CN105656028A - 一种基于gis的电网稳定裕度的可视化显示方法 - Google Patents

一种基于gis的电网稳定裕度的可视化显示方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GIS的电网稳定裕度的可视化显示方法;其包括如下步骤:获取电力系统广域量测系统WAMS的量测数据;对电力系统广域量测系统WAMS的量测数据进行状态估计;直接读取状态估计修正后的;根据状态估计修正后的数据进行动态建模;将等值电力系统的临界稳定值及稳定裕度进行可视化显示。其有益效果是:本发明摆脱了进行稳定裕度计算时需要全网数据或者需要对研究范围之外的数据进行等值的方式,节省了计算时间和资源,产生了巨大的经济效益。本发明采用地理信息图的方式显示区域的稳定裕度,将原来只能显示和判断“点”和“线”的稳定情况扩展为“面”的角度,使人能够更加直观、有效地从全局上把握电力系统的稳定情况,方便控制人员更好的学习与应用,为了电力系统的稳定运行提供了保证。

Description

-种基于GIS的电网稳定裕度的可视化显示方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统稳定裕度分析技术领域,设及一种基于GIS的电网稳定裕度 的可视化显示方法。
背景技术
[0002] 在国家提出的要建立"统一坚强智能电网"的大前提下,电力系统稳定性问题倍加 受到关注。电力系统稳定性是电力系统在受到干扰后能否继续保持稳定运行的能力。由于 干扰的客观存在性W及干扰发生的不可预见性,使得保持电力系统的稳定性成为电力系统 安全运行的最重要的任务之一,系统的调度员必须时刻保持系统在稳定域内运行。然而,由 于条件所限,现在的调度员值班时不能直接观测到系统的稳定程度,只能根据系统的一些 运行变量,如:节点电压、系统频率、线路潮流等,再运用自己的运行经验来判断系统的稳定 状况。由于系统运行工况的多样性,调度员要在任何情况下都正确地判断出系统的稳定状 况是非常困难的。
[0003] 人们进行了大量的研究工作,提出了很多测量、计算电力系统稳定裕度的方法。运 些方法大致可分为两类:基于全数据的事故预想机制的稳定裕度计算和基于WAMS的安全稳 定裕度计算。基于全数据的事故预想机制的稳定裕度计算是根据系统模型及实测运行数 据,确定系统当前的运行方式,在此基础上,预想系统可能出现的最严重的事故,在线计算 发生运些事故时的系统稳定状况,提出预警信号。但是,可能出现的事故并不是肯定出现的 事故,为防范并不一定发生的事故进行的调整是不经济的。而且,W往的稳定计算方法需要 全系统的信息才能计算系统的稳定性,由于电网规模巨大,计算系统稳定性所需时间较长, 往往超过了保持稳定所需的响应时间,使计算失去意义。基于WAMS的安全稳定裕度计算借 助于全球卫星定位系统,建立广域测量系统(WAMS),直接测量、显示电力系统各节点的功 角。运种方法的优点是直观,调度员可直接观察到系统当前的功角及其变化情况。但是,由 于多机系统的复杂性,各节点的功角稳定临界值并不一样,而且还会随着系统运行方式的 变化而改变。调度员能"看到"各节点的功角值,但不知道该节点的功角临界值,不知道当前 运行点离稳定边界有多远。
[0004] 广域量测系统WAMS(wide area measurement system)已成为网省调度自动化系 统的基本组成部分,相量测量装置PMlKphasor measurement unit)覆盖了绝大部分500kV W上变电站和220kV关键变电站。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据系统当前的运行状况,准确、快 速地判断出系统的稳定性并可动态、直观地显示电网稳定裕度的分布状况的基于GIS的电 网稳定裕度的可视化显示方法。
[0006] 为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种基于GIS的电网稳定裕度的可视 化显示方法,其包括如下步骤:
[0007] (1)获取电力系统广域量测系统WAMS的量测数据;
[0008] (2)对电力系统广域量测系统WAMS的量测数据进行状态估计,利用状态估计消除 量测数据中的错误数据,并进行数据修正,得到符合电力系统稳定裕度核屯、计算所需的数 据格式,并将状态估计修正后的数据存储于PI数据库服务器中;
[0009] (3)从客户端直接登陆PI数据库服务器,直接读取状态估计修正后的数据,并通过 千兆局域网将数据传输到客户端上;
[0010] (4)根据状态估计修正后的数据进行动态建模,对数据进行解析计算;所述动态建 模的步骤包括电力系统等值、等值电力系统的参数在线辨识W及电力系统的暂态稳定裕度 分析计算;
[0011] 所述电力系统等值的方法如下:将电力系统分为内部系统和外部系统;设内部系 统中与外部系统相连的节点为边界节点,边界节点与外部系统相连的线路为连接线路,即 边界节点通过连接线路与外部系统相连;设连接线路与外部系统相连的节点为等值节点; 在等值节点将外部系统等值为动态的送端系统或受端系统;内部系统、连接线路W及送端 系统或受端系统构成等值电力系统;
[0012] 所述等值电力系统的参数在线辨识方法如下:
[0013] 等值电力系统各线路阻抗参数及送端系统或受端系统参数在受到扰动后发生有 规律的变化,利用每个时刻线路阻抗参数及送端系统或受端系统参数的测量量不断修正所 述等值电力系统的参数,使所述等值电力系统适应实际电力系统运行状态的变化;
[0014] 电力系统的暂态稳定裕度分析计算方法如下:
[0015] 采用的是暂态能量函数法;所述暂态能量函数法就是通过在故障清除时刻的暂态 能量VeI与临界能量Va比较,直接判断等值电力系统的暂态稳定性;两者之差称为能量裕 度,也即稳定裕度:
[0016] AV = Vcr-Vci
[0017]当A v>0时,故障期间的动能可从完全被系统吸收,等值电力系统保持稳定;
[0018]当Δν<0时,故障期间的动能不能被系统完全吸收,等值电力系统失稳;
[0019]当A V = 〇时,等值电力系统处巧临界状态;
[0020] 暂态能量函数表达式如下:
[0021]
Figure CN105656028AD00061
[0022] 试1)
[0023] 其中:式中巧=δ,'-δ〇;巧=邸-(〇〇;多机系统的惯重中心为:
Figure CN105656028AD00062
Figure CN105656028AD00063
;9i为发电机i的转子角Si与系统惯量中屯、角度δ〇之差;爲为 发电机i的角速度ωι与系统惯量中屯、的角速度ω〇之差;Ml为发电机i转子的惯性常数,
Figure CN105656028AD00064
斯为故障前系统的稳定平衡点;巧为紧急控制前各发电机的稳定平衡点;Cij = EiEjBij , Dij = EiEjGij ; Cij和Bij分别为各发电机自电导和发电机之间的互导纳。
Figure CN105656028AD00071
[0029] 为所有支路中耗散能量的变化;
[0030] 暂态能量函数的耗散能量与实际的系统轨迹有关;因此,采用忽略转移电导效应 的函数;即
[0031]
Figure CN105656028AD00072
[0032] (式 2)
[003引试2)为进行暂态稳定裕度判断的能量函数,巧.,.(别为系统暂态动能,νΡΕ(θ)为系 统暂态势能;
[0034] 暂态能量函数法判断系统稳定性的一般步骤为:
[0035] a.构造一个暂态能量函数^(0,新=r(A');
[0036] b .根据受扰运动方程式计算出Fi6>。二ί^'(AΊ函数对时间的导函数 巧0,為)=巧靴
[0037] C.计算满足巧.。=0的离平衡点最近的点Xi;
[003引 d.将 Xl 代入WX),求得 Vcr = WXi);
[0039] e.如受扰后系统的初始运行点Xo有V(Xo)<V。。则系统稳定;反之,则判断发生事 故;
[0040] f.若多机系统发生事故,则寻找事故后的暂态能量函数V(X)的临界值Va;
[0041] g.对事故后系统的暂态方程式做数值积分,直至V(X)=V。。运段时间即为临界切 除时间ter;
[0042] (5)将等值电力系统的临界稳定值及稳定裕度进行可视化显示,其方法如下:
[0043] a.将临界稳定值及稳定裕度的数据分为静态数据和动态数据;对于静态数据,采 用对象-关系型数据库来进行数据的组织和管理,将空间数据存储在地理数据库 Geodatabase中,包括电力设备的名字、形状、位置信息,属性数据采用SQL数据库进行管理, 电力设备有唯一的ID号,保证空间数据与属性数据进行良好的一一映射关系,通过GIS中间 数据库与化ape地图上的图形进行关联;对于动态数据,即WAMS系统所测量的实时数据,利 用C Sharp语言及AE组件技术的开发集成接口,使实时数据存储在GIS数据服务器中;
[0044] b.采用ESRI公司的Arc/Info作为开发平台;
[0045] C.采用(VS模式体系结构;所述CVS模式体系结构分别为数据层、业务逻辑层和应 用层;所述应用层面向用户,用户对电力系统信息进行查询、统计、分析及可视化显示;所述 业务逻辑层基于AE组件技术和ADO.肥T与数据服务器进行交互,对空间数据和属性数据进 行交互处理,并将数据结果显示在用户界面中;所述数据层为系统提供基本的数据服务,包 括空间数据、属性数据及数据接口;属性数据为设备属性数据,在Access和SQL Server里存 储;空间数据为地理信息和拓扑信息,在空间数据库Geodatabase中Wshape格式存储;采 用空间数据引擎对shape格式文件进行访问;
[0046] d.空间数据和属性数据通过标识码ID实现空间数据和属性数据的连接;空间数据 用于表示电力设备、变电站、输电线路、用户的地理位置、大小、宽度、颜色信息,由点、线、面 对象表示;属性数据表征电力设备的名称、型号、电压、电流的数据,属性数据库由关系数据 库SQL Server 2005管理;
[0047] e.Arc/Info平台对空间数据W分层形式进行管理,把具有相同地理特征的空间实 体组织为一个层,层次关系分为地图Map、图层Layer和图层上的对象Ob ject;
[004引每一个图层上都有基本对象Ob ject,基本对象Ob ject包括点、线、面、标注;将点、 线、面、标注单独进行分层管理;每一个基本对象Object都有一个唯一标识码ID,与属性数 据库里ID-一对应,实现属性数据与空间数据的关联;电子地图包括地理背景图和电力信 息图,W分层形式进行管理,所述电子信息包括杆塔层、开关层、线路层、街道层、河流层、居 民区层,所述杆塔层、开关层、线路层、街道层、河流层、居民区层之间既有几何上的关联,又 有电气上的关联;在图层的显示中,图层的最底端是点图层,其上层是线图层,最上面一层 是面图层;在Geodatabase模型中可W用Relation来表示各个对象之间物理上的连接,用几 个网络来表示电力对象的电气联系;
[0049] f.在电子地图中,用圆点的大小显示节点电压的稳定裕度;
[0050] g.将数值相等的点连接成曲线,其具有不能相交、不能分支的特性,对一定区域节 点电气量的运行情况进行分析,根据等值线的走向,显示区域节点电气量的分布情况;
[0051] h.进行栅格擅染,根据节点电气量数据,用空间插值的方法对数据进行擅染,形成 栅格的图形,显示电网的整体运行状况。
[0052] 本发明的有益效果是:本发明摆脱了进行稳定裕度计算时需要全网数据或者需要 对研究范围之外的数据进行等值的方式,节省了计算时间和资源,产生了巨大的经济效益。 本发明采用地理信息图的方式显示区域的稳定裕度,将原来只能显示和判断"点"和"线"的 稳定情况扩展为"面"的角度,使人能够更加直观、有效地从全局上把握电力系统的稳定情 况,方便控制人员更好的学习与应用,为了电力系统的稳定运行提供了保证。本发明改变了 调度员对所辖区域电网的稳定裕度只能采用W往运行经验判断的问题,为调度员提供了直 观、可视化的稳定情况W及稳定裕度的数值,可W有效提高调度员对所辖系统在各个运行 状态下的稳定情况的了解和掌握,为调度员在紧急情况下进行事故处理提供决策支持。本 发明采用直接法,即暂态能量函数法进行判断,运算速度快,通过调整提高从WAMS获取数据 的速度,并提高服务器的运算速度等方式理论上可W做到超实时仿真,通过超实时仿真不 仅可W为调度员在紧急情况下进行事故处理提供决策支持,还可W对调度员进行的处理方 式进行仿真验证,有效地减少调度员的错误判断或者不合适判断,提高供电的可靠性,减少 由于停电造成的经济损失。
附图说明
[0053] 图1为本发明电网稳定裕度分析及可视化显示整体流程图
[0054] 图2为本发明暂态稳定裕度分析计算流程图。
[0055] 图3为GIS系统结构体系图。
[0056] 图4为GIS数据模型结构图。
[0057] 图5为GIS空间数据的分层管理图。
[005引图6为阿里电网接线稳定裕度图示显示界面。
[0059] 图7为发生35kV母线Ξ相短路故障0.2s时切除故障,244ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[0060] 图8为发生35kV母线Ξ相短路故障0.2s时切除故障,395ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[0061 ]图9为发生35kV母线Ξ相短路故障0.2s时切除故障,450ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[0062] 图10为发生35kV母线Ξ相短路故障0.2s时切除故障,501ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0063] 图11为发生35kV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,506ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0064] 图12为发生35kV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,513ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0065] 图13为发生35kV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,539ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0066] 图14为发生lOkV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,505ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0067] 图15为发生lOkV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,623ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0068] 图16为发生lOkV母线Ξ相短路故障0.5s时切除故障,663ms时刻的输电线路稳定 裕度。
[0069] 图17为发生lOkV母线Ξ相短路故障Is时切除故障,1004ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[0070] 图18为发生lOkV母线Ξ相短路故障Is时切除故障,1198ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[0071] 图19为发生lOkV母线Ξ相短路故障Is时切除故障,1220ms时刻的输电线路稳定裕 度。
[00巧在图1-19中,A-稳定、B-稳定裕度80%-100%、C-稳定裕度60%-80%、D-稳定裕度 40%-60%、
[0073] E-稳定裕度20%-40%、F-稳定边缘、G-不稳定。
具体实施方式
[0074]下面根据图1-19及实施例对本发明做进一步说明。
[00巧]1、对WAMS数据进行状态估计:
[0076] 电力系统状态估计其功能是根据电力系统的各种量测信息,估计出电力系统当前 的运行状态。电力系统状态估计可W说是大部分在线应用的高级软件的基础。如果电力系 统状态估计结果不准确,后续的任何分析计算将不可能得到准确的结果。电力系统的量测 分为遥测和遥信两种。遥测是模拟量的量测结果,包括支路功率或电流,节点电压等。
[0077] 本发明中进行电力系统状态估计的主要目的是:
[0078] -、消除电力系统遥信或遥测可能存在不良数据。由于种种原因(如信道干扰导致 数据失真,互感器或量测设备损坏,系统维护不及时导致方向反向等),电力系统的某些遥 测结果可能远离其真值,遥信结果也可能有错误。运些量测称为坏数据或不良数据。遥信错 误将导致拓扑分析错误,显然会严重影响状态估计结果。少数的坏数据将导致状态估计结 果的严重偏离。二、电力系统的遥测结果由于测量、测量装置、传送过程中的各种原因会产 生错误,导致其不符合电路定律。如流过某一节点的所有电流之和并不为零,视在功率不等 于用电流和电压计算出的值等等。利用状态估计消除其中的错误数据,并进行数据修正。
[0079] WAMS测量数据经过状态估后,量测数据由"生数据"变成"熟数据"。为下一步进行 电力系统稳定裕度计算奠定基础。
[0080] 2、电力系统稳定裕度计算程序获取WAMS测量数据的方法:
[0081] WAMS测量数据经过状态估计后,下一步电力系统稳定裕度计算程序获取状态估计 后WAMS的实测数据,取得WAMS实测数据的方法有很多,其中主要通过数据转发方式、直接读 取WAMS测量数据的数据库等。本发明采用直接读取数据库的方式获得实测数据,采用运种 方式基本能够满足实时计算的需求。
[0082] 运种方式利用PI数据库的(VS模式(Client/server model),从客户端直接登陆PI 数据库服务器,直接读取WAMS测量系统服务器数据库中的数据。通过千兆局域网将数据直 接传输到本机上,然后对数据进行解析计算等。采用的开发方式是PI-SDK开发包进行开。采 用运种方式对数据的选取比较灵活、由于直接进行数据库的操作,去除了对实时数据库需 转发数据的处理过程和各个通讯的确认环节,减少了得到数据的时延,提高了数据的实时 性。
[0083] 3、电力系统的动态建模与稳定裕度分析方法:
[0084] 电力系统稳定裕度计算程序获取WAMS的实测数据后,根据实测数据进行动态建 模,确定暂态稳定分析所需的动态参数,例如功角、角速度、有功功率等参数。动态建模的步 骤包括电力系统等值、等值电力系统参数的在线辨识W及电力系统的暂态稳定裕度分析。
[0085] 1)电力系统等值
[0086] 将电力系统分为内部系统(所辖区域内的系统)和外部系统(所辖区域外的系统) 两部分。内部系统中与外部系统相连的节点称为边界节点,边界节点与外部系统相连的线 路称为连接线路,即边界节点通过连接线路与外部系统相连。连接线路与外部系统相连的 节点称为等值节点。在等值节点将外部系统等值为动态的送端系统或受端系统模型。内部 系统与连接线路和等值节点的送端系统和受端系统构成等值的电力系统。
[0087] 2)等值电力系统参数的在线辨识
[0088] 构成等值电力系统后,需要对等值电力系统各线路阻抗参数及送端系统和受端系 统相关参数进行辨识。系统在受到扰动后,系统的运行变量会发生有规律的变化,利用每个 时刻的测量量即可对等值电力系统的参数进行辨识。对于较简单的线路模型,用2-3个时刻 的测量量即可辨识出模型的参数。对于较复杂的送、受端系统模型,则需多个时刻的测量量 才可辨识出模型的参数。全面完成等值电力系统参数的辨识需要6个时刻的测量量。在随后 的每个时刻都对已辨识的参数进行递推辨识,利用新的测量量不断修正模型参数,使等值 电力系统的模型能适应实际电力系统运行状态的变化。
[0089] 3)电力系统的暂态稳定裕度分析
[0090] 等值电力系统的模型建立后,根据测量的各节点电压量和各线路的电流量及功率 量,即可进行系统的稳定性判断。
[0091] W往的电力系统稳定计算和判断是在系统受到一系列扰动或控制的作用后,判断 系统最终的稳定性。运在实际应用中有几点不足之处。一是只知道整个系统稳定与否,不知 道稳定程度在系统的分布。要知道,即使系统是稳定的,系统各处的稳定裕度一般也是不一 样的。当系统失稳时,也不会所有发电机都失步。因此,应该计算出系统的稳定性分布,而不 是单一的整个系统的稳定性。二是只知道系统最终的稳定状况,而对动态过程中各时刻的 稳定性则没有考虑。实际上系统最终的稳定状况不仅与系统的初始运行状态有关,还同后 续的一系列扰动(或控制)有关,系统在各时刻的稳定性是不一样的。而系统各时刻稳定性 的计算对于确定是否要实施后续控制是非常重要的。因此,电力系统稳定性在线判断应能 计算出系统各处在各时刻的稳定性。
[0092] 本发明为了准确、快速地判断出系统各处各时刻的稳定性,首先将等值电力系统 的动态方程解禪,然后对解禪后的系统构造反映系统稳定性的稳定判据,最后在线计算系 统各处各时刻的临界稳定值及稳定裕度,全面反映系统的稳定性。
[0093] 暂态能量函数判据:
[0094] 故障期间,机械功率化> 电磁功率化,系统处于加速状态,获得动能化;故障消失 后,机械功率化< 电磁功率化,系统处于减速状态,动能化转化为势能化
[00M]其中:
Figure CN105656028AD00111
δ〇为稳态运行时的功角,δ。为故障 清除时刻的功角,δυ为不稳定平衡点所对应的功角,Smax为最大转子功角。
[0096] 暂态稳定裕度的判据可表示为:
[0097]
Figure CN105656028AD00112
[0098] 当μ〉0时,故障期间的加速动能不能完全被系统吸收,系统失稳;
[0099] 当μ<0时,故障期间的加速动能可被系统完全吸收,系统保持稳定;
[0100] 当μ = 0时,系统处于临界状态;
[0101] 本发明将根据电力系统各发电机的功角差判断系统稳定性改变为根据系统各输 电通道(支路)的输电能力来判断系统稳定性。当需要从某输电通道(支路)输送的功率超过 该输电通道(支路)的功率输送稳定极限时,在该输电通道(支路)上就会出现功率阻塞现 象,造成功率不平衡,从而使系统失去稳定。
[0102]本发明的电力系统稳定裕度计算判断方法采用的是暂态能量函数法,该方法用系 统的状态变量表示的暂态能量函数描述了系统在故障时阶段W及故障后不同时刻系统的 暂态能量。运种暂态能量是由故障所激发,并在故障阶段形成。暂态能量包括动能和位能两 个分量。暂态动能或称异步动能是由故障造成系统分离的能量。暂态位能并非通常机械意 义下的位能,而是广义的。它包括位置能量(联系到发电机的功角)、磁能(联系到发电机、负 载和网络中的磁场储能)和耗散能量(联系到网络中的转移电导和负载中的有功功率)。当 故障发生时,系统的暂态动能和位能显著增加。在故障切除时刻,动能开始减低而位能继续 增长。在故障切除之后,全部能量是守恒的(计入阻尼则将逐渐衰减)。故障后的系统经历了 由动能转换为位能的过程,若系统能够吸收剩余动能,则系统稳定;相反,若系统不能吸收 剩余动能,则系统不稳定。因此,在临界切除时间下,事故后系统所能达到的顶值位能时系 统能够吸收的最大能量,称之为临界能量Va。
[010引暂态能量函数法就是通过在故障清除时刻的暂态能量心与临界能量Va比较,直 接判断等值电力系统的暂态稳定性;两者之差称为能量裕度,也即稳定裕度:
[0104] AV = Vcr-Vci
[0105] 当Δν>0时,故障期间的动能可W完全被系统吸收,等值电力系统保持稳定;
[0106] 当Δν<0时,故障期间的动能不能被系统完全吸收,等值电力系统失稳;
[0107] 当Δν = 0时,等值电力系统处于临界状态;
[0108] 暂态能量函数表达式如下:
[0109]
Figure CN105656028AD00121
[0110] 试1)
[0111 ] 其中:式中巧=δί-§〇;.鸣=做-ω〇.;多机系统的惯重中·<L·、为;
Figure CN105656028AD00122
Figure CN105656028AD00123
;9i为发电机i的转子角Si与系统惯量中屯、角度δ〇之差;马为 发电机i的角速度ωι与系统惯量中屯、的角速度ω〇之差;Ml为发电机i转子的惯性常数,
Figure CN105656028AD00124
巧为故障前系统的稳定平衡点;巧为紧急控制前各发电机的稳定平衡点; Cij = EiEjBij,Du = EiEjGij;山和枯分别为各发电机自电导和发电机之间的互导纳。
[0112]
Figure CN105656028AD00125
[0113] 为相对于角度中屯、的全部转子动能的变化;
[0114]
Figure CN105656028AD00126
[0115] 为所有支路中磁场储能的变化;
[0116]
Figure CN105656028AD00131
[0117] 为所有支路中耗散能量的变化;
[0118] 暂态能量函数的耗散能量与实际的系统轨迹有关;因此,采用忽略转移电导效应 的函数;即
[0119]
Figure CN105656028AD00132
[0120] 试 2)
[0121] (式2)为进行暂态稳定裕度判断的能量函数,Κ·、,,ί荀)为系统暂态动能,νΡΕ(θ)为系 统暂态势能;
[0122] 暂态能量函数法判断系统稳定性的一般步骤为:
[0123] a.构造一个暂态能量函数Γ(0,却二}/(乂);
[0124] b .根据受扰运动方程式计算出巧乳摄)=巧X)函数对时间的导函数 户(0,巧二户(X);
[01巧]C.计算满足0的离平衡点最近的点Xi;
[0126] d.将Xl代入WX),求得Ver = WXl);
[0127] e.如受扰后系统的初始运行点Xo有V(Xo)<Ver,则系统稳定;反之,则判断发生事 故;
[0128] f.若多机系统发生事故,则寻找事故后的暂态能量函数V(X)的临界值V。。
[0129] g.对事故后系统的暂态方程式做数值积分,直至V(X)=V。。运段时间即为临界切 除时间ta;暂态稳定裕度分析计算流程图见图2。
[0130] 4、利用地理信息系统(GIS)构建电网的可视化显示画面,显示电网稳定裕度的分 布状况;
[0131] GIS 系统:
[0132] 地理信息系统(GIS)是一种集计算机图形技术和数据库技术为一体的可视化系 统。对图形数据和属性数据具有查询、编辑、存储、输入和输出等操作,具有强大的空间分 析。GIS强大的地物表达能力和数据处理的优势,能很好解决具有空间特性的电力设备信 息、电力数据的计算,将电力系统信息有机地与反映地理位置的电力设备图形信息结合起 来。不仅有反映电力图元接线关系的电气接线图,还有反映电力设备空间地理位置的地理 接线图;不仅可W在电力设备上显示电气量的实时数据信息,还可W对电网的运行状态及 分析结果进行实时表达,GISW其显著的可视化表达能力赋予了电网运行管理新的活力,将 电网建设成为一个具有地理信息的数字化网络。GIS很好地实现空间数据和属性数据的统 一管理,不仅能对电力设备进行有效的设备管理,而且能利用设备图形之间的拓扑关系进 行电网分析和计算,提高了供电可靠性,降低了运行成本,提升了电力企业的现代化管理 水平。
[0133] 地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是W地理数据位基础,在 计算机软件、硬件环境支持下,用地理模型分析方法,对空间数据进行采集、管理、操作、分 析、模拟和显示,适时提供多种空间的动态的地理信息。
[0134] 电力地理信息系统是将GIS技术应用到电力系统的网络规划、生产运行和维护管 理中,即GIS将发电、输电、变电、配电、用电的核屯、业务连接形成电力信息化的综合管理系 统,并对电网的实时动态进行模拟。
[0135] 稳定裕度可视化软件技术方案:
[0136] 1、GIS系统数据处理方法;
[0137] 2、电力GIS平台的选择;
[013引3、体系结构设计;
[0139] 4、数据模型;
[0140] 5、分层管理;
[0141] 6、可视化关键技术;
[0142] 7、算例分析
[0143] (l)GIS系统数据处理方法:
[0144] 数据分为静态数据和动态数据。在静态数据方面,在GIS数据服务器的支持下,本 发明采用对象-关系型数据库来进行数据的组织和管理,将空间数据存储在Geodatabase (地理数据库)中,包括电力设备的名字、形状、位置等信息,属性数据采用S化数据库进行管 理,电力设备有唯一的ID号,保证空间数据与属性数据进行良好的一一映射关系,通过GIS 中间数据库与化ape地图上的图形进行关联。动态数据,如SCADA系统及WAMS系统采集的数 据,利用C Sharp语言及AE组件技术的开发集成接口,使实时数据存储在GIS数据服务器中, 对数据进行管理。集成接口传输的数据服务要保证数据的及时性、准确性及有效性。
[0145] (2)电力GIS平台的选择
[0146] 本发明的电力GIS平台选择采用ESRI公司的Arc/Info作为平台;
[0147] 对当今主流各种GIS开发平台的比较可知,Arc/Info是当今最完整、最强大的GIS 开发平台,应用范围最广,功能最强大的系统。Arc/In化平台在信息处理的高级功能方面具 有如下优势:
[0148] a)书据输入和编辑功能。可从数字化仪、图形扫描、图形转换中获取数据,编辑图 形和属性。
[0149] b)数据转换和集成。可W对标准数据格式进行转换,支持符合SQL标准的关系型数 据库。
[0150] C)基本GIS功能。地图浏览、图形编辑、数据维护及管理、缓冲及叠加分析。
[0151] d)地理数据管理。利用Arc/Info数据库或ArcSDE可W对大型分布式数据库进行管 理。
[0152] e)空间数据和属性查询,并进行相应图形显示,包括栅格图像显示和管理。
[0153] f)提供了多种界面设计工具和系统的二次开发工具。采用地理关系数据模型,提 供极强的空间操作和分析功能。提供38种地图投影方式,可在不同投影间进行数据转换。开 放式结构,提供直接与多种数据库的接口;采用模块式结构,提高灵活性并易于扩充。
[0154] (3)体系结构设计
[0155] 本发明的体系结构设计采用(VS模式结构,电力系统有种类繁多的图形数据及大 量的设备属性信息,为了使系统具有良好的响应速度,同时考虑操作界面的易操作性和系 统可扩展性,对系统的(VS模式采用Ξ层布局,分别为数据层、业务逻辑层、应用层(请参阅 图3);
[0156] 第一层为界面应用层:面向大部分用户,用户对电力信息进行交互处理的窗口,对 电力系统信息进行查询、统计、分析及可视化显示等工作。第二层为业务逻辑层,是功能模 块及数据访问技术,系统的开发基于AE组件技术和ADO.肥T与数据服务器进行交互,对空间 数据和属性数据进行交互处理,并将数据结果显示在用户界面中。第Ξ层为数据层,为系统 提供基本的数据服务,包括空间数据、属性数据及数据接口等。属性数据主要为设备属性 数据,在Access和SQL Server里存储,空间数据主要为地理信息和拓扑信息,在 Geodatabase(空间数据库)中Wshape格式存储。为了提高数据访问速度,采用空间数据引 擎(ArcSDE)对shape格式文件进行访问。
[0157] (4)数据模型
[0158] 本发明数据模型中的空间数据和属性数据通过标识码ID实现空间数据和属性数 据的连接。空间数据用于表示电力设备、变电站、输电线路、用户的地理位置、大小、宽度、颜 色等信息,运些空间数据由点、线、面等对象表示。属性数据表征电力设备的名称、型号、电 压、电流等与地理位置无关的数据,属性数据库由关系数据库SQL Server 2005管理,(请参 阅图4);
[0159] (5)分层管理
[0160] 本发明中Arc/Info平台对空间数据W分层形式进行管理,把具有相同地理特征的 空间实体组织为一个层,层次关系分为地图(Map)、图层化ayer)和图层上的对象(Object) (请参阅图5);每一个图层上都有基本对象(Object),基本对象(Object)包括四种类型:点、 线、面、标注。在使用过程中,考虑到方便进行各种拓扑分析和操作,将点、线、面、标注单独 进行分层管理。每一个对象都有一个唯一标识码ID,与属性数据库里ID-一对应,实现属性 数据与空间数据的关联。
[0161] 电子地图包括地理背景图和电力信息图,它们都是W分层形式进行管理,如杆塔 层、开关层、线路层、街道层、河流层、居民区层等,运些层既有几何上的关联(开关在电杆 上),又有电气上的关联(母线与导线的连接)。在图层的显示中,图层的最底端是点图层,上 面是线图层,最上面是面图层,使整幅地图都能清晰地显示。在Geodatabase模型中可W用 Relation来表示各个对象之间物理上的连接,用几个网络来表示电力对象的电气联系。 Geodatabase中的几何网络模型将运两者很好的结合起来,能够比较真实的反映电网的结 构和运行状态。
[0162] (6)可视化关键技术
[0163] 本发明的可视化关键技术有如下Ξ项:
[0164] 1)单值分析:在电子地图中,定义不同的颜色、大小对每个节点电压量的运行情况 进行分析,根据节点颜色和大小的不同,对节点电压的实时运行情况进行显现,更加颜色的 变化可W清晰地了解电压节点的稳定裕度。针对不同的电气量,单值分析的表示含义不同。 如节点电压的标么值,最简单的分类法为Ξ类,运行正常、偏低、偏高Ξ类,用Ξ类不同的颜 色及大小的圆点对其运行状况进行表示,在颜色上可W看出节点电压运行情况属于的类 另IJ,从圆点的大小可W知道节点电压偏于正常值的多少,从而清晰地了解节点电压的稳定 裕度;
[0165] 2)等值线分析:将数值相等的点连接成曲线,具有不能相交、不能分支的特性,对 一定区域节点电气量的运行情况进行分析,根据等值线的走向,可W 了解区域节点电气量 的分布情况,使调度员在整体上掌握节点的运行情况,为制定决策提供依据;
[0166] 3)栅格擅染:根据节点电气量数据,用空间插值的方法对数据进行擅染,形式栅格 的图形,原始的图形为黑白颜色,设置插值颜色的形成区域,将形成一幅颜色分明的效果 图,比如某几个站点的监测电压与标准电压值偏高,进行空间插值后,如果电压值偏高的颜 色用红色来表示,运几个节站点的区域将会是一片红色区域,根据节点电压值的变化进行 插值,形成颜色变化的擅染图形,对区域的整体电压运行情况具有宏观上的了解,从而掌握 电网的整体运行状况。栅格擅染在电力系统监控中有重要的应用,能及时发现系统运行中 的凹点,并及时报警,为调度决策提供强有力的依据。
[0167] 在电子地图中,定义不同的颜色、大小对每个节点电压量的运行情况进行分析,根 据节点颜色和大小的不同,对节点电压的实时运行情况进行显现,更加颜色的变化可W清 晰地了解电压节点的稳定裕度。针对不同的电气量,单值分析的表示含义不同。如节点电压 的标么值,最简单的分类法为Ξ类,运行正常、偏低、偏高Ξ类,用Ξ类不同的颜色及大小 的圆点对其运行状况进行表示,在颜色上可W看出节点电压运行情况属于的类别,从圆点 的大小可W知道节点电压偏于正常值的多少,显示节点电压的稳定裕度;
[0168] 将数值相等的点连接成曲线,具有不能相交、不能分支的特性,对一定区域节点电 气量的运行情况进行分析,根据等值线的走向,显示区域节点电气量的分布情况;
[0169] 进行栅格擅染,根据节点电气量数据,用空间插值的方法对数据进行擅染,形式栅 格的图形,
[0170] 原始的图形为黑白颜色,设置插值颜色的形成区域,将形成一幅颜色分明的效果 图,比如某几个站点的监测电压与标准电压值偏高,进行空间插值后,如果电压值偏高的颜 色用红色来表示,运几个节站点的区域将会是一片红色区域,根据节点电压值的变化进行 插值,形成颜色变化的擅染图形,显示电网的整体运行状况。
[0171] 本发明电网稳定裕度分析及可视化显示整体流程图见图1
[0172] 算例分析
[0173] W阿里电网作为算例,中屯、变35kV母线上设置Ξ相金属性短路故障,W不同时间 切除故障,
[0174] 判断故障恢复后各输电线路的稳定裕度情况。
[0175] 稳定裕度计算
[0176] 分别设置中屯、变电站35kV母线发生故障,故障时间0.2s及0.5s,各条输电线路的 稳定裕度情况见表1。
[0177] 表13化V母线发生故障各条输电线路的稳定裕度情况
[017 引
Figure CN105656028AD00171
[0179] 说明;
[0180] (1)稳定裕度大于零,该条线路在故障恢复后稳定裕度一直为正,不存在失稳的问 题。
[0181] (2)稳定裕度等于零,该条线路空载或负载较轻,不存在失稳的问题。
[0182] (3)稳定裕度为负值,该负值是故障恢复后Wlms为计算间隔,第一次出现负值时 的数值。
[0183] "判断时刻"是稳定裕度第一次出现负值时W故障切除时刻为起点的时刻。
[0184] 稳定裕度图示显示
[0185] 图例说明:图中,分别WA、B、C、D、E、F、G运7个字母所代表的7种不同颜色来表示各 条输电线路的稳定裕度情况。
[01化]1.中屯、变35kV母线Ξ相短路故障,0.2s切除故障。
[0187] (l)244ms 见图 7。
[018 引(2)395ms 见图 8。
[0189] (3)450ms 见图 9。
[0190] (4)501ms 见图 10。
[0191] 从图7-10中看出,中屯、变电站35kV母线发生;相短路故障,0.2s切除故障后,可W 保证系统的稳定运行。
[0192] 2.中屯、变35kV母线Ξ相短路故障,0.5s切除故障。
[0193] (l)506ms 见图 11。
[0194] (2)513ms 见图 12。
[0195] (3)539ms 见图 13。
[0196] 从图11-13中看出,中屯、变电站35kV母线发生Ξ相短路故障,0.5s切除故障后,系 统的稳定裕度比0.2s切除故障时有明显的降低,狮中I线、狮中II线存在失稳的情况。
[0197] 狮泉河火电厂lOkV母线故障
[0198] 稳定裕度计算
[0199] 分别设置故障时间0.5s及Is,各条输电线路的稳定裕度情况见表2。
[0200] 表2故障时间0.5s及Is各条输电线路的稳定裕度情况
[0201]
Figure CN105656028AD00181
[0202] 稳定裕度图示显示
[0203] 1.狮泉河火电厂lOkV母线Ξ相短路故障,0.5s切除故障。
[0204] (1 )505ms 见图 14。
[0205] (2)623ms 见图 15。
[0206] (3)663ms 见图 16。
[0207] 从图14-16中可W看出,狮泉河火电厂lOkV母线发生Ξ相金属性短路故障,0.5s后 切除故障,狮中I线、狮中II线局部地区系统失稳,其它地区稳定裕度也较低。
[0208] 2.狮泉河火电厂lOkV母线Ξ相短路故障,Is切除故障。
[0209] (l)1004ms 见图17。
[0210] (2)1198ms 见图 18。
[0211] (3)1220ms 见图 19。
[0212]从图17-19中可w看出,狮泉河火电nokv母线发生立相金属性短路故障,持续Is 切除故障后,狮中I线、狮中II线存在短时失稳情况,系统最终保持稳定运行,但是大部分输 电线路的稳定裕度都保持在较低的水平。
[0213] W上所述实施方式仅为本发明的优选实施例,而并非本发明可行实施例的穷举。 对于本领域一般技术人员而言,在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显 而易见的改动,都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

  1. I. 一种基于GIS的电网稳定裕度的可视化显示方法,其特征在于包括如下步骤: (1) 获取电力系统广域量测系统WAMS的量测数据; (2) 对电力系统广域量测系统WAMS的量测数据进行状态估计,利用状态估计消除量测 数据中的错误数据,并进行数据修正,得到符合电力系统稳定裕度核屯、计算所需的数据格 式,并将状态估计修正后的数据存储于PI数据库服务器中; (3) 从客户端直接登陆PI数据库服务器,直接读取状态估计修正后的数据,并通过千兆 局域网将数据传输到客户端上; (4) 根据状态估计修正后的数据进行动态建模,对数据进行解析计算;所述动态建模的 步骤包括电力系统等值、等值电力系统的参数在线辨识W及电力系统的暂态稳定裕度分析 计算; 所述电力系统等值的方法如下:将电力系统分为内部系统和外部系统;设内部系统中 与外部系统相连的节点为边界节点,边界节点与外部系统相连的线路为连接线路,即边界 节点通过连接线路与外部系统相连;设连接线路与外部系统相连的节点为等值节点;在等 值节点将外部系统等值为动态的送端系统或受端系统;内部系统、连接线路W及送端系统 或受端系统构成等值电力系统; 所述等值电力系统的参数在线辨识方法如下: 等值电力系统各线路阻抗参数及送端系统或受端系统参数在受到扰动后发生有规律 的变化,利用每个时刻线路阻抗参数及送端系统或受端系统参数的测量量不断修正所述等 值电力系统的参数,使所述等值电力系统适应实际电力系统运行状态的变化; 电力系统的暂态稳定裕度分析计算方法如下: 采用的是暂态能量函数法;所述暂态能量函数法就是通过在故障清除时刻的暂态能量 Vcd与临界能量Va比较,直接判断等值电力系统的暂态稳定性;两者之差称为能量裕度,也 即稳定裕度:AV = Vcr-Vcl 当A v>0时,故障期间的动能可W完全被系统吸收,等值电力系统保持稳定; 当A V<0时,故障期间的动能不能被系统完全吸收,等值电力系统失稳; 当A V = O时,等值电力系统处于临界状态; 暂态能量函数表达式如下:
    Figure CN105656028AC00021
    试1) 其中:式中0, =Si-So;句=Oi-獲0;多机系统的惯量中屯、为
    Figure CN105656028AC00022
    Figure CN105656028AC00023
    ;01为发电机i的转子角Si与系统惯量中屯、角度So之差; 瑪为发电机i的角速度《 1与系统惯量中屯、的角速度《 0之差端为发电机i转子的惯性常数, M,. =X^/,;化'为故障前系统的稳定平衡点;释为紧急控制前各发电机的稳定平衡点;CiJ 扛1 二EiEjBi j, Dij二EiEjGi j; Cij和Bij分别为各发电机自电导和发电机之间的互导纳。
    Figure CN105656028AC00031
    为相对于角度中屯、的全部转子动能的变化;
    Figure CN105656028AC00032
    为所有支路中磁场储能的变化;
    Figure CN105656028AC00033
    为所有支路中耗散能量的变化; 暂态能量函数的耗散能量与实际的系统轨迹有关;因此,采用忽略转移电导效应的函 数;即
    Figure CN105656028AC00034
    (式2)为进行暂态稳定裕度判断的能量函数,^;,,.((引为系统暂态动能,乂巧(0)为系统暂 态势能; 暂态能量函数法判断系统稳定性的一般步骤为: a. 构造一个暂态能量函数K(0,刮=l'(.V): b. 根据受扰运动方程式计算出F伪新= K(A7函数对时间的导函数 y{〇,c〇) = V(X); C.计算满足叫乂)=: O的离平衡点最近的点Xi; d. 将Xl代入V(X),求得Ver = V (Xl); e. 如受扰后系统的初始运行点Xo有V(Xo) <Vcr,则系统稳定;反之,则判断发生事故; f. 若多机系统发生事故,则寻找事故后的暂态能量函数V(X)的临界值V。。 g. 对事故后系统的暂态方程式做数值积分,直至V(X)=Va;运段时间即为临界切除时 间 tcr; (5)将等值电力系统的临界稳定值及稳定裕度进行可视化显示,其方法如下: a. 将临界稳定值及稳定裕度的数据分为静态数据和动态数据;对于静态数据,采用对 象-关系型数据库来进行数据的组织和管理,将空间数据存储在地理数据库Geodatabase 中,包括电力设备的名字、形状、位置信息,属性数据采用SQL数据库进行管理,电力设备有 唯一的ID号,保证空间数据与属性数据进行良好的--映射关系,通过GIS中间数据库与 Shape地图上的图形进行关联;对于动态数据,即WAMS系统所测量的实时数据,利用C化a巧 语言及AE组件技术的开发集成接口,使实时数据存储在GIS数据服务器中; b. 采用ESRI公司的Arc/Info作为开发平台; C.采用C/S模式体系结构;所述C/S模式体系结构分别为数据层、业务逻辑层和应用层; 所述应用层面向用户,用户对电力系统信息进行查询、统计、分析及可视化显示;所述业务 逻辑层基于AE组件技术和ADO.肥T与数据服务器进行交互,对空间数据和属性数据进行交 互处理,并将数据结果显示在用户界面中;所述数据层为系统提供基本的数据服务,包括空 间数据、属性数据及数据接口;属性数据为设备属性数据,在Access和SQL Server里存储; 空间数据为地理信息和拓扑信息,在空间数据库Geodatabase中Wshape格式存储;采用空 间数据引擎对shape格式文件进行访问; d. 空间数据和属性数据通过标识码ID实现空间数据和属性数据的连接;空间数据用于 表示电力设备、变电站、输电线路、用户的地理位置、大小、宽度、颜色信息,由点、线、面对象 表示;属性数据表征电力设备的名称、型号、电压、电流的数据,属性数据库由关系数据库 SQL Server 2005管理; e. ArcAnf O平台对空间数据W分层形式进行管理,把具有相同地理特征的空间实体组 织为一个层,层次关系分为地图Map、图层Layer和图层上的对象Ob ject; 每一个图层上都有基本对象Object,基本对象Object包括点、线、面、标注;将点、线、 面、标注单独进行分层管理;每一个基本对象Object都有一个唯一标识码ID,与属性数据库 里ID-一对应,实现属性数据与空间数据的关联;电子地图包括地理背景图和电力信息图, W分层形式进行管理,所述电子信息包括杆塔层、开关层、线路层、街道层、河流层、居民区 层,所述杆塔层、开关层、线路层、街道层、河流层、居民区层之间既有几何上的关联,又有电 气上的关联;在图层的显示中,图层的最底端是点图层,其上层是线图层,最上面一层是面 图层;在Geodatabase模型中可W用Relation来表示各个对象之间物理上的连接,用几个网 络来表示电力对象的电气联系; f. 在电子地图中,用圆点的大小显示节点电压的稳定裕度; g. 将数值相等的点连接成曲线,其具有不能相交、不能分支的特性,对一定区域节点电 气量的运行情况进行分析,根据等值线的走向,显示区域节点电气量的分布情况; h. 进行栅格擅染,根据节点电气量数据,用空间插值的方法对数据进行擅染,形成栅格 的图形,显示电网的整体运行状况。
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