CN113541154B - 一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统自动电压控制技术领域，涉及一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法。该方法预先设定交流预想故障集，在每个自动电压控制周期到来时，根据电网当前状态进行基态潮流计算，并模拟计算交流预想故障集中每个故障后电网的运行方式，在模拟计算潮流过程中模拟了四种不同类型的预想故障对应的开关刀闸状态设置，从而计算得到故障对全网母线电压的影响，即母线电压对故障的灵敏度，该方法进一步根据母线电压对故障的灵敏度计算全网母线的电压安全域上、下限值，并输入到自动电压控制系统中实现预防控制。采用本方法可避免在发生交流预想故障后电网电压变化造成电压越限，提高了电网的电压运行稳定。

Description

一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法

技术领域

本发明属于电力系统自动电压控制技术领域，涉及一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法。

背景技术

自动电压控制(以下简称AVC，Automatic Voltage Control)系统是实现输电网安全(提高电压稳定裕度)、经济(降低网络损耗)、优质(提高电压合格率)运行的重要手段。AVC系统架构在电网能量管理系统(EMS)之上，能够利用输电网实时运行数据，从输电网全局优化的角度科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给电厂、变电站以及下级电网调度机构执行。孙宏斌、张伯明、郭庆来在《基于软分区的全局电压优化控制系统设计》(电力系统自动化,2003年，第27卷第8期，16-20页)中说明了大电网自动电压控制的体系结构。

AVC系统的主站部分是在电力系统控制中心基于软件实现的，其对输电网的电压控制策略主要有对电厂各发电机无功控制策略以及对变电站的无功设备控制策略2类。其中对电厂各发电机的无功控制策略，目前采用的主要方式是：调度中心的AVC主站系统通过无功优化计算得到电厂各机组的无功调节量后，通过数据通信通道向电厂的AVC子站系统发送，电厂的AVC子站接收到发电机无功调整量后，根据当前电厂内各台发电机的运行状态，采用步进方式调整发电机发出的无功功率，直到达到AVC主站下发的调整量。对变电站的无功设备控制策略为对无功补偿设备的投切指令，无功设备主要包括电容器和电抗器，当投入电容器或切除电抗器时，母线电压升高；当切除电容器或投入电抗器时，母线电压降低。AVC主站下发投入或切除无功设备的指令，变电站内的自动化监控系统根据接收的指令，找到无功设备所连接的断路器并合上或断开断路器，以完成无功设备的投入或切除。

随着负荷需求不断增长，大容量远距离输电不断增加，电力系统的电压稳定问题日益突出，特别是近年来世界范围内电压失稳事故频频发生，造成巨大经济损失和严重社会影响，在电网连锁故障过程中，故障前电网实际上运行在一个“不合理”、“高风险”、“低裕度”的状态，尽管其满足正常运行的约束条件，但是一旦发生扰动，就失去了N-1后继续维持正常运行的能力。按照电网运行状态的划分，这属于“正常但不安全”。为了保证电网及近区能运行在“正常安全”的状态下，需要建立带电网安全约束条件的优化(SCOPF)模型，保证系统电压在正常情况下和任一预想故障后均能满足安全性的要求。由于故障后的电网在超短的时间内实时控制很难实现，因此预防控制是一个有效解决方法。

电网连锁事故问题的预防控制需要兼顾两个方面，第一是保证正常运行时母线的电压分布在合理范围内；第二是当该区域内发生预想故障后，要保证电压变化量不越限。

在实际电压运行时，若给定的母线越过电压上限或者下限，电网就会面临事故风险。实际运行时，为了电网的安全性，不仅要保证特高压母线在正常运行时不能越限，还要保证基于预想故障后的也不能越限(即N-1的安全性)。若区域内有事故发生，则要保证其它近区母线在事故后也能正常运行，以避免大规模连锁事故的发生。如图1电压安全域示意图所示，给定的母线电压运行范围的上下限，若实际运行时，母线电压不在这一范围内，就有可能发生事故，这两条线的给出可以依据历史数据与运行经验，而根据预想事故后的安全要求，当前电压必须运行在优化后的电压安全域范围内，如图中电压安全域上下限所示，若当前母线电压运行在安全域内，预想事故集中的任一故障发生后，母线电压虽然有所波动，但仍然能够维持在电压上、下限范围内(N-1安全)。而当前母线电压若不运行在安全域内，N-1事故后，该母线电压就有可能越过其上下限，从而导致电网的不安全运行。

已有技术中，母线电压对支路开断的灵敏度计算，在基态条件下，描述电网状态变量(母线电压和相角)与注入关系的潮流方程如下式所示：

其中：

(1)P_Gi-P_Di：合并后的母线有功注入；

(2)Q_Gi-Q_Di：合并后的母线无功注入。

(3)

开断前，节点i与节点j之间的电导、电纳。

(4)V_i ⁰：开断前，节点i的电压幅值。

(5)

开断前，节点i与节点j之间的相角差。

基于给定的边界条件，求解上式可知电网状态变量(母线电压和相角)。

当第k条支路开断后，边界条件不变，网络结果发生变化，其潮流方程如下式所示：

其中：

(1)

第k条支路开断后，节点i与节点j之间的电导、电纳

(2)V_i ^k：第k条支路开断后，节点i的电压幅值。

(3)

第k条支路开断后，节点i与节点j之间的相角差。

则母线电压对第k条支路开断的灵敏度为：S_i,k＝V_i ^k-V_i ⁰。

发明内容

本发明的目的是提出一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，对已有的电压控制方法进行改进，根据需要对电网进行电压预防控制，从而为电网的自动电压控制提供有效的控制策略，以保证大区电网的安全稳定可靠运行。

本发明提出的避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，该方法预先设定交流预想故障集，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障、主变单端断开故障，在每个自动电压控制周期到来时，根据电网当前状态进行基态潮流计算，并模拟计算交流预想故障集中每个故障后电网的运行方式，在模拟计算潮流过程中模拟了四种不同类型的预想故障对应的开关刀闸状态设置，从而计算得到故障对全网母线电压的影响，即母线电压对故障的灵敏度，该方法进一步根据母线电压对故障的灵敏度计算全网母线的电压安全域上、下限值，并输入到自动电压控制系统中，实现电压控制。

本发明提出的避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，其特点和优点是：

本发明的避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，避免交流发生N-1故障后造成电网电压剧烈变化导致电压越限的情况，在进行自动电压控制时，根据当前电网的运行方式，预测可能出现故障后全网母线电压的变化幅值(即母线电压对故障的灵敏度)，计算母线电压运行安全域上下限，预先设定交流预想故障集，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障、主变单端断开故障，在每个自动电压控制周期到来时，根据电网当前状态进行基态潮流计算，并模拟计算交流预想故障集中每个故障后电网的运行方式，在模拟计算潮流过程中模拟了四种不同类型的预想故障对应的开关刀闸状态设置，从而计算得到故障后电网母线电压变化幅值,即母线电压对故障的灵敏度，进一步计算电网母线的电压安全域限值，并输入到自动电压控制系统中实现预防控制。采用本方法可避免在发生交流预想故障后电网电压变化造成电压越限，提高了电网的电压运行稳定。

附图说明

图1是已有技术中涉及的电压安全域示意图。

图2是本发明避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法的整体流程框图。

具体实施方式

本发明提出的避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，预先设定交流预想故障集，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障、主变单端断开故障，在每个自动电压控制周期到来时，根据电网当前状态进行基态潮流计算，并模拟计算交流预想故障集中每个故障后电网的运行方式，在模拟计算潮流过程中模拟了四种不同类型的预想故障对应的开关刀闸状态设置，从而计算得到故障对全网母线电压的影响，即母线电压对故障的灵敏度，该方法进一步根据母线电压对故障的灵敏度计算全网母线的电压安全域上、下限值，并输入到自动电压控制系统中，实现电压控制。

上述避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，其流程框图如图2所示，具体过程包括以下步骤：

(1)从电网调度中心获取电网网络结构数据，设定电网含I条母线，并预先设定一个交流预想故障集M，交流故障集M中包含N个不同故障，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障和主变单端断开故障，共计四种故障类型；

(2)从电网调度中心获取当前电网潮流计算模型，进行基态潮流计算，并记录计算得到的电网母线电压值V^curr：

V^curr＝{V_i ^curr，i＝1,…,I}

其中，V_i ^curr表示母线i的当前电压量测值，I为全部母线数量；

(3)对步骤(1)的交流预想故障集M中的N个故障进行逐一处理，根据故障类型设置故障后的开关刀闸状态，再进行潮流计算，根据潮流计算结果，得到每个故障后电网中所有母线的电压值V^falt，

V^falt＝{V_i,k ^falt，i＝1,…,I，k＝1,…,N}

其中，V_i,k ^falt表示计算得到的发生故障k后母线i的电压预测值，N为全部预想故障数量；计算过程包括如下步骤：

(3-1)读取交流预想故障集M中的故障，并将当前故障记为故障k，根据故障k所属的故障类型，进行拓扑搜索，得到故障k设备所连接的全部开关和刀闸，记为集合B，包括如下步骤：

(3-1-1)当故障k为线路短路故障时，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，通过拓扑搜索线路首端和末端连接的全部开关和刀闸，将全部开关和刀闸存入集合B＝{b_j,j＝1,…,J},j为集合中开关刀闸的数量；

(3-1-2)当故障k为主变短路故障时，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，通过拓扑搜索主变高、中、低各绕组连接的全部开关和刀闸，将全部开关和刀闸存入集合B；

(3-1-3)当故障k为线路单端故障，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，并根据交流预想故障集M中故障k指定的单端开断的首端或末端，通过拓扑搜索故障k线路的首端或末端连接的全部开关刀闸，将全部开关刀闸存入集合B；

(3-1-4)当故障k为主变单端故障，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，并根据交流预想故障集M中故障k指定的单端开断的绕组，通过拓扑搜索故障k绕组连接的全部开关刀闸，将全部开关刀闸存入集合B；

(3-2)根据步骤(2)的基态潮流计算结果，将步骤(3-1)搜索到的集合B中全部开关和刀闸均置入为分位，得到故障k发生后的电网潮流计算模型；

(3-3)利用步骤(3-2)得到的故障k发生后的电网潮流计算模型，进行潮流计算，根据潮流计算结果，记录故障k后的电网母线的电压值：

V^falt：{V_i,k ^falt，i＝1,…,I}

(3-4)遍历故障集M中的全部故障，重复步骤(3-1)-步骤(3-3)，得到每个故障后的电网母线的电压值V^falt；

V^falt：{V_i,k ^falt，i＝1,…,I，k＝1,…,N}

其中，V_i,k ^falt为故障k后潮流计算结果中母线i的电压预测值；

(4)采用灵敏度计算方法，计算得到母线i电压对每个故障的灵敏度：S_i,k＝V_i,k ^falt-V_i ^curr(k＝1,…N)；

(5)根据步骤(4)的母线i电压对每个故障的灵敏度S_i,k(k＝1,…N),计算母线i的电压安全域上限V_s,i ^max和电压安全域下限V_s,i ^mix，计算公式如下：

V_s,i ^max＝min{V_i ^max,V_i ^max-S_i,k:S_i,k>0,k＝1,…N}

V_s,i ^mix＝max{V_i ^min,V_i ^min-S_i,k:S_i,k<0,k＝1,…N}

其中，V_i ^max、V_i ^min为母线i的电压计划限值，即电网电压运行合格的上限值和下限值，从调度中心获取；

(6)将步骤(5)的电网母线的电压安全域上限和电压安全域下限输入到电网调度中心调度监控系统的自动电压控制模块中，作为电网母线电压的限值约束；自动电压控制模块根据该约束条件计算控制指令，并将该控制指令下发至电厂和变电站执行，实现避免交流预想故障集引起的电压越限的电压控制。

下面结合附图和具体实施例，进一步详细说明本发明内容如下。

本发明方法涉及的电网模型中，在电网模型的交流预想故障集近区包含1条500kV母线，2条500kV线路，和2台500kV主变都在运行模式，基态下当前500kV母线电压为519.67kV，电压计划限值为500kV～530kV。

(1)从电网调度中心获取电网网络结构数据，电网含1条母线，并预先设定交流预想故障集M，故障集M包含4个不同故障，故障类型包含线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障、主变单端断开故障，共计4种故障类型；

预先设定的交流故障集M中故障如下：

(2)从电网调度中心获取当前电网潮流计算模型，进行基态潮流计算，并记录电网母线电压值为：

获取电网母线电压如下：

序号	母线名称	电压值
			1	Bs1	519.67kV

(3)获取交流预想故障集M，对故障集中4个故障进行逐一处理，根据故障类型设置故障后开关刀闸状态，再进行潮流计算，根据潮流计算结果得到每个故障后全网所有母线的电压值V^falt，计算过程包括如下步骤：

V^falt＝{V_i,k ^falt，i＝，k＝1,…,4}

其中V_i,k ^falt表示计算得到的故障k后母线i的电压预测值；

(3-1)读取交流预想故障集M中故障，并将当前故障1记为故障k，根据故障k所属的故障类型，进行拓扑搜索，得到故障k设备所连接的全部开关刀闸，记为集合B，包括如下步骤：

(3-1-1)故障1为线路短路故障，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，通过拓扑搜索线路首端和末端连接的全部开关刀闸，存入集合B；

(3-2)在基态潮流模型的基础上，在基态潮流模型的基础上，将步骤(3-1)搜索到的集合B中全部开关刀闸，均置入为分位，得到故障1电网潮流计算模型，并进行(3-3)；

(3-3)利用步骤(3-2)得到的故障1电网潮流计算模型，进行潮流计算，根据潮流计算结果记录故障1后的全网母线的电压值V_1,1 ^falt；

V_1,1 ^falt＝520.510kV

(3-4)返回步骤同理重复步骤(3-1)，继续处理下一个故障，直至故障集M中全部故障处理完成，可得出每个故障后的全网母线的电压值V^falt；

计算得到的母线电压预测值如下：

序号	名称	电压值
			1	V1,1 falt	520.510kV
2	V1,2 falt	506.053kV
			3	V1,3 falt	520.231kV
4	V1,4 falt	508.162kV

(4)进一步计算，可以得出母线1电压对每个故障的灵敏度：S_i,k＝V_i,k ^falt-V_i ^curr(k＝1,…4)；

序号	名称	值
			1	S1,1	0.84
2	S1,2	-13.617
			3	S1,3	0.561
4	S1,4	-11.508

(5)根据步骤(4)的母线1(Bs1)电压对每个故障的灵敏度S_1,k(k＝1,…4),计算母线1的电压安全域上限V_s,i ^max和电压安全域下限V_s,i ^mix，计算方法为：

V_s,i ^max＝min{V_i ^max,V_i ^max-S_i,k:S_i,k>0,k＝1,…4}

V_s,i ^mix＝max{V_i ^min,V_i ^min-S_i,k:S_i,k<0,k＝1,…4}

其中，V₁ ^max＝530kV、V₁ ^min＝500kV为母线1的电压计划限值，即电网电压运行合格的上限和下限；

计算得到电压安全域上下限如下：

序号	母线名称	安全域上限电压	安全域下限电压
				1	Bs1	529.160kV	513.617kV

(6)将步骤(5)的近区母线的电压安全域上限529.160kV和电压安全域下限513.617kV输入到电网调度中心调度监控系统的自动电压控制模块中，作为母线电压的限值约束。自动电压控制模块根据该约束条件计算将相应控制指令并下发至电厂和变电站执行，从而实现避免交流预想故障集引起的电压越限控制。

Claims (1)

1.一种避免交流预想故障集引起电压越限的电压控制方法，其特征在于，该方法预先设定交流预想故障集，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障、主变单端断开故障，在每个自动电压控制周期到来时，根据电网当前状态进行基态潮流计算，并模拟计算交流预想故障集中每个故障后电网的运行方式，在模拟计算潮流过程中模拟了四种不同类型的预想故障对应的开关刀闸状态设置，从而计算得到故障对全网母线电压的影响，即母线电压对故障的灵敏度，该方法进一步根据母线电压对故障的灵敏度计算全网母线的电压安全域上、下限值，并输入到自动电压控制系统中，实现电压控制；

该方法的具体过程包括以下步骤：

（1）从电网调度中心获取电网网络结构数据，设定电网含I条母线，并预先设定一个交流预想故障集M，交流故障集M中包含N个不同故障，故障类型包括线路短路故障、主变短路故障、线路单端断开故障和主变单端断开故障，共计四种故障类型；

（2）从电网调度中心获取当前电网潮流计算模型，进行基态潮流计算，并记录计算得到的电网母线电压值V^curr：

V^curr={V_i ^curr，i=1,…,I}

其中，V_i ^curr表示母线i的当前电压量测值，I为全部母线数量；

（3）对步骤（1）的交流预想故障集M中的N个故障进行逐一处理，根据故障类型设置故障后的开关刀闸状态，再进行潮流计算，根据潮流计算结果，得到每个故障后电网中所有母线的电压值V^falt，

V^falt={ V_{i, k} ^falt，i=1,…,I ，k=1,…,N}

其中，V_{i, k} ^falt表示计算得到的发生故障k后母线i的电压预测值，N为全部预想故障数量；计算过程包括如下步骤：

（3-1）读取交流预想故障集M中的故障，并将当前故障记为故障k，根据故障k所属的故障类型，进行拓扑搜索，得到故障k设备所连接的全部开关和刀闸，记为集合B，包括如下步骤：

（3-1-1）当故障k为线路短路故障时，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，通过拓扑搜索线路首端和末端连接的全部开关和刀闸，将全部开关和刀闸存入集合B={b_j, j=1,…,J},j为集合中开关刀闸的数量；

（3-1-2）当故障k为主变短路故障时，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，通过拓扑搜索主变高、中、低各绕组连接的全部开关和刀闸，将全部开关和刀闸存入集合B；

（3-1-3）当故障k为线路单端故障，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，并根据交流预想故障集M中故障k指定的单端开断的首端或末端，通过拓扑搜索故障k线路的首端或末端连接的全部开关刀闸，将全部开关刀闸存入集合B；

（3-1-4）当故障k为主变单端故障，从电网调度中心获取电网潮流计算模型，并根据交流预想故障集M中故障k指定的单端开断的绕组，通过拓扑搜索故障k绕组连接的全部开关刀闸，将全部开关刀闸存入集合B；

（3-2）根据步骤（2）的基态潮流计算结果，将步骤（3-1）搜索到的集合B中全部开关和刀闸均置入为分位，得到故障k发生后的电网潮流计算模型；

（3-3）利用步骤（3-2）得到的故障k发生后的电网潮流计算模型，进行潮流计算，根据潮流计算结果，记录故障k后的电网母线的电压值：

V^falt：{ V_{i, k} ^falt，i=1,…,I}

（3-4）遍历故障集M中的全部故障，重复步骤（3-1）-步骤（3-3），得到每个故障后的电网母线的电压值V^falt；

V^falt：{ V_{i, k} ^falt，i=1,…,I ，k=1,…,N}

其中，V_{i, k} ^falt为故障k后潮流计算结果中母线i的电压预测值；

（4）采用灵敏度计算方法，计算得到母线i电压对每个故障的灵敏度：S_i,k= V_{i, k} ^falt-V_i ^curr （k=1,…N）；

（5）根据步骤（4）的母线i电压对每个故障的灵敏度S_i,k（k=1,…N）,计算母线i的电压安全域上限V_s,i ^max和电压安全域下限V_s,i ^mix，计算公式如下：

V_s,i ^max=min{V_i ^max , V_i ^max -S_i,k: S_i,k >0 ,k=1,…N }

V_s,i ^mix=max{V_i ^min , V_i ^min -S_i,k: S_i,k <0 ,k=1,…N}

其中，V_i ^max、V_i ^min为母线i的电压计划限值，即电网电压运行合格的上限值和下限值，从调度中心获取；

（6）将步骤（5）的电网母线的电压安全域上限和电压安全域下限输入到电网调度中心调度监控系统的自动电压控制模块中，作为电网母线电压的限值约束；自动电压控制模块根据所述限值约束计算控制指令，并将该控制指令下发至电厂和变电站执行，实现避免交流预想故障集引起的电压越限的电压控制。

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