CN109256815B - 特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，针对直流闭锁故障导致的有功不平衡量，按同步功率系数分摊到各发电机，计算故障瞬间的断面有功潮流；针对直流闭锁故障和安控系统动作导致的有功不平衡量，根据静态频率特性确定发电机和负荷节点的有功，计算暂态过程过渡到稳态的断面有功潮流；针对恢复到额定频率的二次调频过程，根据发电机的旋转备用和爬坡率确定发电机和负荷节点的有功，计算二次调频动作过程中的断面有功潮流。本发明针对直流闭锁故障分别计算故障瞬间、暂态过程过渡到稳态以及二次调频动作过程中的断面有功潮流，实现大规模有功不平衡量下稳定断面有功的快速分析。

Description

特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法

技术领域

本发明涉及一种特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，属于电力系统安全稳定分析技术领域。

背景技术

特高压直流输电为水电、风电及光伏等清洁能源的大规模消纳提供了坚实基础，可以充分发挥大电网跨区优化配置能源的能力。特高压直流输电规模的阶跃式提升，导致部分区域电网通过特高压直流输送的电量在供电负荷中占比越来越高。一旦发生特高压直流闭锁等故障，由其引发的不平衡功率极有可能导致局部电网超稳定限额运行，严重情况下可能诱发连锁故障或大范围停电。由于本地电网电源调频电源能力已逐步逼近极限，调节空间不大，而大范围省际电源功率支撑容易引起联络线超限额运行。

特高压直流闭锁故障后的潮流分布变化过程可以分为3个阶段。阶段1为故障瞬间，直流系统交流侧的节点电压相角突变，导致发电机有功发生突变；阶段2为暂态过程过渡到稳态，一次调频作用改变了发电机和负荷的有功；阶段3为二次调频动作恢复系统频率偏差的过程，由参与二次调频的发电机承担系统的不平衡功率，负荷恢复到故障前的有功。阶段3持续时间较长，二次调频动作过程中断面有功可能变化较大。常规的潮流计算模型中忽略了发电机和负荷的频率静特性，将除平衡机以外的发电机有功出力设置为固定值，不能准确地反映具有调频能力的发电机的出力随系统频率变化的调整情况。因此，需要根据发电机的一次调频、旋转备用和爬坡率等参数，以及负荷的静态频率特性确定各阶段发电机和负荷的有功，从而实现大规模有功不平衡量下稳定断面有功的快速分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，计及负荷静态频率特性、发电机一次调频特性以及二次调频动作情况确定各阶段发电机和负荷的有功，通过对调整后的运行方式进行潮流计算，实现特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的快速分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，包括以下步骤：

1)从EMS系统获取电网运行方式数据、负荷节点的有功静态频率特性系数和发电机节点的调频参数，从安全自动装置管理系统获取安控系统的当前运行状态、定值、压板状态和采集的电网实时信息，其中，发电机节点的调频参数包括调差系数和一次调频负荷限幅；

2)针对特高压直流所连接的交流电网，分别根据发电机的次同步电抗计算发电机节点的内电势，形成收缩到发电机内电势节点和闭锁直流系统交流侧母线的降阶导纳矩阵，并计算发电机节点的注入功率；

3)针对特高压直流所连接的交流电网，将直流闭锁故障导致的功率缺额ΔP_DC按同步功率系数分摊到各发电机节点，根据故障瞬间各发电机节点和负荷节点的有功注入进行潮流计算，统计稳定断面的有功潮流；

4)针对特高压直流所连接的交流电网，根据安控系统的控制策略和运行状态，以及电网运行方式的实时信息，确定当前运行方式下针对故障的当值措施，计算出各交流电网因直流闭锁故障和当值措施实施所引起的总有功不平衡量ΔP_dis；

5)根据各发电机节点的调频参数和负荷节点的有功静态频率特性系数，计算当值措施和发电机节点一次调频动作后，发电机节点和负荷节点的有功以及系统频率偏差Δf_dis，并通过潮流计算统计故障后过渡到稳态时稳定断面的有功潮流；

6)根据系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC，计算系统频率恢复至额定值的总时间T_AGC；

7)按给定的时间间隔ΔT，分别计算二次调频动作后zΔT时刻发电机节点和负荷节点的有功，通过潮流计算统计zΔT时刻稳定断面的有功潮流；

8)将各阶段计算得到的断面有功潮流与稳定限额进行比较，确定有功潮流大于稳定限额的时段。

前述的步骤2)中，发电机节点的注入功率计算如下：

其中，P_i为发电机节点i的注入功率，N_G为交流电网S中的发电机节点个数，E_i和E_j分别为发电机节点i和j的内电势，G_ij和B_ij分别为发电机节点i和j间的互导纳的实部和虚部，θ_ij为发电机节点i和节点j内电势的相位差，

为直流系统交流侧母线k_S的电压，

和

分别为发电机节点i和直流系统交流侧母线k_S间的互导纳的实部和虚部，

为发电机节点i内电势和交流侧母线k_S电压的相位差。

前述的步骤3)中，同步功率系数计算如下：

前述的步骤4)中，安控系统的控制策略是指切机和切负荷措施，以检测到特高压直流闭锁故障为安控系统的启动判据；所述当值措施是指安控系统的动作策略，包括切机和切负荷。

前述的总有功不平衡量ΔP_dis计算如下：

ΔP_dis＝ΔP_DC+ΔP_SC (3)

其中，ΔP_SC为安控系统当值措施引起的有功不平衡量。

前述的步骤5)中，故障后过渡到稳态时稳定断面的有功潮流计算如下：

5-1)计算各发电机节点一次调频限幅对应的频率变化量；

其中，Δf_i为发电机节点i一次调频限幅对应的频率变化量，

和

分别为发电机节点i的最大输出机械功率、故障前有功出力、一次调频负荷限幅和调差系数；

5-2)将各发电机节点的频率变化量按|Δf_i|由小到大排序，排序后满足：|Δf_i-1|≤|Δf_i|

置执行次数k＝1，ΔP_S＝0，其中，ΔP_S表示执行第k次时，参与一次调频的发电机组分摊的不平衡功率；

5-3)计算发电机节点k,…N_G参与一次调频时系统的调频系数；

其中，

为发电机节点k参与一次调频时的调频系数，

为负荷节点j的有功静态频率特性系数；

5-4)计算频率变化量由Δf_k-1变化到Δf_k，机组k,…N_G的出力变化量

更新

5-5)如果ΔP_S＜ΔP_dis，则置k＝k+1，返回步骤5-3)；否则，计算系统有功不平衡量ΔP_dis对应的频率偏差Δf_dis：

5-6)计算系统频率偏差从0变化到Δf_dis时各发电机节点和负荷节点分摊的功率：

如果Δf_dis＜Δf_i，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机节点和负荷节点的无功。

前述的步骤6)中，系统频率恢复至额定值的总时间的计算过程为：

6-1)计算系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC：

6-2)计算各发电机节点旋转备用调节完对应的时间Δt_i；

其中，Δt_i为发电机节点i旋转备用调节完对应的时间，

和

分别为发电机节点i的旋转备用和爬坡率；

6-3)将各发电机节点按Δt_i由小到大排序，排序后满足：|Δt_i-1|≤|Δt_i|，i＝2，…，N_G，

置执行次数k＝1，ΔP_A＝0，其中，ΔP_A表示执行第k次时，已经分摊的不平衡功率；

6-4)计算由Δt_i-1时刻变化到Δt_i时刻对应的有功调整量

更新

6-5)如果ΔP_A＜ΔP_AGC，则置k＝k+1，返回步骤3)；否则，计算系统频率恢复至额定值的总时间ΔT_AGC为：

前述的步骤7)中，二次调频动作，稳定断面的有功潮流的计算如下：

如果Δt_i≥zΔT，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

其中，Δf_sys为系统频率：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机和负荷的无功。

通过采用上述技术方案，本发明的有益效果：

本发明针对直流闭锁故障分别计算故障瞬间、暂态过程过渡到稳态以及二次调频动作过程中的断面有功潮流，实现大规模有功不平衡量下稳定断面有功的快速分析。

附图说明

图1为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。

本发明提供一种特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其基本原理在于：故障瞬间只有直流系统交流侧节点的电压相角发生突变，可以根据收缩到发电机内电势的潮流方程计算发电机的有功突变量；暂态过渡到稳态时，可以根据发电机的一次调频参数、负荷的静态频率特性和功率不平衡量确定发电机和负荷的有功；二次调频动作过程中，可以根据发电机的旋转备用和爬坡率、负荷的静态频率特性和暂态过渡到稳态时的频率偏差确定发电机和负荷的有功。

参见图1，本发明的具体过程如下：

步骤1：从EMS系统获取电网运行方式数据、负荷节点的有功静态频率特性系数和发电机节点的调频参数(包括调差系数和一次调频负荷限幅)，从安全自动装置管理系统获取安控系统的当前运行状态、定值、压板状态和采集的电网实时信息。

步骤2：针对特高压直流所连接的交流电网，分别根据发电机的次同步电抗计算发电机的内电势，形成收缩到发电机内电势节点和闭锁直流系统交流侧母线k_S的降阶导纳矩阵，然后计算发电机节点的注入功率。

发电机节点i的注入功率如式(1)：

其中，N_G为交流电网S中的发电机节点个数，E_i和E_j分别为发电机节点i和节点j的内电势，G_ij和B_ij分别为发电机节点i和j间的互导纳的实部和虚部，θ_ij为发电机节点i和节点j内电势的相位差，

为直流系统交流侧母线k_S的电压，

和

分别为发电机节点i和直流系统交流侧母线k_S间的互导纳的实部和虚部，

为发电机节点i内电势和交流侧母线k_S电压的相位差。

步骤3：针对特高压直流所连接的交流电网，将直流闭锁故障导致的功率缺额ΔP_DC按同步功率系数分摊到各发电机节点，根据故障瞬间各发电机节点和负荷节点的有功注入进行潮流计算，统计稳定断面的有功潮流；其中，ΔP_DC是故障前直流系统的传输功率。本步骤中，有功注入是针对原始的电网，未收缩到发电机内节点之前的网络，包括发电机节点和负荷节点。

其中，在

且发电机节点内电势相位在故障瞬间不会突变的条件，将式(1)对

进行求导，得到

根据式(2)计算各发电机的同步功率系数：

步骤4：针对特高压直流所连接的交流电网，根据安控系统的控制策略和运行状态，以及电网运行方式的实时信息，确定当前运行方式下针对故障的当值措施(安控系统的动作策略，包括切机、切负荷等)，计算出各交流电网因直流闭锁故障和当值措施实施所引起的总有功不平衡量ΔP_dis，其中，安控系统的控制策略是指切机和切负荷等措施，以检测到特高压直流闭锁故障为安控系统的启动判据。

ΔP_dis＝ΔP_DC+ΔP_SC (3)

其中，ΔP_SC为安控系统当值措施引起的有功不平衡量。

步骤5：根据各发电机节点的调频参数和负荷节点的有功静态频率特性系数，计算当值措施和发电机节点一次调频动作后发电机节点和负荷节点的有功，以及系统频率偏差Δf_dis，通过潮流计算统计故障后过渡到稳态时稳定断面的有功潮流。

计算当值措施和发电机节点一次调频动作后，发电机节点和负荷节点的稳态断面的有功潮流的过程为：

5-1)计算各发电机节点一次调频限幅对应的频率变化量；

其中，

和

分别为发电机节点i的最大输出机械功率、故障前有功出力、一次调频负荷限幅和调差系数，N_G为发电机节点个数；

5-2)将各发电机节点的频率变化量按|Δf_i|由小到大排序，排序后满足|Δf_i-1|≤|Δf_i|(i＝2，…，N_G)，置执行次数k＝1，ΔP_S＝0，其中，ΔP_S表示执行第k次时，参与一次调频机组分摊的不平衡功率，执行第k次，对应机组k已经到最大调节空间；

5-3)计算发电机节点k,…N_G参与一次调频时系统的调频系数；

其中，

为负荷节点j的有功静态频率特性系数，N_S为负荷节点个数；

5-4)计算频率变化量由Δf_k-1变化到Δf_k，机组k,…N_G的出力变化量

更新

5-5)如果ΔP_S＜ΔP_dis，则置k＝k+1，返回步骤5-3)；否则，计算系统有功不平衡量ΔP_dis对应的频率偏差Δf_dis：

5-6)计算系统频率偏差从0变化到Δf_dis时各发电机节点和负荷节点分摊的功率。

如果Δf_dis＜Δf_i，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机节点和负荷节点的无功。

步骤6：根据系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC，计算系统频率恢复至额定值的总时间T_AGC。

系统频率恢复至额定值的总时间的计算过程为：

6-1)根据公式(11)计算系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC：

其中，N_S是负荷节点个数，

为负荷节点j的有功静态频率特性系数；

6-2)根据公式(12)计算各发电机节点旋转备用调节完对应的时间Δt_i；

其中，

和

分别为发电机节点的旋转备用和爬坡率；

6-3)将各发电机节点按Δt_i由小到大排序，排序后满足|Δt_i-1|≤|Δt_i|(i＝2，…，N_G)，置执行次数k＝1，ΔP_A＝0，其中，ΔP_A表示执行第k次时，已经分摊的不平衡功率；

6-4)计算由Δt_i-1时刻变化到Δt_i时刻对应的有功调整量

更新

6-5)如果ΔP_A＜ΔP_AGC，则置k＝k+1，返回步骤3；否则，计算系统频率恢复至额定值的总时间ΔT_AGC为：

步骤7：按给定的时间间隔ΔT，分别计算二次调频动作后zΔT时刻发电机节点和负荷节点的有功，通过潮流计算统计zΔT时刻稳定断面的有功潮流；

计算二次调频动作后，zΔT时刻发电机节点和负荷节点有功的过程为：

如果Δt_i≥zΔT，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

其中，Δf_sys为系统频率：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机和负荷的无功。

步骤8：将各阶段计算得到的断面有功潮流与稳定限额进行比较，确定有功潮流大于稳定限额的时段。

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.特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从EMS系统获取电网运行方式数据、负荷节点的有功静态频率特性系数和发电机节点的调频参数，从安全自动装置管理系统获取安控系统的当前运行状态、定值、压板状态和采集的电网实时信息，其中，发电机节点的调频参数包括调差系数和一次调频负荷限幅；

2)针对特高压直流所连接的交流电网，分别根据发电机的次同步电抗计算发电机节点的内电势，形成收缩到发电机内电势节点和闭锁直流系统交流侧母线的降阶导纳矩阵，并计算发电机节点的注入功率；

3)针对特高压直流所连接的交流电网，将直流闭锁故障导致的功率缺额ΔP_DC按同步功率系数分摊到各发电机节点，根据故障瞬间各发电机节点和负荷节点的有功注入进行潮流计算，统计稳定断面的有功潮流；同步功率系数计算如下，

其中，P_S,ik为同步功率系数，E_i为发电机节点i的内电势，

为直流系统交流侧母线k_S的电压，

为发电机节点i和直流系统交流侧母线k_S间的互导纳的虚部，

为发电机节点i内电势和交流侧母线k_S电压的相位差；

4)针对特高压直流所连接的交流电网，根据安控系统的控制策略和运行状态，以及电网运行方式的实时信息，确定当前运行方式下针对故障的当值措施，计算出各交流电网因直流闭锁故障和当值措施实施所引起的总有功不平衡量ΔP_dis；

5)根据各发电机节点的调频参数和负荷节点的有功静态频率特性系数，计算当值措施和发电机节点一次调频动作后，发电机节点和负荷节点的有功以及系统频率偏差Δf_dis，并通过潮流计算统计故障后过渡到稳态时稳定断面的有功潮流；

6)根据系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC，计算系统频率恢复至额定值的总时间T_AGC；

7)按给定的时间间隔ΔT，分别计算二次调频动作后zΔT时刻发电机节点和负荷节点的有功，通过潮流计算统计zΔT时刻稳定断面的有功潮流；

8)将各阶段计算得到的断面有功潮流与稳定限额进行比较，确定有功潮流大于稳定限额的时段。

2.根据权利要求1所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，发电机节点的注入功率计算如下：

其中，P_i为发电机节点i的注入功率，N_G为交流电网S中的发电机节点个数，E_i和E_j分别为发电机节点i和j的内电势，G_ij和B_ij分别为发电机节点i和j间的互导纳的实部和虚部，θ_ij为发电机节点i和节点j内电势的相位差，

和

分别为发电机节点i和直流系统交流侧母线k_S间的互导纳的实部和虚部。

3.根据权利要求1所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述步骤4)中，安控系统的控制策略是指切机和切负荷措施，以检测到特高压直流闭锁故障为安控系统的启动判据；所述当值措施是指安控系统的动作，包括切机和切负荷。

4.根据权利要求1所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述总有功不平衡量ΔP_dis计算如下：

ΔP_dis＝ΔP_DC+ΔP_SC (3)

其中，ΔP_SC为安控系统当值措施引起的有功不平衡量。

5.根据权利要求2所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述步骤5)中，故障后过渡到稳态时稳定断面的有功潮流计算如下：

5-1)计算各发电机节点一次调频限幅对应的频率变化量；

其中，Δf_i为发电机节点i一次调频限幅对应的频率变化量，

和

分别为发电机节点i的最大输出机械功率、故障前有功出力、一次调频负荷限幅和调差系数；

5-2)将各发电机节点的频率变化量按|Δf_i|由小到大排序，排序后满足：|Δf_i-1|≤|Δf_i|

置执行次数k＝1，ΔP_S＝0，其中，ΔP_S表示执行第k次时，参与一次调频的发电机组分摊的不平衡功率；

5-3)计算发电机节点k,…N_G参与一次调频时系统的调频系数；

其中，

为发电机节点k参与一次调频时的调频系数，

为发电机节点p的调差系数，

为负荷节点j的有功静态频率特性系数，N_S为负荷节点个数；

5-4)计算频率变化量由Δf_k-1变化到Δf_k，机组k,…N_G的出力变化量

更新

5-5)如果ΔP_S＜ΔP_dis，则置k＝k+1，返回步骤5-3)；否则，计算系统有功不平衡量ΔP_dis对应的频率偏差Δf_dis：

5-6)计算系统频率偏差从0变化到Δf_dis时各发电机节点和负荷节点分摊的功率：

如果Δf_dis＜Δf_i，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机节点和负荷节点的无功。

6.根据权利要求5所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述步骤6)中，系统频率恢复至额定值的总时间的计算过程为：

6-1)计算系统频率恢复至额定值时的发电机节点有功总调节量ΔP_AGC：

6-2)计算各发电机节点旋转备用调节完对应的时间Δt_i；

其中，Δt_i为发电机节点i旋转备用调节完对应的时间，

和

分别为发电机节点i的旋转备用和爬坡率；

6-3)将各发电机节点按Δt_i由小到大排序，排序后满足：|Δt_i-1|≤|Δt_i|，i＝2，…，N_G，置执行次数k＝1，ΔP_A＝0，其中，ΔP_A表示执行第k次时，已经分摊的不平衡功率；

6-4)计算由Δt_i-1时刻变化到Δt_i时刻对应的有功调整量

更新

其中，

为发电机节点p的爬坡率；

6-5)如果ΔP_A＜ΔP_AGC，则置k＝k+1，返回步骤3)；否则，计算系统频率恢复至额定值的总时间ΔT_AGC为：

7.根据权利要求6所述的特高压直流闭锁故障后稳定断面有功的计算方法，其特征在于，所述步骤7)中，二次调频动作，稳定断面的有功潮流的计算如下：

如果Δt_i≥zΔT，则发电机节点i分摊的功率为：

否则，发电机节点i分摊的功率为：

负荷节点j分摊的功率为：

其中，Δf_sys为系统频率：

对于PQ节点，分别按照初始情况下的功率因数确定发电机和负荷的无功。

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