CN111262252A - 电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法、装置及系统，所述方法包括识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。本发明首先选定电压稳定薄弱区域，然后在该区域中选取电压幅值受故障影响最为严重的节点，最后从选取的节点中进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，不仅能够综合解决直流换相失败，维持系统电压稳定，还能使得同步调相机投运和运行的经济性达到最优。

Description

电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法、装置及 系统

技术领域

本发明属于电力系统的无功补偿设备技术领域，具体涉及一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法、装置及系统。

背景技术

同步调相机的发明和使用最早源于20世纪初，近年来，随着国家交直流电网的快速发展，同步调相机又得到了新的发展应用。同步调相机是一种较为优良的无功补偿设备，可用作专门的无功功率发电机，它可以过励运行，也可以欠励运行，运行状态根据系统的需要来调剂。同步调相机一般装设有自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出无功以维持电压。

近几年，为应对电力系统安全稳定的运行要求，国家电网公司投运了一批300MVA级的同步调相机，国外的一些电力公司也投运了一些同步调相机，如意大利装设了250MVA同步调相机。这对于同步调相机及其相应技术的推广应用提供了良好的平台和指引方向。经过多年运行的结果表明，同步调相机装置不仅能在电网重载时，增加输电线中滞后的无功电流分量，减少线路压降；还能在输电线轻载时，吸收滞后的无功电流，防止电压上升，维持电网电压在一定的水平,成为保障电力系统安全稳定运行的重要技术手段与工具。

随着现代技术的快速发展，交直流电网大量投运，系统对同步调相机的需求也在不断扩大，其中装设地点成为影响同步调相机应用效果的关键所在。多年来，为提高同步调相机的使用效果满足工程应用的要求，国内外学者提出了多种指标算法。传统的雅克比矩阵特征值能够表征系统电压稳定裕度大小和稳定区域，但该算法不足以清晰地表达电压稳定薄弱区域的发展趋势，属于静态表征范畴，评价效果较为单一，当相关参数发生变化时，其准确性和前瞻性难以保证，对在线动态应用有一定的局限性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法、装置及系统，首先选定电压稳定薄弱区域，然后在该区域中选取电压幅值受故障影响最为严重的节点，最后从选取的节点中进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，不仅能够综合解决直流换相失败，维持系统电压稳定，还能使得同步调相机投运和运行的经济性达到最优。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，包括：

识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；

筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

可选地，所述电压稳定性小于设定阈值的区域的识别方法包括：

获取指标计算公式；

基于所述指标计算公式计算出电力系统中各节点的指标值；

对计算得到的各指标值进行排序，选择指标值小于设定阈值的节点，并定义这些节点形成的区域为电压稳定性小于设定阈值的区域。

可选地，所述指标计算公式为：

式中，γ_i表示系统方程雅克比矩阵的特征值，Re(γ_i)表示特征值γ_i的实部，若某节点i的T_i值越小，表明该节点电压所对应的特征值随参数变化越早到达虚轴，导致失稳，则电压稳定性程度弱，δ为某参数。

可选地，所述电压幅值受故障影响最为严重的节点的筛选方法包括：

获取受故障影响后节点电压降落的计算公式；

基于所述受故障影响后节点电压降落的计算公式，计算出电压稳定性小于设定阈值的区域中各节点的电压降落值；

对各节点的电压降落值进行排序，以满足电力系统稳定运行需求为条件，按照从大到小的顺次依次选取与各电压降落值的对应的节点作为同步调相机的连接节点，直至筛选出所有满足要求的节点。

可选地，所述受故障影响后节点电压降落的计算公式具体为：

式中，N表示节点数目，t_w表示第w个时间点，t_k+1表示第w+1个时间点，

为第w时段内所有节点电压平均值，

为节点j发生三相短路故障致节点i电压下降的度量，H_i为节点i的电压降落值。

可选地，最终的同步调相机连接点的确定方法包括：

分别计算出对各筛选出的节点进行无功补偿的总成本；

若各筛选出的节点的电压降落值相近或相等，则选择无功补偿的总成本最低的作为最终的同步调相机连接点；

若各筛选出的节点的电压降落值相差大于设定阈值，则优先考虑保证系统稳定运行，其次再考虑总成本最低。

可选地，所述无功补偿的总成本的计算公式为：

F_i＝F_i1+F_i2+F_i3

式中，F_i1为同步调相机装设在节点i的购置成本；F_i2为同步调相机装设在节点i的年运行成本；F_i3为同步调相机装设在节点i的节能与环保成本。

第二方面，本发明提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的装置，包括：

识别单元，用于识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；

筛选单元，用于筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

选择单元，用于对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

第三方面，本发明提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的系统，包括：处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明首先选定电压稳定薄弱区域，然后在该区域中选取电压幅值受故障影响最为严重的节点，最后从选取的节点中进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，不仅能够综合解决直流换相失败，维持系统电压稳定，还能使得同步调相机投运和运行的经济性达到最优。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明中电压稳定状态下特征值位置；

图2为本发明中特征值随参数变化的趋势图；

图3为本发明中特征值随参数变化原理图；

图4为本发明电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，如图4所示，包括以下步骤：

(1)识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；

(2)筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

(2)对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

现有技术中在进行电力系统评估分析电压薄弱区域时，一般采用雅克比矩阵的特征值或P-V曲线来表征。假设电力系统中有n个节点，在计及各节点等式约束和不等式约束条件下可建立如下非线性系统方程组：

f(x,η)＝0 (1)

式中：x为电压、功率等变量；η为参量，如负荷参数。

记系统方程组(1)的雅克比矩阵为J，其特征值的实部大小能表征电压稳定裕度，特征值用γ_i表示，如图1所示。

从图1可知，特征值在虚轴左侧表示电压处于稳定状态，越远离虚轴越稳定，与虚轴距离较近时表示电压稳定区域较为薄弱；当参数发生变化时，特征值的大小也会发生相应的变化，体现在其与虚轴的距离上，有些会靠近虚轴，有些会远离虚轴，无论靠近还是远离其发生变化的速度也不尽相同，如图2所示。

由以上分析可知，雅克比矩阵的特征值能够表示电压稳定裕度的大小，也能表示电压稳定薄弱区域，但是当参数发生变化时，不能很好地体现出电压稳定薄弱区域的变化趋势，如有些节点可能更加薄弱，有些节点电压稳定状态并不发生明显变化，甚至有些节点的稳定程度可能变得更好；因此，在本发明实施例的一种具体实施方式中提出，所述电压稳定性小于设定阈值的区域的识别方法包括：

获取指标计算公式；

基于所述指标计算公式计算出电力系统中各节点的指标值；

对计算得到的各指标值进行排序，选择指标值小于设定阈值的节点，并定义这些节点形成的区域为电压稳定性小于设定阈值的区域。

具体地，所述指标计算公式的建立过程包括：

设交直流电力系统包含m个交流节点，n个直流节点，考虑负荷静态电压特性的交流节点功率偏差方程表示如下：

系统中直流节点功率偏差方程表示如下：

式中：i＝1,2,…,m；U_i为节点i的电压；U_j为节点j的电压；ΔP_i为节点i的有功功率增量；ΔQ_i为节点i的无功功率增量；ΔP_k为直流节点k的有功功率增量；ΔQ_k为直流节点k的无功功率增量；P_Li、Q_Li分别为负荷有功、无功功率；G_ij、B_ij分别为节点i与节点j间的导纳和容纳；θ_ij为节点间的相角差；k＝1,2,…,n；U_dk、I_dk分别为直流节点k直流电压和直流电流；

为换流器的功率因数角；P_k和Q_k分别为直流节点k的有功功率和无功功率；U_k为直流节点k的电压；G_kj和B_kj分别为直流节点k与节点j之间的导纳和容纳；±分别表示整流器(+)和逆变器(-)；本发明中若未明确交代是直流节点的，则表示该节点为交流节点。

将潮流方程式(2a)、(2b)、(3a)和(3b)在运行点用Taylor级数展开，得到用雅克比矩阵表示的功率电压方程式，如下所示：

设γ_i为式(4)中矩阵

的特征值，特征值实部大小能够表征系统电压稳定薄弱程度，为书写方便记

矩阵特征向量与特征值满足如下关系：

Jα_i＝γ_iα_i (5a)

β_i′J＝γ_iβ_i (5b)

式中：β_i、α_i分别为特征值γ_i的左、右特征向量。

对式(5a)、(5b)求某参数δ(如负荷参数等)的偏导，得：

对式(6)转置并右乘β_i，得：

解式(5a)、(5b)和式(7)，得：

由式(8)，提出衡量节点i随参数δ变化引起电压稳定薄弱程度的指标(即指标计算公式)如下，：

式中，γ_i表示系统方程雅克比矩阵的特征值，Re(γ_i)表示特征值γ_i的实部。当

时，表明特征值实部随参数变化远离虚轴，其电压稳定裕度会增加，该种情况下不会使电压稳定性趋向薄弱，因此不予考虑。可见，若某节点i的T_i值越小，表明该节点电压所对应的特征值随参数变化越早到达虚轴，导致失稳，则电压稳定性程度弱，相反，节点i电压所对应特征值实部越晚到达虚轴，则电压稳定性程度较高。其原理如图3所示

可见，本发明实施例中的方法不仅能表征当前系统电压稳定薄弱区域，也能表示参数发生变化时，其电压稳定薄弱区域如何发生变化，这是与传统方法不同的。

当选取确定系统的电压稳定薄弱环节后，需要对交直流系统中引起换相失败的因素加以考虑，及早预防。

交直流电力系统中交流母线电压幅值大幅下降是引起换相失败的常见因素，因此选取交流母线电压幅值下降较大的节点作为同步调相机的连接点是解决换相失败的重要措施。节点发生三相短路为电力系统最严重故障之一，此时对无功需求也极为迫切，而在不同节点进行无功补偿对系统电压稳定的支撑效果则非常不同。根据国际标准，若发生故障引起电压降落，一般对低于0.8U_N则视为不可接受，需要紧急控制，因此运行过程中一般要求要高于0.8U_N。鉴于此，本发明选择最合适无功补偿点中提出了衡量电压下降严重程度的指标H，以某节点出发，遍历系统剩余所有节点依次发生三相短路故障后，计算该节点电压下降幅度大小作为衡量标准进行判定。

设某节点i发生短路故障，其余节点电压出现波动，衡量该影响的指标如下：

式中：N为节点数目，Δu_j为电压低于0.8额定电压后的电压与故障前的压差，Δt为持续时间，U_N为节点j的额定电压。

该指标能表示故障后除故障点外其它受影响程度，指标值越大，故障对其它节点影响越大，依此选作无功补偿节点；但无法表示系统中任意节点发生故障，对本节点电压幅值降落的影响程度，而同步调相机应该连接在电压降落最明显的节点以支撑整个系统的电压稳定性，避免因本节点电压下降严重引起整个系统电压失稳的连锁反应，为此，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述电压幅值受故障影响最为严重的节点的筛选方法包括：

获取受故障影响后节点电压降落的计算公式；

基于所述受故障影响后节点电压降落的计算公式，计算出电压稳定性小于设定阈值的区域中各节点的电压降落值；

对各节点的电压降落值进行排序，以满足电力系统稳定运行需求为条件，按照从大到小的顺次依次选取与各电压降落值的对应的节点作为同步调相机的连接节点，直至筛选出所有满足要求的节点。

所述受故障影响后节点电压降落的计算公式具体为：

式中，N表示节点数目，t_w表示第w个时间点，t_k+1表示第w+1个时间点，

为第w时段内所有节点电压平均值(即研究的电力系统内的所有节点，比如某个区内的电网内的所有节点)，

为节点j发生三相短路故障致节点i电压下降的度量，H_i为节点i的电压降落值。

可见，以节点i为出发点，本本发明所给出指标能够较为明确的衡量出系统剩余所有节点发生故障对节点i的影响，据此可以选取整个系统受故障影响最为严重的节点，作为同步调相机最合适的连接点。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，最终的同步调相机连接点的确定方法包括：

分别计算出对各筛选出的节点进行无功补偿的总成本；

若各筛选出的节点的电压降落值相近或相等，则选择无功补偿的总成本最低的作为最终的同步调相机连接点；

若各筛选出的节点的电压降落值相差大于设定阈值(即相差较大)，则优先考虑保证系统稳定运行，其次再考虑总成本最低。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无功补偿的总成本的计算公式为：

F_i＝F_i1+F_i2+F_i3

式中，F_i1为同步调相机装设在节点i的购置成本；F_i2为同步调相机装设在节点i的年运行成本；F_i3为同步调相机装设在节点i的节能与环保成本。

实施例2

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的装置，包括：

识别单元，用于识别出电力系统的电压稳定性小于设定阈值的区域；

筛选单元，用于筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

选择单元，用于对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

其余部分均与实施例1相同。

实施例3

基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的系统，包括：处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，包括：

识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；

筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，所述电压稳定性小于设定阈值的区域的识别方法包括：

获取指标计算公式；

基于所述指标计算公式计算出电力系统中各节点的指标值；

对计算得到的各指标值进行排序，选择指标值小于设定阈值的节点，并定义这些节点形成的区域为电压稳定性小于设定阈值的区域。

3.根据权利要求2所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，所述指标计算公式为：

式中，γ_i表示系统方程雅克比矩阵的特征值，Re(γ_i)表示特征值γ_i的实部，若某节点i的T_i值越小，表明该节点电压所对应的特征值随参数变化越早到达虚轴，导致失稳，则电压稳定性程度弱，δ为某参数。

4.根据权利要求1所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，所述电压幅值受故障影响最为严重的节点的筛选方法包括：

获取受故障影响后节点电压降落的计算公式；

基于所述受故障影响后节点电压降落的计算公式，计算出电压稳定性小于设定阈值的区域中各节点的电压降落值；

对各节点的电压降落值进行排序，以满足电力系统稳定运行需求为条件，按照从大到小的顺次依次选取与各电压降落值的对应的节点作为同步调相机的连接节点，直至筛选出所有满足要求的节点。

5.根据权利要求4所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，所述受故障影响后节点电压降落的计算公式具体为：

式中，N表示节点数目，t_w表示第w个时间点，t_k+1表示第w+1个时间点，

为第w时段内所有节点电压平均值，

为节点j发生三相短路故障致节点i电压下降的度量，H_i为节点i的电压降落值。

6.根据权利要求1所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于，最终的同步调相机连接点的确定方法包括：

分别计算出对各筛选出的节点进行无功补偿的总成本；

若各筛选出的节点的电压降落值相近或相等，则选择无功补偿的总成本最低的作为最终的同步调相机连接点；

若各筛选出的节点的电压降落值相差大于设定阈值，则优先考虑保证系统稳定运行，其次再考虑总成本最低。

7.根据权利要求6所述的一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的方法，其特征在于：所述无功补偿的总成本的计算公式为：

F_i＝F_i1+F_i2+F_i3

式中，F_i1为同步调相机装设在节点i的购置成本；F_i2为同步调相机装设在节点i的年运行成本；F_i3为同步调相机装设在节点i的节能与环保成本。

8.一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的装置，其特征在于，包括：

识别单元，用于识别出电力系统中电压稳定性小于设定阈值的区域；

筛选单元，用于筛选出所述电压稳定性小于设定阈值的区域中电压幅值受故障影响且满足设定要求的节点；

选择单元，用于对筛选出的节点进行经济性评价，最终确定同步调相机连接点，完成同步调相机无功补偿节点的选择。

9.一种电力系统中同步调相机选择无功补偿节点的系统，其特征在于，包括：处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

Images