CN111600301A - 一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统 - Google Patents

一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统，该方法获取重合闸装置的最小动作时间；进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于最小动作时间下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；每一步迭代搜索的结果，为重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。基于方法，还提出了整定系统，本发明通过优化重合闸时间，使永久性故障重合闸的暂态稳定性最好协调了最优重合闸时刻的搜索精度与速度。

Description

一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，具体涉及一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统。
背景技术
线路保护普遍配置了自动重合闸装置。瞬时故障后的重合闸可以保证系统完整性、提高系统供电可靠性。但是，如果发生的故障是永久性故障，自动重合闸可能造成系统二次短路。现有的重合闸装置仍然难以准确判别瞬时性故障和永久性故障，因此在整定重合闸时间时需要考虑永久性故障可能引发的暂态稳定风险。
考虑二次短路暂态稳定性最优的重合闸时刻又被简称为最优重合闸时刻。传统研究主要通过逐步摄动重合闸时刻，比较不同重合闸时刻的数值仿真轨迹，进而得到最优重合闸时刻。这种方法虽然精确，但是计算代价较大，仅能用于重合闸时刻的离线整定，难以在线应用。由于重合闸对于系统暂态稳定性的影响与运行方式密切相关，重合闸时刻有必要结合工况进行在线更新。也有工程人员认为短路故障轨迹的最小转速时刻就是最优重合闸时刻，虽然较为简便快速，但结论的鲁棒性不高，难以指导实际的工程应用。现有的最优重合闸时刻仍然难以在线快速整定，其瓶颈在于搜索策略的速度和精度难以同时保证。
发明内容
本发明提出了一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统，通过优化重合闸时间，使永久性故障重合闸的暂态稳定性最好；协调了最优重合闸时刻的搜索精度与速度，大幅提高了最优重合闸时刻搜索速度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种最优重合闸时刻的快速整定方法，包括以下步骤：
获取重合闸装置的最小动作时间；
进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；
从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；
根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。
进一步的，所述重合闸装置的最小动作时间tr.min为：故障点电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度的时间T1、断路器动作跳闸后，重合闸装置触头周围绝缘强度恢复以及消弧室重新充满油的时间T2和操作机构恢复原状准备好再次动作的时间T3之和。
进一步的，所述进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值，包括：
对电力多机系统，针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；
基于扩展等面积准则EEAC理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值并简化为单机无穷大OMIB系统；
在搜索时间范围大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障仿真轨迹进行等值并基于单机无穷大系统轨迹设定搜索初值的规则；通过所述搜索初值的规则确定搜索初值。
进一步的，所述搜索初值的规则为：将搜索范围限定在反摆起始时刻至角速度最大值时刻之间，从反摆角速度最大时刻启动搜索；tr.0＝tω.bmax；
其中tr.0为搜索初值，tω.bmax为反摆角速度最大时刻。
进一步的，所述从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对最优重合闸时刻进行迭代搜索求解，包括：
搜索初值反摆角速度的暂态稳定性重合闸时刻函数为η＝f(tr)；
最优重合闸时刻满足
Figure BDA0002524103930000031
所述
Figure BDA0002524103930000032
采用牛顿法-拉弗逊方法迭代求解；迭代公式为
Figure BDA0002524103930000033
利用稳定性相对于重合闸时刻的二阶灵敏度为负的特性识别极大值点，并通过小步长摄动跳出二阶灵敏度为负的区间；
其中，tr为重合闸时刻；tr.n为第n次迭代重合闸时刻；tr.n+1为第n+1次迭代重合闸时刻。
进一步的，所述根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度，当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻的方法为：
设定所述迭代搜索的终止判据为：
Figure BDA0002524103930000034
其中，所述ε为接近0的小数。
本发明还提出了一种最优重合闸时刻的快速整定系统，包括获取模块、第一确定模块、计算迭代模块和整定模块；
所述获取模块用于获取重合闸装置的最小动作时间；
所述第一确定模块用于进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；
所述计算迭代模块从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；
所述整定模块用于根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。
进一步的，所述第一确定模块包括积分模块、变换模块和设定模块；
所述积分模块用于对电力多机系统，针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；
所述变换模块用于基于扩展等面积准则EEAC理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值并简化为单机无穷大OMIB系统；
所述设定模块用于在搜索时间范围大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障仿真轨迹进行等值并基于单机无穷大系统轨迹设定搜索初值的规则；通过所述搜索初值的规则确定搜索初值。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提出了一种最优重合闸时刻的快速整定方法和系统，该方法包括获取重合闸装置的最小动作时间；进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。基于本发明提出的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，还提出了最优重合闸时刻的快速整定系统，本发明通过优化重合闸时间，使永久性故障重合闸的暂态稳定性最好；协调了最优重合闸时刻的搜索精度与速度，大幅提高了最优重合闸时刻搜索速度，使最优重合闸时刻的整定能够在线应用，具有良好的工程应用前景。
附图说明
如图1给出了基于本发明实施例1提出的基于一种最优重合闸时刻的快速整定方法流程图；
如图2给出了基于本发明实施例1提出的3机9节点系统拓扑图；
如图3给出了基于本发明实施例1提出的OMIB系统无重合闸的短路故障曲线和搜索初值的关系；
如图4给出了基于本发明实施例1提出的永久性短路故障不同时刻重合闸的效果对比；
如图5给出了基于本发明实时例1提出的一种最优重合闸时刻的快速整定系统示意图。
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。
实施例1
本发明提出了一种最优重合闸时刻的快速整定方法，如图1给出一种最优重合闸时刻的快速整定方法流程图。
开始处理该流程。
步骤1中，获取重合闸装置的最小动作时间tr.min，重合闸装置的最小动作时间tr.min等于故障点电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度的时间T1、断路器动作跳闸后，重合闸装置触头周围绝缘强度恢复以及消弧室重新充满油的时间T2和操作机构恢复原状准备好再次动作的时间T3之和。
步骤2中，进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值。
对于任意多机系统，首先针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；然后，基于EEAC(扩展等面积准则)理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值OMIB(并简化为单机无穷大)系统，为薛禹胜院士提出的电力系统暂态稳定分析理论。最后在大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障的等值OMIB(并简化为单机无穷大)轨迹设定搜索初值规则。将搜索范围限定在反摆起始时刻至角速度最大值时刻之间，避免陷入局部极小值。建议搜索从反摆角速度最大时刻启动tr.0＝tω.bmax，其中tr.0为搜索初值，tω.bmax为反摆角速度最大时刻。
步骤3中，从搜索初值出发，在搜索范围内对最优重合闸时刻进行迭代搜索求解。
反摆角速度的暂态稳定性重合闸时刻函数为η＝f(tr)；最优重合闸时刻满足
Figure BDA0002524103930000061
采用牛顿法-拉弗逊方法迭代求解；其中迭代公式为
Figure BDA0002524103930000062
利用稳定性相对于重合闸时刻的二阶灵敏度为负的特性识别极大值点，并通过小步长摄动跳出二阶灵敏度为负的区间。非线性函数的极小值附近的二阶灵敏度为正，极大值附近的二阶灵敏度为负，因此当函数的二阶灵敏度为负时，系统可能处于最不稳定的区间范围内。通过在该时刻附近进行试探，找到二阶灵敏度为正的取值范围，继续按照迭代公式进行迭代搜索即可。
步骤4中，根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度，当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。设定迭代搜索终止判据不等式
Figure BDA0002524103930000071
；ε为接近0的小数。
整个流程结束。
如图2给出了基于本发明实施例1提出的3机9节点系统拓扑图；选择bus_8-bus_9首端发生的三相永久短路故障，故障持续0.15s后线路跳开，最小重合闸时间为0.8s，重合闸后跳闸时间为0.1s。
首先对bus_8-bus_9首端发生的三相短路故障进行数值积分，得到相应的功角摇摆曲线，主导模式为bus_2相对另外两台机组的振荡模式。如图3给出了基于本发明实施例1提出的OMIB系统无重合闸的短路故障曲线和搜索初值的关系。进行无重合闸的短路故障场景仿真，确定最优重合闸时刻的搜索初值。以0.8s以后的首个反摆角速度最大值时刻1.41s作为搜索的初值。根据初值反摆角速度的暂态稳定性重合闸时刻函数，计算最优重合闸时刻；对于极大值点，利用非线性方程二阶灵敏度为负的特征予以识别，并按照迭代公式进行迭代搜索；其中迭代过程如下表1所示：
Figure BDA0002524103930000072
经过3步迭代，即可快速搜索到最优重合闸时刻。如图4给出了基于本发明实施例1提出的永久性短路故障不同时刻重合闸的效果对比，比较了按照0.8s重合、最大角速度时刻1.41s重合和按照本文整定结果(1.33s)重合的等值OMIB功角振荡曲线。
基于本发明提出的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，本发明还提出了一种最优重合闸时刻的快速整定系统，如图5给出了基于本发明实施例1提出的一种最优重合闸时刻的快速整定系统示意图，包括获取模块、第一确定模块、计算迭代模块和整定模块；获取模块用于获取重合闸装置的最小动作时间；第一确定模块用于进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；计算迭代模块从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；整定模块用于根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。
其中，第一确定模块包括积分模块、变换模块和设定模块；积分模块用于对电力多机系统，针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；变换模块用于基于扩展等面积准则EEAC理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值并简化为单机无穷大OMIB系统；设定模块用于在搜索时间范围大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障仿真轨迹进行等值并基于单机无穷大系统轨迹设定搜索初值的规则；通过所述搜索初值的规则确定搜索初值。
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。
以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取重合闸装置的最小动作时间；
进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；
从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；
根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。
2.根据权利要求1所述的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，所述重合闸装置的最小动作时间tr.min为：故障点电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度的时间T1、断路器动作跳闸后，重合闸装置触头周围绝缘强度恢复以及消弧室重新充满油的时间T2和操作机构恢复原状准备好再次动作的时间T3之和。
3.根据权利要求1所述的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，所述进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值，包括：
对电力多机系统，针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；
基于扩展等面积准则EEAC理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值并简化为单机无穷大OMIB系统；
在搜索时间范围大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障仿真轨迹进行等值并基于单机无穷大系统轨迹设定搜索初值的规则；通过所述搜索初值的规则确定搜索初值。
4.根据权利要求3所述的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，所述搜索初值的规则为：将搜索范围限定在反摆起始时刻至角速度最大值时刻之间，从反摆角速度最大时刻启动搜索；tr.0＝tω.bmax；
其中tr.0为搜索初值，tω.bmax为反摆角速度最大时刻。
5.根据权利要求1所述的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，所述从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对最优重合闸时刻进行迭代搜索求解，包括：
搜索初值反摆角速度的暂态稳定性重合闸时刻函数为η＝f(tr)；
最优重合闸时刻满足
Figure FDA0002524103920000021
所述
Figure FDA0002524103920000022
采用牛顿法-拉弗逊方法迭代求解；迭代公式为
Figure FDA0002524103920000023
利用稳定性相对于重合闸时刻的二阶灵敏度为负的特性识别极大值点，并通过小步长摄动跳出二阶灵敏度为负的区间；
其中，tr为重合闸时刻；tr.n为第n次迭代重合闸时刻；tr.n+1为第n+1次迭代重合闸时刻。
6.根据权利要求1所述的一种最优重合闸时刻的快速整定方法，其特征在于，所述根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度，当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻的方法为：
设定所述迭代搜索的终止判据为：
Figure FDA0002524103920000031
其中，所述ε为接近0的小数。
7.一种最优重合闸时刻的快速整定系统，其特征在于，包括获取模块、第一确定模块、计算迭代模块和整定模块；
所述获取模块用于获取重合闸装置的最小动作时间；
所述第一确定模块用于进行无重合闸的短路故障场景仿真，根据仿真轨迹设定搜索时间范围，在搜索时间范围大于所述最小动作时间的前提下，根据仿真轨迹确定最优重合闸时刻的搜索初值；
所述计算迭代模块从搜索初值出发，在搜索时间范围内利用预先设定的暂态稳定性重合闸时刻函数对所述最优重合闸时刻进行迭代搜索求解；
所述整定模块用于根据每一步迭代搜索的结果，得到重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度；当重合闸时刻对暂态稳定性的影响灵敏度为0时，整定得到最优重合闸时刻。
8.根据权利要求7所述的一种最优重合闸时刻的快速整定系统，其特征在于，所述第一确定模块包括积分模块、变换模块和设定模块；
所述积分模块用于对电力多机系统，针对无重合闸的短路故障场景进行数值积分；
所述变换模块用于基于扩展等面积准则EEAC理论识别系统的主导分群模式，通过降维变换得到等值并简化为单机无穷大OMIB系统；
所述设定模块用于在搜索时间范围大于重合闸装置的最小动作时间tr.min的前提下，根据短路故障仿真轨迹进行等值并基于单机无穷大系统轨迹设定搜索初值的规则；通过所述搜索初值的规则确定搜索初值。
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