CN107727913A - 一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，属于电力系统区域电压稳定性在线监测领域。该方法将电压薄弱区域作为一个整体，利用同步相量测量装置对电压薄弱区域进行监测，采集得到系统节点电压、电流相量及功率等参数，基于REI等值法得到了电压薄弱区域的等效电路，然后通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，可连续地对外部系统参数进行实时在线跟踪计算，从而确保了外部系统参数的预估精度，得到了基于卡尔曼滤波的戴维南等效电路，最终得出电压稳定裕度指标，为后续发生电压失稳时对负荷的调控进行了具体的量化，从而实现负荷中心电压稳定性在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测方法，在确定了电网负荷中心的电压薄弱区域前提下，对整个电压薄弱区域进行电压稳定线监测，并实时跟踪系统等值参数，实时在线计算系统的电压稳定裕度，实现负荷中心电压稳定性在线监测。本发明属于电力系统区域电压稳定性在线监测领域。
背景技术
由于世界各地相继发生大面积停电事故的经验教训指出了电力系统动态监测、在线安全分析的重要性。电压预测分析是电压稳定控制的基本措施。传统方法对于电力系统电压预测与分析结果的准确程度，依赖于系统模型和参数的准确性。而同步相量测量技术的发展为电力系统电压稳定性的在线监测提供了一条新的思路，利用同步相量测量的信息来对系统的电压稳定进行监测，以便实施最为有效的预防和控制措施已经成为了电压稳定性中非常重要的一部分。
电力系统发生电压崩溃通常是一个局部问题，发生的过程是从一个节点开始扩散到其他节点，因此，电压失稳的发生是由于自身存在电压薄弱区域。将薄弱区域作为一个监测的重点，为其配置同步相量测量装置，该装置不仅能够对系统状态进行实时监测，还能够记录系统中发生的各种扰动和故障。主要有以下几个功能:(1)实时监测的功能；(2)实时记录的功能；(3)运行状态监测及自恢复的功能。当监测到系统有可能发生电压失稳，针对电压薄弱区域及时采取有效的控制措施，从而达到电力系统的稳定运行。
发明内容
本发明的目的：
克服目前技术的不足，提供一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测方法，该方法将负荷中心的电压稳定薄弱区域作为一个整体，基于同步向量测量装置采集得到系统节点电压、电流相量及功率等参数，对电压稳定薄弱区域进行电压稳定在线监测，并实时跟踪区域系统等值参数，实时在线计算系统的电压稳定裕度，从而实现负荷中心电压稳定性在线监测。
本发明的技术方案：
为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，该方法包括以下步骤：
步骤A、辨识负荷中心的电压薄弱区域，配置同步相量测量装置对电压薄弱区域边界节点电压、电流相量等参数进行测量。
步骤B、将负荷中心的电压薄弱区域作为一个整体，利用REI等值法对电压薄弱区域进行等效。
步骤C、然后对电压稳定薄弱区域以外的系统进行戴维南等效，将卡尔曼滤波理论应用于外部系统的戴维南等效，得到了外部系统的戴维南等效电路。
步骤D、在对负荷中心的电压薄弱区域的REI等值的基础上，对外部系统进行基于卡尔曼滤波的戴维南等效，最终得到了负荷中心的等效模型。
步骤E、利用等值模型推导出某一潮流断面空间上的电压稳定临界条件的表达式，提出了电压稳定裕度指标VSMI，实现了负荷中心电压稳定性在线监测。
本发明的依据是电力系统电压稳定性所具有的区域特性，将负荷中心的电压薄弱区域作为一个整体进行监测，进行负荷中心电压稳定性在线监测。
本发明在步骤A中，首先确定电压薄弱区域，根据灵敏度指标及模态分析来辨识负荷中心的电压薄弱节点及区域，然后在电压薄弱区域配置同步相量测量装置进行在线监测，实时测量薄弱区域的电压、电流等参数。
在步骤B中，通过同步相量测量装置的实时测量数据，利用REI等值法将电压薄弱区域进行等效。其基本原理是：在保证注入功率不变的前提下，用虚拟节点代替消去的节点集合，相应的替代原则为：(1)设备一致性等效；(2)节点性质一致性等效；(3)外部系统运行条件相似的节点等效成一个节点。
在步骤C中，对于电压稳定薄弱区域以外的系统(以下简称外部系统)，进行戴维南等效。基本原理：在实际电力系统中，任意时刻t，从负荷母线往系统看进去，可以把系统看作是一个电压源和一个内阻抗的串联。
在步骤D中，将卡尔曼滤波理论应用于外部系统的戴维南等效，它的优点是可以对数据进行实时处理。卡尔曼滤波的基本思路为：利用信号和噪声的状态空间模型，根据前一时刻的预估值和现在时刻的测量值来不断更新估计出系统的状态变量，从而求取现在时刻的预估值，适用于计算机运算及实时处理等。卡尔曼滤波主要有两个过程，即预估和校正。通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，可连续地对外部系统参数进行跟踪计算。在对负荷中心的电压稳定薄弱区域的REI等值的基础上，最终得到了负荷中心的戴维南等效模型。
在基于同步相量测量装置的监测下，图中为监测母线的电压，为监测母线的总电流。和Zs分别为戴维南等效模型的内电势和内阻抗，均为待估计参数。根据基本电路理论得：
由于电压稳定薄弱区域经REI等值后得到的虚拟节点电压和电流为已知量，需要估计出外部系统的戴维南等效内电势和内阻抗Zs。通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，连续地对外部系统参数进行跟踪计算，最后估算出戴维南等值参数和Zs。
在步骤E中，根据戴维南等效模型，可推导出某一潮流断面空间上的电压稳定性临界条件的表达式。
系统传输至负荷中心的实际功率为
其中，等效导纳
对方程(1)两边同除|Es|2|Y|，简化得：
其中，
对(2)式进行简化，得
(p+v2cosβ)2+(q-v2sinβ)2＝v2 (3)
将代入(3)式，(为功率因数角)得
将(4)式两边对v求导令其等于0，得到负荷中心临界电压和功率极限：
经过计算，可得到有功、无功及视在功率裕度：
最终定义电压稳定裕度指标VSMI(Voltage Stability Margin Index):VSMI＝{PM,QM,SM}，连续跟踪计算VSMI，VSMI越大，系统越稳定；VSMI越接近0，系统离电压失稳越近。负荷中心电压稳定性在线监测的方法利用潮流功率代替阻抗来提供负荷电压的稳定信息，用PM,QM,SM来表征系统电压稳定裕度指标VSMI。
本发明的优越性和技术效果在于：利用同步相量测量装置对负荷中心电压薄弱区域进行监测，得到了电压薄弱区域的等效电路，然后通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，可连续地对外部系统参数进行实时在线跟踪计算，从而确保了外部系统参数的预估精度，得到了基于卡尔曼滤波的戴维南等效电路，最终得出电压稳定裕度指标，为后续发生电压失稳时对负荷的调控进行了具体的量化。
附图说明
图1为实施例的负荷中心M地区中电压薄弱区域N与外部系统划分示意图。
图2为本发明提到的电压薄弱节点及区域辨识方法流程框图。
图3为本发明提到的负荷中心电压薄弱区域REI等值图。
图4为本发明所涉及的外部系统的戴维南等效电路图。
图5为本发明提到卡尔曼滤波过程示意图。
图6为本发明提到的负荷中心的戴维南等效模型。
图7为本发明所提出的负荷中心的电压薄弱区域的电压稳定性在线监测流程图。
具体实施方式
实施例：以负荷中心M地区电网为例，基于同步相量测量的电压稳定性在线监测。电压薄弱区域N与外部系统划分示意图如图1所示。
步骤A、辨识负荷中心M地区的电压薄弱区域N，为其配置同步相量测量装置，利用同步相量测量装置对电压薄弱区域边界节点电压、电流相量以及功率等参数进行测量。
步骤B、将N区域作为一个整体，利用REI等值法对N区域进行等值。
步骤C、然后对外部系统进行戴维南等值，基于卡尔曼滤波，得到了外部系统的戴维南等效电路。
步骤D、在N区域的REI等值的基础上，对外部系统进行基于卡尔曼滤波的戴维南等值，最终得到了负荷中心M地区的等效模型。
步骤E、利用等值模型推导出某一潮流断面空间上的电压稳定临界条件的表达式，提出了电压稳定裕度指标VSMI，实现了负荷中心M地区电压稳定性在线监测。
本发明的依据是电力系统电压稳定性所具有的区域特性，将负荷中心的电压薄弱区域作为一个整体进行监测，从而实现负荷中心电压稳定性在线监测。
本发明在步骤A中，首先确定电压薄弱区域N，根据灵敏度指标及模态分析来辨识负荷中心的电压薄弱节点及区域，然后在电压薄弱区域配置同步相量测量装置进行在线监测，实时测量薄弱区域的电压相量、电流相量以及功率等参数。电压薄弱节点及区域辨识方法如图2所示。
在步骤B中，通过同步相量测量装置的实时测量数据，利用REI等值法将电压薄弱区域进行等效。其基本原理是：在保证注入功率不变的前提下，用虚拟节点代替消去的节点集合，相应的替代原则为：(1)设备一致性等效；(2)节点性质一致性等效；(3)外部系统运行条件相似的节点等效成一个节点。通过REI等值，可以将电压稳定薄弱区域N等效为虚拟节点电压电流以及功率P+jQ，等效电路如图3所示。
在步骤C中，对外部系统进行戴维南等效,其基本原理：在实际电力系统中，任意时刻t，从负荷母线往系统看进去，可以把系统看作是一个电压源和一个内阻抗的串联，其戴维南等效电路如图4所示。图中和Zs分别为t时刻的戴维南等效内电势及内阻抗。
在步骤D中，将卡尔曼滤波理论应用于外部系统的戴维南等效，它的优点是可以对数据进行实时处理。卡尔曼滤波的基本思路为：利用信号和噪声的状态空间模型，根据前一时刻的预估值和现在时刻的测量值来不断更新估计出系统的状态变量，从而求取现在时刻的预估值，适用于计算机运算及实时处理等。卡尔曼滤波主要有两个过程，即预估和校正，滤波过程如图5所示。通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，可连续地对外部系统参数进行跟踪计算。在对负荷中心M地区的电压稳定薄弱区域N的REI等值的基础上，最终得到了负荷中心M地区的戴维南等效模型，如图6所示。
在基于同步相量测量装置的监测下，图中为监测母线的电压，为监测母线的总电流。和Zs分别为戴维南等效模型的内电势和内阻抗，均为待估计参数。根据基本电路理论得：
由于电压稳定薄弱区域经REI等值后得到的虚拟节点电压和电流为已知量，需要估计出外部系统的戴维南等效内电势和内阻抗Zs。通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，连续地对外部系统参数进行实时在线跟踪计算，最后估算出戴维南等值参数和Zs。
在步骤E中，根据图6所示的戴维南等效电路，可推导出某一潮流断面空间上的电压稳定性临界条件的表达式。
系统传输至负荷中心的实际功率为
其中，等效导纳
对方程(1)两边同除|Es|2|Y|，简化得：
其中，
对(2)式进行化简，得
(p+v2cosβ)2+(q-v2sinβ)2＝v2 (3)
将代入(3)式，(为功率因数角)得
将(4)式两边对v求导并令其等于0，得到负荷中心临界电压和功率极限：
经过计算，可得到有功、无功及视在功率裕度：
最终定义电压稳定裕度指标VSMI(Voltage Stability Margin Index):VSMI＝{PM,QM,SM}，连续跟踪计算VSMI，VSMI越大，系统越稳定；VSMI越接近0，系统离电压失稳越近。负荷中心电压稳定性在线监测的方法利用潮流功率代替阻抗来提供负荷电压的稳定信息，用PM,QM,SM来表征系统电压稳定裕度指标VSMI。负荷中心的电压薄弱区域的电压稳定性在线监测流程如图7所示。根据电压稳定裕度指标能够实时在线监测负荷中心M地区的电压稳定性，及时采取有效的控制措施，从而使系统持续稳定运行。
Claims (8)
1.一种基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤A、选取负荷中心的电压薄弱区域，利用同步相量测量装置对电压薄弱区域边界节点电压、电流相量等参数进行测量；
步骤B、将负荷中心的电压薄弱区域作为一个整体，利用REI等值法对电压薄弱区域进行等效；
步骤C、然后对电压稳定薄弱区域以外的系统进行戴维南等值，将卡尔曼滤波理论应用于外部系统的戴维南等值，得到了外部系统的戴维南等效电路；
步骤D、在对负荷中心的电压薄弱区域的REI等值的基础上，对外部系统进行基于卡尔曼滤波的戴维南等值，最终得到了负荷中心的等效模型；
步骤E、利用等值模型推导出某一潮流断面空间上的电压稳定临界条件的表达式，提出了电压稳定裕度指标VSMI，实现了负荷中心电压稳定性在线监测。
2.根据权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤A中，首先确定电压薄弱区域，根据灵敏度指标及模态分析来辨识负荷中心的电压薄弱节点及区域，然后在电压薄弱区域配置同步相量测量装置进行在线监测，实时测量薄弱区域的电压、电流等参数。
3.根据权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤B中，通过同步相量测量装置的实时测量数据，利用REI等值法将电压薄弱区域进行等效；在保证注入功率不变的前提下，用虚拟节点代替消去的节点集合，相应的替代原则为：(1)设备一致性等效；(2)节点性质一致性等效；(3)外部系统运行条件相似的节点等效成一个节点。
4.根据权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤C中，对于电压稳定薄弱区域以外的系统，进行戴维南等效，基本原理是在实际电力系统中，任意时刻t，从负荷母线往系统看进去，可以把系统看作是一个电压源和一个内阻抗的串联。
5.根据权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤D中，将卡尔曼滤波理论应用于外部系统的戴维南等效，利用信号和噪声的状态空间模型，根据前一时刻的预估值和现在时刻的测量值来不断更新估计出系统的状态变量，从而求取现在时刻的预估值，适用于计算机运算及实时处理。
6.根据权利要求1所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤E中，根据戴维南等效电路，推导出某一潮流断面空间上的电压稳定性临界条件的表达式：
系统传输至负荷中心的实际功率为
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其中，等效导纳
对方程(1)两边同除|Es|2|Y|，简化得：
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其中，
对(2)式进行简化，得
(p+v2cosβ)2+(q-v2sinβ)2＝v2 (3)
将代入(3)式，(为功率因数角)得
将(4)式两边对v求导令其等于0，得到系统临界电压和功率极限：
<mrow>
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经过计算，可得到有功、无功及视在功率裕度：
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最终定义电压稳定裕度指标VSMI(Voltage Stability Margin Index):VSMI＝{PM,QM,SM}，连续跟踪计算VSMI，VSMI越大，系统越稳定；VSMI越接近0，系统离电压失稳越近，负荷中心电压稳定性在线监测的方法利用潮流功率代替阻抗来提供负荷电压的稳定信息，用PM,QM,SM来表征系统电压稳定裕度指标VSMI。
7.根据权利要求5所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：步骤D中，通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，可连续地对外部系统参数进行跟踪计算，在对负荷中心的电压稳定薄弱区域的REI等值的基础上，最终得到了负荷中心的戴维南等效模型。
8.根据权利要求7所述的基于同步相量测量的区域电压稳定性在线监测的方法，其特征是：基于同步相量测量装置的监测下，设为监测母线的电压，为监测母线的总电流，和Zs分别为戴维南等效模型的内电势和内阻抗，均为待估计参数，根据基本电路理论得：
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由于电压稳定薄弱区域经REI等值后得到的虚拟节点电压和电流为已知量，需要估计出外部系统的戴维南等效内电势和内阻抗Zs，通过不断地卡尔曼滤波状态和时间的迭代计算，连续地对外部系统参数进行跟踪计算，最后估算出戴维南等值参数和Zs。
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- 2017-09-25 CN CN201710871586.2A patent/CN107727913A/zh active Pending
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