CN117811001A - 一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，包括：设置初始故障集，系统的节点负荷、发电机容量以及线路容量；寻找系统中存在的孤岛，划分出子系统；对子系统分别计算潮流；判断线路上的有功是否超出系统的传输极限；如果超过就调整发电机的出力来保证系统在交流层面可行，否则结合潮流计算结果与线路容量设置B，计算每个线路的过热型过载概率；判断是否所有子系统都完成上述操作，若是连锁故障下一级故障事件的触发，选择满足连锁故障条件的线路过载过热型概率最大的线路作为目标事件；判断是否有新的连锁故障事件，若无则结束整个流程；否则更新系统的拓扑继续判断；保证系统功率传输在交流潮流层面的可行性。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力系统技术领域，具体涉及一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法。
背景技术
近年来，可再生能源在电力系统中的渗透率大大提高。与传统电力系统相比，可再生能源渗透率高的电力系统更容易发生停电。2021年1月8日和7月24日，欧洲电网先后发生两次故障，造成区域分离，进而产生大量的能量频率波动，造成大规模减载。2023年1月23日，巴基斯坦电网出现持续震荡，导致南北电网分离，最终导致全国大停电。统计数据表明，2011年至2023年期间，全球发生了40多次停电。因此，电网停电的原因和过程是值得研究的。
传统的级联停电研究方法可分为基于潮流的研究和基于电网拓扑的研究两大类。基于潮流的方法通常是对整个系统建模，确定各负荷和发电机，计算系统潮流，然后根据潮流结果选择停电策略，确定下一个级联步骤。基于电网拓扑的方法通常将电网抽象为拓扑模型，其中发电机和变电站抽象为点，输电线路和变压器抽象为边。然后在拓扑学的基础上进行了研究。在上述模型中，基于潮流的方法考虑到其效率、简单性和可扩展性，通常采用直流潮流进行模拟。然而，仿真过程中会遇到需求有功超过系统功率传输极限的情况，为了解决该问题，本专利开发一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，以解决上述因连锁故障中系统拓扑改变而导致的直流潮流计算结果错误的问题；本发明通过在传统的OPA模型的潮流计算与连锁故障发展路径选择之间添加一个判断直流潮流结果是否超过系统传输极限的步骤来保证连锁故障计算结果在交流系统中的可行性。
本发明采用如下技术方案：
一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：所述方法具体包括：
步骤1、设置初始故障集F，系统的节点负荷L、发电机容量G以及线路容量B；
步骤2、寻找系统中存在的孤岛，即按拓扑连接来划分出子系统；
步骤3、对子系统分别计算潮流，并记录各支路上流过的有功功率大小；
步骤4、判断线路上的有功是否超出系统的传输极限；如果超过就调整发电机的出力来保证系统在交流层面可行，并回到步骤3；否则继续步骤5；
步骤5、结合潮流计算结果与线路容量设置B，计算每个线路的过热型过载概率；
步骤6、判断是否所有子系统都完成上述操作，若是则继续步骤7；否则回到步骤3；
步骤7、连锁故障下一级故障事件的触发，选择满足连锁故障条件的线路过载过热型概率最大的线路作为目标事件；
步骤8、判断是否有新的连锁故障事件，若无则结束整个流程；否则更新系统的拓扑并回到步骤2。
计算潮流的方法包括：假设支路电抗大于支路电路，支路两端电压相角差很小，忽略对地支路，得到潮流公式如下：
P＝Bθ
式中，P＝[P1,P2,…,PN]T，θ＝[θ1,θ2,…,θN]T，B矩阵是一个N*N的导纳矩阵，其中元素表达如下：
使用最优潮流模型min∑i∈G cipi+∑j∈D Wj(pj-Pdj)，以调整发电所需成本最低为目标进行。
以调整发电机发电量或负荷量成本最小为目标，把系统的传输极限转化为潮流约束，整个问题表现为优化模型，如下：
Pdj≤pj≤0,j∈D
式中，pi和pj是节点注入有功，ci是发电机i的单位发电成本，Pdj是节点的负荷有功需求，Wj是切负荷的单位损耗，和/>是发电机i的输出上下限，/>是支路l的有功传输极限，F是支路潮流，/>支路母线的导纳矩阵，/>不含平衡母线的导纳矩阵。
所述方法包括：在传统的OPA模型的潮流计算与连锁故障发展路径选择之间添加一个判断直流潮流结果是否超过系统传输极限的步骤来保证连锁故障计算结果在交流系统中的可行性。
所述方法通过向传统的OPA模型中加入检测系统功率传输极限实现在进行级联仿真时有效的直流潮流的同时发现故障对系统整体的功率传输的影响。
本发明有益效果：
传统的分析电力系统连锁故障的OPA模型采用直流潮流，会遇到系统拓扑改变导致的系统需求的功率超过平衡机的功率传输极限的问题；而直流潮流模型的假设导致OPA模型会无视该问题而继续计算，最终得出错误的连锁故障路径。本发明基于功率传输极限的计算，提出一套用于判断系统中的平衡机能否提供足够的功率的指标，基于该指标改进传统OPA模型的流程，倘若计算过程中该指标不满足则启动调节各发电机发电量的流程来保证系统功率传输在交流潮流层面的可行性。
本发明通过向传统的OPA模型中加入检测系统功率传输极限的方法实现在进行级联仿真时保留简单有效的直流潮流的同时发现故障对系统整体的功率传输的影响。
解决了因连锁故障中系统拓扑改变而导致的直流潮流计算结果错误的问题。
附图说明
图1是实现本发明方法的流程图。
图2是IEEE-39节点系统拓扑图。
图3是模拟随机噪声风的风速曲线。
图4是系统的惯量观测值Mi分布图及正态拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，包括如下步骤：
步骤1：设置初始故障集F，系统的节点负荷L、发电机容量G以及线路容量B。
步骤2：寻找系统中存在的孤岛，即按拓扑连接来划分出几个子系统。
步骤3：对子系统分别计算潮流，使用公式P＝Bθ，式中，P＝[P1,P2,…,PN]T，θ＝[θ1,θ2,…,θN]T，B矩阵是一个N*N的导纳矩阵，并记录各支路上流过的有功功率大小。
假设支路电抗远大于支路电路，支路两端电压相角差很小，忽略对地支路，得到潮流公式如下所示。
P＝Bθ
式中，P＝[P1,P2,…,PN]T，θ＝[θ1,θ2,…,θN]T，B矩阵是一个N*N的导纳矩阵，其中元素表达如下：
步骤4：判断线路上的有功是否超出系统的传输极限；如果超过就调整发电机的出力来保证系统在交流层面可行，并回到步骤3；否则继续步骤5。调整出力使用最优潮流模型min∑i∈Gcipi+∑j∈D Wj(pj-Pdj)，以调整发电所需成本最低为目标。
以调整发电机发电量或负荷量成本最小为目标，把系统的传输极限转化为潮流约束，整个问题表现为优化模型，如下所示。
Pdj≤pj≤0,j∈D
式中，pi和pj是节点注入有功，ci是发电机i的单位发电成本，Pdj是节点的负荷有功需求，Wj是切负荷的单位损耗，和/>是发电机i的输出上下限，/>是支路l的有功传输极限，F是支路潮流，/>支路母线的导纳矩阵，/>不含平衡母线的导纳矩阵。
步骤5：结合潮流计算结果与线路容量设置B，计算每个线路的过热型过载概率。
步骤6：判断是否所有子系统都完成上述操作，若是则继续步骤7；否则回到步骤3。
步骤7：连锁故障下一级故障事件的触发，选择满足连锁故障条件的线路过载过热型概率最大的线路作为目标事件。
步骤8：判断是否有新的连锁故障事件，若无结束整个流程；否则更新系统的拓扑并回到步骤2。
本发明通过在潮流计算结果与选择连锁故障下一步之间加入对系统传输极限的判断。
实施例：
以高风电渗透率下的IEEE-39节点系统为例说明本发明方案的可行性。如图2所示，通过交流潮流计算结果与本方法作为对比，设置系统中所有支路容量皆为400MW。结果如表1所示
表1两种方案连锁故障路径对比
由上表可以看出，在交流潮流中计算的级联过程比在直流潮流中计算的要短。从计算过程来看，其原因是潮流计算中使用的等式约束。各支路的最大传输极限为交流潮流中两端母线电压差除以电抗。相比之下，直流潮流假设每个母线电压为1pu，这种简化意味着每个支路的传输功率仅受两端电压相角的限制，而电压相角可以是无穷大的。上述结果表明，交直流潮流在初始阶段对级联停电的发展没有影响。由于交流潮流会遇到潮流收敛的问题，所以直流潮流表现更好。然而，直流潮流的结果可能会使研究人员忽略了实际的级联停电并不会像他们预测的那样发展，如图4所示。而本方法就成功如交流潮流那样发现了系统传输极限对连锁故障路径发展的限制。
Claims (6)
1.一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：所述方法具体包括：
步骤1、设置初始故障集F，系统的节点负荷L、发电机容量G以及线路容量B；
步骤2、寻找系统中存在的孤岛，即按拓扑连接来划分出子系统；
步骤3、对子系统分别计算潮流，并记录各支路上流过的有功功率大小；
步骤4、判断线路上的有功是否超出系统的传输极限；如果超过就调整发电机的出力来保证系统在交流层面可行，并回到步骤3；否则继续步骤5；
步骤5、结合潮流计算结果与线路容量设置B，计算每个线路的过热型过载概率；
步骤6、判断是否所有子系统都完成上述操作，若是则继续步骤7；否则回到步骤3；
步骤7、连锁故障下一级故障事件的触发，选择满足连锁故障条件的线路过载过热型概率最大的线路作为目标事件；
步骤8、判断是否有新的连锁故障事件，若无则结束整个流程；否则更新系统的拓扑并回到步骤2。
2.根据权利权利要求1所述的一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：计算潮流的方法包括：假设支路电抗大于支路电路，支路两端电压相角差很小，忽略对地支路，得到潮流公式如下：
P＝Bθ
式中，P＝[P1,P2,…,PN]T，θ＝[θ1,θ2,…,θN]T，B矩阵是一个N*N的导纳矩阵，其中元素表达如下：
3.根据权利权利要求1所述的一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：调整发电机的出力的方法为：使用最优潮流模型min∑i∈Gcipi+∑j∈DWj(pj-Pdj)，以调整发电所需成本最低为目标进行。
4.根据权利权利要求3所述的一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：以调整发电机发电量或负荷量成本最小为目标，把系统的传输极限转化为潮流约束，整个问题表现为优化模型，如下：
式中，pi和pj是节点注入有功，ci是发电机i的单位发电成本，Pdj是节点的负荷有功需求，Wj是切负荷的单位损耗，和/>是发电机i的输出上下限，/>是支路l的有功传输极限，F是支路潮流，/>支路母线的导纳矩阵，/>不含平衡母线的导纳矩阵。
5.根据权利权利要求1所述的一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：所述方法包括：在传统的OPA模型的潮流计算与连锁故障发展路径选择之间添加一个判断直流潮流结果是否超过系统传输极限的步骤来保证连锁故障计算结果在交流系统中的可行性。
6.根据权利权利要求1所述的一种考虑系统传输极限的直流潮流连锁故障仿真方法，其特征在于：所述方法通过向传统的OPA模型中加入检测系统功率传输极限实现在进行级联仿真时有效的直流潮流的同时发现故障对系统整体的功率传输的影响。
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