CN109167353A - 暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明挖掘受扰系统中暂态响应轨迹特征与稳定模式的对应关系，在识别暂态稳定模式对应关键断面基础上，识别电网中强关联断面。提出了基于电网电气量变化来反映系统稳定模式的支路同步力系数指标，并结合该指标、图论和暂稳模式识别，提出了关键断面及关联断面识别的实用方法，有利于克服人工经验方法中因机理分析不足而可能导致的识别不准和效率低下的缺陷，为基于输电断面准确识别的稳定分析或运行监控提供了基础。

Description

暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法

技术领域

本发明涉及一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，属于电力系统及其自动化技术领域。

背景技术

目前，随着电网互联程度不断加大、各种不同动态特性电气设备不断并网，电网各电气特征量的广域动态交互影响加剧，对广域高维电力系统稳定特性和控制机理认知的难度加大。为了降低对电网运行控制难度，运行人员一般将输电断面功率作为关于系统稳定运行水平的关键特征量进行监视和控制。然而，每一个输电断面的功率并非独立变量，不同输电断面的极限功率之间存在着或大或小的关联性，且其关联程度因考虑的稳定问题不同而不同。只有准确识别不同断面间的关联性，才能有效制定基于输电断面的电网安全稳定运行控制策略。因此，亟待针对具有复杂特性的互联电网，提出互联大电网中强关联断面的识别方法。

通过输电断面运行工况能够大致把握系统的稳定运行水平，因而已有大量研究致力于发掘电网中对系统稳定具有较大影响的关键断面(或薄弱断面)。而在关联断面识别方面，特别是与暂态稳定性对应的关联断面识别的理论和应用研究方面则较为缺乏。实际电网运行中，为了计及不同断面的关联耦合关系，往往基于离线计算来安排运行方式和制定控制策略，在识别关联断面时对人工经验的依赖程度较高，这可能导致在识别复杂电网中的关联断面时发生遗漏现象。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，从暂态功角稳定模式交互作用的角度，融合暂态稳定模式识别、断面电气量复合指标以及图论，提出了暂态功角稳定视角下强关联断面的识别算法，为基于输电断面准确识别的电网安全稳定运行控制提供理论和技术支撑。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，包括如下步骤：

步骤1：根据获取电网设备模型和参数、当前运行工况、预设电网故障类型，进行暂态稳定时域仿真；

步骤2：基于预设电网故障下的时域仿真结果，确定受扰电力系统在该预设电网故障下的暂态功角弱稳定模式；

步骤3：分别搜索各暂态功角弱稳定模式对应的关键断面，并将这些关键断面定为强关联断面；若受扰系统的暂态功角弱稳定模式只有一个，则受扰系统在该故障下不存在强关联断面；

步骤4：若受扰系统在该故障下存在强关联断面，则识别关联断面的性质；在故障下的整个时域仿真过程中，每一步根据EEAC方法得到受扰系统的主导模式，且记录保存下来；仿真结束后根据主导模式是否发生变化确定关联断面的性质。

作为优选方案，所述步骤2包括如下步骤：

2.1：根据预设电网故障下发电机动态响应轨迹，进行机组同调性识别；设受扰电力系统内所有发电机可识别为M个同调机群；

2.2：确定受扰系统的互补群划分方式：将M个同调机群分组形成互补的两群，即互补群，M个同调机群共有2^M-1种互补群划分方式；对于所有互补群划分方式中的任一个划分方式，为受扰系统的一个暂态功角稳定模式，对其中任意一个暂态功角稳定模式Z_k而言，其应满足公式：A_k+S_k＝Ω_G其中，Ω_G为受扰系统发电机全集；A_k、S_k分别为互补群划分方式Z_k下的互补两群机组的集合；

2.3：根据EEAC方法计算所有受扰系统互补群划分方式下受扰系统的暂态功角稳定裕度；对于某一互补群划分方式Z_k而言，若Z_k下的暂态功角稳定裕度η(Z_k)小于给定阈值η_ε，则确定Z_k为受扰系统的一个暂态功角弱稳定模式。

作为优选方案，所述η_ε＝20％。

作为优选方案，所述步骤3包括如下步骤：

3.1：根据下式计算电网中各支路的同步力系数：

其中，U_i,1、U_i,2分别为支路i首末端电压标幺值；θ_i为i首末端电压相角差；X_i为i的电抗标幺值；μ_i为动态过程中i的有功功率幅值；P_i(0)为故障发生前支路i的有功功率；

3.2：对某一指定的暂态功角弱稳定模式，初筛出其暂态功角弱稳定的强相关支路；得到该暂态功角弱稳定模式强相关的支路集合Ω_all；

3.3：对于根据支路同步力系数、图论方法，分别得到各个弱稳定模式对应的关键断面。

作为优选方案，所述步骤3.2包括如下步骤：

3.2.1：获得将该弱稳定模式下领先群机组和余下群机组割开来的所有支路割集{INT₁,INT₂…INT_N}，设该弱稳定模式下的支路割集共有N个，每个支路割集包括若干条支路，将这N个支路割集的所属所有支路合并，得到暂态功角弱稳定模式相关支路集合Ω′_all；

3.2.2：选取满足公式(2)Ω′_all中的支路，从而得到该弱稳定模式下强相关的支路集合Ω_all；

其中，t_coi-max为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群惯量中心与余下群惯量中心角度差Δδ_coi最大的时刻；t_λi-min为暂态过程中λ_i(t)最小的时刻；λ_i-min为λ_i(t)的最小值；t_ε、λ_ε为根据工程经验设定的门槛值；

Δδ_coi的计算方法具体如下：

其中，δ_s、δ_A分别为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群机组和余下群机组的惯量中心角度；S、A分别表示领先群机组和余下群机组的集合；M_i、M_j表示领先群机组和余下群机组的惯量；δ_i、δ_j表示领先群机组和余下群机组的功角。

作为优选方案，所述步骤3.3包括如下步骤：

3.3.1：提取Ω_all中各个支路同步力系数在暂态过程中的最小值λ_i-min，并将λ_i-min最小的支路L加入到该模式对应的关键断面中,其支路集合记为Ω_int，并将此支路从Ω_all去除；

3.3.2：判断Ω_int是否形成割集；若是，则跳转到第3.3.4步；否则转到下一步；

3.3.3：从Ω_all中选出λ_i-min最小的支路，判断是否与支路L属于并行支路；若是，则将该支路加入Ω_int，并跳转第3.3.2步；否则重复该步，直到遍历Ω_all中的所有支路均不满足与支路L形成并行支路这一条件，则标记为失败退出；

3.3.4：判断故障支路与支路L是否是并行输电线路，并判断将故障支路加入Ω_int后是否形成割集；如果两者都是，则将故障支路加入Ω_int，跳转到第3.3.5步；否则，则直接转到第3.3.5步；

3-3-5：将Ω_int作为弱稳定模式对应的关键断面的支路集合，成功退出。

作为优选方案，所述步骤4包括如下步骤：

如果整个仿真过程中，系统的主导模式一直不变，则关联断面为多模式共存机理决定的关联断面，否则判断为模式演化机理决定的关联断面。

有益效果：本发明提供的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，通过准确识别暂态功角稳定视角下的强关联断面，能够降低运行控制的复杂程度，并有助于提高调度运行人员对多输电断面监控的精准度，对于把握复杂动态场景下的系统特性和薄弱环节，合理安排运行方式和制定有效的运行控制策略，具有重要的工程意义。且本文提出方法基于暂态稳定时域仿真结果，有利于与在线动态安全分析功能的集成。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，包括如下步骤：

步骤1：根据获取电网设备模型和参数、当前运行工况、预设电网故障类型，进行暂态稳定时域仿真。

步骤2：基于预设电网故障下的时域仿真结果，确定受扰电力系统在该预设电网故障下的暂态功角弱稳定模式，具体如下：

2.1：根据预设电网故障下发电机动态响应轨迹，进行机组同调性识别；设受扰电力系统(简称受扰系统)内所有发电机可识别为M个同调机群。

2.2：确定受扰系统的互补群划分方式：将M个同调机群分组形成互补的两群，即互补群，M个同调机群共有2^M-1种互补群划分方式；对于所有互补群划分方式中的任一个划分方式，为受扰系统的一个暂态功角稳定模式，对其中任意一个暂态功角稳定模式Z_k而言，其应满足公式：A_k+S_k＝Ω_G其中，Ω_G为受扰系统发电机全集；A_k、S_k分别为互补群划分方式Z_k下的互补两群机组的集合。

2.3：根据EEAC(扩展等面积准则)方法计算所有受扰系统互补群划分方式下受扰系统的暂态功角稳定裕度。对于某一互补群划分方式Z_k而言，若Z_k下的暂态功角稳定裕度η(Z_k)小于给定阈值η_ε(例如η_ε＝20％)，则确定Z_k为受扰系统的一个暂态功角弱稳定模式。

步骤3：分别搜索各暂态功角弱稳定模式对应的关键断面，并将这些关键断面定为强关联断面。若受扰系统的暂态功角弱稳定模式只有一个，则受扰系统在该故障下不存在强关联断面。具体包括下述步骤：

3.1：根据下式计算电网中各支路的同步力系数：

其中，U_i,1、U_i,2分别为支路i首末端电压标幺值；θ_i为i首末端电压相角差；X_i为i的电抗标幺值；μ_i为动态过程中i的有功功率幅值；P_i(0)为故障发生前支路i的有功功率。

3.2：对某一指定的暂态功角弱稳定模式，初筛出其暂态功角弱稳定的强相关支路；得到该暂态功角弱稳定模式强相关的支路集合Ω_all,暂态功角弱稳定模式以下简称弱稳定模式。

3.2.1：获得将该弱稳定模式下领先群机组和余下群机组割开来的所有支路割集{INT₁,INT₂…INT_N}，设该弱稳定模式下的支路割集共有N个，每个支路割集包括若干条支路，将这N个支路割集的所属所有支路合并，得到暂态功角弱稳定模式相关支路集合Ω′_all。

3.2.2：选取满足公式(2)Ω′_all中的支路，从而得到该弱稳定模式下强相关的支路集合Ω_all。

其中，t_coi-max为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群惯量中心与余下群惯量中心角度差Δδ_coi最大的时刻；t_λi-min为暂态过程中λ_i(t)最小的时刻；λ_i-min为λ_i(t)的最小值；t_ε、λ_ε为根据工程经验设定的门槛值。

Δδ_coi的计算方法具体如下：

其中，δ_s、δ_A分别为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群机组和余下群机组的惯量中心角度；S、A分别表示领先群机组和余下群机组的集合；M_i、M_j表示领先群机组和余下群机组的惯量；δ_i、δ_j表示领先群机组和余下群机组的功角。

3.3：对于根据支路同步力系数、图论方法(Graph Theory)，分别得到各个弱稳定模式对应的关键断面，对于某个弱稳定模式，其关键断面搜索的方法具体如下：

3.3.1：提取Ω_all中各个支路同步力系数在暂态过程中的最小值λ_i-min，并将λ_i-min最小的支路L加入到该模式对应的关键断面中(其支路集合记为Ω_int)，并将此支路从Ω_all去除；

3.3.2：判断Ω_int是否形成割集。若是，则跳转到第3.3.4步；否则转到下一步；

3.3.3：从Ω_all中选出λ_i-min最小的支路，判断是否与支路L属于并行支路。若是，则将该支路加入Ω_int，并跳转第3.3.2步；否则重复该步，直到遍历Ω_all中的所有支路均不满足与支路L形成并行支路这一条件，则标记为失败退出；

3.3.4：判断故障支路与支路L是否是并行输电线路，并判断将故障支路加入Ω_int后是否形成割集。如果两者都是，则将故障支路加入Ω_int，跳转到第3.3.5步；否则，则直接转到第3.3.5步；

3-3-5：将Ω_int作为弱稳定模式对应的关键断面的支路集合，成功退出。

步骤4：若受扰系统在该故障下存在强关联断面，则识别关联断面的性质。在故障下的整个时域仿真过程中，每一步根据EEAC方法得到受扰系统的主导模式，且记录保存下来。仿真结束后根据主导模式是否发生变化确定关联断面的性质，即：如果整个仿真过程中，系统的主导模式一直不变，则关联断面为多模式共存机理决定的关联断面，否则判断为模式演化机理决定的关联断面。

本发明挖掘受扰系统中暂态响应轨迹特征与稳定模式的对应关系，在识别暂态稳定模式对应关键断面基础上，识别电网中强关联断面。提出了基于电网电气量变化来反映系统稳定模式的支路同步力系数指标，并结合该指标、图论和暂稳模式识别方法，提出了关键断面及关联断面识别的实用算法，有利于克服人工经验方法中因机理分析不足而可能导致的识别不准和效率低下的缺陷，为基于输电断面准确识别的稳定分析或运行监控提供了基础。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据获取电网设备模型和参数、当前运行工况、预设电网故障类型，进行暂态稳定时域仿真；

步骤2：基于预设电网故障下的时域仿真结果，确定受扰电力系统在该预设电网故障下的暂态功角弱稳定模式；

步骤3：分别搜索各暂态功角弱稳定模式对应的关键断面，并将这些关键断面定为强关联断面；若受扰系统的暂态功角弱稳定模式只有一个，则受扰系统在该故障下不存在强关联断面；

步骤4：若受扰系统在该故障下存在强关联断面，则识别关联断面的性质；在故障下的整个时域仿真过程中，每一步根据EEAC方法得到受扰系统的主导模式，且记录保存下来；仿真结束后根据主导模式是否发生变化确定关联断面的性质。

2.根据权利要求1所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：

2.1：根据预设电网故障下发电机动态响应轨迹，进行机组同调性识别；设受扰电力系统内所有发电机可识别为M个同调机群；

2.2：确定受扰系统的互补群划分方式：将M个同调机群分组形成互补的两群，即互补群，M个同调机群共有2^M-1种互补群划分方式；对于所有互补群划分方式中的任一个划分方式，为受扰系统的一个暂态功角稳定模式，对其中任意一个暂态功角稳定模式Z_k而言，其应满足公式：A_k+S_k＝Ω_G其中，Ω_G为受扰系统发电机全集；A_k、S_k分别为互补群划分方式Z_k下的互补两群机组的集合；

2.3：根据EEAC方法计算所有受扰系统互补群划分方式下受扰系统的暂态功角稳定裕度；对于某一互补群划分方式Z_k而言，若Z_k下的暂态功角稳定裕度η(Z_k)小于给定阈值η_ε，则确定Z_k为受扰系统的一个暂态功角弱稳定模式。

3.根据权利要求2所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述η_ε＝20％。

4.根据权利要求1所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：

3.1：根据下式计算电网中各支路的同步力系数：

其中，U_i,1、U_i,2分别为支路i首末端电压标幺值；θ_i为i首末端电压相角差；X_i为i的电抗标幺值；μ_i为动态过程中i的有功功率幅值；P_i(0)为故障发生前支路i的有功功率；

3.2：对某一指定的暂态功角弱稳定模式，初筛出其暂态功角弱稳定的强相关支路；得到该暂态功角弱稳定模式强相关的支路集合Ω_all；

3.3：对于根据支路同步力系数、图论方法，分别得到各个弱稳定模式对应的关键断面。

5.根据权利要求4所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述步骤3.2包括如下步骤：

3.2.1：获得将该弱稳定模式下领先群机组和余下群机组割开来的所有支路割集{INT₁,INT₂…INT_N}，设该弱稳定模式下的支路割集共有N个，每个支路割集包括若干条支路，将这N个支路割集的所属所有支路合并，得到暂态功角弱稳定模式相关支路集合Ω′_all；

3.2.2：选取满足公式(2)Ω′_all中的支路，从而得到该弱稳定模式下强相关的支路集合Ω_all；

其中，t_coi-max为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群惯量中心与余下群惯量中心角度差Δδ_coi最大的时刻；t_λi-min为暂态过程中λ_i(t)最小的时刻；λ_i-min为λ_i(t)的最小值；t_ε、λ_ε为根据工程经验设定的门槛值；

Δδ_coi的计算方法具体如下：

其中，δ_s、δ_A分别为所指定的暂态功角弱稳定模式的领先群机组和余下群机组的惯量中心角度；S、A分别表示领先群机组和余下群机组的集合；M_i、M_j表示领先群机组和余下群机组的惯量；δ_i、δ_j表示领先群机组和余下群机组的功角。

6.根据权利要求4所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述步骤3.3包括如下步骤：

3.3.1：提取Ω_all中各个支路同步力系数在暂态过程中的最小值λ_i-min，并将λ_i-min最小的支路L加入到该模式对应的关键断面中,其支路集合记为Ω_int，并将此支路从Ω_all去除；

3.3.2：判断Ω_int是否形成割集；若是，则跳转到第3.3.4步；否则转到下一步；

3.3.3：从Ω_all中选出λ_i-min最小的支路，判断是否与支路L属于并行支路；若是，则将该支路加入Ω_int，并跳转第3.3.2步；否则重复该步，直到遍历Ω_all中的所有支路均不满足与支路L形成并行支路这一条件，则标记为失败退出；

3.3.4：判断故障支路与支路L是否是并行输电线路，并判断将故障支路加入Ω_int后是否形成割集；如果两者都是，则将故障支路加入Ω_int，跳转到第3.3.5步；否则，则直接转到第3.3.5步；

3-3-5：将Ω_int作为弱稳定模式对应的关键断面的支路集合，成功退出。

7.根据权利要求1所述的暂态功角稳定视角下的电网强关联断面识别方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：

如果整个仿真过程中，系统的主导模式一直不变，则关联断面为多模式共存机理决定的关联断面，否则判断为模式演化机理决定的关联断面。