CN109449956B - 基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、确定系统潜在的运行拓扑结构，并根据潮流计算结果筛选重载线路、变电站、大功率节点，形成预想事故集；步骤2、遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；步骤3、建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程，确定事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间的多场景集；步骤4、在每个评估场景下，计算每一种潜在大扰动事故的动态安全域；步骤5、根据系统当前运行点所处动态安全域的位置，确定扰动发生后的安稳控制措施。本发明能辅助特大型城市电网调度人员快速制定大扰动后所应采取的安稳控制措施。

Description

基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法

技术领域

本发明属于电网安全调度技术领域，涉及电网安稳控制措施快速制定辅助方法，尤其是一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法。

背景技术

特大型城市电网是重要的负荷中心，一旦发生大范围的、不可控的停电事故将造成重大的损失，该类负荷中心一般建设有比较充足的电源或者区外联络容量，发生以上潜在事故的诱因往往是系统内发生大扰动后，系统的稳定性遭到破坏。此外，随着特高压线路的建设、可再生能源发电的大力发展、环保要求的提高等新因素的引入，特大型城市电网在未来运行中很可能存在新的运行方式，面临新的风险要素。面对以上风险问题，不断加强三道防线尤其是第三道防线的建设，配套和完善各种稳控装置和安全自动装置，防止事故的连锁反应，可有效避免大停电事故。特大型城市电网一旦发生大扰动事故，需要及时采取安全稳定控制措施，这一动作一般是通过安全自动装置实现的，包括切除故障线路、切除失稳机组、切除部分负荷、主动解列电网等。当扰动的严重程度不同时，需要采取不同的安稳措施，欠操作和过操作都是不允许的，前者不能把系统拉回新的稳定运行点，后者将造成不必要的停电损失，而以上措施不仅同事故类型有关，同系统事故发生前的系统状态、事故切除时间以及安稳控制措施的实施时间也直接相关，因此安稳措施的制定具有准确性和快速性的要求。

不过，对于特大型城市电网，影响系统运行稳定性的大扰动的类型和数目一般较少，通过遴选关键断面、临界线路再结合暂态稳定评估，可以有效核实需要重点防御的系统风险事故，比如：(a)特高压变电站/换流站的突然故障，导致瞬间巨大的功率缺额；(b)多个大容量光伏电站同时受云层的遮挡，有功出力大幅度波动；(c)枢纽变电站突然发生故障，大容量变压器退出运行；(d)骨干网架的重载线路发生短路故障，潮流大范围转移等。因此，可针对为数不多的大扰动，有针对性地拟定安稳控制措施。

已有研究对系统暂态稳定性的判断往往采用数值积分的方法，即在给定的系统运行点对特定的故障/故障集开展仿真，并根据仿真结果来判断系统是否失稳。基于该思路只能对有限个离散的系统运行点拟定安稳控制措施，以希冀在预想事故发生时刻可对运行调度人员制定安全稳定措施提供有效启迪。这类方法存在严重的缺陷：1)特大型城市电网的节点数较多，各节点的功率注入并不是成比例变化，甚至变化的方向都存在差异，通过有限的系统运行离散点难以模拟事故发生后的所有状态，这进而影响了系统调度人员对所拟定的安全稳定控制措施的信任程度，不利于安稳控制措施的果断制定；2)基于有限离散点的模拟难以给系统调度人员以直观的安稳控制措施合理性判断，难以满足在线应用要求，即这类方法会影响安稳控制措施的制定速度，而安稳控制措施的实施速度直接影响能否把系统重新拉回稳定运行点。鉴于已有研究的上述不足，亟需提出一种辅助特大型城市电网大扰动后安稳控制措施快速制定的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、快速简洁、能够满足在线应用要求且能够给调度人员提供确切的稳定性信息的基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，包括以下步骤：

步骤1、根据特大型城市电网未来的可能运行方式和大运行方式下的系统潮流断面，确定系统潜在的运行拓扑结构，对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，并根据潮流计算结果筛选重载线路、变电站、大功率节点，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集；

步骤2、遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

步骤3、建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程，确定事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间的多场景集；

步骤4、在每个评估场景下，计算每一种潜在大扰动事故的动态安全域；

步骤5、根据系统当前运行点所处动态安全域的位置，确定扰动发生后的安稳控制措施。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，其中潮流计算的时间断面选择系统的峰值负荷日、风光大发时刻：

式中，ΔP＝ΔP(θ，U)和ΔQ＝ΔQ(θ，U)为节点不平衡有功和无功功率向量；θ和U表示网络节点相角向量和节点电压幅值向量，ΔP和ΔQ是θ和U的函数；H、N、M、L为实系数雅克比子阵；Δθ、ΔU为各节点电压相角和电压幅值修正量；

(2)根据潮流计算结果，把负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路和变电站为潜在的三相短路元素；

(3)补充潜在重要节点、元件，主要包括大容量机组、风光机组集中并网点、大容量变电站，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集。

而且，所述步骤2的具体步骤方法为：通过大运行方式下的系统预想故障扫描实现遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

其中，系统预想故障为步骤1中所确定的重要节点、元件，以及典型的二重故障。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程：

0＝g₁(x，y)

式中：x为系统状态变量，包括平衡节点外所有发电机节点的功角、角速度和内电势；y为系统代数变量，包括平衡节点外所有发电机节点的交直流电流、负荷节点和联络节点的电压幅值与相角；f₁——为事故前系统发电机节点的动态方程；g₁为事故前系统网络静态方程。

(2)根据典型的事故切除时间，对步骤3第(1)步中系统微分代数方程所示的系统模型开展暂态稳定校验；

(3)由事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间生成暂态稳定性评估的多场景集；

而且，所述步骤4的具体步骤包括：

(1)对每一种大扰动事故和每一个评估场景，计算扩展实用动态安全域，安全域的计算方法为常规的算法，其安全域计算公式如下式所示：

Ω_d(i,j,τ,T,e):＝{z|X_e(z)∈A(z,e)}∩W₁

式中，Ω_d为扩展实用动态安全域；i为事故前的网络结构；j为事故后的网络结构；τ为事故持续时长；T为安稳控制措施的投入时间；E为安稳控制措施类型；X(z)为事故清除瞬间的状态；A(z,e)为考虑安稳控制措施e后事故后状态空间上环绕注入z所决定的平衡点的暂态稳定域；W₁——为由发、变电设备容量所决定的各节点注入功率上下限的约束集合。

(2)将所求得动态安全域的边界，利用超平面公式表示：

式中，α_i为动态安全域超平面系数；P_i为功率注入空间上，保证暂态稳定的临界有功注入；

(3)动态安全域可由描述各节点注入功率上、下限的垂直于坐标轴的超平面和描述暂态稳定性临界点的超平面围成；

(4)计算出动态安全域后，将某一注入代入步骤4第(2)步的超平面公式左边并判断其结果是大于1还是小于1即可确定系统安全与否。

而且，所述步骤5的具体步骤包括：

(1)选择对应扰动事故类型的安全域集合；

(2)根据系统中扰动事故的预期切除时间，确定参数τ；

(3)根据系统安稳控制措施的预期投入时间，确定参数T；

(4)在暂态稳定性评估场景集中找到第1个非空的动态安全域，其所对应的安稳控制措施，即为系统需要采取的成本最小的安稳控制措施。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明以特大型城市电网面临的大扰动风险为分析对象，首先，针对每一种大扰动，以事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间为评估条件，把评估条件作为多场景分析集，然后，生成每种场景下的超平面形式的动态安全域，该域可通过离线计算得到，其作用是可向运行调度人员在线提供系统暂态稳定性信息，最后，通过分析当前系统运行点处于哪一个多场景分析集下的安全域内，即可快速判断所应该选取的安全稳定措施。由于动态安全域为事故前节点注入空间上的运行点的集合，因此结合动态安全域的超平面描述方法，可实现在线应用，在线判断时计算量很小，并为系统调度人员最终确定安稳控制措施提供直接的信息支撑，具有较好的工程应用价值。

2、本发明过引入动态安全域，可以满足安稳控制措施制定时所要求的准确性和快速性要求，从而辅助特大型城市电网调度人员快速制定大扰动后所应采取的安稳控制措施。

附图说明

图1为本发明的处理流程图。

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：

一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、根据特大型城市电网未来的可能运行方式和大运行方式下的系统潮流断面，确定系统潜在的运行拓扑结构，对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，并根据潮流计算结果筛选重载线路、变电站、大功率节点，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，其中潮流计算的时间断面选择系统的峰值负荷日、风光大发时刻等：

式中，ΔP＝ΔP(θ，U)和ΔQ＝ΔQ(θ，U)为节点不平衡有功和无功功率向量，它们是节点电压幅值和相角的函数；H、N、M、L为实系数雅克比子阵；Δθ、ΔU为各节点电压相角和电压幅值修正量；

(2)根据潮流计算结果，把负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路和变电站为潜在的三相短路元素；

(3)补充潜在重要节点、元件，主要包括大容量机组、风光机组集中并网点、大容量变电站(尤其是特高压变电站)等，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集。

步骤2、遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

所述步骤2的具体步骤方法为：通过大运行方式下的系统预想故障扫描实现遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

其中，系统预想故障为步骤1中所确定的重要节点、元件，以及典型的二重故障。

步骤3、建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程，确定事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间的多场景集；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程：

0＝g₁(x，y) (式1-2)

式中：x为系统状态变量，包括平衡节点外所有发电机节点的功角、角速度和内电势；y为系统代数变量，包括平衡节点外所有发电机节点的交直流电流、负荷节点和联络节点的电压幅值与相角；f₁——为事故前系统发电机节点的动态方程；g₁为事故前系统网络静态方程。

(2)根据典型的事故切除时间，对步骤3第(1)步中系统微分代数方程所示的系统模型开展暂态稳定校验；

注意该校验过程中只切除事故，不采用安稳措施，以获得较多的失稳大扰动事故。

(3)由事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间生成暂态稳定性评估的多场景集；

在本实施例中，以特高压变电站/换流站发生短路故障为例，说明多评估场景集的制定方法，生成如表1所示的多场景集；

需要指出的是，按照序号的递增顺序，安稳控制措施的成本逐渐增加。

表1多场景集列表示例

注：T表示该措施的投入时间

步骤4、在每个评估场景下，计算每一种潜在大扰动事故的动态安全域；

所述步骤4的具体步骤包括：

(1)对每一种大扰动事故和每一个评估场景，计算扩展实用动态安全域，安全域的计算方法为常规的算法，其安全域计算公式如下式所示：

Ω_d(i,j,τ,T,e):＝{z|X_e(z)∈A(z,e)}∩W₁ (式1-3)

式中，Ω_d为扩展实用动态安全域；i为事故前的网络结构；j为事故后的网络结构；τ为事故持续时长；T为安稳控制措施的投入时间；E为安稳控制措施类型；X(z)为事故清除瞬间的状态；A(z,e)为考虑安稳控制措施e后事故后状态空间上环绕注入z所决定的平衡点的暂态稳定域；W₁——为由发、变电设备容量所决定的各节点注入功率上下限的约束集合。

(2)将所求得动态安全域的边界，利用超平面公式表示：

式中，α_i为动态安全域超平面系数；P_i为功率注入空间上，保证暂态稳定的临界有功注入；

(3)动态安全域可由描述各节点注入功率上、下限的垂直于坐标轴的超平面和描述暂态稳定性临界点的超平面围成。

(4)计算出动态安全域后，相应的动态安全分析工作就非常简单了，只需将某一注入代入步骤4第(2)步的超平面公式左边并判断其结果是大于1还是小于1即可确定系统安全与否。

步骤5、根据系统当前运行点所处动态安全域的位置，确定扰动发生后的安稳控制措施。

在得到步骤4中的动态安全域之后，通过以下逻辑即可快速确定安稳控制措施。

所述步骤5的具体步骤包括：

(1)选择对应扰动事故类型的安全域集合；

(2)根据系统中扰动事故的预期切除时间，确定参数τ；

(3)根据系统安稳控制措施的预期投入时间，确定参数T；

(4)按照表1中序号的顺序，找到第1个非空的动态安全域，其所对应的安稳控制措施，即为系统需要采取的成本最小的安稳控制措施。

通过以上步骤即可快速确定特大型城市电网发生大扰动后的安全稳定控制措施。

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 (5)

1.一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据特大型城市电网未来的可能运行方式和大运行方式下的系统潮流断面，确定系统潜在的运行拓扑结构，对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，并根据潮流计算结果筛选重载线路、变电站、大功率节点，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集；

步骤2、遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

步骤3、建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程，确定事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间的多场景集；

步骤4、在每个评估场景下，计算每一种潜在大扰动事故的动态安全域；

步骤5、根据系统当前运行点所处动态安全域的位置，确定扰动发生后的安稳控制措施；

所述步骤4的具体步骤包括：

(1)对每一种大扰动事故和每一个评估场景，计算扩展实用动态安全域，安全域的计算方法为常规的算法，其安全域计算公式如下式所示：

Ω_d(i,j,τ,T,e):＝{z|X_e(z)∈A(z,e)}∩W₁

式中，Ω_d为扩展实用动态安全域；i为事故前的网络结构；j为事故后的网络结构；τ为事故持续时长；T为安稳控制措施的投入时间；e为安稳控制措施；A(z,e)为考虑安稳控制措施e后事故后状态空间上环绕注入z所决定的平衡点的暂态稳定域；W₁——为由发、变电设备容量所决定的各节点注入功率上下限的约束集合；

(2)将所求得动态安全域的边界，利用超平面公式表示：

式中，α_i为动态安全域超平面系数；P_i为功率注入空间上，保证暂态稳定的临界有功注入；

(3)动态安全域可由描述各节点注入功率上、下限的垂直于坐标轴的超平面和描述暂态稳定性临界点的超平面围成；

(4)计算出动态安全域后，将某一注入代入步骤4第(2)步的超平面公式左边并判断其结果是大于1还是小于1即可确定系统安全与否。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)对每种潜在运行方式开展系统正常运行情况下的潮流计算，其中潮流计算的时间断面选择系统的峰值负荷日、风光大发时刻：

式中，ΔP＝ΔP(θ，U)和ΔQ＝ΔQ(θ，U)为节点不平衡有功和无功功率向量，它们是节点电压幅值和相角的函数；H、N、M、L为实系数雅克比子阵；Δθ、ΔU为各节点电压相角和电压幅值修正量；

(2)根据潮流计算结果，把负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路和变电站为潜在的三相短路元素；

(3)补充潜在重要节点、元件，主要包括大容量机组、风光机组集中并网点、大容量变电站，形成包括关键节点和临界线路集的预想事故集。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤方法为：通过大运行方式下的系统预想故障扫描实现遴选关键节点、临界线路，形成重大扰动事故集；

其中，系统预想故障为步骤1中所确定的重要节点、元件，以及典型的二重故障。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：

(1)建立电网潜在运行方式下的系统微分代数方程：

0＝g₁(x，y)

式中：x为系统状态变量，包括平衡节点外所有发电机节点的功角、角速度和内电势；y为系统代数变量，包括平衡节点外所有发电机节点的交直流电流、负荷节点和联络节点的电压幅值与相角；f₁——为事故前系统发电机节点的动态方程；g₁为事故前系统网络静态方程；

(2)根据典型的事故切除时间，对步骤3第(1)步中系统微分代数方程所示的系统模型开展暂态稳定校验；

(3)由事故切除时间、安稳控制措施类型和投入时间生成暂态稳定性评估的多场景集。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态安全域的特大型城市电网安稳措施制定辅助方法，其特征在于：所述步骤5的具体步骤包括：

(1)选择对应扰动事故类型的安全域集合；

(2)根据系统中扰动事故的预期切除时间，确定参数τ；

(3)根据系统安稳控制措施的预期投入时间，确定参数T；

(4)在暂态稳定性评估场景集中找到第1个非空的动态安全域，其所对应的安稳控制措施，即为系统需要采取的成本最小的安稳控制措施。

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