CN109462229A - 基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法 - 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暂态稳定快速评估方法，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方式下的系统数据，形成系统微分代数方程；步骤2、根据大运行方式下的系统潮流断面，筛选重载线路、变电站，并补充大功率节点，求解故障前平衡点并形成大扰动预想事故集；步骤3、生成暂态稳定性评估场景集后编号评估场景并启动动态安全域评估；步骤4、确定针对预想事故的应对措施和故障反应时间，搜素暂态稳定临界平衡点，并计算每一种暂态稳定性评估场景的动态安全域；步骤5、评估系统在预想事故发生后的电网暂态稳定性并计算稳定裕度。本发明能够缩短系统暂态稳定性的评估时间，且能够给出稳定裕度。

Description

基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法

技术领域

本发明属于电网暂态稳定裕度评估技术领域，涉及电网暂态稳定裕度快速评估方法，尤其是一种基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法。

背景技术

电网的安全稳定问题仍然是电力生产运行的首要问题，任何时候不能掉以轻心。三道防线是确保我国电网安全稳定运行的成功经验，不断加强三道防线的建设，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，防止主设备严重损坏，有效避免大停电事故，保证国家安全、社会稳定及国民经济的快速发展。特大型城市电网是最为重要的负荷中心，在未来运行中可能存在新的运行方式或即将引入的新要素，比如：(a)伴随着特高压交流输变电工程的投入运行，特高压变电站将逐步向城市电网注入很大的功率；(b)风电基地向特大型城市电网注入大功率的不确定性功率；(c)为了保证环境质量，越来越多的火电厂迁出市区范围，电网空心化现象突出等等，在新要素的影响下，特大型城市电网的安全稳定运行将受到极大的挑战，尤其是第三道防线，需要得到进一步加强。

针对特大型城市电网经受大扰动的状况，尤其是近几年面临的新要素，已有研究往往采用数值积分的方法，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，这类方法存在严重的缺陷：1)系统运行点改变时，需要重新开展运行仿真，这影响了系统暂态稳定性的判定速度，难以满足在线应用要求；2)虽然通过仿真可以判断系统的稳定性，但是不能给出系统稳定裕度指标，不利于系统的运行调度人员及时采取恰当的控制措施；3)虽然基于历史运行经验，能够对系统的暂态稳定做出判断并提供预防控制或校正控制措施，但是大容量功率(比如特高压变电站)的注入等新要素下，运行经验将难以发挥作用。鉴于已有研究的上述不足，亟需提出一种快速判定特大型城市电网暂态稳定性并给出稳定裕度的方法。

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、快捷简便、具有推广应用价值且能够满足运行调度需求的基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法。

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暂态稳定快速评估方法，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，确定系统潜在的运行方式下的系统数据，形成电网潜在运行方式下的系统微分代数方程；

步骤2、根据大运行方式下的系统潮流断面，筛选重载线路、变电站，并补充大功率节点，求解故障前平衡点并形成大扰动预想事故集；

步骤3、排列组合电网的潜在运行方式和预想事故，生成暂态稳定性评估场景集后编号评估场景，并启动动态安全域评估；

步骤4、根据安全稳定导则和电网的实际运行经验，确定针对预想事故的应对措施和故障反应时间，搜素暂态稳定临界平衡点，并计算每一种暂态稳定性评估场景的动态安全域；

步骤5、在线评估系统在预想事故发生后的电网暂态稳定性并计算稳定裕度。

而且，所述步骤1的系统微分代数方程为：

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；

而且，所述步骤2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；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)利用牛顿拉夫逊方法求解步骤2第(1)步中方程，可得到系统潮流计算结果，即各节点的电压幅值向量U和相角向量θ，进而可计算各节点的有功功率向量P和无功功率向量Q，即为系统故障前的平衡点(x₀,y₀)，把(x₀,y₀)中负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路、变电站节点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。

而且，所述步骤3的生成暂态稳定性评估场景集的具体方法为：把系统未来的运行方式和预想事故作为暂态稳定性场景集的两个维度，并结合特大型城市电网的实际运行状况，筛选可信评估场景集，得到评估场景。

而且，所述步骤4的具体步骤包括：

(1)确定预想事故发生后的系统应对措施和反应时间；

(2)判断系统当前运行点是否满足暂态稳定性，如果满足，则该运行点作为初始运行点，如果不满足，则选择该拓扑结构下系统历史运行数据中满足暂态稳定性的运行点作为初始点，然后确定该运行方式下工程角度所关心的关键节点，以每个节点的有功功率增大方向作为临界平衡点的搜索方向，逐步做暂态稳定性校验，直至首次发现暂态稳定性破坏的点，即为该方向的临界平衡点，在确定关键节点时，可根据系统的运行经验指定，也可以人为指定部分节点或者把所有的节点均作为关键节点；

(3)根据实用动态安全域边界计算方法求解各预想事故对应的动态安全域，并得到每个预想事故对应的一组动态安全域超平面边界，超平面边界的描述公式如下式所示：

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；

(4)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。

而且，所述步骤5的具体步骤包括：

(1)将某一注入代入步骤4第(2)步中的超平面边界的描述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)借助动态安全域各超平面边界法向量，计算系统运行点到动态安全域所有超平面边界的距离，并把所有距离中的最小值作为当前系统运行点的稳定裕度：

D＝{d₁,d₂,d₃……}

k＝min(D)

式中，d_i为功率注入空间上，系统运行点到第i个超平面边界的距离；k为系统的暂态稳定裕度。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明以特大型城市电网未来的潜在运行方式为分析对象，把系统的重载线路、变压器和大功率节点作为主要的预想事故元素，针对每一种大扰动，基于既定拓扑和预想事故存在唯一动态安全域的原理，生成超平面形式的动态安全域，该域可通过离线计算得到。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，即可方便、直接地判断系统实时运行状态的暂态稳定性和稳定裕度。本发明可以大大缩短系统暂态稳定性的评估时间，且能够给出稳定裕度，尤其是针对特高压变电站/换流站在特大型城市电网下落较大功率的情况下，可实时判断系统是否存在运行风险，并为后续制定预防控制和紧急控制措施提供有效信息指导，具有较好的工程应用价值。

2、本发明通过引入动态安全域，可以有效地解决新要素新场景下特大型城市电网的安全稳定评估问题。

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暂态稳定快速评估方法，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，确定系统潜在的运行方式下的系统数据，形成电网潜在运行方式下的系统微分代数方程；

所述步骤1的系统微分代数方程为：

0＝g₁(x，y) (式1-1)

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；

该步骤中，电网所面临的新要素及新要素的数学模型是关键输入。

步骤2、根据大运行方式下的系统潮流断面，筛选重载线路、变电站，并补充大功率节点，求解故障前平衡点并形成大扰动预想事故集；

所述步骤2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；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；

(2)利用牛顿拉夫逊方法求解方程(1-2)，可得到系统潮流计算结果，即各节点的电压幅值向量U和相角向量θ，进而可计算各节点的有功功率向量P和无功功率向量Q，即为系统故障前的平衡点(x₀,y₀)，把(x₀,y₀)中负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路、变电站节点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。

步骤3、排列组合电网的潜在运行方式和预想事故，生成暂态稳定性评估场景集后编号评估场景，并启动动态安全域评估；

所述步骤3的生成暂态稳定性评估场景集的具体方法为：把系统未来的运行方式和预想事故作为暂态稳定性场景集的两个维度，并结合特大型城市电网的实际运行状况，筛选可信评估场景集，得到表1所示的评估场景。

表1评估场景集列表

至此，完成动态安全域评估场景集的制定工作，该阶段还需针对每种评估场景准备系统元件模型和仿真参数。

步骤4、根据安全稳定导则和电网的实际运行经验，确定针对预想事故的应对措施和故障反应时间，搜素暂态稳定临界平衡点，并计算每一种暂态稳定性评估场景的动态安全域；

所述步骤4的具体步骤包括：

(1)根据《电力系统安全稳定控制技术导则》和电网的安全自动控制装置配备情况，确定预想事故发生后的系统应对措施和反应时间，如表2所示。

表2预想事故应对措施及反应时间

(2)判断系统当前运行点是否满足暂态稳定性，如果满足，则该运行点作为初始运行点，如果不满足，则选择该拓扑结构下系统历史运行数据中满足暂态稳定性的运行点作为初始点，然后确定该运行方式下工程角度所关心的关键节点，以每个节点的有功功率增大方向作为临界平衡点的搜索方向，逐步做暂态稳定性校验，直至首次发现暂态稳定性破坏的点，即为该方向的临界平衡点，在确定关键节点时，可根据系统的运行经验指定，也可以人为指定部分节点或者把所有的节点均作为关键节点，临界平衡点的搜索过程已经是成熟的技术；

(3)根据实用动态安全域边界计算方法求解各预想事故对应的动态安全域，并得到每个预想事故对应的一组动态安全域超平面边界，超平面边界的描述方式如(式1-3)所示：

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。

(4)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。

步骤5、在线评估系统在预想事故发生后的电网暂态稳定性并计算稳定裕度。

所述步骤5的具体步骤包括：

(1)计算出实用动态安全域后，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(式1-3)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)借助动态安全域各超平面边界法向量，计算系统运行点到动态安全域所有超平面边界的距离，并把所有距离中的最小值作为当前系统运行点的稳定裕度：

D＝{d₁,d₂,d₃……} (式1-4)

k＝min(D) (式1-5)

式中，d_i为功率注入空间上，系统运行点到第i个超平面边界的距离；k为系统的暂态稳定裕度。

通过以上步骤即可实现特大型城市电网安全稳定性的快速评估。

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 (6)

1.一种基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法，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，确定系统潜在的运行方式下的系统数据，形成电网潜在运行方式下的系统微分代数方程；

步骤2、根据大运行方式下的系统潮流断面，筛选重载线路、变电站，并补充大功率节点，求解故障前平衡点并形成大扰动预想事故集；

步骤3、排列组合电网的潜在运行方式和预想事故，生成暂态稳定性评估场景集后编号评估场景，并启动动态安全域评估；

步骤4、根据安全稳定导则和电网的实际运行经验，确定针对预想事故的应对措施和故障反应时间，搜素暂态稳定临界平衡点，并计算每一种暂态稳定性评估场景的动态安全域；

步骤5、在线评估系统在预想事故发生后的电网暂态稳定性并计算稳定裕度。

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暂态稳定快速评估方法，其特征在于：所述步骤1的系统微分代数方程为：

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。

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暂态稳定快速评估方法，其特征在于：所述步骤2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：

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；

(2)利用牛顿拉夫逊方法求解步骤2第(1)步中方程，可得到系统潮流计算结果，即各节点的电压幅值向量U和相角向量θ，进而可计算各节点的有功功率向量P和无功功率向量Q，即为系统故障前的平衡点(x₀,y₀)，把(x₀,y₀)中负载率大于70％的线路和变电站定义为重载，筛选重载线路、变电站节点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。

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暂态稳定快速评估方法，其特征在于：所述步骤3的生成暂态稳定性评估场景集的具体方法为：把系统未来的运行方式和预想事故作为暂态稳定性场景集的两个维度，并结合特大型城市电网的实际运行状况，筛选可信评估场景集，得到评估场景。

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暂态稳定快速评估方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤包括：

(1)确定预想事故发生后的系统应对措施和反应时间；

(2)判断系统当前运行点是否满足暂态稳定性，如果满足，则该运行点作为初始运行点，如果不满足，则选择该拓扑结构下系统历史运行数据中满足暂态稳定性的运行点作为初始点，然后确定该运行方式下工程角度所关心的关键节点，以每个节点的有功功率增大方向作为临界平衡点的搜索方向，逐步做暂态稳定性校验，直至首次发现暂态稳定性破坏的点，即为该方向的临界平衡点，在确定关键节点时，可根据系统的运行经验指定，也可以人为指定部分节点或者把所有的节点均作为关键节点；

(3)根据实用动态安全域边界计算方法求解各预想事故对应的动态安全域，并得到每个预想事故对应的一组动态安全域超平面边界，超平面边界的描述公式如下式所示：

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；

(4)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。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态安全域的特大型城市电网暂态稳定快速评估方法，其特征在于：所述步骤5的具体步骤包括：

(1)将某一注入代入步骤4第(2)步中的超平面边界的描述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)借助动态安全域各超平面边界法向量，计算系统运行点到动态安全域所有超平面边界的距离，并把所有距离中的最小值作为当前系统运行点的稳定裕度：

D＝{d₁,d₂,d₃……}

k＝min(D)

式中，d_i为功率注入空间上，系统运行点到第i个超平面边界的距离；k为系统的暂态稳定裕度。