CN111564870A - 一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法。离线阶段：再现事故预案故障；对故障后领先机群施加相同控制命令，记录其电磁功率曲线；计算相应系统减速能量，确定领先机群灵敏度序列表；计算系统在确定发电机组不同切机比例下减速能量，形成减速能量‑切机比例曲线，确定切机比例上限。在线阶段：获取故障期间历史量测数据；计算系统积累的不平衡能量，并预测故障后电磁功率曲线；依据三角形近似法，迭代求解紧急控制量；结合发电机灵敏度和切机比例上限形成切机方案。本发明可以极大地降低故障后紧急控制量预估的保守性，充分发挥了高灵敏度机组对恢复系统暂态稳定的作用，从而，减少了切机量，降低了紧急控制成本。

Description

一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定 方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法。

背景技术

随着超高压交直流混合电网的快速发展，电网优化资源配置的能力得到了显著提高。特高压直流输电线路大容量远距离输电的特点更加明显。但随着电网惯性的减弱，大扰动引起的稳定性问题将更加突出，大扰动后在发送端和接收端瞬时积累的体积不平衡能量。切机控制不仅可以直接减少过剩的暂态动能，更为重要的是可以改变系统的暂态动能分布，有效降低系统中暂态能量。如何采取有效切机控制措施，加速不平衡能量的消解，保持电力系统的暂态稳定性一直是研究的热点。

目前在确定故障后切机总量时，主要采用能量函数法和扩展等面积法则。包括根据修正能量函数的守恒性定义不同切除量下的暂态稳定裕度，通过插值法确定临界裕度下的切机总量；根据所分析的控制后相轨迹斜率变化特性，得到控制量与相轨迹斜率变化特性的关系，以常数近似的轨迹斜率得到实际控制量；以上切机措施多是面向纯交流系统，由于交流线路的故障引发的系统暂态失稳的切机策略，而对于交直流混联系统和异步互联系统，在大容量直流线路出现闭锁故障后，系统中暂态能量的传播与演化与上述有明显不同，而面向该种特定扰动下的稳控措施的研究较少。

在计算出对应等值系统的总切机量后，研究根据单一性指标，即依据电气距离确定机组切除顺序或机组出力情况分配切机量；为提高评价方法的准确性，进一步提出复合型指标指导切机。有学者提出基于功率转移分布因子的切机分摊方法,对每次计算得到的机组动能增量进行排序，制定基于发电机响应的最新切机序位表；另有学者综合考虑发电机的暂态动能和功角的影响,选择总容量大于且最接近于控制总量的切机地点排序表中的前几台发电机作为最终的切机控制策略。这些方法丰富了暂态稳定切机量分配方法的研究，但描述切机措施的本质作用，进而建立更为广泛的控制措施评价标准需要进一步研究。

三角形近似法来估算切机控制总量的方法，考虑大容量直流输电系统故障类型，降低了估算量的保守性，同时从减速能量的角度建立一种有效评价切机控制效果的灵敏度指标，基于此建立的考虑切机比例约束的切机策略将能充分发挥高灵敏度发电机暂态稳定恢复过程中的作用，使得故障后系统快速进入稳态

发明内容

本发明的目的是提供一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，以提高故障后电力系统的暂态稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，包括：

由两个阶段构成：离线阶段和在线阶段；

离线阶段的特征包括：

再现离线预案中涉及的故障类型；

在领先机群中施加相同切机命令，并分别记录所有发电机的电磁功率数据；

根据上述功率数据，分别计算每次控制命令下系统的减速能量，依据数值大小，形成切机灵敏度表序；

在某确定发电机施加切机动作，按照10％的迭代步长逐渐增加切机比例，并分别记录所有发电机的电磁功率数据；

根据上述功率数据，分别计算每次切机动作下的系统减速能量，基于上述数据拟合出减速能量-切机比例曲线；

依据上述曲线，结合拟合的切线直线和误差约束，确定系统中单台机组切机比例上限；

在线阶段的特征包括：

获取紧急切机动作前所有发电机的功角数据；

基于上述数据确定由领先机组组成的待切机群

获取故障期间所有发电机的功率数据；

基于故障发生后至紧急切机动作前所有发电机的功率数据，计算暂态过程中系统积累的不平衡能量；

基于故障前数据，进行轨迹预测，获得近似的直流闭锁后的电磁功率曲线和功角曲线；

依据紧急切机控制原理，评估切机总量；

结合离线阶段形成的静态约束，即切机灵敏度和切机比例上限约束形成最终的故障后紧急切机控制策略表。

可选的，故障后系统中积累的不平衡能量为

其中，P_mi为第i台发电机直流闭锁后对应的机械功率数据，P′_ei为第i台发电机直流闭锁后对应的实际电磁功率数据，δ_0i和δ_ai分别为第i台发电机故障发生时刻t₀以及紧急切机动作前t_a发电机功角数据。

可选的，基于历史量测数据进行轨迹预测，获得故障后的电磁功率曲线和功角曲线；

所述切机控制总量的评估方法主要包括以下环节，具体包括：

基于上述故障后预测轨迹P_e＝P_e(δ)，确定轨迹曲线的最大值P_emax；

以当前系统等值机械功率P_m为迭代初值，ΔP为迭代步长，进行迭代运算，此时P′_{m_1}＝P′_m-1*ΔP；

令P_m＝P_e(δ)，求解此时的机械功率曲线与电磁功率曲线的交点数据δ_{s_1}和δ_{u_1}；

依据上述功角信息，求解第k步迭代过程中，三角形近似下的减速能量值

若满足|V_U-V_{D_k}|≤|V_U-V_{D_k+1}|，则迭代结束，否则P′_{m_k+1}＝P′_m-(k+1)*ΔP，返回求解此时的方程解δ_{s_k+1}和δ_{u_k+1}；

迭代结束后，返回δ_{s_k+1}，δ_{u_k+1}和P_e(δ_{s_k})；

依据

求解故障后的切机控制总量。

可选的，依据切机动作引起的减速能量

的不同确定发电机的切机灵敏度顺序，其中，V_D为直流闭锁采取切机措施后的减速能量值，u为相应控制量；

可选的，建立基于广域量测系统的适用于大电网的切机依据切机灵敏度快速计算方法，即以振荡周期内功角达到最大值时与切机动作时刻的动能差值来近似减速能量V_D，因此得到切机灵敏度指标为

其中，V_k对应于送电系统等值发电机的动能，δ_max对应切机后发电机振荡周期内的最大功角。

可选的，建立具有切机比例上限约束的切机总量分配方法，其具体求解过程如下：

依据上述切机灵敏度信息，将待切机群中发电机组按照灵敏度数值从大到小的顺序重新编号排列，切机分配方法表达如下：

其中，ΔP_mi为第i台发电机对应的切机量，η_i取值为0或1，具体确定方法如下：

当

时，η₁为1其余全为零，ΔP_m1＝ΔP_m；

当

时，η₁和η₂为1，其余全为零，此时ΔP_m1＝k*P_m10，ΔP_m2＝ΔP_m-ΔP_m1。若此时ΔP_m1和ΔP_m2代入满足上式，则迭代结束，返回ΔP_m1和ΔP_m2数值，否则进一步进行迭代，i＝i+1，η_α＝1(α＝1,2,3…i)，η_β＝0(β＝i+1,i+2,i+3…n)。k值与网络规模有关，可通过仿真测试的方法获得。

可选的，本发明提供一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定系统，包括：

功率获取模块，用于获取所有发电机的功率数据；

系统不平衡能量计算模块，用于根据所有发电机的功率数据求取故障过程中各发电机中不平衡能量的积累；所述故障过程中各发电机不平衡能量的积累为故障引起的发电机动能的变化量；

切机灵敏度计算模块，用于根据不同切机地点处，相同的切机控制总量下减速能量的数值确定待切机群中的各发电机的切机灵敏度；

切机比例上限约束计算模块，用以根据同一切机地点，逐渐增加的切机控制量下的减速能量拟合减速能量-切机比例曲线，确定线性叠加的误差范围内约束的切机比例约束条件；

故障后系统电磁功率曲线，功角曲线预测环节；

故障后切机控制总量评估环节，用以估算故障后全系统发电机暂态稳定紧急切机总量；

切机策略形成环节，用以根据切机总量，切机灵敏度和切机上限约束确定切机总量的具体分配方案。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1的系统结构图；

图3为本发明实施例1的减速能量-切机比例曲线图。

图4为本发明实施例1的切机控制效果图。

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。

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。

图1为本发明提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法的流程示意图。如图1所示，包括以下离线阶段和在线阶段，其中离线阶段的主要步骤包括：

步骤100：基于离线策略表，再现系统故障。

步骤200：在某确定发电机施加切机命令，逐渐增加切机比例k，并记录所有发电机组的功率数据，依据下式计算相应的减速能量：

其中，δ_u为切机动作后的系统不稳定平衡点，P_e1为故障后等值电磁功率， P″_m为切机后的等效机械功率，ΔP_m为切机量。

步骤201：在故障后的领先机群中施加相同的切机命令，即在同一时刻切除相同量的发电机出力，记录所有机组的功率数据，以振荡周期内功角达到最大值时与切机动作时的动能差值来近似减速能量的效果V_D。

式中，V_k对应于送电系统等值发电机的动能，δ_max对应切机后发电机振荡周期内的最大功角。因此对于大电网系统，可借助于量测信息，根据式(2) 获得切机后的V_D，作为切机效果评估指标。

步骤301：根据上步计算所得各发电机组切机控制后的减速能量，按照从大到小的顺序将对应的发电机组进行排序，形成本系统的切机灵敏度表序。

步骤400：结合切机灵敏度表序和切机比例上限约束，理想形成本切机控制策略的离线准备工作，形成后续切机方案的静态约束。

在线阶段的步骤包括：

步骤500：采集在线阶段电网数据，包括各发电机电磁功率，机械功率等数据；

步骤501：获取紧急切机前所有发电机的功角，角速度等数据；

步骤601：依据功角摆开情况，形成有超前机群中的有效机组组成的待切机群；

步骤502：基于历史量测数据，预测故障后的电磁功率曲线，功角曲线；

步骤602：基于上述预测功率曲线，评估故障后的切机控制总量，具体步骤如下：

确定故障后系统中积累的不平衡能量为

其中，P_mi为第i台发电机直流闭锁后对应的机械功率数据，P_e'_i为第i台发电机直流闭锁后对应的实际电磁功率数据，δ_0i和δ_ai分别为第i台发电机故障发生时刻t₀以及紧急切机动作前t_a发电机功角数据。

基于上述故障后预测轨迹P_e＝P_e(δ)，确定轨迹曲线的最大值P_emax；

以当前系统等值机械功率P_m为迭代初值，ΔP为迭代步长，进行迭代运算，此时P′_{m_1}＝P′_m-1*ΔP；

令P_m＝P_e(δ)，求解此时的机械功率曲线与电磁功率曲线的交点数据δ_{s_1}和δ_{u_1}；

依据上述功角信息，求解第k步迭代过程中，三角形近似下的减速能量值

若满足|V_U-V_{D_k}|≤|V_U-V_{D_k+1}|，则迭代结束，否则P′_{m_k+1}＝P′_m-(k+1)*ΔP，返回求解此时的方程解δ_{s_k+1}和δ_{u_k+1}；

迭代结束后，返回δ_{s_k+1}，δ_{u_k+1}和P_e(δ_{s_k})；

依据

求解故障后的切机控制总量。

步骤700：结合离线阶段形成的静态约束，以及在线阶段确定的待切机群和切机控制总量，形成本发明所述暂态稳定紧急切机控制策略，具体包括：

其中，ΔP_mi为第i台发电机对应的切机量，η_i取值为0或1，具体确定方法如下：

当

时，η₁为1其余全为零，ΔP_m1＝ΔP_m；

当

时，η₁和η₂为1，其余全为零，此时ΔP_m1＝k*P_m10，ΔP_m2＝ΔP_m-ΔP_m1。若此时ΔP_m1和ΔP_m2代入满足上式(4)，则迭代结束，返回ΔP_m1和ΔP_m2数值，否则进一步进行迭代，i＝i+1，η_α＝1(α＝1,2,3…i)，η_β＝0(β＝i+1,i+2,i+3…n)。k值与网络规模有关，可通过仿真测试的方法获得。

本发明采用实施例1(基于改进的CEPRI-36搭建的典型异步互联两端直流输电系统)，验证本方法的效果：

图2为本发明实施例1的系统结构图，其中A区域电网为送端电网，B 区域电网为受端电网，两者均采用改进的CEPRI-36系统。两区域电网之间通过2条500kV的HVDC输电线路互联，分别连接于A区域电网的24A与B 区域电网的24B节点，以及A区域电网的16A与B区域电网的16B节点。稳态时直流线路HVDC(24A-24B)输送功率为500MW，直流线路HVDC (16A-16B)输送功率500MW。

图3展示本仿真实例中减速能量-切机比例拟合曲线以及拟合直线，由图可发现，当切机比例达到20％时，便不再满足直线约束，当切机比例达到25％时，误差达到23％，而当切机比例达到35％时，误差已经达到60％，切机操作已经改变了故障区暂态能量的分布，切机量应限制，文中基于此确定式(10) 中的k值为0.25。

图4展示了本发明所提紧急切机控制策略与不同切机控制方案下的切机控制效果的比较图。涉及到的四种具体方案为：

方案一：基于本文所提方法进行切机；

方案二：切机控制量为3.42pu，同时在领先机群中按照发电机出力分配切机量；

方案三：切机控制量为2.533pu，同时在领先机群中按照发电机出力分配切机方案；

方案四：切机控制量为2.533pu，同时按照本文切机量分配方法形成相应切机方案。

根据图4(a)，基于本文所提方法计算出的切机量可以有效使即将发生失稳的系统恢复稳定，与此同时，当切机控制量为2.533pu时，由于过于保守未能使系统进入稳定状态。进一步分析可以发现，如图4(b)所示，虽然在确定切机量，不同切机量分配方案下系统同样能够恢复稳定，但可以看出暂态过程中方案二对应等值功角曲线振荡幅值更大，接近130°，另一方面，当施加相同的控制总量时，本文所提切机量分配方案可以降低功角上升速度，但如果切机量不足，最终系统功角仍然失去稳定性。因此，基于仿真现象，相同情况下文中方法计算的切机量更能够有效抑制失稳，恢复系统稳定性，同时，相同切机量下，文中所提切机量分配方案能够更加有效地抑制功角摆开的速度，从而在暂态稳定控制中具有一定的参考意义。

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)

1.一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，由两个阶段构成：离线阶段和在线阶段；

离线阶段的特征包括：

再现离线预案中涉及的故障类型；

在领先机群中施加相同切机命令，并分别记录所有发电机的电磁功率数据；

根据上述功率数据，分别计算每次控制命令下系统的减速能量，依据数值大小，形成切机灵敏度表序；

在某确定发电机施加切机动作，按照10％的迭代步长逐渐增加切机比例，并分别记录所有发电机的电磁功率数据；

根据上述功率数据，分别计算每次切机动作下的系统减速能量，基于上述数据拟合出减速能量-切机比例曲线；

依据上述曲线，结合拟合的切线直线和误差约束，确定系统中单台机组切机比例上限；

在线阶段的特征包括：

获取紧急切机动作前所有发电机的功角数据；

基于上述数据确定由领先机组组成的待切机群

获取故障期间所有发电机的功率数据；

基于故障发生后至紧急切机动作前所有发电机的功率数据，计算暂态过程中系统积累的不平衡能量；

基于故障前数据，进行轨迹预测，获得近似的直流闭锁后的电磁功率曲线和功角曲线；

依据紧急切机控制原理，评估切机总量；

结合离线阶段形成的静态约束，即切机灵敏度和切机比例上限约束形成最终的故障后紧急切机控制策略表。

2.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，故障后系统中积累的不平衡能量为

其中，P_mi为第i台发电机直流闭锁后对应的机械功率数据，P′_ei为第i台发电机直流闭锁后对应的实际电磁功率数据，δ_0i和δ_ai分别为第i台发电机故障发生时刻t₀以及紧急切机动作前t_a发电机功角数据。

3.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，基于历史量测数据进行轨迹预测，获得故障后的电磁功率曲线和功角曲线。

4.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，所述切机控制总量的评估方法主要包括以下环节，具体包括：

基于上述故障后预测轨迹P_e＝P_e(δ)，确定轨迹曲线的最大值P_emax；

以当前系统等值机械功率P_m为迭代初值，ΔP为迭代步长，进行迭代运算，此时P′_{m_1}＝P′_m-1*ΔP；

令P_m＝P_e(δ)，求解此时的机械功率曲线与电磁功率曲线的交点数据δ_{s_1}和δ_{u_1}；

依据上述功角信息，求解第k步迭代过程中，三角形近似下的减速能量值

若满足|V_U-V_{D_k}|≤|V_U-V_{D_k+1}|，则迭代结束，否则P′_{m_k+1}＝P′_m-(k+1)*ΔP，返回求解此时的方程解δ_{s_k+1}和δ_{u_k+1}；

迭代结束后，返回δ_{s_k+1}，δ_{u_k+1}和P_e(δ_{s_k})；

依据

求解故障后的切机控制总量。

5.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，依据切机动作引起的减速能量

的不同确定发电机的切机灵敏度顺序，其中，

V_D为直流闭锁采取切机措施后的减速能量值，u为相应控制量。

6.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，建立基于广域量测系统的适用于大电网的切机依据切机灵敏度快速计算方法，即以振荡周期内功角达到最大值时与切机动作时刻的动能差值来近似减速能量V_D，因此得到切机灵敏度指标为

其中，V_k对应于送电系统等值发电机的动能，δ_max对应切机后发电机振荡周期内的最大功角。

7.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，建立具有切机比例上限约束的切机总量分配方法，其具体求解过程如下：

依据上述切机灵敏度信息，将待切机群中发电机组按照灵敏度数值从大到小的顺序重新编号排列，切机分配方法表达如下：

其中，ΔP_mi为第i台发电机对应的切机量，η_i取值为0或1，具体确定方法如下：

当

时，η₁为1其余全为零，ΔP_m1＝ΔP_m；

当

时，η₁和η₂为1，其余全为零，此时ΔP_m1＝k*P_m10，ΔP_m2＝ΔP_m-ΔP_m1。若此时ΔP_m1和ΔP_m2之和满足上述切机控制总量，则迭代结束，返回ΔP_m1和ΔP_m2数值，否则进一步进行迭代，i＝i+1，η_α＝1(α＝1,2,3…i)，η_β＝0(β＝i+1,i+2,i+3…n)。k值与网络规模有关，可通过仿真测试的方法获得。

8.根据权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的紧急切机控制策略表整定方法，其特征在于，包括：

功率获取模块，用于获取所有发电机的功率数据；

系统不平衡能量计算模块，用于根据所有发电机的功率数据求取故障过程中各发电机中不平衡能量的积累；所述故障过程中各发电机不平衡能量的积累为故障引起的发电机动能的变化量；

切机灵敏度计算模块，用于根据不同切机地点处，相同的切机控制总量下减速能量的数值确定待切机群中的各发电机的切机灵敏度；

切机比例上限约束计算模块，用以根据同一切机地点，逐渐增加的切机控制量下的减速能量拟合减速能量-切机比例曲线，确定线性叠加的误差范围内约束的切机比例约束条件；

故障后系统电磁功率曲线，功角曲线预测环节；

故障后切机控制总量评估环节，用以估算故障后全系统发电机暂态稳定紧急切机总量；

切机策略形成环节，用以根据切机总量，切机灵敏度和切机上限约束确定切机总量的具体分配方案。

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