CN110417024A - 雷电气候下的电网潮流调节方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷电气候下的电网潮流调节方法，包括以下步骤：步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测；步骤2：根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象；步骤3：计算和分配各调节对象的控制量并发送至对应UPFC装置；步骤4：在雷电发生前，各UPFC装置根据接收到的控制量对对应调节量进行潮流调节；步骤5：在雷电发生后，判断可能遭受雷击的输电线路是否跳闸，若可能遭受雷击的输电线路未跳闸，则将负荷恢复至转移前的状态。本发明可以准确、快速的在雷电发生前即对电网潮流进行有效的主动调节，从而使得电网稳定性提高，减少了雷电给电网带来的负荷损失，且使用成本较低。

Description

雷电气候下的电网潮流调节方法和系统

技术领域

本发明属于电网运行和雷电防护领域，涉及一种在雷击发生前对电网潮流进行先期控制，以提升电网运行稳定性的技术。

背景技术

雷电一直是危害电网安全的重大自然因素。每年美国百分之三十以上停电事故，欧洲一半以上电网扰动及停电事故由雷电引起。在我国，沿海省份有一半以上的停电事故由雷电导致。夏季一次雷暴就可以引起一个地区级电网几百条次的供电线路跳闸，造成大量用户失电。在用电高峰日期，也可能对电网造成大范围冲击，导致大面积停电。当今全球气候变化趋势明显，极端气候增多，雷电活动比以往更加频繁剧烈，预计未来雷电对于电网的影响将会更加显著。因此，防雷仍将是未来电网需要重点解决的问题之一。

电网的雷电防护涉及多个方面，其中一个重要的研究领域是如何快速有效地控制雷暴天气下的电网潮流。目前，雷暴天气下电网所采取的主要防护和控制手段可以描述为被动防御、被动控制策略，即通过安装在电力设备和输电线路上的避雷器、避雷线等装置对电力设备和线路进行保护，降低其遭受雷击的概率；而在雷击事故发生后，则依赖大电网系统的自我调节能力，自动控制电网潮流，实现新的稳定平衡。

近年来，随着电力电子技术的发展，统一潮流控制器（UPFC）开始被应用到各个电压等级的电网中。UPFC是由串联和并联的变压器、换流器以及控制器所组成的电网控制单元，其可以根据不同的需要采用不同的运行模式。当其工作在潮流控制模式下时，可通过串联变压器向其控制的线路输出一个幅值和相位均可调节的交变电压，通过调整输出节点的电压相位和幅值实现潮流的控制。这一技术目前也被应用于雷电事故后的电网潮流控制中，从而使得潮流的控制更为灵活可靠。

但是，电网运行经验表明，目前各种雷电防护装置对于电力设备的防护效果并不理想。尤其是对于架空输电线路，由于绕击和反击现象，架设避雷线的防雷效果十分有限。而当线路因遭受雷击而跳闸后，若依靠电网自身的调节能力进行潮流的重新分配，则很可能无法达到理想的分配效果。一种可能的结果是，部分线路上的潮流变化不大，而部分线路上的潮流突然大幅上升，甚至超过线路本身的承载能力，导致线路保护动作而跳闸，事故进一步扩大化。

若使用UPFC对雷击故障后的潮流进行调节，虽然在理论上可以较好地解决潮流分布不合理的问题，但实际中受限于控制器的响应速度，在电网遭受雷击而导致线路拓扑突变时，UPFC通常无法及时对电网潮流进行合理调控，因此线路潮流分配不合理的情况可能仍然存在，给电网的稳定运行带来了巨大的隐患。

基于此，从电网实际运行经验来看，目前对于雷暴天气下的电网潮流控制并不能满足电力系统运行稳定性的要求，主要原因包括以下几个方面：

（1）静态防雷装置对于电力设备的保护并不理想，尤其是对于输电线路而言，受各种复杂地形和地质条件的影响，雷电对于输电线路的绕击和反击现象普遍存在，防雷系统并没有很好地实现其防护效果；

（2）在雷击跳闸发生后，电网会依据自身拓扑结构调整潮流分布，但这种调整是不可控的，很可能导致潮流分布不合理，造成部分线路的潮流分布过大；此外，跳闸线路原先的潮流越大，事故引起周围相关线路潮流的变化也越大，由于这种变化几乎是瞬时性的，造成的冲击也就越大。以上问题甚至可能造成周围线路的保护动作，从而扩大事故的范围；

（3）使用UPFC装置可以较为合理地对电网潮流进行调控，但其响应速度却无法满足雷击事故处理的快速和实时性要求，从而导致电网的电压和频率波动，以及供电中断等问题。

故目前电力系统所采用的静态雷击防护策略主要存在以下问题：1）对于设备，特别是输电线路的防雷成功率低；2）各种防雷装置的成本较高，且随着设备数量的增大而增大；3）雷击事故发生后的响应速度慢，带来的负荷和经济损失较大；4）缺乏有效的手段防止雷击闪络事故的进一步扩大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确、快速对电网实施潮流调节，从而提高电网稳定性，减小雷电带来的负荷损失，且成本较低的雷电气候下的电网潮流调节方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种雷电气候下的电网潮流调节方法，包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

步骤2：根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象；

步骤3：根据所述调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各所述调节对象的控制量并发送至对应所述UPFC装置；

步骤4：在雷电发生前，各所述UPFC装置根据接收到的控制量对对应所述调节量进行潮流调节，将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。

所述雷电气候下的电网潮流调节方法还包括步骤5：在雷电发生后，判断可能遭受雷击的输电线路是否跳闸，若可能遭受雷击的输电线路未跳闸，则将负荷恢复至转移前的状态。

所述UPFC装置工作在潮流控制模式下。

在进行负荷转移时，用于控制可能遭受雷击的输电线路的所述UPFC装置根据对应调节量输出相位落后于所述可能遭受雷击的输电线路上原线路电压的电压，用于控制临近线路的所述UPFC装置根据对应调节量输出相位超前于所述临近线路上原线路电压的电压。

本发明还提供一种实施上述雷电气候下的电网潮流调节方法的雷电气候下的电网潮流调节系统，其包括：

雷电探测模块，所述雷电探测模块用于对雷电进行探测；

雷电预测模块，所述雷电预测模块与所述雷电探测模块相连接并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

控制决策系统，所述控制决策系统与所述雷电预测模块相连接，用于根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象，并根据所述调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各所述调节对象的控制量并发送至对应所述UPFC装置；

若干UPFC装置，所述UPFC装置分别与所述控制决策系统相连接，并与对应输电线路相连接，用于根据接收到的控制量对对应所述调节量进行潮流调节，从而将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。

所述雷电气候下的电网潮流调节系统还包括：

地理信息系统，所述地理信息系统与所述控制决策系统相连接，用于向所述控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路时所需的地理信息。

所述雷电气候下的电网潮流调节系统还包括：

电网信息系统，所述电网信息系统与所述控制决策系统相连接，用于向所述控制决策系统提供电网信息和在所述控制决策系统的控制下更新电网信息。

所述UPFC装置包括与所述控制决策系统相连接的控制器、由所述控制器控制的并联换流器和串联换流器，所述并联换流器和所述串联换流器通过公共侧电容耦合连接，并分别通过并联变压器和串联变压器接入电网中。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可以准确、快速的在雷电发生前即对电网潮流进行有效的主动调节，从而使得电网稳定性提高，减少了雷电给电网带来的负荷损失，且使用成本较低。

附图说明

附图1为UPFC装置的原理示意图。

附图2为UPFC装置工作时的四种模式原理图。

附图3为线路遭受雷击威胁时的潮流调整示意图。

附图4为本发明的雷电气候下的电网潮流调节系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种基于统一潮流控制技术（UPFC）的雷电气候下的电网潮流调节方法，包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果。

该步骤中，对雷电进行探测通过雷电探测模块实现。对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果通过雷电预测模块实现。雷电探测模块和雷电预测模块共同构成雷电预警系统，能够发出预警信号。

本实施例中，雷电探测模块和雷电预测模块利用安装在地面的雷电传感器测量空气中的电场强度变化和雷电活动产生的电磁辐射，并基于广谱分频传感技术，结合时域微分技术对雷电活动进行时域化定量分析，从而对雷击的地点和大致的雷击时间进行预测。该项技术在先前申请的专利（申请号为201710615287.2的发明专利）中已有涉及，故在此不详细展开。

步骤2：根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象。该步骤中，根据雷电预测结果结合地理信息系统提供的地理信息和电网拓扑进行比对，找出可能受雷击影响而跳闸的输电以及与之关联的邻近线路。该步骤通过控制决策系统实现。

步骤3：根据调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各调节对象的控制量并发送至对应UPFC装置。该步骤也通过控制决策系统实现。

步骤4：在雷电发生前，雷电预测模块发出的预警信号和控制量发送到确定的调节对象对应的UPFC装置上，各UPFC装置根据接收到的控制量对对应调节量进行潮流调节，将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。

UPFC装置的原理如附图1所示，其主要包括主电路和控制单元两部分。UPFC装置的控制单元包括与控制决策系统相连接的控制器，UPFC装置的主电路包括由控制器控制的并联换流器和串联换流器，并联换流器和串联换流器通过公共侧电容耦合连接，并分别通过并联变压器和串联变压器接入电网中，实现与所控制输电线路的连接。

串联换流器通过串联变压器可向电网系统注入幅值和相位都可变的电压，通过串联叠加到UPFC所在的线路，从而实现线路电压的移相调节和串联补偿。而由于输电线路上的潮流取决于节点的电压幅值和相角，因此通过调节UPFC接入点的电压，便可以灵活地控制线路上输送的有功和无功功率。而并联换流器的主要功能则是通过并联变压器从电网吸收有功功率，并通过直流连接线将其输送给串联换流器。

附图2展示了UPFC工作时的四种模式，即电压调节、串联补偿、相角调节和潮流控制模式。在(a)所示的电压调节模式中，串联变压器的输出电压与线路电压同相或反相，此时叠加后的线路电压幅值为原幅值加上或减去串联变压器的输出电压，而相位不发生变化；(b)为串联补偿模式，补偿电压与线路电流相位相差90°；(c)为相角调节模式，此时UPFC相当于移相器，只改变线路电压的相角，而不改变其幅值；(d)为潮流控制模式，是前三种模式的结合。

显然，在进行动态防雷时UPFC应当工作在潮流控制模式下。以典型的地区环网线路为例，如附图3所示，若根据雷电预警系统的探测结果推断雷电将在短时间后导致线路A跳闸，则雷电预警系统将该告警信号同时传递给线路A、B、C上的UPFC的控制器，其中线路B、C为线路A的临近线路。并且，控制决策系统将计算出的调节量也分别对应传递给线路A、B、C上的UPFC。线路A上的UPFC控制其通过调节换流器的工作状态，使串联变压器输出相位落后于可能遭受雷击的输电线路A上原线路电压的电压，使得叠加后线路电压的幅值减小且相位滞后，从而使得线路A上的潮流减少。与此同时，线路B和线路C上的UPFC控制装置调节串联输出电压，输出相位超前于临近线路B、C上原线路电压的电压，使得叠加后线路上的电压幅值增大且相位超前，从而增加流经这两条线路的潮流，由此实现线路A上的负荷向线路B和C的转移。

由于UPFC对于潮流的控制是连续渐进的，因此这一转移过程对于电网的冲击较小。此外，UPFC在控制潮流时会考虑线路的承载能力和可用裕量，从而更加合理地在线路之间分配负荷，防止单条线路负荷过重的情况出现。因此，使用UPFC进行的负荷转移过程能够较大程度地保证电网的稳定性。

在负荷转移完成后，即便线路A因雷击而跳闸，由于其所带负荷大多已经转移，跳闸对于电网的冲击会大大减弱，防雷的目的因此得以实现。

步骤5：在雷电发生后，雷击威胁解除后，借助开关遥信判断可能遭受雷击的输电线路A是否跳闸，若可能遭受雷击的输电线路A未跳闸，则直接向三条线路侧的UPFC控制器发恢复信号，UPFC执行相反操作，使得负荷恢复至转移前的状态。若线路A已跳闸，则需要等待事故处理完成，线路消缺工作结束，开关遥信复位后，再向线路侧UPFC发送恢复信号。

上述雷电气候下的电网潮流调节方法利用雷电气候下的电网潮流调节系统实施。如附图4所示，雷电气候下的电网潮流调节系统主要包括雷电探测模块、雷电预测模块、控制决策系统和电网中设置的若干UPFC装置，还包括地理信息系统和电网信息系统。

雷电探测模块用于对雷电进行探测，雷电预测模块与雷电探测模块相连接并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果。二者组成雷电探测系统，可基于已有技术实施。则雷电探测模块中，雷电传感器探测雷电形成时产生的电磁辐射和空气中的电场变化，将波形数据传输给雷电预测模块。雷电预测模块根据当前的波形，预测之后一段时间内所在区域的落雷情况，并将预测结果发送给控制决策系统。

控制决策系统与雷电预测模块相连接，其用于根据雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象，并根据调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各调节对象的控制量并发送至对应UPFC装置。该控制决策系统根据雷击预测结果，结合区域地理信息、电网拓扑和设备的实时负载情况，选定需要进行负荷调整的线路，并将调整量发送给对应线路的UPFC控制器。

UPFC装置分别与控制决策系统相连接，并与对应输电线路相连接，它们用于根据接收到的控制量对对应调节量进行潮流调节，从而将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。UPFC装置的控制器执行潮流调整后，还将调整结果返回给控制决策系统，则控制决策系统根据反馈情况更新电网信息。

因此，与控制决策系统相连接的地理信息系统用于向控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路时所需的地理信息，与控制决策系统相连接电网信息系统用于向控制决策系统提供电网信息和在控制决策系统的控制下更新电网信息。

本方案针对被动式防雷系统存在的问题，提出了“主动防护、主动控制”的雷暴天气下电网潮流控制策略，并设计了相应的协同系统，将动态防雷与UPFC有机结合，具有如下的优势：

（1）雷击的预测准确率高：通过传感器测量大气中的电磁辐射和电场强度，数百公里范围内的雷击位置和大致时间可以被准确地预测，从而能够对落雷区域内的设备采取提前预防措施；从该技术的运行情况来看，目前对于200平方公里的核心探测区内，雷击预测的准确度达到了99%以上，雷击地点的预测误差在100 - 250 m之间，足以满足对雷击线路跳闸故障进行预测的精度要求；

（2）响应速度快，反应时间充足：由于能够在较长时间之前对雷击进行预测，UPFC装置有足够的反应时间对潮流进行控制，因而能最大限度地发挥UPFC的控制能力；且将雷击预测的结果与统一潮流控制器（UPFC）联动，可以实现故障线路负荷的自动转移，较之人工调整电网运行方式而言响应速度大大提升；

（3）电网稳定性高：在雷击故障发生前，UPFC能够根据电网架构和实时运行状况，对潮流进行合理的分配，实现电网潮流的精准调控，从而避免了单一电路潮流过大的问题，且由于提前对线路潮流进行了转移，雷击跳闸瞬间的潮流变化较小，因而对于电网的冲击性也较小，从而提升雷击事故产生时电网的稳定性。这使得雷击事故能够被限制在较小的范围内，且不会威胁电网的稳定性；

（4）负荷损失小：得益于精确的雷击预测和快速的潮流控制，雷击点附近线路上的负荷可以在雷击发生前快速准确地转移到其他线路上，因此即使线路发生跳闸，造成的负荷损失也可以大大减小；

（5）使用成本较低：由于目前电网中普遍配备有UPFC装置，因此本方法所需添置的设备仅包括雷电探测传感器及其相关的控制与决策系统。由于雷电探测核心区域的面积约为200平方公里，因此所需的硬件成本较低，且并不会随电网设备数量的增加而产生明显的变化。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种雷电气候下的电网潮流调节方法，其特征在于：所述雷电气候下的电网潮流调节方法包括以下步骤：

步骤1：对雷电进行探测，并对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

步骤2：根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象；

步骤3：根据所述调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各所述调节对象的控制量并发送至对应所述UPFC装置；

步骤4：在雷电发生前，各所述UPFC装置根据接收到的控制量对对应所述调节量进行潮流调节，将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。

2.根据权利要求1所述的雷电气候下的电网潮流调节方法，其特征在于：所述雷电气候下的电网潮流调节方法还包括步骤5：在雷电发生后，判断可能遭受雷击的输电线路是否跳闸，若可能遭受雷击的输电线路未跳闸，则将负荷恢复至转移前的状态。

3.根据权利要求1所述的雷电气候下的电网潮流调节方法，其特征在于：所述UPFC装置工作在潮流控制模式下。

4.根据权利要求3所述的雷电气候下的电网潮流调节方法，其特征在于：在进行负荷转移时，用于控制可能遭受雷击的输电线路的所述UPFC装置根据对应调节量输出相位落后于所述可能遭受雷击的输电线路上原线路电压的电压，用于控制临近线路的所述UPFC装置根据对应调节量输出相位超前于所述临近线路上原线路电压的电压。

5.一种雷电气候下的电网潮流调节系统，其特征在于：所述雷电气候下的电网潮流调节系统包括：

雷电探测模块，所述雷电探测模块用于对雷电进行探测；

雷电预测模块，所述雷电预测模块与所述雷电探测模块相连接并用于对雷击的地点和时间进行预测，得到雷电预测结果；

控制决策系统，所述控制决策系统与所述雷电预测模块相连接，用于根据所述雷电预测结果确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路作为调节对象，并根据所述调节对象负载情况和对应UPFC装置的潮流控制能力，计算和分配各所述调节对象的控制量并发送至对应所述UPFC装置；

若干UPFC装置，所述UPFC装置分别与所述控制决策系统相连接，并与对应输电线路相连接，用于根据接收到的控制量对对应所述调节量进行潮流调节，从而将可能遭受雷击的输电线路上的至少部分负荷转移到其临近线路上。

6.根据权利要求5所述的雷电气候下的电网潮流调节系统，其特征在于：所述雷电气候下的电网潮流调节系统还包括：

地理信息系统，所述地理信息系统与所述控制决策系统相连接，用于向所述控制决策系统提供确定电网中可能遭受雷击的输电线路及其临近线路时所需的地理信息。

7.根据权利要求5所述的雷电气候下的电网潮流调节系统，其特征在于：所述雷电气候下的电网潮流调节系统还包括：

电网信息系统，所述电网信息系统与所述控制决策系统相连接，用于向所述控制决策系统提供电网信息和在所述控制决策系统的控制下更新电网信息。

8.根据权利要求5所述的雷电气候下的电网潮流调节系统，其特征在于：所述UPFC装置包括与所述控制决策系统相连接的控制器、由所述控制器控制的并联换流器和串联换流器，所述并联换流器和所述串联换流器通过公共侧电容耦合连接，并分别通过并联变压器和串联变压器接入电网中。