专利名称：一种衡量动态电压稳定裕度指标的方法
技术领域：
本发明涉及一种衡量动态电压稳定裕度指标的方法，属于电力系统的模拟与计算领域。
背景技术：
随着电压稳定研究工作的进展，仿真工具和建模工作逐步完善，我国电网运行和规 划部门非常关注中长期电压稳定的仿真研究工作，《电力系统安全稳定导则》中也明确 将动态电压稳定的校核研究列为深化稳定计算的重要内容。
衡量系统稳定性多采用裕度指标，所谓裕度指标是指从系统给定运行状态出发，按 照某种模式，通过负荷增长或传输功率的增长逐步逼近电压崩溃点，系统当前运行点到 电压崩溃点的距离可作为电压稳定程度的指标。传统的静态负荷裕度是基于连续潮流法， 从当前工作点出发，随负荷不断增加，依次求解潮流，直到通过临界点，从而得到节点 PU曲线求得负荷裕度。但是静态电压分析方法基于稳态潮流方程或扩展潮流方程，忽略
了电力系统动态调节因素的作用，用代数方程描述系统的行为，判断系统在小扰动下维 持电压稳定的能力，因此得到的结果偏于保守。
裕度指标具有以下优点能给运行人员提供一个较直观的表示系统当前运行点到电 压崩溃点距离的量度；系统运行点到电压崩溃点的距离与裕度指标的大小呈线性关系； 可以比较方便地计及过渡过程中各种因素如约束条件、发电机的有功分配、负荷增长方 式等的影响。
计算裕度指标时，网络中各负荷节点的功率可以按照任意方式增长，以逼近崩溃点， 为了简化计算，常假设负荷功率以下述四种方式增长
(1) 单负荷节点的有功功率和/或无功功率增加，其他负荷节点的功率保持不变；
(2) 选定区域的负荷节点的有功和/或无功功率增加，其他负荷几点功率保持不变；
(3) 某一选定区域的负荷节点的有功和/或无功功率增加，而另一选定区域的负荷节
点的有功功率和/或无功功率减少，其他负荷节点功率保持不变； (4)全部负荷节点的有功功率和/或无功功率同时增加。
动态电压稳定裕度指标是求解电力系统在负荷以一定速率缓慢增长时，系统距离电 压崩溃点的裕度；动态电压稳定裕度考虑了系统中有载调压变压器(ULTC)、发电机过励 磁限制等动态元件的影响，可计算单节点、分区和全网等多种负荷增长方式下系统的动 态裕度，为运行人员提供了一个较直观的表示系统当前运行点到电压崩溃点距离的量度， 系统运行点距离崩溃点和动态裕度呈线性关系。因此，动态电压稳定裕度指标具有较好 的实际指导意义。
电力系统全过程动态仿真是指将电力系统机电暂态、中期和长期过程有机的统一起 来进行数宇仿真。它描述了电力系统受到扰动之后整个连续的动态过程。全过程动态仿 真程序的微分代数方程算法釆用变阶变步长的GEAR法，网络方程与微分方程联立求解。
GEAR法的主要计算步骤如下
对于1阶微分方程，
1 =飼
(1)定义Nordsieck向量^ ，它是用前一步的高阶导数/、 /…等来代替前几步的^
或/(y，0数据。即
(2)预测
(3)校正
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Z为尺维常数向量，G^^/0^,)-Z A《 ), (4)截断误差
《阶方法第m步的截断误差是
其中&+1与阶有关的常数。VZ^是第附步计算所得的Zm与前一步的Z叭,这两个
向量的最后一个分量相减的值。
仿真中常使用相对误差，即要求每步的相对误差小于事先规定的一个值f。 -<formula>formula see original document page 7</formula>
其中&ax为积分到这一步时已出现过的y的最大值，但在开始积分时，若y二o，则
在微分方程组的情况下，少不止一个，假设共有N个变量y(l),:K2)，…;;(A0，则相 对误差定义为
少(_/)max
e^s。，则认为这一步有效，转入下步，并考虑变阶、变步长。
e^e。，则认为这一步无效，变阶、变步长，重新计算。
(5)变阶、变步长控制 每步积分完成之后，程序分别估计当前阶、升阶和降阶之后的变量的截断误差。通 过一定的策略，决定下一步计算时的阶次和步长。不变阶仅变步长时的公式如下
1
新步长是<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>
发明内容
本发明经过研究分析后，基于中国电力科学研究院系统所电力系统分析软件一电力 系统全过程动态仿真程序，提出了动态电压稳定裕度指标。该指标在重庆电网电压稳定 研究中得到了应用，取得了较好的效果。
现有的电力系统电压稳定裕度的求解方法大多不能考虑系统中动态元件的影响，特
别是有载调压变压器(ULTC)、发电机励磁限制等动作时间较长的保护环节，因此，基于 电力系统全过程动态仿真程序计算的动态电压稳定裕度指标，该指标更加贴近实际系统 的运行情况。
参照图1，动态电压稳定裕度指标在电力系统全过程动态仿真程序的实现方法如下:
(1)根据计算需求搭建网络拓扑结构，建立系统计算需要的负荷模型，包括静态负 荷模型和感应马达模型；
建立系统静态负荷模型为-
<formula>formula see original document page 8</formula>其中尸。为有功负荷，A、尸2、 S、尸4、 g分别为恒定阻抗有功负荷比例、恒定电
流有功负荷比例、恒定功率有功负荷比例、与频率有关有功负荷比例、电压指数相关有 功负荷比例，r为系统实际电压，K为系统参考电压，A/为频率变化量，丄。p为频率变
化1%引起的有功变化百分数，A^为有功电压指数，无功负荷模型公式参数命名同理，
上式中/^+尸2+尸3+户4+尸5=1， 0+込+込+込+込=1。 建立系统马达负荷模型-
根据已知的电动机定子电阻A，电动机定子电抗;^，激磁电抗义M，转子电阻^，
转子电抗J^，马达滑差S，计算机械转矩系数A、 B、 C;
(2) 计算准备
确定故障类型、故障时间，填写相应的故障卡，根据系统实际情况，填写相应的有
载调压变压器(ULTC)卡、发电机过励磁限制卡、继电保护动作等卡片；完成数据准备工 作；
(3) 按照计算要求输入负荷增长的速率、负荷增长的时间、负荷增长的区域或母
线名称，
其中P为负荷增长总量，AP为单位时间内负荷增长量，"为单位时间，7^。为负
荷增长持续时间，
根据上述公式构造负荷持续增长模型，通过控制AP和&的比例关系即可；
(4)仿真计算
a. 读入数据和网络参数，检査参数合理性，构成状态变量、中间变量和参数常量与 各元件的模型对应关系，对状态变量进行初始化处理；
b. 形成导纳矩阵和雅可比矩阵，判别初始条件的合理性；
c. 根据已填写的故障卡修改网络方程的雅可比矩阵元素，确定系统状态；
d. 应用背景技术中的GEAR方法，计算GEAR法的预测项
<formula>formula see original document page 9</formula>计算GEAR法中的校正项:
<formula>formula see original document page 9</formula>其中Z为尺维常数向量，m、 i为正整数，<formula>formula see original document page 9</formula>
根据得到的校正项，与微分方程和代数方程联立求解；
e. 根据计算实际情况进行变步长处理；
f. 仿真计算结束，输出所需结果； (5)结果分析
得到仿真结果后进行数据分析，从节点功率增长图确定系统功率增长极限，根据计 算得到的节点功率极限和系统正常情况下节点初始功率，由下式计算动态电压稳定裕度 指标，得到
<formula>formula see original document page 9</formula>
动态电压稳定裕度指标(％)
A -系统初始功率(MW)
^ 一系统极限功率(MW) P。可以由系统正常运行方式统计得到，A由全过程仿真计算后由仿真分析的结果得到。
三、动态电压稳定裕度指标特点
1. 动态电压稳定裕度指标考虑了系统中动态元件对电压稳定性的影响，特别是有载 调压变压器(ULTC)、发电机励磁限制环节等因素，得到的结果更贴近系统实际情况。
2. 可计算系统中负荷增长的不同方式，如单母线、区域和全网等方式，负荷增长速 率也可任意设定，可以模拟系统多种运行方式。
3. 在模拟故障后系统负荷增长情况时可以任意设定负荷增长的起始、结束时间。 本发明的优点
动态裕度指标物理概念清晰，具有很好的可计算性和广泛适应性，可以方便的计算 各种电网中负荷持续增长下系统的电压稳定裕度。
图1是全过程动态仿真程序流程图2是3机9节点系统接线图3是母线A负荷变化曲线图。
具体实施例方式
以3机9节点简单系统(接线图如附图2)为仿真算例，计算动态裕度进一步说明本 方法的实现步骤
1. 建立3机9节点系统的数据，确定系统计算需要的负荷模型为100%恒阻抗模型；
2. 计算准备
确定系统负荷为恒阻抗负荷，负荷增长在系统无故障情况下，根据实际要求填写发 电机励磁电流保护卡和有载调压变压器(ULTC)动作卡。
3. 选择系统中母线A为负荷增长区域，增长速度为每秒增长正常方式下的1%，增 长时间为800秒。
4. 仿真计算
通过全过程仿真计算程序，计算无故障时3机9节点系统在母线A负荷持续增长情 况下，得到全网节点负荷及电压变化曲线。(如图3所示)
5. 分析计算
从图3可以看出，正常情况下母线A负荷为125MW(P0)，在负荷持续增长情况下，极限功率为355MW(P1)，通过公式<formula>formula see original document page 11</formula>，计算得到动态电压裕度指标
Kp=64.8%。
动态裕度指标计算比较方便，概念清晰，在实际电网中得到了应用和验证。
已经根据优选的实施算例描述了本发明。显然，在阅读和理解了上述详细说明书后 能做出多种修正和替换。本发明意欲的是本申请构建成包括了落入附属的权利要求书或 其等同物的范围之内的所有这些修正和替换。
权利要求
1、一种衡量动态电压稳定裕度指标的评估方法，其主要包括以下步骤(1)根据计算需求搭建网络拓扑结构，建立系统计算需要的负荷模型，包括静态负荷模型和感应马达模型；建立系统静态负荷模型为其中P0为有功负荷，P1、P2、P3、P4、P5分别为恒定阻抗有功负荷比例、恒定电流有功负荷比例、恒定功率有功负荷比例、与频率有关有功负荷比例、电压指数相关有功负荷比例，V为系统实际电压，V0为系统参考电压，Δf为频率变化量，LDP为频率变化1％引起的有功变化百分数，NP为有功电压指数，无功负荷模型公式参数命名同理，上式中P1+P2+P3+P4+P5＝1，Q1+Q2+Q3+Q4+Q5＝1。；建立系统马达负荷模型根据已知的电动机定子电阻RS，电动机定子电抗XS，激磁电抗XM，转子电阻RR，转子电抗XR，马达滑差S，计算机械转矩系数A、B、C；(2)计算准备确定故障类型、故障时间，填写相应的故障卡；根据系统实际情况，填写相应的有载调压变压器(ULTC)卡、发电机过励磁限制卡和继电保护动作卡片，完成数据准备工作；(3)按照计算要求输入负荷增长的速率、负荷增长的时间、负荷增长的区域或母线名称，得到其中P为负荷增长总量，ΔP为单位时间内负荷增长量，Δt为单位时间，TEND为负荷增长持续时间，根据上述公式构造负荷持续增长模型，通过控制ΔP和Δt的比例关系即可；(4)仿真计算a. 读入数据和网络参数，检查参数合理性，构成状态变量、中间变量和参数常量与各元件的模型对应关系，对状态变量进行初始化处理；b. 形成导纳矩阵和雅可比矩阵，判别初始条件的合理性；c. 根据已填写的故障卡修改网络方程的雅可比矩阵元素，确定系统状态；d. 应用背景技术中的GEAR方法，计算GEAR法的预测项zm+1(0)＝Pzm计算GEAR法中的校正项zm+1(i+1)＝zm+1(i)+LGm+1(i)其中L为K维常数向量，m、i为正整数，根据得到的校正项，与微分方程和代数方程联立求解；e. 根据计算实际情况进行变步长处理；f. 仿真计算结束，输出所需结果；(5)结果分析得到仿真结果后进行数据分析，从节点功率增长图确定系统功率增长极限，根据计算得到的节点功率极限和系统正常情况下节点初始功率，由下式计算动态电压稳定裕度指标Kp—动态电压稳定裕度指标(％)P0—系统初始功率(MW)P1—系统极限功率(MW)P0可以由系统正常运行方式统计得到，P1由全过程仿真计算后由仿真分析的结果得到。
全文摘要
本发明提出了一种衡量动态电压稳定裕度指标的方法。动态电压稳定裕度指标是求解电力系统在负荷以一定速率缓慢增长时，系统距离电压崩溃点的裕度；动态电压稳定裕度考虑了系统中有载调压变压器(ULTC)、发电机过励磁限制等动态元件的影响，可计算单节点、分区和全网等多种负荷增长方式下系统的动态裕度，为运行人员提供了一个较直观的表示系统当前运行点到电压崩溃点距离的量度，系统运行点距离崩溃点和动态裕度呈线性关系。因此，动态裕度指标具有较好的实际指导意义。
文档编号G01R19/00GK101387679SQ20081022244
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者孙华东, 孙渝江, 鑫 张, 张春城, 马世英 申请人:中国电力科学研究院;重庆市电力公司