CN1120556C - 电力系统暂态稳定在线监视和预防控制的方法 - Google Patents
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Abstract
电力系统暂态稳定在线监视和预防控制的方法，该方法包括下列步骤：从能量管理系统或专用的采集得到电网实时数据；针对上述实时数据，用静态扩展等面积准则方法计算用户给定的故障表中各个故障的稳定裕度和参数极限值，滤去很稳的故障；用动态扩展等面积准则方法修正上述参数极限值，并用数值积分来校核是否存在更严重的多摆失稳；比较分别用静态扩展等面积准则方法和动态扩展等面积准则方法计算经典模型所得到的结果，把该结果作为互补群群内的非同调参数；根据稳定裕度的灵敏度计算系统的参数极限值和预防控制值；周期性地对用户给定的故障表中各潜在故障逐个进行稳定裕度、灵敏度和极限值计算，得出极限功率围成的稳定域，并确定预防控制值。
Description
一、技术领域
本发明涉及电力系统在线暂态稳定监视和预防控制的方法。
二、背景技术
电网稳定对国民经济和社会文明的影响极大。当前惟一实用的暂态稳定分析方法，即数值积分法，不但极其慢并且不能定量地给出稳定度指标，也无法进行灵敏度分板。这就给电网的规划、运行和控制带来很大困难，特别是在线稳定量化分析和紧急控制方面基本上还是空白。中外电力界为开发直接法所做的不懈努力却长期未能真正成功。
由本专利申请者在1986年发明的EEAC(扩展等面积准则)法是迄今惟一得到严格证明的，可解析求解的直接法。
EEAC经历了静态(SEEAC始于1986)，动态(DEEAC始于1991)，和集成(IEEAC始于1993)三个阶段。关于前二个阶段，即SEEAC和DEEAC的30多篇国际论文已被国内外广泛引用和跟踪，被选为国外博士研究生教材，被国际权威著作专章介绍。EEAC于1993年正式服役于东北电网的能量管理系统，成为国际电力界在线暂态稳定分析工业应用的首例。计入调压器和快关的EEAC已被法国电力公司应用于系统规划，专家系统技术与包括EEAC在内的数值算法相结合的第二代专家系统已被浙江中试所采用。
为了评估暂态稳定性，我们可以先在多机空间按所需模型积分，再将转角轨迹通过PCOI映射，在各映象平面上考查时变OMIB系统的稳定性。在多机系统中辨识临界失稳模式和计算稳定极限的任务就被转换为比较各映象子系统临界程度的问题。由于映象OMIB系统积分路径的惟一性和近似解析解的存在性，EEAC具有直接法的特性。EEAC依赖于临界不稳轨迹，适用于非自治的电力系统，而不属于李雅普诺夫理论范畴。
EEAC暂态安全分析软件在东北电网引进的自动化系统(双机VAX11/785)的备机上运行。在调度室的实时环境下，可以在Aydin显示器终端上直接进行操作和结果画面显不。其软件支持是VAX/VMS操作系统和HABITAT实时数据库管理系统。BACKUP软件定时将SCADA的实时数据从主机送到备机上，SE软件每10分钟运行一次，对全网进行状态估计，受远动信息量限制，目前状态估计范围还不能覆盖东北全网，现在的可观测岛包括辽宁、吉林和内蒙的一部分约235个节点，307条支路，56台机，对其余未上岛部分进行等值。EEAC软件通过与SE的接口软件取得实时数据，进行暂态安全分析，其结果在所设计的输出画面上清晰直观地表达出来。现已实现的主要功能为：
1、能进行在线潮流计算，可将系统的实时运行情况显示在潮流图上，供调度员监视。
2、可在单线图上任选故障地点和类型进行暂态安全分析，发电机模型先采用E′恒定。负荷模型选用恒定阻抗。
3、能快速计算出各种对称/不对称短路和断线等简单故障下的临界切除时间(CCT)，临界机极限出力(Pmsl)及指定接口上的极限潮流。
4、设计了两种运行模式供使用人员任意选用，即研究模式和周期模式，研究模式可人工进行单个故障点分析，也可进行全网逐点扫描；周期模式则是自启动对一个预想事故集进行扫描分折。
5、分析结果可以表格方式和棒形图方式在画面上输出，直观地给出系统稳定状况信息，也可以通过打印机打印输出。
6、具有离线校核软件，能将某一时刻断面的数据保存、输出，进行离线研究和校核。
为便于在线安全监视和分析，必须有良好的人机交互界面、简单的操作和直观的输出。为此设计了十多幅画面，为使用人员提供所有必要的信息。按其功能可分为四部分：
1、EEAC主画面是运行操作控制的核心画面，在这个画面上可以选择进入所有其它的画面，可以控制程序运行、选择计算方式和故障模式并显示程序执行状态信息。(见图1)
2、输入控制画面包括静态数据控制、动态数据控制、单个故障信息输入以及形成故障表等画面。
3、输出信息画面，包括线路潮流表，节点信息输出，自动扫描结果输出(节点扫描和支路扫描)，发电机极限出力棒图等画面。
4、在线潮流及进程监视画面，包括系统单线图，EEAC运行信息、状态估计运行信息及SAVECASE信息等画面。
但是SEEAC和DEEAC还存在以下问题：(1)不能反映多摆稳定性。(2)不能处理孤立稳定区现象(数值积分法也做不到)。(3)对于首摆及二摆稳定性分析的精度和速度间的矛盾处理得不够理想，方法的强壮性不够。(4)对于复杂模型的处理，上述问题更为突出，以至于EEAC不再对数值积分法具有明显的速度优势，这样就不能对电网稳定性在线监视和控制，其实用性受到限制。
用动态EEAC算法对东北电网E′模型下对称故障误差仍不够理想：
运方 节点数 大误差点 正确报警 拒报 误报
一 185 19 9 10 6
二 185 25 8 17 8
说明：正确报警指大误差点报警，拒报为大误差点未报警，误报为小误差点报警，大误差是以|(CCTe-CCTS)/CCTS|＞10％为判据，参见薛禹胜等《EEAC在东北电网EMS中的在线实施》，中国电机工程学会论文集，1992年。
IEEAC是在中外工程实用化的经验上，在EEAC理论研究成果的指导下的新成果。目的是解决已公布的EEAC算法中存在的问题，使在线暂态分析功能完善化。
IEEAC虽已在中国电力工程中获得实际应用，但有关的技术途径和实施的关键均未曾公开过。向国外输出的技术仍限于DEEAC阶段。
参考文献见于薛禹胜等“电力系统稳定安全分析的新算法一关于EEAC算法的论文集(二)”，1990-1994，电力部电力自动化研究院。
三、发明内容
本发明的目的是：提供一种电力系统在线暂态稳定监视和预防控制的方法，能按周期采集的电网数据，在线分析电力系统允许各种故障持续的最长时间，及时向调度员显示电力系统的稳定裕度。
本发明的目的还在于：在注入功率空间中提供的稳定域使调度员可以像监视发电机是否过载一样直观地监视系统的暂态稳定性，在潜在失稳危险时，可以清楚地告诉调度员应该如何在保证功率平衡的前提下以消除这类危险。
本发明目的是这样实现的：电力系统暂态稳定在线监视和预防控制，该方法包括下列步骤：
(1)从能量管理系统或专用的采集得到电网实时数据；
(2)针对上述实时数据，用静态扩展等面积准则方法计算用户给定的故障表中各个故障的稳定裕度和参数极限值，滤去很稳的故障；
(3)用动态扩展等面积准则方法修正上述参数极限值，并用数值积分来校核是否存在更严重的多摆失稳；
(4)比较分别用静态扩展等面积准则方法和动态扩展等面积准则方法计算经典模型所得到的结果，把该结果作为互补群群内的非同调参数，若非同调参数小于一个门限值，则直接按比例折算出复杂模型下的参数极限值，否则直接对复杂模型作积分搜索，得到参数极限值；
(5)把经典模型下的集成扩展等面积准则方法得到的结果作为复杂模型下的初始条件，并根据稳定裕度的灵敏度计算系统的参数极限值和预防控制值，并按此搜索多摆稳定条件；
(6)周期性地对用户给定的故障表中各潜在故障逐个进行稳定裕度、灵敏度和极限值计算，得出极限功率围成的稳定域，并确定预防控制值。
本发明技术解决方案是：将SEEAC的解析性(或准解析性)和DEEAC的保留多机系统稳定充要条件的严格性相结合，用前者向后者提供初值和近似灵敏度系数。将四步台劳展开的DEEAC的快速性和变步长积分轨迹PCOI映射的精确性相结合；按EEAC理论揭示的多机因素与复杂模型因素对映象时变性的影响的机理来解决失稳模式随故障切除时间变化的问题；将EEAC的深度知识和专家系统技术的知识处理能力相结合来进一步提高计算效率；识别潜在的孤立稳定区现象；将处理经典模型的IEEAC(CM)和处理复杂模型的IEEAC(DM)结合起来；把复杂模型下的极限参数看成是对经典模型结果的修正。具体的要点如下：
它在对电网数据(如发电机、负荷、母线和支路的电压、电流、功率信号)进行采集、变换、监视的SCADA系统，对电力系统在线模型进行仿真分析的各种应用软件数据库的基础上实现对电力系统暂态稳定性的在线分析和对稳定预防控制的能量管理功能。其特征是利用集成化扩展等面积准则(IEEAC)为能量管理功能系统提供在线暂态稳定分析和预防控制决策。其方法和步骤是：(1)以经典模型(CM)下的IEEAC得到的各种结果作为复杂模型下的IEEAC的初始条件。(2)对任何指定模型来说，IEEAC包括SEEAC、DEEAC和积分校核三个环节。SEEAC假设该互补的两群各自内部为理想同调而得到CCT初值tc SE，再由SEEAC修正相应的误差得tc DE，最后用PCOI映射指导下的积分(或台劳级数多步展开)来判断是否存在更严重的多摆失稳并消除过大误差，得到tc IE。(3)当经典模型(CM)下，|tc IE-tc DE|/tc DE不大时，用DEEAC给出的临界切除角δc DE与SEEAC给出的δc SE之差(或用对应的η或tc)来反映群内的非同调程度(或称时变度)σ，并认为其值与模型的复杂程度无关。若σ小于某门限值，则直接用公式δc DE(DM)＝δc SE(DM)×δc DE(CM)/δc SE(CM)折算，得到复杂模型(DM)下的δc DE(DM)，进而可得tc DE(DM)。不需要任何多机复杂模型的积分也不需要做积分校核。(4)若大于该门限，则将该折算值对应的复杂模型多机受扰轨迹向经典模型下的临界OMIB作PCOI映射以求取稳定裕度ηDE(DM)，再用4步台劳展开的DEEAC通过摄动得到经典模型下的灵敏度系数(一阶和二阶)来求取ηDE(DM)＝0时的δc DE(DM)，进而得到tc DE(DM)。(5)当tc IE(CM)与tc DE(CM)相差很远时，直接令切除时间τ＝tc SE(DM)，对复杂模型作积分试探以求取tc IE(DM)。(6)只有在对应的经典模型下为多摆失稳或者有快关控制才需要检查复杂模型下的多摆失稳。(7)对SEEAC(DM)，某群(如S群)等值机的E′qs。由各机的EQi经Mi加权均值EQS和XqS＝[∑(XQi)-1]-1，再按模型要求令E′qs保持不变或在等值自动调压器控制下变化。(8)对DEEAC(DM)，E′q恒定或变化的发电机模型均被处理为逐段更新的EQ恒定模型，非线性负荷和动态负荷均被处理为逐段更新的恒阻抗负荷。因此可以按逐段更新的等效经典模型用大步长台劳级数展开求δi，i，采用结构保持的导纳阵，并用小步长处理控制器动态和感应电动机动态。在每一大步长终了处更新注入量及各机之EQi。机网接口取在发电机等值电路中的等值阻抗XQi后面的内节点处。按积分步长终了时各机δ值修正EQ值，可由线性方程求解。(9)当DEEAC时变OMIB映象的等值角返回时，按多机δi求取电动率的定常正弦参数，并设机械功率不再变化，来计算稳定轨迹的稳定裕度。(10)IEEAC所采用的模型原则上应该和用户要求的复杂程度完全相同。(11)为寻找初始候选群，先将变步长台劳级数展开到2s，若整个时段内的最大角度在(140°，300°)之间，则继续展开到3s。若仍不失稳，则用τ＝0.7s再仿真一次，以免τ＝1s落入孤立稳定区(ISD)。(12)当积分校核得到临界稳定轨迹以后，按各功角的极限点坐标(t，δ)序列将各机的受扰轨迹分成同调群。接各群对应的时变OMIB映象在各次摆动中的时变趋势来判定是否有ISD的可能性。若有，则再用较小的τ值积分一次，以清除ISD的影响。
预防控制的实现步骤为：(1)利用数据采集系统将分散在电力系统各处的实时信息汇总到EMS的实时数据库中，(2)利用状态估计软件将坏数据删除，并推算出缺少的工况信息，(3)TSA的计算可以周期性地自动启动，也可在电力系统发生操作事件后或在调度员的要求下启动，以对事故表中所有的预想故障逐一计算。
EEAC在注入功率空间中给出由各发电机(群)的极限功率所围成的稳定域(TSD)，后者可以直观地用棒形图来表示，将各发电机(群)的实际发电功率与TSD比较，如果没有任何一个机(群)的发电功率越出TSD，则调度员不必进行任何调整，电力系统能承受这些预想故障而不失稳，否则调度员就应考虑将各越限机(群)的功率分别降低到极限值以内，以保证暂态安全性。其应用场合可以是在线运行或者运行规划也可以是离线的规划分折；其实现可以和EMS紧密联在一起，也可以在专用的工作站中。
四、附图说明
图1-图4说明了现有EEAC的技术领域及技术背景：图1为EEAC与电力系统现有的能量管理系统的关系图。图2是图1的具体化，图3为现有EEAC软件主流程图，图4是其核心模块框图。
图1、2中左边是SCADA、实时状态估计和调度员潮流及静态安全分析软件。右边部分为TSA/TSPC及其研究模块。通过Mapping模块从实时状态估计ETNET拷取全部实时数据及网络参数，从DS模块提取发电机的动态参数。为了运行规划目的，可以设置一个学习数据库，以便修改运行条件从而估计其暂态安全性。
暂态稳定分折模块以TSA/TSPC稳定分折数据库为核心，全部软件完全采用ESCA规约编制。它包括三个数据库NETMOM、PFMOM和DYNMOM，网络参数和开关状态，发电及负荷量均由NETMOM提供，它来自RTNET。潮流计算用的有关参数和导纳阵及其因子表均放置在PFMOM数据库中，潮流结果放置在PFMOM中，计算时也回送到NETMOM中。发电机动态参数及EEAC所有的输入输出结果均放置在DYNMOM中。
五、具体实施方式
以下根据附图和实施例对本发明作详细描述。
图1是EEAC与电力系统现有的能量管理系统的关系图。虚线左面是SCADA和实时状态估计以及静态安全分析软件部分，右面是EEAC软件。SCADA中采用商品化的HABITAT数据库和人机交互(MMI)软件，外部系统也可经动态等值后用几条等值支路一台等值机和一个等值负荷来模拟。实时数据经状态估计软件分析后存入应用软件数据库，定期或在操作员命令下映射到稳定分折数据库，少数不可观的数据可通过人机交互方式取自计划值。EEAC可对稳定分析数据库反映的实际工况进行稳定分析，也可对由调度员潮流提供的研究工况(存在研究数据库中)进行稳定分析。
图5是面向分析和预防控制型的IEEAC示意流程图(求取CCT和极限发电功率等极限量)。
第(1)至(10)框分析经典模型下的稳定性。其中第(1)框在滤去CCT大于1s的算例的同时，能可靠避免τ＝1s恰好位于ISD中时带来的危险(见技术方案中的第(1)-(11)项)。第(2)框ICMR(电机临界程度初始队列)将各机功角从大到小排队，并按其中最大的角度间隙将系统分为互补的二群(对应于映象平面R′)。然后对R′用SEEAC及4步台劳展开式的DEEAC得到初始CCT(即tc DE)。第(3)框在R′等值角到达其动态鞍点的时刻，将各机功角从大到小排列成Q1，再按Q1中最大的三个争度间隙，定义三个候选映象平面R′g，g＝1，2，3。
第(4)框用SEEAC得tc，g SE(E′)，第(5)框用DEEAC修正，得到对应的tc，g DE(E′)，g＝1，2，3。第(6)框取最小值为多机系统的tc DE。第(7)框识别临界OMIB映象的时变程度σ(参见技术解状方案第(1)-(3)项。)第(8)框以tc DE(E′)为初值用变步长的台劳级数搜索tc IE。如果得到首摆失稳的多机轨迹，则向临界的R1 g以及对应于更大角间隙的R′映射。再按摄动的4步台劳级数展开方式的DEEAC求取稳定裕度对τ和一阶及二阶灵敏度，以协助tc IE(E′)的搜索。第(9)框利用深层知识判断是否有潜在ISD的可能(参见技术解决方案第(1)-(12)项)。若有上述可能，则令τ＝0.9tc IE再积分一次，以便跨越ISD。若小于某门限(如10％)，则不必做第(8)和(9)框。
第(10)框用PCOI变换将复杂模型的多机系统凝聚成为复杂模型的二机系统，然后对后者积分求解，但SEEAC(DM)并不能处理包括负荷在内的网络型复杂模型。第(11)框针对E′模型下首摆失稳且σ值较小的情况。此时复杂模型下tc DE以直接由SEEAC(DM)的结果折算而得(参见技术解决方案的第(1)-(3)项)。最后的结果tc IE(DM)可直接取tc DE(DM)而不需要进行多机系统复杂模型的积分。第(14)至(15)框处理E′模型下首摆失稳且σ值较大的情况。第(14)框在多机空间中对复杂模型积分，并同时向E′模型下的临界Rc 1作映射(第(15)框)，当等值角返回(判为稳定)或者到达动态鞍点时(不稳)就可停止积分。稳定的映象的裕度按技术解决方案的(1)-(9)所述方法计算。灵敏度分析可采用经典模型下4步台劳级数展开方式的DEEAC数值摄动得到的灵敏度系数(见技术解决方案的(1)-(4)项)。对不稳的映象还应在其动态鞍点处检查多机轨迹中有无更大的角度间隙，若有则还应向对应的R′平面作映射并求取该候选映象的临界条件。此时此tc IE(DM)为其中最小值。
只有当经典模型下为多摆失稳，或者快关以后重新开启阀门的情况下才需要考虑复杂模型下的多摆失稳问题(见技术解决方案的(1)-(6)项)。第(16)至(18)框处理此各情况下的多摆失稳问题，第(19)框处理复杂模型下的ISD问题。
在线静态安全分析功能已经在全世界范围内的能量管理系统中广泛实现，但上述系统是惟一得到工程实用的在线暂态安全分析系统。本发明为电力系统的能量管理系统(EMS)提供了一种计算机程序，使电力系统的预防控制能力从静态安全水平提高到动态安全水平。根据电力系统在线采集的各种状态量和量测量所反映的实际工况或者根据预报的研究工况，用集成化的EEAC快速计算各种故障的临界切除时间(CCT)和极限功率。此外还可以向调度人员提供各种复杂模型及复杂扰动场景下的临界稳定轨迹和临界失稳轨迹；失稳模式随实际故障切除时间的变化情况、受扰轨迹的分簇情况、最大电压跌落、各种灵敏度系数、发电机的临界发电功率注入空间中的稳定域和接口流极限功率等信息。用逐个算例或巡回扫描方式，EEAC模块能够按实时方式或者研究方式工作。它不但能提供CCT，也能以运行人员可以观察和控制的参数来表示稳定极限。注入空间中的TSD就是这么一个例子，它使得复杂的TS任务成为象监视母线电压一样简单。如果系统朝不安全方向发展时，它就会向运行人员警告这一危险，并且告诉他们如何采取预防措施来使系统向稳定安全的状态移动。
经过电力企业运行人员一年多的认真试用和考察，证明这一方法对运行人员很有帮助。软件的精度、强壮性、界面友好和速度得到运行和设计人员的高度赞扬。
下表给出了对几乎复盖全国的16个电网的实际计算结果，不论对首摆稳定性或多摆稳定性的计算精度均极高。其计算速度则比常规的数值分析法快达2个数量级，也即用ALPHA工作站算50机电力系统E′恒定模型下的CCT，每例平均不超过3s，满足在线分析的需要。
| 网络 | 网络规模 | 计算总数 | 计算误差＞10％的例数 | |||
| 节点数 | 支路数 | 发电机数 | 首摆 | 多摆 | ||
| 东北网调 | 244 | 330 | 59 | 244 | 0 | 0 |
| 福建省调 | 185 | 224 | 27 | 185 | 0 | 1 |
| 华北网调 | 495 | 743 | 102 | 495 | 0 | 0 |
| 华东网调 | 497 | 699 | 111 | 231 | 0 | 0 |
| 黑龙江省调 | 84 | 138 | 15 | 84 | 0 | 0 |
| 河北省调 | 122 | 165 | 20 | 122 | 0 | 0 |
| 华北设计院 | 374 | 572 | 60 | 770 | 0 | 1 |
| 华中网调 | 233 | 377 | 29 | 233 | 0 | 1 |
| 江苏省调 | 360 | 532 | 69 | 360 | 0 | 0 |
| 四川省调 | 202 | 255 | 30 | 200 | 0 | 1 |
| 山东省调 | 203 | 261 | 36 | 202 | 0 | 1 |
| 西北设计院 | 351 | 476 | 47 | 351 | 0 | 4 |
| 西北网调 | 190 | 236 | 41 | 190 | 0 | 1 |
| 云南省调 | 136 | 155 | 41 | 136 | 0 | 1 |
| 浙江省调 | 711 | 929 | 103 | 30 | 0 | 0 |
| 浙江中试 | 157 | 255 | 30 | 50 | 0 | 0 |
| 合计 | 3681 | 0 | 11 | |||
Claims (1)
1、电力系统暂态稳定在线监视和预防控制的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)从能量管理系统或专用的采集得到电网实时数据；
(2)针对上述实时数据，用静态扩展等面积准则方法计算用户给定的故障表中各个故障的稳定裕度和参数极限值，滤去很稳的故障；
(3)用动态扩展等面积准则方法修正上述参数极限值，并用数值积分来校核是否存在更严重的多摆失稳；
(4)比较分别用静态扩展等面积准则方法和动态扩展等面积准则方法计算经典模型所得到的结果，把该结果作为互补群群内的非同调参数，若非同调参数小于一个门限值，则直接按比例折算出复杂模型下的参数极限值，否则直接对复杂模型作积分搜索，得到参数极限值；
(5)把经典模型下的集成扩展等面积准则方法得到的结果作为复杂模型下的初始条件，并根据稳定裕度的灵敏度计算系统的参数极限值和预防控制值；
(6)周期性地对用户给定的故障表中各潜在故障逐个进行稳定裕度、灵敏度和极限值计算，得出极限功率围成的稳定域，并确定预防控制值。
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