一种配电网电压崩溃仿真方法与流程

本发明涉及配电网运行与控制技术领域，具体涉及一种配电网电压崩溃仿真方法。

背景技术：

长期以来，电压稳定和电压崩溃问题的研究主要集中于输电网层面，配电网层面研究的较少，但不少文献也提及了在配电网出现电压失稳甚至电压崩溃的情景，如1987年日本东京电网电压崩溃事件，1997年的巴西配电网电压失稳事故。现阶段，人们普遍认为配电网电压失稳直至崩溃的一个重要成因是负荷需求的增长超出电力网络的传输极限，系统不能维持负荷功率与负荷所吸收功率之间的平衡，丧失了平衡点，引起电压失稳直至崩溃现象的发生。目前，传统的电压稳定分析方法大多基于潮流方程或经过修改的潮流方程，利用潮流多解来分析配电网的电压稳定性。这些方法本质上都把电力网络的潮流极限作为电压崩溃的临界点，其中各类方法的不同之处在于所采用的求取临界点的方法不同，以及使用极限运行状态下的不同特征作为电压崩溃的判据，以反映系统的静态电压稳定性。

然而，实际上，电压失稳的根源源自于负荷动态特性试图恢复的功率超出了传输系统和发电系统的承受能力，其本身是一个动态过程。可见，电压崩溃与负荷的功率恢复特性紧密相关，而与系统是否到达传输极限并没有直接对应关系，因此，负荷特性更能揭示电压失稳直至崩溃过程的本质。

随着以用电设备为代表的新的多样性负荷的接入，将会产生新的负荷高峰，甚至与已有负荷高峰重合，将使配电系统超出设计和规划时的传输极限运行，当电网出现扰动、负荷增大等系统变更使负荷端电压急剧下降或向下偏移，并且运行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落时，系统就会产生电压失稳现象。这种电压衰落可能只需几秒钟，也可能长达几十分钟，甚至更长。如果电压不停地跌落下去，电压崩溃就会发生。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种配电网电压崩溃仿真方法，该方法原理清晰，且简单、有效、实用；有效解决了配电网电压崩溃边界条件问题及配电网受扰动后电压持续下降程度计算问题，适用于含大规模用电设备接入的配电网电压稳定分析，为用电设备等新型负荷的合理接入提供理论依据，同时为配电网电压运行中面临的电压稳定或崩溃问题进行有效预警提供理论依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种配电网电压崩溃仿真方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.建立实际配电网等值网络，获得建立配电网电压崩溃模型的参数组；

步骤2.根据配电网综合负荷电压特性模型，建立扰动前电力系统的末端功率与负荷端电压关系模型；计算扰动前的所述配电网线路电压降值；

步骤3.根据所述配电网综合负荷电压特性模型，计算所述电力系统发生扰动时，电压振荡过程中的中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值；

步骤4.根据步骤2和3的计算结果，建立由配电网电压稳定指标构成的所述配电网电压崩溃模型；

步骤5.根据所述配电网电压崩溃模型及配电网电压稳定依据，判断所述配电网电压的稳定性，并计算所述配电网电压稳定性的边界条件；

步骤6.计算扰动消失后的负荷末端电压以及扰动过程中电压下降的严重程度，完成所述配电网电压崩溃仿真。

优选的，所述步骤1中的所述参数组包括：

所述配电网等值阻抗、总有功功率负荷值、总无功功率负荷值、恒定阻抗负荷、恒电流负荷、恒定阻抗负荷占比及扰动引起的电压下降百分比。

优选的，所述步骤2包括：

2-1.建立配电网综合负荷电压特性模型：

式(1)中，P、Q分别为电力系统节点有功功率和无功功率；U为电力系统节点电压；U₀为电力系统正常稳定运行时的节点电压；P₀、Q₀分别为电力系统在正常稳定运行电压U₀下的节点有功功率和无功功率；a_p、b_p、c_p分别为恒定阻抗、恒电流、恒定功率负荷有功功率占接入节点总负荷有功功率的比例；a_q、b_q、c_q分别为恒定阻抗、恒电流、恒定功率负荷无功功率占接入节点总负荷无功功率的比例；

2-2.根据配电网综合负荷电压特性模型，建立扰动前电力系统的末端功率与负荷端电压关系模型：

式(2)中，t0为电力系统受扰动前处于的正常运行状态；为电力系统首端负荷电压；为电力系统末端负荷电压；为末端负荷有功功率；为末端负荷无功功率；

2-3.根据所述末端功率与负荷端电压关系模型，计算扰动前的所述配电网线路电压降值ΔU_t0：

式(3)中，R、X为线路阻抗R+jX；j为复数。

优选的，所述步骤3包括：

若所述电力系统发生某种扰动，使得负荷末端负荷电压下降至(1-x％)且0＜x<100；则根据所述配电网综合负荷电压特性模型，计算发生扰动时电压振荡过程中的n个中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值ΔU_tn。

优选的，所述计算发生扰动时电压振荡过程中的n个中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值ΔU_tn包括：

a.所述电力系统受扰动过程中经历的第一个中间稳态状态为t1，且扰动引起末端电压下降百分比为x％，则所述第一个中间稳态状态t1下末端负荷电压幅值为：

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

b.若因负荷电压恢复特性的正反馈和负反馈相互作用使得负荷端电压继续变化到第二个中间稳态状态t2，则所述第二个中间稳态状态t2下末端负荷电压幅值为：

式(6)中，为第一个中间稳态状态t1下电力系统首端负荷电压；ΔU_t1为第一个中间稳态状态t1下线路电压降值；ΔU_t0为电力系统受扰动前处于的正常运行状态t0时的线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

c.则第二个中间稳态状态t2下线路电压降值变为ΔU_t2：

第一个中间稳态状态t1下线路电压降值变为ΔU_t1：

d.忽略电压降的横向分量，得到t1状态下该2节点系统的首端负荷电压为：

e.根据步骤a到d的过程，得到第i个中间稳态状态ti下负荷末端电压幅值为：

式(11)中，为第i个中间稳态状态ti下电力系统末端负荷电压；为第i-1个中间稳态状态t(i-1)下电力系统末端负荷电压；；ΔU_t(i-2)为第i-2个中间稳态状态t(i-2)下线路电压降值；ΔU_t(i-1)为第i-1个中间稳态状态t(i-1)下线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

且线路电压降值ΔU_ti为：

f.若假设负荷端电压最终稳定在tn状态，则tn状态下的末端负荷电压为

式(14)中，为最终稳态状态tn下电力系统末端负荷电压；为第n-1个中间稳态状态_t(n-1)下电力系统末端负荷电压；ΔU_t(n-2)为第n-2个中间稳态状态_t(n-2)下线路电压降值；ΔU_t(n-1)为第n-1个中间稳态状态_t(n-1)下线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

且线路电压降值ΔU_tn为：

优选的，所述步骤4包括：

4-1.定义初始状态t0下的线路电压降ΔU_t0与t1状态下的线路电压降ΔU_t1的差值为配电网电压稳定指标L；令L＝ΔU_t0-ΔU_t1，则有：

4-2.根据所述配电网综合负荷电压特性模型，将t0状态和t1状态下的代入式(17)中，得到所述电压稳定指标L的表达式为：

式(18)中：且a_p为电力系统中恒定阻抗负荷有功功率占比；a_q电力系统中恒定阻抗负荷无功功率占比、c_p为恒定功率负荷有功功率占比；c_q为恒定功率负荷无功功率占比；

4-3.得到由配电网电压稳定指标构成的所述配电网电压崩溃模型为：

优选的，所述步骤5包括：

5-1.根据所述配电网电压崩溃模型及配电网电压稳定依据，判断所述配电网电压的稳定性；

5-2.计算所述配电网电压稳定性的边界条件。

优选的，所述步骤5-1包括：

若L＞0，即线路电压降的幅值随时间的变化而减小，则配电网不会发生电压失稳；

若L＜0，即线路电压降的幅值随时间的变化而增加，则配电网有可能发生电压失稳；

若L＝0，即配电网处于电压失稳的临界点。

优选的，所述步骤5-2包括：

令配电网电压稳定指标L＝0，可得到电压失稳的边界条件c为：

式(20)中，a为恒阻抗负荷占比；

电力系统正常稳定运行电压U₀为系统额定电压，且末端负荷电压得到电压稳定边界曲面。

优选的，所述步骤6包括：

6-1.电力系统中恒定阻抗负荷有功功率占比a_p和无功功率占比a_q相同，恒定功率负荷有功功率占比c_p和无功功率占比c_q相同，令a_p＝a_q＝a，c_p＝c_q＝c，则有：

6-2.令K＝P₀R+Q₀X，则tn状态下的末端负荷电压的计算公式为：

6-3.得到电压下降严重度dU计算公式为：

完成所述配电网电压崩溃仿真。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种配电网电压崩溃仿真方法，通过研究配电网恒定阻抗负荷对电压恢复的负反馈作用和恒定功率负荷对电压恢复的正反馈作用的相互协调机制，建立考虑综合负荷特性的配电网电压崩溃分析模型，判断配电网 电压的稳定性，并计算配电网电压稳定性的边界条件及扰动消失后的负荷末端电压以及扰动过程中电压下降的严重程度。本发明提出的方法原理清晰，且简单、有效、实用；有效解决了配电网电压崩溃边界条件问题及配电网受扰动后电压持续下降程度计算问题，适用于含大规模用电设备接入的配电网电压稳定分析，为用电设备等新型负荷的合理接入提供理论依据，同时为配电网电压运行中面临的电压稳定或崩溃问题进行有效预警提供理论依据。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，通过研究配电网恒定阻抗负荷对电压恢复的负反馈作用和恒定功率负荷对电压恢复的正反馈作用的相互协调机制，建立考虑综合负荷特性的配电网电压崩溃分析模型，判断配电网电压的稳定性，并计算配电网电压稳定性的边界条件及扰动消失后的负荷末端电压以及扰动过程中电压下降的严重程度；为用电设备等新型负荷的合理接入提供理论依据，同时为配电网电压运行中面临的电压稳定或崩溃问题进行有效预警提供理论依据。

2、本发明所提供的技术方案，解决两个技术问题，一是配电网电压崩溃边界条件问题，二是配电网受扰动后电压持续下降程度计算问题，为实现配电网电压崩溃风险的有效预警提供理论依据。

3、本发明所提供的技术方案，配电网电压崩溃分析模型原理清晰，方法简单、实用、有效。

4、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种配电网电压崩溃仿真方法的流程图；

图2是实际配电系统示意图；

图3实际配电系统等值网络示意图；

图4是本发明的仿真方法中的扰动后电压振荡下降示意图；

图5是本发明的仿真方法中步骤2的流程示意图；

图6是本发明的仿真方法中步骤4的流程示意图；

图7是本发明的仿真方法中步骤5的流程示意图；

图8是本发明的仿真方法中的电压稳定边界曲面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种配电网电压崩溃仿真方法，包括如下步骤：

步骤1.建立实际配电网等值网络，获得建立配电网电压崩溃模型的参数组；其中，图2为实际配电系统，图3为实际配电系统的等值网络；

步骤2.根据配电网综合负荷电压特性模型，建立扰动前电力系统的末端功率与负荷端电压关系模型；计算扰动前的配电网线路电压降值；

步骤3.根据配电网综合负荷电压特性模型，计算电力系统发生扰动时，电压振荡过程中的中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值；

步骤4.根据步骤2和3的计算结果，建立由配电网电压稳定指标构成的配电网电压崩溃模型；

步骤5.根据配电网电压崩溃模型及配电网电压稳定依据，判断配电网电压的稳定性，并计算配电网电压稳定性的边界条件；

步骤6.计算扰动消失后的负荷末端电压以及扰动过程中电压下降的严重程度，完 成配电网电压崩溃仿真。

其中，步骤1中的参数组包括：

配电网等值阻抗、总有功功率负荷值、总无功功率负荷值、恒定阻抗负荷、恒电流负荷、恒定阻抗负荷占比及扰动引起的电压下降百分比。

如图4所示，步骤2包括：

2-1.建立配电网综合负荷电压特性模型：

式(1)中，P、Q分别为电力系统节点有功功率和无功功率；U为电力系统节点电压；U₀为电力系统正常稳定运行时的节点电压；P₀、Q₀分别为电力系统在正常稳定运行电压U₀下的节点有功功率和无功功率；a_p、b_p、c_p分别为恒定阻抗、恒电流、恒定功率负荷有功功率占接入节点总负荷有功功率的比例；a_q、b_q、c_q分别为恒定阻抗、恒电流、恒定功率负荷无功功率占接入节点总负荷无功功率的比例；

2-2.根据配电网综合负荷电压特性模型，建立扰动前电力系统的末端功率与负荷端电压关系模型：

式(2)中，t0为电力系统受扰动前处于的正常运行状态；为电力系统首端负荷电压；为电力系统末端负荷电压；为末端负荷有功功率；为末端负荷无功功率；

2-3.根据末端功率与负荷端电压关系模型，计算扰动前的配电网线路电压降值ΔU_t0：

式(3)中，R、X为线路阻抗R+jX；j为复数。

如图5所示的扰动后电压振荡下降示意图，步骤3包括：

若电力系统发生某种扰动，使得负荷末端负荷电压下降至(1-x％)且0＜x<100；则根据配电网综合负荷电压特性模型，计算发生扰动时电压振荡过程中的n个中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值ΔU_tn。

其中，计算发生扰动时电压振荡过程中的n个中间稳态状态下的负荷端电压以及线路电压降值ΔU_tn包括：

a.电力系统受扰动过程中经历的第一个中间稳态状态为t1，且扰动引起末端电压下降百分比为x％，则第一个中间稳态状态t1下末端负荷电压幅值为：

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

b.若因负荷电压恢复特性的正反馈和负反馈相互作用使得负荷端电压继续变化到第二个中间稳态状态t2，则第二个中间稳态状态t2下末端负荷电压幅值为：

式(6)中，为第一个中间稳态状态t1下电力系统首端负荷电压；ΔU_t1为第一个中间稳态状态t1下线路电压降值；ΔU_t0为电力系统受扰动前处于的正常运行状态t0时的线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

c.则第二个中间稳态状态t2下线路电压降值变为ΔU_t2：

第一个中间稳态状态t1下线路电压降值变为ΔU_t1：

d.忽略电压降的横向分量，得到t1状态下该2节点系统的首端负荷电压为：

e.根据步骤a到d的过程，得到第i个中间稳态状态ti下负荷末端电压幅值为：

式(11)中，为第i个中间稳态状态ti下电力系统末端负荷电压；为 第i-1个中间稳态状态t(i-1)下电力系统末端负荷电压；；ΔU_t(i-2)为第i-2个中间稳态状态t(i-2)下线路电压降值；ΔU_t(i-1)为第i-1个中间稳态状态t(i-1)下线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

且线路电压降值ΔU_ti为：

f.若假设负荷端电压最终稳定在tn状态，则tn状态下的末端负荷电压为

式(14)中，为最终稳态状态tn下电力系统末端负荷电压；为第n-1个中间稳态状态_t(n-1)下电力系统末端负荷电压；ΔU_t(n-2)为第n-2个中间稳态状态_t(n-2)下线路电压降值；ΔU_t(n-1)为第n-1个中间稳态状态_t(n-1)下线路电压降值；

且末端负荷的有功功率和无功功率分别随之变为和

且线路电压降值ΔU_tn为：

如图6所示，步骤4包括：

4-1.定义初始状态t0下的线路电压降ΔU_t0与t1状态下的线路电压降ΔU_t1的差值为配电网电压稳定指标L；令L＝ΔU_t0-ΔU_t1，则有：

4-2.根据配电网综合负荷电压特性模型，将t0状态和t1状态下的代入式(17)中，得到电压稳定指标L的表达式为：

式(18)中：且a_p为电力系统中恒定阻抗负荷有功功率占比；a_q电力系统中恒定阻抗负荷无功功率占比、c_p为恒定功率负荷有功功率占比；c_q为恒定功率负荷无功功率占比；

4-3.得到由配电网电压稳定指标构成的配电网电压崩溃模型为：

如图7所示，步骤5包括：

5-1.根据配电网电压崩溃模型及配电网电压稳定依据，判断配电网电压的稳定性；

5-2.计算配电网电压稳定性的边界条件。

其中，步骤5-1包括：

若L＞0，即线路电压降的幅值随时间的变化而减小，则配电网不会发生电压失稳；

若L＜0，即线路电压降的幅值随时间的变化而增加，则配电网有可能发生电压失稳；

若L＝0，即配电网处于电压失稳的临界点。

其中，步骤5-2包括：

令配电网电压稳定指标L＝0，可得到电压失稳的边界条件c为：

式(20)中，a为恒阻抗负荷占比；

电力系统正常稳定运行电压U₀为系统额定电压，且末端负荷电压得到电压稳定边界曲面如图8所示；本实施例中以系统额定电压为10kV为例；

其中，步骤6包括：

6-1.电力系统中恒定阻抗负荷有功功率占比a_p和无功功率占比a_q相同，恒定功率负荷有功功率占比c_p和无功功率占比c_q相同，令a_p＝a_q＝a，c_p＝c_q＝c，则有：

6-2.令K＝P₀R+Q₀X，则tn状态下的末端负荷电压的计算公式为：

6-3.得到电压下降严重度dU计算公式为：

完成配电网电压崩溃仿真。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。