一种基于广域量测的电力系统动态稳定性评估方法

技术领域

本发明涉及电力能效管理领域，尤其涉及一种基于广域量测的电力系统动态稳定性评估 方法。

背景技术

电力系统运行时，当电力负荷需求超过系统能传输的功率极限时，会出现系统电压不稳 定，而且此不稳定状态一般维持几秒到数小时不等。不稳定的电压会引起电流、电压波形畸 变，其中仅高次谐波造成的电流畸变的危害就很巨大：高次谐波电流通过变压器，可使变压 器的铁心损耗明显增加，从而使变压器过热，缩短使用寿命；高次谐波电流通过交流电动机， 不仅会使电动机铁心损耗明显增加，而且还将会使电动机转子发生振动，严重影响机械加工 的产品质量；高次谐波对电容器的影响更为突出，含有高次谐波的电压加在电容器两端时， 由于电容器对高次谐波的阻抗很小，电容器极易因过负荷而烧坏；此外，高次谐波电流可使 电力线路的能耗增加，使计算电费的感应式电度表的计量不准确；还可能使电力系统发生电 压谐振，在线路上引起过电压攀升，有可能击穿线路设备的绝缘。高次谐波的存在，还可能 使系统的继电保护和自动装置误动或拒动，并可对附近的通信设备和线路产生信号干扰。

广域测量系统(wide area measurement systems，WAMS)由同步相量测量单 (synchronized phasormeasurement unit，PMU)和可靠高速通信网络构成，它实现了电力系统 的广域范围内发电机功角、频率、母线电压相量及开关状态等的实时监测，为在线电压安全 稳定评估提供了新的测量手段。

发明专利（申请号：200610150055.6）公开了一种电网广域测量系统(WAMS)中的广域 功角监视方法，此方法是给电力系统一个场站内多个设备的电压相量相角分配优先级，将所 有相角按优先级排列，组成相角组；但是该方法如果应用于整个电力系统，需要对每个设备 的电压相量相角进行优先级排序，过程繁琐，计算量大，不利于大规模推广。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种基于广域量测的电力系统动态稳定性评 估方法，该方法根据监测区域内电压幅值变化，对系统负荷节点及联络线节点构造单电源功 率传输等值系统，实现客观对电力系统动态稳定性进行分析、评价。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于广域量测的电力系统动态稳定性评估方法，包括以下步骤：

（1）建立电压稳定指标；

（2）监测主站，收集拓扑结构变化信息，将数据通过广域通信网发送给监测子站；

（3）各节点的监测子站接收电源管理单元测量的该节点的母线电压和源节点电压信息；

（4）计算系统电压稳定指标：各监测子站将计算的电压稳定指标通过广域通信网传递 给监测主站，监测主站计算系统电压稳定指标。

所述步骤（1）建立电压稳定指标的具体为：

建立电力系统传输功率模型：将每条电力系统的电力传输线路简化成简单电力系统传输 功率模型，其中，U_s∠θ为电源端电压，线路阻抗为Z_L=R+jX，负荷侧电压为U_r∠0，负荷功 率为则，符合有功功率和无功功率可以分别表示为：

$P=U_r[(U_S\cos \theta -U_r)\frac{R}{R^2+X^2}+U_S\sin \theta \frac{X}{R^2+X^2}]---\left(1\right)$

$Q=U_r[(U_S\cos \theta -U_r)\frac{X}{R^2+X^2}+U_S\sin \theta \frac{R}{R^2+X^2}]---\left(2\right)$

联合两式，消除cosθ和sinθ，可以解得：

${U_r}^2=(\beta \pm \sqrt{{\beta }^2-1})\sqrt{(P^2+Q^2)(R^2+X^2)}---\left(3\right)$

式中，$\beta =\frac{{U_S}^2-2\mathrm{PR}-2\mathrm{QX}}{2\sqrt{(P^2+Q^2)(R^2+X^2)}}\ge 1;$

由于则当β>1时，式(3)中的高值解对应PV曲线的上半支解，低值解对应PV 曲线的下半支解；而当β<1时，系统没有平衡点，当β=1时系统位于PV曲线的拐点；

定义符号函数sgn x为：

$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{cc}1,& x>1\\ 0,& x=1\\ -1,& x<1\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，$x=\frac{{U_r}^2}{\sqrt{P^2+Q^2}·\sqrt{R^2+X^2}};$

函数sgnx出了运行点是否工作在PV曲线上半支或下半支的信息；取负荷裕度Pmargin、 Qmargin和Smargin分别为

Pmargin=Pmax-P            (5)

Qmargin=Qmax-Q          (6)

Smargin=Smax-S          (7)

其中：Pmax为无功功率Q固定，增加有功功率P时，PV曲线拐点的功 率；Qmax为有功功率P固定，增加负荷无功功率Q时，QV曲线拐点的功率值；Smax为恒 定功率因数条件下，增加负荷S时，PV曲线拐点的负荷总量；

由系统达到功率传输极限的条件(β=1)及式(5)～(7)可知：在系统功率传输极限点，负荷 裕度Pmargin、Qmargin和Smargin同时等于0；因此，度量运行点偏离系统功率传输极限点 的距离可用其中最小值给出，定义电压稳定指标(voltage instability index，VSI)为：

$I_{\mathrm{VSI}}=\mathrm{sgnx}·\min \left(\right|\frac{P_{m\arg \mathrm{in}}}{P_{\max }}|,|\frac{Q_{m\arg \mathrm{in}}}{Q_{\max }}|,|\frac{S_{m\arg \mathrm{in}}}{S_{\max }}\left|\right)---\left(8\right)$

所述步骤（3）具体为：节点j的监测子站接收到电源管理单元测量到的节点j母线电压 及源节点电压信息后，按单电源功率传输等值系统模型计算函数sgn x_j、功率极限Pmax_j、Qmax_j和Smax_j、功率裕度Pmargin_j、Qmargin_j和Smargin_j及电压稳定功率裕度指标。

所述步骤（4）中，监测主站计算系统电压稳定指标根据以下公式：

$I_{\mathrm{VSI},\mathrm{sys}}=\underset{j\in L}{\min }\left\{I_{{\mathrm{VSI}}_j}\right\}---\left(9\right)$

上述评估方法适用于电力系统监控系统，此种电力监控系统包括监控主站、广域通信网、 监控子站和监控设备，其中，监控子站接受监控设备测量的拓扑变化值，通过广域通信网传 输给监控主站。

本发明的有益效果为：通过预测负荷节点最大传输功率和监测系统运行点的运行区域， 提出了一种监测电压稳定的局部指标方法，并利用广域测量系统，将它应用于在线电压稳定 监测，克服了基于参数辨识的指标不能对联络节点进行电压稳定评估及线路指标在线应用时 等值电源的电压幅值相对于被监控母线的电压幅值有强耦合的缺陷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1、监控子站；2、监控主站；3、监控设备；4、广域通信网。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于广域量测的电力系统动态稳定性评估方法，包括以下步骤：

（1）建立电压稳定指标；

（2）监测主站，收集拓扑结构变化信息，将数据通过广域通信网发送给监测子站；

（3）各节点的监测子站接收电源管理单元测量的该节点的母线电压和源节点电压信息；

（4）计算系统电压稳定指标：各监测子站将计算的电压稳定指标通过广域通信网传递 给监测主站，监测主站计算系统电压稳定指标。

所述步骤（1）建立电压稳定指标的具体为：

建立电力系统传输功率模型：将每条电力系统的电力传输线路简化成简单电力系统传输 功率模型，其中，U_s∠θ为电源端电压，线路阻抗为Z_L=R+jX，负荷侧电压为U_r∠0，负荷功 率为则，符合有功功率和无功功率可以分别表示为：

$P=U_r[(U_S\cos \theta -U_r)\frac{R}{R^2+X^2}+U_S\sin \theta \frac{X}{R^2+X^2}]---\left(1\right)$

$Q=U_r[(U_S\cos \theta -U_r)\frac{X}{R^2+X^2}+U_S\sin \theta \frac{R}{R^2+X^2}]---\left(2\right)$

联合两式，消除cosθ和sinθ，可以解得：

${U_r}^2=(\beta \pm \sqrt{{\beta }^2-1})\sqrt{(P^2+Q^2)(R^2+X^2)}---\left(3\right)$

式中，$\beta =\frac{{U_S}^2-2\mathrm{PR}-2\mathrm{QX}}{2\sqrt{(P^2+Q^2)(R^2+X^2)}}\ge 1.$

由于则当β>1时，式(3)中的高值解对应PV曲线的上半支解，低值解对应PV 曲线的下半支解；而当β<1时，系统没有平衡点，当β=1时系统位于PV曲线的拐点；

定义符号函数sgn x为：

$\mathrm{sgnx}=\left(\begin{array}{cc}1,& x>1\\ 0,& x=1\\ -1,& x<1\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，$x=\frac{{U_r}^2}{\sqrt{P^2+Q^2}·\sqrt{R^2+X^2}}$

函数sgnx出了运行点是否工作在PV曲线上半支或下半支的信息；取负荷裕度Pmargin、 Qmargin和Smargin分别为

Pmargin=Pmax-P         (5)

Qmargin=Qmax-Q        (6)

Smargin=Smax-S         (7)

其中：Pmax为无功功率Q固定，增加有功功率P时，PV曲线拐点的功 率；Qmax为有功功率P固定，增加负荷无功功率Q时，QV曲线拐点的功率值；Smax为恒 定功率因数条件下，增加负荷S时，PV曲线拐点的负荷总量。

由系统达到功率传输极限的条件(β=1)及式(5)～(7)可知：在系统功率传输极限点，负荷 裕度Pmargin、Qmargin和Smargin同时等于0；因此，度量运行点偏离系统功率传输极限点 的距离可用其中最小值给出，定义电压稳定指标(voltage instability index，VSI)为：

$I_{\mathrm{VSI}}=\mathrm{sgnx}·\min \left(\right|\frac{P_{m\arg \mathrm{in}}}{P_{\max }}|,|\frac{Q_{m\arg \mathrm{in}}}{Q_{\max }}|,|\frac{S_{m\arg \mathrm{in}}}{S_{\max }}\left|\right)---\left(8\right)$

步骤（3）具体为：节点j的监测子站接收到电源管理单元测量到的节点j母线电压及源 节点电压信息后，按单电源功率传输等值系统模型计算函数sgn x_j、功率极限Pmax_j、Qmax_j和 Smax_j、功率裕度Pmargin_j、Qmargin_j和Smargin_j及电压稳定功率裕度指标。

步骤（4）中，监测主站计算系统电压稳定指标根据以下公式：

$I_{\mathrm{VSI},\mathrm{sys}}=\underset{j\in L}{\min }\left\{I_{{\mathrm{VSI}}_j}\right\}---\left(9\right)$

如图1所示：上述评估方法适用于电力系统监控系统，此种电力监控系统包括监控主站2、 监控子站1、广域通信网4和监控设备3，监控子站1接受监控设备3测量的拓扑变化值，通过 广域通信网4传输给监控主站2。

本发明通过预测负荷节点最大传输功率和监测系统运行点的运行区域，提出了一种监测 电压稳定的局部指标方法，并利用广域测量系统，将它应用于在线电压稳定监测，克服了基 于参数辨识的指标不能对联络节点进行电压稳定评估及线路指标在线应用时等值电源的电压 幅值相对于被监控母线的电压幅值有强耦合的缺陷。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。