基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法，屬于電力系統安全穩定控制技術領域。包括如下步驟：步驟1：緊急控制能量評估，當判定系統暫態失穩后，根據振蕩中心所在聯絡線量測數據，預估系統的完整暫態能量，并計算聯絡線調節功率；步驟2：采集電網中各地區發電機的轉速量測數據，定時計算發電機的暫態動能變化指標，并刷新切機序位表；步驟3：根據離線計算獲得的發電機?聯絡線功率轉移分布因子，制定基于最小切機量的暫態穩定控制策略。本發明克服常規基于發電機量測數據的暫態穩定控制方法所存在依賴全網量測數據、時效性差、工程可行性低的缺點，具備所需量測少、計算效率高、針對性強的特點。
【專利說明】
基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力系統安全穩定控制技術領域，特別是基于區間聯絡線能量預測的 暫態穩定緊急切機控制方法。
【背景技術】
[0002] 合理、有效的暫態穩定控制是電力系統安全穩定防線的核心內容。現有的電力系 統緊急控制通常采用事件驅動的控制技術:通過離線仿真或者在線預算方式得到對象電網 在預想故障下的運行軌跡和穩定性特征，從而制定針對性的控制措施，當實際擾動發生后， 通過事件匹配觸發相應控制策略。該類方法具有簡單、快速、針對性強的特點，但控制的可 靠性依賴于數值仿真的準確性，且無法應對預想故障外的意外事故。
[0003] 隨著廣域量測技術的廣泛應用，響應驅動的暫態穩定控制技術已成為可能。文獻 一《運動穩定性量化理論》(江蘇科學技術出版社，1999年）提出了擴展等面積法則，基于發 電機功角量測進行系統暫態失穩判別與控制。該方法機具有理性強、適用性好的優點，但是 嚴重依賴于全網發電機的廣域響應，由于廣域信息的采集和處理存在不確定性時滯，這將 嚴重影響暫態穩定控制的時效性。
[0004] 由于經濟發展與能源分布的不平衡，大型互聯電網通常具有遠距離、大容量輸電 的特征。文獻二《基于受擾電壓軌跡的電力系統暫態失穩判別：（二)算例分析》（電力系統自 動化，2013年，第37卷第17期第58頁)指出：區域電網間聯系相對薄弱，系統暫態過程中區間 聯絡線的受擾特征明顯，易成為振蕩中心。文獻三《基于網絡信息的暫態穩定性定量分 析--支路勢能法》（中國電機工程學報，2004年，第24卷第5期第1頁)研究表明：隨著暫態 穩定性的下降，系統的暫態勢能將集中于振蕩中心所在的主振蕩支路上，導致系統的同步 運行在該支路"撕開"。在此基礎上，文獻四《利用實測響應信息的暫態功角失穩實時判別方 法》（中國電機工程學報，2013，第33卷第34期第171頁)提出一種失穩判別方法:建立振蕩中 心所在聯絡線功率及相角差相平面，以軌跡特征分析方法辨識系統的暫態穩定性。該方法 主要針對互聯電網區間暫態失穩特征，所需量測少。但是該方法僅進行了失穩判別，并未涉 及暫態穩定控制。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供基于區間聯絡線能量 預測的暫態穩定緊急切機控制方法，具備所需量測少、計算效率高、針對性強的特點。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0007] 根據本發明提出的一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法， 包括以下步驟：
[0008] 步驟A、緊急控制能量評估，當判定系統暫態失穩后，根據振蕩中心所在聯絡線量 測數據，預估系統的完整暫態能量，并計算聯絡線調節功率；
[0009] 步驟B、采集電網中各地區發電機的轉速量測數據，定時計算發電機的暫態動能變 化指標，并刷新切機序位表；
[0010] 步驟C、根據離線計算獲得的全網各發電機與聯絡線間的功率轉移分布因子，制定 基于最小切機量的暫態穩定控制策略;具體如下：
[0011] 由步驟B得到切機序位表先后順序選取切機對象，并根據功率轉移分布因子估計 切除多少發電機能夠滿足步驟A計算得到的聯絡線調節功率需求，滿足下式的最小切機方 式，即為維持系統暫態穩定的最佳控制策略；
[0012] DiPi+D2P2+---+DnPn> AP,
[0013] 其中，Pi-Pn為切機序位表1~η的發電機有功功率，Di-Dn為切機序位表1~η的發 電機與聯絡線的功率轉移分布因子，η為所切除發電機總數，ΔΡ為聯絡線調節功率。
[0014] 作為本發明所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法進 一步優化方案，所述步驟Α中，計算聯絡線調節功率，具體實現方法為：
[0015] 根據相量測量單元實時獲取的振蕩中心所在聯絡線t時刻的有功功率P(t)和相角 差9(t)，t為任意采樣時刻；當系統穩定時，聯絡線的有功功率即為機械功率：
[0016] Pm=P(ts),
[0017] 其中，ts為系統穩定時刻，P( ts)為七時刻聯絡線的有功功率，Pm為機械功率且是恒 定值；
[0018] 根據采樣周期T，計算t時刻區間轉速偏差Δ co(t)的離散值：
[0019]
[0020] 在系統實際運行中，實時判斷系統是否暫態失穩，若t。時刻判定系統暫態失穩，計 算此時振蕩系統的動能Vk( t。)為：
[0021]
L
[0022] 利用曲線擬合外推方法，進行未來時刻的有功功率快速預測：
[0023] Ρ(θ) = Α + Β^η(θ + 〇,
[0024] 其中，汽0；)為關于相角差Θ的有功功率預測值，A，B，C為擬合參數，通過最小二乘 法對A，B，C進行參數辨識；
[0025] 根據有功功率預測值#(約，計算系統不穩定平衡點的相角差0b:
[0026]
[0027] 進而預測未進行暫態穩定控制時系統的剩余減速面積Sd:
[0028]
[0029] 其中，Θ。為系統穩定平衡點的相角差；
[0030] 然后計算得到控制補償面積Sc為：
[0031] Sc = Vk(tc)-Sd,
[0032] 利用失穩判別時刻t。的轉速偏差Δ ω (t。)近似估計控制執行時刻td的相角差9d:
[0033] 9d=0c-A ω (tc)tdelay，
[0034] 其中，tdelay為失穩判別與控制執行之間所存在的時延；
[0035]因此，聯絡線調節功率ΔΡ*:
[0036]
[0037] 作為本發明所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法進 一步優化方案，tcblay取0.1 S。
[0038] 作為本發明所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法進 一步優化方案，所述步驟B中，刷新切機序位表，具體步驟如下：
[0039] 步驟B1:設定受擾觀測時間窗T。，在實際電網運行過程中，實時采樣地區發電機i 的轉速值^，定時評估在受擾觀測時間窗內全網各發電機的動能量，以此計算發電機的受 擾嚴重程度：
[0040]
[0041] 其中，Si為地區發電機i在t時刻至t+T。時刻之間的受擾嚴重程度，Wl(t)為地區發 電機i在t時刻的轉速值；
[0042]步驟B2:對每次計算得到的全網發電機受擾嚴重程度進行排序，由數值從大到小 制定基于發電機響應的切機序位表；當系統失穩時，以最新的切機序位表順序選取切機對 象。
[0043] 作為本發明所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法進 一步優化方案，T。取0.2s。
[0044] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0045] (1)本發明區別于常規暫態穩定控制方法，無需進行發電機快速分群與等值聚合， 僅需少量數據交互與通信，計算效率相對較高；
[0046] (2)本發明針對互聯電網區間暫態失穩，所需量測較少，具備工程可實施性；
[0047] (3)本發明計算得到的聯絡線調節功率，還可用于生成切負荷等其他緊急控制策 略；
[0048] (4)本發明基于電網中現有的相量測量單元及廣域量測系統，當區域互聯電網發 生大擾動并造成系統暫態失穩后，根據區間量測信息評估系統暫態能量，并執行針對性的 緊急切機控制策略，以維持系統暫態穩定性；
[0049] (5)克服常規基于發電機量測數據的暫態穩定控制方法所存在依賴全網量測數 據、時效性差、工程可行性低的缺點，提供了一種針對互聯電網區間暫態失穩的切機控制方 法，具備所需量測少、計算效率高、針對性強的特點。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發明方法的總體流程框圖。
[0051] 圖2是互聯電網區域振蕩模式圖。
[0052]圖3是基于區間暫態能量預測的功率調節示意圖。
[0053] 圖4是IEEE-39節點系統發電機在故障時的受擾功角軌跡圖。
[0054] 圖5是IEEE-39節點系統發電機在緊急切機控制后的受擾功角軌跡圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0056] 下面根據圖1所示的總體方法流程圖，對本發明實現的具體步驟進行詳細的說明。 [0057]對于區域互聯電網，當觀察到系統發生功率振蕩現象時，根據振蕩中心所在的聯 絡斷面可將系統劃分為兩區域系統，如圖2所示。其中子系統A為送端電網，子系統B為受端 電網。此時，區間聯絡線A-B的有功功率可表示為：
[0058]
[0059]式中：P為聯絡線的有功功率。UA和UB分別為送端與受端的電壓幅值，XL為聯絡線電 抗，Θ為聯絡線相角差。
[0060] 假設系統具有較強的電壓調節能力，即送端和受端的電壓幅值UA和UB均為常數。則 振蕩中心所在聯絡線即為系統的主振蕩支路。其有功功率P可近似表征為關于聯絡線相角 差Θ的正弦變化函數。
[0061] 當電網受擾后，系統A存在不平衡功率。若該擾動造成子系統A與B間失去同步，則 區域發電機群相對功角遞增，造成區間相角差Θ增大，聯絡線功率P劇烈波動。若受擾后聯絡 線功率能夠趨于穩定，則子系統間同步運行;反之，系統將暫態失穩。若能盡早地判定系統 暫態失穩，可通過切機控制快速調節區間聯絡線的有功功率，控制振蕩系統間的能量變化， 以維持全網機組的同步運行。基于上述原因，本發明提出了一種基于區間聯絡線暫態能量 預測的暫態穩定緊急切機控制方法，主要包含以下步驟。
[0062] 步驟1:當判定系統暫態失穩后，根據振蕩中心所在的聯絡線量測，預測系統的完 整暫態能量，并計算聯絡線調節功率，如圖3所示。
[0063] 首先根據相量測量單兀，實時獲取振蕩中心所在的聯絡線t時刻的有功功率P (t) 和相角差9(t)，其中t為任意采樣時刻。當系統穩定時，聯絡線的有功功率即為機械功率：
[0064] Pm=P(ts)
[0065] 式中：t s為系統穩定時刻，P (t s)為t s時刻聯絡線的有功功率。Pm為機械功率，是恒 定值。
[0066] 根據采樣周期T，計算t時刻區間轉速偏差Δ co(t)的離散值：
[0067]
[0068] 在系統實際運行中，根據文獻二《基于受擾電壓軌跡的電力系統暫態失穩判別： (二)算例分析》（電力系統自動化，2013年，第37卷第17期第58頁)實時判斷系統是否暫態失 穩。若t。時刻判定系統暫態失穩，計算此時振蕩系統的動能Vk (t。)為：
[0069]
[0070] 利用文獻五《電力系統暫態穩定實時緊急控制的研究》（中國電機工程學報，2003， 第23卷第1期第64頁）的曲線擬合外推方法，進行未來時刻的有功功率快速預測：
[0071]
[0072] 式中：#(的為關于相角差Θ的有功功率預測值，A，B，C為擬合參數，通過最小二乘法 對A，B，C進行參數辨識。
[0073] 根據有功功率預測值汽的，計算系統不穩定平衡點的相角差0b:
[0074] 戶(見）=Usin(% + 〇 = 0
[0075] 進而預測未進行暫態穩定控制時系統的剩余減速面積Sd:
[0076]
[0077] 式中，Θ。為系統穩定平衡點的相角差，戶(奶為系統相角差Θ所對應的有功功率預測 值。
[0078]然后計算得到控制補償面積Sc:
[0079] Sc = Vk(tc)-Sd
[0080] 利用失穩判別時刻t。的轉速偏差Δ ω (t。)近似估計控制執行時刻td的相角差0d:
[0081] 0d=0c-A ω (tc)tdelay
[0082] 式中：tdelay為失穩判別與控制執行之間所存在的時延，優選地取0.1 s。
[0083] 因此，聯絡線調節功率ΔΡ*:
[0084]
[0085] 步驟2:采集電網中各地區發電機的轉速量測，定時計算發電機的暫態動能變化指 標，并刷新切機序位表。
[0086] 設定受擾觀測時間窗T。。在實際電網運行過程中，實時采樣地區發電機i的轉速值 Wl，定時評估在受擾觀測時間窗內全網各發電機的動能量，以此計算發電機的受擾嚴重程 度：
[0087]
[0088]式中：Si為地區發電機i在t時刻至t+T。時刻之間的受擾嚴重程度，Wl(t)為地區發 電機i在t時刻的轉速值，數值越大說明受擾越嚴重。受擾觀測時間窗T。，優選地取0.2s。
[0089] 對每次計算得到的全網發電機受擾嚴重程度進行排序，由數值從大到小制定基于 發電機響應的切機序位表。當系統失穩時，以最新的切機序位表順序選取切機對象。
[0090] 步驟3:根據離線計算獲得的發電機-聯絡線功率轉移分布因子，制定基于最小切 機量的暫態穩定控制策略。
[0091] 通過離線計算獲取全網各發電機與聯絡線間的功率轉移分布因子。具體計算方法 見文獻六《高等電力網絡分析》(清華大學出版社，2004年）。由步驟2得到切機序位表先后順 序選取切機對象，并根據功率轉移分布因子估計切除多少發電機能夠滿足步驟1計算得到 的聯絡線調節功率需求，如下所示：
[0092] DiPi+D2P2+---+DnPn> AP
[0093] 式中fi-Pn為切機序位表1~η的發電機有功功率，Di-Dn為切機序位表1~η的發 電機與聯絡線的功率轉移分布因子。η為所切除發電機總數。
[0094]滿足該式的最小切機方式，即為維持系統暫態穩定的最佳控制策略。
[0095]結果驗證:為了測試本發明所述方法的有效性，應用本發明方法對ΙΕΕΕ-39節點系 統故障情況進行了仿真驗證。
[0096]算例:0時刻線路4-14的母線4側開關后發生三相短路，0.2s線路主保護拒動，0.3s 后備保護動作切除故障。
[0097] 此時39節點機組將與其他機組失去同步，系統的主振蕩支路為支路2-1，全網發電 機受擾功角軌跡如圖4所示。采用文獻二《基于受擾電壓軌跡的電力系統暫態失穩判別： (二)算例分析》（電力系統自動化，2013年，第37卷第17期第58頁)方法于擾動后0.54s判定 系統暫態失穩。
[0098] 此時根據聯絡線兩端量測預測區間暫態能量，計算得到支路2-1的調節功率為 43.7MW。在此過程中，利用發電機轉速評估機組受擾嚴重程度，在0-0.2s及0.2-0.4s完成兩 次切機序位表刷新工作，其中最新切機序位表中受擾最嚴重發電機為32節點機組。根據離 線計算得到32節點發電機與支路2-1的功率轉移分布因子為0.183,計算得到最小切機量為 238.8麗。假設該節點由5臺相同機組構成，總有功出力為650MW，則可切除其中2臺機組，合 計260MW，以滿足最小切機量要求。
[0099]計及失穩判別與控制執行之間所存在的時延0.1s，于0.64s執行上述暫態穩定控 制，切除32節點下260MW發電機，控制后發電機受擾功角軌跡如圖5所示。通過本發明計算得 到的暫態穩定措施，系統將恢復暫態穩定。
[0100]從上述結果中可以發現，本發明方法針對性強、效果好，具備工程可實施性。本發 明可用于大型區域互聯電網的調度控制中心，基于廣域量測系統實現基于區間暫態能量預 測的互聯電網暫態穩定控制，保障電力系統的安全穩定運行。
【主權項】
1. 一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟A、緊急控制能量評估，當判定系統暫態失穩后，根據振蕩中心所在聯絡線量測數 據，預估系統的完整暫態能量，并計算聯絡線調節功率； 步驟B、采集電網中各地區發電機的轉速量測數據，定時計算發電機的暫態動能變化指 標，并刷新切機序位表； 步驟C、根據離線計算獲得的全網各發電機與聯絡線間的功率轉移分布因子，制定基于 最小切機量的暫態穩定控制策略;具體如下： 由步驟B得到切機序位表先后順序選取切機對象，并根據功率轉移分布因子估計切除 多少發電機能夠滿足步驟A計算得到的聯絡線調節功率需求，滿足下式的最小切機方式，BP 為維持系統暫態穩定的最佳控制策略； DlPl+D2P2+."+DnPn> Λ P， 其中，P1-Pn為切機序位表1~η的發電機有功功率，D1-D n為切機序位表1~η的發電機 與聯絡線的功率轉移分布因子，η為所切除發電機總數，△ P為聯絡線調節功率。2. 根據權利要求1所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法， 其特征在于，所述步驟A中，計算聯絡線調節功率，具體實現方法為： 根據相量測量單兀實時獲取的振蕩中心所在聯絡線t時刻的有功功率P(t)和相角差Θ (t)，t為任意采樣時刻；當系統穩定時，聯絡線的有功功率即為機械功率： Pm = P(ts)， 其中，ts為系統穩定時刻，P (ts )為^時刻聯絡線的有功功率，Pm為機械功率且是恒定值； 根據采樣周期T，計算t時刻區間轉諫偏差Δω (t)的離散倌： 在系統實際運行中，實時判斷系統是否暫態失穩，若t。時刻判定系統暫態失穩，計算此 時振湯系統的動能Vk(tc)為：利用曲線擬合外推方法，進行未來時刻的有功功率快速預測：其中，戶(0)為關于相角差Θ的有功功率預測值，A，B，C為擬合參數，通過最小二乘法對A， B，C進行參數辨識； 根據有功功率預測值汽仍，計算系統不穩定平衡點的相角差9b:進而預測未進行暫態穩定控制時系統的剩余減速面積Sd:其中，Θ。為系統穩定平衡點的相角差； 然后計算得到控制補償面積S。為： Sc = Vk(tc)-Sd, 利用失穩判別時刻t。的轉速偏差△ ω (t。)近似估計控制執行時刻td的相角差0d: -9C-Δ O (tc)tdelayj 其中，td(3lay為失穩判別與控制執行之間所存在的時延；因此，聯絡線調節功率A Pv 3 ·根據權利要求2所述一抑整丁 IA |H」狀??τSSHEMIW WJ的暫態穩定緊急切機控制方法， 其特征在于，〖<^1#取0.18。4. 根據權利要求1所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法， 其特征在于，所述步驟B中，刷新切機序位表，具體步驟如下： 步驟BI:設定受擾觀測時間窗Τ。，在實際電網運行過程中，實時采樣地區發電機i的轉速 值^，定時評估在受擾觀測時間窗內全網各發電機的動能量，以此計算發電機的受擾嚴重 程度：其中，S1為地區發電機i在t時刻至t+T。時刻之間的受擾嚴重程度，Wl(t)為地區發電機i 在t時刻的轉速值； 步驟B2:對每次計算得到的全網發電機受擾嚴重程度進行排序，由數值從大到小制定 基于發電機響應的切機序位表;當系統失穩時，以最新的切機序位表順序選取切機對象。5. 根據權利要求4所述一種基于區間聯絡線能量預測的暫態穩定緊急切機控制方法， 其特征在于，T。取0.2s。
【文檔編號】H02J3/24GK105896571SQ201610326724
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】趙晉泉, 鄧暉, 章玉杰, 張盼
【申請人】河海大學