一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调控方法

摘要

本发明是一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调控方法，其特点是，包括：计算当前运行状态的各支路在振荡过程中的稳定度指标，确定电网最脆弱支路及暂态稳定情况；鉴别最领先发电机组；给出发电机调整的有功极限功率；给出发电机调整的建议调整范围；验证是否暂态稳定等步骤。能够从网络势能和发电机动能的角度对系统暂态稳定做出综合评价，利用支路势能进行暂态稳定评估及脆弱割集选取，利用发电机动能斜率判别调控对象，利用支路势能指标与发电机有功功率的函数关系确定调整的建议调整范围，构成了以能量体系为主线的暂态稳定智能调控策略。具有方法科学合理，计算简单、结果准确，易于实现且工程应用价值高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统运行和控制领域，是一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态 稳定智能调控方法。

背景技术

随着全国电网互联，电力系统的暂态稳定问题一直是人们关心的主要问题之一，严重影 响功率输送和电力系统安全稳定运行。当电网发生扰动时，如果不能有效采取暂态稳定控制 措施将严重影响电网安全运行，如果措施不合理将会导致系统失去稳定等后果严重。所以如 果能够构建一种用于互联电网的暂态稳定智能调控策略，将为互联电网的暂态稳定预防与控 制提供有效途径。因此，电网的暂态稳定智能调控策略的构建变得极为重要。

目前，在提高和改善互联电网暂态稳定控制策略方面，还主要基于功角曲线的量测构建 发电机功角与发电机有功功率的灵敏度调整发电机出力进行调控，还有就是利用发电量的优 化分配转化成优化问题进行求解，但上述方法提供信息量有限，且调控范围难以给定，难以 实现有效的智能调控。

发明内容

本发明的目的是，提供一种计算简单、结果准确、易于实现且工程应用价值高的基于暂 态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调控方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统 暂态稳定智能调控方法，其特征是，它包括以下步骤：

(1)计算当前运行状态的各支路在振荡过程中的稳定度指标(BranchStabilityIndex)， 缩写SBI，确定电网最脆弱支路及暂态稳定情况

定义支路在振荡过程中的稳定度指标：

${\mathrm{SBI}}_k=\frac{[P_k\left(t_{bk}\right)-P_k^s]}{V_{PEK}(t_{bk},t_{ak})},k\in \{1,...,l\}---\left(1\right)$

式中：$V_{PEK}(t_{bk},t_{ak})={\int }_{t_{ak}}^{t_{bk}}{\omega }_N[P_k\left(u\right)-P_k^s]{\omega }_k\left(u\right)du$为支路k在故障后振荡过程中的势能； P_k(t_bk)为支路k在故障后势能第一次达到极大值时的有功功率；l为支路数；t_ak为支路势能 V_PEK(t)第一次达到极小值时对应的时刻；t_bk为支路势能V_PEK(t)第一次达到极大值时对应的时刻； 为支路k稳态时的有功功率；P_k为支路k的有功功率；ω_N为发电机的额定角频率；

计算当前电网的运行状态，获取相关暂态数据，计算支路势能脆弱性判别指标按SBI值 排序，若SBI值较小且接近为0，则说明系统的当前状态是失稳状态，需要进行紧急调控， 同时根据SBI排序最小且近似为0的支路构成电网的最脆弱支路；

(2)鉴别最领先发电机组

定义发电机动能函数为：

$V_{ki}=\frac{{\omega }_N}{2}{M}_i{\omega }_i^2---\left(2\right)$

式中：M_i为发电机i转子惯性时间常数；ω_i为发电机i的角频率；V_ki为第i台发电机的动能；

再定义发电机动能斜率指标：

dV_ki/dt＝(V_ki(t+1)-V_ki(t))/step(3)

式中：dV_ki/dt为发电机i的动能斜率；V_ki(t)为第i台发电机t时刻的动能；V_ki(t+1)为第i台发 电机t+1时刻的动能；step为计算步长；

通过发电机动能斜率的计算，并按发电机动能斜率绝对值大小进行排序，同时根据联络 线潮流方向区分送受端，则能够鉴别出最领先发电机，即选取送端机群中动能斜率最大的为 最领先发电机，确定发电机调整对象和机群的选取；

(3)给出发电机调整的有功极限功率

a)两点法求取线性表达式

求取两次领先发电机不同有功功率下的支路势能指标SBI值，利用两次结果计算发电机 有功功率P_e与SBI函数关系式；

b)求取发电机有功极限功率

假设SBI＝0，求取发电机有功极限功率；

c)求取发电机有功功率输出量范围

利用设定的预想稳定度SBI值，求取发电机调整下限；

(4)给出发电机调整的建议调整范围；

(5)验证

通过给定的建议发电机调整范围，将发电机调整到相应数值，计算暂态稳定性，查看功 角曲线验证系统是否暂态稳定。

本发明的一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调控方法，从网络势 能和发电机动能的角度对系统暂态稳定做出综合评价，利用支路势能进行暂态稳定评估及脆 弱割集选取，利用发电机动能斜率判别调控对象，利用支路势能指标与发电机有功功率的函 数关系确定调整的建议调整范围，构成了以能量体系为主线的暂态稳定智能调控策略。具有 方法科学合理，计算简单、结果准确，易于实现且工程应用价值高等优点。

附图说明

图1是新英格兰10机39节点系统接线图；

图2是暂态智能调控策略图；

图3是调控前各支路势能曲线图；

图4是SBI与P_e函数关系图；

图5是调控后各支路势能曲线图；

图6是调控前后各个支路的SBI对比图；

图7是调控前后割集16-19的SBI对比图(1—调控前，2—调控后)；

图8是调控前系统各发电机功角曲线；

图9是调控后系统各发电机功角曲线。

具体实施方式

本发明的一种基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调控方法，包括以下 步骤：

(1)计算当前运行状态的各支路在振荡过程中的稳定度指标(BranchStabilityIndex)， 缩写SBI，确定电网最脆弱支路及暂态稳定情况

定义支路在振荡过程中的稳定度指标：

${\mathrm{SBI}}_k=\frac{[P_k\left(t_{bk}\right)-P_k^s]}{V_{PEK}(t_{bk},t_{ak})},k\in \{1,...,l\}---\left(1\right)$

式中：$V_{PEK}(t_{bk},t_{ak})={\int }_{t_{ak}}^{t_{bk}}{\omega }_N[P_k\left(u\right)-P_k^s]{\omega }_k\left(u\right)du$为支路k在故障后振荡过程中的势能； P_k(t_bk)为支路k在故障后势能第一次达到极大值时的有功功率；l为支路数；t_ak为支路势能 V_PEK(t)第一次达到极小值时对应的时刻；t_bk为支路势能V_PEK(t)第一次达到极大值时对应的时刻； 为支路k稳态时的有功功率；P_k为支路k的有功功率；ω_N为发电机的额定角频率；

计算当前电网的运行状态，获取相关暂态数据，计算支路势能脆弱性判别指标按SBI值 排序，若SBI值较小且接近为0，则说明系统的当前状态是失稳状态，需要进行紧急调控， 同时根据SBI排序最小且近似为0的支路构成电网的最脆弱支路；

(2)鉴别最领先发电机组

定义发电机动能函数为：

$V_{ki}=\frac{{\omega }_N}{2}{M}_i{\omega }_i^2---\left(2\right)$

式中：M_i为发电机i转子惯性时间常数；ω_i为发电机i的角频率；V_ki为第i台发电机的动能；

再定义发电机动能斜率指标：

dV_ki/dt＝(V_ki(t+1)-V_ki(t))/step(3)

式中：dV_ki/dt为发电机i的动能斜率；V_ki(t)为第i台发电机t时刻的动能；V_ki(t+1)为第i台发 电机t+1时刻的动能；step为计算步长；

通过发电机动能斜率的计算，并按发电机动能斜率绝对值大小进行排序，同时根据联络 线潮流方向区分送受端，则能够鉴别出最领先发电机，即选取送端机群中动能斜率最大的为 最领先发电机，确定发电机调整对象和机群的选取；

(3)给出发电机调整的有功极限功率

a)两点法求取线性表达式

求取两次领先发电机不同有功功率下的支路势能指标SBI值，利用两次结果计算发电机 有功功率P_e与SBI函数关系式；

b)求取发电机有功极限功率

假设SBI＝0，求取发电机有功极限功率；

c)求取发电机有功功率输出量范围

利用设定的预想稳定度SBI值，求取发电机调整下限；

(4)给出发电机调整的建议调整范围；

(5)验证

通过给定的建议发电机调整范围，将发电机调整到相应数值，计算暂态稳定性，查看功 角曲线验证系统是否暂态稳定。

具体实例：

以图1所示10机39节点系统为例。故障设置：系统在0s发生三相短路，故障点为18 母线，故障持续时间为0.19s，此时为状态1。图2为所提出的暂态稳定智能调控策略图。

(1)计算当前状态1的各支路势能指标SBI-确定最脆弱支路及暂态稳定情况

首先根据当前系统的暂态数据计算调控前状态1的各支路势能曲线如图3所示，可以得到 电网的各个支路的势能分布情况，各支路稳定度指标也可同时计算获得，部分SBI指标如 表1所示，因为存在SBI(支路16-19)、SBI(支路34-20)近似为0，可知系统当前状态 1为失稳状态。最脆弱支路可知为支路16-19，若对应紧急状态1的SBI_(16-19)较小，即存 在潜在故障，采用暂态稳定智能调控策略进行调整。

表1状态1的支路稳定度指标SBI

支路号 SBI 16-19 0.013578 34-20 0.019368 21-22 0.16662 20-19 0.77079 33-19 1.2669 4-14 3.2859 15-16 3.888 1-2 4.6366 39-1 5.0742 9-39 5.5324 8-9 6.059 14-15 7.9551 25-26 10.436

本算例状态1的SBI_(16-19)＝0.013578。

(2)鉴别最领先发电机组

通过发电机动能斜率的计算，并按发电机动能斜率绝对值大小排序，如表2，同时结合 潮流走向判别送受端，则可鉴别出最领先发电机，即可知该算例状态1下，G33、G34为送 端机群，根据发电机动能斜率大小，可知系统的最领先发电机为G34，且P_G34＝5.08p.u.。即 调整对象为发电机G34。

表2状态1的发电机动能斜率指标dE_k/dt

发电机编号 dEk/dt G30 0.39199 G31 0.5879 G32 1.0921 G35 1.1254 G37 2.4473 G36 3.1274 G33 3.5742 G34 4.3096 G38 5.0341 G39 9.7418

(3)给出发电机调整的极限功率

a)两点法求取线性表达式

建立稳定指标SBI与切机量P_e的函数关系，如图4。利用插值法取两次发电机有功出力 对应的SBI进行线性拟合，在稳定状态1的基础上，再计算一次P₁对应的SBI₁，利用两次计 算结果，求取SBI_(16-19)与G34的近似线性关系。

本算例选取G34分别为5.08,4.08两种情况，对应P_G34＝5.08时，系统的支路16-19的SBI＝ 0.0136，P_G34＝4.08时，系统的支路16-19的SBI＝6.9836，根据SBI-P_e的局部线性函数关系， y＝kx+b，将两点带入，确定直线表达式为：y＝-6.97x+35.4212。即斜率为K＝-6.97。

b)求取发电机有功极限功率P_Glim

将SBI＝0，求取G34机的极限功率为：P_Glimmax＝5.082，因为有一定计算误差，留有一定 裕度将实际值乘以一定系数变为P’_Glim＝P_Glimmax*0.95＝4.8279作为有功功率极限值。

c)求取发电机有功输出量范围

发电机G34的有功功率输出范围为：[0,P’_Glim]。

(4)给出发电机有功功率出力建议调整范围

为了使系统由失稳状态变成稳定状态，可将目标值SBI＝4带入，确定G34的有功功率出 力P_min。根据灵敏度斜率为负，可知要想使系统变为更稳定，发电机有功功率出力应为减少， 同时考虑发电机的最小出力P_min,所以实际发电机G34的有功功率出力调整范围为：[P_min, 0.95*P₀]，其中P₀为发电机额定有功功率。

则发电机的有功功率出力建议调整为P_m∈[P_min,P′₀]，其中P′₀＝0.95P₀。

(5)验证

给出具体方案：本算例建议的发电机调整范围为：[4.5081,4.8260]，调控对象为G34。

按计算出的调控策略调整G34出力，如调整G34机出力为4.73，再计算一下当前状态 的各支路势能曲线如图5所示，通过对比调整前后的各支路SBI指标可知，如图6，SBI数值 变大，可知系统已经变为稳定状态，系统各支路稳定度指标均有所改善，特别是对比调控前 后割集16-19的SBI值可知，如图7，调控后割集16-19的SBI值明显变大，且与预设的给定 裕度值相差不大，达到调控目的。此外，由如图8、9所示的调控前后的发电机功角曲线可知， 系统已经变成稳定。综上，所提出的基于暂态能量函数综合指标的电力系统暂态稳定智能调 控方法起到了较好的调控效果。