基于全过程动态仿真的安全稳定控制策略自动校核方法与流程

文档序号：11135168阅读：567来源：国知局

本发明涉及电力系统领域，具体涉及基于全过程动态仿真的安全稳定控制策略自动校核方法。

背景技术：

随着我国交直流特高压电网的逐步形成，电网运行与管理面临了前所未有的新形势和新挑战，电网过渡期安全矛盾突出，发生连锁故障的可能性不断增大。在连锁事故中，安全稳定控制系统的动作行为极为关键，是防止系统崩溃的重要防线。

电力系统仿真计算与电网的安全稳定运行密切相关，并直接影响相关决策方案。为了适应日益复杂的电力系统动态行为、不断变化的运行工况，客观上要求提高电力系统仿真精度、计算效率和分析智能化水平。

当网络结构、运行方式发生改变后，依靠工作人员的个人经验，重新验算和校核安全稳定控制策略的正确性、合理性和适应性是一项非常复杂且困难的工作。不仅如此，潮流转移可能会导致线路、变压器严重过负荷、发电机涉网保护动作等，甚至还会引起连锁故障等重大事故。由于时间跨度大，故障情形复杂，事先往往难以预计，现有的基于静态安全分析或机电暂态稳定分析的控制策略校核方法，已难以满足我国超大规模交直流电网迅速发展的要求。

为确保电力系统安全、优质和经济运行，提高系统的稳定运行水平和抵御故障能力，研究一种能根据电网实际运行情况及故障条件，实现安全稳定控制策略系统、准确和高效的全过程动态校核，对保证电力系统正常、可靠和经济运行具有十分重要的意义。

技术实现要素：
：

为了实现上述目的，本发明提供一种基于全过程动态仿真的安全稳定控制策略自动校核方法，适用于大规模电力系统稳定仿真。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

基于全过程动态仿真的安全稳定控制策略自动校核方法，所述方法包括：

(1)输入电网安全稳定控制策略表，将其自动分解为拓扑、潮流、故障和控制四个约束集，自动生成适用于全过程动态仿真的规范化控制策略模型；

(2)提取所述控制策略表各约束集的特征设备，建立特征设备表，定义全网唯一性标识；

(3)获取实际电力系统拓扑参数、初始潮流，映射到相应特征设备表中；读取动态元件参数，建立动态元件仿真模型；

(4)从电网安全稳定控制策略表中读取一条安全稳定控制策略,提取其中的拓扑约束和潮流约束，判断是否匹配相应特征设备的当前状态；若是，执行步骤(5)；否则，执行步骤(6)；

(5)设置安全稳定控制策略有效标志，开放该策略；

(6)判断所有安全稳定控制策略是否匹配完毕；如是，执行步骤(7)；否则，执行步骤(4)；

(7)根据电网安全稳定控制策略和实际电网运行规定，分别设定功角、电压、频率、断面潮流、线路和变压器的额定功率参数限制，作为校核电网安全稳定控制策略是否完备、设备运行状态是否正常的标准；

(8)选择故障集生成模式，自动生成预设故障集；

(9)依次选择预设故障集中的任意多重预设故障场景，根据故障设备、故障类型、故障位置和故障起止时间，生成全过程动态仿真故障模型；

(10)根据电网安全稳定控制策略、所选预设故障场景信息、动态元件仿真模型和初始潮流，形成故障条件下的全过程动态仿真数据；

(11)执行全过程动态仿真迭代求解，计算下一步长中各元件状态。

(12)判断是否发生故障，若有故障发生，执行步骤(13)；否则，执行步骤(18)；

(13)判别当前故障是否匹配控制策略故障约束；若两者匹配，执行步骤(14)；否则，执行步骤(15)；

(14)提取其控制约束，将相应控制措施插入事件队列；

(15)重新计算故障后状态量，作为下次迭代的初始条件；

(16)判别是否触发控制措施事件；若触发，执行步骤(17)；否则，执行步骤(18)；

(17)执行控制措施，并修改网络拓扑结构；

(18)迭代计算下一积分步长状态；

(19)判别是否已到本次全过程动态仿真结束时间；若已结束，执行步骤(20)；否则，执行步骤(11)；

(20)统计全过程动态仿真结果；评估电网安全稳定控制策略，判断系统是否失稳，系统元件有无异常工况；保存校核结果；

(21)判别是否所有预想故障场景均已校核完毕；若是，转步骤(22)；否则，执行步骤(10)；

(22)校核完毕，输出所有校核结果。

优选的，根据所述电网安全稳定控制策略的拓扑约束和潮流约束，提取表征电网运行方式的特征设备及其状态，自动生成特征设备表。

优选的，采用拓扑单元作为特征设备状态描述的工具，不同拓扑单元以“与”逻辑连接，并通过识别拓扑状态自动匹配安全稳定控制的拓扑约束；其中，所述拓扑单元的逻辑表达式为：

……

式中，S为状态标识，表征拓扑单元当前状态是否匹配；若S为真，表明拓扑约束满足条件；否则，拓扑约束不满足条件；N为该拓扑单元对应的投退方式总数；L_i为拓扑单元的k个元件构成的第i种投退组合状态，若其值为真表示该组合状态满足拓扑约束，否则，为不满足；m_j表示该拓扑单元中第j个元件投入，为真则该拓扑单元中第j个元件退出，m_k表示该拓扑单元中第k个元件投入，为真则该拓扑单元中第k个元件退出。

优选的，所述潮流约束，包括待检特征设备、动作阈值和判别逻辑；通过对相应特征设备状态和动作阈值的逻辑判别，输出相应状态；所述潮流约束可由若干约束条件构成，各约束条件以“与”逻辑方式定义潮流约束状态。

优选的，根据所述电网安全稳定控制策略、设备重要程度或用户需求形成故障信息集，选择故障设备、故障类型、故障发生和消除时间,自动生成任意多重预设故障场景。

优选的，基于初始潮流、全网动态元件及其相应的继电保护和控制系统模型，模拟发生大扰动之后的机电暂态和中长期动态过程，完成大规模电网安全稳定控制策略模型的全过程自动校核。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果：

本发明基于电网潮流数据、动态元件及其控制保护系统模型，自动生成预想故障集，可对大规模电力系统安全稳定控制策略在不同运行方式、故障条件下进行批处理、全过程动态校核。本发明解决了电力系统安全稳定控制策略长期以来缺乏系统、准确和高效的动态仿真和自动校核方法的问题，为评估和制定电网安全稳定控制策略提供了有力工具，对大规模交直流电网的安全、稳定和经济运行具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的自动校核方法流程图；

具体实施方式

1.特征设备提取

安全稳定控制策略涉及设备多，覆盖面广，地区差异大。在实际计算中，不必要也不可能对所有设备进行一一描述。为了减少计算量，需要对不同拓扑方式、潮流约束进行比较，统计出表征电网不同运行状态的特征设备。特征设备包含特征线路、特征变压器和特征机组和特征断面等。其中，特征线路、特征变压器和特征机组等用于描述电力系统实际网络结构；特征断面则为虚拟设备，是指不同电网之间由多条线路组成的输电通道。

为快速确定特征设备，统一定义10位编码，建立特征设备编码映射表，与实际设备一一对应。特征设备编码的1-2位定义为设备类型，用于区分不同类型的特征设备；3-4位为区域编码，5-6位为分区编码；7-10则为同一分区内排列序号。例如，本发明将特征线路类型定义为01，特征变压器定义为02，特征机组定义为03，特征断面定义为04等。以位于0A区第一分区某变压器为例，其区内设备编号为012，则特征设备编码可表示为：020A010012。

本发明根据输入的潮流和稳定数据，统计电网中线路、变压器、母线、负荷和发电机对象，根据当前方式下运行参数，自动生成特征设备表。该表每行数据代表一个具体特征的详细信息。其中，实际特征设备信息由相应的设备名称、投退状态和潮流信息组成，具体结合表1、表2和表3所示；

表1 线路运行参数表

表2 发电机运行参数表

表3变压器运行参数表

特征断面则定义了该断面包含的线路名称，以及由这些线路潮流计算得到的断面潮流，如表4所示。

表4 断面运行参数表；

2.安全稳定控制策略拓扑约束

安全稳定控制策略与电力系统拓扑方式密切相关，本发明采用特征设备状态来描述电网拓扑。每一种拓扑方式通常由若干拓扑约束单元共同表征，单元之间采用“与”逻辑出口。当拓扑约束单元内部可能涉及同一特征设备的不同状态时，该约束单元内的相应具体约束条件之间应采用“或”逻辑出口。

当某一特征设备实际状态与控制策略中的相应拓扑约束条件一致时，则该约束条件输出为真值；否则为假。以特征机组为例，当相应拓扑约束条件为机组投入运行时，约束条件输出为特征设备状态值；反之，若拓扑约束条件为该机组退出运行，需对特征设备状态值进行“非”逻辑运算方可得到相应约束条件输出。当拓扑约束单元的输出为真时，即所涉及特征设备状态与实际设备投退状态相同。若某一运行方式下，所有拓扑约束单元均满足，则认为该安全稳定控制策略与实际电网拓扑匹配。

一种拓扑约束有时可能涉及同一特征设备的不同状态。例如，特征断面中的支路N-1的拓扑方式。此时则应判别实际投运支路数目与拓扑约束中的支路相比较，若数目相同，则输出为真；否则，输出为假。相应的约束单元逻辑表达式定义如下：

……

下面，以A、B、C三个特征设备任意一个退出为例来说明拓扑约束单元。显然，该条件共有三种不同的拓扑结构与之对应，分别为A退出，B、C运行；B退出，A、C运行；C退出，A、B运行。令三个特征设备实际运行状态值分别为a、b、c，0表示投入，1表示退出，则上述条件可归纳为,其中，逻辑符“非”说明策略要求对应设备退出运行。若S为真，表明拓扑约束条件满足，否则拓扑约束不满足条件。

3.安全稳定控制策略潮流约束

电力系统运行方式除了电网拓扑结构，还涉及电网输送潮流。本发明的潮流约束定义了检测对象、动作阈值及判别类型。每一条控制策略的潮流约束实际上是由一系列约束条件构成，并以“与”逻辑输出。

潮流约束模型可从前述特征设备编码列表中提取相应特征设备，确定所要监测电气量，如断面潮流、线路或变压器潮流等。动作阈值用于确定所检测电气量触发安全稳定控制策略的条件。判别类型则定义了监测对象实际潮流和动作阈值之间的逻辑判别性质，实现类常开、常闭逻辑，即“>”、“<”、“>＝”或“<＝”等判别逻辑。

线路、变压器和发电机组等实际设备的潮流约束与其输送功率大小相关,特征断面则应与相应断面潮流档位相比较。若潮流处于规定的区间，则输出为真；否则，输出为假。

4.安全稳定控制策略故障约束

安全稳定控制策略是应对严重故障条件、确保电网安全稳定运行的关键措施。因此，控制策略须具体描述故障约束。故障约束由故障元件和故障类型两部分信息组成。为适任意多重故障的场景，本发明同一控制策略可对应多个故障约束条件，不同约束条件之间采用“与”逻辑出口。

故障元件信息描述了故障元件类型、设备安装地点和该元件在同类设备中的序号。这些信息用于检索故障元件，以便获得相应的电气量和开关量，进行故障识别。故障类型则包括线路的单相永久故障、单相故障跳三相、三相永久故障、三相瞬时故障，线路或变压器的无故障跳闸、母线故障、断路器失灵、直流单极闭锁、直流双极闭锁等。本发明建立的故障识别模型根据开关量信号，结合电气量变化，实现了故障信息的自动识别。

当安全稳定控制装置识别故障信息后，检索当前拓扑约束、潮流约束下有效的控制策略，并依次判别是否满足该策略下所有故障约束条件。当且仅当系统中发生预设的故障时，安全稳定控制策略才能触发相应的控制措施。故障约束的判别不受故障时刻和故障位置限制，具体定义如表5所示。

表5 安全稳定控制策略表故障约束子表

5.安全稳定控制策略控制约束

当一条控制策略满足相应拓扑约束、潮流约束和故障约束之后，即触发其控制约束，可同时控制多个对象，构成该控制策略的控制约束集。

控制约束主要包含控制对象、控制量、优先级和控制时间等信息。控制对象可定义为发电机、负荷、线路、变压器、电容器、电抗器和直流输电线路等等。控制量可按相对控制量和绝对控制进行描述。例如，按故障前母线负荷的百分比或者总量进行负荷切除操作。控制对象的优先级可由用户指定，优先级序号越小则优先级越高；否则，采用缺省模式，即根据实际容量和可切容量按容量大小对控制对象进行自动排序，并须满足最小过切原则切除。控制时间则为实际操作的发生时刻。

6.运行方式自动识别和匹配

本发明根据安全稳定控制策略的规范化描述，建立拓扑约束表、潮流约束表、故障约束表和措施约束表，并对上述约束表进行全面搜索，自动提取所有特征设备，分类形成特征线路、特征变压器、特征发电机等特征设备集，进行全网唯一性标识编码。

在读入潮流数据获取电网实际运行参数后，校核程序检索匹配特征设备表，计算相应拓扑约束、潮流约束状态值。逐一判别并统计所有控制策略的拓扑约束和潮流约束。当相应约束输出均为真值，认为当前方式即为所检测方式，开放该安全稳定控制策略，否则，闭锁策略。从而实现运行方式和安全稳定控制策略的匹配。

7.预想故障集

为了研究安全稳定控制策略在不同故障条件下的动态行为，并验证其有效性，本发明提出了三种预想故障集生成模式进行控制策略的动态仿真校核：

1)根据安全稳定控制策略表自动生成故障信息集。这种故障集生成方法通过扫描策略表，自动提取安全稳定控制策略对应的故障约束信息，生成预想故障集。这种模式主要适用于运行方式发生变化后，校核原有安全稳定控制策略是否有效合理。

2)根据设备重要程度自动生成故障信息集。采用该方法时，程序扫描实际电网运行参数表，根据事先设定的电压等级，搜索全系统该电压等级以上输电线路、变压器、发电机及高压直流输电线路等重要设备，分别批量设置N-1、N-2等故障集。这种模式侧重于校核重要设备故障时，当前安全稳定控制策略能否保证电网的稳定运行。

3)根据用户需求形成故障信息集。采用此种方法时，程序可根据用户需要设置故障设备、故障类型、故障发生及消除时间等，自动生成故障集。该模式用于校核用户关心的设备发生特定故障时，安全稳定控制策略是否满足电网安全稳定要求。

预想故障集生成模式确定后，便可由用户根据表6所示的故障信息格式设置预想故障集。其中，故障发生时刻、故障消除时刻、线路首末端开断时间均可根据用户需要设定。一个完整的预想故障集包含若干预想故障场景。每一个预想故障场景也可根据实际需求设置若干条故障信息。

表6 预想故障集的信息表

8.自动校核

本发明首先进行运行方式的自动识别，并自动匹配相应控制策略。在自动形成预想故障集后，依次选择其中一个预想故障场景，根据故障设备、故障类型和故障起止时间，自动建立起全过程仿真程序中相应的故障模型，并和原始稳定数据一起，形成不同故障条件下的稳定仿真数据，进行安全稳定控制策略全过程动态模拟。

仿真校核开始后，程序迭代求解全系统微分方程及代数方程，准确模拟各个元件的动态变化。当故障发生后，安全稳定控制策略校核软件将逐一扫描所有有效控制策略，并判别是否当前故障是否匹配故障约束中的设定故障。如果两者匹配，则执行相应的控制措施，并修改网络拓扑结构。重新计算故障后状态量，作为下次迭代的初始条件。反复进行积分计算，直至该故障场景仿真结束。

仿真结束后，还需要对其仿真结果进行数据分析，判断系统是否失稳、设备运行参数是否越限等异常现象，从而完成该故障场景下的控制策略校核结果评估。如此循环，直至完成预想故障集中的所有故障场景下的控制策略校核。

9.校核结果评估

本发明根据电力系统安全稳定导则和实际电网运行规定，分别设定功角、电压、频率、断面潮流、线路和变压器的额定功率等限制，作为校核安控策略是否完备、设备运行状态是否正常的标准。仿真结束后，需要对预想故障的仿真结果进行数据分析，判断系统是否失稳、设备运行参数是否越限等异常现象。

具体方法如下：

1)失稳判据：统计全系统最大发电机相角差。若最大相角差超过180度，可判为系统失稳，同时提示现有安全稳定控制策略在当前故障下不能满足系统安全稳定要求。

2)检索电网当前运行方式下的特征设备状态参数及其上下限值。检查仿真结果是否越限，并记录越限时刻、数值及其越限系数。其中，越限系数的计算方式如下：

式中：M为元件运行参数测量值，LimU为运行参数上限，LimD为运行参数下限，N为设备额定运行参数值。计算所有设备的越限系数，评估设备异常运行的严重程度，作为评估安全稳定控制策略效果的参考。

3)汇总并评价所有安全稳定控制策略的校核结果，输出结论。

安全稳定控制策略动作，电网未失稳，且无特征设备参数越限。该情形表明安全稳定控制策略适用；

安全稳定控制策略动作，但电网失稳。该情形表明安全稳定控制策略不足，需重新计算；

安全稳定控制策略动作，电网未失稳，但部分特征设备运行参数越限，且相应保护未动作。该情形表明控制决策需进一步优化，并应提示相应设备越限信息；

未能搜索到相应安全稳定控制策略，并导致事故后电网失稳。该情形警示安全稳定控制策略存在重大风险。

如图1所示，基于全过程动态仿真的安全稳定控制策略自动校核方法，所述方法具体包括下述步骤：