CN103606922B - 一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法,其包括以下步骤:1)扫描电力***典型故障集,利用EEAC法得到典型运行方式参数M、Pm、PC0、PCD、PCP、Pmax0、PmaxD、PmaxP、γ0、γD、γP、δ0和PF,以及临界稳定条件的相关数据δcr和tcr;2)采样得到故障状态,并进行故障匹配;3)记录故障线路故障前功率P′F和故障实际切除时间tc;4)采样得到加速机组转动惯量总和M′S;5)采样得到减速机组转动惯量总和M′A;6)计算等效转动惯量M′;7)计算等效极限切除时间t′cr;8)计算故障前等效机械功率差别ΔPm;9)计算电力***故障实际切除和极限切除时间之差Δtc;10)计算加速面积变化ΔAa;11)计算减速面积变化ΔAd;12)判断故障后是否暂态稳定。本发明可以广泛用于电力***稳定性的风险评估中。

Description

一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法
技术领域
本发明涉及一种电力***分析方法,特别是关于一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法。
背景技术
电力***稳定性是指电力***在正常条件下能够运行在发电负荷平衡状态,遭受干扰后能够恢复到可以允许的平衡状态。电力***保持稳定的能力对于电力***保持安全可靠供电具有重要意义,因此电力***的稳定性分析成为电力***分析的重要内容之一。电力***稳定性可以分为功角稳定性以及电压稳定性,其中功角稳定性分为静态功角稳定(又称为“小扰动稳定”)以及暂态功角稳定(又称为“大扰动稳定”)。暂态功角稳定是指电力***遭受严重暂态扰动下保持各母线功角同步的能力,这些扰动可能是指输电线短路或失去一台大型发电机等。在扰动发生后,由于电网中电气量发生瞬间变化,各发电机瞬时可能产生原动机的输入功率与输出的电磁功率不平衡的情况,进而引起发电机转子的加速或减速,导致不同发电机之间的转子角度差增加,当转子角度差增加到一定程度时,可能引起发电机的失步,进而导致电力***解裂而引发大面积停电事故。电力***暂态功角稳定分析的目的是评估电力***未来运行状态下可能的故障是否会引起电力***暂态功角稳定的破坏,并通过调整电力***运行状态或配置安全稳定控制措施增强电力***故障后的暂态功角稳定性。
目前,电力***稳定性问题是电力***分析理论和技术中研究得比较透彻和深入的问题之一,已经具备了较为完整的理论基础与较完善的分析方法。电力***暂态稳定的分析方法主要有时域仿真法、能量函数法以及扩展等面积准则(ExtendedEqual-Area Criterion,EEAC)。时域仿真法是对电力***中发电机、输电线路以及负荷建立微分方程与代数方程模型,在给定扰动的情况下在时域内进行数值积分求解,得到电力***扰动后的动态响应,并以此为基础进行电力***稳定性的判断。时域仿真法的优点是可以对复杂电力***进行详细的建模,但是其缺点是计算量很大,计算过程十分复杂。能量函数法又称为直接法,其基本思路是根据Liapunov(李雅普诺夫)函数或暂态能量函数的性质判断电力***的稳定性,其优点是可以快速判别电力***稳定性,但存在详细***模型下能量函数构造困难以及得到结果过于保守的问题。扩展等面积准则将单机无穷大等面积准则扩展应用到多机***,建立了故障后加速机群与减速集群的概念,将多机***的运行轨迹映射为两机组群各自等值惯量中心的等值轨迹,采用与单机无穷大近似的准则计算临界稳定条件。但该方法仍然存在计算复杂、计算量较大的问题。
在电力***风险评估等不确定性分析中,往往需要进行大量的电力***可能的故障的功角暂态稳定性判定,对电力***暂态稳定判定方法的计算速度要求较高。现有的方法中每一次采样得到的电力***故障后均进行一次时序仿真。虽然现有电力***暂态稳定的理论与方法较为成熟,但仍然存在两方面的问题:1)现有的判定方法计算原理较复杂以及计算开销较大;2)现有的判定方法均针对某一确定状态下电力***故障进行判定,对于大量电力***故障的每一次判定均需要一次完整的稳定判定计算,因此在判定大量电力***故障状态时计算时间很长,难以满足实际电力***分析的要求。
在电力***风险评估中,每一次采样得到的线路故障对应的电力***运行状态均不相同,但对于同一线路故障,各次采样中电力***运行状态却具有一定的相似性,若能够根据典型电力***运行状态下电力***功角暂态稳定的临界稳定条件近似判定其余非典型状态下电力***暂态功角稳定性,则能够极大的提高计算效率。因此,有必要提供一种电力***暂态功角稳定性快速判定方法,适用大量的电力***故障状态快速批量判定,以实现电力***暂态安全稳定的全景化概率性评估。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法,其包括以下步骤:
1)扫描电力***典型故障集,得到电力***典型故障集包括n个典型故障,利用EEAC法得到所有典型故障的电力***典型运行方式参数M、Pm、PC0、PCD、PCP、Pmax0、PmaxD、PmaxP、γ0、γD、γP、δ0和PF,以及电力***故障临界稳定条件的相关数据δcr和tcr;其中:M为等效为单机无穷大***后的***等效转动惯量;Pm为等效为单机无穷大***后的等效机械功率;PC0为故障前等效功角特性初始功率;PCD为故障中等效功角特性初始功率;PCP为故障后等效功角特性初始功率;Pmax0为故障前等效功角特性功率幅值;PmaxD为故障中等效功角特性功率幅值;PmaxP为故障后等效功角特性功率幅值;γ0为故障前等效功角特性初始相位;γD为故障中等效功角特性初始相位;γP为故障后等效功角特性初始相位;δ0为等效为单机无穷大***后***故障前等效的功角平衡点;PF为故障线路故障前功率;δcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角;tcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角;
2)采样得到上述电力***故障状态,且与上述电力***典型故障集中典型故障分别进行故障匹配;若采样得到的电力***故障线路与典型故障的故障线路一致,并且两者的故障类型对应一致,则认为故障匹配成功,反之则故障匹配失败;若采样得到的故障状态与典型故障集中全部的典型故障均未匹配成功,则认为该采样得到的***故障后是暂态稳定的;若采样得到的故障状态与典型故障集中任意一个典型故障匹配成功,则进入下一步,继续判断电力***故障后是否暂态稳定;
3)记录采样得到的电力***故障线路故障前功率P′F和采样得到的电力***故障实际切除时间tc
4)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的加速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的加速机组;采样得到的电力***故障状态中加速机组的转动惯量总和为M′S
5)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的减速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的减速机组;采样得到的电力***故障状态中减速机组的转动惯量总和为M′A
6)按公式M′=M′S·M′A/(M′S+M′A)计算电力***采样得到的故障状态对应的电力***等效转动惯量M
7)按公式计算等效极限切除时间t′cr
8)按公式ΔPm=P′F-PF计算得到线路故障前等效机械功率的差别ΔPm
9)按公式Δtc=tc-t′cr计算得到采样得到的电力***故障实际切除时间tc和极限切除时间t′cr之差Δtc
10)按下式计算加速面积的变化ΔAa
Δ A a = 1 2 M [ P m - P CD + P max D sin ( δ cr - γ D ) ] · [ 2 P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δ t c + ( δ cr - sin - 1 P m - P C 0 P max 0 + γ 0 ) - P m - P CD P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 + P max D sin ( sin - 1 [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] + γ 0 - γ D ) P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 Δ P m ;
11)按下式计算减速面积的变化ΔAd
ΔA d = 1 2 M [ P CP - P m + P max P sin ( δ cr - γ P ) ] · [ P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δt c ; + [ δ cr + sin - 1 P m - P CP P max P - γ P - π ] ΔP m
12)判断加速面积与减速面积相对的变化:若ΔAa-ΔAd>0,则可以认为电力***故障后将产生暂态失稳;若ΔAa-ΔAd≤0,则可以认为电力***故障后是暂态稳定的。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:本发明在时域仿真确定的电力***典型状态下线路故障后***临界稳定的典型故障集的基础上,考虑采样得到的EEAC方法中所有典型故障的电力***典型运行方式参数:等效为单机无穷大***后的***等效转动惯量M、等效为单机无穷大***后的等效机械功率Pm、故障前等效功角特性初始功率PC0、等效功角特性初始功率PCD、故障后等效功角特性初始功率PCP、故障前等效功角特性功率幅值Pmax0、故障中等效功角特性功率幅值PmaxD、故障后等效功角特性功率幅值PmaxP、故障前等效功角特性初始相位γ0、故障中等效功角特性初始相位γD、故障后等效功角特性初始相位γP、等效为单机无穷大***后***故障前等效的功角平衡点δ0、故障线路故障前功率PF,电力***故障临界稳定条件的相关数据:等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角δcr、等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角tcr和采样得到的线路故障前等效机械功率的差别ΔPm、故障实际切除时间tc、极限切除时间t′cr,利用上述参数计算非典型状态下故障相对于典型状态下故障的加速能量的变化量ΔAa与减速能量的变化量ΔAd相对大小,判断电力***故障后是否是暂态稳定的,本发明充分利用了给定的电力***临界稳定典型故障集,通过计算采样状态与典型故障集相比的加速时间和减速时间来节约计算时间,进而提高稳定判断的效率,促使电力***稳定性的风险评估的有效性得到极大提高。因此,本发明可以广泛用于电力***稳定性的风险评估中。
附图说明
图1是本发明实施例中IEEE RTS-79电力***网络拓扑图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明包括以下步骤:
1)首先扫描电力***典型故障集,得到电力***典型故障集的n个典型故障,即:典型故障1、典型故障2、典型故障3、...、典型故障n;然后利用EEAC(ExtendedEqual-Area Criterion)法得到所有典型故障的电力***典型运行方式参数,即:M、Pm、PC0、PCD、PCP、Pmax0、PmaxD、PmaxP、γ0、γD、γP、δ0和PF,以及电力***故障临界稳定条件的相关数据δcr和tcr。其中:
M为等效为单机无穷大***后的***等效转动惯量,单位为Mkg·m2/s;
Pm为等效为单机无穷大***后的等效机械功率,单位为MW;
PC0为故障前等效功角特性初始功率,单位为MW;
PCD为故障中等效功角特性初始功率,单位为MW;
PCP为故障后等效功角特性初始功率,单位为MW;
Pmax0为故障前等效功角特性功率幅值,单位为MW;
PmaxD为故障中等效功角特性功率幅值,单位为MW;
PmaxP为故障后等效功角特性功率幅值,单位为MW;
γ0为故障前等效功角特性初始相位,单位为rad;
γD为故障中等效功角特性初始相位,单位为rad;
γP为故障后等效功角特性初始相位,单位为rad;
δ0为等效为单机无穷大***后***故障前等效的功角平衡点,单位为rad;
PF为故障线路故障前功率,单位为MW;
δcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角,单位为rad;
tcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角,单位为s;
2)采样得到上述电力***故障状态,且与上述电力***典型故障集中的n个典型故障分别进行故障匹配;
若采样得到的电力***故障线路与典型故障的故障线路一致,并且两者的故障类型对应一致,则认为故障匹配成功,反之则故障匹配失败。
若采样得到的故障状态与典型故障集中全部的典型故障均未匹配成功,则认为该采样得到的电力***在故障后是暂态稳定的。
若采样得到的故障状态与典型故障集中任意一个典型故障匹配成功,则进入下一步,继续判断电力***故障后是否暂态稳定;
3)记录采样得到的电力***故障线路故障前功率P′FMW和采样得到的电力***故障实际切除时间tcs;
4)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的加速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的加速机组;采样得到的电力***故障状态中加速机组的转动惯量总和为M′SMkg·m2/s;
5)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的减速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的减速机组;采样得到的电力***故障状态中减速机组的转动惯量总和为M′AMkg·m2/s;
6)按公式M′=M′S·M′A/(M′S+M′A)计算电力***采样得到的故障状态对应的电力***等效转动惯量M′Mkg·m2/s;
7)按公式计算其等效极限切除时间t′crs;
8)按公式ΔPm=P′F-PF计算得到线路故障前等效机械功率的差别ΔPmMW;
9)按公式Δtc=tc-t′cr计算得到采样得到的电力***故障实际切除时间tcs和极限切除时间t′crs之差Δtcs;
10)按下式计算加速面积的变化ΔAa
Δ A a = 1 2 M [ P m - P CD + P max D sin ( δ cr - γ D ) ] · [ 2 P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δ t c + ( δ cr - sin - 1 P m - P C 0 P max 0 + γ 0 ) - P m - P CD P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 + P max D sin ( sin - 1 [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] + γ 0 - γ D ) P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 Δ P m ;
由上式可知,加速面积的变化ΔAa由M,Pm,PCD,PmaxD,δcr,γD,γP,t′cr,Δtc,PC0,Pmax0,γ0和ΔPm确定。11)按下式计算减速面积的变化ΔAd
ΔA d = 1 2 M [ P CP - P m + P max P sin ( δ cr - γ P ) ] · [ P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δt c ; + [ δ cr + sin - 1 P m - P CP P max P - γ P - π ] ΔP m
由上式可知,减速面积的变化ΔAd由M,PCP,Pm,PmaxP,δcr,γP,PCD,PmaxD,γD,t′cr、Δtc和ΔPm确定。
12)判断加速面积与减速面积相对的变化,若ΔAa-ΔAd>0,则可以认为电力***故障后将产生暂态失稳。若ΔAa-ΔAd≤0,则可以认为电力***故障后是暂态稳定的。
具体实施例:
如图1所示,在IEEE RTS-79(IEEE Reliability Test System-79)电力***网络拓扑图中,表示发电机,表示负荷(用电设备),表示变压器,138kV和230kV代表电压等级。
IEEE RTS-79电力***共包括24条母线Bi,其中i=1,2,...,24;32台发电机组Gi,其中i=1,2,...,32;38条支路Li,其中i=1,2,...,38;最高负荷2850MW,装机容量为3405MW。
区域Ri表示发电机组所在的节点属于某个区域,其中i=1,2,...,32;区域R1包含节点B1、B3、B4、B5;区域R2包含节点B2、B6、B7、B8;区域R3包含节点B9、B10、B11、B12;区域R4包含节点B13;区域R5包含节点B19、B20、B23;区域R6包含节点B14、B15、B16、B24;区域R7包含节点B17、B18、B21、B22。发电机组参数如下(如表1所示):
表1发电机参数表
线路参数表如下(如表2所示),其中线路潮流正方向为从线路起始节点流向线路终止节点。
表2线路参数表
1)扫描电力***典型故障集,利用EEAC法得到电力***典型运行方式参数以及电力***故障临界稳定条件的相关数据。在此典型故障集中得到两个典型故障1、2。其中,典型故障1所包含的线路为L19,故障类型为三相短路,故障前线路潮流为-150MW,加速区域包括R1、R2、R3、R4,减速区域包括R5、R6、R7,电力***典型运行方式参数:M=3987.8855Mkg.m2/s、Pm=150MW、PC0=0MW、PCD=0MW、PCP=0MW、Pmax0=604.0187MW、PmaxD=100MW、PmaxP=400MW、γ0=0rad、γD=0rad、γP=0rad、δ0=0.2rad、PF=150MW,电力***故障临界稳定条件的相关数据:δcr=1.2rad和tcr=0.5s。典型故障2所包含的线路为L21、L22,故障类型均为三相短路,故障前线路潮流分别为-150MW、-150MW,加速区域包括R1、R2、R3、R4,减速区域包括R5、R6、R7,电力***典型运行方式参数:M=3987.8855Mkg·m2/s、Pm=300MW、PC0=-50MW、PCD=-60MW、PCP=-60MW、Pmax0=604.0187MW、PmaxD=100MW、PmaxP=400MW、γ0=-0.1rad、γD=-0.09rad、γP=-0.11rad、δ0=0.3267rad、PF=300MW,电力***故障临界稳定条件的相关数据:δcr=1.2rad和tcr=0.5s;
2)采样得到电力***故障状态,故障线路为L19,故障类型为三相短路,将故障线路为L19与电力***典型故障集中的典型故障集1、2分别进行故障匹配,成功匹配了典型故障1,进入下一步,继续判断电力***故障后是否暂态稳定;
3)记录采样得到的电力***故障线路L19故障前功率P′F=-200MW,采样得到的电力***故障实际切除时间tc=0.5s;
4)G1~G14机组在本次采样中没有停机的为本次采样得到的电力***故障状态的加速机组;采样得到的电力***故障状态中加速机组的转动惯量总和MS′=10650Mkg·m2/s;
5)G15~G32机组在本次采样中没有停机的为本次采样得到的电力***故障状态的减速机组;采样得到的电力***故障状态中减速机组的转动惯量总和M′A=6275Mkg·m2/s;
6)按公式M′=M′S·M′A/(M′S+M′A)计算电力***采样得到的故障状态对应的电力***等效转动惯量M′=3948.5229Mkg·m2/s;
7)按公式计算其等效极限切除时间t′cr=0.4975s;
8)按公式ΔPm=P′F-PF计算得到线路故障L19故障前等效机械功率的差别ΔPm=50MW;
9)按公式Δtc=tc-t′cr计算得到采样得到的电力***故障实际切除时间tcs和极限切除时间t′crs之差Δtc=0.0025s;
10)按下式计算加速面积的变化ΔAa=36.7599
11)按下式计算减速面积的变化ΔAd=-77.8559
ΔA d = 1 2 M [ P CP - P m + P max P sin ( δ cr - γ P ) ] · [ P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δt c ; + [ δ cr + sin - 1 P m - P CP P max P - γ P - π ] ΔP m
12)由于ΔAa-ΔAd>0,故判断采样得到的电力***故障后是暂态稳定的。
上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种基于典型故障集的电力***功角稳定性近似判定方法,其包括以下步骤:
1)扫描电力***典型故障集,得到电力***典型故障集包括n个典型故障,利用EEAC法得到所有典型故障的电力***典型运行方式参数M、Pm、PC0、PCD、PCP、Pmax0、PmaxD、PmaxP、γ0、γD、γP、δ0和PF,以及电力***故障临界稳定条件的相关数据δcr和tcr;其中:
M为等效为单机无穷大***后的***等效转动惯量;
Pm为等效为单机无穷大***后的等效机械功率;
PC0为故障前等效功角特性初始功率;
PCD为故障中等效功角特性初始功率;
PCP为故障后等效功角特性初始功率;
Pmax0为故障前等效功角特性功率幅值;
PmaxD为故障中等效功角特性功率幅值;
PmaxP为故障后等效功角特性功率幅值;
γ0为故障前等效功角特性初始相位;
γD为故障中等效功角特性初始相位;
γP为故障后等效功角特性初始相位;
δ0为等效为单机无穷大***后***故障前等效的功角平衡点;
PF为故障线路故障前功率;
δcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角;
tcr为等效为单机无穷大***后***等效转子角对应的极限切除角;
2)采样得到上述电力***故障状态,且与上述电力***典型故障集中典型故障分别进行故障匹配;
若采样得到的电力***故障线路与典型故障的故障线路一致,并且两者的故障类型对应一致,则认为故障匹配成功,反之则故障匹配失败;
若采样得到的故障状态与典型故障集中全部的典型故障均未匹配成功,则认为该采样得到的***故障后是暂态稳定的;
若采样得到的故障状态与典型故障集中任意一个典型故障匹配成功,则进入下一步,继续判断电力***故障后是否暂态稳定;
3)记录采样得到的电力***故障线路故障前功率P′F和采样得到的电力***故障实际切除时间tc
4)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的加速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的加速机组;采样得到的电力***故障状态中加速机组的转动惯量总和为M′S
5)采样得到的电力***故障状态所成功匹配的典型故障中的减速机组在采样得到的电力***故障状态中未停机的,即为采样得到的电力***故障状态的减速机组;采样得到的电力***故障状态中减速机组的转动惯量总和为M′A
6)按公式M′=M′S·M′A/(M′S+M′A)计算电力***采样得到的故障状态对应的电力***等效转动惯量M′;
7)按公式计算等效极限切除时间t′cr
8)按公式ΔPm=P′F-PF计算得到线路故障前等效机械功率的差别ΔPm
9)按公式Δtc=tc-t′cr计算得到采样得到的电力***故障实际切除时间tc和等效极限切除时间t′cr之差Δtc
10)按下式计算加速面积的变化ΔAa
Δ A a = 1 2 M [ P m - P CD + P max D sin ( δ cr - γ D ) ] · [ 2 P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δt c + ( δ cr - sin - 1 P m - P C 0 P max 0 + γ 0 ) - P m - P CD P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 + P max D sin ( sin - 1 [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] + γ 0 - γ D ) P max 0 1 - [ ( P m - P C 0 ) / P max 0 ] 2 ΔP m ;
11)按下式计算减速面积的变化ΔAd
Δ A d = 1 2 M [ P CP - P m + P max P sin ( δ cr - γ P ) ] · [ 2 P m - 2 P CD - P max D sin ( δ cr - γ D ) - P max D sin ( δ cr - γ P ) ] t cr ′ Δt c + [ δ cr + sin - 1 P m - P CP P max P - γ P - π ] ΔP m ;
12)判断加速面积与减速面积相对的变化:若ΔAa-ΔAd>0,则认为电力***故障后将产生暂态失稳;若ΔAa-ΔAd≤0,则认为电力***故障后是暂态稳定的。
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