CN107069770B - 一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统安全稳定运行，公开了一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法。本方法综合考虑了电源侧机组控制系统参数和电网侧结构及运行方式变化对电力系统动态稳定性的影响，通过源网协同的方式提高电力系统动态稳定水平。当电网结构或运行方式变化时，通过遗传优化算法重新整定机组控制系统参数，能有效防止源网不协同而引发的低频功率振荡。

Description

一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法

技术领域

本申请属于电力安全稳定控制技术领域，具体涉及一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法。

背景技术

电力系统低频功率振荡是指发电机组转子间相对摇摆，输电线路功率发生振荡，其频率一般在0.1-2.5Hz，所以称为低频振荡。低频振荡通常是现代快速励磁系统引入负阻尼，引起系统扰动后发生增幅振荡。通过应用电力系统稳定器进行相位补偿校正，可以有效消除励磁系统引发的低频振荡现象。然而随着电力系统的迅速发展，低频振荡影响因素越来越多。电源侧机组调速系统由于采用功频电液控制系统，其响应速度大大提高，调速系统参数对电网动态稳定水平开始起作用；电网结构和运行方式变化，也会影响电力系统动态稳定水平。

系统中频繁发生机组调速系统参数设置不当引发的电网低频功率振荡现象，包括负阻尼机理的低频振荡和共振机理的强迫振荡。由于电网的互联，低频振荡产生的机理更加复杂。实际电力系统中出现了交流同步互联的电网，改为直流异步互联之后出现低频振荡现象，严重影响了电力系统的安全稳定运行，成为困扰大区域电网互联的关键科技问题之一。即使是交流同步互联电网，当电网运行方式改变时，之前稳定运行的系统也会出现低频振荡。究其原因，是电网低频振荡受电源侧机组控制系统参数，电网侧结构和运行方式的共同影响。

发明内容

本发明提出一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法，通过在不同电网结构和运行方式下优化机组控制系统参数，达到抑制电力系统低频振荡，提高电网动态安全稳定水平的目的。

本发明的技术方案是，一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法，包括以下步骤：

(1)检测电网结构和运行方式；

电网的拓扑结构将对电力系统的稳定性产生直接影响，合理的电网结构能为其本身的可靠性提供基础，减少电网发生重大事故的可能性，或者能快速灵活地从事故状态恢复到正常状态。系统元件及开关的运行方式变化，如线路、变压器、发电机等元件的投入或退出以及母联投切、开关倒闸，均会导致网络结构的改变。系统运行分为正常运行状态、检修状态和故障运行状态。电网运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。不同的系统运行方式及网络拓扑结构表现为不同支路开断或闭合的组合，当网络结构或运行方式发生改变时，各种电力设备需要进行调整，实现电网的稳定运行。

本发明通过构建节点-节点联通矩阵进行网络拓扑结构的辨识。

a)定义节点-支路关联矩阵，A＝[a_ij]，a_ij表示节点i与支路j的关联值(联通性),当节点i与支路j相联时a_ij＝1,否则a_ij＝0。当所有开关均为闭合状态时，此时的节点-支路关联矩阵记为A₀。

b)定义开关状态矢量S＝[s_j],s_j与开关j的状态相对应。当开关闭时,s_j＝1,开关断开时,s_j＝0。将A₀的每一行与S的各个对应元素进行“与”运算后得到的任意开关状态下的节点-支路关联矩阵A。

c)定义节点-节点连通矩阵C＝[c_ij],当节点i与节点j连通时,c_ij＝1,不连通时c_ij＝0。

对于具有m个节点,n条支路的网络,定义以下矩阵乘法运算:

C＝A·B (1)

其中

∩表示“与”运算；∪表示“或”运算。

C＝[c_ij]表示了节点与节点之间的连通性,称为节点-节点连通矩阵。这时的节点-节点连通矩阵仅仅表示了节点之间的直接连通性质,把它称为1级节点-节点连通矩阵,并记为C⁽¹⁾。由于连通性的传递性质,可以通过用1级节点-节点连通矩阵C⁽¹⁾进行上面定义的矩阵乘法运算,得到2级节点-节点连通矩阵

C⁽²⁾＝C⁽¹⁾·C⁽¹⁾ (3)

2级节点-节点连通矩阵C⁽²⁾在1级节点-节点连通矩阵C⁽¹⁾的基础上,运用连通关系的传递性,把节点之间的部分间接连通关系也表示出来,用C⁽²⁾再自乘得到C⁽³⁾，…，直到C⁽ⁿ⁾＝C^(n-1)·C^(n-1)。重复进行以上运算，C不再变化时已把网络中的所有连通关系都表示出来。这时,所有连通的节点之间的关联值都是1，而不连通的节点间关联值都为0。

本发明通过检测电网各开关量状态与模拟量状态来确定网络拓扑结构及系统运行方式，当开关量为1时表示闭合，开关量为0时表示断开；模拟量主要包括电压、有功功率、无功功率，通过安装在电网中的表计量，为动态稳定水平分析提供基础。不同的系统运行方式及网络拓扑结构表现为不同支路开断或闭合的组合，当开关量状态S＝[s_j]发生变化时，网络拓扑结构随之改变，需要重新计算A，C，将其反映到线性化模型中,此时电力系统的行为、输出变量值、线性化系数也随之改变。

(2)建立系统小扰动分析模型

1)汽轮机模型

汽轮机采用串联复合再热式，其框图如图2所示，该模型考虑了进汽室、再热器，以及控制阀和截止阀的非线性特性的影响。根据图2，联系汽轮机转矩和控制阀位置扰动值的汽轮机简化传递模型可以写为

其中，T_CH为进汽室时间常数，F_HP为高压缸功率系数，T_RH为再热器时间常数。

2)调速器模型

汽轮机调速器采用数字电子液压(DEH)控制系统，其框图如图3所示。

3)励磁系统模型

励磁系统采用标准化的模型结构，可用于暂态稳定和小信号稳定研究中。图4所示模型表示带有连续作用电压调节器的控制磁场直流换向器励磁机，励磁机采用自励，选择K_E使得初始时V_R＝0。

其中V_C为电压传感器的输出电压，V_ref为电压调节器的参考电压，V_S为电力系统稳定器(PSS)的输出电压，V_UEL为欠励限制器输出电压，仅在极端或不寻常状况时才参与起作用。得到的磁场电势E_FD输入到同步发电机中。

4)PSS模型

电力系统稳定器(PSS)通过对引入系统反馈信号，为系统引入正阻尼，其框图如图5所示。等效转子角速度经过信号增益、信号滤波、相位补偿和幅值限定环节，产生PSS向系统的输入信号。控制参数包括电力系统稳定器增益K_STAB，时间常数T_W，相位补偿时间常数T₁，T₂，输入信号幅值的上限V_smax，下限V_smin。

5)变压器模型

三相变压器由三个单相变压器组合而成，单相变压器可由标幺等值电路表示，如图6所示。

6)输电线路模型

短距离输电线路忽略并联电容，采用串联阻抗予以表示

Z＝(R+jωL)l (5)

中长距离输电线路采用标称π形等值电路表示；

Z_e＝Z (6)

长距离输电线路因参数分布效应很明显，采用等值π形电路表示。

Z_e＝Z_Csinh(γl) (8)

其中

7)负荷模型

负荷采用三相并联RLC模型，具有恒阻抗特性。

负荷对电压的依赖特性用指数模型来表示

其中

负荷对频率的依赖特性同样用指数模型表示

8)系统线性化

电力系统的行为可以写成如下形式

输出变量y可用状态变量x及输入变量u表示并有如下形式

y＝g(x,u) (15)

当系统施加于小扰动时，为了简化系统分析，便于分析出汽轮发电机优化参数的优先级，建立小扰动分析模型，分析过程如下：

让x₀代表初始状态向量,输出向量u₀对用于要研究的小信号性能的平衡点。因此x₀和u₀满足式(14)，有

对于系统的上述状态施加扰动，则有

x＝x₀+Δx u＝u₀+Δu (17)

利用泰勒级数展开，可以将式(14)和式(15)线性化

Δy＝CΔx+DΔu (19)

其中

B为n×n阶状态矩阵，D为n×r阶控制或输入矩阵，E为m×n阶输出矩阵，F为m×r阶前馈矩阵。

(3)计算不同电网结构和运行方式下系统动态稳定水平

由系统的特征方程可以求得状态矩阵的特征值，每一对共轭复数特征值λ＝σ±jω对应系统的一个振荡模式。

振荡频率为

这代表实际或阻尼频率，其阻尼比为

阻尼比ζ确定了振荡幅值衰减的速度，衰减的时间常数为1/|σ|。

特征值λ_i对状态矩阵A的a_kj元素的灵敏度等于左特征向量元素Ψ_ik和右特征向量元素φ_ji的乘积。

系统的电网结构和运行方式发生变化时，机组控制系统参数需要相应的优化，以抑制电力系统低频振荡，提高电网动态安全稳定水平依据。依据灵敏度确定各优化参数调节的优先级。根据形成的小扰动分析状态空间模型，计算系统状态矩阵的特征值，每一对共轭复数特征值λ＝σ±jω对应系统的一个振荡模式，机电振荡模式阻尼比定义如公式(21)所示。阻尼比为正值，且满足大于3％的系统动态水平要求，否则需要重新整定机组控制系统参数；

(4)应用遗传优化算法进行机组控制系统参数优化

要求系统在不同电网结构及运行方式下，系统的阻尼比均能为正值，且应满足系统振荡幅值衰减速度的要求，故有如下的指标

其中，q为惩罚因子，取为100。汽轮发电机组的多控制系统参数优化算法采用的是遗传算法，遗传算法属于全局迭代寻优算法，通过选择、交叉和变异，从而保证最终实现全局优化。

利用遗传算法寻求汽轮发电机各优化参数的全局最优解。遗传算法是直接对结构对象进行操作,不存在求导和函数连续性的限定具有良好的全局寻优能力。采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。

遗传算法的运算流程包括编码、初始群体生成、适应度值评价检测、选择、交叉、变异六部分，下面分别做简要的介绍。

a)编码：解空间的解数据x，即为发电机组控制系统各优化参数，作为遗传算法的表现型形式。从表现型到基因型的映射称为编码。遗传算法在进行搜索之前先将解空间的解数据表示成遗传空间的基因型串结构数据，这些串结构数据的不同组合就构成了不同的点。

b)初始群体的生成：依据经验得到发电机组控制系统各优化参数的N组经验值，即构成N个串结构数据，每个串结构数据称为一个个体，N个个体构成一个群体。遗传算法以这N个串结构作为初始点开始迭代。设置进化代数计数器t＝0；设置最大进化代数T；随机生成N个个体作为初始群体P(0)；

c)适应度值评价检测：适应度函数表明个体或解的优劣性，以发电机组控制系统参数的优化目标函数作为适应度值进行评价，计算群体P(t)中各个个体的适应度。

d)选择：将选择算子作用于群体,根据适应度函数值的大小，选取适应度高的个体进行下一步的操作。

e)交叉：将交叉算子作用于群体，交叉操作以交叉概率P_e随机选取群体中的个体在随机生成的位置进行交叉。

f)变异：将变异算子作用于群体,变异操作以变异概率P_m随机选取个体中的基于位进行变异,得到新的个体。

选择、交叉和变异是遗传算法的3个主要操作算子,他们构成了遗传操作。

附图说明：

图1发电机组多控制系统参数协调优化原理图

图2汽轮机方框图

图3调速器方框图

图4励磁系统方框图

图5电力系统稳定器方框图

图6变压器单相标么等值电路图

图7遗传算法流程图

图8四机两区域系统简化拓扑图

图9双回线结构下瞬时性三相接地短路时传输功率曲线图

图10单回线结构下瞬时性三相接地短路时传输功率曲线图

图11源网协同优化后单回线结构下瞬时性三相接地短路时传输功率曲线图

具体实施方式：

以典型的四机两区域系统为例，该系统有四台汽轮发电机，容量均为900MVA；汽轮机采用三缸单再热器模型结构，高压缸功率系数F_HP取0.3，中压缸功率系数F_IP取0.4，低压缸功率系数F_LP取0.3；调速器采用功频电液控制系统，带有功率负荷不平衡(PLU)检测测和中间调节阀(IV)触发功能；励磁系统采用自励励磁方式，电力系统稳定器(PSS)采用角速度偏差和功率偏差作为输入，负荷采用恒阻抗负荷模型。选择以下控制参数作为待优化参数：励磁调节器放大倍数K_A和时间常数T_A，电力系统稳定器增益K_STAB和时间常数T₁、T₁，调速器的比例放大倍数K_G。待优化参数矩阵记为x＝[K_A,T_A,K_STAB,T₁,T₂,K_G]。

应用本发明提出的方法进行机组控制系统优化,具体情况如下：

四机两区域系统的拓扑图可简化用图8表示，该区域的节点数为6，支路数为6，每条支路安装一个开关。当所有开关量均为1时，节点-支路关联矩阵A₀

当支路3或者支路4上的开关量由1变为0时，系统由双回线结构变为单回线结构。此实例中支路4断开，S＝[1,1,1,0,1,1]，将A₀的每一行与S的各个对应元素进行“与”运算后得到的任意开关状态下的节点-支路关联矩阵A

1.双回线结构：

系统区域间联络线采用双回线结构，当其中一回线路在1s发生瞬时性三相接地故障时，联络线传输功率如图9所示，此时系统动态稳定性较好。阻尼比为0.350，此时待优化参数矩阵为x＝[300,0.001,1,0.16,0.03,1]。

2.单回线结构：

系统结构由双回线变为单回线，当该一回线路在1s发生瞬时性三相故障时，联络线传输功率如图10所示，此时系统出现增幅低频功率振荡，阻尼比为-0.011，动态稳定性不符合要求，需要进行基于源网协同机组控制系统参数优化。3.基于源网协同的机组控制系统参数优化

系统结构由双回线变为单回线，应用本发明提出的源网协同机组控制系统参数优化，优化后待优化参数矩阵为x＝[280，0.001，2.5，0.16，0.03，1]，阻尼比为0.285。当该一回线路在1s发生瞬时性三相故障时，联络线传输功率如图11所示，可以看出系统动态稳定性能较好，低频功率振荡被有效防治。

Claims (5)

1.一种源网协同的电力系统低频振荡防治方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测电网结构和运行方式；

(2)建立系统小扰动分析模型；

(3)计算不同电网结构和运行方式下系统动态稳定水平；

(4)应用遗传优化算法进行机组控制系统参数优化；

所述应用遗传优化算法进行机组控制系统参数优化包括建立协调优化目标函数，

上述公式中，q为惩罚因子，取为100；ζ_i为第i个机电振荡模式阻尼比；

所述遗传优化算法包括编码、初始群体生成、适应度值评价检测、选择、交叉、变异六部分。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述检测电网结构和运行方式包括检测电网的拓扑结构，系统元件及开关的运行方式变化。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)中所述建立系统小扰动分析模型包括通过检测电网中各开关量状态与模拟量状态，形成电网拓扑结构及运行方式；当开关量为1时表示闭合，开关量为0时表示断开；模拟量主要包括电压、有功功率、无功功率，通过安装在电网中的表计量。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(2)所述建立系统小扰动分析模型包括：

汽轮机模型、调速器模型、励磁系统模型、电力系统稳定器模型、变压器模型、输电线路模型以及负荷模型；根据网络拓扑结构将各个模型连接成系统，线性化后形成小扰动分析状态空间模型。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)所述计算不同电网结构和运行方式下系统动态稳定水平包括以下内容：

根据形成的小扰动分析状态空间模型，计算系统状态矩阵的特征值，每一对共轭复数特征值λ_i＝σ_i±jω_i对应系统的一个机电振荡模式，第i个机电振荡模式阻尼比定义为

阻尼比为正值，且满足大于3％的系统动态水平要求，否则需要重新整定机组控制系统参数。