CN110632515A - 一种功角实时确定方法及系统 - Google Patents

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CN110632515A CN201911028939.8A CN201911028939A CN110632515A CN 110632515 A CN110632515 A CN 110632515A CN 201911028939 A CN201911028939 A CN 201911028939A CN 110632515 A CN110632515 A CN 110632515A
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Abstract

本发明公开一种功角实时确定方法及系统，该方法包括：获取母线M的第一电压和第一电流以及母线N的第二电压和第二电流，根据第一电压和第一电流确定系统母线M侧的电势，根据第二电压和第二电流确定系统母线N侧的电势，根据第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压，判断第一电势幅值和第二电势幅值的大小，得判断结果；若判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小，若判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。通过本发明上述方法在等效双电源系统两侧电势不相等的情况下，采用不同状况下的功角计算公式，确定功角，提高功角的精确度。

Description

一种功角实时确定方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种功角实时确定方法及系统。
背景技术
功角是表征电力系统稳定性问题的重要参数，电力系统中许多破坏性事故都归咎于扰动下发电机的功角失稳。此外，功角在状态估计、在线稳定分析与控制、失步预测保护、失步解列、距离保护振荡闭锁等方面起着重要作用。因此，寻求可靠、准确的方法实时测量功角，反应系统的运行状态，对电力系统进行预测、监视、控制与保护，提高电力系统的稳定性，是一项持续研究的课题。
近年来，基于相量测量单元(phasor measurement unit,PMU)的广域测量系统(wide-area measurement,WAMS)日趋完善，为实时获得全网同步数据提供了技术支撑。同时，光纤通信技术使电力系统两侧电气量的信息交换成为可能，实现了量测信息的全局性及实时性。目前已有的功角测量方法基于两侧电势幅值相等的假设，当两侧电势幅值不相等时其计算误差较大。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种功角实时确定方法及系统，以提高功角的精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种功角实时确定方法，适用于等效双电源系统，所述系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，所述功角实时确定方法包括：
获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据；
根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值；
根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值；
根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压；
判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果；
若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小；
若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
可选的，所述第一功角公式为：
Figure BDA0002249530350000021
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
可选的，所述第二功角公式为：
Figure BDA0002249530350000022
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
可选的，所述根据所述第一电压确定电压最低点的电压，具体为：
根据公式计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，表示超前的角度，
Figure BDA0002249530350000027
表示第一电压，
Figure BDA0002249530350000028
表示第一电流，
Figure BDA0002249530350000029
表示阻抗角。
一种功角实时确定系统，适用于等效双电源系统，所述双电源系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，所述功角实时确定系统包括：
电压和电流获取模块，用于获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据；
第一电势确定模块，用于根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值据；
第二电势确定模块，用于根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值；
第三电压确定模块，用于根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压；
判断模块，用于判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果；
功角确定模块一，用于若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小；
功角确定模块二，用于若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
可选的，所述第一功角公式为：
Figure BDA0002249530350000031
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
可选的，所述第二功角公式为：
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
可选的，所述第三电压确定模块，具体为：
第三电压确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002249530350000033
计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，表示
Figure BDA0002249530350000035
超前
Figure BDA0002249530350000036
的角度，表示第一电压，
Figure BDA0002249530350000038
表示第一电流，
Figure BDA0002249530350000039
表示阻抗角。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种功角实时确定方法及系统，在等效双电源系统两侧电势不相等的情况下，采用不同状况下的功角计算公式，确定功角，提高功角的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种功角实时确定方法的流程图；
图2为本发明实施例等效双电源系统示意图；
图3为本发明实施例两侧电势幅值相等时电压相量图；
图4为本发明实施例两侧电势幅值不相等时电压相量图；
图5为本发明实施例非全相运行等效双电源系统图；
图6为本发明实施例一种功角实时确定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种功角实时确定方法及系统，以提高功角的精确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
目前已有的功角测量方法基于两侧电势幅值相等的假设，当两侧电势幅值不相等时其计算误差较大。
图2为本发明实施例等效双电源系统示意图，如图2所示，母线M、N上装有相量测量PMU装置。系统两侧的等效电势为
Figure BDA0002249530350000041
和
Figure BDA0002249530350000042
二者间的相位差为功角δ，即
Figure BDA0002249530350000051
系统综合阻抗为ZΣ＝ZM+ZN+ZL，其中，ZM表示M侧系统的等值阻抗，ZN表示N侧系统的等值阻抗。ZL为线路阻抗，其阻抗角为
Figure BDA0002249530350000052
假设系统两侧等效电势幅值相等，且阻抗ZM、ZN和ZL的阻抗角相等，即argZM＝argZN＝argZL，则其相量图如图3所示。
采用上述经典假设后，电压最低点位于系统综合阻抗的中心，其电压为Uosc：
Figure BDA0002249530350000054
其中，Um为PMU实测M侧电压，为超前
Figure BDA0002249530350000057
的角度。电力系统通常将
Figure BDA0002249530350000058
项简称为
Figure BDA0002249530350000059
对于具体的电压等级，ES、EW波动不大，近似为已知参数。因此，由图3可得，系统功角为
Figure BDA00022495303500000510
上述为目前基于两侧电势幅值相等的情况下，对功角进行的测量，但是其计算误差较大，因此，在此基础上本发明提出一种功角实时确定方法，在系统两侧电势不相等的情况下，采用不同的功角计算方案进行功角的确定，下面为本发明的详细流程。
图1为本发明实施例一种功角实时确定方法的流程图，参见图1，一种功角实时确定方法，适用于等效双电源系统，所述系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，所述功角实时确定方法包括以下步骤：
S1：获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据。
S2：根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值。
S3：根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值。
S4：根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压。
所述根据所述第一电压确定电压最低点的电压，具体为：
根据公式
Figure BDA0002249530350000061
计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，
Figure BDA0002249530350000062
表示
Figure BDA0002249530350000063
超前的角度，
Figure BDA0002249530350000065
表示第一电压，
Figure BDA0002249530350000066
表示第一电流，
Figure BDA0002249530350000067
表示阻抗角。
S5：判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果。
S6：若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小，电势幅值表示电势的大小。
所述第一功角公式为：
Figure BDA0002249530350000068
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
S7：若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
所述第二功角公式为：
Figure BDA0002249530350000069
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值即为EW表示第二电势幅值即为
Figure BDA00022495303500000611
O表示电压最低点。
具体的，当两侧电势幅值不相等时，考虑到电压最低点的漂移特性，基于一侧电气量的功角计算方法具有较大误差，尤其在功角较小及功角增大到接近2π时，误差最大。本发明针对两侧电势幅值不相等的情况，提出了一种基于两侧电气量的功角测量方案，准确度较高。
图4为本发明实施例两侧电势幅值不相等时电压相量图，其中图4的(a)部分表示O点位于电势连线外，其中图4的(b)部分表示O点位于电势连线内。
假设
Figure BDA0002249530350000071
两侧电势幅值比
Figure BDA0002249530350000072
并假设两侧电势幅值ES、EW保持不变。功角在0～π范围内的电压相量图，如图4所示。其中，O点为电压最低点，其对应电压Uosc由公式
Figure BDA0002249530350000073
求得。
对于δ∈(0～π)范围内，当功角较小时，电压最低点位于两侧电势连线以外，当功角较大时，电压最低点位于两侧电势连线以内。二者临界点为δ＝arccos(1/k)。同理，当δ∈(π～2π)时，临界点为δ＝2π-arccos(1/k)。
因此，功角δ的表达式为：
Figure BDA0002249530350000074
当
Figure BDA0002249530350000075
时，同理可得功角δ的表达式为：
Figure BDA0002249530350000076
当
Figure BDA0002249530350000077
时，O点总是位于电势连线以内，此时公式即可整理为
Figure BDA0002249530350000078
时公式的形式。
最终，分为两种情况，
Figure BDA0002249530350000079
和
Figure BDA00022495303500000710
系统电动势的求取：
本发明实施例除系统等效电势幅值ES、EW外，其余各电气量均为已知或可由测量得到，因此，求取功角在于计算ES、EW，系统电势
Figure BDA00022495303500000711
满足：
Figure BDA00022495303500000712
其中，
Figure BDA00022495303500000713
表示第一电压，
Figure BDA00022495303500000714
表示第一电流、表示第一电压，
Figure BDA00022495303500000716
表示第一电流电流，由PMU实测得到，系统阻抗ZM和ZN在系统短路及非全相运行时可由故障分量原理求得：
Figure BDA00022495303500000717
其中，
Figure BDA0002249530350000081
表示M点电压故障分量，
Figure BDA0002249530350000082
表示N点电压故障分量，
Figure BDA0002249530350000083
表示M点电流故障分量，
Figure BDA0002249530350000084
表示N点电流故障分量。
ES、EW可以有多种求解方法：
1)等效电势幅值直接用稳态电压代替，工程中，扰动后系统电势幅值ES、EW经常取稳态下母线M、N的电压值Um0,Un0，即ES＝Um0,EW＝Un0。
2)短路故障，当系统发生正方向对称故障时，
Figure BDA0002249530350000085
其中，
Figure BDA0002249530350000086
表示M点电压正序故障分量，
Figure BDA0002249530350000087
表示N点电压正序故障分量，
Figure BDA0002249530350000088
表示M点电流正序故障分量，
Figure BDA0002249530350000089
表示N点电流正序故障分量。
当系统发生正方向不对称故障时，考虑到系统正负序阻抗近似相等的特点，
Figure BDA00022495303500000810
其中，
Figure BDA00022495303500000811
表示M点电压负序故障分量，表示N点电压负序故障分量，表示M点电流负序故障分量，表示N点电流负序故障分量。
求得系统阻抗ZM、ZN后，根据为故障切除后PMU实测值计算不同短路故障下系统电势ES、EW。
3)非全相运行，图5为本发明实施例非全相运行等效双电源系统图，如图5所示，母线M、N的电压、电流取为：
Figure BDA00022495303500000816
式中，为母线M、N的正序电压、正序电流。联立公式，即可得到非全相运行状态下系统电势ES、EW。
ES、EW求法不局限于以上几种。求得ES、EW后，代入第一功角或第二功角公式即可实时测量扰动后系统两侧的功角。
图6为本发明实施例一种功角实时确定系统的结构示意图，参见图6，一种功角实时确定系统，适用于等效双电源系统，所述双电源系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，所述功角实时确定系统包括：
电压和电流获取模块601，用于获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据；
第一电势确定模块602，用于根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值；
第二电势确定模块603，用于根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值；
第三电压确定模块604，用于根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压；
判断模块605，用于判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果；
功角确定模块一606，用于若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小；
功角确定模块二607，用于若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
优选的，所述第一功角公式为：
Figure BDA0002249530350000091
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
优选的，所述第二功角公式为：
Figure BDA0002249530350000092
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
所述第三电压确定模块，具体为：
第三电压确定单元，用于根据公式
Figure BDA0002249530350000093
计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，
Figure BDA0002249530350000094
表示
Figure BDA0002249530350000095
超前的角度，
Figure BDA0002249530350000097
表示第一电压，
Figure BDA0002249530350000101
表示第一电流，
Figure BDA0002249530350000102
表示。
本发明利用两侧电势量来确定功角，相比基于一侧电势量的传统测量方法，准确度更高。
本发明在两侧电势不相等情况下，对两侧电势幅值大小
Figure BDA0002249530350000103
及
Figure BDA0002249530350000104
进行分类讨论，最终给出了不同情况下的功角计算公式，通过此方法极大提高了功角测量精度。
本发明适用于互联系统的功角确定，在系统两侧电势不相等的情况下，对于电压最低点位于两侧电势连线内和外两种情况，通过计算最低点电压及两侧系统电势幅值，得到不同情况下的功角计算方案。对比传统
Figure BDA0002249530350000105
功角测量方法，当电压最低点位于两侧电势连线外时，给出了适用于该情况的功角计算公式，测量准确度高。
本发明提出的功角确定方法及系统，可以应用于监测并提高电力系统稳定性。当电力系统受到扰动冲击时，两侧电势间的功角逐渐增大。应用本发明的功角确定方法，可以对功角进行实时测量并判断系统稳定情况。当δ>90°时，则判断系统静态不稳定；当δ>180°，则判断系统暂态不稳定。
此外，该功角计算公式可以应用于电力系统稳定控制，即若通过功角测量监测到系统即将失稳，则可以与稳定控制措施相配合。例如换相序控制措施，实时测量功角，检测功角摆到预设功角值，进行换相序操作。并且在换相序后(系统功角减小120°)实时监控系统功角变化及系统的稳定情况。
本发明同样适用于移相器快速移相控制、改变变压器副边绕组接线方式控制等其他稳定控制措施。
还能应用于距离保护振荡闭锁：
当系统发生振荡时，利用本发明方法实时监视功角大小，若功角较小δ＜80°，允许距离保护开放，以便区内故障发生时，距离元件能够快速动作；若功角较大δ＞80°，则应进行振荡与短路故障的判别，若判别为振荡，则闭锁距离保护，防止振荡误动。
对于两侧电势幅值不相等的系统，传统基于公式的功角计算方法，在真实功角较小的情况下，计算功角可能大于80°，错误闭锁距离保护。本发明的方法能有效避免该情况发生。
本发明的方法能够应用于电力系统测量、失步解列、振荡监测等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种功角实时确定方法，适用于等效双电源系统，所述系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，其特征在于，所述功角实时确定方法包括：
获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据；
根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值；
根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值；
根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压；
判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果；
若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小；
若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
2.根据权利要求1所述的功角实时确定方法，其特征在于，所述第一功角公式为：
Figure FDA0002249530340000011
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
3.根据权利要求1所述的功角实时确定方法，其特征在于，所述第二功角公式为：
Figure FDA0002249530340000021
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
4.根据权利要求1所述的功角实时确定方法，其特征在于，所述根据所述第一电压确定电压最低点的电压，具体为：
根据公式
Figure FDA0002249530340000022
计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，
Figure FDA0002249530340000023
表示
Figure FDA0002249530340000024
超前
Figure FDA0002249530340000025
的角度，
Figure FDA0002249530340000026
表示第一电压，
Figure FDA0002249530340000027
表示第一电流，
Figure FDA0002249530340000028
表示阻抗角。
5.一种功角实时确定系统，适用于等效双电源系统，所述双电源系统中设置有母线M和母线N，在所述母线M和所述母线N处均设置有相量测量装置，所述相量测量装置用于测量母线的电压和电流，其特征在于，所述功角实时确定系统包括：
电压和电流获取模块，用于获取所述母线M的第一电压和第一电流以及所述母线N的第二电压和第二电流，所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压和所述第二电流均为相量数据；
第一电势确定模块，用于根据所述第一电压和所述第一电流确定系统母线M侧的电势幅值，记为第一电势幅值；
第二电势确定模块，用于根据所述第二电压和所述第二电流确定系统母线N侧的电势幅值，记为第二电势幅值；
第三电压确定模块，用于根据所述第一电压确定电压最低点的电压，记为第三电压；
判断模块，用于判断所述第一电势幅值和所述第二电势幅值的大小，得判断结果；
功角确定模块一，用于若所述判断结果表示第一电势幅值大于或等于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第一功角公式确定功角大小；
功角确定模块二，用于若所述判断结果表示第一电势幅值小于第二电势幅值，根据所述第三电压、所述第一电势幅值和所述第二电势幅值，采用第二功角公式确定功角大小。
6.根据权利要求5所述的功角实时确定系统，其特征在于，所述第一功角公式为：
Figure FDA0002249530340000031
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
7.根据权利要求5所述的功角实时确定方系统，其特征在于，所述第二功角公式为：
Figure FDA0002249530340000032
其中，Uosc表示电压最低点的电压，ES表示第一电势幅值，EW表示第二电势幅值，O表示电压最低点。
8.根据权利要求5所述的功角实时确定系统，其特征在于，所述第三电压确定模块，具体为：
第三电压确定单元，用于根据公式
Figure FDA0002249530340000033
计算电压最低点的电压，其中，Um表示第一电压的大小，表示
Figure FDA0002249530340000035
超前
Figure FDA0002249530340000036
的角度，
Figure FDA0002249530340000037
表示第一电压，
Figure FDA0002249530340000038
表示第一电流，
Figure FDA0002249530340000039
表示阻抗角。
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