CN1902800A - 用于选择和设定在电力系统出现不稳定时的措施的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定/设定把经历或即将发生电压不稳定的电力系统恢复到稳定状况的措施的方法，其中通过确定电力系统中的实际电压/相位角，确定电力系统中至少一个子区域内的电力失衡，确定合适的电力平衡措施，设定相应措施的程度，以及执行这些电力平衡措施，使得没有立即的不稳定的危险。本发明也涉及一种实施该方法的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，其用于保护处于不稳定状况和即将发生电压崩溃的电力系统，以及用于选择和设定(dimension)那些使该电力系统实现电压恢复和返回稳定状况而需要采取的措施。
根据该方法需要采取的措施是受控地将某个负载从该电力系统切断或将附加的功率连接到该电力系统，或是这些措施的组合。
本发明也涉及一种用于实施根据本发明的方法的设备，其中该设备包括欲用在电力系统中的电子测量和控制设备。
背景技术
通过使用事先设置的用于诸如运行电压和主电源频率的各种系统量的设定标准、针对正常的以及受扰的运行来计划、设定和设计电力系统已经公知。
在不同网络点或节点处的电力系统的电压水平构成了该电力系统的状况的量度，即该系统持续向所连接区域的负载供给所需功率的能力。在正常工作期间，在网络点或节点处的工作电压应处于预先允许的区间内，通常在规定的额定电压的百分之几以内。通常出现的额定电压的例子是400kV、130kV、和50kV。就所关注的瑞典的情况而言，电力系统的构造、功能、工作、自动和保护设备在我们的标题为“An electricpower plant with means for damping power oscillations”的瑞典专利SE0101061-0中得到描述。
在电力系统中出现扰动的情况下，优选地当传输容量弱化或减少时，而且在电力生产设备损失或具有电压控制功能的其它部件损失以及这些的组合的情况下，电力系统中的电压分配以这种方式被改变，使得负载上的电压水平下降，这也导致了传输网中的电压水平下降。在负载增加太快的情况下也可以出现对应的现象。
两种情况下的共同点是，在稳定状态下，电力系统不能供给被连接到该电力网上的负载。除非采取措施，电力系统的适于对电压和/或电流的变化起反应的不同部件保护功能将相继切断电力系统中的部件。通常，传输线的切断是首先发生的事情。部件的切断可以随着时间的过去而发生，从几秒直到几小时。
一种典型的情形是，阻抗测量线路保护设备的测量点处的电压减小而电流增加，其中该保护设备的最灵敏的测量区切断所讨论的线路。因此弱化的网络中的其余线路则进一步被加载，使得更多的传输线被切断。这一直进行到其余电力网能够保持恒定的电运行和在生产、传输容量和负载之间获得平衡。
如上述事件的事例是2003年在美国/加拿大、瑞典和意大利的主要电力故障。当然希望避免如上面所描述的情形，并且有许多检测电力系统中的初始电压不稳定性的方法。在这种系统中，对电压和无功功率流进行测量，并且也使用了用于限制发电机上的电流以便于检测电压不稳定性的设备，例如参见Ingelsson、Karlsson、Lindstrm、Runvik、Sjdin：“Special Protection Scheme against Voltage Collapse in the South Part ofthe Swedish Grid”，CIGRE会议，巴黎，1996。
已经提出和测试具有或不具有通信可能性的更先进的检测器。一个这样的例子是在Begovic、Milosevic、Novosel：“A Novel Method forVoltage Instability Protection”，Proceedings of the 35th Hawaii InternationalConference on System Sciences，2002中的所谓的VIP算法(电压不稳定性预报器)。这个系统将负载方向上的某个网络点处的阻抗与在向着生产源的方向上的阻抗相比较。然后，源阻抗和因此被测量的负载阻抗之间的关系可以用作检测初始电压不稳定性的量度。
在此情况下，一种对在检测到不稳定性之后减轻或防止这样的电压不稳定性而言有效的方法是切断网络中的负载的部分。通过切断对应于受影响区域中的总负载的大约百分之十的负载，其余负载常常可以得到足够的供给。在有压力的运行情形下，通过有意地并以可控的方式切断一些负载对象，至少受影响区域的主要部分的运行得以挽救，而同时传输网保持被供电且完好。当稳定性已经恢复时，例如通过网络中的切换操作和启动本地电力生产，那些切断的负载可以再次得以更快地供电。
通过事先选择和确定什么样的负载对象应被切断和以什么顺序切断，获得了如此选择对象以便于限制系统中的有害影响的可能性。用于在太低的或减小的频率下切断负载对象的频率控制的负载切断在大多数电力系统中已经可用，即当在实际电力生产和所希望的消耗之间的平衡已经被破坏时，例如在生产的较大损失的情况下。
也可以使用其它非负载切断的措施，例如分路电抗器和分路电容器的连接、经由dc链路的紧急电力的连接等。
如果线电压低于提前给出的最低值，则现有的非连接的发电对象不能被连接到传输网。由于这个原因，可能有必要切断部分负载，使得然后可以连接预备的电力设备。这些预备的电力设备然后可以用于增加无功发电并附加地增加线电压。另外，它们应递送有功功率并在不失去生产和消耗之间的平衡的情况下，使得连接先前切断的负载再次成为可能。
为了基于负载切断的使用来设计针对电压不稳定性的选择性保护，考虑到主要的工作情形，主要需要回答三个问题：
1)应在何时进行负载切断？
2)应在何处进行负载切断？
3)应该切断多少负载？
电压水平通常是用于确定应在何处进行负载切断的足够好的准则。
切断可以“没有不必要的延迟”而进行，即在经考虑到分路故障、即短路和接地的预备切断的裕度之后尽可能地快。该速度也应该适合于带载抽头变换器对连接在其附近的电力变压器的控制速度。该时间延迟通常应该是几秒钟。
然而，切断负载的程度较难于确定。一种方法是通过同时切断一个或多个负载、负载区域通过试错法进行。这是相对缓慢的方法，因为必须等待系统每一切断的响应。
另一方法是使用充裕的裕度和切断较大数量的负载。这种方法的缺点是切断了负载不必要大的部分，以及其包括了在电力系统中获得高电压的风险。
目前，没有当已经检测到这种测量的需要时设定或确定必要负载切断幅度的公知方法。实施的标准通常直接导致负载以典型地几秒钟的合适时间延迟，经由预先选择的断路器功能而切断。
US 6,219,591，“Voltage instability predictor(VIP)-method and systemfor performing adaptive control to improve voltage stability in powersystem”，示出了用于检测电力系统或其部分即将发生不稳定的方法。然而，作为用于应如何取消或减轻这个危险的不稳定性的合适措施，该方法仅仅大体上提到了切断负载的需要。
根据US 6,242,719的发明“Applications and methods for voltageinstability predictor(VIP)”是根据US 6,219,591的发明的进一步的发展，其尤其涉及屏蔽的传输网。然而，这些出版物中没有一个提出稳定系统所需要的所述负载切断量的幅度的任何量度。
几个专利说明书涉及了VIP算法，其提出了各种稳定措施并预测了即将来临的电压崩溃，但没有提出防止电力网中电力故障或崩溃所必要的负载切断的程度或量度。
发明内容
本发明的目的是解决上面提及的问题并提出一种方法，用于确定需要从电力网切断的负载或需要提供给该电力网的功率的程度，以便于实现电力网中的电压恢复和引起系统恢复稳定状态。
根据本发明，上面的目的和其它的目的通过如权利要求1的方法，通过如权利要求23的设备，以及通过如权利要求25的计算机程序来达到。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明。
图1在原理上示出一种电力系统。
图2示意性地示出包括变压器站、负载、开关装置和根据本发明的单元的电力系统。
图3是根据本发明的方法的简单流程图。
图4示出在可以被切断的电力系统中所包括的各种负载及其相互顺序的优先级表。
图5示出负载切断的具体的算术例子。
具体实施方式
在该说明书中，同样的标号被用于发生在线路、保护设备和负载中的量，也用于与这些量相应的和在提供给保护设备并在其中处理的测量值和信号/计算值。
图1示出电力系统1的单线图，该电力系统包括将电压UG递送到该电力系统并具有源阻抗Zs的等效发电机G，如从母线3所看到的。母线3充当该电力网中的节点点并且聚集和分配电功率流。
这里，在电压不稳定的情况下，负载Z被分成应保持不受干扰的一个部分ZL和应切断的一个部分ZLS。应切断的所述负载部分ZLS和应继续连接的所述负载部分ZL两者通常都由多个具有关联断路器CBa，b的线架(line bay)来构成。
根据下面的方程(1)和(2)计算在源阻抗Zs和主要负载Z之后的电压UG，其中I是从源G进入考虑中的母线3的电流，以及U是主要在考虑中的母线3上的电压。
UG＝U+I·Z (1)
如果UT表示所希望的电压，在切断负载之后，获得如下的用于分压的方程(3)：
方程(3)给出ZL。此后，可以借助于方程(2)来计算ZLS，并且此后分别计算有功功率和无功功率，PLS和QLS的相应值。
所需的负载切断量一经确定，就发送触发脉冲至对应于计算的所需负载切断的开关元件CBa，b。在此情况下，也可以考虑不同的切断代价或不同类型负载的相互优先级。可以以不同精确度来估算关于不同负载的功耗的信息，从例如根据季节而更新的固定值到实时测量。然后，从提前建立的优先级表选择负载；参见图4，其示出发生的功率水平和负载的优选权。
可替选地，UG的值可以认为是已知的，或是定期计算的，例如每5分钟，于是在电压不稳定情形期间的源阻抗Zs的变化的计算变得微不足道。
基于例如在抽头变换器控制或与分路部件相连接期间的电压和电流的变化来计算源阻抗Zs。也可以通过在不同负载水平测量电流和电压来估算源阻抗Zs。如果认为上面提到的由于某种原因的源阻抗量的持续更新太复杂，那么源阻抗Zs也可以被分配一确定的值。在从输电水平(或亚输电水平)到中压输电水平的变压器站中，知道变压器的尺寸和短路阻抗经常不足以以±25％的精度估算出源阻抗，因为在这种情况下，变压器的短路功率是占优的，而网络其余部分的短路功率具有较小的影响。
确定源阻抗Zs的另一方法是利用用于电流和电压的负序量以及假定分别关于正序和负序电流的源阻抗是相同的。结合VIP算法的发展，已经获得用于确定源阻抗Zs的方法。
例如如果在第一切断阶段之后，电压在所讨论的节点处没有变成期望的/所计算的电压，或者如果在供电网中的阻抗增加并且电压因此在监控点减小，也可以逐步地使用根据本发明的方法。
根据本发明，这通过基于在负载切断之后的节点处的所希望的电压和所测量的实际电压，确定负载或该负载应被切断的那部分的量来实现。
在知道所测量的和所希望的电压或电压恢复以及实际负载和源阻抗Zs-或者例如诸如源导纳的对应量的情况下，为了再次实现节点中所希望的电压，可通过正常电路计算来获得所需要的负载切断。
例如，电压恢复可以是负载切断之前的电压即“所测量的”电压和负载切断之后的电压即“所希望的”电压之间的差，但它也可以定义为所测量电压的百分数。
通过断路器跳闸或通过其它的开关元件来进行负载切断。使用集中式远程控制系统也是可行的，其经由通信通道命令某些单独的负载对象、例如热水加热器、空调设备等切断。这种命令也可以经由“价格变化”来进行，其中经由通信系统，某些负载自动地对价格变化起反应。
在本发明的一个优选实施例中使用了一个表，其包括在所讨论的负载切断系统中所包括的所有开关元件，所述系统可以包括较大的地理区域或单个变压器站。这些开关元件在该表中以它们应从电力网的已经检测到不稳定的位置被切断的顺序列出。该优先级顺序例如基于切断相应负载的代价。
该表也包含关于用于相应开关元件的主要负载功率的信息，即在利用相应开关元件的切断操作期间切断了多少功率。通过这种方式，以优先级顺序，该自动控制系统遍及该列表/表以识别和操作那些开关元件，由此以最少的代价/缺陷来恢复节点和电力系统中的所希望的电压。
该表被定期更新，例如在必要时，关于优先级顺序手动进行，以及关于每开关元件的负载自动地和实时地进行。
图4中优先级表中的行以根据列2的优先级顺序排列。由设定算法获得需要被切断的负载的量。在该表中，以优先级顺序选择一个或多个开关元件，直到已经实现被切断负载的必要量。在最后选择的组中，可以如此选择开关元件，使得以最好的方式对应于必要的负载。
图5示出具体的数值例。这里，根据cosφ＝20/sqrt(202+8.92)＝0.91，计算必要的负载切断为6MW。因此以与具有优先级2的那些开关元件相同的方式来选择具有优先级1的两个开关元件，并且每一个都切断其负载。最好地对应于其余三个MW的开关元件是Br_Johanna和Br_Patrik。
在本发明的另一优选的实施例中，以与用于负载切断相同的方式，例如经由dc连接来设定必要功率添加的程度，以基于某个实际所测量的电压，在知道讨论中的节点中的源阻抗的情况下，获得在添加功率之后所述节点中的某个所希望的电压。
根据本发明的方法可以至少部分地借助于在处理器或在计算机中运行的程序代码来实施，并且这些程序代码可以被存储在计算机可读介质上，如硬盘、软盘、CD-ROM或任何其它的易失性存储器。
尽管已经通过几个不同的实施例描述了上面的发明，本发明不限于此，而本发明的其它实施例和变形在权利要求的保护范围之内是当然可行的。因此，基于合适的标准，在系统中出现不稳定的情况下，根据本发明的设备触发报警信号是可行的，并且可手动执行其后的负载切断。
Claims (27)
1.一种用于确定/设定把经历或即将发生电压崩溃的电力系统恢复到正常状况的措施的方法，特征在于，
-确定电力系统中的实际电压/相位角，
-确定电力系统中至少一个子区域内的电力失衡，
-确定合适的电力平衡措施，
-设定相应措施的程度，以及
-执行所述电力平衡措施。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，通过在所述子区域中的至少一个节点的测量来进行对所述实际电压/相位角的确定。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，通过在至少一个节点的测量并通过计算来进行对所述电力系统中的所述实际电压/相位角的确定。
4.如权利要求1、2或3的方法，其特征在于，基于所述实际电压/相位角和所希望的电压/相位角来确定所述电力失衡。
5.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，从基于实际的和所希望的电压/相位角的电路计算开始来确定所述电力失衡。
6.如权利要求4的方法，其特征在于，从对所述实际电压、关于源阻抗的量上的电压降和源的等效电压的比较开始来确定所述电力失衡。
7.如权利要求6的方法，其特征在于，关于所述源阻抗的所述量是源阻抗、源导纳、短路功率或短路电流。
8.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，特征在于切断对应于所确定的电力失衡的负载，使得所述电压/相位角返回到所希望的/预先确定的水平。
9.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，对应于所确定的电力失衡的功率被提供给所述电力系统，使得所述电压/相位角返回到所希望的/预先确定的水平。
10.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，通过控制无功功率源，对应于所确定的电力失衡的功率在所述电力系统内重新分配，使得所述电压/相位角返回到所希望的水平。
11.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，通过控制dc连接，对应于所确定的电力失衡的功率在所述电力系统内重新分配，使得所述电压/相位角返回到所希望的水平。
12.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，基于所述实际的相位角与所希望的相位角以及所述实际的电压与所希望的电压之间的同时比较来确定所述电力失衡。
13.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，措施的确定/设定基于所述区域中的可能电力平衡装置和所检测的电力失衡的量。
14.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，对所述电力系统的功率添加和从所述电力系统的负载切断被结合起来，使得所述电力平衡措施一起对应于所确定的电力失衡。
15.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，以预先确定的优先级顺序来切断负载。
16.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，所述优先级顺序在表中规定。
17.如权利要求16的方法，其特征在于，所述表包含关于在所述区域内哪些开关元件可用的信息。
18.如权利要求16和17的方法，其特征在于，所述表包含关于通过激励相应的开关元件而引起什么样的功率变化的信息。
19.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，基于所述表中的所述信息来选择需要数量的开关元件，使得实现必要的功率变化。
20.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，所述表定期更新。
21.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，所述负载切断手动执行。
22.如前述权利要求的一个或多个所述的方法，其特征在于，所述负载切断自动执行。
23.一种用于确定/设定把经历或即将发生电压崩溃的电力系统恢复到正常状况的措施的设备，其特征在于，
-设置用于确定电力系统中的实际电压/相位角的装置，
-设置用于确定电力系统中至少一个子区域内的电力失衡的装置，
-设置用于确定合适的电力平衡措施的装置，
-设置用于设定相应措施的程度的装置，以及
-设置成使所选择的措施可以使电力系统能够恢复到稳定状况的装置。
24.如权利要求23的设备，其特征在于，设置成从基于所述实际的电压/相位角和所希望的电压/相位角的电路计算开始来确定实际电力失衡的装置。
25.一种用于执行根据权利要求1-22的一个或多个的方法步骤的计算机程序。
26.一种计算机可读介质，包含根据权利要求25的计算机程序的至少部分。
27.如权利要求25的计算机程序，其至少部分地经由网络来传递，如，例如因特网。
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