CN103532147A - 一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法，包括：步骤1，实时采集电力***中发电机的功角量与转速量、受端***重要负荷母线的电压与电流量；步骤2，同时并行监测***的功角稳定和电压稳定，***失去功角稳定时执行步骤3，***失去电压稳定时执行步骤4，***稳定时执行步骤1；步骤3，利用拟合的功率特性曲线计算***应该增加的减速面积S_c，确定切机措施量，执行步骤1；步骤4，根据母线电压的幅值作为判断电压失稳的严重程度的依据，根据电压失稳的严重程度的不同确定母线切负荷量，执行步骤1。本发明提供了一种实时紧急控制方法，采用并行判断的方式，形成完整的电力***电压与功角稳定实时紧急控制方案。

Description

一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法

技术领域

本发明涉及电力***运行与控制领域，具体涉及一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法。

背景技术

电网形态日趋复杂，运行方式多变，安全稳定问题日益突出，如何构建安全可靠的电力***综合防御体系，降低大面积停电事故风险，确保电力***的安全稳定运行，是摆在电力科研工作者面前的一道难题。

保证电网安全稳定运行的安全稳定控制***是电力***安全稳定控制体系（被动安全）的第二道防线，目前广泛采用“离线决策，实时匹配”的控制策略，主要针对预想的故障形式和运行方式，对电力***进行大量离线计算得到安全稳定控制策略表。这种控制策略主要存在两方面不足：（1）离线计算时运行方式和预想故障不可能穷举，实际运行中可能会存在失配现象，适应性较差，应对小概率意外事故方面缺乏可靠性；（2）离线计算过程中，电网模型和参数不可避免的存在一些偏差，一定程度上影响计算结果的精度，存在控制量不匹配的风险。因此研究基于广域实测响应信息的电力***特性分析及安全稳定控制技术显得尤为重要。

近年来，迅速发展的广域测量***(Wide Area Measurement System，WAMS)为基于响应的电力***实时稳定分析与控制研究提供了新的技术条件。在电力***很多的失稳场景中，电压失稳和功角失稳往往交织在一起，难以从失稳过程中电压、功角的变化中区分出到底是电压失稳还是功角失稳，而实时稳定分析与紧急控制又缺少人为的离线分析，因此基于响应的电力***安全稳定控制体系中，需要能够基于响应信息区分电压稳定和功角稳定的技术，以全面防御电网电压稳定和功角稳定问题。

发明内容

本发明涉及一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法，包括：

步骤1，实时采集电力***中发电机的功角量与转速量、受端***重要负荷母线的电压与电流量；

步骤2，同时并行监测所述***的功角稳定和电压稳定，利用所述步骤1中实时采集的数据，根据所述***的转速差Δω和功角差δ判断所述***是否失去功角稳定，根据所述***中负荷母线的等效阻抗和功率判断***是否失去电压稳定；所述***失去功角稳定时执行步骤3，所述***失去电压稳定时执行步骤4，***稳定时执行步骤1；

步骤3，利用拟合的功率特性曲线计算所述***应该增加的减速面积S_c为***的剩余的加速面积S_remain与预估的剩余减速面积S_d的差，根据所述应该增加的减速面积S_c确定切机措施量，采取切机措施后执行步骤1；

所述剩余的加速面积S_remain为加速面积减去已经过减速面积的值，所述预估的剩余减速面积S_d为估算的剩余减速面积的值；所述加速面积为从故障发生到故障切除时过剩转矩对相对角速度位移所做的功；所述***的减速面积为故障切除后制动转矩对相对角速度位移所做的功；

步骤4，根据母线电压的幅值作为判断电压失稳的严重程度的依据，根据所述电压失稳的严重程度的不同确定母线切负荷量，实施切负荷措施后执行步骤1。

本发明提供的第一优选实施例中：所述步骤2中根据所述***的转速差Δω和功角差δ判断所述***是否失去功角稳定的方法为：

如果所述***为多机***，对所述***进行双机等值后化为单机无穷大***；

当所述***的

有增大趋势时，判断所述***将会失去功角稳定。

本发明提供的第二优选实施例中：所述步骤2中根据，所述***中，所述负荷母线的等效阻抗和功率判断，所述***是否失去电压稳定的方法为：

如果发现，所述***中重要负荷母线的等效阻抗减小而功率没有增加，并且电压低于0.75pu时，则判断所述***会发生局部电压失稳。

本发明提供的第三优选实施例中：所述应该增加的减速面积

$\begin{array}{c}{S}_c=S_{\mathrm{remain}}-S_d\\ =\frac{1}{2}\×{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{\δ}}_u}}^2-{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_u}^{{\mathrm{\δ}}_m}(P_e-P_m)\mathrm{d\δ}\end{array};$

其中，ω₀表示转速基准值，

表示辨识出***失稳时的机群转速差，δ_m表示预估的机群最大功角差，δ_u表示辨识出***失稳时机群功角差，P_m表示原动机机械功率；P_e表示发电机电磁功率。

本发明提供的第四优选实施例中：所述***的切机功率ΔP＝ΔP_m×M_S×S_base；

其中，M_S表示加速机群的总惯性时间常数，S_base表示***的功率基准值，ΔP_m表示在计算切机需要达到的机械功率改变量：

$\mathrm{\Δ}{P}_m=\frac{S_c}{{\mathrm{\δ}}_m-{\mathrm{\δ}}_u-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_u\×t_{\mathrm{delay}}};$

Δω_u表示决定控制时转速差，t_delay表示决策时到决定控制时的动作延迟时间。

本发明提供的第五优选实施例中：所述步骤4中根据不同所述母线电压的幅值确定对应的所述母线切负荷量包括：

所述母线电压范围为0.75～0.70时，所述母线切负荷量为30%；

所述母线电压范围为0.70～0.65时，所述母线切负荷量为40%；

所述母线电压范围为0.65～0.60时，所述母线切负荷量为50%；

所述母线电压范围为0.60～0.55时，所述母线切负荷量为60%；

所述母线电压范围为0.55～0.50时，所述母线切负荷量为70%；

所述母线电压范围为0.50～0.00时，所述母线切负荷量为100%。

本发明提供的一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法的有益效果包括：

1、本发明提供的一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法，采用并行判断的方式，同时监控***的电压稳定与功角稳定问题，形成完整的电力***电压与功角稳定实时紧急控制方案，可以有效防止***进一步恶化甚至造成大规模停电事故，丰富了电网安全稳定防御体系，提高电力***安全稳定运行水平。

2、判断***是否电压失稳时，考虑实际情况，设置电压门槛值，使得判断结果更可靠。

3、当判断出***将会失去功角稳定时，基于两机***中相对动能的概念计算剩余的加速面积，利用等面积准则计算切机量；当判断***将会失去电压稳定时，根据工程经验立即采取集中切负荷措施。判断和控制过程只需利用***的动态响应曲线，适应任意复杂的运行方式和故障形式，计算量小，方便灵活。控制决策过程中考虑了动作延迟时间的影响，使得计算结果更加可靠。

附图说明

如图1所示为本发明提供的一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法的流程图；

如图2所示为本发明提供的一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法的实施例一的流程图；

如图3所示为哈密顿单机无穷大***在功角稳定情况和不稳定情况下转速差对应功角的曲线图。

如图4所示为电力***功率电压关系曲线；

如图5所示为电力***功角稳定实时紧急控制决策示意图；

如图6所示为本发明提供的实时紧急控制方法应用的实施例的***结构示意图；

如图7所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前各机组功角曲线图；

如图8所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前***母线电压曲线图；

如图9所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前相平面运动轨迹图；

如图10所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前

变化曲线图；

如图11所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前母线15负荷阻抗与视在功率图；

如图12所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前母线18负荷阻抗与视在功率图；

如图13所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施后各机组功角曲线图；

如图14所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施后***母线电压曲线图；

如图15所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施后

变化曲线图；

如图16所示为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施后母线15负荷阻抗与视在功率图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法，其方法流程如图1所示，由图1可知，该方法包括：

步骤1，实时采集电力***中发电机的功角量与转速量、受端***重要负荷母线的电压与电流量。

步骤2，同时并行监测***的功角稳定和电压稳定，利用步骤1中实时采集的数据，根据***的转速差Δω和功角差δ判断***是否失去功角稳定，根据***中负荷母线的等效阻抗和功率判断***是否失去电压稳定，***失去功角稳定时执行步骤3，***失去电压稳定时执行步骤4，***稳定时执行步骤1。

步骤3，利用拟合的功率特性曲线计算***应该增加的减速面积S_c为***的剩余的加速面积S_remain与预估的剩余减速面积S_d的差，根据该应该增加的减速面积S_c确定切机措施量，采取切机措施后执行步骤1。

从故障发生到故障切除这段时间里，发电机转子受到过剩转矩作用而加速，该时间段过剩转矩对相对角速度位移所做的功等于转子在相对运动中动能的增加，为***的加速面积。

故障切除后，发电机转子在制动过程减速，故障切除后制动转矩对相对角速度位移所做的功等于转子在制动过程中动能的减少，为***的减速面积。

判断出***发生故障时，***已经经过了一段时间的减速，剩余的加速面积S_remain即为加速面积减去已经过减速面积的值，预估的剩余减速面积S_d即为估算的剩余减速面积的值，S_remain与S_d的差即为应该增加的***减速面积，根据该量可以确定切机措施量，实施切机措施后执行步骤1。

步骤4，根据母线电压的幅值作为判断电压失稳的严重程度的依据，根据电压失稳的严重程度的不同确定不同的母线切负荷量，实施切负荷措施后执行步骤1。

实施例一：

本发明提供一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法的实施例一的流程图如图2所示，

步骤2中根据***的转速差Δω和功角差δ判断***是否失去功角稳定的方法为：如果***为多机***，对***进行双机等值后化为单机无穷大***；当***的有增大趋势时，判断该***将会失去功角稳定。

从***的能量角度看，电力***是否会保持功角稳定实质上反映的是***故障期间注入的不平衡量能否被消化，那么***能否维持同步运行，在于其能否吸纳暂态期间积累的不平衡能量，那么***能否维持同步运行，在于其能否吸纳暂态期间积累的不平衡能量，能否保持同步运行在（δ-Δω）相平面上的运动轨迹会提前有所体现。

如图3所示为哈密顿单机无穷大***在功角稳定情况和不稳定情况下转速差对应功角的曲线图，由图3可知，在哈密顿单机无穷大***中，如果***稳定，相平面上发电机运动轨迹将穿过横轴，转速差Δω到达零时，

趋于负无穷，功角差δ不再增加，开始回摆过程；如果***不稳定，则发电机转速回复不到同步速，运动轨迹将不能到达横轴，在到达不稳定平衡点时

等于零，为故障清除后运功轨迹最低点，此后开始向上运动。多机***进行双机等值后，

有变大趋势时即功角差增大转化的电磁能已经不能使转速差加速减小，判断该***将会失去功角稳定，以此作为步骤3功角稳定紧急控制的启动条件。

步骤2中根据***中负荷母线的等效阻抗和功率判断***是否失去电压稳定的方法为：

如果发现***中重要负荷母线的等效阻抗减小，而该重要负荷的功率没有增加，则判断***会发生局部电压失稳。

电力***的电压稳定性是指在给定的初始运行状态下，电力***遭受扰动后***中所有母线维持稳定电压的能力。电压稳定主要反映负荷需求与***向负荷供电时保持/恢复电压平衡的能力。

暂态电压失稳是***传输能力不能满足负荷需求导致的***性问题，如图4所示为电力***功率电压关系曲线图，图4中，当***运行点位于PV功率电压曲线上半部分时，***处于电压稳定状态，表现为负荷可以通过减小自身阻抗增大负荷电流的形式来满足自身的功率需求；当***运行点位于PV功率电压曲线下半部分时，***处于电压不稳定状态，负荷即使减小自身阻抗增大负荷电流也无法满足自身的功率需求。因此可以通过实时采集到的响应量来监视***重要负荷母线的电压稳定情况，当负荷减小自身等效阻抗时，并不能使得负荷的功率提高，即判断***电压失稳，即：

Z_LDt＞Z_LDt+1，而S_LDt＞S_LDt+1。Z_LDt和Z_LDt+1分别表示t时刻和t+1时刻负荷的等效阻抗，S_LDt和S_LDt+1分别表示t时刻和t+1时刻负荷的功率。

受负荷自身特性和***特性的影响，有时***进入电压不稳定区域不一定会引发不可控的电压崩溃，因此可以设置电压门槛值，当电压低于0.75pu时认为***失去电压稳定。

步骤3的内容是在判断功角失稳后启动功角稳定紧急控制措施的过程，如图5所示为电力***功角稳定实时紧急控制决策示意图，图5中，δ₀对应的为***故障发生的时刻，δ_c对应的为***故障切除的时刻，δ_u对应的为辨识出***失稳的时刻，δ_m对应的为预估的机群最大功角差对应的发生时刻，A1表示根据拟合功率特性曲线预估的剩余减速面积，由于剩余减速面积不足，需要增加减速面积，A2表示实施控制后应该增加的减速面积。

其中，

ω₀表示转速基准值，

表示辨识出***失稳时的机群转速差，δ_m表示预估的机群最大功角差，δ_u表示辨识出***失稳时机群功角差，P_m表示原动机机械功率；P_e表示发电机电磁功率。因此步骤3中计算***应该增加的减速面积S_c的方法如公式（1）：

$\begin{array}{c}{S}_c=S_{\mathrm{remain}}-S_d\\ =\frac{1}{2}\×{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{\δ}}_u}}^2-{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_u}^{{\mathrm{\δ}}_m}(P_e-P_m)\mathrm{d\δ}\end{array}---\left(1\right)$

考虑控制动作的时间延迟，即实际动作时间并不是辨识出***失稳的时刻，当实施紧急控制时，尚存在减速面积，转速差Δω还会继续减小，可以利用Δω_u×t_delay表示控制延迟角度理论上偏保守，Δω_u表示决定控制时转速差，t_delay表示决策时到决定控制时的动作延迟时间，符合稳定控制策略的要求。在计算切机需要达到的机械功率改变量ΔP_m时，出于保守的原则，因为实际***中的切机并不是单纯减小原动机出力，切机后电源阻抗的改变会降低功率特性曲线，可以考虑这部分的影响，只利用矩形面积进行计算，得到更为合理的切机量，采用公式(2)：

$\mathrm{\Δ}{P}_m=\frac{S_c}{{\mathrm{\δ}}_m-{\mathrm{\δ}}_u-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_u\×t_{\mathrm{delay}}}---\left(2\right)$

再通过公式(3)得到切机功率ΔP：

ΔP＝ΔP_m×M_S×S_base                         （3）

其中，M_S表示加速机群的总惯性时间常数，S_base表示***的功率基准值。

计算出全部切机功率后，在加速机群中按照出力情况分配切机量。

步骤4的内容是当辨识出***局部地区可能发生电压失稳时，为避免电压问题进一步扩大恶化，需要立即采取集中切负荷紧急控制措施。此时***对该母线负荷的输电能力已经达到极限，必须要切除部分负荷，使得***重新进入电压稳定区域。当判断局部地区可能发生电压失稳时，依据母线电压的幅值作为电压失稳严重程度的反映，采用工程上的经验值作为切负荷策略，建立集中切负荷对应量，具体如表1集中切负荷方案表所示。

表1集中切负荷方案表

为了更符合实际情况，考虑控制过程中的时间延迟，主要包括3部分，控制决策计算时间、数据和控制命令传输时间、实际控制器动作时间。假设控制动作时间50ms，控制决策计算10ms，数据传输40ms，一共100ms。

实施例二：

本发明提供一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法的实施例二为该实时紧急控制方法应用的具体实施例，如图6所示为本发明提供的实时紧急控制方法应用的实施例的***结构示意图，由图6可知，该***为新英格兰10机39节点***，所有发电机均采用经典次暂态模型，考虑励磁***作用。母线24发生瞬时性三相接地短路故障，故障存在时间0.1s，母线15到母线16之间的线路由于开关误动作，于0.1s时切除，仿真得到此时的***响应曲线。

第一步：采集电力***中发电机的功角量与转速量、受端***重负荷母线的电压与电流量；

第二步：同步监视电力***电压稳定与功角稳定问题。当0.1s清除故障时，图7为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前各机组功角曲线图，从图7中的时域仿真曲线可以看出，33、34、35和36号机组是加速机群，不过***并没有失去功角稳定。图9和图10分别为本发明提供的实施例二中实施切负荷措施前相平面运动轨迹图和

变化曲线图，对***进行双机等值后，相平面上运动轨迹及其一阶导数变化趋势如图9和10所示。不过，从图8中的***母线电压曲线可以看出***实际上已经电压失稳，即***存在的主要问题是电压稳定问题。如图11和图12分别为母线15和母线18负荷阻抗与视在功率图，对重要负荷母线进行监控，发现母线15在0.28s时等效负荷阻抗减小，而其功率并没有增加，反而也开始减小，且此时电压为0.573pu，说明母线15可能发生局部电压失稳情况，应立即采取集中切负荷控制措施。

第三步：对应切负荷措施表，决定切除母线15所带的60%负荷。由于控制动作存在时间延迟，实际切负荷动作发生在0.38s。图13所示为整个过程***的发电机功角曲线，图13所示为实施切负荷措施后各母线电压曲线，可以看出当实施集中切负荷紧急控制后，***母线电压得到了恢复。图15为功角稳定监视结果，可以发现整个过程***并没有监测到功角稳定问题。图16为此过程电压稳定监视的完整结果，当发现母线15可能发生局部电压失稳，采取紧急切负荷控制后，***重新进入电压稳定区域，避免了电压崩溃现象。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于响应信息的电压与功角稳定实时紧急控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，实时采集电力***中发电机的功角量与转速量、受端***重要负荷母线的电压与电流量；

步骤2，同时并行监测所述***的功角稳定和电压稳定；利用所述步骤1中实时采集的数据，根据所述***的转速差Δω和功角差δ判断所述***是否失去功角稳定，根据所述***中负荷母线的等效阻抗和功率判断***是否失去电压稳定；所述***失去功角稳定时执行步骤3，所述***失去电压稳定时执行步骤4，***稳定时执行步骤1；

步骤3，利用拟合的功率特性曲线计算所述***应该增加的减速面积S_c为***的剩余的加速面积S_remain与预估的剩余减速面积S_d的差，根据所述应该增加的减速面积S_c确定切机措施量，采取切机措施后执行步骤1；

所述剩余的加速面积S_remain为加速面积减去已经过减速面积的值，所述预估的剩余减速面积S_d为估算的剩余减速面积的值；所述加速面积为从故障发生到故障切除时过剩转矩对相对角速度位移所做的功；所述***的减速面积为故障切除后制动转矩对相对角速度位移所做的功；

步骤4，根据母线电压的幅值作为判断电压失稳的严重程度的依据，根据所述电压失稳的严重程度的不同确定母线切负荷量，实施切负荷措施后执行步骤1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中根据所述***的转速差Δω和功角差δ判断所述***是否失去功角稳定的方法为：

如果所述***为多机***，对所述***进行双机等值后化为单机无穷大***；

当所述***的

有增大趋势时，判断所述***将会失去功角稳定。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中根据，所述***中，所述负荷母线的等效阻抗和功率判断，所述***是否失去电压稳定的方法为：

如果发现，所述***中重要负荷母线的等效阻抗减小而功率没有增加，并且电压低于0.75pu时，则判断所述***会发生局部电压失稳。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应该增加的减速面积

$\begin{array}{c}{S}_c=S_{\mathrm{remain}}-S_d\\ =\frac{1}{2}\×{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{\δ}}_u}}^2-{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_u}^{{\mathrm{\δ}}_m}(P_e-P_m)\mathrm{d\δ}\end{array};$

其中，ω₀表示转速基准值，表示辨识出***失稳时的机群转速差，δ_m表示预估的机群最大功角差，δ_u表示辨识出***失稳时机群功角差，P_m表示原动机机械功率；P_e表示发电机电磁功率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述***的切机功率ΔP＝ΔP_m×M_S×S_base；

其中，M_S表示加速机群的总惯性时间常数，S_base表示***的功率基准值，ΔP_m表示在计算切机需要达到的机械功率改变量：

$\mathrm{\Δ}{P}_m=\frac{S_c}{{\mathrm{\δ}}_m-{\mathrm{\δ}}_u-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_u\×t_{\mathrm{delay}}};$

Δω_u表示决定控制时转速差，t_delay表示决策时到决定控制时的动作延迟时间。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中根据不同所述母线电压的幅值确定对应的所述母线切负荷量包括：

所述母线电压范围为0.75～0.70时，所述母线切负荷量为30%；

所述母线电压范围为0.70～0.65时，所述母线切负荷量为40%；

所述母线电压范围为0.65～0.60时，所述母线切负荷量为50%；

所述母线电压范围为0.60～0.55时，所述母线切负荷量为60%；

所述母线电压范围为0.55～0.50时，所述母线切负荷量为70%；

所述母线电压范围为0.50～0.00时，所述母线切负荷量为100%。

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