CN107238772A - 一种基于功率梯度分量的电压稳定性检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种易于实现、简单快速的电压稳定性的功率梯度判别方法，通过功率梯度分量，可以快速、简便地判断电网的电压的稳定性，并能给出相应条件下的电压稳定裕度和整个系统或局部系统电压最易失去稳定性的关键节点。本方法可用于电压稳定性的在线监视和控制，易于实现、计算量较小。同时，本方法对于电压稳定性的判别范围不但限于局部系统，也适用于整个系统电压稳定性的在线监视。
Description
技术领域
本发明属于电力系统运行及其分析领域，具体涉及一种基于功率梯度分量来检测电压稳定性的方法。
背景技术
19世纪70、80年代法国、瑞典、日本等国家相继发生电压崩溃性事故这些以电压崩溃特征的电网瓦解事故每次均带来巨大的经济损失，同时也引起了社会的极大混乱。电压稳定问题已经成为国际工学界关注的焦点。电力系统电压稳定性问题经过几十年的发展已经有很大进步，早期人们简单地将电力系统电压失稳问题看作系统过载引起，从而将其视为静态问题或者认为系统动态对电压稳定的影响很慢。但是电力系统本质上是一个非线性动力学系统，电压失稳究其实质是系统的动态行为，涉及到了各种元件的动态特性。因此，电压稳定问题可分为静态电压稳定性与动态电压稳定性，两者研究的角度和目的不同。
理论和实践已证明分岔理论是分析研究非线性动态系统结构稳定性的有效工具。电压稳定的改变实质是一种从稳态走向分岔的过程，其外在表现为电压幅值的振荡失稳或瞬间大幅度跌落。目前，对于静态电压稳定性，学者们提出了各种指标及其方法来评估系统的静态电压稳定性。但是对于动态电压稳定性问题，由于各种元件动态模型的建立和其相互影响的复杂性及其所导致的求解过程中的多维数问题，动态电压稳定性还有待进行进一步的研究。
电压稳定性分析方法主要分为三类：
(1)P-V曲线法
这是一种基于物理概念的计算分析。给定系统基态潮流计算结果，逐步增加系统负荷，求出系统各运行点，利用负荷特性，从而得到反映负荷实际吸收功率与节点电压关系的一系列(P，V)点，将这些相连便可得到P-V曲线。与功角曲线相似，这条曲线的拐点处被认为是电压稳定的分界点，拐点右侧高电压区，被认为是电压稳定点，拐点左侧低电压区被认为是电压不稳定点。当前系统运行点距离拐点的距离远近反映了系统的电压稳定裕度。然而，在考虑了系统元件的特性后，这一判据的正确与否值得进一步研究，而且负荷电压静特性、发电机励磁系统稳态增益对于电压稳定极限点的影响巨大。在某些情况下，系统有可能在P-V曲线的右侧高电压区就已失稳，也有可能直到P-V曲线的左侧低电压区仍能保持电压稳定。利用P-V曲线拐点判断电压稳定性造成的误差究竟是偏保守还是偏冒进难以估算。
(2)灵敏度分析法
给定基态潮流计算结果，通过增加有功、无功负荷来获得电压幅值和电压角度的变化量。所有受控变量的敏感度由电压幅值和电压角度的敏感度得到，受控变量包括受限的无功源、受限的联络线传输功率、变压器分接头的变化等。通过对受控变量的敏感度指标进行排序，得出与电压下降密切相关的无功源、联络线等强相关变量集，同时得出电压下降最大的节点集称为弱节点集。
灵敏度分析方法可以应用于电压稳定的在线监控，其中强相关变量集说明了当前系统中影响电压稳定的关键因素，如哪些发电机的停运、联络线的检修对电压稳定至关重要。而弱节点集说明了哪些区域是电压不稳定，系统最可能首先在这些区域内失稳，要对这些弱节点进行监控，同时考虑增加对这些节点的无功补偿。
(3)潮流多解法
潮流解的非唯一性的提法首先在1975年由KLOS和KERNER发表的专著《thenon-uniquenessofloadflowsolution》中提出，文中提出潮流的解往往是成对出现的，解的个数随着负荷水平的加重而减少，当系统接近极限运行状态时，将只存在两个解。在所有这些解中，只有一个解是和电力系统的实际运行状态相对应的，称为"可运行"的解。其余的解对应于电力系统的不稳定运行点，在电压稳定分析中，这些不稳定的解叫做"低电压解"。但是也有文献指出，在重负荷情况下，潮流方程的解由高电压解转移到低电压解这一跳跃现象，并未在动态仿真中出现过，更不曾在实际运行状态中观察到，潮流多解仅仅是潮流方程非线性的数学结果，各解稳定与否不取决于解的本身，而取决于电力系统各元件的动态特性，例如如果考虑负荷等元件的动态特性而认为是恒阻抗负荷时，高、低电压解将都是稳定的解。
目前潮流多解研究的主要意义在于为计算系统的极限运行状态提供一种简单方法，多解的个数及多解之间的距离是反映系统接近极限运行状态的指标。
电力系统稳定性包含两个方面：功角稳定性和电压稳定性。由于现代控制理论、计算机和计算技术在电力系统中的广泛应用，使功角稳定性的分析和控制都达到了比较高的水准，人们对功角不稳定现象和机理都有了比较深刻的认识。然而，作为电力系统稳定性的另一方面——电压稳定问题，虽然几十年来取得了许多重要的成果，一些电网工程人员研制了电压稳定分析和监测应用软件。但随着电力系统规模的不断扩大，新型控制设备的不断投入运行以及电力市场化的不断深入，人们需要更为简便、准确的电压稳定性指标(Voltage Stability Criterion，VSC)以及一个能正确估计电压稳定极限(VoltageStability Limit，VSL)的方法，为电力系统运行提供调度依据。
基于稳态潮流方程的静态分析方法大多研究平衡点的稳定性问题，即把网络传输极限功率时的系统运行状态当作静态电压稳定极限状态，采用系统稳态潮流方程进行分析。比较具有代表性的有灵敏度分析法、特征值分析法、模态分析法、奇异值分解法、连续潮流法、非线性规划法以及零特征根法。以上分析方法本质上都是把电力网络的潮流极限作为静态稳定极限点，不同之处在于抓住极限运行状态的不同特征作为临界点的判据。但极限运行状态的求取经常因为潮流计算的迭代不收敛。
基于非线性微分方程的动态分析方法主要包括小扰动分析法和大扰动分析法。其中的小干扰分析法的做法为将描述电力系统的微分-代数方程组在当前运行点线性化，消去代数约束后形成系统矩阵，通过该矩阵的特征值和特征向量来分析系统的稳定性和各元件的作用，其主要难点在于建立简单而又包括系统主要元件相关动态的模型；大干扰分析法主要对电压稳定进行时域仿真研究或者对能量函数进行提取，然而对于具有复杂的动态特性和有损耗的输电系统而言，并不能保证能量函数存在，而且时域仿真存在困难。
发明内容
本发明的目的就是为了解决对电压稳定性问题检测过程中存在的困难，提出一种易于实现、简单快速的电压稳定性的功率梯度检测方法(Power Gradient Criterion,简写为PGC)，它在电力系统传输路径的基础上，通过功率梯度分量，可以快速、简便地判断电网的电压的稳定性，并能给出相应条件下的电压稳定裕度和整个系统或局部系统电压最易失去稳定性的关键节点。
该检测方法用于判别系统电压稳定性时,称系统电压稳定性判据，用PGCS表示；该方法用于判别一个局部系统的电压压定性时,称为局部系统的电压稳定性判据，用PGCL表示；该方法用于判别一个负荷电压稳定性时，称为节点电压稳定性判据，用PGCB表示；该判据用于判别系统中一个关键节点的电压稳定性时，用PGCC表示。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
所述电压稳定性控制流程如图1所示。
首先，通过电力调度数据网采集电网运行状态相关量测，获取电网运行指标、系统中电网各结点的电压、电流等信息。
其次，在电力系统EMS调度自动化应用软件中，构建电压稳定性分析模块。
进一步的，在其内部建立了相应的计算功能。
第三，电压稳定极限(VSL)的计算，计算负荷功率达到VSL的条件
第四，功率梯度分量的计算。
第五，对功率梯度分量进行辨识，判断各局部系统的关键节点和整个系统的关键节点，判断其电压稳定性。
第六，根据系统的电压稳定程度及具体情况，判断是否下发调节指令，如果本周期无需下发调节指令，则等待下一个控制周期。
本发明的有益效果是：本方法可用于电压稳定性的在线监视和控制，易于实现、计算量较小。同时，本方法对于电压稳定性的判别范围不但限于局部系统，也适用于整个系统电压稳定性的在线监视。
附图及附图说明
图1是电压稳定性控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做出进一步说明。一种基于功率梯度分量的电压稳定性检测方法，它的方法为，
S1.通过电力调度数据网采集电网运行状态相关量测，获取电网运行指标、系统中电网各结点的电压、电流等信息。
S2.在电力系统EMS调度自动化应用软件中，构建电压稳定性分析模块，在其内部构建相应的计算功能。
S3.电压稳定极限(VSL)的计算，计算负荷功率达到VSL的条件。VSL的计算，包括下述两个子步骤：
S3.1设某一负荷节点k的传输功率拉格朗日函数Lk(U,X,Y)为：
其中，λ和μ分别是有功平衡方程和无功平衡方程的拉格朗日乘子，PLk为系统有功功率，U、X、Y为3个变量。
为负荷节点集合，内所包含的节点均是负荷功率能发生的变化的负荷节点，它可能是所有负荷节点的集合也可能是某一局部系统所包含的负荷节点的集合还可能是整个系统的部分关键节点的集合甚至只包含一个负荷节点。
S3.2计算负荷功率达到VSL的条件：
其中，K为无功分量和有功分量的比例系数，V为节点电压，θ为节点功角。
如将(3)和(4)两式写成矩阵方程的形式，有：
其中，λ＝[λ1，λ2，…，λN]T，为N×1阶矢量；
为NL×1阶矢量；
A＝[A1，A2，…，AN]T，为N×1阶矢量；
0＝[0，0，…，0]T，为NL×1阶矢量。
S4.功率梯度分量的计算，包括下述子步骤：
S4.1给定初始运行条件。
S4.2求解(5)和(6)两式，并保留最后一次迭代时的雅可比矩阵。
S4.3检查发电机节点的无功功率是否越限，如越限，将其变为PQ节点，返回步骤2)。
S4.4确定 分别选和一个负荷节点。
S4.5计算各负荷节点的阻抗分量Ge和Be:
Ge＝(P0+CV+GV2)/V2 (8)
Be＝(Q0+DV+BV2)/V2 (9)
其中，C和G为有功功率分量，D和B成为无功功率分量。
S4.6修正雅可比矩阵，修正后的雅可比矩阵[J’]为：
其中，H、N、J、L是考虑综合负荷模型时的雅可比矩阵元素。
S4.7形成[J’]的转置矩阵的因子表。
S4.8.对任意负荷节点k，令计算(7)式，求出λk和μk，计算出所有负荷节点所对应的λ和μ。
S4.9该判据用于判别系统电压稳定性时,称系统电压稳定性判据，用PGCS表示；该判据用于判别一个局部系统的电压压定性时,称为局部系统的电压稳定性判据，用PGCL表示；该判据用于判别一个负荷电压稳定性时，称为节点电压稳定性判据，用PGCB表示；该判据用于判别系统中一个关键节点的电压稳定性时，用PGCC表示。
S5.对功率梯度分量进行辨识，判断各局部系统的关键节点和整个系统的关键节点，判断其电压稳定性。按照下式求出PGC：
或表达为：
S5.1属于的各负荷节点的PGCS、PGCL、PGCB、PGCC均大于零时，由内的各负荷节点所组成的系统的电压是稳定的。其中,时，系统电压是稳定的；时，局部系统的电压是稳定的；只包含一个负荷节点时，该点电压是稳定的。
S5.2当各功率分量PGCS、PGCL、PGCB、PGCC等于零时，处于临界稳定状态。
S5.3当各负荷节点的功率梯度分量均小于零时，则系统电压不稳定。
在实际应用中，没必要计算出整个系统各个负荷节点的PGC，只须计算出几个关键点的PGCB，并求出PGCC，用几个关键节点的PGCB和PGCC监视整个系统电压的稳定性，足以满足电力系统的实际需要。
S6.根据系统的电压稳定程度及具体情况，判断是否下发调节指令，如果本周期无需下发调节指令，则等待下一个控制周期。
Claims (10)
1.一种基于功率梯度分量的电压稳定性检测方法，其特征在于，该方法包括以下六个步骤：1)通过电力调度数据网采集电网运行状态相关量测，获取电网运行指标、系统中电网各结点的电压、电流等信息；2)在电力系统EMS调度自动化应用软件中，构建电压稳定性分析模块；3)电压稳定极限(VSL)的计算，该计算包括两个子步骤；4)功率梯度分量的计算；5)对功率梯度分量进行辨识，判断各局部系统的关键节点和整个系统的关键节点，判断其电压稳定性；6)根据系统的电压稳定程度及具体情况，判断是否下发调节指令，如果本周期无需下发调节指令，则等待下一个控制周期。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率梯度分量的电压稳定性检测方法，其特征在于，所述3)电压稳定极限(VSL)的计算，该计算包括两个子步骤；步骤一，设某一负荷节点k的传输功率拉格朗日函数Lk(U,X,Y)为：
其中，λ和μ分别是有功平衡方程和无功平衡方程的拉格朗日乘子，PLk为系统有功功率，U、X、Y为3个变量。
3.根据权利要求2所述的一种基于功率梯度分量的电压稳定性检测方法，其特征在于，所述3)电压稳定极限(VSL)的计算，该计算包括两个子步骤；步骤二，计算负荷功率达到VSL的条件：
其中，K为无功分量和有功分量的比例系数，V为节点电压，θ为节点功角；
为负荷节点集合，内所包含的节点均是负荷功率能发生的变化的负荷节点，它可能是所有负荷节点的集合也可能是某一局部系统所包含的负荷节点的集合还可能是整个系统的部分关键节点的集合甚至只包含一个负荷节点；
将(3)和(4)两式写成矩阵方程的形式，有：
其中，λ＝[λ1，λ2，…，λN]T，为N×1阶矢量；
为NL×1阶矢量；
A＝[A1，A2，…，AN]T，为N×1阶矢量；
0＝[0，0，…，0]T，为NL×1阶矢量。
4.如权利要求3所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于功率梯度分量的计算包括下述九个子步骤：
1)给定初始运行条件；
2)求解(5)和(6)两式，并保留最后一次迭代时的雅可比矩阵；
3)检查发电机节点的无功功率是否越限，如越限，将其变为PQ节点，返回步骤2)；
4)确定分别选和一个负荷节点；
5)计算各负荷节点的阻抗分量Ge和Be:
Ge＝(P0+CV+GV2)/V2 (8)
Be＝(Q0+DV+BV2)/V2 (9)
其中，C和G为有功功率分量，D和B成为无功功率分量；
6)修正雅可比矩阵，修正后的雅可比矩阵[J’]为：
其中，H、N、J、L是考虑综合负荷模型时的雅可比矩阵元素；
7)形成[J’]的转置矩阵的因子表；
8)对任意负荷节点k，令计算(7)式，求出λk和μk，计算出所有负荷节点所对应的λ和μ；
9)按照下式求出PGC：
或表达为：
该判据用于判别系统电压稳定性时,称系统电压稳定性判据，用PGCS表示；该判据用于判别一个局部系统的电压压定性时,称为局部系统的电压稳定性判据，用PGCL表示；该判据用于判别一个负荷电压稳定性时，称为节点电压稳定性判据，用PGCB表示；该判据用于判别系统中一个关键节点的电压稳定性时，用PGCC表示。
5.如权利要求4所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于电压稳定性的包括：属于的各负荷节点的PGCS、PGCL、PGCB、PGCC均大于零时，由内的各负荷节点所组成的系统的电压是稳定的。其中,时，系统电压是稳定的；时，局部系统的电压是稳定的；只包含一个负荷节点时，该点电压是稳定的。
6.如权利要求5所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于电压稳定性的判别，当各功率分量PGCS、PGCL、PGCB、PGCC等于零时，处于临界稳定状态。
7.如权利要求5所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于电压稳定性的判别，当各负荷节点的功率梯度分量均小于零时，则系统电压不稳定。
8.如权利要求3所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于无需计算出整个系统各个负荷节点的PGC，仅计算出几个关键点的PGCB，并求出PGCC，用几个关键节点的PGCB和PGCC监视整个系统电压的稳定性，即可满足电力系统的实际需要。
9.如权利要求4所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于无需计算出整个系统各个负荷节点的PGC，仅计算出几个关键点的PGCB，并求出PGCC，用几个关键节点的PGCB和PGCC监视整个系统电压的稳定性，即可满足电力系统的实际需要。
10.如权利要求5所述一种基于功率梯度分量的电压稳定性判别方法，其特征在于无需计算出整个系统各个负荷节点的PGC，仅计算出几个关键点的PGCB，并求出PGCC，用几个关键节点的PGCB和PGCC监视整个系统电压的稳定性，即可满足电力系统的实际需要。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171010 |