CN108695862A - 一种基于pmu实测数据的电网惯量特征在线评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法，包括如下步骤：采集PMU实测数据；在线评估电网惯量分布；可视化展示电网惯量分布；在线评估电网的系统惯量。本发明能够根据电力系统中母线节点有功功率和频率的PMU动态数据信息在线评估电网惯量特征，从区域和整体多个层面揭示电网的当前稳定运行状态。同时，通过对评估结果进行可视化展示，能够对电网各区域与整体的抗扰能力进行直观评价。与传统评估方法相比，本发明不仅能够精确反映不同运行状态下电网惯量特征的动态变化，为电网稳定运行以及新能源并网提供辅助决策，而且还可以根据实时数据在线更新评估结果，提高对电网稳定性及抗扰能力判断的准确性和时效性。

Description

一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法。

背景技术

目前，风力发电、光伏发电等清洁能源发电方式已在全球范围内大规模应用。但清洁能源的强波动性以及电力电子器件的大规模应用导致了电力系统惯性的降低，系统频率稳定性问题也越发严重。为了从区域和整体多方位分析和改善系统运行特性，需要全面评估新能源接入之后对电网动态行为产生的影响。

现有对电网运行稳定性的评估方法主要有基于暂态稳定分析的能量函数法以及基于概率论的风险理论评估方法，但这些方法都是针对电力系统某个方面或某个部分的安全问题，并不能完全反映系统稳定性与抗扰能力。惯量是描述物体对其运动状态变化的一种阻抗程度。在电力系统中惯量是发电机转轴上储存的旋转动能大小，惯量大小决定了电网在受扰时的动态变化情况，直接反映了系统的抗扰动能力，同时电网各区域惯量的分布也表征了区域的抗干扰能力。通过采集PMU实测数据，在线评估各发电机、母线节点和整个电网的惯量大小，从而实时、直观地对电网各设备、各区域以及系统整体的抗扰能力进行直观评价。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法，包括如下步骤：

S10、采集受扰情况下电网各母线节点的PMU数据信息。需要获取的实测数据为：电网中投入运行的发电机输出的不平衡功率△P(t)、有功功率P(t)、频率变化率f’以及各母线节点频率波动值f(t)。

S20、评估电网各发电设备、母线节点的惯量特征。

假设n为电网中投入运行的发电机数目，t_c为电网受扰之前的任意时刻，P_i(t)和f_i’分别是第i(i＝1,2,3,…,n)台发电机在受扰后t时刻的输出有功功率和频率变化率，△P_i(t)是第i台发电机在受扰后t时刻输出的不平衡有功功率，电网惯量的辨识过程包括如下步骤：

S201、计算各发电设备的惯量特征参数H_i(t)：

S202、计算当前电网的惯性中心频率f_C(t)：

其中，f_i(t)是第i台发电机机端母线在t时刻所测得的频率值，为便于后续计算，惯性中心频率f_C(t)可写为函数B(t)与函数A(t)相除的形式，即：

S203、计算母线频率偏移量Id_k。

假设电网中共有q个未直接连接发电机的母线节点，t₀为扰动发生时刻，T为扰动发生后的任意时段，获取电网中母线节点k(k＝1,2,...,q)在t时刻所测得的频率波动值f_k(t)，以当前电网惯性中心频率f_C(t)为基准，计算各母线节点在时间段T内的频率偏移量Id_k：

S204、基于上述计算结果，对频率偏移量进行统一归一化处理，使惯量评估指标HI_k正比于各母线节点的等效惯量大小，从而得到电网惯量分布：

其中，Id_k为上述步骤S203计算得到的母线节点k(k＝1,2,...,q)的频率偏移量，maxId_k和minId_k分别计算得到的最大与最小的母线频率偏移量。

S30、根据电网拓扑结构对电网惯量分布进行可视化展示，直观反映不同运行状况下电网各区域的抗干扰能力。

S40、将整个电网看成一台大型发电设备，基于t时刻电网中所有发电机输出的不平衡功率之和以及电网惯性中心的频率变化率df_C/dt，评估当前运行状态下电网的等效系统惯量：

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明通过提出“电网惯量”这一新参数，对电力系统各区域以及整体的抗干扰能力进行评估，为稳定运行提供辅助决策，也可为新能源并网点的选择提供有用的信息；通过PMU量测数据的计算处理，能够在线评估电网惯量分布以及系统惯量，计算结果根据电网运行状态动态更新，保证电网惯量特征评估结果的准确度；本发明计算效率高，速度快，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法的步骤流程图；

图2为电网惯量分布评估步骤流程图；

图3为IEEE新英格兰39节点网络拓扑结构示意图；

图4为IEEE新英格兰39节点网络惯量分布可视化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法，包括如下步骤：

S10、采集受扰情况下电网各母线节点的PMU数据信息。需要获取的实测数据为：电网中投入运行的发电机输出的不平衡功率△P(t)、有功功率P(t)、频率变化率f’以及各母线节点频率波动值f(t)。

S20、评估电网各发电设备、母线节点的惯量特征。

假设n为电网中投入运行的发电机数目，t_c为电网受扰之前的任意时刻，P_i(t)和f_i’分别是第i(i＝1,2,3,…,n)台发电机在受扰后t时刻的输出有功功率和频率变化率，△P_i(t)是第i台发电机在受扰后t时刻输出的不平衡有功功率，如图2所示，电网惯量的辨识过程包括如下步骤：

S201、计算各发电设备的惯量特征参数H_i(t)：

S202、计算当前电网的惯性中心频率f_C(t)：

其中，f_i(t)是第i台发电机机端母线在t时刻所测得的频率值，为便于后续计算，惯性中心频率f_C(t)可写为函数B(t)与函数A(t)相除的形式，即：

S203、计算母线频率偏移量Id_k。

假设电网中共有q个未直接连接发电机的母线节点，t₀为扰动发生时刻，T为扰动发生后的任意时段，获取电网中母线节点k(k＝1,2,...,q)在t时刻所测得的频率波动值f_k(t)，以当前电网惯性中心频率f_C(t)为基准，计算各母线节点在时间段T内的频率偏移量Id_k：

S204、基于上述计算结果，对频率偏移量进行统一归一化处理，使惯量评估指标HI_k正比于各母线节点的等效惯量大小，从而得到电网惯量分布：

其中，Id_k为上述步骤S203计算得到的母线节点k(k＝1,2,...,q)的频率偏移量，maxId_k和minId_k分别为计算得到的最大与最小的母线频率偏移量。

S30、根据电网拓扑结构对电网惯量分布进行可视化展示，直观反映不同运行状况下电网各区域的抗干扰能力。

S40、将整个电网看成一台大型发电设备，基于t时刻电网所有发电机输出的不平衡功率之和以及电网惯性中心的频率变化率df_C/dt，评估当前运行状态下电网的等效系统惯量：

下面具体说明本发明。

在仿真软件DIGSILENT中搭建IEEE新英格兰39节点网络模型，拓扑结构如图3所示，模型共有10台发电机，29条未直接连接发电机的母线，假设PMU测量可覆盖电网中所有母线节点。对该电网惯量特征进行计算评估，评估步骤流程如图1所示。

S10、记录受扰状态下电网发电机机端母线节点的不平衡有功功率和频率变化率，以及未直接连接发电机的母线节点频率波动值。通过上述仿真方式模拟实际运行中电网PMU实测数据。

S20、基于仿真数据，评估电网惯量分布，评估步骤流程如图2所示。

S201、在任意扰动情况下，以1000MWA,60Hz为基准，从各机端母线测得各发电机的输出不平衡有功功率△P(t)和频率变化率f’。计算得到十台发电机的惯量特征参数H_i(t)：

发电机编号	G1	G2	G3	G4	G5
						惯性常数(s)	50	3.03	3.58	2.86	1.3
发电机编号	G6	G7	G8	G9	G10
						惯性常数(s)	3.48	2.64	2.43	3.45	4.2

由计算结果可知发电机G1与G5分别拥有最大和最小的惯量值，此时，除发电机机端母线外，最靠近G1的母线节点1是电网中等效惯量最大的位置，最靠近G5的母线节点20是等效惯量最小的位置。

S202、基于S201的结果和各发电机机端母线的频率波动值，计算得到当前运行状态下的电网惯性中心频率f_C(t)。

S203、针对电网中未直接连接发电设备的剩余母线节点k(k＝1,2,…,29)，取时段T＝2.5s，根据母线节点k在时段t＝0s～2.5s内相比于惯性中心的频率偏差大小Id_k。

S204、将各母线节点频率偏移量归一化，得到频率偏移指标HI_k。由计算结果得出电网在当前运行状态下，母线节点1的指标值最大，母线节点20的指标值最小，根据在电网拓扑结构图中的分布位置，从左至右其余母线上的指标值大小依次呈降序排列：

母线编号	2	3	4	5	6	7	8	9	10
										HIk	0.743	0.682	0.681	0.694	0.670	0.752	0.786	0.986	0.556
母线编号	11	12	13	14	15	16	17	18	19
										HIk	0.598	0.589	0.578	0.610	0.476	0.375	0.491	0.573	0.104
母线编号	21	22	23	24	25	26	27	28	29
										HIk	0.250	0.092	0.087	0.343	0.681	0.501	0.507	0.240	0.109

S30、基于上述结论，对电网惯量分布进行可视化展示。

根据计算结果将具有相似惯量大小的母线节点划分到同一区域，电网各区域的等效惯量区间如下：

区域编号	S4	S3	S2	S1
					HIk区间	[0.00,0.35]	(0.35,0.68]	(0.68,0.82]	(0.82,1.00]

根据上述HI_k区间划分，在图3的电网拓扑结构基础上，将电网惯量分布结果进行可视化展示如图4所示。由图4可以看出，区域S1具有的等效惯量最大，抗扰能力最强，区域S3、S2依次减弱，因此在考虑新能源接入时，选择S1作为并网区域以减少新能源接入对系统稳定性产生的影响；而S4为当前运行状态下电网抗扰能力最弱的区域，若在S4区域大规模接入电力电子设备则不稳定运行因素增加，容易造成系统振荡。

S40、将整个系统看成一台大型发电机，以t时刻电网中所有发电机输出的不平衡功率之和以及惯性中心的频率变化率df_C/dt作为输入。在图3电网中母线节点4上设置500MW的负荷阶跃，经计算，获得此时的系统等效惯量H_sys(t)在[109,112]范围内。通过对比新能源接入前后H_sys(t)的大小可以揭示电网改造对整个系统稳定性造成的影响，因此通过对等效系统惯量H_sys(t)的评估能够从电网整体的角度揭示在不同运行状态下的抗扰能力。

本发明可以从区域和整体多个层面对电网惯量特征进行计算评估，全面揭示电力系统在当前运行状态下的抗扰能力，通过对新英格兰IEEE39节点网络的惯量分布可视化展示可以看出，本发明不仅可以准确评估电网中各区域的等效惯量大小，也可进一步为新能源并网规划和系统稳定运行提供辅助决策。同时本发明能够根据PMU实测数据对评估指标结果进行实时更新，最大程度地保证了电网惯量特征评估的准确性和时效性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10、采集PMU实测数据：

从PMU量测数据中获取所需电网动态特征的数据信息，包括发电机输出的不平衡功率△P(t)、有功功率P(t)、频率变化率f’以及各母线节点频率波动值f(t)；

S20、在线评估电网惯量分布：

通过对数据的运算处理，依次得到各发电设备的惯量特征参数H_i和电网惯性中心频率f_C，在此基础上提出惯量评估指标，计算电网各区域的等效惯量大小；

S30、可视化展示电网惯量分布：

根据电网拓扑结构以及各母线等效惯量大小对电网各区域进行不同色块的填充或绘制等高线图对电网各区域惯量特征进行直观展示；

S40、在线评估电网的系统惯量：

采用下式计算获得当前电网的整体系统惯量H_sys，并依此对系统运行状态进行评估：

其中，n为电网中投入运行的发电机数目，为t时刻电网中所有发电机输出的不平衡有功功率之和，df_C/dt为电网惯性中心的频率变化率。

2.根据权利要求1所述的基于PMU实测数据的电网惯量特征在线评估方法，其特征在于，S20具体包括如下步骤：

S201、计算各发电设备的惯量特征参数H_i，计算方法为：

其中，n为电网中投入运行的发电机数目，t_c为电网受扰之前的任意时刻，P_i(t)和P_i(t_c)分别为第i(i＝1,2,3,…,n)台发电机在t_c时刻以及受扰后t时刻的输出有功功率，△P_i(t)和f_i’分别是第i台发电机在受扰后t时刻输出的不平衡有功功率和频率变化率；

S202、计算当前电网的惯性中心频率f_C(t)，计算方法为

其中，f_i(t)是第i台发电机机端母线在t时刻所测得的频率值，将惯性中心频率f_C(t)写为函数B(t)与函数A(t)相除的形式，即：

S203、计算母线频率偏移量Id_k，计算方法为：

其中，t₀为扰动发生时刻，T为扰动发生后的任意时段，q为电网中未直接连接发电机的母线节点个数，f_k(t)是母线节点k(k＝1,2,...,q)在t时刻所测得的频率波动值；

S204、对频率偏移量进行统一归一化处理，从而得到各母线节点等效惯量评估指标HI_k：

其中，Id_k为上述步骤S203计算得到的母线节点k(k＝1,2,...,q)的频率偏移量，maxId_k和minId_k分别为计算得到的最大与最小的母线频率偏移量。