專利名稱：一種衡量動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衡量動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)的方法，屬于電力系統(tǒng)的模擬與計(jì)算領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電壓穩(wěn)定研究工作的進(jìn)展，仿真工具和建模工作逐步完善，我國電網(wǎng)運(yùn)行和規(guī) 劃部門非常關(guān)注中長期電壓穩(wěn)定的仿真研究工作，《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中也明確 將動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定的校核研究列為深化穩(wěn)定計(jì)算的重要內(nèi)容。
衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性多采用裕度指標(biāo)，所謂裕度指標(biāo)是指從系統(tǒng)給定運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，按 照某種模式，通過負(fù)荷增長或傳輸功率的增長逐步逼近電壓崩潰點(diǎn)，系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到 電壓崩潰點(diǎn)的距離可作為電壓穩(wěn)定程度的指標(biāo)。傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)荷裕度是基于連續(xù)潮流法， 從當(dāng)前工作點(diǎn)出發(fā)，隨負(fù)荷不斷增加，依次求解潮流，直到通過臨界點(diǎn)，從而得到節(jié)點(diǎn) PU曲線求得負(fù)荷裕度。但是靜態(tài)電壓分析方法基于穩(wěn)態(tài)潮流方程或擴(kuò)展潮流方程，忽略
了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因素的作用，用代數(shù)方程描述系統(tǒng)的行為，判斷系統(tǒng)在小擾動(dòng)下維 持電壓穩(wěn)定的能力，因此得到的結(jié)果偏于保守。
裕度指標(biāo)具有以下優(yōu)點(diǎn)能給運(yùn)行人員提供一個(gè)較直觀的表示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電 壓崩潰點(diǎn)距離的量度；系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)的距離與裕度指標(biāo)的大小呈線性關(guān)系； 可以比較方便地計(jì)及過渡過程中各種因素如約束條件、發(fā)電機(jī)的有功分配、負(fù)荷增長方 式等的影響。
計(jì)算裕度指標(biāo)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率可以按照任意方式增長，以逼近崩潰點(diǎn)， 為了簡化計(jì)算，常假設(shè)負(fù)荷功率以下述四種方式增長
(1) 單負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率和/或無功功率增加，其他負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率保持不變；
(2) 選定區(qū)域的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功和/或無功功率增加，其他負(fù)荷幾點(diǎn)功率保持不變；
(3) 某一選定區(qū)域的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功和/或無功功率增加，而另一選定區(qū)域的負(fù)荷節(jié)
點(diǎn)的有功功率和/或無功功率減少，其他負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率保持不變； (4)全部負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率和/或無功功率同時(shí)增加。
動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)是求解電力系統(tǒng)在負(fù)荷以一定速率緩慢增長時(shí)，系統(tǒng)距離電 壓崩潰點(diǎn)的裕度；動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度考慮了系統(tǒng)中有載調(diào)壓變壓器(ULTC)、發(fā)電機(jī)過勵(lì) 磁限制等動(dòng)態(tài)元件的影響，可計(jì)算單節(jié)點(diǎn)、分區(qū)和全網(wǎng)等多種負(fù)荷增長方式下系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)裕度，為運(yùn)行人員提供了一個(gè)較直觀的表示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)距離的量度， 系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)距離崩潰點(diǎn)和動(dòng)態(tài)裕度呈線性關(guān)系。因此，動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)具有較好 的實(shí)際指導(dǎo)意義。
電力系統(tǒng)全過程動(dòng)態(tài)仿真是指將電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)、中期和長期過程有機(jī)的統(tǒng)一起 來進(jìn)行數(shù)宇仿真。它描述了電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)之后整個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過程。全過程動(dòng)態(tài)仿 真程序的微分代數(shù)方程算法釆用變階變步長的GEAR法，網(wǎng)絡(luò)方程與微分方程聯(lián)立求解。
GEAR法的主要計(jì)算步驟如下
對于1階微分方程，
1 =飼
(1)定義Nordsieck向量^ ，它是用前一步的高階導(dǎo)數(shù)/、 /…等來代替前幾步的^
或/(y，0數(shù)據(jù)。即
(2)預(yù)測
(3)校正
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Z為尺維常數(shù)向量，G^^/0^,)-Z A《 ), (4)截?cái)嗾`差
《階方法第m步的截?cái)嗾`差是
其中&+1與階有關(guān)的常數(shù)。VZ^是第附步計(jì)算所得的Zm與前一步的Z叭,這兩個(gè)
向量的最后一個(gè)分量相減的值。
仿真中常使用相對誤差，即要求每步的相對誤差小于事先規(guī)定的一個(gè)值f。 -<formula>formula see original document page 7</formula>
其中&ax為積分到這一步時(shí)已出現(xiàn)過的y的最大值，但在開始積分時(shí)，若y二o，則
在微分方程組的情況下，少不止一個(gè)，假設(shè)共有N個(gè)變量y(l),:K2)，…;;(A0，則相 對誤差定義為
少(_/)max
e^s。，則認(rèn)為這一步有效，轉(zhuǎn)入下步，并考慮變階、變步長。
e^e。，則認(rèn)為這一步無效，變階、變步長，重新計(jì)算。
(5)變階、變步長控制 每步積分完成之后，程序分別估計(jì)當(dāng)前階、升階和降階之后的變量的截?cái)嗾`差。通 過一定的策略，決定下一步計(jì)算時(shí)的階次和步長。不變階僅變步長時(shí)的公式如下
1
新步長是<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明經(jīng)過研究分析后，基于中國電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所電力系統(tǒng)分析軟件一電力 系統(tǒng)全過程動(dòng)態(tài)仿真程序，提出了動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)。該指標(biāo)在重慶電網(wǎng)電壓穩(wěn)定 研究中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。
現(xiàn)有的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的求解方法大多不能考慮系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)元件的影響，特
別是有載調(diào)壓變壓器(ULTC)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制等動(dòng)作時(shí)間較長的保護(hù)環(huán)節(jié)，因此，基于 電力系統(tǒng)全過程動(dòng)態(tài)仿真程序計(jì)算的動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)，該指標(biāo)更加貼近實(shí)際系統(tǒng) 的運(yùn)行情況。
參照圖1，動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)在電力系統(tǒng)全過程動(dòng)態(tài)仿真程序的實(shí)現(xiàn)方法如下:
(1)根據(jù)計(jì)算需求搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)計(jì)算需要的負(fù)荷模型，包括靜態(tài)負(fù) 荷模型和感應(yīng)馬達(dá)模型；
建立系統(tǒng)靜態(tài)負(fù)荷模型為-
<formula>formula see original document page 8</formula>其中尸。為有功負(fù)荷，A、尸2、 S、尸4、 g分別為恒定阻抗有功負(fù)荷比例、恒定電
流有功負(fù)荷比例、恒定功率有功負(fù)荷比例、與頻率有關(guān)有功負(fù)荷比例、電壓指數(shù)相關(guān)有 功負(fù)荷比例，r為系統(tǒng)實(shí)際電壓，K為系統(tǒng)參考電壓，A/為頻率變化量，丄。p為頻率變
化1%引起的有功變化百分?jǐn)?shù)，A^為有功電壓指數(shù)，無功負(fù)荷模型公式參數(shù)命名同理，
上式中/^+尸2+尸3+戶4+尸5=1， 0+込+込+込+込=1。 建立系統(tǒng)馬達(dá)負(fù)荷模型-
根據(jù)已知的電動(dòng)機(jī)定子電阻A，電動(dòng)機(jī)定子電抗;^，激磁電抗義M，轉(zhuǎn)子電阻^，
轉(zhuǎn)子電抗J^，馬達(dá)滑差S，計(jì)算機(jī)械轉(zhuǎn)矩系數(shù)A、 B、 C;
(2) 計(jì)算準(zhǔn)備
確定故障類型、故障時(shí)間，填寫相應(yīng)的故障卡，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，填寫相應(yīng)的有
載調(diào)壓變壓器(ULTC)卡、發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁限制卡、繼電保護(hù)動(dòng)作等卡片；完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工 作；
(3) 按照計(jì)算要求輸入負(fù)荷增長的速率、負(fù)荷增長的時(shí)間、負(fù)荷增長的區(qū)域或母
線名稱，
其中P為負(fù)荷增長總量，AP為單位時(shí)間內(nèi)負(fù)荷增長量，"為單位時(shí)間，7^。為負(fù)
荷增長持續(xù)時(shí)間，
根據(jù)上述公式構(gòu)造負(fù)荷持續(xù)增長模型，通過控制AP和&的比例關(guān)系即可；
(4)仿真計(jì)算
a. 讀入數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，檢査參數(shù)合理性，構(gòu)成狀態(tài)變量、中間變量和參數(shù)常量與 各元件的模型對應(yīng)關(guān)系，對狀態(tài)變量進(jìn)行初始化處理；
b. 形成導(dǎo)納矩陣和雅可比矩陣，判別初始條件的合理性；
c. 根據(jù)已填寫的故障卡修改網(wǎng)絡(luò)方程的雅可比矩陣元素，確定系統(tǒng)狀態(tài)；
d. 應(yīng)用背景技術(shù)中的GEAR方法，計(jì)算GEAR法的預(yù)測項(xiàng)
<formula>formula see original document page 9</formula>計(jì)算GEAR法中的校正項(xiàng):
<formula>formula see original document page 9</formula>其中Z為尺維常數(shù)向量，m、 i為正整數(shù)，<formula>formula see original document page 9</formula>
根據(jù)得到的校正項(xiàng)，與微分方程和代數(shù)方程聯(lián)立求解；
e. 根據(jù)計(jì)算實(shí)際情況進(jìn)行變步長處理；
f. 仿真計(jì)算結(jié)束，輸出所需結(jié)果； (5)結(jié)果分析
得到仿真結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從節(jié)點(diǎn)功率增長圖確定系統(tǒng)功率增長極限，根據(jù)計(jì) 算得到的節(jié)點(diǎn)功率極限和系統(tǒng)正常情況下節(jié)點(diǎn)初始功率，由下式計(jì)算動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度 指標(biāo)，得到
<formula>formula see original document page 9</formula>
動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)(％)
A -系統(tǒng)初始功率(MW)
^ 一系統(tǒng)極限功率(MW) P?？梢杂上到y(tǒng)正常運(yùn)行方式統(tǒng)計(jì)得到，A由全過程仿真計(jì)算后由仿真分析的結(jié)果得到。
三、動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)特點(diǎn)
1. 動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)考慮了系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)元件對電壓穩(wěn)定性的影響，特別是有載 調(diào)壓變壓器(ULTC)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制環(huán)節(jié)等因素，得到的結(jié)果更貼近系統(tǒng)實(shí)際情況。
2. 可計(jì)算系統(tǒng)中負(fù)荷增長的不同方式，如單母線、區(qū)域和全網(wǎng)等方式，負(fù)荷增長速 率也可任意設(shè)定，可以模擬系統(tǒng)多種運(yùn)行方式。
3. 在模擬故障后系統(tǒng)負(fù)荷增長情況時(shí)可以任意設(shè)定負(fù)荷增長的起始、結(jié)束時(shí)間。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
動(dòng)態(tài)裕度指標(biāo)物理概念清晰，具有很好的可計(jì)算性和廣泛適應(yīng)性，可以方便的計(jì)算 各種電網(wǎng)中負(fù)荷持續(xù)增長下系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定裕度。


圖1是全過程動(dòng)態(tài)仿真程序流程圖2是3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖3是母線A負(fù)荷變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以3機(jī)9節(jié)點(diǎn)簡單系統(tǒng)(接線圖如附圖2)為仿真算例，計(jì)算動(dòng)態(tài)裕度進(jìn)一步說明本 方法的實(shí)現(xiàn)步驟
1. 建立3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)計(jì)算需要的負(fù)荷模型為100%恒阻抗模型；
2. 計(jì)算準(zhǔn)備
確定系統(tǒng)負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷，負(fù)荷增長在系統(tǒng)無故障情況下，根據(jù)實(shí)際要求填寫發(fā) 電機(jī)勵(lì)磁電流保護(hù)卡和有載調(diào)壓變壓器(ULTC)動(dòng)作卡。
3. 選擇系統(tǒng)中母線A為負(fù)荷增長區(qū)域，增長速度為每秒增長正常方式下的1%，增 長時(shí)間為800秒。
4. 仿真計(jì)算
通過全過程仿真計(jì)算程序，計(jì)算無故障時(shí)3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在母線A負(fù)荷持續(xù)增長情 況下，得到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷及電壓變化曲線。(如圖3所示)
5. 分析計(jì)算
從圖3可以看出，正常情況下母線A負(fù)荷為125MW(P0)，在負(fù)荷持續(xù)增長情況下，極限功率為355MW(P1)，通過公式<formula>formula see original document page 11</formula>，計(jì)算得到動(dòng)態(tài)電壓裕度指標(biāo)
Kp=64.8%。
動(dòng)態(tài)裕度指標(biāo)計(jì)算比較方便，概念清晰，在實(shí)際電網(wǎng)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。
已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施算例描述了本發(fā)明。顯然，在閱讀和理解了上述詳細(xì)說明書后 能做出多種修正和替換。本發(fā)明意欲的是本申請構(gòu)建成包括了落入附屬的權(quán)利要求書或 其等同物的范圍之內(nèi)的所有這些修正和替換。
權(quán)利要求
1、一種衡量動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)的評估方法，其主要包括以下步驟(1)根據(jù)計(jì)算需求搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)計(jì)算需要的負(fù)荷模型，包括靜態(tài)負(fù)荷模型和感應(yīng)馬達(dá)模型；建立系統(tǒng)靜態(tài)負(fù)荷模型為其中P0為有功負(fù)荷，P1、P2、P3、P4、P5分別為恒定阻抗有功負(fù)荷比例、恒定電流有功負(fù)荷比例、恒定功率有功負(fù)荷比例、與頻率有關(guān)有功負(fù)荷比例、電壓指數(shù)相關(guān)有功負(fù)荷比例，V為系統(tǒng)實(shí)際電壓，V0為系統(tǒng)參考電壓，Δf為頻率變化量，LDP為頻率變化1％引起的有功變化百分?jǐn)?shù)，NP為有功電壓指數(shù)，無功負(fù)荷模型公式參數(shù)命名同理，上式中P1+P2+P3+P4+P5＝1，Q1+Q2+Q3+Q4+Q5＝1。；建立系統(tǒng)馬達(dá)負(fù)荷模型根據(jù)已知的電動(dòng)機(jī)定子電阻RS，電動(dòng)機(jī)定子電抗XS，激磁電抗XM，轉(zhuǎn)子電阻RR，轉(zhuǎn)子電抗XR，馬達(dá)滑差S，計(jì)算機(jī)械轉(zhuǎn)矩系數(shù)A、B、C；(2)計(jì)算準(zhǔn)備確定故障類型、故障時(shí)間，填寫相應(yīng)的故障卡；根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，填寫相應(yīng)的有載調(diào)壓變壓器(ULTC)卡、發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁限制卡和繼電保護(hù)動(dòng)作卡片，完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作；(3)按照計(jì)算要求輸入負(fù)荷增長的速率、負(fù)荷增長的時(shí)間、負(fù)荷增長的區(qū)域或母線名稱，得到其中P為負(fù)荷增長總量，ΔP為單位時(shí)間內(nèi)負(fù)荷增長量，Δt為單位時(shí)間，TEND為負(fù)荷增長持續(xù)時(shí)間，根據(jù)上述公式構(gòu)造負(fù)荷持續(xù)增長模型，通過控制ΔP和Δt的比例關(guān)系即可；(4)仿真計(jì)算a. 讀入數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，檢查參數(shù)合理性，構(gòu)成狀態(tài)變量、中間變量和參數(shù)常量與各元件的模型對應(yīng)關(guān)系，對狀態(tài)變量進(jìn)行初始化處理；b. 形成導(dǎo)納矩陣和雅可比矩陣，判別初始條件的合理性；c. 根據(jù)已填寫的故障卡修改網(wǎng)絡(luò)方程的雅可比矩陣元素，確定系統(tǒng)狀態(tài)；d. 應(yīng)用背景技術(shù)中的GEAR方法，計(jì)算GEAR法的預(yù)測項(xiàng)zm+1(0)＝Pzm計(jì)算GEAR法中的校正項(xiàng)zm+1(i+1)＝zm+1(i)+LGm+1(i)其中L為K維常數(shù)向量，m、i為正整數(shù)，根據(jù)得到的校正項(xiàng)，與微分方程和代數(shù)方程聯(lián)立求解；e. 根據(jù)計(jì)算實(shí)際情況進(jìn)行變步長處理；f. 仿真計(jì)算結(jié)束，輸出所需結(jié)果；(5)結(jié)果分析得到仿真結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從節(jié)點(diǎn)功率增長圖確定系統(tǒng)功率增長極限，根據(jù)計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)功率極限和系統(tǒng)正常情況下節(jié)點(diǎn)初始功率，由下式計(jì)算動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)Kp—?jiǎng)討B(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)(％)P0—系統(tǒng)初始功率(MW)P1—系統(tǒng)極限功率(MW)P0可以由系統(tǒng)正常運(yùn)行方式統(tǒng)計(jì)得到，P1由全過程仿真計(jì)算后由仿真分析的結(jié)果得到。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種衡量動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)的方法。動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)是求解電力系統(tǒng)在負(fù)荷以一定速率緩慢增長時(shí)，系統(tǒng)距離電壓崩潰點(diǎn)的裕度；動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定裕度考慮了系統(tǒng)中有載調(diào)壓變壓器(ULTC)、發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁限制等動(dòng)態(tài)元件的影響，可計(jì)算單節(jié)點(diǎn)、分區(qū)和全網(wǎng)等多種負(fù)荷增長方式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)裕度，為運(yùn)行人員提供了一個(gè)較直觀的表示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)距離的量度，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)距離崩潰點(diǎn)和動(dòng)態(tài)裕度呈線性關(guān)系。因此，動(dòng)態(tài)裕度指標(biāo)具有較好的實(shí)際指導(dǎo)意義。
文檔編號G01R19/00GK101387679SQ20081022244
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者孫華東, 孫渝江, 鑫 張, 張春城, 馬世英 申請人:中國電力科學(xué)研究院;重慶市電力公司