CN112803405A - 考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统分析技术领域，尤其涉及一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法。本发明包括采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量；对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析；通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法。本发明具有计算速度快，计算精度高，实用性强的特点。本发明可以快速计算出系统转动惯量，省去了仿真计算复杂的计算过程，节省了大量时间。本发明所提算法汲取并发挥两种已有算法的优势，可精确计算某一区域电网的转动惯量，是电网实际运行方式的量化分析、归纳、展示。
Description
技术领域
本发明属于电力系统分析技术领域，尤其涉及一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法。
背景技术
我国经济正从高速发展转向高质量发展。在能源领域，随着能源生产和消费革命持续推进，生产侧清洁化和消费侧电气化成为当前我国能源体系重要的趋势和特点。2019年国家电网公司提出到2050年我国能源清洁化率达到50％和终端电气化率达到50％的双50％目标，将使我国已形成的世界上规模最大的交直流互联电网动态特性更加复杂、安全稳定运行风险加大。客观上对新形势下电力系统状态，特别是更具时效的转动惯量感知方法、更加精准的转动惯量计算技术和更加可靠的分析评估手段提出更高要求。
目前国际上有两种通用的转动惯量算法，分别是“仿真切机法”和“机组累加法”。
仿真切机法是通过在仿真程序中人为设置功率缺额计算频率下跌速率，需要对电网进行仿真计算，计算结果可以真实反映系统转动惯量，但计算过程繁琐、时间较长，但结果精度较高，不适用于转动惯量在线快速实用化计算。
而机组累加法是简单的累加并网机组的转动惯量，只需对给定的在线机组转动惯量进行累加即可快速得到计算结果，计算过程简单快速，但误差较大，计算精度较差，不能反映真实的系统转动惯量结果，不适用于精确离线计算。
下面对“仿真切机法”和“机组累加法”进行简述：
仿真切机法计算系统转动惯量是考虑某局域电网最严重情况，切除一台该区域已并网的具有最大转动惯量的发电机，通过求频率最大变化率计算。若系统初始频率为50Hz，则仿真切机法求得的系统转动惯量表达式为：
式中，H切机是切机法计算出的系统转动惯量；df/dt是频率变化率；△P是系统整体故障损失功率，H`是已脱网的单台发电机对应的转动惯量。
机组累加法是在已知单台发电机转动惯量前提下，通常需要根据厂家提供的时间常数计算求得，将全部并网机组的转动惯量累加结果作为系统转动惯量的方法。在线的单台发电机转动惯量有名值H1、惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1的关系如下：
上式中，ω为发电机的角速度，单位rad/s；f为发电机的频率，单位Hz；2πf为2倍的圆周率π乘以频率f，单位为Hz。
若有N台在线发电机，则累加法求出的系统总转动惯量H累加为
H累加＝H1+H2+H3+...+HN (3)
其中H1、H2、H3...HN为N台在线机组各自的转动惯量。
若发生系统故障导致功率缺失，则在N台在线机组端测量到的功率缺额与N台在线机组端测量到的总功率缺额的关系如下：
其中，i的极限值为N，△Pi为第i个在线机组端测量到的功率缺额，△P`为N台在线机组端测量到的总功率缺额。
若仿真切机法计算数据来源于离线研究态，则结果准确但无法反映电网实时状态；若机组累加法计算数据来源于在线实时态，则结果时效性强但精确性较差。因此没有一种算法可以满足既快又准的转动惯量计算评估要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法。其目的是为了实现满足既快又准的转动惯量计算评估要求的发明目的。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，包括仿真切机法和机组累加法，利用仿真切机法和机组累加法计算系统转动惯量；还包括以下步骤：
步骤1.采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量；
步骤2.对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析；
步骤3.通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法。
进一步的，步骤1所述采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量，包括：
在仿真程序中模拟切除全网最大转动惯量的单台发电机，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值；
同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
进一步的，步骤2所述对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析，包括：
经过对某一区域电网不同运行方式H切机与H累加的大量计算，发现H切机与H累加结果之间呈现比例关系，比例因子为系统整体故障损失功率△P与N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值；H切机与H累加二者的比例关系如下：
其中△P为系统整体故障损失功率，△P`为N台在线机组端测量到的总功率缺额。
进一步的，步骤3所述通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法，包括：
首先用两种方法分别计算多个运行方式的转动惯量作为数据样本库，再找出数据样本库内两种算法结果的比值和新能源占比之间的多元线性回归函数关系；利用N个运行方式计算数据得样本库，得出比例关系方程(5)；
在求得系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`后，用累加法快速计算给定运行方式的转动惯量H累加，再将实际运行方式的系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值代入回归函数比例关系方程(5)，用H累加计算反推H切机；利用已有的区域电网切机法与累加法的固有关系特性，快速计算出H切机的结果。
进一步的，步骤1所述采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量，是指分别用仿真切机法和机组累加法计算同一电网的转动惯量；用仿真切机法和机组累加法分别初步计算了11个不同运行方式的转动惯量；模拟切除某1000MW级最大转动惯量单台发电机，将电力系统分析综合程序PSASP仿真得到系统频率变化曲线数据导入Matlab程序，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值；同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
进一步的，步骤2所述对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析；利用H切机、H累加、△P`/△P组成的数据样本库，初步计算11个不同运行方式的结果显示：累加/切机结果比值△P`/△P具有一定的规律性，△P`/△P普遍大于1，因此式(5)中△P/△P`应小于1；通过已有结果初步推断：H切机与H累加两种算法结果之间的数学关系具有比例特性，经过拟合，得到电网H切机与H累加结果之间比例关系函数：
H切机＝H累加×0.7948 (6)。
进一步的，步骤3所述通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法，包括：将实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机；证明回归方程式(5)、(6)的准确性和实用性，因此回归方程式(5)、(6)可用来进行电网转动惯量快速实用化在线评估。
进一步的，利用所述回归方程式(5)、(6)进行电网转动惯量快速实用化在线评估，包括：将电网某1000MW级大型单台发电机跳闸事件中的实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机为325810.2MW.s，证明回归方程(5)、(6)的准确性和实用性，式(5)、(6)可用来进行东北电网转动惯量快速实用化在线评估。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法的步骤。
本发明具有以下有益效果及优点：
(1)计算速度快。在通过简单的机组累加法计算得到转动惯量值之后，运用已有的针对某一区域电网机组累加法和仿真切机法计算结果的函数关系，可以快速计算出系统转动惯量，省去了仿真计算复杂的计算过程，节省了大量时间。
(2)计算精度高。所提算法汲取并发挥两种已有算法的优势，可精确计算某一区域电网的转动惯量。
(3)实用性强。不同于以往的理论算法，所提算法基于实际电网运行参数计算得到转动惯量结果，是电网实际运行方式的量化分析、归纳、展示，具有较强的实用性。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1描述本发明一些实施例的技术方案。
实施例1
本发明是一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，本发明对仿真切机法和机组累加法两种方法进行结合改进后，找到了两种方法结果之间的函数关系，因此提出了本发明。
本发明中所述电网转动惯量是刚体绕轴旋转时惯性的量度，电网转动惯量是特定运行方式下电力系统所有在线发电机组和负荷转动惯量之和。
如图1所示，图1是本发明考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法流程图。本发明包括仿真切机法和机组累加法，利用转动惯量经典算法仿真切机法和机组累加法计算系统转动惯量，本发明具体还包括以下步骤：
步骤1.采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量。
在仿真程序中模拟切除全网最大转动惯量的单台发电机，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值。
同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
步骤2.对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析。
一般来讲，经过对某一区域电网不同运行方式H切机与H累加的大量计算，可发现H切机与H累加结果之间呈现比例关系，比例因子为系统整体故障损失功率△P与N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值。H切机与H累加二者的比例关系如下：
其中△P为系统整体故障损失功率，△P`为N台在线机组端测量到的总功率缺额。
步骤3.通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法。
基于以上推论，可首先用两种方法分别计算多个运行方式的转动惯量作为数据样本库，再找出数据样本库内两种算法结果的比值和新能源占比之间的多元线性回归函数关系。利用N个运行方式计算数据得样本库，得出比例关系方程(5)。
在求得系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`后，首先用累加法快速计算给定运行方式的转动惯量H累加，然后将实际运行方式的系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值代入回归函数比例关系方程(5)，用H累加计算反推H切机。这样做是利用已有的区域电网切机法与累加法的固有关系特性，快速计算出H切机的结果。
在电网实际运行中，该方法可快速、准确地进行转动惯量在线计算评估，在保证精度的同时免去了仿真计算的繁琐步骤。
实施例2
本发明又提供了一种实施例，一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，本发明在电网实际中的转动惯量计算方法验证。
一种考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，在通过转动惯量算法仿真切机法和机组累加法的基础上进行改进。
本发明具体包括以下步骤：
步骤(1)分别用仿真切机法和机组累加法计算同一电网的转动惯量。
以东北电网为例，用仿真切机法和机组累加法分别初步计算了11个不同运行方式的转动惯量。模拟切除某1000MW级最大转动惯量单台发电机，将电力系统分析综合程序PSASP(Power System Analysis Software Package)仿真得到系统频率变化曲线数据导入Matlab程序，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值。同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
步骤(2)对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析。
H切机、H累加、△P`/△P等组成的数据样本库如表1所示。
表1 11个运行方式数据的样本库
由表1可见，初步计算11个不同运行方式的结果显示:累加/切机结果比值△P`/△P具有一定的规律性，△P`/△P普遍大于1，因此式(5)中△P/△P`应小于1。虽然样本较少，但通过已有结果可以初步推断：H切机与H累加两种算法结果之间的数学关系具有比例特性，经过拟合，得到东北电网H切机与H累加结果之间比例关系函数：
H切机＝H累加×0.7948 (6)。
步骤(3)将实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机。证明了回归方程式(5)、(6)的准确性和实用性，因此回归方程式(5)、(6)可用来进行电网转动惯量快速实用化在线评估。
具体操作如下：
将2019年东北电网某1000MW级大型单台发电机跳闸事件中的实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机为325810.2MW.s。证明了回归方程(5)、(6)的准确性和实用性，因此式(5)、(6)可用来进行东北电网转动惯量快速实用化在线评估。
其中，2019年东北电网某1000MW级大型单台发电机跳闸事件是指2019年11月某日，东北电网某1000MW级大型单台发电机跳闸，造成辽宁电网频率由50.05Hz下降至49.90Hz，降幅为0.15Hz。故障时正值辽宁电网早尖峰时段，东北全网发电功率6221万千瓦，统调负荷4832万千瓦。故障时东北全网火电发电4417万千瓦、占比69％，新能源发电1360万千瓦、占比21％，核电发电444万千瓦、占比9.2％。
实施例3
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1和实施例2所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法的步骤。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，包括仿真切机法和机组累加法，利用仿真切机法和机组累加法计算系统转动惯量；其特征是：还包括以下步骤：
步骤1.采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量；
步骤2.对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析；
步骤3.通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法。
2.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤1所述采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量，包括：
在仿真程序中模拟切除全网最大转动惯量的单台发电机，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值；
同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
3.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤2所述对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析，包括：
经过对某一区域电网不同运行方式H切机与H累加的大量计算，发现H切机与H累加结果之间呈现比例关系，比例因子为系统整体故障损失功率△P与N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值；H切机与H累加二者的比例关系如下：
其中△P为系统整体故障损失功率，△P`为N台在线机组端测量到的总功率缺额。
4.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤3所述通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法，包括：
首先用两种方法分别计算多个运行方式的转动惯量作为数据样本库，再找出数据样本库内两种算法结果的比值和新能源占比之间的多元线性回归函数关系；利用N个运行方式计算数据得样本库，得出比例关系方程(5)；
在求得系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`后，用累加法快速计算给定运行方式的转动惯量H累加，再将实际运行方式的系统整体故障损失功率△P和N台在线机组端测量到的总功率缺额△P`的比值代入回归函数比例关系方程(5)，用H累加计算反推H切机；利用已有的区域电网切机法与累加法的固有关系特性，快速计算出H切机的结果。
5.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤1所述采用仿真切机法和机组累加法分别初步计算同一区域电网不同运行方式的转动惯量，是指分别用仿真切机法和机组累加法计算同一电网的转动惯量；用仿真切机法和机组累加法分别初步计算了11个不同运行方式的转动惯量；模拟切除某1000MW级最大转动惯量单台发电机，将电力系统分析综合程序PSASP仿真得到系统频率变化曲线数据导入Matlab程序，仿真后求得0-3秒区间内df/dt平均值，将df/dt平均值、系统整体故障损失功率△P、已脱网的单台发电机对应的转动惯量H`代入式(1)，自动计算H切机值；同时，分别将厂家给定的惯性时间常数Tj1和单台发电机额定容量SN1值代入式(2)计算出单台发电机转动惯量，通过机组累加法式(3)求出所有并网发电机转动惯量之和H累加。
6.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤2所述对同一电网分别采用仿真切机法和机组累加法计算出的转动惯量数值，并进行对比分析；利用H切机、H累加、△P`/△P组成的数据样本库，初步计算11个不同运行方式的结果显示：累加/切机结果比值△P`/△P具有一定的规律性，△P`/△P普遍大于1，因此式(5)中△P/△P`应小于1；通过已有结果初步推断：H切机与H累加两种算法结果之间的数学关系具有比例特性，经过拟合，得到电网H切机与H累加结果之间比例关系函数：
H切机＝H累加×0.7948 (6)。
7.根据权利要求1所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：步骤3所述通过两种算法的函数关系确定适用于某地电网的快速实用化转动惯量计算方法，包括：将实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机；证明回归方程式(5)、(6)的准确性和实用性，因此回归方程式(5)、(6)可用来进行电网转动惯量快速实用化在线评估。
8.根据权利要求7所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法，其特征是：利用所述回归方程式(5)、(6)进行电网转动惯量快速实用化在线评估，包括：将电网某1000MW级大型单台发电机跳闸事件中的实测的H累加数据带入公式(6)，得H切机为325810.2MW.s，证明回归方程(5)、(6)的准确性和实用性，式(5)、(6)可用来进行东北电网转动惯量快速实用化在线评估。
9.一种计算机存储介质，其特征是：所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8所述的考虑功率差额比例的转动惯量快速实用化在线计算方法的步骤。
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