CN112688314B - 一种基于pmu计算n-1静态安全分析的方法 - Google Patents

一种基于pmu计算n-1静态安全分析的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于PMU测量数据计算电力系统N‑1静态安全分析的方法，包括以下步骤：1）获取电力系统电网拓扑数据；2）获取某个时间段每个时刻电网上PMU实时测量数据；3）根据步骤1）获取的电网拓扑数据和步骤2）的PMU实时测量数据建立有功功率和潮流的增量矩阵；4）根据步骤3）中得有功功率和潮流的增量矩阵计算支路开断分布因子；5）根据步骤4）得出的支路开断分布因子进行电力系统N‑1静态安全分析。本发明能够不依赖于电力系统物理参数的改变而快速准确地计算电力系统N‑1安全分析，分析预测在某条支路出现故障时其他支路是否过载越限，确保电网的安全运行。

Description

一种基于PMU计算N-1静态安全分析的方法
技术领域
本发明涉及电力系统调度运行技术领域，涉及一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法。
背景技术
在电力系统规划阶段，评估电网安全性通用的方法是计算N-1静态安全分析。该准则要求在电力系统中任意断开一个元件后，系统仍能保持安全运行，即N-1准则。这类方法目前被广泛应用到电力系统的规划、设计、运行诸环节。
传统的计算N-1安全分析的方法是基于监控和数据采集系统(SCADA)提供的整个电力系统可靠性所需的的实时运行数据和最新的系统仿真数学模型，从而确保系统能够承受各种各样的扰动和故障，如突然一条输电支路发生故障而停运。传统的SCADA系统每2到4秒更新一次数据，为电力系统运营商提供电力系统的实时状态数据。另一方面，现有的基于数学仿真模型所计算的N-1安全分析依赖于精确并能及时最新的网络拓扑参数。因此，这些基于SCADA数据和数学模型的N-1安全分析没有能力适应来自网络拓扑结构，发电机组或负荷的快速扰动和变化。而这些扰动和变化会明显地改变部分拓扑结构和参数，从而让没有及时更新数据的数学模型计算出来的N-1安全分析出现错误甚至无法使用。数据的误差以及不能及时掌握传输支路的当前状态，在故障发生时就无法及时有效地得到处理是很多严重停电事故的原因。因此，现有的基于系统模型而建立的监视和保护电力系统的技术不再完全满足电力产业新近的发展需求，特别是在新能源快速增长，其出力的间歇性和随机性特点更加剧了这样的特点对电力系统的影响。因此，一种不依赖于电力系统参数并且能更快速和准确计算N-1安全分析的方法和系统更显得实用和迫切。
同步相位测量设备(Phasor Measurement Unit，PMU)的普遍使用使得上面的需求成为可能。和目前的SCADA不同的是，PMU以很高的速度(一般每秒30次或50次)在不同的位置对不同的设备同步测量功率和潮流，是一种能紧密追随系统操作点状态和拓扑结构变化的电力系统监控工具。本发明就是一种新的N-1安全分析的方法和系统，也即一种基于PMU实时测量数据计算N-1安全分析的方法和系统，能够不依赖于电力系统物理参数的改变而快速准确地计算电力系统N-1安全分析，分析预测在某条线路出现故障时其他线路是否过载越限，确保电网的安全运行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，基于PMU实时测量数据能够不依赖于电力系统物理参数的改变而快速准确地计算电力系统N-1安全分析，分析预测在某条支路出现故障时其他支路是否过载越限，确保电网的安全运行。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，包括以下步骤：
1)获取电力系统电网拓扑数据；
2)获取某个时间段每个时刻电网上PMU实时测量数据；
3)根据步骤1)获取的电网拓扑数据和步骤2)的PMU实时测量数据建立有功功率和潮流的增量矩阵；
4)根据步骤3)中得有功功率和潮流的增量矩阵计算支路开断分布因子；
5)根据步骤4)得出的支路开断分布因子进行电力系统N-1静态安全分析。
具体的，步骤1)中的电力系统电网拓扑数据包括个母线、L个支路以及相应的/>阶拓扑关联矩阵，其中第/>母线是参考母线。
步骤2)中所选取时间段内的数据取样点为：该时间段起始0时刻和其后每个时刻kΔt，其中k＝1,…,M；Δt＝1/30秒或Δt＝1/50秒，取PMU实时测量数据包括母线有功功率和支路潮流数据。
步骤3)中获取的PMU实时测量数据中，建立有功功率增量矩阵的具体子步骤为：
定义第i条母线在t＝0时刻的有功功率为Pi(0)，在kΔt时刻的有功功率为Pi(kΔt)，其中则其对应kΔt时刻的母线有功功率增量为：
ΔPi[k]：＝Pi(kΔt)-Pi((k-1)Δt)，
标识ΔPi为M维矢量，其第k个分量是ΔPi[k]；标识ΔP为阶母线有功功率增量矩阵，其第i个列矢量是ΔPi。
步骤3)中获取的PMU实时测量数据中，潮流的增量矩阵的建立步骤为：
定义母线m和n之间的输电支路为(m，n)，支路(m,n)在t＝0时刻的有功潮流为P(m,n)(0)，在kΔt时刻的有功潮流为P(m,)(kΔt)，其方向是从母线m流向母线n；则对应kΔt时刻的潮流增量为：
ΔP(m,n)[k]∶＝P(m,n)(kΔt)-P(m,n)((k-1)Δt)，
标识ΔP(m.)为支路潮流增量矢量，ΔP(m.)为M维矢量，其第k个分量是ΔP(m,)[k]。
步骤4)对支路开断分布因子的计算，具体包括以下步骤：
41)、对支路(m，n)关于第i条母线的注入转移分布因子进行求解；具体为：
注入转移分布因子即支路(m,n)上的有功潮流对第i条母线的注入有功功率的灵敏度；则定义ψ(m,)为一个/>维矢量，其第i个分量是/>则可得
ψ(m,n)＝(ΔPTΔP)-1ΔPTΔP(m,n)，
对每条支路(m,n)计算个注入转移分布因子/>总共得到/>个注入转移分布因子。
42)、对支路(m,n)关于支路(m’,n’)的支路开断分布因子进行求解；具体为：
支路开断分布因子即为在支路(m’,n’)断开后，支路(m,n)上潮流变化的灵敏度。如果P(m′,)是支路(m’,n’)上的潮流，/>是支路(m’,n’)断开后支路(m,n)上潮流的增量，则/>由下面的等式定义：
对支路(m,n)和(m’,n’)，基于PMU测量数据求解的计算公式为：
步骤5)中支路(m,n)上方向从母线m指向母线n的潮流上限为支路(m,n)上方向从母线n指向母线m的潮流上限为/>对电力系统N-1静态进行安全分析：
若对任何一对支路(m,n)和(m’,n’)满足不等式
则电力系统满足支路N-1安全准则，即系统中任意一条支路发生故障断开后，电力系统仍能保持安全运行。
相应的，本发明还提出了一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的系统，包括数据采集模块、矩阵生成模块、计算模块和分析模块；
所述数据采集模块包括第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述第一数据采集模块用于获取电力系统电网拓扑数据，第二数据采集模块用于获取某段时间每个时刻电网上PMU实时测量数据；
所述矩阵生成模块用于建立有功功率和潮流的增量矩阵；
所述计算模块用于计算电力系统的支路断开分布因子；
所述分析模块用于计算电力系统的N-1静态安全分析。
同时本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明具有的有益效果是：
本发明基于PMU实时测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，有能力适应来自网络拓扑结构，发电机组或负荷的快速扰动和变化而引起的电网参数的变化而快速准确地电力系统N-1静态安全分析，解决了由于现有电力系统出力间歇性和随机性的特点造成的电力系统N-1静态安全分析计算不准确的问题，从而能精准快速地预测某条支路发生故障后各个支路潮流的变化，预测支路是否过载越限，确保电网的安全运行。
附图说明
图1为本发明的计算流程示意图；
图2为本发明的系统结构示意图。
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。
如图1所示，本发明提出了一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，包括以下步骤：
步骤1：获取电力系统电网拓扑数据。
电力系统由一组个母线组成(其中第/>母线是参考母线)，用表示/>个非参考母线，每一个数对应于一个母线，和一组L条支路表示为E：对m，n∈V，如果母线m和n之间存在一个输电支路，即有(m，n)∈E，用(m，n)表示母线m和n之间的输电支路，电力系统数据电网拓扑数据包括/>个母线、L个支路以及相应的电网拓扑关联矩阵。
步骤2：获取某个时间段段内电网上PMU实时测量数据。
PMU实时测量数据包括一段时间段(比如选为20秒)内开始时刻t＝0和每个时刻kΔt(k＝1,…,M，Δt＝1/30秒或Δt＝1/50秒)的母线有功功率和支路潮流数据，得到总共M+1个时刻的数据。选择PMU一般以每秒30次或50次的频次测量数据。
步骤3：根据步骤1)、2)获取的电网拓扑数据和PMU实时测量数据建立有功功率和潮流增量矩阵。
其中获取的PMU实时测量数据中，定义第i条母线在t＝0时刻的有功功率标识为Pi(0)，在kΔt时刻的有功功率为Pi(kΔt)，则其对应kΔt时刻的母线有功功率增量为：
ΔPi[k]：＝Pi(kΔt)-Pi((k-1)Δt)，
标识ΔPi为M维矢量，其第k个分量是ΔPi[k]；标识ΔP为阶母线有功功率增量矩阵，其第i个列矢量是ΔPi。
定义母线m和n之间的输电支路为(m，n)，支路(m,n)在t＝0时刻的有功潮流为P(m,n)(0)，在kΔt时刻的有功潮流为P(m,n)(kΔt)，其方向是从母线m流向母线n；
则对应kΔt时刻的潮流增量为：
ΔP(m,n)[k]∶＝P(m,n)(kΔt)-P(m,n)((k-1)Δt)，
标识ΔP(m.n)为支路潮流增量矢量，ΔP(m.n)为M维矢量，其第k个分量是ΔP(m,n)[k]。
步骤4：根据步骤3的有功功率的增量矩阵计算支路断开分布因子。
具体包括：
41)、对支路(m，n)关于第i条母线的注入转移分布因子进行求解；
用表示支路(m，n)关于母线i的注入转移分布因子，也即支路(m，n)上的有功潮流对母线i的有功功率变化的灵敏度。用上标T表示转置矢量。则计算
ψ(m,n)＝(ΔPTΔP)-1ΔPTΔP(m,n)。
即本发明用基于PMU实施测量数据计算的增量矩阵ΔP和ΔP(m,n)求解得到ψ(m,n)。
对每条支路(m,n)计算个注入转移分布因子/>总共输出/>个注入转移分布因子。
42)、对支路(m,n)关于支路(m’,n’)的支路开断分布因子进行求解；
支路(m,n)关于支路(m’,n’)的支路开断分布因子标识为也即在支路(m’,n’)断开后，支路(m,n)上潮流变化的灵敏度。如果P(m′,)是支路(m’,n’)上的潮流，是支路(m’,n’)断开后支路(m,n)上潮流的增量，则/>由下面的等式定义：
对支路(m,n)和(m’,n’)，基于PMU测量数据求解的计算公式为：
步骤5：根据步骤4支路断开分布因子进行电力系统N-1静态安全分析。
用表示支路(m,n)上方向从母线m指向母线n的潮流上限，则/>是支路(m,n)上方向从母线n指向母线m的潮流上限。对电力系统N-1静态进行安全分析。
如果对任何一对支路(m,n)和(m’,n’)满足不等式
则电力系统满足支路N-1安全准则,即系统中任意一条支路发生故障断开后，电力系统仍能保持安全运行。
传统的基于电力系统参数和数学模型而建立的监视和保护电力系统的技术会在电力系统发生扰动时因为系统参数的变化而不能适用，因而不再完全满足电力产业新近的发展需求，特别是新能源快速增长，其出力间歇性和随机性特点更加剧了这样的特点对电力系统的影响。
与现有技术相比，本发明不同于传统完全依赖电力系统参数求解潮流模型计算电力系统N-1静态安全分析的方法和系统，本发明通过PMU实时测量数据计算电力系统N-1静态安全分析，从而在电力系统参数发生变化时能快速准确地计算电力系统N-1静态安全分析，以便快速而准确地预测比如某条支路发生故障后各个支路潮流的变化，预测支路是否过载越限，确保电网的安全运行。
如图2所示，基于上述PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，相应的本发明还提供了基于PMU实时测量数据计算电力系统注入转移分布因子的系统，包括数据采集模块、矩阵生成模块、计算模块和分析模块。
数据采集模块包括第一数据采集模块和第二数据采集模块，第一数据采集模块用于获取电力系统电网拓扑数据，第二数据采集模块用于获取某段时间每个时刻电网上PMU实时测量数据；
矩阵生成模块用于根据第一数据模块获得的电力系统电网拓扑数据、第二数据模块获取某段时间(比如选为20秒)每个时刻电网上PMU实时测量数据建立有功功率和潮流增量矩阵；
计算模块用于根据矩阵生成模块获得的有功功率和潮流增量矩阵，计算支路断开分布因子。
分析模块用于根据计算模块获得的支路断开分布因子计算电力系统N-1静态安全分析。
同时本发明基于上述PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法提出一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能够实现上述计算电力系统N-1静态安全分析的步骤。

Claims (9)

1.一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)获取电力系统电网拓扑数据；
2)获取某个时间段每个时刻电网上PMU实时测量数据；
3)根据步骤1)获取的电网拓扑数据和步骤2)的PMU实时测量数据建立有功功率和潮流的增量矩阵；
4)根据步骤3)中得有功功率和潮流的增量矩阵计算支路开断分布因子；
5)根据步骤4)得出的支路开断分布因子进行电力系统N-1静态安全分析。
2.根据权利要求1所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：步骤1)中的电力系统电网拓扑数据包括个母线、L个支路以及相应的阶拓扑关联矩阵，其中第/>母线是参考母线。
3.根据权利要求2所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：步骤2)中所选取时间段内的数据取样点为：该时间段起始0时刻和其后每个时刻kΔt，其中k＝1,…,M；Δt＝1/30秒或Δt＝1/50秒，选取PMU实时测量数据包括母线有功功率和支路潮流数据。
4.根据权利要求3所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：步骤3)中获取的PMU实时测量数据中，建立有功功率增量矩阵的具体子步骤为：
定义第i条母线在t＝0时刻的有功功率为Pi(0)，其中在kΔt时刻的有功功率为Pi(kΔt)，则其对应kΔt时刻的母线有功功率增量为：
ΔPi[k]：＝Pi(kΔt)-Pi((k-1)Δt)，
标识ΔPi为M维矢量，其第k个分量是ΔPi[k]；标识ΔP为阶母线有功功率增量矩阵，其第i个列矢量是ΔPi。
5.根据权利要求4所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：步骤3)中获取的PMU实时测量数据中，潮流的增量矩阵的建立步骤为：
定义母线m和n之间的输电支路为(m，n)，支路(m,n)在t＝0时刻的有功潮流为P(m,n)(0)，在kΔt时刻的有功潮流为P(m,n)(kΔt)，其方向是从母线m流向母线n；则对应kΔt时刻的潮流增量为：
ΔP(m,n)[k]∶＝P(m,n)(kΔt)-P(m,n)((k-1)Δt)，
标识ΔP(m.n)为支路潮流增量矢量，ΔP(m.n)为M维矢量，其第k个分量是ΔP(m,n)[k]。
6.根据权利要求5所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：
步骤4)对支路开断分布因子的计算，具体包括以下步骤：
41)、对支路(m，n)关于第i条母线的注入转移分布因子进行求解；具体为：
注入转移分布因子即为支路(m,n)上的有功潮流对第i条母线的注入有功功率的灵敏度，则定义ψ(m,n)为一个/>维矢量，其第i个分量是/>可得：
ψ(m,n)＝(ΔPTΔP)-1ΔPTΔP(m,n)，
对每条支路(m,n)计算个注入转移分布因子/>总共得到/>个注入转移分布因子；
42)、对支路(m,n)关于支路(m’,n’)的支路开断分布因子进行求解；具体为：
支路开断分布因子即为在支路(m’,n’)断开后，支路(m,n)上潮流变化的灵敏度；
如果P(m′,n′)是支路(m’,n’)上的潮流，是支路(m’,n’)断开后支路(m,n)上潮流的增量，则/>由下面的等式定义：
对支路(m,n)和(m’,n’)，基于PMU测量数据求解的计算公式为：
7.根据权利要求6所述的基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的方法，其特征在于：
步骤5)中支路(m,n)上方向从母线m指向母线n的潮流上限为支路(m,n)上方向从母线n指向母线m的潮流上限为/>对电力系统N-1静态进行安全分析：
若对任何一对支路(m,n)和(m’,n’)满足不等式
则电力系统满足支路N-1安全准则，即系统中任意一条支路发生故障断开后，电力系统仍能保持安全运行。
8.一种基于PMU测量数据计算电力系统N-1静态安全分析的系统，其特征在于：如权利要求1所述方法是基于该系统实现的，该系统包括数据采集模块、矩阵生成模块、计算模块和分析模块；
所述数据采集模块包括第一数据采集模块和第二数据采集模块；所述第一数据采集模块用于获取电力系统电网拓扑数据，是电网结构数据；第二数据采集模块用于获取某段时间每个时刻电网上PMU实时测量数据，是电网运行数据；
所述矩阵生成模块用于根据第一数据模块获得的电力系统电网拓扑数据、第二数据模块获取某段时间每个时刻电网上PMU实时测量数据，建立有功功率和潮流的增量矩阵；
所述计算模块用于根据矩阵生成模块获得的有功功率和潮流增量矩阵，计算电力系统的支路断开分布因子；
所述分析模块用于根据计算模块获得的支路断开分布因子计算电力系统的N-1静态安全分析。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任意一项权利要求所述方法的步骤。
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