一種基于電壓軌跡特征的暫態(tài)穩(wěn)定識別方法

孫應畢

摘要：本文提出了一種基于電壓軌跡特征的暫態(tài)穩(wěn)定識別方法。首先通過WAMS系統(tǒng)采集電力系統(tǒng)某一時刻中母線節(jié)點的電壓信息，根據(jù)電壓值是否有突變判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障，則選取電壓下降最快的母線作為觀測點;然后選取發(fā)電機功角差最大的兩臺機組，并計算觀測點分別到兩臺機組的電氣距離;最后根據(jù)觀測點電壓的歷史數(shù)據(jù)，預測未來的電壓，根據(jù)觀測點的電壓的最小值與電氣距離的關系判斷系統(tǒng)是否發(fā)生功角失穩(wěn)。通過在電力系統(tǒng)模型上仿真表明，本文提出的方法可以運用于電力系統(tǒng)中的暫態(tài)穩(wěn)定識別。

Abstract： This paper proposes a transient stability identification method based on voltage trajectory features. Firstly， the WAMS system collects the voltage information of the bus node at a certain moment in the power system， and judges whether the power system is faulty according to whether the voltage value has a sudden change. If a fault occurs， the bus with the fastest voltage drop is selected as the observation point; then the generator is selected. The two units with the largest power angle difference calculate the electrical distance from the observation point to the two units. Finally， based on the historical data of the observation point voltage， the future voltage is predicted， and whether the system has a power angle instability is judged according to the relationship between the minimum value of the voltage at the observation point and the electrical distance. Simulations on the power system model show that the proposed method can be applied to transient stability identification in power systems.

關鍵詞： 電力系統(tǒng);暫態(tài)穩(wěn)定;電壓軌跡

Key words： electric power system;transient stability;voltage trajectory

中圖分類號：TM712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0244-02

0? 引言

暫態(tài)不穩(wěn)定性仍然是現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨的最大威脅之一。有效的實時暫態(tài)穩(wěn)定性預測和應急控制至關重要。傳統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制策略主要采用“離線制定策略表，實時匹配”的控制方法[1]。而系統(tǒng)模型和參數(shù)存在一些偏差，從而影響計算結果的精度。目前，常用的暫態(tài)穩(wěn)定分析方法有時域仿真[2]、基于李雅普諾夫能量函數(shù)的直接法[3]、及以人工智能算法[4]為指導的暫穩(wěn)分析方法等。在這些方法中，時域仿真法是最準確的，具有標準性，可作為其它方法好壞的評判標準。在國內(nèi)研究中，直接法主要是以薛禹勝院士研究的擴展等面積為代表，該方法需要把發(fā)電機進行分群，具有良好的運用特性。近些年來，由于人工智能的發(fā)展，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等為代表的分析方法也得到發(fā)展。

隨著廣域測量系統(tǒng)（WAMS）的廣泛應用[5]，基于PMU / WAMS的實時電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定性識別已成為熱點研究課題之一?；陔妷很壽E特征的暫態(tài)穩(wěn)定識別方法只需要電壓最低的母線節(jié)點的電壓信息，通過預測節(jié)點電壓的最小值，并與觀測點到最大功角差的兩臺發(fā)電機的電氣距離關系進行比較，即可判斷系統(tǒng)是否發(fā)生功角失穩(wěn)。

1? 電力系統(tǒng)電壓軌跡特征模型

在t時刻，通過WAMS系統(tǒng)實時采集電力系統(tǒng)第i臺發(fā)電機的功角δi、以及第q個母線節(jié)點的電壓Vq。根據(jù)提取到的發(fā)電機信息，判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障，如果沒有發(fā)生故障則繼續(xù)檢測系統(tǒng)，如果發(fā)生故障對所有發(fā)電機按功角和所有母線節(jié)點電壓從大到小進行排序。判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障用以下公式：

其中t為采樣時刻;T為采樣周期;V（t）為t時刻的母線節(jié)點電壓;V（t-T）為（t-T）時刻的母線節(jié)點電壓;V（t-2T）為（t-2T）時刻的母線節(jié)點電壓;k為經(jīng)驗值，一般取10。

當識別到系統(tǒng)發(fā)生故障時，選取電壓最小的母線節(jié)點作為觀測點。選取發(fā)電機功角最大與最小的兩臺機組，并計算觀測點到兩臺機組的電氣距離。通過歷史的最大發(fā)電機功角差和最低母線節(jié)點電壓的數(shù)據(jù)，對未來的電壓進行預測：（2）

其中：t為時間，a1、a2、a3、a4用歷史數(shù)據(jù)通過最小二乘法辨識得到。

對于含有負荷和發(fā)電機的系統(tǒng)可以建立如圖1所示的模型，其中，E1、Z1和E2、Z2分別為發(fā)電機1側和發(fā)電機2側的電勢和阻抗，P、Q分別為負荷的有功功率和無功功率。

根據(jù)戴維南等值定理，負荷點端口以外的電路，可以用一個電壓源和電阻等效置換，負荷點的電勢經(jīng)過戴維南等值后為：

其中：Vmin為觀測點通過預測得到的最小電壓幅值;Z1、Z2分別為觀測點到最大發(fā)電機功角差的兩臺機組的電氣距離。

2? 建立系統(tǒng)仿真

為了驗證本文提出的基于電壓軌跡特征的暫態(tài)穩(wěn)定性識別方法，應用中國電科院的BPA程序在IEEE10機39節(jié)點系統(tǒng)上對不同地點發(fā)生相同故障以及相同故障持續(xù)時間不一樣等情況進行仿真，計算步長為0.01s，發(fā)電機用二階模型，建立模型如圖2所示。

設置故障1為母線26至母線29所連線路0s時發(fā)生三相短路故障，0.20s切除該線路。

步驟S1、在t時刻，通過WAMS系統(tǒng)實時采集電力系統(tǒng)第i臺發(fā)電機的功角以及第q個母線節(jié)點的電壓。i=1、2、3…n，n為電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機的臺數(shù)。發(fā)電機功角如圖3所示，通過時域仿真可知，系統(tǒng)的功角是穩(wěn)定的。各節(jié)點母線電壓如圖4所示，運用本文的方法進行判斷，后續(xù)步驟如下。

步驟S2、判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，根據(jù)公式（1）可知系統(tǒng)在0s發(fā)生故障。

步驟S3、根據(jù)圖4，電壓幅值最小的母線節(jié)點為38，功角差最大的發(fā)電機分別為38和30號機組。所以選取母線節(jié)點38為觀測點，觀測點到兩臺發(fā)電機組的電氣距離。

步驟S4、0.28s識別到可以進入電壓預測，因此通過歷史的最大發(fā)電機功角差和最低母線節(jié)點電壓的數(shù)據(jù)，對未來的電壓進行預測，預測得到的結果為：

步驟S5、判斷系統(tǒng)是否發(fā)生功角失穩(wěn)：預測得到的電壓最小值在0.81，大于0.4，因此可以判斷系統(tǒng)穩(wěn)定。

3? 結論

①本文提出的一種基于電壓軌跡特征的暫態(tài)穩(wěn)定識別方法，根據(jù)電壓軌跡的特征判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后進行暫態(tài)穩(wěn)定識別。該方法無需進行發(fā)電機快速分群，不需要計算系統(tǒng)慣量中心，可以實時在線判斷電力系統(tǒng)任意擺暫態(tài)穩(wěn)定性問題。②本發(fā)明基于受擾最嚴重測點進行電壓軌跡實時預測，計算方法簡單，預測精度高，可用于系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)預警，進一步提高失穩(wěn)判別的時效性，盡可能減少后續(xù)控制措施付出的代價。

參考文獻：

[1]呂志來，張保會.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制現(xiàn)狀與展望[J].中國電力，1999（12）：48-50.

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[3]汪小明，劉滌塵，吳軍，等.基于能量函數(shù)法的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析[J].電網(wǎng)技術，2011，35（8）：114-118.

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[5]段剛，嚴亞勤，謝曉冬，等.廣域相量測量技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2015（1）：3-80.