CN106712030A - 基于wams动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，包括如下步骤：计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平；计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平；对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平；判断是否发生电压失稳。本发明提供通过对现行和规划的交直流混联电网可能存在的暂态电压失稳事故进行特征分析，可以依据交流故障对直流系统稳定运行的危害程度实现有效的故障筛选和排序，结合故障后潮流转移情况实现了连锁故障集的合理构建，可对故障后直流系统受端电网电压失稳风险进行快速评估。

Description

基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法

技术领域

本发明涉及一种基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，属于电力系统安全稳定分析技术领域。

背景技术

我国电网目前已形成特高压交直流互联电网，通过直流系统与多个大型交流电网相联。依据趋势，未来10-20年我国还将建设数十座特高压直流工程，逐步形成特高压交直流混联电网，通过特高压直流、交流系统向负荷中心供电。常规的高压直流输电系统需要受端交流系统提供足够的换相电压，且发生换相失败后还将从交流系统吸收大量无功，多直流馈入后受端电网将面临严重的由动态电压无功储备问题引发的安全稳定问题。

随着调度控制技术支持系统快速发展，尤其是广域向量测量系统(Wide AreaMeasurement System,WAMS)集成及向量测量单元(Phase Measure Unit,PMU)的逐渐优化布置，为高压直流受端交流系统的安全稳定分析提供了有效的综合技术手段。

短路比是研究直流系统逆变站交流系统强度的有效指标，基于短路比的电压稳定分析广泛地应用在学术界和工程界中，为电网规划和运行提供了参考依据。但目前的短路比、有效短路比、多馈入短路比等指标多用于电网网架强度评估，尚未充分挖掘其适用范围和场景。

发明内容

对于交直流混联馈入受端电网，更为严重的安全稳定问题是可能发生的交直流系统连锁故障，即交流系统故障后可能引起直流系统持续换相失败，进而导致直流闭锁更大功率转移至交流通道，引发连锁性电网崩溃事故。针对此问题目前的研究手段仍显单一，工程上主要采用时域仿真方法，通过对各种交直流系统故障组合的暂态稳定仿真来评估其是否会引发直流系统持续换相失败，进而引起更为严重的连锁故障；但此方法面临着工作量大、难以穷举故障隐患等问题。此外，国内外在连锁故障的形成机理和演化过程等方面开展了部分研究，提出了故障后潮流转移评估、基于电网小世界特性等分析方法，推进了连锁故障集构建技术的发展；但目前的研究方法多侧重于理论分析或运行经验总结，如何结合电网实际情况提出连锁故障集构建的有效实用化方法尚需进一步研究。

因此，结合我国电网的发展趋势，亟待解决交直流混联受端电网连锁故障集的合理生成和连锁故障下直流系统是否持续换相失败的快速判断等技术问题。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，通过对现行和规划的交直流混联电网可能存在的暂态电压失稳事故进行特征分析，提出了动态受端系统电压稳定性的计算方法和评估流程，可以依据交流故障对直流系统稳定运行的危害程度实现有效的故障筛选和排序，结合故障后潮流转移情况实现了连锁故障集的合理构建，可对故障后受端电网电压失稳风险进行快速评估。

本发明采用如下技术方案：基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，包括如下步骤：计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平；计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平；对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平；判断是否发生电压失稳。

作为一种较佳的实施例，所述计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平包括：电压稳定水平表示为其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值，PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

计算交流系统正常运行方式下，提取D5000/WAMS系统的，计算该方式下提取异常波动波形特征量，包括网络节点位置及幅值，将波动数据注入到PSASP7.1计算程序之中，计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1。

作为一种较佳的实施例，所述计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平包括：所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4。

作为一种较佳的实施例，所述对线路故障进行排序包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序。

作为一种较佳的实施例，所述对线路故障进行排序还包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序；交流系统正常运行方式下，交流系统的电压稳定水平分别表示为：

计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4；比较有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k的大小，然后进行排序。

作为一种较佳的实施例，所述组合最恶劣的连锁故障集包括：采用PSASP7.1潮流程序在线完成N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，以步骤3中计算出排序为索引，进而确定第N+1次故障所涉线路故障，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

作为一种较佳的实施例，所述计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平包括：计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

作为一种较佳的实施例，所述计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平还包括：按照电网正常运行方式下交流系统的的计算方式计算连锁故障下的交流系统的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min为计算线路故障断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCRi_l。

作为一种较佳的实施例，所述判断是否电压失稳包括：通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1)判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高，即发生电压失稳的可能性很高；

2)判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3)判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败，即基本不会发生直流受端系统电压失稳问题。

本发明所达到的有益效果：本发明通过对不同故障后受端交流系统故障后电压稳定水平评估指标的评估，可以实现交流电网单一故障排序，在此基础上结合故障后潮流转移评估，可以快速构建较为合理的、符合电网实际的连锁故障集，评估其引发交直流混联直流系统持续换相失败的风险；本发明与其他方法相比，该方法计算量小、物理意义明确，易于在线实施，可实现直流持续换相失败风险(直流受端电压失稳问题)的快速判断，并可实现连锁故障集的合理构建。

附图说明

图1是本发明的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法的流程图。

图2是本发明实施例中交直流混联电网结构示意图。

图3是本发明实施例中连锁故障发生后部分母线电压恢复曲线图。

图4是本发明实施例中连锁故障发生后某高压直流逆变侧熄弧角曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法的流程图。本发明提出一种基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤SS1计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平；

步骤SS2计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平；

步骤SS3对线路故障进行排序；

步骤SS4组合最恶劣的连锁故障集；

步骤SS5计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平；

步骤SS6判断是否发生电压失稳。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1包括：电压稳定水平表示为其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值，PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

计算交流系统正常运行方式下，提取D5000/WAMS系统的，计算该方式下提取异常波动波形特征量，包括网络节点位置及幅值，将波动数据注入到PSASP7.1计算程序之中，计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2包括：所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3还包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序；交流系统正常运行方式下，交流系统的电压稳定水平分别表示为：

计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4；比较有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k的大小，然后进行排序。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS4包括：采用PSASP7.1潮流程序在线完成N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，以步骤3中计算出排序为索引，进而确定第N+1次故障所涉线路故障，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS5包括计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS5还包括：按照电网正常运行方式下交流系统的的计算方式计算连锁故障下的交流系统的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min为计算线路故障断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCRi_l。

作为一种较佳的实施例，所述步骤SS6包括：通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1)判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高，即发生电压失稳的可能性很高；

2)判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3)判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败，即基本不会发生直流受端系统电压失稳问题。

图2是本发明实施例中交直流混联电网结构示意图。以图2所示交直流混联电网直流系统判断电压稳定水平为例，有如下实施例：

A、以某水平年某500千伏电网高压直流近区为例，电网正常运行方式安排如下：围绕高压直流馈入，500kVE、F、G三站形成交直流馈入受端电网，通过500kV换流站-G站双回、500kV换流站-F站双回、F站-G站、E站-H站双回、E站-I站、E站-D站、C站-D站、B站-I站双回、B站-500kV换流站双回线路与主网相连，该直流受端近区外受电力占当地负荷约52％。该方式下，500kVF站、E站、C站母线电压分别为503.2、502.0、495.6kV；

该直流受端近区220kV母线电压运行在198～216kV之间，电压水平较低；接入220kV电网机组基本已达到无功上限，无动态备用。

根据WAMS系统采集的实时采集的运行方式断面，选取典型运行方式，该运行方式选取异常波动较为显著、且受端负荷水平较高时期，计算此种运行方式下的计算所得结果为3。

B、计算有效短路比ESCR为5.14，属于强交流系统，抵御各种故障冲击的能力较强。

C、分析计算各种简单线路故障开断情况下的有效短路比ESCR，并按照ESCR的大小对简单线路故障进行排序，单一故障后电网SCR和ESCR计算结果统计表如表1所示。

表1

序号	序号故障	ESCR
			1	F站-G站N-1	5.09
2	E站-D站N-1	5.08
			3	C站主变N-1	5.07
4	C站-D站N-1	5.02
			5	F站主变N-1	5.01
6	E站-I站N-1	5
			7	C站主变N-2	4.86
8	E站主变N-1	4.78
			9	E站主变N-2	4.75

D、依据表1短路比指标计算结果，结合故障后潮流转移情况，连锁故障下电网SCR和ESCR计算结果统计表如表2所示。

表2

序号	故障	ESCR
			1	F站-G站N-1	5.09
2	E站-D站N-1	5.08
			3	C站主变N-1	5.07
4	C站-D站N-1	5.02
			5	F站主变N-1	5.01
6	E站-I站N-1	5.00
			7	C站主变N-2	4.86
8	E站主变N-1	4.78

9	E站主变N-2	4.75
			10	F站主变N-2	4.70
11	E站-H站N-2	4.69
			12	B站-A站N-2	4.42
13	换流站-F站N-2	3.86
			14	换流站-G站N-2	3.80
15	换流站-B站N-2	3.71

可依据表2设计连锁故障时序如下：

(1)考虑引起高压直流近区有效短路比降低最为严重的500kV换流站-B站N-2、换流-G站N-2故障同时发生，计算得到有效短路比为2.04，高压直流近区降低为弱受端电网。

(2)依据电网拓扑结构和负荷分布，故障后大量潮流将涌向500kVF站-G站线路，因此考虑连锁发生500kVF站-G站N-1故障，计算得到有效短路比为1.20，高压直流近区降低为极弱受端电网，易引发直流系统持续换相失败。

因此，考虑严重故障时序为，换流站-B站双回、换流站-G站双回任一通道发生三永N-2故障，导致另一通道双回线同跳，同时导致F站-G站线路无故障跳开。

上述连锁故障发生后，高压直流近区交流系统有效短路比为1.20，高压直流近区降低为极弱受端电网，易引发直流系统持续换相失败。暂态稳定仿真计算结果表明，发生500kV换流站-G站三永N-2故障，导致F站-G站线路因过载同跳，进一步导致换流站-B站双回同跳故障后，高压直流送出通道严重削弱，故障后高压直流仅通过换流站-F站双回与系统相联；500kV换流站、F站母线电压最低达到0.7p.u.，引起高压直流换相失败；直流受端近区部分220kV母线电压低至0.55-0.8p.u.，发生电压失稳。故障清除后，1.2-1.7秒之间高压直流发生持续多次换相失败。故障后部分母线电压恢复曲线和高压直流逆变侧熄弧角曲线如图3和图4所示。图3是本发明实施例中连锁故障发生后部分母线电压恢复曲线图。图4是本发明实施例中连锁故障发生后某高压直流逆变侧熄弧角曲线图。

因此，通过对不同故障后交流系统有效短路比ESCR或多馈入短路比MSCR指标的评估。可以快速构建较为合理的、符合电网实际的连锁故障集。

E、根据以上步骤所确定的连锁故障集，进行连锁故障状态下的并综合正常方式下可以对受端系统的电压稳定水平进行快速的评估。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，包括如下步骤：计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平；计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平；对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平；判断是否发生电压失稳。

2.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述计算交流系统正常运行方式下交流系统的受端系统的电压稳定水平包括：电压稳定水平表示为其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值，PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

计算交流系统正常运行方式下，提取D5000/WAMS系统的，计算该方式下提取异常波动波形特征量，包括网络节点位置及幅值，将波动数据注入到PSASP7.1计算程序之中，计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1。

3.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述计算线路故障断开情况下交流系统的受端系统的电压稳定水平包括：所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4。

4.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述对线路故障进行排序包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序。

5.根据权利要求4所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述对线路故障进行排序还包括：按照计算出的电压稳定水平的大小对线路故障进行排序；交流系统正常运行方式下，交流系统的电压稳定水平分别表示为：

计算交流系统正常方式下的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min,N为计算线路故障N断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N1、同杆并架线路三永跳双回故障N2、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N3和无短路冲击故障N4；按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k，其中k＝1,2,3,4；比较有效短路比ESCR_k和多馈入短路比MSCRi_k的大小，然后进行排序。

关于有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的说明：

$ESCR=\frac{S_{ac}-Q_{cN}}{P_{dN}}---\left(1\right)$

${\mathrm{MSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_{si}\right|P_{dNi}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\Σ}}\left|Z_{ij}\right|P_{dNj}}---\left(2\right)$

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Z_si为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i，j＝1,2,…,n,n为交流系统中直流系统的数量。

6.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述组合最恶劣的连锁故障集包括：采用PSASP7.1潮流程序在线完成N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，以步骤3中计算出排序为索引，进而确定第N+1次故障所涉线路故障，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

7.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平包括：计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCRl和多馈入短路比MSCRl。

8.根据权利要求7所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述计算连锁故障下的受端交流系统的电压稳定水平还包括：按照电网正常运行方式下交流系统的的计算方式计算连锁故障下的交流系统的正常方式下λ₁·VF_min取1；其中，i＝1,2,3,...,n,..N；i∈N为受端电网交流母线平均电压标幺值；VF_min为计算线路故障断开情况下交流系统暂态过程中的最低电压值；PECPH为交流受电比，取值在0-1之间；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCRi的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCRi_l。

9.根据权利要求1所述的基于WAMS动态跟踪的直流受端交流系统电压稳定判别方法，其特征在于，所述判断是否电压失稳包括：通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1)判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高，即发生电压失稳的可能性很高；

2)判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3)判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败，即基本不会发生直流受端系统电压失稳问题。