CN110137943B - 基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法及装置。方法的具体步骤如下：根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型；将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；若数值小于1，则电力系统失去稳定。与现有技术相比，本发明考虑了同步机及其励磁电压控制动态特性影响，建立新的广义运行短路比模型使得对电力系统稳定的判断更加精确，同时，功率电压灵敏因子的维度低，使得模型的计算量减小，运行速度更快。

Description

基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统在线监测与控制，尤其是涉及一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法及装置。
背景技术
在电力系统的正常工作中，随着直流输电容量逐渐增加，受端交流系统强度相对变弱；当交流系统发生短路等故障时，直流系统会发生闭锁，并且发生潮流转移，导致送端系统交流薄弱点发生电压失稳，即系统失去稳定性。当切除故障后，在直流功率逐渐恢复，即系统恢复稳定的过程中，如果此时受端交流系统电压支撑能力不足，不能及时提供充足的动态无功，就会引起直流功率恢复的振荡和迟滞，导致直流系统再次闭锁，即再次失去稳定性，危害系统的安全运行。
如中国发明专利CN109066656A公开了一种基于单馈入广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，该方法通过引入功率灵敏因子建立单馈入广义运行短路比模型对电力系统稳定性进行判断，但是仍然存在以下问题：1、功率灵敏因子的维度较高，计算过程复杂，影响系统的判断速度。2、上述方法将受端交流系统电压源以恒定电压源处理。但是，在实际单馈入系统中，同步机及其励磁电压控制动态特性对于换流母线电压是有很大影响的，同时也影响着电网换相换流器(line commutated converter based high voltagedirect current，LCC-HVDC)的稳定运行，因此获得的判断结果会偏大，造成判断电力系统稳定其实还未稳定的情况，对稳定性判断的精确性还有待提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
1.一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型；
将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定；
所述的单馈入广义运行短路比GOSCR模型为：
Figure BDA0002038605100000021
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为运行系数。
进一步地，所述的运行系数K的表达式为：
Figure BDA0002038605100000022
其中，Pcs为从换流母线流出的有功功率，Qcs为从换流母线流出的无功功率，Qsc为从同步机节点母线流出的无功功率，A为同步机有功功角系数，B为同步机无功功角系数，Pt为同步机注入到同步节点母线的有功功率，Qt为同步机注入到同步节点母线的无功功率。
进一步地，A的表达式为：
Figure BDA0002038605100000023
B的表达式为：
Figure BDA0002038605100000024
上述A和B的表达式中，Et为同步机节点母线电压，Pd为直流功率，U为换流母线电压，Pl为感应电动机负荷的有功功率，Ql为感应电动机负荷的无功功率。
进一步地，所述GOSCR模型的生成方式为：
S1、基于单馈入系统建立雅克比矩阵；
S2、在矩阵模型中引入功率电压灵敏因子PVF，生成最终模型。
进一步地，所述的雅克比矩阵表达式为：
Figure BDA0002038605100000031
其中，JPcEt、
Figure BDA0002038605100000037
JPcU、JPcδ、JPsEt、
Figure BDA0002038605100000038
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA0002038605100000039
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA0002038605100000035
JQcU、JQcδ、JQsEt、
Figure BDA0002038605100000034
JQsU和JQsδ分别是ΔPc、ΔPs、ΔQc、ΔQs对状态变量Et、
Figure BDA0002038605100000036
U、δ的偏导。ΔPc、ΔQc、ΔPs、ΔQs分别表示换流母线处有功无功变化量以及同步机机端处有功无功变化量。
进一步地，所述的功率电压灵敏因子PVF的表达式为：
Figure BDA0002038605100000032
一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断装置，包括：
采集模块，用于获取电力系统中的潮流信息；
数据处理模块，用于根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型，并且将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则输出电力系统处于稳定状态的结果；
若数值等于1，则输出电力系统处于临界稳定状态的结果；
若数值小于1，则输出电力系统失去稳定的结果；
所述的单馈入广义运行短路比GOSCR模型为：
Figure BDA0002038605100000033
其中，U为换流母线实际电压，Z为交流系统的戴维南等值阻抗，K为运行系数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过引入功率电压灵敏因子，考虑了同步机及其励磁电压控制动态特性影响，建立新的广义运行短路比模型使得对电力系统稳定的判断更加精确，同时，功率电压灵敏因子的维度低，使得模型的计算量减小，运行速度更快，能够更好的支持对电力系统稳定性的实时判断，实际应用于电力系统规划、设计、运行过程等各个阶段，确保系统安全稳定运行。
2、本发明通过广义运行短路比模型可以有效评估实际单馈入系统的静态电压稳定性。由于该指标的参数是采用系统中实时的潮流信息，因此可以实时评估实际单馈入系统的静态电压稳定性。
附图说明
图1为本发明的判断流程示意图。
图2为单馈入系统模型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型；
将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定；
单馈入广义运行短路比GOSCR模型的生成方式为：首先基于单馈入系统潮流雅克比矩阵，在小扰动假设下，得到功率灵敏电压因子，由功率电压灵敏等于0时确定广义短路比的阈值为恒定值1，最后建立广义短路比模型定义式。具体采取的实施方法如下：
一、基于如图2所示的单馈入系统模型建立雅克比矩阵。
其中，
Figure BDA0002038605100000041
U∠δ、Z、XT、τ、γ、μ、β和bc分别为同步机节点母线电压(Et表示同步机机端电压幅值，
Figure BDA0002038605100000042
表示同步机机端电压相角)、换流母线电压(U表示换流母线电压幅值，δ表示换流母线电压相角)、受端交流系统等值阻抗、换流变压器阻抗、换流变压器变比、换流站熄弧角、换相重叠角、超前触发角和换流站内无功补偿设备导纳；Pcs和Qcs分别为从换流母线流出的有功、无功功率；Psc和Qsc分别为从同步机节点母线流出的有功、无功功率；Pl和Ql分别为感应电动机负荷的有功、无功；Pt和Qt分别为同步机注入到同步节点母线的有功、无功。
Figure BDA0002038605100000051
JPcEt、
Figure BDA0002038605100000052
JPcU、JPcδ、JPsEt、
Figure BDA0002038605100000053
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA0002038605100000054
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA0002038605100000055
JQcU、JQcδ、JQsEt、
Figure BDA0002038605100000056
JQsU和JQsδ分别是ΔPc、ΔPs、ΔQc、ΔQs对状态变量Et、
Figure BDA0002038605100000057
U、δ的偏导。ΔPc、ΔQc、ΔPs、ΔQs分别表示换流母线处有功无功变化量以及同步机机端处有功无功变化量。
二、假设ΔPs＝ΔQc＝ΔQs＝0，推导出功率电压灵敏因子，如式(2)所示。
Figure BDA0002038605100000058
JPcEt、
Figure BDA0002038605100000059
JPcU、JPcδ、JPsEt、
Figure BDA00020386051000000510
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA00020386051000000511
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure BDA00020386051000000512
JQcU、JQcδ、JQsEt、
Figure BDA00020386051000000513
JQsU和JQsδ的表达是如式(3)～(18)所示。
JPcEt＝Pcs (3)
Figure BDA00020386051000000514
Figure BDA00020386051000000515
Figure BDA00020386051000000516
Figure BDA00020386051000000517
Figure BDA00020386051000000518
JPsU＝Psc (9)
Figure BDA00020386051000000519
Figure BDA00020386051000000520
Figure BDA00020386051000000521
Figure BDA00020386051000000522
JQcδ＝Pcs (14)
Figure BDA0002038605100000061
Figure BDA0002038605100000062
Figure BDA0002038605100000063
JQsδ＝-Psc (18)
其中，Pt、Qt对Et、
Figure BDA0002038605100000064
的偏导如下式所示：
Figure BDA0002038605100000065
其中，同步机极端电流It对
Figure BDA0002038605100000066
Figure BDA0002038605100000067
Figure BDA0002038605100000068
其中，Ed0、Ed1、Eq0、Eq1、Pd0、Pd1、Pq0、Pq1的表达式如式(22)～(29)。
Figure BDA0002038605100000069
Figure BDA00020386051000000610
Figure BDA00020386051000000611
Figure BDA00020386051000000612
Figure BDA00020386051000000613
Figure BDA00020386051000000614
Figure BDA0002038605100000071
Figure BDA0002038605100000072
其中，xd、xq分别为同步机的电枢反应d轴、q轴感抗；xd”、xq”分别为同步机次暂态感抗d轴、q轴分量；id、iq分别为极端电流It的d轴、q轴分量；Ed、Eq分别为机端电压Et的d轴、q轴分量；id、iq、Ed和Eq的表达式如式(30)～(33)所示。
Figure BDA0002038605100000073
Figure BDA0002038605100000074
Ed＝Etsinδ'(32)
Eq＝Etcosδ'(33)
K、Kdq为阻抗系数、dq轴分量系数，其各自表达式如式(34)～(35)所示。
Figure BDA0002038605100000075
Figure BDA0002038605100000076
其中，xl为漏感。
Se、Se”为转子磁饱和系数、Se对Et的偏导，各自表达式为
Figure BDA0002038605100000077
Figure BDA0002038605100000078
ce0＝Se(1)(38)
Figure BDA0002038605100000079
δ对于
Figure BDA00020386051000000710
偏导如下式所示
Figure BDA00020386051000000711
Pl、Ql对Et的偏导如式(41)、(42)所示
Figure BDA00020386051000000712
Figure BDA00020386051000000713
将雅克比矩阵元素的表达式代入式(3)～(18)进行整理得到：
Figure BDA0002038605100000081
其中，A和B的表达式分别为
Figure BDA0002038605100000082
Figure BDA0002038605100000083
三、根据功率电压灵敏因子建立广义运行短路比模型
整理表达式(43)得到：
Figure BDA0002038605100000084
假设电力系统处于临界稳定状态，可得到PVF的值为零，此时可以得到：
Figure BDA0002038605100000085
Figure BDA0002038605100000086
因此，可以定义广义运行短路比模型为：
Figure BDA0002038605100000087
其中，K为运行系数，其表达式为：
Figure BDA0002038605100000091
将式(47)带入式(46)得到：
Figure BDA0002038605100000092
可知广义运行短路比GOSCR的临界值为1。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，具体步骤如下：
根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型；
将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则电力系统处于稳定状态；
若数值等于1，则电力系统处于临界稳定状态；
若数值小于1，则电力系统失去稳定；
所述的广义运行短路比GOSCR模型为：
Figure FDA0002576929130000011
其中，U为换流母线电压，Z为受端交流系统等值阻抗，K为运行系数；
所述的运行系数K的表达式为：
Figure FDA0002576929130000012
其中，Pcs为从换流母线流出的有功功率，Qcs为从换流母线流出的无功功率，Qsc为从同步机节点母线流出的无功功率，A为同步机有功功角系数，B为同步机无功功角系数，Pt为同步机注入到同步节点母线的有功功率，Qt为同步机注入到同步节点母线的无功功率；
Figure FDA0002576929130000014
表示同步机机端电压相角。
2.根据权利要求1所述的基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，A的表达式为：
Figure FDA0002576929130000013
B的表达式为：
Figure FDA0002576929130000021
上述A和B的表达式中，Et为同步机节点母线电压，Pd为直流功率，U为换流母线电压，Pl为感应电动机负荷的有功功率，Ql为感应电动机负荷的无功功率。
3.根据权利要求1所述的基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述GOSCR模型的生成方式为：
S1、基于单馈入系统建立雅克比矩阵；
S2、在矩阵模型中引入功率电压灵敏因子PVF，生成最终模型。
4.根据权利要求3所述的基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的雅克比矩阵表达式为：
Figure FDA0002576929130000022
其中，JPcEt、
Figure FDA0002576929130000024
JPcU、JPcδ、JPsEt、
Figure FDA0002576929130000026
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure FDA0002576929130000027
JPsU、JPsδ、JQcEt、
Figure FDA0002576929130000028
JQcU、JQcδ、JQsEt、
Figure FDA0002576929130000029
JQsU和JQsδ分别是△Pc、△Ps、△Qc、△Qs对状态变量Et、
Figure FDA0002576929130000025
U、δ的偏导，△Pc、△Qc、△Ps、△Qs分别表示换流母线处有功无功变化量以及同步机机端处有功无功变化量。
5.根据权利要求4所述的基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断方法，其特征在于，所述的功率电压灵敏因子PVF的表达式为：
Figure FDA0002576929130000023
6.一种基于广义运行短路比的电力系统稳定性判断装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于获取电力系统中的潮流信息；
数据处理模块，用于根据电力系统中的潮流信息输入广义运行短路比GOSCR模型，并且将GOSCR模型的输出数值和数值1进行比较；
若数值大于1，则输出电力系统处于稳定状态的结果；
若数值等于1，则输出电力系统处于临界稳定状态的结果；
若数值小于1，则输出电力系统失去稳定的结果；
所述的广义运行短路比GOSCR模型为：
Figure FDA0002576929130000031
其中，U为换流母线实际电压，Z为交流系统的戴维南等值阻抗，K为运行系数；
所述的运行系数K的表达式为：
Figure FDA0002576929130000032
其中，Pcs为从换流母线流出的有功功率，Qcs为从换流母线流出的无功功率，Qsc为从同步机节点母线流出的无功功率，A为同步机有功功角系数，B为同步机无功功角系数，Pt为同步机注入到同步节点母线的有功功率，Qt为同步机注入到同步节点母线的无功功率；
Figure FDA0002576929130000033
表示同步机机端电压相角。
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