CN112952800B - 用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法及装置，该方法包括：构建电力系统时域仿真模型；基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标。该指标能通过时域仿真或者PMU量测获得的发电机功角摇摆曲线简单计算获得。它针对稳定和失稳样本分别定义分段函数，形成分段暂态稳定评估指标(piece‑wise transient stability index，PSI)，使得稳定与失稳样本分别具有正负的PSI值。所述的PSI指标能够同时表征稳定裕度与失稳严重度，适用于实际电网暂态稳定水平的对比和描述，还能应用于稳定评估作为样本的稳定标签，为模型提供更细致的连续严重度信息。

Description

用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法及装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方 法及装置。

背景技术

大型电力系统的暂态稳定水平一直是运行关注的核心指标。目前，对暂态稳定的评估有 两类指标。应用最多的是稳定/失稳的二分类指标。它可以通过观测功角摇摆曲线直观的判定， 但是无法反映稳定水平的渐进变化程度。另一类则是能反应稳定水平变化程度的实数值指标。 目前最广泛采用的是故障的临界清除时间(critical clearing time，CCT)指标。但是CCT需 要反复的时域仿真迭代地求解，当电网规模与样本数较大时造成巨大的计算负担，对于计算 机的运行速度有极高的要求，因此也很难在实际大电网的在线稳定评估中应用。

发明内容

为了解决背景技术所存在的至少以技术问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法， 包括：

构建电力系统时域仿真模型；

基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取装置， 包括：

仿真模块，用于构建电力系统时域仿真模型；

采样模块，用于基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

运算处理模块，用于根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标

第三方面，本发明实施例提供了一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端， 包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特 征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供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，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1)指标获取过程无需迭代，可以明显加快运行速度，显著地缓解电网大规模样本的稳定 评估指标生成压力，减少计算机的运行数量，采用常规的计算机都可以生成；

2)所采用的变换方法使得失稳样本的指标值分布均匀，能更好的反映失稳严重程度的变 化；

3)值域为[-1,1]的连续指标值能为稳定评估模型提供更细粒度的稳定标签信息。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法的流程图；

图2为PSI指标计算流程图；

图3为各发电机功角曲线，(a)为稳定样本，(b)为失稳样本；

图4为稳定样本的(a)|Δδ|_c-|Δδ|_max与(b)PSI分布图；

图5为失稳样本的(a)t_u与(b)PSI分布图；

图6为本发明实施例2提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取装置的组成示 意图；

图7为本发明实施例3提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的组成示 意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1：

参阅图1所示，本实施例提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法主要包 括如下步骤：

101、构建电力系统时域仿真模型；

102、基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

103、根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标。

具体地，该分段评估指标指标定义如下

在式(1a)中，|Δδ|_max表示最大功角差绝对值峰值。|Δδ|_c表示临界功角差绝对值，作为 阈值人工给定，推荐取180°。ε为裕度参数，目的是使稳定样本和失稳样本的PSI指标值 之间存在明显的隔离区域[-ε,ε]。如果希望PSI指标连续取值，则取ε＝0。如果将PSI作为 训练智能稳定评估模型的样本稳定标签，则宜取ε为一个小的正数，使得稳定样本指标与失 稳样本指标之间保持不小于2ε的距离。此时，推荐取值为ε＝0.1。

在式(1b)中，t′_u为归一化的失稳时间，表示如下：

其中t_u为失稳时间。μ_u，ξ_u分别为根据大量样本统计的失稳时间的均值和方差，定义如下：

式中，t_u,b表示第b个样本的失稳时刻，B表示统计样本数量。

σ′(·)为sigmoid函数。

τ为调制因子，它可以使得少数离群样本进入σ′(·)的饱和区，从而保证样本稳定水平变化 时PSI指标之间能表现出相对显著的差异，提高样本稳定指标分布的均匀度。一般取τ＝1.5。

min(·,·)，max(·,·)为限幅函数，分别取两个输入值中的最小项与最大项，使得稳定指标恒 满足PSI∈[-1,1]。

PSI可以直观地提供从失稳到稳定的变化趋势。

在上述步骤101中，所构建的电力系统时域仿真模型为，对一个具有N条母线、N_G台发 电机的电力系统，定义时域仿真中各发电机功角曲线为

如图2所示，上 述步骤102和103则具体包括如下步骤：

1)设置仿真初始采样点k⁽⁰⁾＝0与最大采样点k_max＝K，计算功角差绝对值的最大值|Δδ(t₀)|_max，并作为功角差绝对值峰值的初始值

记下初始时刻t₀。

2)移动到下一采样点，k＝k+1，记下该时刻t_k。

3)对第k(1≤k≤k_max)个采样时刻t_k，基于式(5)计算|Δδ(t_k)|_max，若|Δδ(t_k)|_max≥|Δδ|_c，则 记下t_u＝t_k，将t_u代入式(1b)中计算得到PSI指标，流程结束。

4)若|Δδ(t_k)|_max＜|Δδ|_c，对比当前时刻的功角差绝对值最大值|Δδ(t_k)|_max与前一次计算的功 角差绝对值峰值

若

则令

否则

5)重复2)、3)、4)，若到达k＝k_max，输出功角差绝对值峰值

代入式(1a) 中得到PSI指标，流程结束。

下面结合一个应用场景实例来对本发明进行进一步的说明：

IEEE 10机39节点系统为测试系统，基于PSD-BPA完成仿真数据生成。IEEE 10机39节点系统包括39个节点，10台发电机以及46条输电线路，其中10号发电机为参考电机。 所有发电机均为六阶模型，配有IEEEⅠ型励磁系统及IEEE G1型调速系统。设置仿真时长 为4s，则最大采样点K＝400，在PSD-BPA进行暂态仿真。仿真样本总数为B＝16581，按式 (3)(4)得到均值μ_u＝0.9323与方差ξ_u＝0.2936。下面分别阐述典型案例的PSI指标计算以 及指标分布情况。

选取某典型运行方式在线路bus1-bus2、bus2-bus25发生故障的稳定样本与失稳样本，各 发电机功角如图3所示，(a)为稳定样本，(b)为失稳样本。

由于总仿真时刻数较大，下表只给出了若干个时刻下稳定样本、失稳样本的功角数值与 PSI指标计算过程。

表1故障位于bus1-bus2上的稳定样本的功角数值

如表1所示，对其中的各发电机功角曲线采样，实施表2中的PSI指标计算流程。

表2稳定样本的PSI指标计算过程

从k＝0开始采样，最终得到最大功角差绝对值峰值|Δδ|_max＝95.4811°，将|Δδ|_max的数值代入 式(1a)中，得到该稳定样本的PSI＝0.4068。

表3故障位于bus1-bus2上的失稳样本

如表3所示，对其中的各发电机功角曲线采样，实施表4中的PSI指标计算流程。

表4失稳样本的|Δδ(t_k)|计算的参数展示

最终，当k＝106时，

输出失稳时刻t_u＝1.06，将t_u的数值代入式(1b)中， 得到该失稳样本的PSI＝-0.2262。

为方便对比，作出所有稳定样本的|Δδ|_c-|Δδ|_max、PSI分布如图4所示，所有失稳样本的t_u、 PSI分布如图5所示。

没有PSI指标时，从仿真曲线得到的初始稳定指标，即|Δδ|_max与t_u的分布如图4(a)、5 (a)所示，在数值上存在较大差异，只能各自反映稳定、失稳样本稳定度的变化情况，无法 直观地反映覆盖稳定到失稳的整体稳定度趋势。

采用PSI指标评价稳定性时，一万多个样本的稳定指标分布如图4(b)、5(b)所示。指 标被归一化至[-1,1]，稳定、失稳部分不存在数量级差异，整体上保持连续分布，适用于整个 样本空间内稳定水平渐变的直接对比。

此外，观测图5(a)可以看到，由于少数离群值的存在，失稳样本的t_u呈长尾分布。采 用PSI指标后。变换式1(b)使得图5(b)中PSI指标的分布较为均匀，可以更有效的对比和分辨失稳严重度的渐变过程。

由此可见，本实施例所提供的本实施例提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获 取方法，该指标能通过时域仿真或者PMU量测获得的发电机功角摇摆曲线简单计算获得。 它针对稳定和失稳样本分别定义分段函数，形成分段暂态稳定评估指标(piece-wise transient stabilityindex，PSI)，使得稳定与失稳样本分别具有正负的PSI值。所述的PSI指标能够同时 表征稳定裕度与失稳严重度，适用于实际电网暂态稳定水平的对比和描述，还能应用于稳定 评估作为样本的稳定标签，为模型提供更细致的连续严重度信息。

与现有技术对比，其优点为：1)指标获取过程无需迭代，可以明显加快运行速度，显著 地缓解电网大规模样本的稳定评估指标生成压力，减少计算机的运行数量，采用常规的计算 机都可以生成；2)所采用的变换方法使得失稳样本的指标值分布均匀，能更好的反映失稳严 重程度的变化；3)值域为[-1,1]的连续指标值能为稳定评估模型提供更细粒度的稳定标签信 息。

实施例2：

参阅图6所示，本实施例提供的一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取装置， 包括：

仿真模块601，用于构建电力系统时域仿真模型；

采样模块602，用于基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

运算处理模块603，用于根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标。

具体地，该分段评估指标指标定义如下

在式(1a)中，|Δδ|_max表示最大功角差绝对值峰值。|Δδ|_c表示临界功角差绝对值，作为 阈值人工给定，推荐取180°。ε为裕度参数，目的是使稳定样本和失稳样本的PSI指标值 之间存在明显的隔离区域[-ε,ε]。如果希望PSI指标连续取值，则取ε＝0。如果将PSI作为 训练智能稳定评估模型的样本稳定标签，则宜取ε为一个小的正数，使得稳定样本指标与失 稳样本指标之间保持不小于2ε的距离。此时，推荐取值为ε＝0.1。

在式(1b)中，t′_u为归一化的失稳时间，表示如下：

其中t_u为失稳时间。μ_u，ξ_u分别为根据大量样本统计的失稳时间的均值和方差，定义如下：

式中，t_u,b表示第b个样本的失稳时刻，B表示统计样本数量。

σ′(·)为sigmoid函数。

τ为调制因子，它可以使得少数离群样本进入σ′(·)的饱和区，从而保证样本稳定水平变化 时PSI指标之间能表现出相对显著的差异，提高样本稳定指标分布的均匀度。一般取τ＝1.5。

min(·,·)，max(·,·)为限幅函数，分别取两个输入值中的最小项与最大项，使得稳定指标恒 满足PSI∈[-1,1]。

PSI可以直观地提供从失稳到稳定的变化趋势。

在上述仿真模块中，所构建的电力系统时域仿真模型为，对一个具有N条母线、N_G台发 电机的电力系统，定义时域仿真中各发电机功角曲线为

上述采样模块和 运算处理模块的具体工作原理如下：

1)设置仿真初始采样点k⁽⁰⁾＝0与最大采样点k_max＝K，计算功角差绝对值的最大值|Δδ(t₀)|_max，并作为功角差绝对值峰值的初始值

记下初始时刻t₀。

2)移动到下一采样点，k＝k+1，记下该时刻t_k。

3)对第k(1≤k≤k_max)个采样时刻t_k，基于式(5)计算|Δδ(t_k)|_max，若|Δδ(t_k)|_max≥|Δδ|_c，则 记下t_u＝t_k，将t_u代入式(1b)中计算得到PSI指标，流程结束。

4)若|Δδ(t_k)|_max＜|Δδ|_c，对比当前时刻的功角差绝对值最大值|Δδ(t_k)|_max与前一次计算的功 角差绝对值峰值

若

则令

否则

5)重复2)、3)、4)，若到达k＝k_max，输出功角差绝对值峰值

代入式(1a) 中得到PSI指标，流程结束。

由此可见，本实施例提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取装置，该指标能 通过时域仿真或者PMU量测获得的发电机功角摇摆曲线简单计算获得。它针对稳定和失稳 样本分别定义分段函数，形成分段暂态稳定评估指标(piece-wise transientstability index，PSI)， 使得稳定与失稳样本分别具有正负的PSI值。所述的PSI指标能够同时表征稳定裕度与失稳 严重度，适用于实际电网暂态稳定水平的对比和描述，还能应用于稳定评估作为样本的稳定 标签，为模型提供更细致的连续严重度信息。

与现有技术对比，其优点为：1)指标获取过程无需迭代，可以明显加快运行速度，显著 地缓解电网大规模样本的稳定评估指标生成压力，减少计算机的运行数量，采用常规的计算 机都可以生成；2)所采用的变换方法使得失稳样本的指标值分布均匀，能更好的反映失稳严 重程度的变化；3)值域为[-1,1]的连续指标值能为稳定评估模型提供更细粒度的稳定标签信 息。

实施例3：

参阅图7所示，本实施例提供的用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端包括处 理器701、存储器702以及存储在该存储器702中并可在所述处理器701上运行的计算机程 序703，例如电网暂态稳定水平的分段评估指标获取程序。该处理器701执行所述计算机程 序703时实现上述实施例1步骤，例如图1所示的步骤。或者，所述处理器701执行该计算 机程序703时实现上述实施例2中各模块的功能。

示例性的，所述计算机程序703可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块 被存储在所述存储器702中，并由所述处理器701执行，以完成本发明。所述一个或多个模 块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序 703在所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端中的执行过程。例如，所述计算 机程序703可以被分割成采样模块和运算处理模块。

所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端可以是桌上型计算机、笔记本、掌 上电脑及云端服务器等计算设备。所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端可包 括，但不仅限于，处理器701、存储器702。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是用于电网 暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的示例，并不构成用于电网暂态稳定水平的分段评估 指标获取终端的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的 部件，例如所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端还可以包括输入输出设备、 网络接入设备、总线等。

所称处理器701可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用 处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其 他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处 理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器702可以是所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的内部存储 元，例如用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的硬盘或内存。所述存储器702也 可以是所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的外部存储设备，例如所述用于 电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储 器702还可以既包括所述用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端的内部存储单元也 包括外部存储设备。所述存储器702用于存储所述计算机程序以及所述用于电网暂态稳定水 平的分段评估指标获取终端所需的其他程序和数据。所述存储器702还可以用于暂时地存储 已经输出或者将要输出的数据。

实施例4：

本实施例提供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， 所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。

所示计算机可读介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行 系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的 更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式 计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器 (EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机 可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介 质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理再以电子方式获得 所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技 术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本 发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取方法，其特征在于，包括：

构建电力系统时域仿真模型；

基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标；

所述分段评估指标PSI为：

在式(1)(a)中，|Δδ|_max表示最大功角差绝对值峰值，|Δδ|_c表示临界功角差绝对值，ε为裕度参数；

式(1)(b)中，t′_u为归一化的失稳时间，表示如下：

其中t_u为失稳时间，μ_u，ξ_u分别为根据大量样本统计的失稳时间的均值和方差，定义如下：

式中，t_u,b表示第b个样本的失稳时刻，B表示统计样本数量；

σ′(·)为sigmoid函数；

τ为调制因子；

min(·,·)，max(·,·)为限幅函数，分别取两个输入值中的最小项与最大项，使得稳定指标恒满足PSI∈[-1,1]；

所述电力系统时域仿真模型为：

对一个具有N条母线、N_G台发电机的电力系统，定义时域仿真中各发电机功角曲线为

所述基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据，根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标包括：

以

为第k个采样点对应时刻t_k的发电机功角向量，则t_k时刻任意两发电机功角差绝对值的最大值|Δδ(t_k)|_max表达如下：

|Δδ(t_k)|_max＝max{|Δδ_i(t_k)-Δδ_j(t_k)||i,j＝1,2,…,N_G,i≠j} (5)

基于式(5)，PSI指标计算流程包括如下步骤：

1)设置仿真初始采样点k⁽⁰⁾＝0与最大采样点k_max＝K，计算功角差绝对值的最大值|Δδ(t₀)|_max，并作为功角差绝对值峰值的初始值

记下初始时刻t₀；

2)移动到下一采样点，k＝k+1，记下该时刻t_k；

3)对第k(1≤k≤k_max)个采样时刻t_k，基于式(5)计算|Δδ(t_k)|_max，若|Δδ(t_k)|_max≥|Δδ|_c，则记下t_u＝t_k，将t_u代入式(1)(b)中计算得到PSI指标，流程结束；

4)若|Δδ(t_k)|_max＜|Δδ|_c，对比当前时刻的功角差绝对值最大值|Δδ(t_k)|_max与前一次计算的功角差绝对值峰值

若

则令

否则

5)重复2)、3)、4)，若到达k＝k_max，输出功角差绝对值峰值

代入式(1)(a)中得到PSI指标，流程结束。

2.一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取装置，其特征在于，包括：

仿真模块，用于构建电力系统时域仿真模型；

采样模块，用于基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据；

运算处理模块，用于根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标；

所述分段评估指标PSI为：

在式(1)(a)中，|Δδ|_max表示最大功角差绝对值峰值，|Δδ|_c表示临界功角差绝对值，ε为裕度参数；

式(1)(b)中，t′_u为归一化的失稳时间，表示如下：

其中t_u为失稳时间，μ_u，ξ_u分别为根据大量样本统计的失稳时间的均值和方差，定义如下：

式中，t_u,b表示第b个样本的失稳时刻，B表示统计样本数量；

σ′(·)为sigmoid函数；

τ为调制因子；

min(·,·)，max(·,·)为限幅函数，分别取两个输入值中的最小项与最大项，使得稳定指标恒满足PSI∈[-1,1]；

所述仿真模块所构建的电力系统时域仿真模型为：

对一个具有N条母线、N_G台发电机的电力系统，定义时域仿真中各发电机功角曲线为

所述基于电力系统时域仿真模型来进行仿真采样，获得采样点数据，根据所获得的采样点数据来计算得到分段评估指标包括：

以

为第k个采样点对应时刻t_k的发电机功角向量，则t_k时刻任意两发电机功角差绝对值的最大值|Δδ(t_k)|_max表达如下：

|Δδ(t_k)|_max＝max{|Δδ_i(t_k)-Δδ_j(t_k)||i,j＝1,2,…,N_G,i≠j} (5)

基于式(5)，PSI指标计算流程包括如下步骤：

1)设置仿真初始采样点k⁽⁰⁾＝0与最大采样点k_max＝K，计算功角差绝对值的最大值|Δδ(t₀)|_max，并作为功角差绝对值峰值的初始值

记下初始时刻t₀；

2)移动到下一采样点，k＝k+1，记下该时刻t_k；

3)对第k(1≤k≤k_max)个采样时刻t_k，基于式(5)计算|Δδ(t_k)|_max，若|Δδ(t_k)|_max≥|Δδ|_c，则记下t_u＝t_k，将t_u代入式(1)(b)中计算得到PSI指标，流程结束；

4)若|Δδ(t_k)|_max＜|Δδ|_c，对比当前时刻的功角差绝对值最大值|Δδ(t_k)|_max与前一次计算的功角差绝对值峰值

若

则令

否则

5)重复2)、3)、4)，若到达k＝k_max，输出功角差绝对值峰值

代入式(1)(a)中得到PSI指标，流程结束。

3.一种用于电网暂态稳定水平的分段评估指标获取终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。

4.一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所述方法的步骤。

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