一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法
【專利摘要】一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，在傳統(tǒng)的模態(tài)法的基礎上，考慮到在電網運行極限狀態(tài)下有功功率對系統(tǒng)的雅可比矩陣特征值會產生較大影響從而造成的不準確性，提出了一種考慮有功功率的全電壓模態(tài)分析法，此方法在穩(wěn)定裕度很小或系統(tǒng)運行在臨界失穩(wěn)時得出的薄弱節(jié)點更加準確，而且此方法可以不僅能夠確定薄弱節(jié)點，還可以找出對當前失穩(wěn)模式其主要影響的控制支路及發(fā)電機，為補償地點及切負荷位置選取提供了關鍵信息；對預防及控制電壓失穩(wěn),保證地區(qū)電網安全穩(wěn)定運行提供有價值的工程指導信息。
【專利說明】
一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電網穩(wěn)定分析技術領域，特別是一種用于分析電網電壓薄弱區(qū)域的方 法。
【背景技術】
[0002] 目前，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷地擴大，網絡結構日趨復雜，系統(tǒng)不斷向大機組、大電 網、高電壓和遠距離輸電的方向發(fā)展。隨著負荷和機組容量的增大、用戶對電能質量要求的 提高等，對電網的安全運行提出了更高要求?？紤]到環(huán)境和經濟因素的制約，使得電力系統(tǒng) 運行趨于穩(wěn)定極限狀態(tài)，以滿足電力的需求。近年來，國內外電力系統(tǒng)多次發(fā)生電壓崩潰事 故，導致大面積停電，對社會造成巨大損失，引起了世界各國對電壓穩(wěn)定的廣泛研究。電壓 崩潰往往是先從電網最薄弱節(jié)點或最薄弱區(qū)域開始，繼而蔓延到其它節(jié)點或區(qū)域，最終引 起全系統(tǒng)崩潰。在用電負荷快速增長的背景下，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析急需解決如下問 題：1、判斷系統(tǒng)在某一運行方式下電壓是否穩(wěn)定;2、求出系統(tǒng)在當前運行方式下的穩(wěn)定裕 度;3、找出系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定的薄弱節(jié)點、支路確定的薄弱區(qū)域，并提出相應的電壓穩(wěn)定預防 控制措施，對于避免電壓崩潰事故的發(fā)生具有非常重要的意義。
[0003] 電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運行或經受擾動后維持所有節(jié)點電壓為可接受 值的能力。目前電壓穩(wěn)定性分析的方法主要有最大功率法、靈敏度法、潮流多解法、分歧分 析法、奇異值和特征值分解法等，這些靜態(tài)分析方法簡單直觀，所需的系統(tǒng)運行數據少，計 算速度快，提供信息較多而得到了廣泛研究。
[0004] 但是目前研究確定電網電壓薄弱區(qū)域的方法主要有全網N-I電壓掃描計算靜態(tài)穩(wěn) 定裕度以及單一 V-Q模態(tài)法計算各節(jié)點在最小特征值參與因子找出哪些節(jié)點或區(qū)域的電壓 穩(wěn)定性較差，全網N-I電壓掃描計算靜態(tài)穩(wěn)定裕度有功裕度指標，無功電壓靈敏度指標。前 者方法雖然直觀、簡單易被人接受，但其計算量大、提供信息少而且只適合恒功率負荷模 型;后者中只考慮無功參與因子，節(jié)點僅包含負荷節(jié)點，沒有考慮發(fā)電機節(jié)點的參與作用以 及支路參與因子影響;并且傳統(tǒng)模態(tài)法只計算當前運行點的節(jié)點參與因子。模態(tài)法分析，使 用的是無功電壓模態(tài)法，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行裕度較大時，有功功率對雅可比矩陣特征值的影 響很小，可以忽略不計;而當系統(tǒng)運行在臨界失穩(wěn)或穩(wěn)定裕度很小時，有功功率對系統(tǒng)的雅 可比矩陣特征值產生較大影響，不可忽略，此時應使用全電壓模態(tài)分析法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是提供一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，它不僅能 夠確定薄弱節(jié)點，還可以找出對當前失穩(wěn)模式其主要影響的控制支路及發(fā)電機，為補償地 點及切負荷位置選取提供了關鍵信息。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的，具體步驟如下：
[0007] 1)采用電網N-I事故模擬的運行方式，計算電網元件故障后，各節(jié)點對負荷正常持 續(xù)供電能力，找出電壓最低的帶負荷節(jié)點，得出PV曲線分析中的關鍵節(jié)點；
[0008] 2)對電網當前運行方式使用連續(xù)潮流法，得出步驟1)中關鍵節(jié)點的PV曲線，由此 得到電網功率傳輸極限節(jié)點，并計算極限節(jié)點功率儲備系數，計算電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度；
[0009] 3)采用V-Q模態(tài)分析法和改進全模態(tài)分析法計算電網當前運行狀態(tài)和極限狀態(tài)進 行模態(tài)分析，計算出關鍵節(jié)點和極限節(jié)點相應的各節(jié)點、發(fā)電機和支路的參與因子；
[0010] 4)根據步驟3)中計算得到的關鍵節(jié)點和極限節(jié)點相應的各節(jié)點、發(fā)電機和支路的 參與因子，確定當前狀態(tài)和極限狀態(tài)下的電壓薄弱區(qū)域。
[0011 ]進一步，步驟2)中所述使用連續(xù)潮流法，得出關鍵節(jié)點PV曲線的具體步驟如下：
[0012] 采用連續(xù)潮流算法，從當前運行點開始，保持負荷功率因數PF不變，以固定步長Λ P逐漸增加系統(tǒng)所有節(jié)點的負荷直到臨界狀態(tài)，系統(tǒng)達到最大傳輸功率極限，即PV曲線的鼻 點，便得到各負荷節(jié)點的PV曲線；在PV曲線中，橫坐標代表電網區(qū)域或者傳輸界面的總負 荷，縱坐標表示關鍵負荷節(jié)點的電壓幅值，PV曲線的拐點為穩(wěn)定運行的極限點，極限點對應 的負荷Pmax為極限負荷或最大功率傳輸極限，極限點對應的電壓為穩(wěn)定運行的極限電壓 Vcr，電網中的實際運行點的負荷或傳輸功率與極限負荷或最大傳輸功率之差可以綜合反 映系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。
[0013] 進一步，步驟2)中所述極限節(jié)點功率儲備系數和電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的具體計 算方法為：
[0014] 在實際電網中，以節(jié)點功率儲備系數Kp和電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度Kv來反映系統(tǒng)的 靜態(tài)功率穩(wěn)定裕度，節(jié)點功率儲備系數Kp及靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度Kv定義為：
[0015]
[0016]
[0017]其中：Pmax、Vmax分別為極限負荷或最大功率傳輸極限及極限電壓;PO、VO分別為 初始運行點出的功率及節(jié)點電壓。
[0018] 進一步，步驟3)中所述改進全模態(tài)分析法的數學模型為：
比矩陣JRPe = Jpe-JpvJ-VJqo為隆階有功雅克比矩陣，Jrqv = Jqv-jQeJ-kjpv為降階無功雅克比 矩陣
b功率不平衡向I
為電壓不平衡向量。
[0019]
[0020] %常規(guī)潮流雅克
[0021]進一步，步驟3)中所述
[0022] 節(jié)點參與因子的計算公式為：
[0023]
[0024] 其中，k代表節(jié)點編號，Ikl代表11的第k個元素，IUk代表ru的第k個元素;節(jié)點k對模 態(tài)i參與因子為：
[0025] Pki = Ckinki;
[0026] 支路參與因子，支路j對模態(tài)i的參與因子的計算公式為：
[0027] Pji= AQi OSS . j/ Δ Ql oss.Max
[0028]式中，AQloss. j為支路j的無功損失量；AQloss.Max為所有支路的無功損失量的 最大值；
[0029] 發(fā)電機參與因子的計算公式為：
[0030] Pji= AQgki/AQg max i
[0031]式中，△ Qgki為發(fā)電機k對模式i的無功損失量；△ Qg maxi為所有發(fā)電機的無功損 失量的最大值。
[0032] 進一步，步驟4)中所述確定當前狀態(tài)和極限狀態(tài)下的電壓薄弱區(qū)域的具體方法 為：
[0033] 4-1)節(jié)點參與因子，節(jié)點參與因子的大小表示為使此模式穩(wěn)定，對該母線采取校 正措施的有效程度;判定薄弱節(jié)點的問題就是尋找系統(tǒng)狀態(tài)方程的雅克比矩陣JR的最小模 特征根以及與此最小模特征相關的節(jié)點參與因子的較大者；
[0034] 4-2)支路參與因子，支路參與因子表示對任一模態(tài)，在給定無功負荷增量變化的 情況下，哪一條支路消耗了最多的無功功率，參與因子高的支路就是造成該模態(tài)變弱的支 路；
[0035] 4-3)發(fā)電機參與因子，發(fā)電機參與因子表示對任一模態(tài)，為響應電網無功負荷的 增量變化，哪一臺發(fā)電機提供了最多的無功功率輸出，具有高參與因子的發(fā)電機在維持模 態(tài)i的穩(wěn)定方面發(fā)揮著大的作用。
[0036] 本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0037]本發(fā)明的【附圖說明】如下。
[0038]圖1為本發(fā)明的算法流程圖；
[0039]圖2正常運行時系統(tǒng)的薄弱區(qū)域；
[0040]圖3極限運行時系統(tǒng)的薄弱區(qū)域；
[0041 ] 圖4為P-V曲線圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0043]以我國負荷中心的某地區(qū)電網2015年數據為例，全系統(tǒng)共有781條母線，20條 500KV條高壓交流線；負荷146個;發(fā)電機37臺，變壓器277臺，分為7個區(qū)域。在2015年夏平大 運行方式下，全網總出力為12579+j2440.3(MV · A)，系統(tǒng)總負荷水平為12358.7+j3812.3 (MV · A);其中全網出力包括了接受四川電網的出力2443-j440(MV · A)，受電率為19.4%。
[0044] 對電網所有主網中500KV線路及變壓器元件進行N-I事故模擬的運行方式，全網N- 1后，找出電壓最低的帶負荷節(jié)點得出PV分析的關鍵節(jié)點。然后對該系統(tǒng)當前運行方式下進 行連續(xù)潮流分析，得出關鍵節(jié)點的PV曲線，由此得到系統(tǒng)的功率傳輸極限點，計算出系統(tǒng)有 功裕度 ΚΡ(%) = 8·62。
[0045] 分別用V-Q模態(tài)法和改進全模態(tài)法對該系統(tǒng)在當前運行狀態(tài)和穩(wěn)定極限狀態(tài)進行 模態(tài)分析，計算出相應的母線、線路以及發(fā)電機參與因子的結果如表1、2、3所示。
[0046] 表1母線相關因子部分主要結果
L0048J 表2線路相關參與因子部分主要結果
[0053]系統(tǒng)在初始運行狀態(tài)下，其中最薄弱的節(jié)點是石馬，且薄弱區(qū)域為以石柱、石馬、 墊江、豐都、南賓、江南、石柱牽和龍橋等以及以陳家橋二站、思源、玉帶山等為為中心的幾 個站構成了重慶電網的電壓薄弱區(qū)域，圖2表示了正常運行狀態(tài)下的薄弱區(qū)域;在極限點狀 態(tài)子下高參與因子的母線分別為黔江、酉陽、秀山、彭水、武隆等，圖3表示了極限狀態(tài)下的 電壓薄弱區(qū)域;可看出薄弱區(qū)域與運行點處基本一致，但是在極限運行方式下仍有以陳家 橋二站、思源、微電園、涼亭、梨樹灣等組成的陳家橋片區(qū)的薄弱區(qū)域。由以上結果還可以看 出在初始狀態(tài)下，IlOkV的母線節(jié)點的參與因子排在前邊，這就是說電網一旦失穩(wěn)，最先崩 潰的節(jié)點同其所在的電壓等級沒有關系，電網很有可能從低電壓等級的母線最先開始電壓 失穩(wěn)的。
[0054]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，其特征在于，具體步驟如下： 1) 采用電網N-1事故模擬的運行方式，計算電網元件故障后，各節(jié)點對負荷正常持續(xù)供 電能力，找出電壓最低的帶負荷節(jié)點，得出PV曲線分析中的關鍵節(jié)點； 2) 對電網當前運行方式使用連續(xù)潮流法，得出步驟1)中關鍵節(jié)點的PV曲線，由此得到 電網功率傳輸極限節(jié)點，并計算極限節(jié)點功率儲備系數，計算電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度； 3) 采用V-Q模態(tài)分析法和改進全模態(tài)分析法計算電網當前運行狀態(tài)和極限狀態(tài)進行模 態(tài)分析，計算出關鍵節(jié)點和極限節(jié)點相應的各節(jié)點、發(fā)電機和支路的參與因子； 4) 根據步驟3)中計算得到的關鍵節(jié)點和極限節(jié)點相應的各節(jié)點、發(fā)電機和支路的參與 因子，確定當前狀態(tài)和極限狀態(tài)下的電壓薄弱區(qū)域。2. 如權利要求1所述的一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，其特征在于，步 驟2)中所述使用連續(xù)潮流法，得出關鍵節(jié)點PV曲線的具體步驟如下： 采用連續(xù)潮流算法，從當前運行點開始，保持負荷功率因數PF不變，以固定步長ΛΡ逐 漸增加系統(tǒng)所有節(jié)點的負荷直到臨界狀態(tài)，系統(tǒng)達到最大傳輸功率極限，即PV曲線的鼻點， 便得到各負荷節(jié)點的PV曲線;在PV曲線中，橫坐標代表電網區(qū)域或者傳輸界面的總負荷，縱 坐標表示關鍵負荷節(jié)點的電壓幅值，PV曲線的拐點為穩(wěn)定運行的極限點，極限點對應的負 荷Pmax為極限負荷或最大功率傳輸極限，極限點對應的電壓為穩(wěn)定運行的極限電壓Vcr，電 網中的實際運行點的負荷或傳輸功率與極限負荷或最大傳輸功率之差可以綜合反映系統(tǒng) 的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度。3. 如權利要求2所述的一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，其特征在于，步 驟2)中所述極限節(jié)點功率儲備系數和電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的具體計算方法為： 在實際電網中，以節(jié)點功率儲備系數Kp和電網靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度Kv來反映系統(tǒng)的靜態(tài) 功率穩(wěn)定裕度，節(jié)點功率儲備系數Κρ及靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度Κν定義為：其中：Pmax、Vmax分別為極限負荷或最大功率傳輸極限及極限電壓;Ρ0、V0分別為初始 運行點出的功率及節(jié)點電壓。4. 如權利要求1所述的一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，其特征在于，步 驟3)中所述改進全模態(tài)分析法的數學模型為：式中，式中，其中：為常規(guī)潮流雅克比矩 陣，jRpe = Jp『JpVJ-VjQe為降階有功雅克比矩陣，JrqV = Jqv-Jq(J-VJpv為降階無功雅克比矩 陣：為功率不平衡向量為電壓不平衡向量。5. 如權利要求4所述的一種用于辨識電網電壓穩(wěn)定性薄弱區(qū)域的方法，其物征在于，步 驟3)中所述 節(jié)點參與因子的計算公式為：其中，k代表節(jié)點編號，|kl代表的第k個元素，rUk代表ru的第k個元素;節(jié)點k對模態(tài)i參 與因子為： Pki = CkiHki ； 支路參與因子，支路j對模態(tài)i的參與因子的計算公式為： Pji= AQi OSS . j/ Δ Ql oss. Max 式中，AQloss. j為支路j的無功損失量；AQloss.Max為所有支路的無功損失量的最大 值； 發(fā)電機參與因子的計算公式為： Pji- Δ Qgki/ Δ Qg max i 式中，△ Qgki為發(fā)電機k對模式i的無功損失量；△ Qg maxi為所有發(fā)電機的無功損失量 的最大值。6.如權利要求5所述的一咱用于辨識電網電壓薄弱區(qū)域的方法，其特征在于，步驟4)中 所述確定當前狀態(tài)和極限狀態(tài)下的電壓薄弱區(qū)域的具體方法為： 4-1)節(jié)點參與因子，節(jié)點參與因子的大小表示為使此模式穩(wěn)定，對該母線采取校正措 施的有效程度;判定薄弱節(jié)點的問題就是尋找系統(tǒng)狀態(tài)方程的雅克比矩陣JR的最小模特征 根以及與此最小模特征相關的節(jié)點參與因子的較大者； 4-2)支路參與因子，支路參與因子表示對任一模態(tài)，在給定無功負荷增量變化的情況 下，哪一條支路消耗了最多的無功功率，參與因子高的支路就是造成該模態(tài)變弱的支路； 4-3)發(fā)電機參與因子，發(fā)電機參與因子表示對任一模態(tài)，為響應電網無功負荷的增量 變化，哪一臺發(fā)電機提供了最多的無功功率輸出，具有高參與因子的發(fā)電機在維持模態(tài)i的 穩(wěn)定方面發(fā)揮著大的作用。
【文檔編號】H02J3/14GK106058847SQ201610206351
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月5日 公開號201610206351.7, CN 106058847 A, CN 106058847A, CN 201610206351, CN-A-106058847, CN106058847 A, CN106058847A, CN201610206351, CN201610206351.7
【發(fā)明人】呂躍春, 徐瑞林, 李登峰, 朱小軍, 陳濤, 呂小紅, 劉育明, 朱晟毅, 趙科, 董光德, 文一宇, 王瑞妙, 劉玲, 吳迎霞, 王小君, 王惠平, 張沛
【申請人】國網重慶市電力公司電力科學研究院, 國家電網公司, 國網重慶市電力公司