CN109038542A - 一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、计算大电网系统轨迹灵敏度，为在线安全稳定分析提供前期技术；步骤2、推导计算大电网系统的临界切除时间；步骤3、计算多机大电网角速度对故障切除时间的灵敏度，作为在线安全稳定预防控制的基准判据。本发明具有计算简单、精度高、速度快的特点，而且对系统模型无限制，可以采用复杂发电机模型，提高了算法的实用性，对于大电网在线动态安全预防控制的效率提升具有重要意义。

Description

一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法

技术领域

本发明属于电网稳定与控制技术领域，涉及在线安全稳定分析中电网的预防控制，尤其是一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法。

背景技术

随着特高压电网进入全面快速发展阶段，特高压交直流电网将发展成为规模庞大、结构复杂的互联电网系统，电网运行特性日益复杂；新能源发展迅猛，电网潮流不确定性增加，给调度运行带来诸多挑战。

调控中心作为电网的生产指挥中心，是坚强智能电网的神经中枢，是保障智能电网运行和发展的核心机构。目前的调控技术支持系统主要存在以下几方面不足：

(1)综合分析决策方面自动化程度低

现有的调控技术支持系统仍以“经验型、人工分析型”调度模式为主，调控中心虽集中了各种电网运行数据、规程规范、处置方案等，但日常处置仍以人工经验为主，需要运行人员进行大量的经验知识关联，缺乏对电网运行状态发展变化情况进行全面准确掌控和综合判断的故障处理最优策略自动生成手段，对个人主动性和能力的依赖性较大。

(2)缺乏调控一体化智能技术支撑手段

在实际调度运行中，运行人员需要对大量数据、知识规则进行人工关联、分析和处理，特别是大运行“调控一体化”模式下，海量信息涌入调控中心，调度员往往受困于表象数据，难以及时快速提取重点，使他们不能得到有效的决策支持，导致错失事故处理的良机以及日常操作存在误操作的可能性。

(3)调控技术支持系统分析软件功能整合性差

现有的系统分析软件只侧重电网运行的某一方面，通常为数值分析软件，计算结果不能进行整合分析，缺乏从整体运行态势和电网操作上给出综合分析结果和决策建议的智能化处理功能，需要调控运行人员基于人工经验，通过手动调阅各类分析结果并进行关联综合决策来进行调度指挥，对电网安全运行造成隐患。

针对上述情况，有必要通过技术创新，采用计算机技术协助运行人员对电网日常操作和故障处理进行策略优化。在线动态安全分析是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。暂态稳定评估与预防控制是其基本任务,即在当前运行状态下,对一组可能发生的故障进行暂态稳定分析,如果系统在预想故障下暂态失稳,则通过施加预防控制提高系统的暂态稳定性。电网省地一体化在线分析软件紧密结合电网运行的具体特点和实际业务需求，采用先进实用的理论技术进行开发和功能完善，为建设“智能调度、智慧调度”提供了技术可行性。

现有利用以能量裕度灵敏度为基础的动态安全调度方法，求取相关不稳定平衡点的过程较为复杂，而且这种方法仅适用于电力系统的经典模型，因此难以计及负荷的动态效应和实际系统中励磁机的作用。因此，寻求一种计算简单、精度高、速度快，而且对系统模型无限制，可以采用复杂发电机模型的方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理、计算简单、精度高、速度快且对系统模型无限制的基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，包括以下步骤：

步骤1、计算大电网系统轨迹灵敏度，为在线安全稳定分析提供前期技术；

步骤2、推导计算大电网系统的临界切除时间；

步骤3、计算多机大电网角速度对故障切除时间的灵敏度，作为在线安全稳定预防控制的基准判据。

而且，所述步骤1具体步骤包括：

(1)电力大电网系统的暂态稳定过程可用方程组描述为：

式中，x是由各发电机及其调节系统的状态变量组成的向量；y是有关代数变量向量；η是由发电机有功输出、地区有功负荷、线路阻抗等参数组成的参数向量；t₀是初始时刻；x₀和y₀分别为x和y的初始值；

(2)轨迹灵敏度能反映任意时刻的参数变化对系统稳定性的影响程度，对上式求偏导数得：

式中，x_η和y_η是状态变量及代数变量的轨迹灵敏度矩阵。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)大电网系统的摇摆方程为：

式中，δ为功角；ω₀为同步转速；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；t是时间。

(2)通过大电网系统的摇摆方程可以计算求得故障情况下极限切除角为：

式中，δ为功角；δ_lim为极限切除角；δ_cr为临界角；δ₀为故障前稳态运行角；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；P_m2为故障期间功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；P_m3为故障后功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；

(3)对三相短路故障有P_m2＝0，所以当发生三相短路时，故障情况下极限切除角的计算公式可以改写为：

(4)故障期间P_e＝P_m2sinδ＝0，将微分方程-大电网系统的摇摆方程二重积分可得：

(5)由于在t＝0和t＝t_cr时刻，δ角分别为δ₀和δ_lim，故有

则可解临界切除时间为：

而且，所述步骤3根据如下公式计算多机大电网角速度Δω_1-t1(t)对故障切除时间的灵敏度；

本发明的优点和有益效果：

1、本发明通过系统仿真计算轨迹灵敏度，并依据故障切除后设定时刻领先发电机功角对各发电机有功输出的灵敏度数值，求取机组的输出极限，然后依据故障后设定时刻最领先发电机的转子角对各发电机有功输出的轨迹灵敏度数值，调整各发电机的有功输出。同现有技术相比，该方法具有计算简单、精度高、速度快的特点，而且对系统模型无限制，可以采用复杂发电机模型，提高了算法的实用性，对于大电网在线动态安全预防控制的效率提升具有重要意义。

2、本发明将故障后发电机功角对发电机有功输出的轨迹灵敏度作为调整发电机有功输出的依据，电网系统中的SPAFCT(发电机功角轨迹相对于故障切除时间的灵敏度)可由角速度直接得到，不受已有发电机模型详略程度和系统参数的影响，计算更加准确、简单且速度快。

3、本发明对系统模型无限制，可以采用复杂发电机模型的方法，能够克服现有以能量裕度灵敏度为基础的动态安全调度方法存在的两大缺点：(1)求取相关不稳定平衡点过程较为复杂；(2)仅适用于电力系统的经典模型，难以计及负荷的动态效应和实际系统中励磁机的作用。

附图说明

图1是本发明的关键环节处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，包括以下步骤：

步骤1、计算大电网系统轨迹灵敏度，为在线安全稳定分析提供前期技术；

所述步骤1具体步骤包括：

(1)电力大电网系统的暂态稳定过程可用方程组描述为：

式中，x是由各发电机及其调节系统的状态变量组成的向量；y是有关代数变量向量；η是由发电机有功输出、地区有功负荷、线路阻抗等参数组成的参数向量；t₀是初始时刻；x₀和y₀分别为x和y的初始值；

(2)轨迹灵敏度能反映任意时刻的参数变化对系统稳定性的影响程度，对上式求偏导数得：

式中，x_η和y_η是状态变量及代数变量的轨迹灵敏度矩阵。

步骤2、推导计算大电网系统的临界切除时间；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)大电网系统的摇摆方程为：

式中，δ为功角；ω₀为同步转速；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；t表示时间；

(2)通过大电网系统的摇摆方程可以计算求得故障情况下极限切除角为：

式中，δ为功角；δ_lim为极限切除角；δ_cr为临界角；δ₀为故障前稳态运行角；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；P_m2为故障期间功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；P_m3为故障后功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；

(3)对三相短路故障有P_m2＝0，所以当发生三相短路时式(5)故障情况下极限切除角的计算公式可以改写为：

(4)故障期间P_e＝P_m2sinδ＝0，将微分方程-大电网系统的摇摆

方程二重积分可得：

(5)由于在t＝0和t＝t_cr时刻，δ角分别为δ₀和δ_lim，故有

则可解临界切除时间为：

步骤3、计算多机大电网角速度对故障切除时间的灵敏度，作为在线安全稳定预防控制的基准判据；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)两机系统中发电机的模型：

式中，M_m1、M_m2分别为发电机1和2的机械转矩；M_e1、M_e2为发电机1和2的电磁转矩；T_j1、T_j2、D₁、D₂分别为各发电机惯性时间常数和阻尼系数；

其中：

进一步推导得：

上式中，Δδ(s)、Δω(s)、ΔM_m(s)、ΔM_e(s)是二维列向量，T_j、D是二阶对角矩阵；

将式(13)代入(12)，可得：

式中，F₁(s)与故障切除时间无关，d₁为常系数；

由式(14)对故障切除时间求导可得：

结合(14-16)式，推导可得：

Vδ_1-t1(s)是发电机1(sensitivity of power angle to fault clearing time,SPAFCT)的拉氏变换；

经反变换后可得：

Vδ_1-t1(t)[ε(t-t₀)-ε(t-t₁)]＝ω₀·Δω₁(t)·ε(t-t₁) (18)

可推得发电机1角速度对故障切除时间的灵敏度：

同理，可得到发电机2的SPAFCT公式，也可得到其角速度对故障切除时间的灵敏度公式。若采用3机及以上的系统，仍可得到式(17)-(19)的结果。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、计算大电网系统轨迹灵敏度，为在线安全稳定分析提供前期技术；

步骤2、推导计算大电网系统的临界切除时间；

步骤3、计算多机大电网角速度对故障切除时间的灵敏度，作为在线安全稳定预防控制的基准判据。

2.根据权利要求1所述的一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，其特征在于：所述步骤1具体步骤包括：

(1)电力大电网系统的暂态稳定过程可用方程组描述为：

式中，x是由各发电机及其调节系统的状态变量组成的向量；y是有关代数变量向量；η是由发电机有功输出、地区有功负荷、线路阻抗等参数组成的参数向量；t₀是初始时刻；x₀和y₀分别为x和y的初始值；

(2)轨迹灵敏度能反映任意时刻的参数变化对系统稳定性的影响程度，对上式求偏导数得：

式中，x_η和y_η是状态变量及代数变量的轨迹灵敏度矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)大电网系统的摇摆方程为：

式中，δ为功角；ω₀为同步转速；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；t表示时间。

(2)通过大电网系统的摇摆方程可以计算求得故障情况下极限切除角为：

式中，δ为功角；δ_lim为极限切除角；δ_cr为临界角；δ₀为故障前稳态运行角；M是转子惯性时间常数；P₀为故障前发电机的有功输出；P_e为发电机电磁功率；P_m2为故障期间功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；P_m3为故障后功率特性曲线上发电机有功出力的最大值；

(3)对三相短路故障有P_m2＝0，所以当发生三相短路时，故障情况下极限切除角的计算公式可以改写为：

(4)故障期间P_e＝P_m2sinδ＝0，将微分方程-大电网系统的摇摆方程二重积分可得：

(5)由于在t＝0和t＝t_cr时刻，δ角分别为δ₀和δ_lim，故有

则可解临界切除时间为：

4.根据权利要求1所述的一种基于轨迹灵敏度的在线安全稳定预防控制方法，其特征在于：所述步骤3根据如下公式计算多机大电网角速度对故障切除时间的灵敏度；