CN104240151A - 一种电力***暂态稳定最优校正控制***和方法 - Google Patents

Abstract

一种电力***暂态稳定最优校正控制***和方法，包括数据采集模块，获得当前运行方式下BPA潮流格式原始数据报表及BPA暂态稳定格式原始数据报表；计算执行模块，采用BPA潮流计算程序和BPA暂态稳定计算程序对BPA潮流文件原始数据报表和BPA暂态稳定原始数据报表进行计算；数据解析模块，利用自定义数据接口模块解析BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表；校正执行模块，采用现代内点算法对原始数据报表进行优化、校正。本发明能够使电网的暂态安全稳定运行方式的编制变得简单易行，缩短工作流程和制定时间，减轻运行人员工作强度和压力，全面提高电网运行的电压质量和安全稳定性。

Description

一种电力***暂态稳定最优校正控制***和方法

技术领域

本发明涉及电力***暂态稳定分析和优化领域，尤其涉及一种基于BPA及暂态稳定约束最优潮流的电力***暂态稳定最优校正控制方法。 

背景技术

在当前竞争激烈的电力市场环境下，电力***的运行常常接近于其稳定极限状态。一旦发生故障或受到扰动，常常会造成大规模停电事故，甚至***崩溃。这就使得进行电力***运行稳定性分析(特别是暂态稳定分析)和寻找最优校正在电力市场环境下，电力***已无法按过去的保守方式运行，***的暂态安全在故障的情况下也无法得到保证。这就要求运行规划必须在满足稳定度的前提下优化工况，即在最优潮流中加入稳定性约束条件，特别是暂态稳定约束条件。 

发明内容

本发明是所要解决的技术问题在于，针对现有电力***在突发故障下不能使被评估电力***处于暂态稳定的电网运行方式中的不足，提供一种电力***暂态安全稳定最优校正控制***和方法，以提高被评估电力***的电网暂态稳定性，使之始终处于暂态安全稳定的电网运行方式中，并能对被评估电力***的电网进行潮流优化计算，实现被评估电力***的电网在指定的运行方式下，能通过BPA***获得被评估电力***暂态安全稳定运行所需的电网运行方式优化数据，并能用电网运行方式优化数据进行自动计算和验证，其验证结果可以直接用于指导编制被评估电力***暂态安全稳定运行方式，以确保电网安全稳定可靠运行。 

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种电力***暂态稳定最优校正控制***，包括数据采集模块、计算执行模块、数据解析模块和校正执行模块。数据采集模块，获得当前运行方式下BPA潮流格式原始数据报表及BPA暂态稳定格式原始数据报表；计算执行模块，采用BPA潮流计算程序和BPA暂态稳定计算程序对BPA潮流文件原始数据报表和BPA暂态稳定原始数据报表进行计算；数据解析模块，利用自定义数据接口模块解析BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表；校正执行模块，采用现代内点算法对原始数据报表进行优化、校正。 

与上述的控制***相适应的控制方法，包括以下步骤： 

步骤一，给出运行方式下的BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报 表； 

步骤二，采用BPA电力***计算分析软件对BPA潮流格式原始数据报表中的数据进行BPA潮流计算； 

步骤三，设置故障线路、故障发生时刻及故障切除时刻，采用BPA电力***计算分析软件对BPA暂态稳定原始数据报表中的数据进行BPA暂态稳定计算； 

步骤四，通过发电机转子相对摇摆角极限判断BPA暂态稳定计算是否失稳；若稳定域不足，***失稳，则启动暂态稳定约束最优潮流校正计算程序； 

步骤五，利用自定义数据接口模块解析包含有被评估电力***的网络结构、运行数据的BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表； 

步骤六，启动暂态稳定约束最优潮流校正计算程序，对被评估电力***的控制变量或约束条件进行校正设置，采用最优潮流模型及算法对矫正设置后的被评估电力***进行分析和求解，其中，控制变量包括发电机有功功率、发电机无功功率和PV节点电压，约束条件包括联络线路约束和节点电压约束； 

步骤七，将矫正设置后的数据回写至BPA潮流格式原始数据报表； 

步骤八，输出使计算收敛的BPA潮流格式优化数据报表和BPA暂态稳定格式优化数据报表； 

步骤九，用BPA潮流格式优化数据报表中的数据去覆盖BPA潮流格式原始数据报表中的数据，即可保证被评估电力***处于暂态安全稳定运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力***的暂态安全稳定运行极限。 

作为优选，在步骤五中，在对包含有被评估电力***的网络结构和运行数据进行BPA网络节点解析的同时，也对包含有被评估电力***的网络结构和运行数据进行BPA网络节点等值的处理。 

作为优选，在步骤六中，所述约束条件还包括***潮流约束，用于保证被评估电力***始终满足***潮流约束。 

作为优选，在步骤六中，所述约束条件还包括发电机转子相对摇摆角极限约束，用于保证发电机在同步运行中不会失稳。 

作为优选，在步骤七中，若BPA暂态稳定计算不稳定，则采用含暂态稳定约束的最优潮流模型对原始数据报表进行矫正，将矫正设置后的数据回写至BPA潮流格式原始数据报表。 

本方案通过预设***故障，判断当前稳定***在经历该故障后是否能保持稳定，若***失去稳定，则优化被评估电力***的控制变量或约束条件，对被评估电力***的机组有功出力、机组无功出力、PV节点电压进行协调控制，提出被评估电力***暂态安全稳定运行的优 化运行配置策略，进而提高被评估电力***暂态安全稳定运行水平，确保被评估电力***的电网安全稳定可靠运行。与现有技术相比，本发明具备以下有益效果： 

1、能够提高被评估电力***的电网始终处于暂态安全稳定的电网运行方式中，并能对被评估电力***的电网进行潮流极限优化计算，实现被评估电力***的电网在任何的运行方式下，能通过暂态稳定约束最优潮流校正计算程序获得被评估电力***暂态安全稳定运行所需的电网运行方式优化数据，并能用电网运行方式优化数据进行自动计算和验证，其验证结果可以直接用于指导编制被评估电力***暂态安全稳定的电网运行方式，以确保电网安全稳定可靠运行。 

2、能够使电网的暂态安全稳定运行方式的编制变得简单易行，缩短了工作流程和制定时间，减轻运行人员工作强度和压力，全面提高电网运行的电压质量和安全稳定性。 

附图说明

图1是本发明所述的电力***暂态稳定最优校正控制***的结构框图。 

图2是本发明所述的电力***暂态稳定最优校正控制方法的流程示意框图。 

图3是具体实施例中故障线路FUS1M—FUS2M校正前的转子相对摇摆曲线。 

图4是具体实施例中故障线路FUS1M—FUS2M校正后的转子相对摇摆曲线。 

图5是具体实施例中故障线路WENL2M—LONGB1M校正前的转子相对摇摆曲线。 

图6是具体实施例中故障线路WENL2M—LONGB1M校正后的转子相对摇摆曲线。 

图7是具体实施例中故障线路YUZ1M—YUZ2M校正前的转子相对摇摆曲线。 

图8是具体实施例中故障线路YUZ1M—YUZ2M校正后的转子相对摇摆曲线。 

图9是具体实施例中故障线路DONGF2M—LONGB1M校正前的转子相对摇摆曲线。 

图10是具体实施例中故障线路DONGF2M—LONGB1M校正后的转子相对摇摆曲线。 

图11是具体实施例中故障线路LUOD2M—LONGB2M校正前的转子相对摇摆曲线。 

图12是具体实施例中故障线路LUOD2M—LONGB2M校正后的转子相对摇摆曲线。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案和有益效果做进一步说明。 

模型大致分为两类，一是基于时域仿真，将转子运动方程转化为等价的代数方程，并与角度判据一起作为约束直接加入最优潮流模型中；或是基于李亚普诺夫直接法，将方程和稳定判据直接加入。前一种方法模型精确，结果准确可靠，但计算量较大，耗时较长；而后者结果偏保守。 

本发明在最优潮流基础上，以隐式梯形积分规则将故障下发电机转子运动方程差分化作为等式约束、把转子相对摇摆角极限作为不等式约束加入最优潮流中，建立了暂态稳定约束 的最优潮流模型。其目的是求解出一个在故障发生时可表现出暂态稳定性的初始***状态，而该状态同时又兼顾了经济性的要求。暂态稳定约束的最优潮流属典型的动态最优化问题，也是电力***研究热点，采用现代内点算法来进行求解。 

本发明所涉及到的名词解释如下： 

BPA：是指中国电力科学研究院引进、开发的电力***计算分析软件包。 

潮流计算：是指电力***在某一确定的运行方式和接线方式下，计算电力***从电源到负荷各处的电压、电流的大小和方向以及功率的分布情况。 

暂态稳定计算：是指电力***在某个运行情况下突然受到大的干扰后，计算电力***能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。所谓的大干扰，一般是指短路故障、突然断开线路或发电机等。 

含暂态稳定约束的最优潮流：是指当***的结构参数和负荷情况都已给定时，调节可利用的控制变量，并加入暂态稳定性约束条件，来找到能满足所有运行约束条件的并使***的某一性能指标达到最优值下的潮流分布。 

本发明所用到的数学模型如下： 

1.目标函数 

取发电机有功出力修正量最小为目标函数： 

$\min f(\·)=\underset{i\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{(P_{G1i}-P_{\mathrm{Gi}})}^2---(1-i)$

其中，P_G1i为当前的发电机i有功功率，P_Gi为调整后发电机i的有功功率。 

2.等式约束条件 

1)节点注入潮流平衡方程 

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0\\ Q_{\mathrm{Ri}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0\end{array}\right.,i\∈S_n---(1-2)$

其中， 

n：节点数； 

P_Di：负荷i的有功功率； 

Q_Ri：无功电源i的无功功率； 

Q_Di：负荷为的无功功率； 

e_i,f_i：节点i的电压实部和虚部； 

e_j,f_j：节点j的电压幅值和相角； 

G_ij,B_ij：支路ij的节点导纳实部和虚部； 

S_n：***节点集合； 

2)发电机转子运动方程 

利用隐式梯形积分法将转子运动方程差分化，可得在预想故障下的转子方程： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_i^t-{\mathrm{\δ}}_i^{t-1}-\frac{\mathrm{\Δt}}{2}({\mathrm{\ω}}_i^t+{\mathrm{\ω}}_i^{t-1}-2){\mathrm{\ω}}_N=0\\ {\mathrm{\ω}}_i^t-{\mathrm{\ω}}_i^{t-1}-\frac{\mathrm{\Δt}}{2M_i}(-D_i{\mathrm{\ω}}_i^t+P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{ei}}^t-D_i{\mathrm{\ω}}_i^{t-1}+P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{ei}}^{t-1})=0\\ i\∈S_G,t\∈S_t,k\∈S_k\end{array}\right.---(1-3)$

其中， $P_{\mathrm{ei}}^t=E_i\underset{j\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{E}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos ({\mathrm{\δ}}_i^t-{\mathrm{\δ}}_j^t)+B_{\mathrm{ij}}\sin ({\mathrm{\δ}}_i^t-{\mathrm{\δ}}_j^t));$

k：预想故障数； 

t：时间段； 

ω_N：同步转速； 

Δt：数值积分步长； 

D_i：发电机i阻尼系数； 

：故障切除后各时段发电机i的转角； 

：故障切除后各时段发电机i的速度； 

：故障切除后各时段发电机i电磁功率； 

E_i：发电机i的电势幅值； 

E_j：发电机j的电势幅值； 

G_ij：故障后仅含发电机节点的既约导纳阵实部； 

B_ij：故障后仅含发电机节点的既约导纳阵虚部； 

S_t：时间段集合。 

3)发电机初值方程 

稳态运行时，发电机电势满足公式： 

$E_i\∠{\mathrm{\δ}}_i^0={\stackrel{\·}{V}}_i+j\frac{P_{\mathrm{Gi}}-j{Q}_{\mathrm{Gi}}}{{\widehat{\stackrel{\·}{V}}}_i}{X}_{\mathrm{di}}^{\′}---(1-4)$

即： 

$\left\{\begin{array}{c}{E}_i{e}_i\sin {\mathrm{\δ}}_i^0-E_i{f}_i\cos {\mathrm{\δ}}_i^0-P_{\mathrm{Gi}}{X}_{\mathrm{di}}^{\′}=0\\ e_i^2+f_i^2-E_i{e}_i\cos {\mathrm{\δ}}_i^0-E_i{f}_i\sin {\mathrm{\δ}}_i^0+Q_{\mathrm{Gi}}{X}_{\mathrm{di}}^{\′}=0\end{array}\right.---(1-5)$

其中， 

E_i：发电机i的电势幅值； 

Q_Gi：发电机i的无功功率； 

X′_d：发电机暂态电抗； 

e_i，f_i：发电机i的端电压实部和虚部； 

：初始状态下发电机i的角度。 

3.不等式约束条件 

1)运行约束 

$\left\{\begin{array}{cc}{\underset{\‾}{P}}_{\mathrm{Gi}}\≤P_{\mathrm{Gi}}\≤{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{Gi}}& i\∈S_G\\ {\underset{\‾}{Q}}_{\mathrm{Ri}}\≤Q_{\mathrm{Ri}}\≤{\stackrel{\‾}{Q}}_{\mathrm{Ri}}& i\∈S_R\\ {\underset{\‾}{V}}_i\≤V_i\≤{\stackrel{\‾}{V}}_i& i\∈S_n\end{array}\right.---(1-6)$

其中， 

发电机i的有功功率上限； 

P _Gi：发电机i的有功功率下限； 

无功电源i的无功功率上限； 

Q _Ri：无功电源i的无功功率下限； 

节点i的电压上限； 

V _i：节点i的电压下限； 

S_R：无功电源集合； 

S_n：***节点集合； 

2)暂态稳定约束 

取***的惯性中心COI作为参考，则各发电机转子相对摇摆角极限为： 

$\left\{\begin{array}{c}\underset{\‾}{\mathrm{\δ}}\≤{\mathrm{\δ}}_i^0-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}}^0\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\\ \underset{\‾}{\mathrm{\δ}}\≤{\mathrm{\δ}}_i^t-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}}^t\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.,i\∈S_G,t\∈S_t---(1-7)$

其中， ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}}^0=\frac{\underset{j\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_j^0{M}_j}{\underset{j\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{M}_j},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{COI}}^t=\frac{\underset{j\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_j^t{M}_j}{\underset{j\∈S_G}{\mathrm{\Σ}}{M}_j};$

初始状态下发电机惯性中心角度； 

预想故障切除后各时段的惯性中心角度； 

M_j：第j台发电机惯性时间常数； 

δ：发电机转子角度下限； 

发电机转子角度上限。 

根据图1和图2所示，本实施例按照以下具体方法进行实施：通过电力***网络结构和运行数据的潮流格式原始数据报表和暂态稳定原始数据报表，在***当前的稳定状态下，设置预想***故障、故障发生时刻和故障切除时刻，对原始数据报表中的数据进行BPA潮流计算及暂态稳定计算；若BPA暂态稳定计算发生振荡，则利用暂态稳定约束最优潮流校正计算程序对控制变量或约束条件进行矫正设置，将校正后的数据回写至BPA潮流格式原始数据报表；输出使计算收敛时的BPA潮流格式优化数据报表和BPA暂态稳定格式优化数据报表；用BPA潮流格式优化数据报表中的数据去覆盖BPA潮流格式原始数据报表中的数据，即可保证被评估电力***处于暂态安全稳定运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力***的暂态安全稳定运行极限。 

现在通过对某地区电网的195节点***做全面测试，得到了141条线路在线路中段发生三相短路故障后的发电机最小有功出力修正量，并给出5条有代表性线路的测试结果。分析步骤如下： 

1、该被评估电力***有195个节点、141条线路，29台发电机，进行BPA潮流计算； 

2、设置预想***故障，进行BPA暂态稳定计算； 

3、若暂态稳定计算不能保持稳定，进行暂态稳定约束最优潮流最优校正，同时设置等值控制变量、约束条件进行联合优化，联合优化的算法是采用现代内点算法。 

4、当潮流计算收敛、暂态稳定计算稳定后，则输出使计算收敛时的BPA潮流格式优化 数据报表和BPA暂态稳定格式优化数据报表； 

5、用BPA潮流格式优化数据报表中的数据去覆盖BPA潮流格式原始数据报表中的数据，即可保证被评估电力***处于暂态安全稳定运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力***的暂态安全稳定运行最优方式，输出计算分析报告书。 

在实际电力***的暂态安全稳定运行优化中，本方法对被评估电力***暂态安全稳定运行的效果非常明显。下面举实例进行说明： 

2.以发电机有功出力修正量最小为目标函数的测试结果 

为展示算法的特性，选择积分步长为0.02s，根据以发电机有功出力修正量最小为目标函数，计算最小发电机有功出力修正量，详细通过5条有代表性线路的测试结果予以说明。表1是积分步长为0.02s的测试数据表。 

表1 195节点***5条代表性线路目标为发电机有功修正量最小的测试数据表 

基准容量：100MVA 

测试结果曲线如图3-图12所示，其中，图3和图4分别是故障线路FUS1M—FUS2M校正前、校正后的转子相对摇摆曲线；图5和图6分别是故障线路WENL2M—LONGB1M校正前、校正后的转子相对摇摆曲线；图7和图8分别是故障线路YUZ1M—YUZ2M校正前、校正后的转子相对摇摆曲线；图9和图10分别是故障线路DONGF2M—LONGB1M校正前、校正后的转子相对摇摆曲线；图11和图12分别是故障线路LUOD2M—LONGB2M校正前、校正后的转子相对摇摆曲线。 

校正前的曲线由暂态稳定计算得来，***保持当前运行状态并于0s时发生预想故障，0.15s故障切除而得到的仿真曲线。校正后的曲线由以发电机有功出力修正量为最小的目标函数计算得到。***改变了当前运行状态，并于0s时发生预想故障，0.15s故障切除。 

从表1和图3-图12的结果可知，含暂态稳定约束的最优潮流计算模块能够有效地对系 统进行预防控制。由于合理调整发电机组的有功出力；可以使被评估电力***各线路的控制满足《电力***安全稳定导则》和《电力***电压质量和无功电力管理规定》。被评估电力***的暂态稳定性得到了有效控制。 

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限制，本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。 

Claims (6)

1.一种电力***暂态稳定最优校正控制***，包括数据采集模块、计算执行模块、数据解析模块和校正执行模块；数据采集模块，用于获得当前运行方式下BPA潮流格式原始数据报表及BPA暂态稳定格式原始数据报表；计算执行模块，用于采用BPA潮流计算程序和BPA暂态稳定计算程序对BPA潮流文件原始数据报表和BPA暂态稳定原始数据报表进行计算；数据解析模块，利用自定义数据接口模块解析BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表；校正执行模块，采用现代内点算法对原始数据报表进行优化和校正。

2.与权利要求1所述的电力***暂态稳定最优校正控制***相适应的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，给出运行方式下的BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表；

步骤二，采用BPA电力***计算分析软件对BPA潮流格式原始数据报表中的数据进行BPA潮流计算；

步骤三，设置故障线路、故障发生时刻及故障切除时刻，采用BPA电力***计算分析软件对BPA暂态稳定原始数据报表中的数据进行BPA暂态稳定计算；

步骤四，通过发电机转子相对摇摆角极限判断BPA暂态稳定计算是否失稳；当稳定域不足时，***失稳，则启动暂态稳定约束最优潮流校正计算程序；

步骤五，利用自定义数据接口模块解析包含有被评估电力***的网络结构、运行数据的BPA潮流格式原始数据报表和BPA暂态稳定格式原始数据报表；

步骤六，启动暂态稳定约束最优潮流校正计算程序，对被评估电力***的控制变量或约束条件进行校正设置，采用最优潮流模型及算法对矫正设置后的被评估电力***进行分析和求解，其中，控制变量包括发电机有功功率、发电机无功功率和PV节点电压，约束条件包括联络线路约束和节点电压约束；

步骤七，将矫正设置后的数据回写至BPA潮流格式原始数据报表；

步骤八，输出使计算收敛时的BPA潮流格式优化数据报表和BPA暂态稳定格式优化数据报表；

步骤九，用BPA潮流格式优化数据报表中的数据去覆盖BPA潮流格式原始数据报表中的数据，即可保证被评估电力***处于暂态安全稳定运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力***的暂态安全稳定运行极限。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤五中，在对包含有被评估电力***的网络结构和运行数据进行BPA网络节点解析的同时，也对包含有被评估电力***的网络结构和运行数据进行BPA网络节点等值的处理。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤六中，所述约束条件还包括***潮流约束，用于保证被评估电力***始终满足***潮流约束。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤六中，所述约束条件还包括发电机转子相对摇摆角极限约束，用于保证发电机在同步运行中不会失稳。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在步骤七中，当BPA暂态稳定计算不稳定时，则采用含暂态稳定约束的最优潮流模型对原始数据报表进行校正，将矫正设置后的数据回写至BPA潮流格式原始数据报表。