CN107742888B - 一种考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明针对直流长期非满功率运行时，受端电网频率电压风险较直流满功率运行时大大降低，给退出调相机提供了可能。定量评估退出直流逆变侧调相机后系统频率失稳风险，定义电压薄弱区域受电比与退出调相机后电压失稳故障集变化乘积的电压失稳风险指标，综合退出调相机对短路电流及维护损耗费用的贡献，得出典型运行方式下退出调相机的综合调度排序及策略。本发明有利于电力系统规划运行人员提前把握调相机退出后交直流电网安全稳定运行风险，提高运行方式安排的灵活性。

Description

一种考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调 度方法

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考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法。

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，如华东电网目前共计十回直流馈入，额定总容量为5776万千瓦，接近华东夏季平均高峰负荷的25％，约占汛期低谷负荷的40％，其中复奉、锦苏、宾金三大特高压直流额定总容量达到2160万千瓦。从系统安全稳定运行风险来说，区外来电对网内电源置换效应加剧，本地调节能力进一步下降：单回直流输送容量的增加使得最大功率缺额冲击增大，一旦多回同送同受特高压直流连续换相失败导致直流闭锁，受端频率将大幅跌落，可能导致低频减载动作切除大量负荷，系统频率安全稳定风险进一步加剧；受端电网局部负荷中心区域高比例受电，本地电源支撑少，系统静态电压稳定裕度降低，系统发生严重交流开断故障时多回直流同时从系统中吸收大量无功，存在多直流馈入电网电压失稳的风险。针对我国特高压直流受端电网频率及电压稳定风险的突出问题，客观要求直流大规模有功输送时必须匹配大规模动态无功。

大容量调相机作为无功发生装置能够有效提高受端交流电网短路比，并在交流故障期间提供动态无功储备，降低同送同受多回直流同时换相失败以及直流闭锁的概率，提升系统暂态及稳态恢复过程中的电压稳定水平，在“十三五”期间，我国将在多回特高压直流的送受端加装调相机。论文“新一代大容量调相机在电网中的应用研究”指出新型调相机以其独特的优势，在特高压交直流电网中发挥重要作用。论文“调相机接入江苏电网后的适应性研究”研究了调相机接入后出现的短路电流升高问题，并提出通过增加串抗或拉停线路的抑制措施。由于调相机对于附近500kV站点短路电流的贡献约1.5～3.5kA，这对于原来就面临短路电流超标风险的局部受端电网来说无疑加重了运行方式安排的难度。由于直流输电具有明显的季节特性，如宾金、复奉、锦苏直流均为水电送出型直流，在冬季枯期，直流非满功率运行时间较多，此时系统频率电压风险较直流满功率运行时大大降低，给退出调相机提供了可能。此外，调相机做为旋转设备，长期运维费用及损耗费用较高，直流低功率时退出部分调相机可大大减少经济成本。

发明内容

本发明的目的是：为了提高调相机接入对于不同直流运行功率及系统安全稳定水平的适应性，掌握考虑短路电流及系统频率电压风险的调相机调度策略，避免以往仅依据严重工况下系统最大频率及电压失稳风险而常年全投调相机造成的短路电流超标及经济效益问题，提供一种考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法。该方法通过计算不同直流换相失败风险及导致直流闭锁的风险，定量评估退出直流逆变侧调相机后系统频率失稳风险，通过识别电压薄弱区域，定义该区域受电比与退出调相机后电压失稳故障集变化乘积的电压失稳风险指标，综合退出调相机对短路电流及维护损耗费用的贡献，得出典型运行方式下退出调相机的综合调度排序，根据调度运行要求执行退出调相机策略，直到系统安全稳定风险小于运行门槛。

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)针对各直流，计算运行方式变化后直流有效短路比及多馈入直流间交互作用因子，确定调相机所接入地点的直流换相失败风险，根据运行规定中直流可承受多次换相失败的临界直流功率确定直流闭锁风险，综合直流换相失败风险及直流闭锁风险得到退出调相机后系统频率失稳风险；

2)针对各直流，通过受端电网局部区域的受电比例确定电压薄弱区域，时域仿真退出该区域调相机后电压失稳故障集的变化，得出退出调相机后系统电压失稳风险；

3)针对各直流，确定退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献；

4)针对各直流，将退出调相机后的系统频率失稳风险、系统电压失稳风险及退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献加权，得到退出调相机的综合风险指标；

根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，根据系统整体风险要求确定退出调相机的台数。

上述技术方案的进一步特征在于，，所述步骤1)中，退出调相机后系统频率失稳风险的具体计算方法如下：

1-1)设受端交流系统有L₁,L₂,..,L_n,....,L_m共m回直流，在其中n回直流馈入的逆变侧均配置了调相机，调度运行采集的系统运行方式中直流传输功率为P_S1,P_S2,...,P_Sn，直流有效短路比为ESCR₁,ESCR₂,...,ESCR_n，分别退出对应直流逆变侧调相机后直流有效短路比变为ESCR₁′,ESCR₂′,...,ESCR_n′，则对于任一直流t而言，其中t∈(1,n)，退出直流t的逆变侧调相机后第t个直流换相失败风险表示为：

1-2)设由潮流计算雅克比矩阵得出直流t换流站对任一第i个直流换流站间互阻抗为Z_it，其中i∈(1,m)，Z_tt为直流t换流站自阻抗，则退出直流t逆变侧调相机后对任一第i个直流换相失败的影响用多回直流交互因子表示：

1-3)按下式确定直流t连续换相失败导致直流闭锁风险可表示为：

其中，P_St为直流t传输功率，P_Jt为直流t传输功率可承受多次换相失败的临界直流功率；

1-4)按下式确定退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险为：

其中，E_ft为退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险。

上述技术方案的进一步特征在于，，所述步骤2)中，退出调相机后系统电压失稳风险的具体计算方法如下：

2-1)分别以直流L₁,L₂,..,L_n为中心点，计算辐射范围内近区节点距离直流L₁,L₂,..,L_n换流母线平均电气距离，以平均电气距离小于某门槛值的节点为边界划定任一直流t的电压稳定考察区域，则直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t为：

η_t＝(P_DC,t+P_AC,t)/P_load,t

式中：P_DC,t、P_AC,t、P_load,t分别为直流t的电压稳定考察区域内馈入直流功率总和、交流受入功率总和、区域内负荷功率；

若直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t大于等于预设的临界值η_lim，则该区域为电压薄弱区域，需要计算退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险；

2-2)设电压失稳风险用导致薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数表示，则退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险E_vt为：

式中：N_t、N_t′分别为退出直流t逆变侧调相机前后导致所属薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数。

上述技术方案的进一步特征在于，，所述步骤3)中，退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献的具体计算方法如下：

3-1)计算系统各厂站短路电流，若厂站短路电流大于预设的临界短路电流I_lim的个数共有k个，则退出直流t逆变侧调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献的贡献表示为：

其中：I_j为调相机退出前大于临界短路电流的厂站j的短路电流水平，I_jt为退出直流t逆变侧调相机后厂站j的短路电流水平；

3-2)退出直流t逆变侧调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献E_Yt表示为：

E_Yt＝S_t(ρ_维+ρ_损)

式中：S_t为退出的直流t逆变侧调相机容量，ρ_维、ρ_损为单位容量调相机的维护费用及损耗费用。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中，退出直流t逆变侧调相机的综合风险指标E_t按下式确定：

E_t＝E_ft′+E_vt′-E_It′-E_Yt′

式中，E_ft′、E_vt′、E_It′、E_Yt′分别为E_ft、E_vt、E_It、E_Yt各自标幺化；

根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，直到退出某一调相机后达到系统运行规定的最大临界运行风险E_lim停止搜索，得到退出调相机的台数。

本发明的有益效果如下：本发明能够定量评估退出直流逆变侧调相机后系统频率失稳风险，通过电压薄弱区域受电比与退出调相机后电压失稳故障集变化乘积的电压失稳风险指标，综合退出调相机对短路电流及维护损耗费用的贡献，得出典型运行方式下退出调相机的综合调度排序及策略。本发明有利于电力系统规划运行人员提前把握调相机退出后交直流系统安全稳定运行风险，提高运行方式安排的灵活性。

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，针对各直流，计算运行方式变化后直流有效短路比及多馈入直流间交互作用因子，确定调相机所接入地点的直流换相失败风险，根据运行规定中直流可承受多次换相失败的临界直流功率确定直流闭锁风险，综合直流换相失败风险及直流闭锁风险得到退出调相机后系统频率失稳风险。具体包括以下步骤：

步骤1-1描述的是，设受端交流系统有L₁,L₂,..,L_n,....,L_m共m回直流，在其中n回直流馈入的逆变侧均配置了调相机，调度运行采集的系统运行方式中直流传输功率为P_S1,P_S2,...,P_Sn，直流有效短路比为ESCR₁,ESCR₂,...,ESCR_n，分别退出对应直流逆变侧调相机后直流有效短路比变为ESCR₁′,ESCR₂′,...,ESCR_n′，则对于任一直流t而言，其中t∈(1,n)，退出直流t的逆变侧调相机后第t个直流换相失败风险表示为：

步骤1-2描述的是，设由潮流计算雅克比矩阵得出直流t换流站对任一第i个直流换流站间互阻抗为Z_it，其中i∈(1,m)，Z_tt为直流t换流站自阻抗，则退出直流t逆变侧调相机后对任一第i个直流换相失败的影响用多回直流交互因子表示：

步骤1-3描述的是，根据现有直流连续换相失败保护加速段的规定，若直流t运行功率大于P_Jt，发生多次(工程中一般为5次以内)直流连续换相失败后闭锁该直流，若无特殊换相失败次数说明，则一般直流连续换相失败时间超过直流控保安全要求时间(工程中一般为2～2.6s)后才会闭锁该直流，因此直流连续换相失败导致闭锁风险可表示为：

其中，P_St为直流t传输功率，P_Jt为直流t传输功率可承受多次换相失败的临界直流功率。

步骤1-4描述的是，由于不同位置调相机对闭锁后系统频率响应灵敏度较低，可直接根据直流换相失败及闭锁风险确定退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险为：

其中，E_ft为退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险。

图1中步骤2描述的是，针对各直流，通过受端电网局部区域的受电比例确定电压薄弱区域，时域仿真退出该区域调相机后电压失稳故障集的变化，得出退出调相机后系统电压失稳风险。具体包括以下步骤：

步骤2-1描述的是，分别以直流L₁,L₂,..,L_n为中心点，计算辐射范围内近区节点距离直流L₁,L₂,..,L_n换流母线平均电气距离，以平均电气距离小于某门槛值的节点为边界划定任一直流t的电压稳定考察区域，则直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t为：

η_t＝(P_DC,t+P_AC,t)/P_load,t

式中：P_DC,t、P_AC,t、P_load,t分别为直流t的电压稳定考察区域内馈入直流功率总和、交流受入功率总和、区域内负荷功率。

若直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t大于临界值η_lim，则该区域为电压薄弱区域，需要计算退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险。

步骤2-2描述的是，设电压失稳风险用导致薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数表示，则退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险E_vt为：

式中：N_t、N_t′分别为退出直流t逆变侧调相机前后导致所属薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数。

图1中步骤3描述的是，针对各直流，确定退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献。具体包括以下内容：

步骤3-1描述的是，计算系统各厂站短路电流，若厂站短路电流大于预设的临界短路电流I_lim的个数共有k个，则退出直流t逆变侧调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献的贡献表示为：

其中：I_j为调相机退出前大于临界短路电流的厂站j的短路电流水平，I_jt为退出直流t逆变侧调相机后厂站j的短路电流水平。

步骤3-2描述的是，退出直流t逆变侧调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献E_Yt表示为：

E_Yt＝S_t(ρ_维+ρ_损)

其中：S_t为退出的直流t逆变侧调相机容量，ρ_维、ρ_损为单位容量调相机的维护费用及损耗费用。

图1中步骤4描述的是，针对各直流，将退出调相机后的系统频率失稳风险、系统电压失稳风险及退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献加权，得到退出调相机的综合风险指标；根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，根据系统整体风险要求确定退出调相机的台数。

其中，退出直流t逆变侧调相机的综合风险指标E_t按下式确定：

E_t＝E_ft′+E_vt′-E_It′-E_Yt′

式中，E_ft′、E_vt′、E_It′、E_Yt′分别为E_ft、E_vt、E_It、E_Yt各自标幺化。

E_t越大，说明直流t逆变侧调相机退出后系统综合运行风险越高，该调相机退出的排序越靠后。故可根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，直到退出某一调相机后达到系统运行规定的最大临界运行风险E_lim停止搜索，得到退出调相机的台数。

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)

1.一种考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)针对直流馈入的逆变侧均配置了调相机的各直流，计算运行方式变化后直流有效短路比及多馈入直流间交互作用因子，确定调相机所接入地点的直流换相失败风险，根据运行规定中直流可承受多次换相失败的临界直流功率确定直流闭锁风险，综合直流换相失败风险及直流闭锁风险得到退出调相机后系统频率失稳风险；

2)针对直流馈入的逆变侧均配置了调相机的各直流，通过受端电网局部区域的受电比例确定电压薄弱区域，时域仿真出退出该区域调相机后电压失稳故障集的变化，得出退出调相机后系统电压失稳风险；

3)针对直流馈入的逆变侧均配置了调相机的各直流，确定退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献；

4)针对直流馈入的逆变侧均配置了调相机的各直流，将退出调相机后的系统频率失稳风险、系统电压失稳风险及退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献加权，得到退出调相机的综合风险指标；

根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，根据系统整体风险要求确定退出调相机的台数。

2.根据权利要求1所述的考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，其特征在于，所述步骤1)中，退出调相机后系统频率失稳风险的具体计算方法如下：

1-1)设受端交流系统有L₁,L₂,..,L_n,....,L_m共m回直流，在其中n回直流馈入的逆变侧均配置了调相机，调度运行采集的系统运行方式中直流传输功率为P_S1,P_S2,…,P_Sn，直流有效短路比为ESCR₁,ESCR₂,…,ESCR_n，分别退出对应直流逆变侧调相机后直流有效短路比变为ESCR₁′,ESCR₂′,...,ESCR_n′，则对于任一直流t而言，其中t∈(1,n)，退出直流t的逆变侧调相机后第t个直流换相失败风险表示为：

1-2)设由潮流计算雅克比矩阵得出直流t换流站对任一第i个直流换流站间互阻抗为Z_it，其中i∈(1,m)，Z_tt为直流t换流站自阻抗，则退出直流t逆变侧调相机后对任一第i个直流换相失败的影响用多回直流交互因子表示：

1-3)按下式确定直流t连续换相失败导致直流闭锁风险可表示为：

其中，P_St为直流t传输功率，P_Jt为直流t传输功率可承受多次换相失败的临界直流功率；

1-4)按下式确定退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险为：

其中，E_ft为退出直流t逆变侧调相机后系统频率失稳风险。

3.根据权利要求1所述的考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，其特征在于，所述步骤2)中，退出调相机后系统电压失稳风险的具体计算方法如下：

2-1)分别以直流L₁,L₂,..,L_n为中心点，计算辐射范围内近区节点距离直流L₁,L₂,..,L_n换流母线平均电气距离，以平均电气距离小于某门槛值的节点为边界划定任一直流t的电压稳定考察区域，则直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t为：

η_t＝(P_DC,t+P_AC,t)/P_load,t

式中：P_DC,t、P_AC,t、P_load,t分别为直流t的电压稳定考察区域内馈入直流功率总和、交流受入功率总和、区域内负荷功率；

若直流t的电压稳定考察区域受电比例η_t大于等于预设的临界值η_lim，则该区域为电压薄弱区域，需要计算退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险；

2-2)设电压失稳风险用导致薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数表示，则退出直流t逆变侧调相机后系统电压失稳风险E_vt为：

式中：N_t、N_t′分别为退出直流t逆变侧调相机前后导致所属薄弱区域电压失稳的交流线路N-1与N-2故障个数。

4.根据权利要求1所述的考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，其特征在于，所述步骤3)中，退出调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献以及退出调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献的具体计算方法如下：

3-1)计算系统各厂站短路电流，若厂站短路电流大于预设的临界短路电流I_lim的个数共有k个，则退出直流t逆变侧调相机对原有短路电流较高地区厂站的综合贡献的贡献表示为：

其中：I_j为调相机退出前大于临界短路电流的厂站j的短路电流水平，I_jt为退出直流t逆变侧调相机后厂站j的短路电流水平；

3-2)退出直流t逆变侧调相机对设备运维费用及损耗费用的贡献E_Yt表示为：

E_Yt＝S_t(ρ_维+ρ_损)

式中：S_t为退出的直流t逆变侧调相机容量，ρ_维、ρ_损为单位容量调相机的维护费用及损耗费用。

5.根据权利要求1所述的考虑短路电流和系统频率电压风险的受端电网调相机调度方法，其特征在于，所述步骤4)中，退出直流t逆变侧调相机的综合风险指标E_t按下式确定：

E_t＝E_ft′+E_vt′-E_It′-E_Yt′

式中，E_ft′、E_vt′、E_It′、E_Yt′分别为E_ft、E_vt、E_It、E_Yt各自标幺化；

根据各直流退出调相机的综合风险指标从小到大排序得到调相机依次退出顺序，直到退出某一调相机后达到系统运行规定的最大临界运行风险E_lim停止搜索，得到退出调相机的台数。

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