CN116488234A - 考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法及*** - Google Patents

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郑琨
李明珀
杨艺云
李今昭
熊莉
张翌晖
胡弘
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Abstract

本发明提供了考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，包括：获取电力***的结构参数，设电力***包括m个发电机，n个节点；基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Y'nn；将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Y'nn中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，得到修正后的节点导纳矩阵Ynn；基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵；将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵计算电力***各个节点惯量值。本发明可以在节点层面揭示扰动后***惯量水平与惯量分布特性，且在使用时仅需知道***线路参数，无需安装PMU，节约了成本。

Description

考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法及***
技术领域
本发明属于电力***惯量量化评估领域，尤其涉及考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法及***。
背景技术
近年来，新能源相关技术逐渐发展与成熟，电力***也随着新能源的技术发展趋势向高比例新能源方向快速转型，但是在转型的过程中电力***可能会出现低惯量、惯量分布不均的问题，而要解决这一系列的的惯量问题，首先就要对电力***进行惯量的评估。
现有的惯量评估方法主要包括等效惯量评估与节点惯量评估。等效惯量评估方法基于等效思想，将电力***等效为一台同步机，但是由于缺乏严谨的数学模型，所以导致精确性存疑，且这种方法等效惯量无法揭示电力***具体惯量分布。节点惯量评估方法采用同步向量测量装置PMU来测量扰动后各节点频率、功率，利用摇摆方程计算节点惯性时间常数，但是在实际应用中会受到PMU安装数量的限制。
综上，现有的惯量评估方法存在精确度低、无法揭示电力***具体惯量分布、会受到测试设备数量限制的技术问题。
发明内容
为了解决或者改善上述问题，本发明提供了考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法及***，具体技术方案如下：
本发明提供了考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，所述方法包括：
步骤1：获取电力***的结构参数，设电力***包括m个发电机，n个节点；步骤2：基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n；步骤3：将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，得到修正后的节点导纳矩阵Ynn；基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵；步骤4：将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
优选的，本发明提出的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，还包括步骤5：基于所述各个节点惯量计算值，生成电力***节点惯量分布图。
优选的，所述步骤3具体包括：电网负荷等值接地导纳过程中需用到负荷当前工作电压，表达式如下：
其中，VB为基准电压，SB为基准功率，VL-L为负荷线电压矩阵，S*为负荷功率共轭值，Yload为电网负荷等值导纳矩阵；
将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，得到修正后的节点导纳矩阵，表达式如下：
Ynn＝Y′nn+Yload+Ygen； (2)
其中Y′nn为修正前电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ynn为修正后电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ygen为发电机暂态电纳矩阵；
基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵，表达式如下：
其中，Em为发电机内电势节点的m维电压列向量；Vn为网络节点的n维电压列向量；Im为发电机的m维电流列向量；In为注入网络节点的n维电流列向量；Ymm为发电机内电势节点的m×m维导纳矩阵；Ynn为网络节点的n×n维导纳矩阵；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵。
优选的，所述步骤4中，将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，表达式如下：
Dij＝ViVjBijcosδij0；(6)
其中，i＝1,2,3···，m；j＝1,2,3，···，n，Pe,i为发电机i输出有功功率，Gij、Bij分别为节点i、j间转移电导、电纳，δij为节点i、j间相角差；Dij为发电机i节点j处的同步功率系数，δij0为发电机i和节点j之间初始电压相角差；ΔPk为节点k功率变化，ΔPi为同步发电机i有功功率变化，Dik为同步发电机i与节点k同步功率系数；式中Djk为发电机j节点k处的同步功率系数，Vi、Vj分别为节点i、j电压，ΔP为***受到扰动功率，Gii为节点i自导纳，Δδij为节点i、j间相角差变化微分量。
优选的，所述步骤4中的惯量计算模型为多机电力***暂态分析削减模型，表达式如下：
Rmn＝-ZnnYnm；(11)
其中，i＝1,2,3···，m；k＝1,2,3，···，n，Hk表示节点k的惯量值，HGi表示发电机i惯性时间常数，Rik为发电机内电势节点和网络节点电压关联矩阵中发电机i与节点k之间对应元素，Bik为发电机i与节点k之间转移导纳；转移导纳矩阵/>的第k列元素为第k个网络节点到发电机内电势节点的转移导纳；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵，V为节点电压大小，δik0为节点i、j之间初始相角差；diag(Znn)为Znn的对角阵；Yik、Rik和Zkk分别是/>Rmn和Znn的相应元素。
优选的，所述生成电力***节点惯量分布图，包括：基于所述各个节点惯量计算值，结合电力***的地理位置分布，采用三次样条插值法绘制电力***惯量分布图。
基于相同的发明构思，本发明提出考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***，所述***包括：结构参数获取单元：用于获取电力***的结构参数，所述电力***包括m个发电机，n个节点；节点导纳矩阵生成单元：用于基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n；增广导纳矩阵生成单元：用于将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵；节点惯量值计算单元：用于将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
本发明的有益效果为：本发明既不受检测装置的数量限制又降低了成本，本发明建立的数学模型，提高了电力***惯量值计算以及惯量的分布的准确性，为电力***惯量的量化评估提供准确有效的数据支撑。
附图说明
图1是根据本发明一实施例提供的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法的方法流程图。
图2是根据本发明一实施例提供的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***的结构原理框图。
图3是根据本发明一实施例提供的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法的方法流程图。
图4是根据本发明一实施例提供的电力***惯量分布图。
图5是根据本发明一实施例提供的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***的结构原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
实施例一
本发明提出如图1所示的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，包括：
步骤1：获取电力***的结构参数。具体的，设电力***包括m个发电机，n个节点。
步骤2：基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n。
步骤3：将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Y′nn中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，得到修正后的节点导纳矩阵Ynn；基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵。
在实际应用中，电网负荷等值接地导纳过程中需用到负荷当前工作电压，表达式如下：
其中，VB为基准电压，SB为基准功率，VL-L为负荷线电压矩阵，S*为负荷功率共轭值，Yload为电网负荷等值导纳矩阵。
具体的，将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Y′nn中，得到修正后的节点导纳矩阵，表达式如下：
Ynn＝Y′nn+Yload+Ygen；(2)
其中Y′nn为修正前电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ynn为修正后电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ygen为发电机暂态电纳矩阵。
基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵，表达式如下：
其中，Em为发电机内电势节点的m维电压列向量；Vn为网络节点的n维电压列向量；Im为发电机的m维电流列向量；In为注入网络节点的n维电流列向量；Ymm为发电机内电势节点的m×m维导纳矩阵；Ynn为网络节点的n×n维导纳矩阵；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵。
步骤4：将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
具体的，将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，表达式如下：
Dij＝ViVjBijcosδij0；(6)
其中，i＝1,2,3···，m；j＝1,2,3，···，n，Pe,i为发电机i输出有功功率，Gij、Bij分别为节点i、j间转移电导、电纳，δij为节点i、j间相角差；Dij为发电机i节点j处的同步功率系数，δij0为发电机i和节点j之间初始电压相角差；ΔPk为节点k功率变化，ΔPi为同步发电机i有功功率变化，Dik为同步发电机i与节点k同步功率系数；式中Djk为发电机j节点k处的同步功率系数，Vi、Vj分别为节点i、j电压，ΔP为***受到扰动功率，Gii为节点i自导纳，Δδij为节点i、j间相角差变化微分量。
对于惯量计算模型，在实际应用中，惯量计算模型为多机电力***暂态分析削减模型，表达式如下：
Rmn＝-ZnnYnm；(11)
其中，i＝1,2,3···，m；k＝1,2,3，···，n，Hk表示节点k的惯量值，HGi表示发电机i惯性时间常数，Rik为发电机内电势节点和网络节点电压关联矩阵中发电机i与节点k之间对应元素，Bik为发电机i与节点k之间转移导纳；转移导纳矩阵/>的第k列元素为第k个网络节点到发电机内电势节点的转移导纳；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵，V为节点电压大小，δik0为节点i、j之间初始相角差；diag(Znn)为Znn的对角阵；Yik、Rik和Zkk分别是/>Rmn和Znn的相应元素。
基于相同的发明构思，本发明提出了如图2所示的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***，所述***包括：
结构参数获取单元：用于获取电力***的结构参数，所述电力***包括m个发电机，n个节点。
节点导纳矩阵生成单元：用于基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Y′nn。
增广导纳矩阵生成单元：用于将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵。
节点惯量值计算单元：用于将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
实施例二
本发明提出如图3所示的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，包括：
步骤1：获取电力***的结构参数，设电力***包括m个发电机，n个节点。
步骤2：基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n。
步骤3：将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，得到修正后的节点导纳矩阵Ynn；基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵。
步骤4：将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
具体的，上述步骤1-4与实施例一所提供的步骤1-4内容相同。
步骤5：基于所述各个节点惯量计算值，生成电力***节点惯量分布图。
具体的，基于所述步骤4中计算得出的电力***各个节点惯量计算值，结合电力***的地理位置分布，采用三次样条插值法绘制电力***惯量分布图，揭示电力***的惯量分布特性。
在实际应用中，本发明基于虚拟地理位置信息的IEEE10机39节点生成的电力***惯量分布图如图4所示。
基于相同的发明构思，本发明提出了如图5所示的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***，所述***包括：
结构参数获取单元：用于获取电力***的结构参数，所述电力***包括m个发电机，n个节点。
节点导纳矩阵生成单元：用于基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n。
增广导纳矩阵生成单元：用于将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵。
节点惯量值计算单元：用于将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
惯量分布图生成单元：用于基于所述各个节点惯量计算值，生成电力***节点惯量分布图。
综上所述，本发明仅需通过电力***的结构参数即可在节点层面揭示***惯量值以及惯量的分布特性，无需安装任何检测装置，既不受检测装置的数量限制又降低了成本，本发明还建立了严谨的数学模型，提高了电力***惯量值计算以及惯量的分布的准确性，为电力***惯量的量化评估提供准确有效的数据支撑。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取电力***的结构参数，设电力***包括m个发电机，n个节点；
步骤2：基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Yn'n；
步骤3：将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Yn'n中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，得到修正后的节点导纳矩阵Ynn；基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵；
步骤4：将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
2.根据权利要求1所述的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，还包括：
步骤5：基于所述各个节点惯量计算值，生成电力***节点惯量分布图。
3.根据权利要求1所述的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
电网负荷等值接地导纳过程中需用到负荷当前工作电压，表达式如下：
其中，VB为基准电压，SB为基准功率，VL-L为负荷线电压矩阵，S*为负荷功率共轭值，Yload为电网负荷等值导纳矩阵；
将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Y'nn中，得到修正后的节点导纳矩阵，表达式如下：
Ynn＝Y'nn+Yload+Ygen；(2)
其中Y'nn为修正前电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ynn为修正后电力***n×n阶节点导纳矩阵，Ygen为发电机暂态电纳矩阵；
基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵，表达式如下：
其中，Em为发电机内电势节点的m维电压列向量；Vn为网络节点的n维电压列向量；Im为发电机的m维电流列向量；In为注入网络节点的n维电流列向量；Ymm为发电机内电势节点的m×m维导纳矩阵；Ynn为网络节点的n×n维导纳矩阵；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵。
4.根据权利要求3所述的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，所述步骤4中：
将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，表达式如下：
Dij＝ViVjBijcosδij0；(6)
其中，i＝1,2,3···，m；j＝1,2,3，···，n，Pe,i为发电机i输出有功功率，Gij、Bij分别为节点i、j间转移电导、电纳，δij为节点i、j间相角差；Dij为发电机i节点j处的同步功率系数，δij0为发电机i和节点j之间初始电压相角差；ΔPk为节点k功率变化，ΔPi为同步发电机i有功功率变化，Dik为同步发电机i与节点k同步功率系数；式中Djk为发电机j节点k处的同步功率系数，Vi、Vj分别为节点i、j电压，ΔP为***受到扰动功率，Gii为节点i自导纳，Δδij为节点i、j间相角差变化微分量。
5.根据权利要求4所述的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，所述步骤4中的惯量计算模型为多机电力***暂态分析削减模型，表达式如下：
Rmn＝-ZnnYnm；(11)
其中，i＝1,2,3···，m；k＝1,2,3，···，n，Hk表示节点k的惯量值，HGi表示发电机i惯性时间常数，Rik为发电机内电势节点和网络节点电压关联矩阵中发电机i与节点k之间对应元素，Bik为发电机i与节点k之间转移导纳；转移导纳矩阵/>的第k列元素为第k个网络节点到发电机内电势节点的转移导纳；Ymn＝Ynm，为发电机内电势节点和网络节点之间的m×n维互导纳矩阵，V为节点电压大小，δik0为节点i、j之间初始相角差；diag(Znn)为Znn的对角阵；Yik、Rik和Zkk分别是/>Rmn和Znn的相应元素。
6.根据权利要求2所述的考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算方法，其特征在于，所述生成电力***节点惯量分布图：
基于所述各个节点惯量计算值，结合电力***的地理位置分布，采用三次样条插值法绘制电力***惯量分布图。
7.考虑电网结构参数的电力***节点惯量计算***，其特征在于，包括：
结构参数获取单元：用于获取电力***的结构参数，所述电力***包括m个发电机，n个节点；
节点导纳矩阵生成单元：用于基于所述电力***的结构参数，生成电力***n×n阶节点导纳矩阵Y'nn；
增广导纳矩阵生成单元：用于将电网负荷等值接地导纳以及发电机暂态电纳部分补充至所述节点导纳矩阵Y'nn中，从而完成所述节点导纳矩阵的修正，基于修正后的节点导纳矩阵Ynn，生成增广导纳矩阵；
节点惯量值计算单元：用于将节点功率变化以同步功率系数形式与同步发电机输出有功功率建立联系，利用惯量计算模型与所述增广导纳矩阵，计算出电力***各个节点惯量值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117791599A (zh) * 2024-02-28 2024-03-29 广东工业大学 一种面向电力***的节点惯量估计方法、***及装置

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CN117791599A (zh) * 2024-02-28 2024-03-29 广东工业大学 一种面向电力***的节点惯量估计方法、***及装置
CN117791599B (zh) * 2024-02-28 2024-05-03 广东工业大学 一种面向电力***的节点惯量估计方法、***及装置

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