一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等值的電力系統(tǒng)快速暫態(tài)穩(wěn)定仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)化，特別涉及了一種適用于在線計(jì)算的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn) 定仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大和電力市場(chǎng)的出現(xiàn)使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)安 全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也越來(lái)越高。盡管我國(guó)在穩(wěn)定控制系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)有相當(dāng)多的研究成果， 但是還存在諸多不足。穩(wěn)定控制中"離線計(jì)算、實(shí)時(shí)匹配"的方式計(jì)算量大，對(duì)運(yùn)行方式和 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)能力差，很容易出現(xiàn)失配情況；"在線預(yù)決策、實(shí)時(shí)匹配"測(cè)量誤差和傳送 丟失都有可能造成所確定的系統(tǒng)運(yùn)行方式與實(shí)際運(yùn)行方式失配，從而造成預(yù)決策失誤；"實(shí) 時(shí)決策、實(shí)時(shí)控制"則是最理想的穩(wěn)定控制手段，它要求根據(jù)檢測(cè)到的故障信息，按當(dāng)時(shí)接 線方式和潮流方式，超實(shí)時(shí)計(jì)算并實(shí)施控制，完全避免運(yùn)行工況和故障的失配問(wèn)題。但相應(yīng) 的技術(shù)難度最大，要求有能夠?qū)κ軘_系統(tǒng)做出快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制的良好算法，如何開(kāi)發(fā) 出超實(shí)時(shí)的算法解決這類系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題值得研究。
[0003] 現(xiàn)代電力系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)的安全穩(wěn)定控制越來(lái)越重要，而常規(guī)的穩(wěn)定分析方法花費(fèi) 時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法應(yīng)用于在線實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合。為解決電力系統(tǒng)計(jì)算中的簡(jiǎn)化問(wèn)題提出了動(dòng)態(tài)等 值的方法，主要使用在以下三種場(chǎng)合：大規(guī)模電力系統(tǒng)的離線暫態(tài)穩(wěn)定分析、離線動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 分析及在線動(dòng)態(tài)安全分析。與這三種狀態(tài)相適應(yīng)，動(dòng)態(tài)等值方法也可分為三大類：同調(diào)等值 法、模態(tài)等值法及估計(jì)等值法。前兩種均用于離線分析，而在線分析中常需要對(duì)系統(tǒng)作在線 的動(dòng)態(tài)等值，而由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況多變，一般不可能離線先做等值然后在線調(diào)用， 因此只有估計(jì)等值法適用于在線分析。
[0004] 傳統(tǒng)的估計(jì)等值法同樣存在一些不足：在選取外部系統(tǒng)的等值模型時(shí)具有經(jīng)驗(yàn) 性，每次迭代修正參數(shù)時(shí)步長(zhǎng)要確保參數(shù)快速收斂，并且很多情況下需要考慮噪聲影響并 作濾波及相關(guān)分析，數(shù)學(xué)處理較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等值的電力系統(tǒng)快 速暫態(tài)穩(wěn)定仿真方法，該方法可克服電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析計(jì)算中，現(xiàn)有的數(shù)值積分方法 計(jì)算量大，計(jì)算速度不能滿足電力系統(tǒng)在線計(jì)算要求的缺點(diǎn)。本發(fā)明的方法是一種以在線 計(jì)算為目標(biāo)的超實(shí)時(shí)暫態(tài)穩(wěn)定仿真算法，采用一種等值系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣快速辨識(shí)方法， 求取等值系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，顯著簡(jiǎn)化了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，減少了大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真 的計(jì)算量。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等值的電力系統(tǒng)快速暫態(tài) 穩(wěn)定仿真方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :對(duì)原始系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)值積分計(jì)算，只仿真到等值時(shí)刻Tz;
[0008] 步驟2 :若未發(fā)現(xiàn)無(wú)界角度間隙則確認(rèn)是穩(wěn)定的情況，若發(fā)現(xiàn)了無(wú)界角度間隙則 執(zhí)行以下的步驟；
[0009] 步驟3 :根據(jù)等值時(shí)刻前的發(fā)電機(jī)功角曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分群；
[0010] 步驟4 :根據(jù)步驟3的分群結(jié)果，對(duì)每一群的發(fā)電機(jī)進(jìn)行模型聚合獲得該群的等值 發(fā)電機(jī)，并應(yīng)用等值系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣快速辨識(shí)方法獲得等值系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；
[0011] 步驟5 :在等值系統(tǒng)上完成暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)值積分計(jì)算。
[0012] 上述技術(shù)方案中，步驟2中的通過(guò)判斷是否出現(xiàn)無(wú)界角度間隙以排除極安全情 況，所述的無(wú)界角度間隙是：在數(shù)值積分的每個(gè)積分步結(jié)束處將各發(fā)電機(jī)功角從大到小排 列一次，每?jī)蓚€(gè)相鄰功角之間構(gòu)成一個(gè)角度間隙，如果存在某角度間隙對(duì)于任意給定的正 值β，總可以找到一個(gè)時(shí)間te使得t>t e時(shí)該角度間隙必大于β，則稱該角度間隙為無(wú)界 角度間隙，在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，往往按經(jīng)驗(yàn)取有限值為門限值β，而將大于β值的角 度間隙成為無(wú)界角度間隙。
[0013] 在原始系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)值積分至等值時(shí)刻，等值時(shí)刻大于故障切除時(shí)刻。從開(kāi)始時(shí) 刻至等值時(shí)刻觀察原始系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)的功角軌跡，如果發(fā)現(xiàn)了無(wú)界角度間隙則進(jìn)一步進(jìn)行 暫態(tài)穩(wěn)定分析，反之，則確認(rèn)為是極安全（極為穩(wěn)定）的情況。為了盡可能減少在原始系統(tǒng) 上的數(shù)值積分時(shí)間，本發(fā)明公開(kāi)的仿真算法可選取較小的等值時(shí)刻，所以在選取角度間隙 門限值時(shí)也取相對(duì)較小的值。
[0014] 步驟3中的所述的對(duì)系統(tǒng)分群的方法如下：
[0015] 若在分析開(kāi)始至等值時(shí)刻的時(shí)段內(nèi)發(fā)現(xiàn)了無(wú)界角度間隙，則在等值時(shí)刻對(duì)發(fā)電機(jī) 進(jìn)行分群。將某兩臺(tái)發(fā)電機(jī)劃為同群的標(biāo)準(zhǔn)為在等值時(shí)刻前它們的功角搖擺曲線具有相同 的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。本發(fā)明的方法中計(jì)算兩臺(tái)發(fā)電機(jī)等值時(shí)刻前所有積分步的功角差值形成一組 數(shù)據(jù)，求取該組數(shù)據(jù)的方差值作為這兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功角搖擺曲線同趨勢(shì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)定方 差判定閾值ε，滿足如下條件的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)判斷為同群：
[0019] 式中Νζ是至等值時(shí)刻總的數(shù)值積分步數(shù)；δ ki、δ k]分別為第k時(shí)步第i臺(tái)機(jī)與第 j臺(tái)機(jī)的功角值；^:為t e [0, Tz]時(shí)間段內(nèi)第i臺(tái)機(jī)與第j臺(tái)機(jī)功角差值平均值；#為 t e [0, τζ]時(shí)間段內(nèi)第i臺(tái)機(jī)與第j臺(tái)機(jī)功角差值的方差；ε為給定的方差判定閾值。
[0020] 步驟4中的發(fā)電機(jī)模型聚合的方法如下：
[0021] 應(yīng)用靜態(tài)EEAC的模型聚合方法進(jìn)行模型聚合，經(jīng)典模型下第i群的等值發(fā)電機(jī)全 部參數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)如下公式：

[0031] 其中111是系統(tǒng)的分群個(gè)數(shù)，1 = 1，2*"111;1111是第1群的發(fā)電機(jī)個(gè)數(shù)；1';1、01、乂 /,1、 E' p Ρηι、P& Ixl、Iyl、S j別表示模型聚合后第i群等值發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)、阻尼 系數(shù)、直軸暫態(tài)電抗、暫態(tài)電勢(shì)、機(jī)械功率、電磁功率、機(jī)端電流實(shí)部、機(jī)端電流虛部及功角； Γ4、Difc、；4fc、私、表示第i群第k臺(tái)發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)、阻尼系數(shù)、直軸 暫態(tài)電抗、暫態(tài)電勢(shì)及機(jī)械功率；、Li、·分別表示等值時(shí)刻第i群第k臺(tái) 發(fā)電機(jī)的電磁功率、機(jī)端電流實(shí)部、機(jī)端電流虛部及功角。
[0032] 步驟4中所述的等值系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣快速辨識(shí)方法如下：
[0033] 若等值時(shí)刻將系統(tǒng)分成了 m群，則在原始系統(tǒng)上從等值時(shí)刻繼續(xù)做m-1步數(shù)值積 分計(jì)算，積分步長(zhǎng)為Δ t，通過(guò)數(shù)值積分計(jì)算可以獲得在ΤΖ，ΤΖ+Δ t，…，Tz+(m_l) Δ t總共m 個(gè)時(shí)步內(nèi)，每一臺(tái)原始發(fā)電機(jī)在每一時(shí)步的機(jī)端電流實(shí)部Ix、機(jī)端電流虛部、以及功角δ。
[0034] 發(fā)電機(jī)經(jīng)典模型下，應(yīng)用如下公式計(jì)算獲得第i群等值發(fā)電機(jī)第s時(shí)步機(jī)端電流 實(shí)部Ixls及機(jī)端電流虛部I yls
[0037] 其中，Lp、/yi>·分別表示第i群第k臺(tái)發(fā)電機(jī)第s時(shí)步的機(jī)端電流實(shí)部、虛部。
[0038] 通過(guò)如下公式計(jì)算第i群等值發(fā)電機(jī)第s時(shí)步的機(jī)端電壓實(shí)部Vxls及機(jī)端電壓虛 部 Vyls
[0040] 再通過(guò)如下公式計(jì)算第i群等值發(fā)電機(jī)第S時(shí)步的虛擬注入電流實(shí)部r xls及虛 擬注入電流虛部"yls
[0042] 上述兩個(gè)公式中有：
[0045] 其中Ral、X' dl、δ pE'汾別表示該計(jì)算時(shí)步第i群等值發(fā)電機(jī)繞組阻抗、交軸暫 態(tài)電抗、功角以及暫態(tài)電勢(shì)。
[0046] 經(jīng)過(guò)上述步驟獲得了 m個(gè)時(shí)步的所有等值發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與虛擬注入電流，通過(guò) 如下公式計(jì)算得到等值系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣：
[0048] 其中//s、泛&分別為第i群等值發(fā)電機(jī)第s時(shí)步的機(jī)端虛擬注入電流及機(jī)端電壓 的復(fù)向量，即：
[0050] 其中，j為虛數(shù)單位。
[0051] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明針對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定分析在線實(shí)時(shí)應(yīng)用的目標(biāo)，在時(shí)域仿真 法的基礎(chǔ)上利用動(dòng)態(tài)等值的思想，不劃分研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)，避免了外部系統(tǒng)劃分的經(jīng) 驗(yàn)性；在原始系統(tǒng)上進(jìn)行短時(shí)間的數(shù)值積分計(jì)算，根據(jù)功角搖擺曲線將發(fā)電機(jī)分成若干群， 分群時(shí)保留功角曲線的多群特性；應(yīng)用靜態(tài)EEAC的模型聚合方法對(duì)每一群發(fā)電機(jī)組進(jìn)行 等值，節(jié)省了估計(jì)等值法中復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理及噪聲濾波等步驟；應(yīng)用提出的等值系統(tǒng)節(jié)點(diǎn) 導(dǎo)納矩陣快速辨識(shí)方法獲得等值系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，最后在等值系統(tǒng)上完成數(shù)值積分計(jì)算。由 于通常分群數(shù)不會(huì)太大，辨識(shí)等值系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣的耗時(shí)不長(zhǎng)，使本發(fā)明提出的方法不僅具 備常規(guī)暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)值積分法精度高、模型適應(yīng)性強(qiáng)、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)，而且大幅度簡(jiǎn)化了計(jì) 算系統(tǒng)，減少了計(jì)算量。由于動(dòng)態(tài)等值是針對(duì)具體系統(tǒng)的給定運(yùn)行方式及給定擾動(dòng)下完成 的，適用于在線的快速暫態(tài)穩(wěn)定分析。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 以下結(jié)合具體算例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0053] 本發(fā)明提出的一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等值的快速暫態(tài)穩(wěn)定仿真方法，包括以下步驟
[0054] 步驟1 :對(duì)原始系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)值積分計(jì)算，只仿真到等值時(shí)刻Tz;
[0055] 步驟2 :若未發(fā)現(xiàn)無(wú)界角度間隙則確認(rèn)是穩(wěn)定的情況，若發(fā)現(xiàn)了無(wú)界角度間隙則 執(zhí)行以下的步驟；
[0056] 步驟3 :根據(jù)等值時(shí)刻前的發(fā)電機(jī)功角曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分群。
[0057] 步驟4 :根據(jù)步驟3的分群結(jié)果，對(duì)每一群的發(fā)電機(jī)進(jìn)行模型聚合獲得該群的等值 發(fā)電機(jī)，并應(yīng)用等值系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)