多种稳定问题的矩阵式量化指标计算及交直流协调控制方法与流程

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说本发明涉及多种稳定问题的矩阵式量化指标计算及交直流协调控制策略。

背景技术：

目前，大区电网互联、特高压交直流输电、远距离大容量资源能源的电网结构使得电网特性发生极大改变，为了把握主导因素，稳定问题的研究倾向于将功角、电压和频率问题孤立起来。目前电网的稳控措施大多数也是针对单个稳定问题，如功角稳定下采用切机，甩负荷，电压稳定下采用低压减载，频率稳定问题下则采用低频减载或高周切机等。

有关于多种稳定问题的研究集中在功角、电压稳定的关联特性及主导失稳因素识别，基于响应信息监测系统功角、电压稳定相关变量变化并制定相应紧急控制方案，但未考虑功角或电压稳定问题对频率安全的影响，大容量直流闭锁、机组跳闸或突增大量负荷等情况下系统有功功率不平衡，极易引发第三道防线动作。系统电压、功角、频率等稳定性，反映的是电力系统稳定性的一个侧面，它们之间并没有明确的界线。随着交直流互联电网耦合越来越紧密，某些系统动态场景下若仍孤立地去研究功角、电压、频率问题，难以准确把握系统特性和形成准确可靠的控制策略，且无法有效识别或判断对一类稳定问题施加的控制措施是否会对另一类稳定问题引发负效应。

目前交直流协调控制技术搜索方法是基于功角-电压-频率递进穷举式算法，即首先执行功角稳定性判别及控制，满足功角稳定前提下进行电压稳定性判别及控制，最后进行频率稳定控制。控制目标仍然是单一稳定控制，搜索到的结果为单一稳定问题局部解+另一单一稳定局部解等。这种控制策略搜索算法对大多数主导稳定问题或单一稳定问题适应性较强，而对复杂多种稳定问题共存工况，会出现控制负效应，如执行功角控制恶化电压、低频，使得进入电压、频率稳定控制时效果不佳，反而需要匹配更多其他控制量。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了提高对多种稳定问题控制负效应及超调现象识别能力，掌握复杂稳定问题下系统暂态稳定紧急控制策略，为暂态稳定紧急控制提供技术基础，给出一种解决多种稳定问题的矩阵式量化指标计算及交直流协调控制方法。该方法通过典型扰动下的时域仿真结果，进行功角稳定、电压稳定、频率稳定指标量化并赋予权重进行加权，掌握不同类型控制措施下多种稳定量化指标变化规律，制定对多种稳定问题均有效的控制措施搜索路径，减少逐一试探搜索次数，控制措施搜索结果可以间接判断系统存在的主导稳定问题，提高紧急控制可靠性。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)对交直流线路的典型扰动进行系统暂态稳定时域仿真，基于eeac方法计算系统稳定裕度含功角稳定裕度ηδ、电压稳定裕度ηv以及频率稳定裕度ηf；定义多种稳定问题为ηδ、ηv以及ηf至少存在一个小于0；

2)针对各个控制措施，基于摄动方法求取各控制措施的多种稳定问题量化指标，所述多种稳定问题量化指标包括功角稳定量化指标lδ、电压稳定量化指标lv和频率稳定量化指标lf，其中：

功角稳定量化指标lδ，为基于eeac理论及暂态动能改善的功角稳定问题量化指标，表示为：

式中：s为临界群机组集；a为余下群机组集，σs为临界群机组s的参与因子；es为无控制措施下系统dsp点处对应的机组s的绝对暂态动能；es'为相应控制措施施加后原dsp点处对应的机组s的绝对暂态动能；σa为余下群机组a的参与因子；ea为无控制措施下系统dsp点处对应的机组a的绝对暂态动能；ea'为相应控制措施施加后原dsp点处对应的机组a的绝对暂态动能；

电压稳定量化指标lv，为基于摄动灵敏度的电压稳定问题量化指标，表示为：

式中：bv为暂态电压安全稳定薄弱节点总数；ηv.j为第j个暂态电压安全稳定薄弱节点的暂态电压安全稳定裕度；sq.j为当前运行状态下相应控制措施对第j个暂态电压薄弱节点电压的无功电压灵敏度；

频率稳定量化指标lf，为基于摄动灵敏度的频率稳定问题量化指标，表示为：

式中：bf为暂态频率跌落安全薄弱节点总数；ηf.t为第t个暂态频率跌落安全薄弱节点的暂态频率跌落安全裕度；zg.t为相应控制措施与第t个暂态频率跌落安全薄弱节点间的电气距离；sp.t为当前运行状态下相应控制措施对第t个暂态频率薄弱节点的频率改善灵敏度；

3)计算多种稳定问题的稳定裕度的权重系数，所述多种稳定问题的稳定裕度的权重系数为功角稳定权重系数λδ、电压稳定权重系数λv以及频率稳定权重系数λf；

4)计算多种稳定问题的矩阵式量化评价指标其中n为控制措施的总数，l⁽¹⁾,l⁽²⁾,...,l⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施的多种稳定问题量化加权指标；

5)判断矩阵式量化评价指标对多种稳定问题的有效性，对多种稳定问题的矩阵式量化指标优化排序，制定交直流协调控制策略，直到系统安全稳定。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中，λδ、λv、λf的具体计算方法是：

式中：-100％≤ηδ、ηv、ηf≤100％，且ηδ、ηv、ηf不同时为100％。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中，多种稳定问题的矩阵式量化指标l的计算方法如下：

式中：lδ⁽¹⁾,lδ⁽²⁾,...,lδ⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的功角稳定量化指标，满足lδ⁽¹⁾+lδ⁽²⁾+...lδ⁽ⁿ⁾＝1；lv⁽¹⁾,lv⁽²⁾,...,lv⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的电压稳定量化指标，满足lv⁽¹⁾+lv⁽²⁾+...lv⁽ⁿ⁾＝1；lf⁽¹⁾,lf⁽²⁾,...,lf⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的频率稳定量化指标，满足lf⁽¹⁾+lf⁽²⁾+...lf⁽ⁿ⁾＝1；

各控制措施规格化后的功角稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lδ⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的功角稳定量化指标，lδⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的功角稳定量化指标；

各控制措施规格化后的电压稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lv⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的电压稳定量化指标，lvⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的电压稳定量化指标；

各控制措施规格化后的频率稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lf⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的频率稳定量化指标，lfⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的频率稳定量化指标。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤5)具体包括以下步骤：

5-1)针对各控制措施，将相同类型的控制措施归为一类，然后对于每一类的控制措施，以该类的各个控制措施相应的控制措施量为横坐标，分别以规格化后的功角稳定量化指标、电压稳定量化指标和频率稳定量化指标为纵坐标，在二维坐标轴上绘制该类控制措施的功角点序列、电压点序列和频率点序列，利用最小二乘法对三个点序列进行分段线性拟合，并定义该类控制措施的多稳定问题影响因子矩阵为：

其中：kδ为该类控制措施的多稳定问题的功角影响因子矩阵，m为对该类控制措施的功角点序列分段线性拟合后的线段总数，kδ⁽¹⁾,kδ⁽²⁾,...,kδ^(m)为对该类控制措施的功角点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；kl为该类控制措施的多稳定问题的电压影响因子矩阵，l为对该类控制措施的电压点序列分段线性拟合后的线段总数，kv⁽¹⁾,kv⁽²⁾,...,kv^(l)为对该类控制措施的电压点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；kf为该类控制措施的多稳定问题的频率影响因子矩阵，k为对该类控制措施的频率点序列分段线性拟合后的线段总数，kf⁽¹⁾,kf⁽²⁾,...,kf^(k)为对该类控制措施的频率点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；

所述功角点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的功角稳定量化指标的点序列；

所述电压点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的电压稳定量化指标的点序列；

所述频率点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的频率稳定量化指标的点序列；

kδ、kl和kf统称为多稳定问题影响因子矩阵；

若该类控制措施的某个多稳定问题影响因子矩阵中任意项均大于0，则该类的控制措施对该种稳定问题有效；若该类控制措施的某个多稳定问题影响因子矩阵中某项小于0，则该类控制措施对该种稳定问题在相应拟合线段对应的控制措施量下为负效应；

5-2)进行控制措施排序：首先去除多种稳定问题量化指标中单项为负或多稳定问题影响因子矩阵存在负项的相应类型的控制措施，优先选择多种稳定问题量化指标中单项以及多种稳定问题量化加权指标均大于其他控制措施的控制措施；

如果仅存在对某种稳定问题有效而对其余稳定问题具有负效应的相应类型的控制措施，则根据多稳定问题影响因子矩阵中各项的变化规律判断是否采取单一控制类型或组合控制类型；

5-3)定义为交直流协调控制目标函数为：

式中，j为控制费用最小目标函数，c为各控制措施的控制代价向量，u为各控制措施相应的控制措施量向量，l为多种稳定问题的矩阵式量化指标；

按照多种稳定问题控制措施优化排列顺序形成系统稳定裕度均大于0的交直流协调控制方案，并以目标函数最小确定最佳方案，直到系统安全稳定。

本发明的有益效果如下：本发明根据不同类型控制措施时系统功角、电压、频率稳定裕度量化信息及多稳定问题影响因子变化规律，识别控制措施对多种稳定问题的有效性。基于控制措施与多种稳定问题之间的关联关系，在配置安全稳定控制措施时，优先选取能综合改善多种稳定问题的控制措施，对单一稳定问题影响因子较大的控制措施间考虑协调控制，避免对某一稳定问题有效的控制措施对另外一个稳定问题造成负效应。在相关控制策略制定时避免功角-电压-频率迭代穷举式搜索，简化控制方案。可见，本发明有利于电力系统调度运行人员把握系统内在运行规律，制定电网调度运行交直流协调的控制决策，从而提升控制的有效性和自动化水平。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，其步骤如图1所示。

图1中步骤1描述的是，对交直流线路的典型扰动进行系统暂态稳定时域仿真，基于eeac方法计算系统稳定裕度含功角稳定裕度ηδ、电压稳定裕度ηv以及频率稳定裕度ηf；定义多种稳定问题为ηδ、ηv以及ηf至少存在一个小于0。

图1中步骤2描述的是，针对各个控制措施，基于摄动方法求取各控制措施的多种稳定问题量化指标，所述多种稳定问题量化指标包括功角稳定量化指标lδ、电压稳定量化指标lv和频率稳定量化指标lf，其中：

功角稳定量化指标lδ，为基于eeac理论及暂态动能改善的功角稳定问题量化指标，表示为：

式中：s为临界群机组集；a为余下群机组集，σs为临界群机组s的参与因子；es为无控制措施下系统dsp点处对应的机组s的绝对暂态动能；es'为相应控制措施施加后原dsp点处对应的机组s的绝对暂态动能；σa为余下群机组a的参与因子；ea为无控制措施下系统dsp点处对应的机组a的绝对暂态动能；ea'为相应控制措施施加后原dsp点处对应的机组a的绝对暂态动能；

电压稳定量化指标lv，为基于摄动灵敏度的电压稳定问题量化指标，表示为：

式中：bv为暂态电压安全稳定薄弱节点总数；ηv.j为第j个暂态电压安全稳定薄弱节点的暂态电压安全稳定裕度；sq.j为当前运行状态下相应控制措施对第j个暂态电压薄弱节点电压的无功电压灵敏度；

频率稳定量化指标lf，为基于摄动灵敏度的频率稳定问题量化指标，表示为：

式中：bf为暂态频率跌落安全薄弱节点总数；ηf.t为第t个暂态频率跌落安全薄弱节点的暂态频率跌落安全裕度；zg.t为相应控制措施与第t个暂态频率跌落安全薄弱节点间的电气距离；sp.t为当前运行状态下相应控制措施对第t个暂态频率薄弱节点的频率改善灵敏度。

图1中步骤3描述的是，计算多种稳定问题的稳定裕度的权重系数，所述多种稳定问题的稳定裕度的权重系数为功角稳定权重系数λδ、电压稳定权重系数λv以及频率稳定权重系数λf：

式中：-100％≤ηδ、ηv、ηf≤100％。由于所研究的是系统存在为一种或以上的稳定问题，ηδ、ηv、ηf不同时为100％。

图1中步骤4描述的是，计算多种稳定问题的矩阵式量化评价指标其中n为控制措施的总数，l⁽¹⁾,l⁽²⁾,...,l⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施的多种稳定问题量化加权指标：

式中：lδ⁽¹⁾,lδ⁽²⁾,...,lδ⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的功角稳定量化指标，满足lδ⁽¹⁾+lδ⁽²⁾+...lδ⁽ⁿ⁾＝1；lv⁽¹⁾,lv⁽²⁾,...,lv⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的电压稳定量化指标，满足lv⁽¹⁾+lv⁽²⁾+...lv⁽ⁿ⁾＝1；lf⁽¹⁾,lf⁽²⁾,...,lf⁽ⁿ⁾分别表示各控制措施规格化后的频率稳定量化指标，满足lf⁽¹⁾+lf⁽²⁾+...lf⁽ⁿ⁾＝1；

各控制措施规格化后的功角稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lδ⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的功角稳定量化指标，lδⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的功角稳定量化指标；

各控制措施规格化后的电压稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lv⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的电压稳定量化指标，lvⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的电压稳定量化指标；

各控制措施规格化后的频率稳定量化指标按以下公式计算：

其中：lf⁽ⁱ⁾为第i个控制措施规格化后的频率稳定量化指标，lfⁱ为步骤2)中计算出的第i个控制措施的频率稳定量化指标。

矩阵式量化评价指标反应不同类型的控制措施对解决功角稳定问题、电压稳定问题、频率稳定问题的改善效果。

图1中步骤5描述的是，判断矩阵式量化评价指标对多种稳定问题的有效性，对多种稳定问题的矩阵式量化指标优化排序，制定交直流协调控制策略，直到系统安全稳定。具体包括以下步骤：

图1中步骤5-1描述的是，针对各控制措施，将相同类型的控制措施归为一类，然后对于每一类的控制措施，以该类的各个控制措施相应的控制措施量为横坐标，分别以规格化后的功角稳定量化指标、电压稳定量化指标和频率稳定量化指标为纵坐标，在二维坐标轴上绘制该类控制措施的功角点序列、电压点序列和频率点序列，利用最小二乘法对三个点序列进行分段线性拟合，并定义该类控制措施的多稳定问题影响因子矩阵为：

其中：kδ为该类控制措施的多稳定问题的功角影响因子矩阵，m为对该类控制措施的功角点序列分段线性拟合后的线段总数，kδ⁽¹⁾,kδ⁽²⁾,...,kδ^(m)为对该类控制措施的功角点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；kl为该类控制措施的多稳定问题的电压影响因子矩阵，l为对该类控制措施的电压点序列分段线性拟合后的线段总数，kv⁽¹⁾,kv⁽²⁾,...,kv^(l)为对该类控制措施的电压点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；kf为该类控制措施的多稳定问题的频率影响因子矩阵，k为对该类控制措施的频率点序列分段线性拟合后的线段总数，kf⁽¹⁾,kf⁽²⁾,...,kf^(k)为对该类控制措施的频率点序列分段线性拟合后的各线段的斜率；

所述功角点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的功角稳定量化指标的点序列；

所述电压点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的电压稳定量化指标的点序列；

所述频率点序列是指该类的各个控制措施相应的控制措施量与各个控制措施规格化后的频率稳定量化指标的点序列；

kδ、kl和kf统称为多稳定问题影响因子矩阵；

若该类控制措施的某个多稳定问题影响因子矩阵中任意项均大于0，则该类的控制措施对该种稳定问题有效；若该类控制措施的某个多稳定问题影响因子矩阵中某项小于0，则该类控制措施对该种稳定问题在相应拟合线段对应的控制措施量下为负效应。

负效应是由超调所引起的控制负效应，因此制定交直流协调控制方案时要注意考虑这一因素，尽量避免超过最大正效应控制量。

图1中步骤5-2描述的是，进行控制措施排序：首先去除多种稳定问题量化指标中单项为负或多稳定问题影响因子矩阵存在负项的相应类型的控制措施，优先选择多种稳定问题量化指标中单项以及多种稳定问题量化加权指标均大于其他控制措施的控制措施；

如果仅存在对局部稳定问题有效而对其余稳定问题局部负效应的相应类型的控制措施，则根据影响因子矩阵中各项的变化规律判断是否采取单一控制类型或组合控制类型。

如果仅存在对局部稳定问题有效而对其余稳定问题局部负效应的相应类型的控制措施，则根据影响因子矩阵中各项的变化规律判断是否采取单一控制类型或组合控制类型。

图1中步骤5-3描述的是，定义为交直流协调控制目标函数为：

式中，j为控制费用最小目标函数，c为各控制措施的控制代价向量，可根据工程经验定义；u为各控制措施相应的控制措施量向量，l为多种稳定问题的矩阵式量化指标向量；

按照多种稳定问题控制措施优化排列顺序形成系统稳定裕度均大于0的交直流协调控制方案，并以目标函数最小确定最佳方案，直到系统安全稳定。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。