CN110867862A - 一种电网暂态电压稳定量化评估方法 - Google Patents

一种电网暂态电压稳定量化评估方法 Download PDF

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CN110867862A CN201911322973.6A CN201911322973A CN110867862A CN 110867862 A CN110867862 A CN 110867862A CN 201911322973 A CN201911322973 A CN 201911322973A CN 110867862 A CN110867862 A CN 110867862A
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Abstract

本发明提出一种电网暂态电压稳定量化评估方法，属于电力系统安全分析领域。本发明首先分别计算计算电网电压轨迹低电压恢复分量，电网电压轨迹震荡程度特征分量和电网电压轨迹恢复稳态分量。对三个分量分别赋予权重后，对三个分量加权求和得到电网暂态电压安全性的评估结果。本发明从三个方面提取了电压轨迹的特征，提出了基于电压轨迹的三维量化指标，该指标的值是连续、量化的，实现了对电压轨迹的量化表达，从多个方面反映了影响电网暂态电网稳定的因素，并且能够为提升电网暂态电网稳定提供指导。

Description

一种电网暂态电压稳定量化评估方法
技术领域
本发明涉及一种电网暂态电压稳定量化评估方法，属于电力系统安全分析领域。
背景技术
随着我国多条大容量远距离输电工程的投运，多个大型送端电网和受端电网已经形成。在直流多落点受端电网中，暂态电压稳定性薄弱，动态无功储备匮乏。因此有必要评估无功储备的裕度和需求量，以提高电网的暂态电压安全性。
对于大规模电网，暂态电压安全分析几乎只能依靠时域仿真法。此方法只能得到仿真电压轨迹，需要额外的判据/指标评估电网的暂态电压安全性。实际中，有一些基于电压轨迹的暂态电压稳定判据。然而，它们考虑的因素单一，而且大多是0/1量，不能有效地评估控制对暂态电压稳定的影响。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电网暂态电压稳定量化评估方法。本发明从三个方面提取了电压轨迹的特征，提出了基于电压轨迹的三维量化指标，该指标的值是连续、量化的，实现了对电压轨迹的量化表达，从多个方面反映了影响电网暂态电网稳定的因素，并且能够为提升电网暂态电网稳定提供指导。
本发明提出一种电网暂态电压稳定量化评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，具体步骤如下：
(1-1)计算稳定情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000011
TTVSIr＝min(ST)
ST＝{t|v(t)＝VS}
VS＝v(TS)
Figure BDA0002327659190000012
其中，TVSIr是母线电压轨迹低电压恢复分量；TTVSIr是故障清除后母线电压首次恢复到故障后稳定电压值的时刻，TFault是故障开始的时刻；VS是故障后的母线稳定电压值，v(t)是母线电压轨迹；ST是故障清除后母线电压等于故障后稳定电压值的时刻构成的集合；TS是达到故障后稳态的时刻；τ是暂态过程开始的时刻；TEnd是暂态过程结束的时刻；
(1-2)计算失稳情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000021
V0＝v(t)|t＝0
其中，V0是故障前的母线稳定电压值；
(1-3)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000022
其中，
Figure BDA0002327659190000023
是电网电压轨迹低电压恢复分量；Grid代表电网母线集合；ibs是电网中编号i的母线；
Figure BDA0002327659190000024
是电网中编号i的母线的电压轨迹低电压恢复分量；
(2)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，具体步骤如下：
(2-1)计算稳定情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000025
其中，TVSIo是母线电压轨迹震荡程度分量；TClear是故障清除的时刻，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量；
其中，T(t)的表达式如下：
Figure BDA0002327659190000026
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
其中，t是采样时刻的序号，m是采样时刻的总数；Ct是C(t)在t·TStep时刻的值；λ是平衡Ct与Tt的参数；Tt是T(t)在t·TStep时刻的值，TStep是采样时刻的间隔，C(t)是母线电压轨迹的振荡分量；
(2-2)计算失稳情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000031
其中，T(t)的表达式如下：
Figure BDA0002327659190000032
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
(2-3)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000033
其中，
Figure BDA0002327659190000034
是电网电压轨迹震荡程度分量；
Figure BDA0002327659190000035
是电网中编号i的母线的暂态电电压轨迹震荡程度分量；
(3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，具体步骤如下：
(3-1)计算稳定情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-VS|×(TS-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
VS＝v(TS)
Figure BDA0002327659190000036
其中，TVSIs是母线恢复稳态分量；V0是故障前的母线稳定电压值，VS是故障后的母线稳定电压值；
(3-2)计算失稳情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-V′End|×(TEnd-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
Figure BDA0002327659190000037
其中，V′End是暂态过程结束时刻附近的平均电压值；TSpan是用于计算V′End的时间段；
(3-3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000041
其中，
Figure BDA0002327659190000042
是对应于电网电压轨迹恢复稳态分量；
Figure BDA0002327659190000043
是电网中编号i的母线的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹恢复稳态分量；
(4)利用步骤(1)、(2)、(3)的结果，评估电网暂态电压安全性，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000044
其中，TVSIGrid是电网的暂态电压稳定量化评估指标；wr是低电压恢复的权重；wo是震荡程度的权重；ws是恢复稳态的权重；
当TVSIGrid≤10时，表明电网的暂态电压稳定性好。
本发明的特点及有益效果在于：
(1)相比于当前电网运行中常用的暂态电压稳定判据，本发明实现了对电网暂态电压安全的量化表达。
(2)本发明提取了电压轨迹的多方面特征，从多方面量化评估了电网暂态电压安全。
(3)本发明能够从多个角度反映电网暂态电压安全的影响因素，进而为改善电网暂态电压安全提供理论指导。
(4)基于本发明的评估结果，还可以进一步得到电压稳定裕度的结果。
具体实施方式
本发明提出一种电网暂态电压稳定量化评估方法，下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明如下。
本发明提出一种电网暂态电压稳定量化评估方法，包括以下步骤：
(1)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，具体步骤如下：
(1-1)计算稳定情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000045
TTVSIr＝min(ST)
ST＝{t|v(t)＝VS}
VS＝v(TS)
Figure BDA0002327659190000051
其中，TVSIr是暂态电压稳定量化评估指标的母线电压轨迹低电压恢复分量；TTVSIr是故障清除后母线电压首次恢复到故障后稳定电压值的时刻，TFault是故障开始的时刻；VS是故障后的母线稳定电压值，v(t)是母线电压轨迹；ST是故障清除后母线电压等于故障后稳定电压值的时刻构成的集合；TS是达到故障后稳态的时刻；τ是暂态过程开始的时刻；TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒。
TVSIr的取值范围是[0,+∞)。一般情况下，由于TTVSIr≤10秒而且VS≈1p.u.，因此0≤TVSIr≤10。TVSIr值越小，表明母线电压轨迹低电压恢复能力越好。TVSIr的值取决于母线电压跌落的幅度和持续时间，受同步发电机等动态无功源的无功功率注入以及感应电动机等动态负荷的影响。
将计算得到的每条稳定情形下母线电压轨迹低电压恢复分量记为TVSIribs，其中，ibs是电网中编号i的母线；
(1-2)计算失稳情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000052
V0＝v(t)|t＝0
其中，TVSIr是暂态电压稳定量化评估指标的母线电压轨迹低电压恢复分量；TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒，TFault是故障开始的时刻；V0是故障前的母线稳定电压值，v(t)是母线电压轨迹。
将计算得到的每条失稳情形下母线电压轨迹低电压恢复分量记为
Figure BDA0002327659190000053
其中，ibs是电网中编号i的母线；
TVSIr的取值范围是[0,+∞)。一般情况下，由于TEnd≈10秒而且V0≈1p.u.，因此0≤TVSIr≤10。TVSIr值越小，表明母线电压轨迹低电压恢复能力越好。TVSIr的值取决于母线电压跌落的幅度和持续时间，受同步发电机等动态无功源的无功功率注入以及感应电动机等动态负荷的影响。
(1-3)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000054
其中，
Figure BDA0002327659190000055
是电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹低电压恢复分量；Grid代表电网母线集合；ibs是电网中编号i的母线；
Figure BDA0002327659190000056
是电网中编号i的母线的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹低电压恢复分量，可根据步骤(1-1)或(1-2)计算得到。
Figure BDA0002327659190000061
的取值范围是[0,+∞)。一般情况下，由于TTVSIr≤10秒、TEnd≈10秒而且VS≈1p.u.、V0≈1p.u.，因此
Figure BDA0002327659190000062
Figure BDA0002327659190000063
值越小，表明电网的电压轨迹低电压恢复能力越好。
Figure BDA0002327659190000064
的值取决于电网中母线的电压跌落的幅度和持续时间，受同步发电机等动态无功源的无功功率注入以及感应电动机等动态负荷的影响。
(2)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，具体步骤如下：
(2-1)计算稳定情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000065
其中，TVSIo是暂态电压稳定量化评估指标的母线电压轨迹震荡程度分量；TClear是故障清除的时刻，TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒；v(t)是母线电压轨迹，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量。
其中，求解T(t)的表达式如下：
Figure BDA0002327659190000066
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
其中，t是采样时刻的序号，m是采样时刻的总数；Ct是C(t)在t·TStep时刻的值；λ是平衡Ct与Tt的参数；Tt是T(t)在t·TStep时刻的值。TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒，TStep是采样时刻的间隔；v(t)是母线电压轨迹，C(t)是母线电压轨迹的振荡分量(周期分量)，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量。
TVSIo的取值范围是[0,+∞)，λ的取值范围是[0,+∞)。对于稳定情形，λ可以取比较小的值，例如：λ＝10。TVSIo值越小，表明母线电压轨迹震荡程度越小。TVSIo的值取决于电压震荡幅度和衰减速度，受高增益快速励磁装置、动态负荷、电网弱互联、发电机调速系统等因素影响。
将计算得到的每条稳定情形下母线电压轨迹震荡程度分量记为
Figure BDA0002327659190000067
其中，ibs是电网中编号i的母线；
(2-2)计算失稳情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000068
其中，TVSIo是暂态电压稳定量化评估指标的母线电压轨迹震荡程度分量；TClear是故障清除的时刻，TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒；v(t)是母线电压轨迹，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量。
其中，求解T(t)的表达式如下：
Figure BDA0002327659190000071
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
其中，t是采样时刻的序号，m是采样时刻的总数；Ct是C(t)在t·TStep时刻的值；λ是平衡Ct与Tt的参数；Tt是T(t)在t·TStep时刻的值。TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒，TStep是采样时刻的间隔；v(t)是母线电压轨迹，C(t)是母线电压轨迹的振荡分量(周期分量)，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量。
TVSIo的取值范围是[0,+∞)，λ的取值范围是[0,+∞)。对于失稳情形，λ需要取比较大的值，例如：λ＝10。TVSIo值越小，表明母线电压轨迹震荡程度越小。TVSIo的值取决于电压震荡幅度和衰减速度，受高增益快速励磁装置、动态负荷、电网弱互联、发电机调速系统等因素影响。
将计算得到的每条失稳情形下母线电压轨迹震荡程度分量记为
Figure BDA0002327659190000072
其中，ibs是电网中编号i的母线；
(2-3)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000073
其中，
Figure BDA0002327659190000074
是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹震荡程度分量；Grid代表电网母线集合；ibs是电网中编号i的母线；
Figure BDA0002327659190000075
是电网中编号i的母线的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹震荡程度分量，可根据步骤(2-1)或(2-2)计算得到。
Figure BDA0002327659190000076
的取值范围是[0,+∞)。
Figure BDA0002327659190000077
值越小，表明电网的电压轨迹震荡程度越小。
Figure BDA0002327659190000078
的值取决于电压震荡幅度和衰减速度，受高增益快速励磁装置、动态负荷、电网弱互联、发电机调速系统等因素影响。
(3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，具体步骤如下：
(3-1)计算稳定情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-VS|×(TS-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
VS＝v(TS)
Figure BDA0002327659190000081
其中，TVSIs是暂态电压稳定量化评估指标的母线恢复稳态分量；V0是故障前的母线稳定电压值，VS是故障后的母线稳定电压值；TS是达到故障后稳态的时刻，TClear是故障清除的时刻；v(t)是母线电压轨迹；TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒。
TVSIs的取值范围是[0,+∞)。一般情况下，由于TS≤10秒而且VS≈1p.u.，因此0≤TVSIs≤10。TVSIs值越小，表明母线电压轨迹恢复稳态能力越好。TVSIs的值取决于电压达到稳态的速度和故障前后稳态电压值之差，受故障前后的电网拓扑结构和运行方式影响。
(3-2)计算失稳情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-V′End|×(TEnd-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
Figure BDA0002327659190000082
其中，TVSIs是暂态电压稳定量化评估指标的母线恢复稳态分量；V0是故障前的母线稳定电压值，V′End是暂态过程结束时刻附近的平均电压值；TEnd是暂态过程结束的时刻，一般认为是故障清除后10秒，TClear是故障清除的时刻；v(t)是母线电压轨迹；TSpan是用于计算V′End的时间段。
TVSIs的取值范围是[0,+∞)。一般情况下，由于TEnd≤10秒而且V0≈1p.u.，因此0≤TVSIs≤10。TVSIs值越小，表明母线电压轨迹恢复稳态能力越好。TVSIs的值取决于电压达到稳态的速度和故障前后稳态电压值之差，受故障前后电网拓扑结构和运行方式影响。
(3-3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
Figure BDA0002327659190000083
其中，
Figure BDA0002327659190000091
是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹恢复稳态分量；ibs是电网中编号i的母线；
Figure BDA0002327659190000092
是电网中编号i的母线的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹恢复稳态分量，可根据步骤(3-1)或(3-2)计算得到。
Figure BDA0002327659190000093
的取值范围是[0,+∞)。
Figure BDA0002327659190000094
值越小，表明电网的电压轨迹恢复稳态能力越强。
Figure BDA0002327659190000095
的值取决于电压达到稳态的速度和故障前后稳态电压值之差，受故障前后的电网拓扑结构和运行方式影响。
(4)应用电压轨迹的三维量化指标评估电网暂态电压安全性；
根据实际应用中对低电压恢复、震荡程度和恢复稳态的关注程度，给指标的三个分量分别指定不同的权重：wr、wo和ws。默认情况下，把三个分量的权重系数都设定为1。如果更关注某一个分量(例如低电压恢复)，可以增加该分量的权重。
则电网暂态电压安全性的量化评估表达式如下：
Figure BDA0002327659190000096
其中，TVSIGrid是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标；wr是低电压恢复的权重，
Figure BDA0002327659190000097
是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹低电压恢复分量；wo是震荡程度的权重，
Figure BDA0002327659190000098
是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹震荡程度分量；ws是恢复稳态的权重，
Figure BDA0002327659190000099
是对应于电网的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹恢复稳态分量。
TVSIGrid的取值范围是[0,+∞)。TVSIGrid≤10，表明电网的暂态电压稳定性好。

Claims (1)

1.一种电网暂态电压稳定量化评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，具体步骤如下：
(1-1)计算稳定情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000011
TTVSIr＝min(ST)
ST＝{t|v(t)＝VS}
VS＝v(TS)
Figure FDA0002327659180000012
其中，TVSIr是母线电压轨迹低电压恢复分量；TTVSIr是故障清除后母线电压首次恢复到故障后稳定电压值的时刻，TFault是故障开始的时刻；VS是故障后的母线稳定电压值，v(t)是母线电压轨迹；ST是故障清除后母线电压等于故障后稳定电压值的时刻构成的集合；TS是达到故障后稳态的时刻；τ是暂态过程开始的时刻；TEnd是暂态过程结束的时刻；
(1-2)计算失稳情形下母线电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000013
V0＝v(t)|t＝0
其中，V0是故障前的母线稳定电压值；
(1-3)计算电网电压轨迹低电压恢复分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000014
其中，
Figure FDA0002327659180000015
是电网电压轨迹低电压恢复分量；Grid代表电网母线集合；ibs是电网中编号i的母线；
Figure FDA0002327659180000016
是电网中编号i的母线的电压轨迹低电压恢复分量；
(2)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，具体步骤如下：
(2-1)计算稳定情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000017
其中，TVSIo是母线电压轨迹震荡程度分量；TClear是故障清除的时刻，T(t)是母线电压轨迹的趋势分量；
其中，T(t)的表达式如下：
Figure FDA0002327659180000021
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
其中，t是采样时刻的序号，m是采样时刻的总数；Ct是C(t)在t·TStep时刻的值；λ是平衡Ct与Tt的参数；Tt是T(t)在t·TStep时刻的值，TStep是采样时刻的间隔，C(t)是母线电压轨迹的振荡分量；
(2-2)计算失稳情形下母线电压轨迹震荡程度分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000022
其中，T(t)的表达式如下：
Figure FDA0002327659180000023
m＝TEnd/TStep
v(t)＝C(t)+T(t)
Ct＝C(t·TStep)
Tt＝T(t·TStep)
(2-3)计算电网电压轨迹震荡程度特征分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000024
其中，
Figure FDA0002327659180000025
是电网电压轨迹震荡程度分量；
Figure FDA0002327659180000026
是电网中编号i的母线的暂态电电压轨迹震荡程度分量；
(3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，具体步骤如下：
(3-1)计算稳定情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-VS|×(TS-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
VS＝v(TS)
Figure FDA0002327659180000031
其中，TVSIs是母线恢复稳态分量；V0是故障前的母线稳定电压值，VS是故障后的母线稳定电压值；
(3-2)计算失稳情形下母线电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
TVSIs＝|V0-V′End|×(TEnd-TClear)
V0＝v(t)|t＝0
Figure FDA0002327659180000032
其中，V′End是暂态过程结束时刻附近的平均电压值；TSpan是用于计算V′End的时间段；
(3-3)计算电网电压轨迹恢复稳态分量，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000033
其中，
Figure FDA0002327659180000034
是对应于电网电压轨迹恢复稳态分量；
Figure FDA0002327659180000035
是电网中编号i的母线的暂态电压稳定量化评估指标的电压轨迹恢复稳态分量；
(4)利用步骤(1)、(2)、(3)的结果，评估电网暂态电压安全性，表达式如下：
Figure FDA0002327659180000036
其中，TVSIGrid是电网的暂态电压稳定量化评估指标；wr是低电压恢复的权重；wo是震荡程度的权重；ws是恢复稳态的权重；
当TVSIGrid≤10时，表明电网的暂态电压稳定性好。
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