CN106058847A - 一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，在传统的模态法的基础上，考虑到在电网运行极限状态下有功功率对系统的雅可比矩阵特征值会产生较大影响从而造成的不准确性，提出了一种考虑有功功率的全电压模态分析法，此方法在稳定裕度很小或系统运行在临界失稳时得出的薄弱节点更加准确，而且此方法可以不仅能够确定薄弱节点，还可以找出对当前失稳模式其主要影响的控制支路及发电机，为补偿地点及切负荷位置选取提供了关键信息；对预防及控制电压失稳,保证地区电网安全稳定运行提供有价值的工程指导信息。

Description

一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法

技术领域

本发明涉及电网稳定分析技术领域，特别是一种用于分析电网电压薄弱区域的方法。

背景技术

目前，电力系统的规模不断地扩大，网络结构日趋复杂，系统不断向大机组、大电网、高电压和远距离输电的方向发展。随着负荷和机组容量的增大、用户对电能质量要求的提高等，对电网的安全运行提出了更高要求。考虑到环境和经济因素的制约，使得电力系统运行趋于稳定极限状态，以满足电力的需求。近年来，国内外电力系统多次发生电压崩溃事故，导致大面积停电，对社会造成巨大损失，引起了世界各国对电压稳定的广泛研究。电压崩溃往往是先从电网最薄弱节点或最薄弱区域开始，继而蔓延到其它节点或区域，最终引起全系统崩溃。在用电负荷快速增长的背景下，电力系统电压稳定性分析急需解决如下问题：1、判断系统在某一运行方式下电压是否稳定；2、求出系统在当前运行方式下的稳定裕度；3、找出系统中电压稳定的薄弱节点、支路确定的薄弱区域，并提出相应的电压稳定预防控制措施，对于避免电压崩溃事故的发生具有非常重要的意义。

电压稳定性是指电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受值的能力。目前电压稳定性分析的方法主要有最大功率法、灵敏度法、潮流多解法、分歧分析法、奇异值和特征值分解法等，这些静态分析方法简单直观，所需的系统运行数据少，计算速度快，提供信息较多而得到了广泛研究。

但是目前研究确定电网电压薄弱区域的方法主要有全网N-1电压扫描计算静态稳定裕度以及单一V-Q模态法计算各节点在最小特征值参与因子找出哪些节点或区域的电压稳定性较差，全网N-1电压扫描计算静态稳定裕度有功裕度指标，无功电压灵敏度指标。前者方法虽然直观、简单易被人接受，但其计算量大、提供信息少而且只适合恒功率负荷模型；后者中只考虑无功参与因子，节点仅包含负荷节点，没有考虑发电机节点的参与作用以及支路参与因子影响；并且传统模态法只计算当前运行点的节点参与因子。模态法分析，使用的是无功电压模态法，在系统稳定运行裕度较大时，有功功率对雅可比矩阵特征值的影响很小，可以忽略不计；而当系统运行在临界失稳或稳定裕度很小时，有功功率对系统的雅可比矩阵特征值产生较大影响，不可忽略，此时应使用全电压模态分析法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，它不仅能够确定薄弱节点，还可以找出对当前失稳模式其主要影响的控制支路及发电机，为补偿地点及切负荷位置选取提供了关键信息。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1)采用电网N-1事故模拟的运行方式，计算电网元件故障后，各节点对负荷正常持续供电能力，找出电压最低的带负荷节点，得出PV曲线分析中的关键节点；

2)对电网当前运行方式使用连续潮流法，得出步骤1)中关键节点的PV曲线，由此得到电网功率传输极限节点，并计算极限节点功率储备系数，计算电网静态电压稳定裕度；

3)采用V-Q模态分析法和改进全模态分析法计算电网当前运行状态和极限状态进行模态分析，计算出关键节点和极限节点相应的各节点、发电机和支路的参与因子；

4)根据步骤3)中计算得到的关键节点和极限节点相应的各节点、发电机和支路的参与因子，确定当前状态和极限状态下的电压薄弱区域。

进一步，步骤2)中所述使用连续潮流法，得出关键节点PV曲线的具体步骤如下：

采用连续潮流算法，从当前运行点开始，保持负荷功率因数PF不变，以固定步长△P逐渐增加系统所有节点的负荷直到临界状态，系统达到最大传输功率极限，即PV曲线的鼻点，便得到各负荷节点的PV曲线；在PV曲线中，横坐标代表电网区域或者传输界面的总负荷，纵坐标表示关键负荷节点的电压幅值，PV曲线的拐点为稳定运行的极限点，极限点对应的负荷Pmax为极限负荷或最大功率传输极限，极限点对应的电压为稳定运行的极限电压Vcr，电网中的实际运行点的负荷或传输功率与极限负荷或最大传输功率之差可以综合反映系统的静态电压稳定裕度。

进一步，步骤2)中所述极限节点功率储备系数和电网静态电压稳定裕度的具体计算方法为：

在实际电网中，以节点功率储备系数Kp和电网静态电压稳定裕度Kv来反映系统的静态功率稳定裕度，节点功率储备系数Kp及静态电压稳定裕度Kv定义为：

$K_p=\frac{P_{max}-P_0}{P_0}\×100\%$

$K_V=\frac{V_{max}-V_0}{V_0}\×100\%$

其中：Pmax、Vmax分别为极限负荷或最大功率传输极限及极限电压；P0、V0分别为初始运行点出的功率及节点电压。

进一步，步骤3)中所述改进全模态分析法的数学模型为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{\Δ}V\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J^{-1}}_{RP\mathrm{\θ}}& -{J^{-1}}_{RP\mathrm{\θ}}\·J_{PV}\·{J^{-1}}_{QV}\\ -{J^{-1}}_{RQV}\·J_{Q\mathrm{\θ}}\·{J^{-1}}_{P\mathrm{\θ}}& {J^{-1}}_{RQV}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}Q\end{array}\right]$

式中，式中，其中：为常规潮流雅克比矩阵，J_RPθ＝J_Pθ-J_PVJ^-1 _QVJ_Qθ为降阶有功雅克比矩阵，J_RQV＝J_QV-J_QθJ^-1 _PθJ_PV为降阶无功雅克比矩阵，为功率不平衡向量，为电压不平衡向量。

进一步，步骤3)中所述

节点参与因子的计算公式为：

$\frac{\∂V_k}{\∂Q_k}=\underset{i}{\Σ}\frac{{\mathrm{\ξ}}_{ki}{\mathrm{\η}}_{ik}}{{\mathrm{\λ}}_i}$

其中，k代表节点编号，ξ_ki代表ξ_i的第k个元素，η_ik代表η_i的第k个元素；节点k对模态i参与因子为：

P_ki＝ξ_kiη_ki；

支路参与因子，支路j对模态i的参与因子的计算公式为：

P_ji＝ΔQ_loss.j/ΔQ_loss.Max

式中，ΔQloss.j为支路j的无功损失量；ΔQloss.Max为所有支路的无功损失量的最大值；

发电机参与因子的计算公式为：

P_ji＝ΔQ_gki/ΔQ_{g max i}

式中，ΔQgki为发电机k对模式i的无功损失量；ΔQg maxi为所有发电机的无功损失量的最大值。

进一步，步骤4)中所述确定当前状态和极限状态下的电压薄弱区域的具体方法为：

4-1)节点参与因子，节点参与因子的大小表示为使此模式稳定，对该母线采取校正措施的有效程度；判定薄弱节点的问题就是寻找系统状态方程的雅克比矩阵JR的最小模特征根以及与此最小模特征相关的节点参与因子的较大者；

4-2)支路参与因子，支路参与因子表示对任一模态，在给定无功负荷增量变化的情况下，哪一条支路消耗了最多的无功功率，参与因子高的支路就是造成该模态变弱的支路；

4-3)发电机参与因子，发电机参与因子表示对任一模态，为响应电网无功负荷的增量变化，哪一台发电机提供了最多的无功功率输出，具有高参与因子的发电机在维持模态i的稳定方面发挥着大的作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的算法流程图；

图2正常运行时系统的薄弱区域；

图3极限运行时系统的薄弱区域；

图4为P-V曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以我国负荷中心的某地区电网2015年数据为例，全系统共有781条母线，20条500KV条高压交流线；负荷146个；发电机37台，变压器277台，分为7个区域。在2015年夏平大运行方式下，全网总出力为12579+j2440.3(MV·A)，系统总负荷水平为12358.7+j3812.3(MV·A)；其中全网出力包括了接受四川电网的出力2443-j440(MV·A)，受电率为19.4％。

对电网所有主网中500KV线路及变压器元件进行N-1事故模拟的运行方式，全网N-1后，找出电压最低的带负荷节点得出PV分析的关键节点。然后对该系统当前运行方式下进行连续潮流分析，得出关键节点的PV曲线，由此得到系统的功率传输极限点，计算出系统有功裕度K_p(％)＝8.62。

分别用V-Q模态法和改进全模态法对该系统在当前运行状态和稳定极限状态进行模态分析，计算出相应的母线、线路以及发电机参与因子的结果如表1、2、3所示。

表1母线相关因子部分主要结果

表2线路相关参与因子部分主要结果

表3发电机相关因子部分主要结果

系统在初始运行状态下，其中最薄弱的节点是石马，且薄弱区域为以石柱、石马、垫江、丰都、南宾、江南、石柱牵和龙桥等以及以陈家桥二站、思源、玉带山等为为中心的几个站构成了重庆电网的电压薄弱区域，图2表示了正常运行状态下的薄弱区域；在极限点状态子下高参与因子的母线分别为黔江、酉阳、秀山、彭水、武隆等，图3表示了极限状态下的电压薄弱区域；可看出薄弱区域与运行点处基本一致，但是在极限运行方式下仍有以陈家桥二站、思源、微电园、凉亭、梨树湾等组成的陈家桥片区的薄弱区域。由以上结果还可以看出在初始状态下，110kV的母线节点的参与因子排在前边，这就是说电网一旦失稳，最先崩溃的节点同其所在的电压等级没有关系，电网很有可能从低电压等级的母线最先开始电压失稳的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)采用电网N-1事故模拟的运行方式，计算电网元件故障后，各节点对负荷正常持续供电能力，找出电压最低的带负荷节点，得出PV曲线分析中的关键节点；

2)对电网当前运行方式使用连续潮流法，得出步骤1)中关键节点的PV曲线，由此得到电网功率传输极限节点，并计算极限节点功率储备系数，计算电网静态电压稳定裕度；

3)采用V-Q模态分析法和改进全模态分析法计算电网当前运行状态和极限状态进行模态分析，计算出关键节点和极限节点相应的各节点、发电机和支路的参与因子；

4)根据步骤3)中计算得到的关键节点和极限节点相应的各节点、发电机和支路的参与因子，确定当前状态和极限状态下的电压薄弱区域。

2.如权利要求1所述的一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，其特征在于，步骤2)中所述使用连续潮流法，得出关键节点PV曲线的具体步骤如下：

采用连续潮流算法，从当前运行点开始，保持负荷功率因数PF不变，以固定步长△P逐渐增加系统所有节点的负荷直到临界状态，系统达到最大传输功率极限，即PV曲线的鼻点，便得到各负荷节点的PV曲线；在PV曲线中，横坐标代表电网区域或者传输界面的总负荷，纵坐标表示关键负荷节点的电压幅值，PV曲线的拐点为稳定运行的极限点，极限点对应的负荷Pmax为极限负荷或最大功率传输极限，极限点对应的电压为稳定运行的极限电压Vcr，电网中的实际运行点的负荷或传输功率与极限负荷或最大传输功率之差可以综合反映系统的静态电压稳定裕度。

3.如权利要求2所述的一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，其特征在于，步骤2)中所述极限节点功率储备系数和电网静态电压稳定裕度的具体计算方法为：

在实际电网中，以节点功率储备系数Kp和电网静态电压稳定裕度Kv来反映系统的静态功率稳定裕度，节点功率储备系数Kp及静态电压稳定裕度Kv定义为：

$K_p=\frac{P_{max}-P_0}{P_0}\×100\%$

$K_V=\frac{V_{max}-V_0}{V_0}\×100\%$

其中：Pmax、Vmax分别为极限负荷或最大功率传输极限及极限电压；P0、V0分别为初始运行点出的功率及节点电压。

4.如权利要求1所述的一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，其特征在于，步骤3)中所述改进全模态分析法的数学模型为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{\Δ}V\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{J^{-1}}_{RP\mathrm{\θ}}& -{J^{-1}}_{RP\mathrm{\θ}}\·J_{PV}\·{J^{-1}}_{QV}\\ -{J^{-1}}_{RQV}\·J_{Q\mathrm{\θ}}\·{J^{-1}}_{P\mathrm{\θ}}& {J^{-1}}_{RQV}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P\\ \mathrm{\Δ}Q\end{array}\right]$

式中，式中，其中：为常规潮流雅克比矩阵，J_RPθ＝J_Pθ-J_PVJ^-1 _QVJ_Qθ为降阶有功雅克比矩阵，J_RQV＝J_QV-J_QθJ^-1 _PθJ_PV为降阶无功雅克比矩阵，为功率不平衡向量，为电压不平衡向量。

5.如权利要求4所述的一种用于辨识电网电压稳定性薄弱区域的方法，其物征在于，步骤3)中所述

节点参与因子的计算公式为：

$\frac{\∂V_k}{\∂Q_k}=\underset{i}{\Σ}\frac{{\mathrm{\ξ}}_{ki}{\mathrm{\η}}_{ik}}{{\mathrm{\λ}}_i}$

其中，k代表节点编号，ξ_ki代表ξ_i的第k个元素，η_ik代表η_i的第k个元素；节点k对模态i参与因子为：

P_ki＝ξ_kiη_ki；

支路参与因子，支路j对模态i的参与因子的计算公式为：

P_ji＝ΔQ_loss.j/ΔQ_loss.Max

式中，ΔQloss.j为支路j的无功损失量；ΔQloss.Max为所有支路的无功损失量的最大值；

发电机参与因子的计算公式为：

P_ji＝ΔQ_gki/ΔQ_{g max i}

式中，ΔQgki为发电机k对模式i的无功损失量；ΔQg maxi为所有发电机的无功损失量的最大值。

6.如权利要求5所述的一咱用于辨识电网电压薄弱区域的方法，其特征在于，步骤4)中所述确定当前状态和极限状态下的电压薄弱区域的具体方法为：

4-1)节点参与因子，节点参与因子的大小表示为使此模式稳定，对该母线采取校正措施的有效程度；判定薄弱节点的问题就是寻找系统状态方程的雅克比矩阵JR的最小模特征根以及与此最小模特征相关的节点参与因子的较大者；

4-2)支路参与因子，支路参与因子表示对任一模态，在给定无功负荷增量变化的情况下，哪一条支路消耗了最多的无功功率，参与因子高的支路就是造成该模态变弱的支路；

4-3)发电机参与因子，发电机参与因子表示对任一模态，为响应电网无功负荷的增量变化，哪一台发电机提供了最多的无功功率输出，具有高参与因子的发电机在维持模态i的稳定方面发挥着大的作用。