CN105680447A - 一种大区电网间最大容量传输能力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大区电网间最大容量传输能力评估方法，包括：S1基于仿真的样本数据，以K为目标函数、S和ΔP为变量进行曲面拟合，得拟合曲面；S2利用节点动态频率响应特性系数K的实测值修正拟合曲面；S3在拟合曲面坐标下，获取修正后的拟合曲面与平面的交线，获得该交线与平面ΔP＝ΔP_max的交点，该交点对应的S值即最大传输容量；S4根据最大传输容量评估大区电网间最大容量传输能力。本发明可精确评估和预测电力系统的功率传输能力，有效实用。

Description

一种大区电网间最大容量传输能力评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于节点动态频率特性曲面拟合的大区电网间最大容量传输能力评估方法。

背景技术

随着我国电力系统的建设和“十三五”规划的推进，特高压交直流混合输电逐渐成为我国大容量远距离输电的主要形式，而大区电网之间最大容量传输能力的分析与评估成为制约电网规划及安全稳定的关键问题。电力系统区间输电能力分别受电网结构、送端系统特性和受端系统特性等多个因素的制约，对电力系统区间最大输电能力的传统计算主要通过线路的热稳或静稳分析、静态安全约束、动态稳定约束等方法进行计算。实际上电网区间传输容量与系统的负荷水平、开机方式及容量交换方式有关，其中，容量交换断面两侧输电通道的起点和落点对传输容量的支撑和消纳能力是制约最大容量传输能力的主要因素，因此寻找衡量关键节点对传输容量的消纳和支撑能力的指标与分析方法成为评估最大容量交换能力的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于节点动态频率特性曲面拟合的大区电网间最大容量传输能力评估方法。

由于无功功率可以本地区域性平衡，因此容量传输能力主要针对有功功率的传输。而电力系统的频率变化特性可以直观反映有功功率的平衡状态以及频率的偏差，因此可以从节点动态频率响应特性的角度，对大区域电网断面两侧重要节点的频率响应特性进行仿真或实测采样计算，通过曲面拟合的方法对最大传输容量进行分析，进而对最大容量传输能力进行评估。

本发明从电力系统节点动态频率特性角度出发，基于二次曲线拟合法做出改进，拟合只进行一次，拟合结果精确度得以提高。对实际系统算例中的K、ΔP和S进行曲面拟合，并对拟合曲面进行修正；在此基础上对大区电网间最大容量传输能力进行预测和评估。对实际算例进行仿真分析，并评估预测系统的功率传输能力。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种大区电网间最大容量传输能力评估方法，包括：

S1基于实测的样本数据，以K为目标函数、S和ΔP为变量进行曲面拟合，获得拟合曲面；所述的样本数据包括传输容量S、有功扰动ΔP以及各传输容量S和各有功扰动ΔP对应的节点动态频率响应特性系数K；

S2在拟合曲面坐标下，获取拟合曲面与平面的交线，获得该交线与平面ΔP＝ΔP_max的交点，该交点对应的S值即最大传输容量；ΔP表示电力系统的有功扰动，P₀和f₀为当前电力系统实际的初始功率和初始频率，P₀为仿真值；Δf′为当前电力系统的频率偏差最大值；ΔP_max为有功有效扰动最大值，其为经验值；

S3根据最大传输容量评估大区电网间最大容量传输能力。

步骤S1中，采用四点样条曲面插值拟合法进行曲面拟合。

上述有功有效扰动最大值为初始容量交换状态下有功扰动最大值的90％。

另一种大区电网间最大容量传输能力评估方法，包括：

S1基于仿真的样本数据，以K为目标函数、S和ΔP为变量进行曲面拟合，得拟合曲面；所述的样本数据包括传输容量S、有功扰动ΔP以及各传输容量S和各有功扰动ΔP对应的节点动态频率响应特性系数K的仿真值；

S2利用节点动态频率响应特性系数K的实测值修正拟合曲面；

S3在拟合曲面坐标下，获取修正后的拟合曲面与平面的交线，获得该交线与平面ΔP＝ΔP_max的交点，该交点对应的S值即最大传输容量；ΔP表示电力系统的有功扰动，P₀和f₀为当前电力系统实际的初始功率和初始频率，P₀为仿真值；Δf′为当前电力系统的频率偏差最大值；ΔP_max为有功有效扰动最大值，其为经验值；

S4根据最大传输容量评估大区电网间最大容量传输能力。

步骤S1中，仿真的样本数据采用如下方法获得：

运用PSASP工具获取不同传输容量S和不同有功扰动ΔP下节点动态频率响应特性系数K的仿真值。

步骤S1和S2中，采用四点样条曲面插值拟合法进行曲面拟合和修正拟合曲面。

上述有功有效扰动最大值为初始容量交换状态下有功扰动最大值的90％。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)采用修正后的拟合曲面得出的节点动态频率响应特性系数的拟合值和仿真值的误差在2％以内，表明本发明拟合方法可行有效且精确。

(2)采用本发明方法可获得电力系统的最大传输容量，该最大传输容量值可精确评估和预测电力系统的功率传输能力，有效实用。

(3)由于实际电网在不同扰动下的频率波动及频率特性数据难以获取，本发明基于实际系统的仿真模型，实际工程应用时可用实测数据进行替换，或结合离线仿真结果用实测数据进行修正和计算，进一步提高方法的适用性。

附图说明

图1是实施例中模型网架结构示意图；

图2是采用三次多项式曲面插值拟合法获得的拟合曲面；

图3是采用四点样条曲面插值法获得的拟合曲面；

图4是对图2进行修正后的拟合曲面；

图5是对图3进行修正后的拟合曲面；

图6是ΔP和S的空间曲线的示意图；

图7是ΔP和S的空间曲线与ΔP为有功有效扰动最大值时所对应平面的相交示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明具体实施方式作进一步具体说明。

一、曲面拟合相关变量参数的定义。

(1)定义电力系统的节点动态频率响应特性系数。

节点动态频率响应特性与初始运行方式(即开机方式)、扰动大小(即不平衡状态)、观察点与扰动点间的电气距离等有着密切的关系。

节点动态频率响应特性系数K值的计算公式为：

$K=\frac{{\mathrm{\ΔPf}}_0}{P_0{\mathrm{\Δf}}^{\′}}---\left(1\right)$

式(1)中，P₀和f₀分别为电力系统的初始功率和初始频率；ΔP为电力系统的功率缺额，即有功扰动；Δf′为节点动态变化过程中的频率偏差最大值。

由于传统的静态频率平衡点和初始频率之间的偏差Δf不能体节点频率的动态变化过程，因此式(1)采用Δf′替换Δf计算K值。

(2)定义有功扰动最大值和有功有效扰动最大值。

在对电力系统进行频率稳定分析时，所设置的有功功率扰动应该是合理有效的，即不能太大，也不能太小，因为功率扰动太大可能会使频率出现持续偏差以至于频率失稳，而功率扰动太小可能会导致观测不到系统的频率偏差，此外设置的功率扰动也需符合数量级负荷调度经验数据的要求。基于此，本发明定义了有功扰动最大值和有功有效扰动最大值。

有功扰动最大值的定义为：电力系统在有功扰动最大值对应的有功扰动情况下，对于任意运行方式，出现的频率偏差最大值Δf′均不超过规定的频率偏差阈值。

有功有效扰动最大值的定义为：电力系统在有功有效扰动最大值对应的有功扰动情况下，对于最大传输功率运行方式，出现的频率偏差最大值Δf′不超过规定的频率偏差阈值。

(3)定义最大传输容量。

有功扰动最大值反比于电力系统最大传输容量，有功扰动为零时所对应的传输容量即最大传输容量临界值。而有功扰动为有功有效扰动最大值时，所对应的传输容量即最大传输容量。

实际上，电力系统在有功扰动趋近于零，即达到传输容量最大临界值之前，频率都已经开始失稳，出现诸如电压失稳等问题。因此有功有效扰动最大值应该设置在0和有功扰动最大值之间。根据经验数值设置有功有效扰动最大值为初始容量交换状态下有功扰动最大值的90％，即留出10％安全裕量。此外，为确保电力系统的安全稳定运行，有功有效扰动不应超过系统总有功出力的1％。

二，基于节点动态频率响应特性曲面拟合的容量传输能力评估。

(1)曲面拟合

曲面拟合可以根据有限的实际测量结果，找出目标函数和变量之间的关系，进而计算估计出任意变量对应的目标函数值，因而可以解决很多实际算例中的问题。曲面拟合法，可以用于图像处理、变压器故障的在线监测和诊断以及土壤勘探研究等各个方面。实现曲面拟合的方法有双三次Hermite插值法、三次多项式cubic法、双三次B样条法、双三次Bezier曲面法等常用方法，此外还有三角片面直接拟合法、参数曲面拟合法以及和遗传算法、人工神经网络相结合来实现曲面拟合的方法。

本发明从节点动态频率响应特性角度出发，通过四点样条曲面插值拟合法对电力系统的容量传输能力进行评估。

(2)曲面拟合的修正

本发明将曲面拟合法运用于电力系统最大容量传输能力的评估。由于获取实测值时，需人为设置故障，而故障设置次数过多将会严重影响系统的正常稳定运行，因此只能得到有限数量的实测值。而对电力系统进行仿真时，由于对电力系统进行了等值线性化等简化操作，使得仿真系统与实际系统存在一定差距，因此得出的仿真值，其精确度不能满足要求。所以仅利用实测值或仿真值单独进行曲面拟合，都不能得到准确结果。本具体实施方式将仿真值和实测值相结合，运用PSASP工具获取不同传输容量S和不同有功扰动ΔP下，节点动态频率响应特性系数K的仿真值。基于节点动态频率响应特性系数K的仿真值，以K为目标函数、S和ΔP为变量进曲面拟合，得到拟合曲面。再运用节点动态频率响应特性系数K的实测值对拟合曲面进行修正，得到修正后的拟合曲面。

(3)电力系统最大容量传输能力评估

本具体实施方式中运用可以对拟合曲面进行修正的四点样条曲面插值拟合法进行曲面拟合和修正拟合曲面，得到修正后的拟合曲面。获得修正后的拟合曲面与平面的交线，交线即ΔP和S的空间曲线。获得该空间曲线与ΔP为有功有效扰动最大值时所对应平面的交点，该交点对应的S值即最大传输容量。根据最大传输容量即可评估大区电网间最大容量传输能力。

实施例

采用本发明方法评估某大区电网2015年南送方式下HZ区域和HD区域为受端的规划模型的最大传输容量，该模型网架结构见图1。HZ区域和HD区域间存在特高压交流联系，使得HZ区域和HD区域能够作为共同受端。

一、曲面拟合和拟合曲面修正。

初始方式下，HZ区域和HD区域分别受电29100MW、4500MW，在此基础上依次增加HB区域出力600MW，分别减少HD区域和HZ区域出力300MW，使得HZ区域和HD区域受电以每次分别同步增加300MW的幅度增加至5400MW左右。

根据此大区电网系统的相关数据，运用PSASP(电力系统分析综合程序)进行仿真，得到不同传输容量S(单位：MW)和不同有功扰动ΔP(单位：MW)下的节点动态频率响应特性系数K的仿真值，见表1。

表1不同传输容量S和不同有功扰动ΔP下的K仿真值

根据表1仿真数据，分别运用三次多项式曲面插值拟合法和四点样条曲面插值拟合法，对传输容量S、有功扰动ΔP和节点动态频率响应特性系数K的仿真值进行曲面拟合，得到图2～3所示的拟合曲面。

用三组实测数据：(1)ΔP＝16800MW，S＝34800MW，K＝6.5661；(2)ΔP＝16800MW，S＝38400MW，K＝5.4285；(3)ΔP＝2400MW，S＝34800MW，K＝4.3167对拟合曲面进行修正，得到图4～5所示的修正后的拟合曲面。

观察拟合曲面图可知，图4所示修正后拟合曲面的形状发生畸变，平滑度不能满足要求，表明该曲面拟合存在缺陷。由表1可知，相同ΔP下，传输容量S每相差600MW时K值大约相差0.2；相同传输容量S下，ΔP每相差1200MW时，K值同样大约相差0.2，因此，ΔP改变5000MW和S改变2000MW时K值变化幅度都应大于0.2。而图3所示拟合曲面比较平缓，在ΔP改变5000MW和S改变2000MW时，K值变化量都不足0.2，图5所示拟合曲面在传输容量和有功扰动方向上相比修正前的拟合曲面都更陡峭，K值变化量大于0.2，说明修正后的拟合曲面效果更为理想。

根据修正的拟合曲面得出K的拟合值，见表2和3。

表2三次多项式曲面插值拟合法的K值校验

表3四点样条曲面插值拟合法的K值校验

定义误差其中，n表示样本数，x_i、y_i分别表示K的仿真值和拟合值，i＝1,2,...n。

分别计算三次多项式曲面插值拟合法和四点样条曲面插值拟合法的误差α，三次多项式曲面插值拟合法的误差α1＝1.911％，四点样条曲面插值拟合法的误差α2＝21.731％。结果表明，采用四点样条曲面插值拟合法比三次多项式曲面插值拟合法所得拟合结果更为精确。

将采用四点样条曲面插值拟合法获得的修正前和修正后的拟合曲面数据(见表4)进行对比，经计算可得，修正后的误差1.911％小于修正前的误差2.232％，表明拟合曲面修正后的拟合结果更为理想。这与四点样条曲面插值拟合法下修正后的拟合曲面在S方向比修正前更陡峭是相符的。综合上述，四点样条曲面插值拟合法为优选方案。

表4四次样条曲面插值拟合法的K值校验(修正前)

二、基于修正后拟合曲面的最大容量传输能力评估。

电力系统所能负荷的频率偏差最大值反比于电力系统容量，对于容量在3000MW以下的电力系统，其所能承受的频率偏差最大值是±0.5Hz。对于容量在3000MW以上的电力系统，其所能承受的频率偏差最大值是±0.2Hz。当计及诸如直流低频保护等相关因素的影响时，电力系统所能承受的频率偏差最大值应该控制在±0.1Hz的范围内。2015年此大区电网的基准传输容量为26400MW，有功发电为899645MW，考虑到直流低频保护，其允许的频率偏差最大值为±0.1Hz，P₀为采用PSASP工具获得的仿真值，由公式(1)可得K＝0.000555774ΔP。

修正后的拟合曲面与平面的交线即ΔP和S的空间曲线，见图6中黑直线。

本实施例中，有功扰动最大值为传输容量最小时的功率缺额，即S＝34800MW时对应的ΔP，通过四点样条曲面插值拟合法可以得出的有功扰动最大值为ΔP＝9666MW，则有功有效扰动最大值ΔP_max＝9666*0.9＝8699.4MW。ΔP和S的空间曲线与平面ΔP＝ΔP_max的交点对应的S值即最大传输容量，经计算最大传输容量为36570MW，ΔP和S的空间曲线与平面ΔP＝ΔP_max的相交示意图见图7。

该有功有效扰动最大值在系统发电机总有功出力的1％的范围之内，符合确保系统安全稳定运行的条件，因此本发明方法和所得结果的前提是合理成立的，可以为最大容量传输能力的评估提供有效的判据。

结合本实施例，可知本发明具有如下优点：

(1)根据修正后拟合曲面得出的节点动态频率相应特性系数的拟合值和仿真值的误差在2％以内，误差在可接受的范围内，证明拟合方法可行有效且精确。

(2)所得有功有效扰动最大值为8699.4MW，在系统发电机总有功出力的1％的范围之内，符合确保系统的安全稳定运行的条件。

(3)实施例中所得有功有效扰动最大值所对应的最大传输容量为36570MW，该最大传输容量值可精确评估和预测电力系统的功率传输能力，有效实用。

(4)由于实际电网在不同扰动下的频率波动及频率特性数据难以获取，本发明基于实际系统的仿真模型，实际工程应用时可用实测数据进行替换，或结合离线仿真结果用实测数据进行修正和计算，进一步提高了适用性。

Claims (7)

1.一种大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是，包括：

S1基于实测的样本数据，以K为目标函数、S和ΔP为变量进行曲面拟合，获得拟合曲面；所述的样本数据包括传输容量S、有功扰动ΔP以及各传输容量S和各有功扰动ΔP对应的节点动态频率响应特性系数K；

S2在拟合曲面坐标下，获取拟合曲面与平面的交线，获得该交线与平面ΔP＝ΔP_max的交点，该交点对应的S值即最大传输容量；ΔP表示电力系统的有功扰动，P₀和f₀为当前电力系统实际的初始功率和初始频率，P₀为仿真值；Δf′为当前电力系统的频率偏差最大值；ΔP_max为有功有效扰动最大值，其为经验值；

S3根据最大传输容量评估大区电网间最大容量传输能力。

2.如权利要求1所述的大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是：

步骤S1中，采用四点样条曲面插值拟合法进行曲面拟合。

3.如权利要求1所述的大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是：

所述的有功有效扰动最大值为初始容量交换状态下有功扰动最大值的90％。

4.一种大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是，包括：

S1基于仿真的样本数据，以K为目标函数、S和ΔP为变量进行曲面拟合，得拟合曲面；所述的样本数据包括传输容量S、有功扰动ΔP以及各传输容量S和各有功扰动ΔP对应的节点动态频率响应特性系数K的仿真值；

S2利用节点动态频率响应特性系数K的实测值修正拟合曲面；

S3在拟合曲面坐标下，获取修正后的拟合曲面与平面的交线，获得该交线与平面ΔP＝ΔP_max的交点，该交点对应的S值即最大传输容量；ΔP表示电力系统的有功扰动，P₀和f₀为当前电力系统实际的初始功率和初始频率，P₀为仿真值；Δf′为当前电力系统的频率偏差最大值；ΔP_max为有功有效扰动最大值，其为经验值；

S4根据最大传输容量评估大区电网间最大容量传输能力。

5.如权利要求4所述的大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是：

步骤S1中，仿真的样本数据采用如下方法获得：

运用PSASP工具获取不同传输容量S和不同有功扰动ΔP下节点动态频率响应特性系数K的仿真值。

6.如权利要求4所述的大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是：

步骤S1和S2中，采用四点样条曲面插值拟合法进行曲面拟合和修正拟合曲面。

7.如权利要求4所述的大区电网间最大容量传输能力评估方法，其特征是：

所述的有功有效扰动最大值为初始容量交换状态下有功扰动最大值的90％。