CN108599195A - 一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明通过计算各可控措施所在的地点与领前群和余下群中特定机组之间的平均电气距离，对于所在的地点与领前群机组之间的电气距离较近的控制措施，使下发指令时间使得该措施确保在振荡周期的前半周动作，对于所在的地点与余下群机组之间的电气距离较近的控制措施，使下发指令时间使得该措施确保在振荡周期的后半周动作。本发明为实现系统在大功率故障扰动后，缓解电网的功率不平衡问题的同时，有效降低频率时空分布对基于就地频率响应控制效果的影响，提高电网的安全稳定性。

Description

一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，属于电力系统及其自动化技术领域。

背景技术

随着全国经济的快速发展，各地区有功功率负荷需求不断增大，保证电能的供需平衡是频率稳定的重要条件。当电力系统中出现功率缺额时，电力系统的频率低于额定值，严重时将发生频率崩溃事故。

目前在研究电网频率的长周期行为时(如一次调频、二次调频)，可认为电网的频率是统一的，各发电机转速均相等，忽略发电机之间的相对摇摆，认为发电机之间严格的保持同步运行。但是，实际上在故障扰动后，系统中的各发电机组未失步时，全网的平均频率是相同的，但是功率传播过程中，各节点的瞬时频率将围绕全网的平均频率波动。

基于电网网架结构、发电机组分布、机组参数及负荷类型等因素的影响，系统频率特性呈现为时空分布。对于一些基于就地频率响应的控制，可能导致装置不能按照设计的理想状态动作。例如，系统频率是制定低频减载方案的依据，系统频率的时空分布特性可能致使不同位置的低频减载装置处于无序的动作状态。比如我国西南小水电群和西北大风电群就呈现明显的电源频率控制时空分布特性，若扰动传播引起继电保护动作，还有可能产生连锁故障，导致全系统不可控的无序解列或者大面积停电事故。

电力系统动态安全研究较为复杂，仿真中通常忽略频率动态时空分布特性。然而随着科学技术的发展，真实系统的频率动态时空分布特性不容忽略。目前，对于电力系统频率动态特性的研究，通常采用数值仿真和基于实测轨迹研究的方法，试图找出不同扰动下频率轨迹的关联，进而揭示其蕴含的系统动态特性。但是，对于抑制系统频率动态时空分布特性的紧急控制措施和方法还鲜有提出。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，针对系统在大功率扰动故障下可能存在频率分布特性的现状，给出了紧急控制措施在时间和空间上的协调控制方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，包括以下步骤：

1))实时监测电力系统的运行状态，若系统在地点w处发生功率扰动量为P的扰动故障，判断该扰动量P是否大于设定的阈值，若大于阈值，则启动紧急控制；

2)实时监测系统当前能够采取的功率紧急控制措施，并将第j个控制措施的最大控制量记为P_j，j＝1,2……m，其中，m为所有控制措施的总个数，将从紧急控制指令下发到控制措施实际执行的延时记为T_j；

3)监测系统中所有机组的频率响应轨迹ω_i(t)，i表示第i个机组，并计算故障瞬间各个机组的初始频率变化率dω_i(0⁺)/dt，若存在机组s和t之间的初始频率变化率之差|dω_s(0⁺)/dt-dω_t(0⁺)/dt|大于阈值ε，则转入步骤4)；否则，按照各个控制措施的延时T_j从小到大的排序顺序确定需要采取的紧急控制措施，并立即同时下发指令执行；

4)依据扩展等面积准则理论获取系统主导振荡模式与振荡周期T，并将电力系统分成互补的领前群S和余下群A，其中，属于领前群S的机组共p台，属于余下群A的机组共q台，并分别计算领前群与余下群的平均频率；

5)计算各控制措施所在的地点与领前群和余下群中特定机组之间的平均电气距离；

6)根据各控制措施的动作延时T_j和所在的地点，确定需要采取动作的控制措施和各控制措施的指令下发时间。

前述的步骤3)中，初始频率变化率dω_i(0⁺)/dt的计算如下：

其中，Δt为采样周期。

前述的步骤4)中，平均频率的计算如下：

其中，为领前群的平均频率，为余下群的平均频率，J_i为机组i的惯量。

前述的步骤5)中，特定机组指的是在故障后某一时刻t₁，将领前群和余下群中机组分别按转速大小排序，按照一定比例从p个领前群机组中选择转速最快的机组，记为p₁，作为特定机组，按照同样的比例从q个余下群机组中选择转速最慢的机组，记为q₁，作为特定机组；所述比例是指选取的特定机组个数占该群所有机组个数的比例，对于大规模的电力系统，定为10％；对于小规模的电力系统，定为50％及以上。

前述的步骤5)中，平均电气距离计算如下：

计算各控制措施所在的位置与领前群中p₁台机组之间的等效电纳，用B_Sa表示各控制措施所在的位置与领前群中第a台机组之间的等效电纳，a＝1,2……p₁，计算各控制措施所在的位置与余下群中q₁台机组之间的等效电纳，用B_Ab表示各控制措施所在的位置与余下群中第b台机组之间的等效电纳，b＝1,2……q₁，则各控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离B_Sj和B_Aj分别为：

前述的步骤6)中，确定需要采取动作的控制措施具体方法如下：

6-1)比较各个控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离的大小关系；

6-2)将同时满足B_Sj＞B_Aj和的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和T_j＜T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)；若满足条件的控制措施的控制总量小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝1，转至步骤6-3)；

6-3)将同时满足B_Sj＞B_Aj且的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和kT-t₁≤T_j＜(k+1)T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)；若满足条件的控制措施的控制总量仍然小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝k+1，转至步骤6-3)；

6-4)最后一个叠加的控制措施及排序在此之前的所有控制措施即为需要动作的控制措施。

前述的步骤6)中，各控制措施的指令下发时间具体为：

对于同时满足B_Sj＞B_Aj和或者同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在当前时刻t₁立即下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj＞B_Aj和的控制措施，在(k+1)T-T_j时刻下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在时刻下发动作执行指令，其中，k＝0,1,2……l，l为步骤6-3)迭代的总次数。

本发明的有益效果如下：本发明方法针对系统在大功率扰动故障下可能存在频率分布特性的现状，给出了紧急控制措施在时间和空间上的协调控制方法，降低频率时空分布特性，提高电网的安全稳定性。本发明根据紧急控制措施所在的地理位置和指令下发到实际执行的延时，在采取紧急控制减小系统不平衡功率的同时，通过紧急控制措施在时空上的协调，减弱系统频率的分布特性，提高基于就地频率响应控制的动作准确性与可靠性。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明方法的基本原理是：针对大功率扰动故障下系统频率可能存在明显分布特性的实际工况，在通过频率紧急控制减小系统不平衡功率的同时，通过下发指令的延时，确保不同位置的控制措施在振荡周期的不同时段内动作来减缓系统频率的分布特性。主要原则是对于所在的地点与领前群机组之间的电气距离较近的控制措施，下发指令时间应当使得该措施确保在振荡周期的前半周动作；对于所在的地点与余下群机组之间的电气距离较近的控制措施，下发指令时间应当使得该措施确保在振荡周期的后半周动作。同时，将各控制措施按照延时从小到大进行排序，并按照实际动作时间依次叠加各控制措施的最大控制量，直至达到系统所需的控制总量或者所有可用的控制资源均已需叠加。其具体实施步骤如图1所示。

1)实时监测电力系统的运行状态，若系统在地点w处发生功率扰动量为P的扰动故障，判断该扰动量P是否大于设定的阈值，若大于阈值，则启动紧急控制。

2)实时监测系统当前可采取的功率紧急控制措施(比如切机、切负荷等)，并将第j个控制措施的最大控制量记为P_j(j取1,2……m，其中，m为所有控制措施的总个数)，从紧急控制指令下发到控制措施实际执行的延时记为T_j。

3)监测系统中所有机组的频率响应轨迹ω_i(t)，i表示第i个机组，并计算故障瞬间各个机组的初始频率变化率dω_i(0⁺)d/t，若存在机组s和t之间的初始频率变化率之差|dω_s(0⁺)/dt-dω_t(0⁺)/dt|大于阈值ε，则启动时空协调控制，转入步骤4)；否则，按照各个控制措施的延时T_j从小到大的排序顺序确定需要采取的紧急控制措施，并立即同时下发指令执行。

其中，初始频率变化率的计算具体如下：

式中，Δt为采样周期。

4)依据扩展等面积准则(EEAC)理论获取系统主导振荡模式与振荡周期T，并将系统分成互补的领前群S和余下群A。(根据EEAC理论，在某一观察时刻把电力系统中所有机组的功角δ轨迹按其位置在该受扰轨迹中的无界位置间隙之上还是之下，分为一对互补的子集。将上面的轨迹子集为领前群S，下面的轨迹子集为余下群A。)其中，属于领前群S的机组共p台，属于余下群A的机组共q台，并分别计算领前群与余下群的平均频率如下所示：

其中，为领前群的平均频率；为余下群的平均频率；J_i为机组i的惯量。为了确保在前半周期内满足当不满足时，需要将S群与A群的所有机组互换。

5)计算各控制措施所在的地点与领前群和余下群中特定机组之间的平均电气距离，分别记为B_Sj和B_Aj，具体计算如下：

5-1)在故障后某一时刻t₁(确保在故障后的1/4的振荡周期时间之内，此时将领前群和余下群中机组分别按转速大小排序，按照一定比例(选取的机组个数占该群所有机组个数的比例，当系统规模较大时，可以定为10％左右；当系统规模较小时，可以定为50％及以上)从p个领前群机组中选择转速最快的部分机组p₁，按照同样的比例从q个余下群机组中选择转速最慢的部分机组q₁。

5-2)根据网络结构计算各控制措施所在的位置与领前群中p₁台机组之间的等效电纳，记为B_Sa(a＝1,2……p₁)，表示各控制措施所在的位置与领前群中第a台机组之间的等效电纳，计算各控制措施所在的位置与余下群中q₁台机组之间的等效电纳，记为B_Ab(b＝1,2……q₁)，表示各控制措施所在的位置与余下群中第b台机组之间的等效电纳，则各控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离分别为：

6)根据各控制措施的动作延时T_j和所在的地点，确定需要采取动作的控制措施和各控制措施的指令下发时间，具体方法为：

6-1)比较各个控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离的大小关系。

6-2)将同时满足B_Sj＞B_Aj和的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和T_j＜T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)。若满足条件的控制措施的控制总量小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝1，转至步骤6-3)。

6-3)接着，再将同时满足B_Sj＞B_Aj且的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和kT-t₁≤T_j＜(k+1)T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)。若满足条件的控制措施的控制总量仍然小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝k+1，转至步骤6-3)。

6-4)最后一个叠加的控制措施及排序在此之前的所有控制措施即为需要动作的控制措施。其中，对于同时满足B_Sj＞B_Aj和或者同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在当前时刻t₁立即下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj＞B_Aj和的控制措施，在(k+1)T-T_j时刻下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在时刻下发动作执行指令。其中，k＝0,1,2……l，l为步骤6-3)迭代的总次数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1))实时监测电力系统的运行状态，若系统在地点w处发生功率扰动量为P的扰动故障，判断该扰动量P是否大于设定的阈值，若大于阈值，则启动紧急控制；

2)实时监测系统当前能够采取的功率紧急控制措施，并将第j个控制措施的最大控制量记为P_j，j＝1,2……m，其中，m为所有控制措施的总个数，将从紧急控制指令下发到控制措施实际执行的延时记为T_j；

3)监测系统中所有机组的频率响应轨迹ω_i(t)，i表示第i个机组，并计算故障瞬间各个机组的初始频率变化率dω_i(0⁺)/dt，若存在机组s和t之间的初始频率变化率之差

|dω_s(0⁺)/dt-dω_t(0⁺)/dt|大于阈值ε，则转入步骤4)；否则，按照各个控制措施的延时T_j从小到大的排序顺序确定需要采取的紧急控制措施，并立即同时下发指令执行；

4)依据扩展等面积准则理论获取系统主导振荡模式与振荡周期T，并将电力系统分成互补的领前群S和余下群A，其中，属于领前群S的机组共p台，属于余下群A的机组共q台，并分别计算领前群与余下群的平均频率；

5)计算各控制措施所在的地点与领前群和余下群中特定机组之间的平均电气距离；

6)根据各控制措施的动作延时T_j和所在的地点，确定需要采取动作的控制措施和各控制措施的指令下发时间。

2.根据权利要求1所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，初始频率变化率dω_i(0⁺)/dt的计算如下：

其中，Δt为采样周期。

3.根据权利要求1所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，平均频率的计算如下：

其中，为领前群的平均频率，为余下群的平均频率，J_i为机组i的惯量。

4.根据权利要求1所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，特定机组指的是在故障后某一时刻t₁，将领前群和余下群中机组分别按转速大小排序，按照一定比例从p个领前群机组中选择转速最快的机组，记为p₁，作为特定机组，按照同样的比例从q个余下群机组中选择转速最慢的机组，记为q₁，作为特定机组；所述比例是指选取的特定机组个数占该群所有机组个数的比例，对于大规模的电力系统，定为10％；对于小规模的电力系统，定为50％及以上。

5.根据权利要求4所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，平均电气距离计算如下：

计算各控制措施所在的位置与领前群中p₁台机组之间的等效电纳，用B_Sa表示各控制措施所在的位置与领前群中第a台机组之间的等效电纳，a＝1,2……p₁，计算各控制措施所在的位置与余下群中q₁台机组之间的等效电纳，用B_Ab表示各控制措施所在的位置与余下群中第b台机组之间的等效电纳，b＝1,2……q₁，则各控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离B_Sj和B_Aj分别为：

6.根据权利要求5所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤6)中，确定需要采取动作的控制措施具体方法如下：

6-1)比较各个控制措施所在的地点与领前群和余下群中选取的机组之间的平均电气距离的大小关系；

6-2)将同时满足B_Sj＞B_Aj和的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和T_j＜T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)；若满足条件的控制措施的控制总量小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝1，转至步骤6-3)；

6-3)将同时满足B_Sj＞B_Aj且的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，随后，将同时满足B_Sj≤B_Aj和kT-t₁≤T_j＜(k+1)T-t₁的所有控制措施按照动作延时从小到大进行排序，按照排序将各控制措施的控制量依次叠加，直至达到系统所需的控制总量，转入步骤6-4)；若满足条件的控制措施的控制总量仍然小于系统所需的控制总量且仍然有未排序的控制措施，则令k＝k+1，转至步骤6-3)；

6-4)最后一个叠加的控制措施及排序在此之前的所有控制措施即为需要动作的控制措施。

7.根据权利要求6所述的一种考虑电力系统频率分布特性的频率紧急控制方法，其特征在于，所述步骤6)中，各控制措施的指令下发时间具体为：

对于同时满足B_Sj＞B_Aj和或者同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在当前时刻t₁立即下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj＞B_Aj和的控制措施，在(k+1)T-T_j时刻下发动作执行指令；对于同时满足B_Sj≤B_Aj和的控制措施，在时刻下发动作执行指令，其中，k＝0,1,2……l，l为步骤6-3)迭代的总次数。