CN113705138A - 一种大规模交直流电网在线安全评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大规模交直流电网在线安全评估方法，用于对由多个交流系统和高压直流输电系统构成的大规模复杂电网进行在线安全评估，包含步骤：S1、基于大规模交直流电网架构构建机电‑电磁暂态混合仿真平台；S2、选取大规模交直流电网在线安全评估指标，制定安全稳定标准；S3、基于机电‑电磁暂态混合仿真平台和安全稳定标准，实施大规模交直流电网在线安全评估。本发明采取机电‑电磁暂态混合仿真的方式，可对含有大量电力电子设备的高压直流输电系统进行详细精确的描述，又具有较高的计算速度，可以解决纯电磁暂态仿真速度慢、规模小，纯机电暂态仿真无法准确反映交直流系统交互影响的技术问题。

Description

一种大规模交直流电网在线安全评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统分析领域，尤其涉及一种大规模交直流电网在线安全评估方法。
背景技术
我国电力资源分布与需求存在逆向分布及结构性矛盾，可再生电力资源较为丰富的西北、东北、西南等边疆地区用电负荷相对较小，而位于东部沿海的负荷中心地区，电力资源相对较少。为了解决上述问题，我国初步建成了大规模交直流混联电网，既有特高压交流、传统直流，又有背靠背柔性直流、双端和多端柔性直流、LCC-VSC(电网换相换流器-电压源换流器)多端混合直流，典型的工程有张北柔性直流输电系统、昆柳龙三端混合直流输电系统、龙政直流输电系统、渝鄂背靠背直流输电系统等。另外，随着大规模可再生能源接入电网，现代电网正进一步地向着高比例新能源发电和高比例电力电子设备这样“双高”的趋势发展。而由于高压直流等电力电子设备与交流系统之间的相互作用较为复杂，大规模交直流电网面临着复杂的安全挑战，需要进行可靠的安全评估。
目前，已有很多针对大规模交直流电网的安全评估方法，如时域仿真法和直接法。其中，时域仿真法常用的仿真软件有PSD-BPA(电力系统分析软件)、PSS/E(电力系统仿真软件)、DSATools(电力系统安全分析软件包)等；直接法有能量函数法、电压源等效法等。但是，上述方法中高压直流输电系统模型和基于电力电子器件并网的可再生能源模型均是采用稳态模型，无法准确反映交直流子系统之间故障传播的过程及现象，如交流系统的故障也有可能引起直流系统换相失败或闭锁故障。而电磁暂态仿真系统，如RTDS(实时数字仿真器)和PSCAD(电力系统计算机辅助设计)等，可以比较准确的反应高压直流的详细动态，但是电磁暂态仿真的计算效率相对较低，不能满足在线安全评估的需求。所以，大规模交直流电网需要一种兼具准确性、精细度和高效率的在线安全评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大规模交直流电网在线安全评估方法，该方法采取机电-电磁暂态混合仿真的方式，可对含有大量电力电子设备的高压直流输电系统进行详细精确的描述，又具有较高的计算速度，可以解决纯电磁暂态仿真速度慢、规模小，纯机电暂态仿真无法准确反映交直流系统交互影响的技术问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种大规模交直流电网在线安全评估方法，用于对由多个交流系统和高压直流输电系统构成的大规模复杂电网进行在线安全评估，包含步骤：
S1、基于所述大规模交直流电网架构构建机电-电磁暂态混合仿真平台；
S2、选取所述大规模交直流电网在线安全评估指标，制定安全稳定标准；
S3、基于所述机电-电磁暂态混合仿真平台和所述安全稳定标准，实施所述大规模交直流电网在线安全评估。
优选地，步骤S1包含：
S11、设计由多个机电暂态仿真系统和一个电磁暂态仿真系统构成的机电-电磁暂态混合仿真平台的基本架构；
S12、设计所述机电暂态仿真系统、所述电磁暂态仿真系统及仿真系统间接口的时序；
S13、在所述电磁暂态仿真系统中建立所述交流系统的等值模型。
优选地，步骤S2中，
所述选取大规模交直流电网在线安全评估指标为：稳态频率偏差、稳态电压偏差、传输线路功率、暂态频率范围、暂态电压范围和功角差范围共6项安全评估指标；
所述安全稳定标准为：
稳态频率偏差：|Δf|＜0.05Hz；
稳态电压偏差：|ΔU|＜0.1p.u.；
传输线路功率：P＜Pmax；
暂态频率范围：49.25Hz～51.5Hz；
暂态电压范围：1.3p.u.～0.85p.u.；
功角差范围：Δδ＜360°。
优选地，步骤S3包含：
S31、混合仿真分析：
基于构建的所述大规模交直流电网机电-电磁暂态混合仿真平台，实时更新待评估的所述大规模交直流电网的运行数据，进行实时的混合仿真分析；
S32、安全评估：
从所述混合仿真分析的数据中筛选出对应于6项所述大规模交直流互联电网在线安全评估指标的输出变量，与所制定的所述安全稳定标准进行比对：
若各所述输出变量均在所述安全稳定标准限定范围内，则所述大规模交直流电网系统安全稳定，返回“系统安全稳定”的评估结果和各项评估数据；
若全部或部分所述输出变量超出所述安全稳定标准限定范围，则所述大规模交直流电网系统存在安全隐患，返回“系统安全预警”的评估结果和各项评估数据。
优选地，步骤S11包含：
S111、设计机电暂态仿真模型区域和电磁暂态仿真模型区域：
将所述大规模交直流电网的所述多个交流系统划分为相应的多个机电暂态仿真模型区域，采用机电暂态仿真；
将所述大规模交直流电网的所述高压直流输电系统划分为电磁暂态仿真模型区域，采用电磁暂态仿真；
S112、确定仿真软件并建模；
S113、设计机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口位置及接口形式。
进一步，步骤S112中包含：确定所述机电暂态仿真采用机电暂态软件PSS/E，将所述多个机电暂态仿真模型区域在PSS/E中建模，建立相应的多个所述机电暂态仿真系统。
进一步，步骤S112中包含：确定所述电磁暂态仿真采用电磁暂态仿真软件RTDS，将所述电磁暂态仿真模型区域在RTDS中建模，建立所述电磁暂态仿真系统。
优选地，步骤S12中，所述设计仿真系统间接口的时序的方法为，设置所述机电暂态仿真系统和所述电磁暂态仿真系统的系统间数据交接时间变量为每一个所述机电暂态仿真系统的仿真步长终止时刻。
优选地，步骤S13包含：在所述电磁暂态仿真系统中，采用多端口戴维南等值的方式建立所述大规模交直流电网的所述多个交流系统的等值模型，用于在所述电磁暂态仿真系统中实现所述机电暂态仿真系统与所述电磁暂态仿真系统相互作用的模拟。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的大规模交直流电网在线安全评估方法，具有如下有益效果：
1、本发明可对含有大量电力电子设备的高压直流输电系统进行详细精确的描述，又具有较高的计算速度，较好地实现了对含大规模交直流系统的电网进行在线安全评估，解决了纯电磁暂态仿真速度慢、规模小，纯机电暂态仿真无法准确反映交直流系统交互影响的技术问题；
2、本发明采用机电-电磁暂态混合仿真方式，高压直流输电系统通过电磁暂态建模可以更加真实、准确的评估大规模交直流电力系统的安全稳定性，解决了通常采用机电暂态仿真忽略了电压波形畸变对换相失败影响，从而导致的仿真结果有误差、安全稳定分析不准确、系统存在安全隐患等问题。
附图说明
图1为本发明的大规模交直流电网在线安全评估方法示意图；
图2为本发明的大规模交直流电网的模型示意图；
图3为本发明的电磁暂态仿真系统和机电暂态仿真系统接口示意图；
图4为本发明的电磁暂态仿真系统和机电暂态仿真系统接口数据交接示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的大规模交直流电网在线安全评估方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
结合附图1～4所示，本实施例提供一种大规模交直流电网在线安全评估方法，用于对由多个交流系统和高压直流输电系统构成的大规模复杂电网进行在线安全评估。如附图2所示，本实施例中，交流系统由第一交流系统、第二交流系统组成，高压直流输电系统为双端直流输电系统，其中，双端直流输电系统通过第一换流变压器3与第一交流系统的交流母线1电连接，并通过第二换流变压器4与第二交流系统的交流母线2电连接，构成大规模交直流电网。
如附图1所示，大规模交直流电网在线安全评估方法包含如下步骤：
S1、基于大规模交直流电网架构构建机电-电磁暂态混合仿真平台，包含步骤：
S11、设计由多个机电暂态仿真系统和一个电磁暂态仿真系统构成的机电-电磁暂态混合仿真平台的基本架构，包含步骤：
S111、设计机电暂态仿真模型区域和电磁暂态仿真模型区域：
将大规模交直流电网的多个交流系统划分为相应的多个机电暂态仿真模型区域，采用机电暂态仿真；
将大规模交直流电网的高压直流输电系统划分为电磁暂态仿真模型区域，采用电磁暂态仿真。
由于电磁暂态仿真模型复杂、计算量大，为尽可能提高计算速度，需要选择优解的机电暂态仿真和电磁暂态仿真模型区域划分及仿真接口位置方案，在能够实现反映系统特性的基础上，尽可能地缩小电磁暂态仿真模型区域。本实施例中，以第一交流系统的交流母线1和第二交流系统的交流母线2作为机电暂态仿真和电磁暂态仿真模型区域的分界线，将第一交流系统、第二交流系统分别划分为第一机电暂态仿真模型区域和第二机电暂态仿真模型区域，采用机电暂态仿真；将双端直流输电系统划分为电磁暂态仿真模型区域，采用电磁暂态仿真。
S112、确定仿真软件并建模：
确定机电暂态仿真采用机电暂态软件PSS/E，将多个机电暂态仿真模型区域在PSS/E中建模，建立相应的多个机电暂态仿真系统；
确定电磁暂态仿真采用电磁暂态仿真软件RTDS，将电磁暂态仿真模型区域在RTDS中建模，建立电磁暂态仿真系统。
本实施例中，在PSS/E中对第一机电暂态仿真模型区域和第二机电暂态仿真模型区域分别建模，建立第一机电暂态仿真系统和第二机电暂态仿真系统；在RTDS中对电磁暂态仿真模型区域进行建模，建立电磁暂态仿真系统。
S113、设计机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口位置及接口形式；
本实施例中，以交流母线1设置为第一机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口位置，将交流母线2设置为第二机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口位置；如附图3所示，使用现有的RTDS的GTFPGA(双向高速通信板卡)作为机电暂态仿真系统和电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口，以实现对完整的大规模交直流电网在一个整体框架下，进行统一的模拟。
S12、设计机电暂态仿真系统、电磁暂态仿真系统及仿真系统间接口的时序，包含步骤：
S121、设置电磁暂态仿真系统按照通常的电磁暂态仿真步长进行仿真，本实施例设置为50us；
S122、设置机电暂态仿真系统按照通常的机电暂态仿真步长进行仿真，本实施例设置为0.002s；
S123、设置机电暂态仿真系统和电磁暂态仿真系统的系统间数据交接时间变量为每一个机电暂态仿真系统的仿真步长终止时刻，本实施例为0.002s。
S13、在电磁暂态仿真系统中建立交流系统的等值模型：
在电磁暂态仿真系统中，建立大规模交直流电网的多个交流系统的等值模型，用于在电磁暂态仿真系统中实现机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统相互作用的模拟。本实施例采用多端口戴维南等值的方式，在RTDS中分别建立第一交流系统和第二交流系统的等值模型。
同时，还可以在机电暂态仿真系统中，建立大规模交直流电网的高压直流输电系统的等值模型，用于在机电暂态仿真系统中实现机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统相互作用的模拟。本实施例未在PSS/E中建立等值模型。
至此，完成大规模交直流电网的机电-电磁暂态混合仿真平台的构建。
S2、选取大规模交直流电网在线安全评估指标，制定安全稳定标准：
根据《电能质量电力系统频率偏差》(GB/T 15945-2008)、《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》(GB/T 18481-2001)，结合大规模交直流电网的实际运行经验，选取6项大规模交直流互联电网在线安全评估指标，制定安全稳定标准：
(1)稳态频率偏差：|Δf|＜0.05Hz；
(2)稳态电压偏差：|ΔU|＜0.1p.u.；
(3)传输线路功率：P＜Pmax；
(4)暂态频率范围：49.25Hz～51.5Hz；
(5)暂态电压范围：1.3p.u.～0.85p.u.；
(6)功角差范围：Δδ＜360°。
S3、基于所述机电-电磁暂态混合仿真平台和所述安全稳定标准，实施大规模交直流电网在线安全评估，具体过程为：
S31、混合仿真分析：
基于构建的大规模交直流电网机电-电磁暂态混合仿真平台，实时更新待评估的大规模交直流电网的运行数据，进行实时的混合仿真分析；
S32、安全评估：
从混合仿真分析数据中筛选出对应于6项大规模交直流互联电网在线安全评估指标的输出变量，与所制定的所述安全稳定标准进行比对：
若各输出变量均在安全稳定标准限定范围内，则系统安全稳定，返回“系统安全稳定”的评估结果和各项评估数据；
若全部或部分输出变量超出安全稳定标准限定范围，则系统存在安全隐患，返回“系统安全预警”的评估结果和各项评估数据。
综上所述，本发明提供的一种大规模交直流电网在线安全评估方法，该方法可对含有大量电力电子设备的高压直流输电系统进行详细精确的描述，又具有较高的计算速度，可以对含大规模交直流系统的电网进行在线安全评估，以解决纯电磁暂态仿真速度慢、规模小，纯机电暂态仿真无法准确反映交直流系统交互影响的问题；由于采用了机电-电磁暂态混合仿真方式，高压直流输电系统通过电磁暂态建模可以更加真实、准确的评估大规模交直流电力系统的安全稳定性，解决了通常采用机电暂态仿真忽略了电压波形畸变对换相失败影响，从而导致的仿真结果有误差、安全稳定分析不准确、系统存在安全隐患等问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种大规模交直流电网在线安全评估方法，用于对由多个交流系统和高压直流输电系统构成的大规模复杂电网进行在线安全评估，其特征在于，包含步骤：
S1、基于所述大规模交直流电网架构构建机电-电磁暂态混合仿真平台；
S2、选取所述大规模交直流电网在线安全评估指标，制定安全稳定标准；
S3、基于所述机电-电磁暂态混合仿真平台和所述安全稳定标准，实施所述大规模交直流电网在线安全评估。
2.如权利要求1所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S1包含：
S11、设计由多个机电暂态仿真系统和一个电磁暂态仿真系统构成的机电-电磁暂态混合仿真平台的基本架构；
S12、设计所述机电暂态仿真系统、所述电磁暂态仿真系统及仿真系统间接口的时序；
S13、在所述电磁暂态仿真系统中建立所述交流系统的等值模型。
3.如权利要求1所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S2中，
所述选取大规模交直流电网在线安全评估指标为：稳态频率偏差、稳态电压偏差、传输线路功率、暂态频率范围、暂态电压范围和功角差范围共6项安全评估指标；
所述安全稳定标准为：
稳态频率偏差：|Δf|＜0.05Hz；
稳态电压偏差：|ΔU|＜0.1p.u.；
传输线路功率：P＜Pmax；
暂态频率范围：49.25Hz～51.5Hz；
暂态电压范围：1.3p.u.～0.85p.u.；
功角差范围：Δδ＜360°。
4.如权利要求1所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S3包含：
S31、混合仿真分析：
基于构建的所述大规模交直流电网机电-电磁暂态混合仿真平台，实时更新待评估的所述大规模交直流电网的运行数据，进行实时的混合仿真分析；
S32、安全评估：
从所述混合仿真分析的数据中筛选出对应于6项所述大规模交直流互联电网在线安全评估指标的输出变量，与所制定的所述安全稳定标准进行比对：
若各所述输出变量均在所述安全稳定标准限定范围内，则所述大规模交直流电网系统安全稳定，返回“系统安全稳定”的评估结果和各项评估数据；
若全部或部分所述输出变量超出所述安全稳定标准限定范围，则所述大规模交直流电网系统存在安全隐患，返回“系统安全预警”的评估结果和各项评估数据。
5.如权利要求2所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S11包含：
S111、设计机电暂态仿真模型区域和电磁暂态仿真模型区域：
将所述大规模交直流电网的所述多个交流系统划分为相应的多个机电暂态仿真模型区域，采用机电暂态仿真；
将所述大规模交直流电网的所述高压直流输电系统划分为电磁暂态仿真模型区域，采用电磁暂态仿真；
S112、确定仿真软件并建模；
S113、设计机电暂态仿真系统与电磁暂态仿真系统的仿真系统间接口位置及接口形式。
6.如权利要求5所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S112中包含：确定所述机电暂态仿真采用机电暂态软件PSS/E，将所述多个机电暂态仿真模型区域在PSS/E中建模，建立相应的多个所述机电暂态仿真系统。
7.如权利要求5所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S112中包含：确定所述电磁暂态仿真采用电磁暂态仿真软件RTDS，将所述电磁暂态仿真模型区域在RTDS中建模，建立所述电磁暂态仿真系统。
8.如权利要求2所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S12中，所述设计仿真系统间接口的时序的方法为，设置所述机电暂态仿真系统和所述电磁暂态仿真系统的系统间数据交接时间变量为每一个所述机电暂态仿真系统的仿真步长终止时刻。
9.如权利要求2所述的大规模交直流电网在线安全评估方法，其特征在于，步骤S13包含：在所述电磁暂态仿真系统中，采用多端口戴维南等值的方式建立所述大规模交直流电网的所述多个交流系统的等值模型，用于在所述电磁暂态仿真系统中实现所述机电暂态仿真系统与所述电磁暂态仿真系统相互作用的模拟。
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