用于识别电力系统中的弱总线的系统和方法
【专利摘要】根据一个实施例，提供用于确定电力系统（100）中的一个或多个弱总线（102，104，106，108，110，304，306）的方法。该方法包括计算作为与多个总线（102，104，106，108，110，304，306）关联的相量值和参考相位角（其对应于这些多个总线（102，104，106，108，110，304，306）中的一个）的函数的电压稳定性指数（VSI），其对应于电力系统（100）中的多个总线（102，104，106，108，110，304，306）。相量值包括（a）电压幅度（Vm）和相位角（δm），两者都对应于相应的总线，或（b）电压幅度的变化（△Vm）或变化率，和相位角的变化（△δm）或变化率，两者都对应于相应的总线。该方法进一步包括基于计算的VSI从电力系统（100）中的多个总线（102，104，106，108，110，304，306）识别一个或多个弱总线（102，104，106，108，110，304，306）。
【专利说明】用于识别电力系统中的弱总线的系统和方法 【背景技术】
[〇〇〇1] 稳定性是现代电力系统中的关键问题之一。随着电网变得更复杂，电网网络中的 电压稳定性对于公用事业提供可靠服务甚至变得更关键。监测并且控制电力系统来提供连 续且可靠的服务；然而，系统断电仍可能发生并且通常与电压不稳定关联。因为电力系统 稳定性直接与网络、负载条件、系统中的变化和时间联系起来，尽可能早地感测或预测不稳 定，这是必要的。计算或测量电压稳定性中的任何误差可导致电压不稳定的检测中的延迟。 感测和实施对策中的任何延迟可进一步使系统条件恶化并且可以导致不希望且不可控的 崩溃，或更昂贵的对策。
[0002] 用于确定电压不稳定的方法可大致分成三类；可需要一些广域网信息(例如拓扑、 发电机的无功功率极限、线路阻抗，等）的第一类；可使用局域网信息的第二类，例如特定线 路上的功率流或在末端总线处的电压和电流；以及可不需要任何系统信息而相反仅依靠局 部测量(例如电压、电流和这些量的变化率）的第三类。
[0003] 现有的方法中的大部分使用基于模型的解决方案而不是基于测量的方法。一个常 用的基于模型的方法使用功率流或持续功率流来跟踪功率电压（PV)曲线用于电压不稳定 评价。在工业中使用的一个基于测量的方法是Thevenin方法，其使用电压和电流相量值来 评估电压不稳定。一些现有的方法试图识别例如弱总线等系统中的弱位置并且可以进一步 用于在系统达到电压不稳定点之前实施对策。
[0004] 这些现有方法的挑战是它们对于电压不稳定的实时评价是不准确的或在计算上 是繁琐的。此外，除例如连接性、网络参数、关于负载状况、控制中的变化、断电等用于评价 电压不稳定的信息等其他参数外，现有的基于测量的方法还需要例如电压和电流相量值等 各种参数。这些参数中的任一个的不可用或计算它们中的误差可导致电压不稳定的不准确 检测，这可导致服务中断并且因此对消费者和公用事业两者都导致损失。
【发明内容】
[0005] 根据一个实施例，提供用于确定电力系统中的一个或多个弱总线的方法。该方法 包括计算作为与多个总线关联的相量值和参考相位角（其对应于这些多个总线中的一个） 的函数的电压稳定性指数（VSI)，其对应于电力系统中的多个总线。相量值包括（a)电压幅 度（V m)和相位角（δ m)，两者都对应于相应的总线，或（b)电压幅度的变化(AVm)或变化率， 和相位角的变化(Λ δπ)或变化率，两者都对应于相应的总线。该方法进一步包括基于计 算的VSI从电力系统中的多个总线识别一个或多个弱总线。
[0006] 提供一种方法，其包括： (i )计算作为与多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)关联的相量值和参考相位 角的函数的电压稳定性指数（VSI)，其对应于电力系统（100)中的多个总线（102,104,106， 108,110, 304, 306)，所述参考相位角对应于所述多个总线（102,104,106,108,110, 304， 306)中的一个总线，其中所述相量值中的每个包括以下中的一个： 对应于相应的总线的电压幅度（Vm)，和相位角（δ m)，其对应于所述相应的总线，或 对应于所述相应的总线的所述电压幅度的变化(Λ Vm)或变化率，和对应于所述相应的 总线的相位角的变化(Λ S m)或变化率；以及 (ii)基于计算的VSI从所述电力系统（100)中的所述多个总线（102,104,106,108， 110, 304, 306)识别一个或多个弱总线（102,104,106,108,110, 304, 306)。
[0007] 优选的，所述参考相位角包括从与所述多个总线（102,104,106,108,110, 304， 306)关联的相位角（δ m)确定的最大相位角（δ _)或最小相位角（δ min)中的一个。
[0008] 优选的，所述最大相位角（δ _)通过以下而确定为所述参考相位角： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最大相位角（δ lmax); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最大相位角（δ 2max);以及 将所述第一最大相位角（S lmax)与所述第二最大相位角（S 2max)比较来确定所述第一最 大相位角（S lmax)和所述第二最大相位角（S 2max)中的最大值作为所述参考相位角。
[0009] 优选的，所述最小相位角（δ min)通过以下而确定为所述参考相位角： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最小相位角（δ lmin); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最小相位角（δ 2min);以及 将所述第一最小相位角（S ωη)与所述第二最小相位角（δ 2_)比较来确定所述第一最 小相位角（S ωη)和所述第二最小相位角（δ 2_)中的最小值作为所述参考相位角。
[0010] 优选的，所述方法进一步包括： 从计算的VSI确定对应于相应总线的最小VSI (VSImin);以及 将具有所述最小VSI(VSImin)的总线限定为一个或多个弱总线（102,104,106,108,110， 304,306)。
[0011] 优选的，所述方法进一步包括： 将所述最小VSI (VSImin)与总线稳定性阈值比较；以及 如果所述最小VSI (VSImin)小于或等于所述总线稳定性阈值则在所述电力系统（100) 中确定电压不稳定。
[0012] 优选的，所述方法进一步包括： 将以下中的一个与一个或多个弱总线阈值比较：所述计算的VSI，或来自所述计算的 VSI 的最小 VSI (VSImin); 基于比较将来自所述计算的VSI的一个或多个VSI或所述最小VSI (VSImin)确定为小 于或等于所述弱总线阈值；以及 将一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)限定为所述一个或多个弱总线， 所述一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)对应于以下中的一个：所述一个或 多个VSI或所述最小VSI (VSImin)。
[0013] 优选的，所述方法进一步包括产生通知消息来指示所述一个或多个弱总线（102， 104,106,108,110, 304, 306)的一个或多个类别。
[0014] 提供一种系统（100)，其包括： 计算模块（216)，其配置成计算作为与多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)关 联的相量值和参考相位角的函数的电压稳定性指数（VSI)，其对应于电力系统（100)中的 多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)，所述参考相位角对应于所述多个总线（102， 104,106,108,110,304,306)中的一个总线，其中所述相量值中的每个包括以下中的一个： 对应于相应的总线的电压幅度（Vm)，和对应于所述相应的总线的相位角（δ m)，或 对应于所述相应的总线的所述电压幅度的变化(Λ Vm)或变化率，和对应于所述相应的 总线的相位角的变化(Λ S m)或变化率；以及 位置识别模块（218)，其配置成基于计算的VSI从所述电力系统（100)中的所述多个总 线（102,104,106,108,110, 304, 306)识别一个或多个弱总线（102,104,106,108,110, 304， 306)。
[0015] 优选的，所述计算模块（216)进一步配置成使用以下中的至少一个来获得所述 相量值或所述参考相位角中的至少一个：监测所述多个总线（102,104,106,108,110, 304， 306)的一个或多个相量测量单元（PMU)，能量管理系统（EMS)、来自公用事业操作者的手动 输入，所述相量值的历史数据，或用于计算所述相量值的工具。
[0016] 优选的，所述参考相位角包括从与所述多个总线（102,104,106,108,110, 304， 306)关联的相位角（δ m)确定的最大相位角（δ _)或最小相位角（δ min)中的一个。
[0017] 优选的，所述计算模块（216)进一步配置成： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最大相位角（δ lmax); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最大相位角（δ 2max);以及 将所述第一最大相位角（S lmax)与所述第二最大相位角（S 2max)比较来确定所述第一最 大相位角（S lmax)和所述第二最大相位角（S 2max)中的最大值作为所述参考相位角。
[0018] 优选的，所述计算模块（216)进一步配置成： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最小相位角（δ lmin); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最小相位角（δ 2min);以及 将所述第一最小相位角（S ωη)与所述第二最小相位角（δ 2_)比较来确定所述第一最 小相位角（S ωη)和所述第二最小相位角（δ 2_)中的最小值作为所述参考相位角。
[0019] 优选的，所述计算模块（216)进一步配置成从计算的VSI确定最小VSI (VSImin)。
[0020] 优选的，所述位置识别模块（218)配置成将具有所述最小VSI (VSImin)的总线限定 为所述一个或多个弱总线（102,104,106,108,110, 304, 306)。
[0021] 优选的，所述系统（100)进一步包括电压稳定性确定模块（236)，其配置成： 将所述最小VSI (VSImin)与总线稳定性阈值比较；以及 如果所述最小VSI (VSImin)小于或等于所述总线稳定性阈值则在所述电力系统（100) 中确定电压不稳定。
[0022] 优选的，所述位置识别模块（218)进一步配置成： 将以下中的一个与一个或多个弱总线阈值比较：所述计算的VSI，或来自所述计算的 VSI 的最小 VSI (VSImin); 基于比较将来自所述计算的VSI的一个或多个VSI或所述最小VSI (VSImin)确定为小 于或等于所述弱总线阈值；以及 将一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)限定为所述一个或多个弱总线 (102,104,106,108,110, 304, 306)，所述一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306) 对应于以下中的一个：所述一个或多个VSI或所述最小VSI (VSImin)。
[0023] 优选的，所述位置识别模块（218)进一步配置成产生通知消息来指示所述一个或 多个弱总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的一个或多个类别。 【专利附图】
【附图说明】
[0024] 当下列详细描述参照附图（其中所有图中相似的符号代表相似的部件）阅读时，本 发明的实施例的这些和其他特征和方面将变得更好理解，其中： 图1是电力系统，其包括经由传送或分配链路而连接到其他总线的总线； 图2描绘根据一个实施例与一个或多个监测模块通信用于确定电力系统中的一个或 多个弱总线和电压不稳定的控制中心系统。
[0025] 图3描绘双总线电系统(其包括发电机和负载）和该双总线电系统的等效相量图。
[0026] 图4描绘根据一个实施例的通信架构，其包括与集中控制中心通信的两个控制中 心系统。
[0027] 图5描绘根据另一个实施例的通信架构，其包括彼此直接通信的两个控制中心系 统。
[0028] 图6是描绘用于从多个总线识别弱总线并且确定电力系统中的电压不稳定的方 法的流程图。 【具体实施方式】
[0029] 除非另外限定，本文使用的技术和科学术语具有与由本公开所属的领域内技术人 员所通常理解的相同的含义。如本文使用的术语"第一"、"第二"及诸如此类不指示任何顺 序、数量或重要性，而相反用于将要素彼此区别开来。同样，术语"一（a)"和"一（an)"不 指示数量的限制，而相反指示存在所引用项中的至少一个。术语"或"意指为包括性的并且 表示列出的项中的一个、一些或全部。例如"包括"、"包含"或"具有"及其变化形式在本文 的使用意指包含之后列出的项和其等同物以及另外的项。术语"模块"、"处理器"、"存储单 元"、"网络接口"和"输入/输出（I/O)接口"可包括单个部件或多个部件，其是有源和/或 无源的或两者都是，并且连接或用别的方式耦合在一起来提供描述的功能。另外，为了解释 目的，阐述特定数字、部件和配置以便提供本发明的各种实施例的全面理解。
[0030] 本发明的各种实施例针对用于实时确定例如一个或多个弱总线等弱位置(在下文 称为弱总线）的系统和方法，该一个或多个弱总线包括电力系统中的单个最弱总线或多个 弱总线。本文公开的系统和方法的实施例可确保确定弱总线可进一步用于实现适当的对策 来减少或消除由于电压不稳定检测中的延迟而引起的任何损坏。
[0031] 图1是电力系统100 (在下文称为"系统100")，其包括分别经由传送或分配链路 (在下文称为"链路"）112、114、116和118而连接到一个或多个总线104、106、108和110的 总线102。根据一些实施例，该系统100可以是同步交流(AC)系统。该系统100可进一步 包括电负载120,其经由另一个链路122而连接到总线102。系统100可进一步包括一个或 多个电力源，例如可对系统100的剩余部分产生电力的一个或多个发电机124。尽管图1图 示三个发电机；然而，在系统100中可部署任何数量的发电机而不偏离本发明的范围。相似 地，根据本发明的一些实施例，任何数量的电负载、总线或链路可在系统100中实现。
[0032] 在一些实施例中，系统100可进一步包括一个或多个监测模块126 (在下文称为 "监测模块126")，其可配置成确定与多个总线（'m'个总线，其中m是总线的数量)关联的相 量值。如在图1中示出的，在一些实施例中，多个总线(或'm'个总线)可包括总线102和总 线104、106、108和110中的一些或全部。在一个示范性实施例中，监测模块126可以是相 量测量单元（PMU)或PMU的中继嵌入功能性。在另一个示范性实施例中，相量值中的一些 或全部可但不限于从能量管理系统（EMS)、来自公用事业操作者的手动输入、相量值的历史 数据或用于计算相量值的工具或其任何组合获得。在一些实施例中，可实时确定或获得相 量值。在一个实施例中，实时可指事件的瞬时发生，例如大约毫秒或微秒。在另一个实施例 中，实时可以是近实时，其相对于瞬时实时具有预定公差(例如，2-5%)。在其中近实时地接 收数据的一个示范性实施例中，查看数据的公用事业操作者或保护工程师可不能感知数据 显示期间的任何延迟。
[0033] 在一个示范性实施例中，相量值可包括在'第m个'总线处确定的电压幅度（Vm)和 在相同的'第m个'总线处确定的相位角（δ m)。在本文术语在'第m个'总线处的"电压幅 度（Vm)"指以每单位（pu)表达的'第m个'总线处的电压值。直到另外提到，本文描述的用 于计算VSI的各种电参数以pu表达。相位角在本文以度或弧度表达。在一个实施例中，在 相位角由监测模块126测量时，相量角可关于例如全球定位系统（GPS)时钟等全球时间参 考来测量。例如，在总线'ΒΓ ('m'个总线中的一个)处确定的电压幅度和相位角在下文分 别能互换地称为％和δ i。在一些实施例中，监测模块126可配置成在相同的时间情形测 量多个总线处的所有相量值，其可以是绝对时间或相对时间，因为这些值由于例如系统拓 扑中的变化(例如系统100中无功功率支持的添加或去除)而在不同的时间情形处测量时可 不同。在另一个实施例中，相量值中的一些或全部可从控制中心系统(例如EMS)中的状态 估计器估计。
[0034] 在备选实施例中，相量值可包括对应于相应的'第m个'总线的电压幅度中的变 化(AV m)，和对应于在一段时间内计算的相同的'第m个'总线的相位角的变化(Λ δπ)， 其中该变化通过测量在相同总线并且在不同时间情形处的相量值并且然后计算这些测量 的相量值之间的差而确定。在一个示范性实施例中，监测模块126可配置成测量在时间情 形'ΤΓ处在'第m个'总线处的电压幅度（'V mT1'）和相位角（' δπΤ1'），并且可配置成进一 步测量在另一个时间情形'Τ2'处在相同的'第m个'总线处的电压幅度（'V mT2'）和相位角 (' SmT2'）。在'第m个'总线处的这些测量的参数的变化(Λ δ^ΡΛ^河计算为在不同的时 间情形'ΤΓ和'Τ2'处测量的在相同的'第m个'总线处的电压幅度之间的差（'VmT1'-'V mT2'） 或相位角之间的差（'SmT1'_ 'SmT2'）。在一些示范性实施例中，Λ八可由以下确定：
【权利要求】
1. 一种方法，包括： (i )计算作为与多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)关联的相量值和参考相位 角的函数的电压稳定性指数（VSI)，其对应于电力系统（100)中的多个总线（102,104,106， 108.110, 304, 306)，所述参考相位角对应于所述多个总线（102,104,106,108,110, 304， 306)中的一个总线，其中所述相量值中的每个包括以下中的一个： 对应于相应的总线的电压幅度（Vm)，和相位角（δ m)，其对应于所述相应的总线，或 对应于所述相应的总线的所述电压幅度的变化(AVm)或变化率，和对应于所述相应的 总线的相位角的变化(Λ S m)或变化率；以及 (ii)基于计算的VSI从所述电力系统（100)中的所述多个总线（102,104,106,108， 110, 304, 306)识别一个或多个弱总线（102,104,106,108,110, 304, 306)。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述参考相位角包括从与所述多个总线（102,104， 106.108.110, 304, 306)关联的相位角（δ m)确定的最大相位角（δ max)或最小相位角（δ min) 中的一个。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述最大相位角（δ _)通过以下而确定为所述参考 相位角： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最大相位角（δ lmax); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最大相位角（δ 2max);以及 将所述第一最大相位角（S lmax)与所述第二最大相位角（S 2max)比较来确定所述第一最 大相位角（S lmax)和所述第二最大相位角（S 2max)中的最大值作为所述参考相位角。
4. 如权利要求2所述的方法，其中所述最小相位角（δ min)通过以下而确定为所述参考 相位角： 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第一区域（418)内的相位 角（δ lm)确定第一最小相位角（δ lmin); 从所述多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)的总线的第二区域（420)内的相位 角（δ 2m)确定第二最小相位角（δ 2min);以及 将所述第一最小相位角（S ωη)与所述第二最小相位角（δ 2_)比较来确定所述第一最 小相位角（S ωη)和所述第二最小相位角（δ 2_)中的最小值作为所述参考相位角。
5. 如权利要求1所述的方法，进一步包括： 从计算的VSI确定对应于相应总线的最小VSI (VSImin);以及 将具有所述最小VSI(VSImin)的总线限定为一个或多个弱总线（102,104,106,108,110， 304,306)。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括： 将所述最小VSI (VSImin)与总线稳定性阈值比较；以及 如果所述最小VSI (VSImin)小于或等于所述总线稳定性阈值则在所述电力系统（100) 中确定电压不稳定。
7. 如权利要求1所述的方法，进一步包括： 将以下中的一个与一个或多个弱总线阈值比较：所述计算的VSI，或来自所述计算的 VSI 的最小 VSI (VSImin); 基于比较将来自所述计算的VSI的一个或多个VSI或所述最小VSI (VSImin)确定为小 于或等于所述弱总线阈值；以及 将一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)限定为所述一个或多个弱总线， 所述一个或多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)对应于以下中的一个：所述一个或 多个VSI或所述最小VSI (VSImin)。
8. 如权利要求7所述的方法，进一步包括产生通知消息来指示所述一个或多个弱总线 (102,104,106,108,110, 304, 306)的一个或多个类别。
9. 一种系统（100)，包括： 计算模块（216)，其配置成计算作为与多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)关 联的相量值和参考相位角的函数的电压稳定性指数（VSI)，其对应于电力系统（100)中的 多个总线（102,104,106,108,110, 304, 306)，所述参考相位角对应于所述多个总线（102， 104,106,108,110,304,306)中的一个总线，其中所述相量值中的每个包括以下中的一个： 对应于相应的总线的电压幅度（Vm)，和对应于所述相应的总线的相位角（δ m)，或 对应于所述相应的总线的所述电压幅度的变化(Λ Vm)或变化率，和对应于所述相应的 总线的相位角的变化(Λ S m)或变化率；以及 位置识别模块（218)，其配置成基于计算的VSI从所述电力系统（100)中的所述多个总 线（102,104,106,108,110, 304, 306)识别一个或多个弱总线（102,104,106,108,110, 304， 306)。
10. 如权利要求9所述的系统（100)，其中所述计算模块（216)进一步配置成使用 以下中的至少一个来获得所述相量值或所述参考相位角中的至少一个：监测所述多个总 线（102，104，106，108，110,304,306)的一个或多个相量测量单元（？1^)，能量管理系统 (EMS)、来自公用事业操作者的手动输入，所述相量值的历史数据，或用于计算所述相量值 的工具。
【文档编号】G01R31/00GK104101796SQ201410127101
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2013年4月1日
【发明者】S.M.克拉普雷, A.R.科尔瓦尔卡, K.V.R.卡西维斯瓦纳哈, M.G.卡纳巴, I.沃罗 申请人:通用电气公司