解列装置启动判据，系统发生失步振荡时两个机群发电机转子角速度不同从而导致功角差在0～360°周期变化，两个机群摆开的功角差可以近似等值为线路两侧母线电压相角差Δθ，计算解列装置两侧母线电压相角差是否满足Δθ>130°，满足则代表系统发生了振荡，但还不能确定振荡类型，进入步骤3，不满足则回到步骤1监测阶段；
步骤3：启动解列装置失步解列判据；
步骤4：判断并计算联络线路是否过零，失步振荡时振荡中心所在线路连续变化而且过零，同步振荡时虽然连续变化但是电压不会为零，短路故障时不会连续变化。解列判据由于仅仅是基于等值两机模型推导的单端电气量判据，在实际应用中遇到线路两端等值电势不等和多频振荡时不能准确有效捕捉到失步中心，故用作辅助判据来区分系统当前状态以及振荡中心出现的时刻。满足则可以判定系统处于失步振荡状态，进入步骤5，不满足则代表系统没有发生失步振荡，返回步骤1；
步骤5：通过路径搜索算法确定线路集L，L中包括满足步骤4的线路以及与其邻近的串联、并联的线路；
步骤6：PMU采集满足过零时刻的线路集L中所有线路两侧电压频率；
步骤7：计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零，实际情况下振荡中心线路两侧电动势不会相同，但基于母线电压频率的解列判据能够适应实际情况中线路两端等值电势不等而导致振荡中心发生迁移的情况，振荡中心同一侧的电压频率变化趋势相同有交集但幅值不同，振荡中心两侧的电压频率变化趋势相反且没有交集，因此能够通过计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零来搜寻振荡中心的位置。满足则代表振荡中心就处于线路上进入步骤9，不满足则表示没有找到振荡中心，进入步骤8；
步骤8：对线路集L中下一条线路进行判断，直至搜寻到满足判据的线路为止；
步骤9：计算中心发送解列指令给处于最优断面的解列装置同一时刻将断面解开。
图2是基于解列判据的等值两机系统说明图，具体说明如下：
①如图2假定两个电势幅值相等的和分别为等值两机系统两端电势，送段M与受端N之间的系统阻抗角为90°。
②为便于计算，令为相位角为0°的参考相量，令电势超前的相角为α,两电势的幅值均为1，可以得到系统两侧电势的瞬时值为:
eN＝ENcosωNt＝cosωNt (1)
eM＝EMcosωMt＝cos((ωN+Δωt)+α) (2)
图3是基于解列判据的等值两机系统向量图，具体说明如下：
③如图3所示等值系统的相量图，可知等值两机系统的功角为:δ＝Δωt+α，振荡中心电压为由于测量是取在上的投影，是反映振荡中心电压的标量，可知：
④当系统失步运行时Δω≠0，即UC会出现周期性过零点，由于实际情况中不会出现两端等值电势相等的情况，判据只适用于判定系统振荡模式。
图4是基于线路两侧母线频率失步解列判据说明图，具体说明如下：
①如图4为等值两机系统模型，和分别表示两侧发电机等值电势，假设线路AB为与系统阻抗角相同的均匀联络线，忽略线路阻抗随频率的变化。线路上随机一点D到母线B的阻抗为ZDB，令g＝(ZDB+ZN)/ZΣ(0<g<1)，g表示D点位置系数。
②为了研究系统失步时的电压频率特性，各参量均采用瞬时值表示。
eM＝EMsinωMt (4)
eN＝ENsinωNt (5)
uD＝UDsinωDt (6)
式中：ωM、ωN和ωD分别为M侧系统、N侧系统和D点电势的瞬时频率；uD、UD分别为D点的电压瞬时值、峰值。假定A侧为送端系统，B侧为受端系统。Δω＝ωM-ωN为系统两侧频差，β＝EM/EN为系统两侧电势幅值比，任意时刻有：
uD＝eN+g(eM-eN)＝ENsin(ωNt)+g(EMsin(ωMt)-ENsin(ωNt)) (7)
因此点D电压峰值为：
当UD出现极小值时对应线路的位置即为振荡中心，当t＝kπ/Δω且k为奇数时，UD在g＝1/(1+k)处取极小值0。
③令γ＝ωNt+α，可知D点的瞬时电压频率为：
式中假定短时间内Δω为常数，不会影响D点电压频率变化规律，则电压频率可表示为：
④对t求导:
g＝1/(1+k)或t＝kπ/Δω，k取整数时ωD有极大值、极小值
⑴当g＝1/(1+k)时，即点D为失步中心，可得：
ωD＝(ωM+ωN)/2＝ωav (14)
式中ωav为两侧系统平均电压频率。
⑵当0<g<1/(1+k)时，同样考虑t＝kπ/Δω，ωD取得极值情况如下：
式中：当k为偶数时，即k＝2n，n取整数，此时ωD取得极大值；当k为奇数时，即k＝2n+1，n取整数，ωD取得极小值。
⑶当1/(1+k)<c<1时，考虑t＝kπ/Δω，ωD取得极值，表达式为：
式中：当k为偶数时，即k＝2n，n取整数，此时ωD取得极小值；当k为奇数时，即k＝2n+1，n取整数，ωD取得极大值。
图5是失步解列工作分层控制说明图，具体说明如下：
①PMU作为采集机构实时、主动、全面检测系统状态并发送给计算中心做计算处理。
②计算中心作为计算机构对PMU采集到的信息做高速处理，计算内容包括发电机分群、
系统最优断面、是否满足解列判据等，并发送执行信号给解列装置。
②列装置作为执行机构执行计算中心指令完成解列工作。
图6是基于广域测量系统的最优断面搜索方法流程图，具体说明如下：
①利用WAMS中相量测量单元在线测得当前发电机功角信息作为原始数据样本。
②采用经验模态分解对原始数据样本滤波。
③利用核熵成分分析方法对滤波后的数据做降维处理。
④采用改进模糊均值聚类算法对降维后数据的特征值进行提取，确定同调机群。
⑤利用WAMS测得系统当前的潮流信息后，采用模拟退火算法确定系统切机切负荷最小的最优解列断面。
图7-图14是实施例本发明在BPA软件中的具体应用，图7为IEEE39节点系统单线图，包括10台发电机，39个节点，频率基准值为50HZ，支路L25-26与支路L16-19在0s发生三相短路接地故障，0.2s切除故障，10台发电机功角曲线以及分群情况如图8、图9所示，发电机G39、G38、G31、G37与其它机组分成5群，最优断面情况假定如图10所示，具体说明如下：
参见图8是某种运行方式下发电机G1-G10的功角曲线况，在2s左右发电机相互之间明显失去同步。此时检测所有支路两侧母线电压相角差，根据振荡中心两侧母线电压相角差在0～360°变化且在180°处连续发现有支路L26-29第一时间满足；参见图11，可知2.2s时支路L26-29两侧母线电压相角差均大于130°且满足判据，说明系统发生了失步振荡，此时检测线路两端的母线电压频率；参见图12，线路两侧电压频率轨迹变化相反，两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积小于0，说明失步振荡中心处于线路L26-29上；参见图13、图14，改变系统运行方式后，近似得到同样结论，说明本发明可以准确识别振荡中心出现的位置，此时需要通过计算中心下达解列指令给最优断面上的解列装置将系统解列，完成解列工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于广域测量信息的交流系统多频振荡复合失步解列判据方法，其特征在于，它包括下列步骤：
步骤1：广域测量系统(Wide Area Measurement System, WAMS)在线监测系统运行状态，电气量：电压、功角、相角、频率均可以通过相量测量单元（Phasor Measurement Unit,PMU）进行采集；
步骤2：两侧母线电压相角差Δθ >130°作为解列装置启动判据，系统发生失步振荡时两个机群发电机转子角速度不同从而导致功角差在0~360°周期变化，两个机群摆开的功角差可以近似等值为线路两侧母线电压相角差Δθ，计算解列装置两侧母线电压相角差是否满足Δθ >130°，满足则代表系统发生了振荡，但还不能确定振荡类型，进入步骤3，不满足则回到步骤1监测阶段；
步骤3：启动解列装置失步解列判据；
步骤4：判断并计算联络线路Ucosφ是否过零，失步振荡时振荡中心所在线路Ucosφ连续变化而且过零，同步振荡时Ucosφ虽然连续变化但是电压不会为零，短路故障时Ucosφ不会连续变化，Ucosφ解列判据由于仅仅是基于等值两机模型推导的单端电气量判据，在实际应用中遇到线路两端等值电势不等和多频振荡时不能准确有效捕捉到失步中心，故用作辅助判据来区分系统当前状态以及振荡中心出现的时刻，满足则可以判定系统处于失步振荡状态，进入步骤5，不满足则代表系统没有发生失步振荡，返回步骤1；
步骤5：通过路径搜索算法确定线路集L，L中包括满足步骤4的线路以及与其邻近的串联、并联的线路；
步骤6：PMU采集满足Ucosφ过零时刻的线路集L中所有线路两侧电压频率；
步骤7：计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零，实际情况下振荡中心线路两侧电动势不会相同，但基于母线电压频率的解列判据能够适应实际情况中线路两端等值电势不等而导致振荡中心发生迁移的情况，振荡中心同一侧的电压频率变化趋势相同有交集但幅值不同，振荡中心两侧的电压频率变化趋势相反且没有交集，因此能够通过计算线路两侧母线频率对时间的导数dω/dt的乘积是否小于零来搜寻振荡中心的位置，满足则代表振荡中心就处于线路上进入步骤9，不满足则表示没有找到振荡中心，进入步骤8；
步骤8：对线路集L中下一条线路进行判断，直至搜寻到满足判据的线路为止；
步骤9：计算中心发送解列指令给处于最优断面的解列装置同一时刻将断面解开。
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