CN107732906A - 一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明针对电网发展过程中系统内同调性差的多个机群间发生相对运动，造成复杂暂态功角失稳现象，计及主导失稳模式外不同弱稳定模式的裕度折算系数，建立了动态灵敏度指标，制定了每步迭代的切机策略及启发式紧急控制策略搜索算法，实现了统筹系统多个弱稳定模式的自动协调控制。本发明有利于电力系统调度运行人员把握复杂系统内在运行规律，为协调制定切机优化策略提出基础，从而提升大电网安全稳定控制的有效性和自动化水平。

Description

一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说本发明涉及一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法。
背景技术
随着送端电网配套电源建设进度滞后，受端直流多馈入系统强度逐渐减弱，特高压直流投运后“强直弱交”矛盾进一步深化，电网结构和稳定特性发生深刻变化，实际电网仿真中出现了诸多复杂的暂态失稳现象，例如，发电机功角轨迹的多群特征、主导失稳模式的演化、稳定控制的负效应，等等。这是由于多机系统中，故障后各发电机受扰程度不同，系统内同调性差的多个机群间发生相对运动，其相对运动情况随着时间推移动态变化。因此，除了对系统主导模式分群下的稳定性及稳定裕度予以关注外，还应关注其他相对运动特征显著的机群间的运动稳定性问题，并在控制算法设计时加以考虑，从而提升算法的适应性或计算效率。
基于故障检测和触发的紧急控制是防止电力系统故障后稳定特性恶化甚至造成大停电事故的最有效措施之一，对于暂态功角失稳的紧急控制而言，一般采取切机控制措施，但暂态稳定紧急控制优化决策属于高维非线性整数规划问题，暂态稳定约束条件难以定量解析表达，当前的研究中，除了基于人工经验的试凑法以外，大多集中于各种稳定量化指标对控制变量的灵敏度技术。专利申请“基于弱稳定模式记忆的系统暂态稳定紧急控制策略”(CN201610315291.2)提出了弱稳定模式的概念，并通过逐步试探确定每一步的切机控制措施。专利申请“电力系统暂态相继失稳模式搜索及关联交流断面识别方法”(CN201310349948.3)，提出了一种防御交直流混联电网暂态稳定模式的恶性演化的方法。但上述方法均未述及动态实现可切机组自动排序的算法，且不同暂态功角稳定模式和对应的发电机组灵敏度排序独立识别控制，降低了紧急控制搜索效率。
发明内容
本发明的目的是：为了提高紧急控制算法对于复杂失稳场景的适应性，掌握计及暂态功角弱稳定模式的紧急切机控制策略，避免以往仅基于主导失稳模式监视的紧急控制算法在策略搜索过程中出现其他弱稳定模式演化为主导失稳模式而导致的算法振荡、低效等问题，给出一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法。该方法通过识别系统暂态功角弱稳定模式，动态计算候选控制措施的灵敏度指标，按照一定的步长进行暂态稳定策略试探性搜索，动态跟踪系统弱稳定模式的变化，根据修正后的动态灵敏度指标执行切机策略，直到系统稳定。
具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：
1)从在线决策系统平台实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，确定系统的暂态功角弱稳定模式；
2)按下式将故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率的一部分作为紧急控制措施量初始预估值DP0，将基于控制措施的排序和最小过切原则搜索到大于DP0的措施作为暂态功角稳定紧急控制的候选切机措施：
DP0＝α·Pcont
其中，Pcont为故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率；α为比例常数；
3)综合考虑多个暂态功角弱稳定模式，动态计算候选切机措施的灵敏度指标，每一步切除动态灵敏度指标最大的一台发电机，然后进行时域仿真校核，根据暂态功角主导失稳模式动态变化确定切机顺序，直到系统稳定。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中确定系统的暂态功角弱稳定模式，通过以下方法进行：
根据机组同调性识别确定系统互补群划分模式，设系统内所有发电机分为同调群的个数为M个，则这M个同调群则共有2M-1种系统互补群划分模式，对于所有系统互补群划分模式中的任一种模式Zk而言，其应满足以下公式：
Ak+Sk＝ΩG
其中，ΩG为系统发电机全集；Sk为模式Zk划分的同调机组集合；Ak为模式Zk划分的除同调机组集合外的余下群机组集合；
通过IEEAC算法进行一次系统轨迹实测获得所有系统互补群划分模式下的系统轨迹稳定裕度；若对于任一种模式Zk而言，若某一时间断面上模式Zk下的系统轨迹稳定裕度小于给定阈值ηε，则确定该模式为系统的一种暂态功角弱稳定模式。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)具体步骤如下：
3-1)按下式计算候选切机措施的灵敏度指标：
其中，S(i)代表切除i个发电机的灵敏度指标，下标m代表当前第h步迭代下的暂态功角主导失稳模式的标号，下标n代表当前第h步迭代下的第n个暂态功角弱稳定模式的标号；σm(i)、σn(i)分别为暂态功角主导失稳模式下及第n个暂态功角弱稳定模式下第i个发电机的参与因子；J为故障下初始暂态功角弱稳定模式的数目；ηm、ηn为暂态功角主导失稳模式及第n个暂态功角弱稳定模式的稳定裕度，λh为当前第h步迭代的动态权系数，设λh的初始值为λh0；
3-2)得到切除所有发电机的灵敏度指标后，按灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序，切除排在切机次序第一位的发电机，进行时域仿真校核；
3-3)按照时域仿真校核的结果，分别进行以下处理：
若切除发电机后系统稳定，则获解结束本方法；
若切除发电机后系统不稳定且主导失稳模式不变，则接受该切机措施，并继续按此时的切机次序切除下一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代；
若切除发电机后系统不稳定但主导失稳模式改变，则不接受该切机措施，主导失稳模式保持原有主导失稳模式不变，将λh的值从λh0的基础上逐渐放大，重新计算候选切机措施的灵敏度指标使得按新的灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序时排在第一位的发电机发生变化，切除排在切机次序第一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代；
若上述迭代过程中，迭代次数超出预先设置的最大值，则终止本方法。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3-1)中，发电机的参与因子，按以下方式确定：
对失稳轨迹，以临界群中DSP处加速动能最大值为基准对临界群各发电机动能标幺化，以余下群中DSP处减速动能最大值为基准对余下群各发电机动能标幺化并取反，作为各发电机的参与因子。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3-3)中，在新的迭代过程中，若发现新的策略与历史策略完全相同则终止退出。
本发明的有益效果如下：本发明在预估的初始措施基础上，以动态灵敏度指标排序，进行切机策略迭代搜索，通过时域仿真校核动态监视暂态功角弱稳定模式变化。基于这种迭代搜索路径，在配置安全稳定控制措施时，对暂态功角弱稳定模式参与因子较高的发电机组被计入切机序列，避免了仅考虑主导失稳模式发电机组序列造成弱稳定模式演化的风险。进而对系统存在的所有暂态功角弱稳定模式进行统一控制，通过动态灵敏度指标设计简化可切机组搜索范围，提高紧急控制效率。可见，本发明有利于电力系统调度运行人员把握复杂系统内在运行规律，为协调制定切机优化策略提出基础，从而提升大电网安全稳定控制的有效性和自动化水平。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
图1中步骤1描述的是，从在线决策系统平台实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，确定系统的暂态功角弱稳定模式。
具体而言，暂态功角稳定模式的确定根据机组同调性识别。根据机组同调性识别确定系统互补群划分模式，设系统内所有发电机分为同调群的个数为M个，则这M个同调群则共有2M-1种系统互补群划分模式，对于所有系统互补群划分模式中的任一种模式Zk而言，其应满足以下公式：
Ak+Sk＝ΩG
其中，ΩG为系统发电机全集；Sk为模式Zk划分的同调机组集合；Ak为模式Zk划分的除同调机组集合外的余下群机组集合。
任意暂态功角稳定模式Zk下系统轨迹稳定裕度可通过IEEAC算法进行一次系统轨迹实测获得。若对于任一种模式Zk而言，若某一时间断面上模式Zk下的系统轨迹稳定裕度小于给定阈值ηε，则确定该模式为系统的一种暂态功角弱稳定模式。
机组同调性识别的方法可采用现有技术，如采取中国专利申请“一种基于广域测量信息的同调机群快速识别方法”(CN201610727604)中通过比较各发电机临界角点的幅值差异和时间差异确定不同发电机间的同调性，实现同步分群。
图1中步骤2描述的是，以故障设备的故障前输电功率的某一比例作为紧急控制措施量初始预估值，确定暂态功角稳定紧急控制初始措施。
具体方法为：由于故障设备传输的有功功率越大，故障下对系统扰动越大，对系统暂态稳定性影响越大，也就需要更大的控制量，因此按下式将故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率的一部分作为紧急控制措施量初始预估值DP0，将基于控制措施的排序和最小过切原则搜索到大于DP0的措施作为暂态功角稳定紧急控制的候选切机措施：
DP0＝α·Pcont
其中，Pcont为故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率；α为比例常数，根据工程经验可取0.2～0.5。
图1中步骤3描述的是，综合考虑多个暂态功角弱稳定模式，动态计算候选控制措施的灵敏度指标，为避免大幅度的控制下系统稳定域畸变导致策略搜索过程中错过相对较优的稳定可行解，每一步切除动态灵敏度指标最大的一台发电机，然后进行时域仿真校核，根据暂态功角失稳模式动态变化确定切机顺序，直到系统稳定。其中步骤3中的具体方法按以下步骤3-1至3-3进行。
图1中步骤3-1描述的是，按下式计算候选切机措施的灵敏度指标：
其中，S(i)代表切除i个发电机的灵敏度指标，下标m代表当前第h步迭代下的暂态功角主导失稳模式的标号，下标n代表当前第h步迭代下的第n个暂态功角弱稳定模式的标号；σm(i)、σn(i)分别为暂态功角主导失稳模式下及第n个暂态功角弱稳定模式下第i个发电机的参与因子，对失稳轨迹，以临界群中DSP处加速动能最大值为基准，对临界群各机组动能标幺化，以余下群中DSP处减速动能最大值为基准，对余下群各机组动能标幺化并取反，作为各发电机组的参与因子；J为故障下初始暂态功角弱稳定模式的数目；ηm、ηn为暂态功角主导失稳模式及第n个暂态功角弱稳定模式的稳定裕度，λh为当前第h步迭代的动态权系数，设λh的初始值为λh0，初始情况下λh0取值0.2。
通过动态灵敏度指标中的数值，计及了主导失稳模式外不同弱稳定模式的裕度折算系数，若弱稳定模式的稳定裕度越小，则该数值越大。根据EEAC算法，ηn的取值区间为[-1,1]，而ηm的取值区间为[-1,0)。
图1中步骤3-2描述的是，按灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序，切除排在切机次序第一位的发电机，进行时域仿真校核。
图1中步骤3-3描述的是，按照时域仿真校核的结果，分别进行以下处理：
若切除发电机后系统稳定，则获解结束本方法；
若切除发电机后系统不稳定且主导失稳模式不变，则接受该切机措施，并继续按此时的切机次序切除下一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代；
若切除发电机后系统不稳定但主导失稳模式改变，则不接受该切机措施，主导失稳模式保持原有主导失稳模式不变，将λh的值从λh0的基础上逐渐放大，重新计算候选切机措施的灵敏度指标使得按新的灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序时排在第一位的发电机发生变化，切除排在切机次序第一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代。
λh相当于后面和项的权重，后面和项着重主要反映了机组对于弱稳定模式的影响作用。各个机组对主导稳定模式、弱稳定模式的作用不一致，体现在σm(i)、σn(i)上，如果反映弱稳定模式的和项的权重λh提高了，必然改变动态灵敏度指标，导致顺序发生变化。但也有可能不发生变化，如果不发生变化，则持续加大λh，直至机组顺序发生变化。举个例子。当前只有一个主导模式和一个弱稳定模式，即J＝2。令ηm＝-1、ηn＝-0.5，则令当前机组i的σm(i)＝0.2，σn(i)＝0.8。令λh＝0.1，则S(i)＝0.26；如果令λh＝0.5，则S(i)＝0.5，相比于0.26大了很多。而另外的机组比如机组j，S(j)＝0.4；如果其σn(j)＝0.01，则尽管λh变大，则其值几乎不变。于是机组i的次序则从比j靠后变为比j靠前。
对于步骤3-3需要说明的是，由于基于上述综合灵敏度动态指标的迭代搜索，难以保证每次切机组合是不一致的，因此，每步迭代过程中的策略记录，在新的搜索步中，若发现新的策略与历史策略完全相同，则终止退出，提升算法的可靠性。另外，实际系统中一般较少的措施量即能是系统镇定，设计当控制量或迭代次数超过容忍值立即终止的机制。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)从在线决策系统平台实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，确定系统的暂态功角弱稳定模式；
2)按下式将故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率的一部分作为紧急控制措施量初始预估值DP0，将基于控制措施的排序和最小过切原则搜索到大于DP0的措施作为暂态功角稳定紧急控制的候选切机措施：
DP0＝α·Pcont
其中，Pcont为故障设备的故障断面故障发生前传输的稳态有功功率；α为比例常数；
3)综合考虑多个暂态功角弱稳定模式，动态计算候选切机措施的灵敏度指标，每一步切除动态灵敏度指标最大的一台发电机，然后进行时域仿真校核，根据暂态功角主导失稳模式动态变化确定切机顺序，直到系统稳定。
2.根据权利要求1所述的动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法，其特征在于，所述步骤1)中确定系统的暂态功角弱稳定模式，通过以下方法进行：
根据机组同调性识别确定系统互补群划分模式，设系统内所有发电机分为同调群的个数为M个，则这M个同调群则共有2M-1种系统互补群划分模式，对于所有系统互补群划分模式中的任一种模式Zk而言，其应满足以下公式：
Ak+Sk＝ΩG
其中，ΩG为系统发电机全集；Sk为模式Zk划分的同调机组集合；Ak为模式Zk划分的除同调机组集合外的余下群机组集合；
通过IEEAC算法进行一次系统轨迹实测获得所有系统互补群划分模式下的系统轨迹稳定裕度；若对于任一种模式Zk而言，若某一时间断面上模式Zk下的系统轨迹稳定裕度小于给定阈值ηε，则确定该模式为系统的一种暂态功角弱稳定模式。
3.根据权利要求1所述的动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体步骤如下：
3-1)按下式计算候选切机措施的灵敏度指标：
<mrow> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>~</mo> <mi>J</mi> </mrow> </munder> <mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>m</mi> </mrow> </munder> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，S(i)代表切除i个发电机的灵敏度指标，下标m代表当前第h步迭代下的暂态功角主导失稳模式的标号，下标n代表当前第h步迭代下的第n个暂态功角弱稳定模式的标号；σm(i)、σn(i)分别为暂态功角主导失稳模式下及第n个暂态功角弱稳定模式下第i个发电机的参与因子；J为故障下初始暂态功角弱稳定模式的数目；ηm、ηn为暂态功角主导失稳模式及第n个暂态功角弱稳定模式的稳定裕度，λh为当前第h步迭代的动态权系数，设λh的初始值为λh0；
3-2)得到切除所有发电机的灵敏度指标后，按灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序，切除排在切机次序第一位的发电机，进行时域仿真校核；
3-3)按照时域仿真校核的结果，分别进行以下处理：
若切除发电机后系统稳定，则获解结束本方法；
若切除发电机后系统不稳定且主导失稳模式不变，则接受该切机措施，并继续按此时的切机次序切除下一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代；
若切除发电机后系统不稳定但主导失稳模式改变，则不接受该切机措施，主导失稳模式保持原有主导失稳模式不变，将λh的值从λh0的基础上逐渐放大，重新计算候选切机措施的灵敏度指标使得按新的灵敏度指标从大到小的顺序确定各发电机的切机次序时排在第一位的发电机发生变化，切除排在切机次序第一位的发电机，并重新进行时域仿真校核，按照时域仿真校核的结果，根据本步骤进入下一步迭代；
若上述迭代过程中，迭代次数超出预先设置的最大值，则终止本方法。
4.根据权利要求3所述的动态跟踪暂态功角弱稳定模式的切机控制方法，其特征在于，所述步骤3-1)中，发电机的参与因子，按以下方式确定：
对失稳轨迹，以临界群中DSP处加速动能最大值为基准对临界群各发电机动能标幺化，以余下群中DSP处减速动能最大值为基准对余下群各发电机动能标幺化并取反，作为各发电机的参与因子。
5.根据权利要求3所述的根据暂态功角失稳模式动态变化确定切机顺序，其特征在于，所述步骤3-3)中，在新的迭代过程中，若发现新的策略与历史策略完全相同则终止退出。
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