基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法与流程

本发明属于电网监理
技术领域：
，特别是涉及一种基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法。
背景技术：
：传统动态频率安全评估是根据频率响应曲线与给定频率门槛值的关系,分别从频率和时间层面定义安全裕度指标，比如二元表法，但该类指标建立的前提条件是动态频率响应曲线已知，不适用于动态频率安全评估。近年来,随着西北1000MW级大风电基地、西南大规模水电基地的建设，特高压电网的建设显得尤为重要，然而当特高压电网系统出现严重功率缺额后，对特高压受端电网动态频率安全进行量化评估具有重要的研究意义。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法。为了达到上述目的，本发明提供的基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法包括按顺序执行的下列步骤：步骤1)利用传统频率响应模型对待评估的受端电网动态频率特性进行分析，并求出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax；步骤2)在扰动功率Pd已知的情况下，以中心差分形式的参数摄动法计算上述SFR模型中惯性时间常数H、调差系数R、阻尼系数D、再热时间常数TR的轨迹灵敏度，并分析比较上述四项参数对受端电网动态频率响应的影响；步骤3)选取上述对轨迹灵敏度影响较大的惯性时间常数H、调差系数R作为待辨识的参数，利用非线性最小二乘法求解这两参数的校正模型而对其进行校正，由此得到校正后的参数值；步骤4)在[0tmax]区间内，将受端电网的动态频率与时间以积分的形式相结合而得到受端电网动态频率累积偏移量S，并建立起受端电网动态频率量化评估指标η；步骤5)利用上述动态频率量化评估指标η对受端电网进行安全量化评估。在步骤2)中，所述的轨迹灵敏度计算公式为：∂ΔfH(t)∂H=f(H+ϵ)(t)-f(H-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfD(t)∂D=f(D+ϵ)(t)-f(D-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfR(t)∂R=f(R+ϵ)(t)-f(R-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfTR(t)∂TR=f(TR+ϵ)(t)-f(TR-ϵ)(t)2ϵ]]>式中H为惯性时间常数，R为调差系数，D为阻尼系数，TR为再热时间常数；ε为步进长度，一般取0.001。在步骤3)中，所述的校正模型的公式如下：ϵmax=12∫0tmax(f(t)-fS(t))T(f(t)-fS(t))dt]]>式中：f(t)和fs(t)为全状态时域仿真惯量中心坐标系下的受端电网动态频率及SFR模型仿真值。在步骤4)中，所述的在[0tmax]区间内，将受端电网的动态频率与时间以积分的形式相结合而得到受端电网动态频率累积偏移量S，并建立起受端电网动态频率量化评估指标η的方法如下：动态频率累积偏移量S的计算公式为：S=∫0tmaxRPDR+Km[1+αe-ξωrtsin(ωrt+j)]dt]]>设定受端电网给定动态频率偏移阈值为fb，利用上述步骤3)中校正后的参数值即可计算出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax，从而利用式(4)示出的转速偏差最大值Δωmax公式及受端电网给定动态频率偏移阈值fb，计算得到受端电网动态频率偏差为阈值fb时的扰动功率PbStep，则可以进一步计算出动态频率最低值为fb时的动态频率累积偏移量Sb；其中转速偏差最大值Δωmax：Δωmax=RPStepDR+Km[1+αe-ξωrtmaxsin(ωrtmax+j)]---(4)]]>基于动态频率累积偏移量S，以动态频率最低值为fb时的动态频率累积偏移量Sb为基准建立起动态频率量化评估指标η：η=1-SSb---(5).]]>在步骤5)中，所述的利用上述动态频率量化评估指标η对受端电网进行安全量化评估的具体方法如下：(1)当0<S≤Sb时，动态频率量化评估指标η∈[01]，此时，受端电网动态频率最低值大于受端电网给定动态频率偏移阈值fb，说明受端电网动态频率处于安全状态，无需采取频率紧急控制措施，其值越接近0，表明受端电网动态频率最低值越接近受端电网给定动态频率偏移阈值fb；(2)当S>Sb时，动态频率量化评估指标η∈(-∞0]，此时，受端电网动态频率最低值小于受端电网给定动态频率偏移阈值fb，说明受端电网动态频率已不能满足受端电网正常运行的要求，处于非安全状态，应根据需要采取相应的频率紧急控制措施，其值越小，表明受端电网动态频率偏离越严重，安全性越差。本发明提供的基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法具有如下效果：当受端电网发生功率扰动时，仅需知道有功功率缺额，就能够计算出动态频率量化评估指标，并通过判断该指标值来评估受端电网动态频率的安全水平，继而给出动态频率的量化预警信息；该指标以积分的形式来反应受端电网动态频率安全状态，具有清晰的物理概念，且计算量小，对受端电网的动态频率安全性研究具有重要意义。附图说明图1为SFR模型传递函数框图；图2为输入为扰动功率Pd的SFR模型传递函数框图；图3为扰动功率Pd值不同时的频率响应曲线；图4为频率响应曲线；图5为SFR模型轨迹灵敏度；其中图5(a)为频率偏差与时间关系曲线；图5(b)为灵敏度与时间关系曲线；图6为频率响应曲线；图7为频率响应曲线；图8为频率量化评估指标示意图；图9为频率量化评估指标示意图。图10为校正模型求解流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法进行详细说明。本发明提供的基于轨迹灵敏度的受端电网动态频率安全量化评估方法包括按顺序执行的下列步骤：步骤1)利用传统频率响应模型对待评估的受端电网动态频率特性进行分析，并求出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax；传统频率响应模型，简称SFR模型，是在全状态模型的基础上进行简化，将受端电网中各台发电机模型等值拟合成单台发电机模型，仅保留原动机-调速器模型并也将其等值拟合成单台原动机-调速器模型，该模型传递函数框图如图1所示。图1中的变量定义如下：PSP为受端电网中冲击负荷占总负荷的比例系数；Pm为原动机机械功率；Pe为发电机电磁功率；Δω为转速偏差；FH为原动机高压缸做功比例系数；TR为再热时间常数；H为惯性时间常数；D为阻尼系数；R为调差系数；Km为机械功率增益系数；Km＝FP(1-fSR)，FP为功率因数，fSR为发电机备用系数；在动态频率分析的众多研究中，通常只关注发电机电磁功率Pe发生扰动后的动态频率响应(受端电网中冲击负荷占总负荷的比例系数PSP＝0)，等效于仿真系统突然出现不平衡功率时的受端电网动态频率响应，因此上述图1所示的SFR模型传递函数框图可以简化为图2所示的框图；在图2中，Pd为扰动功率，作为SFR模型的输入变量；Pα为不平衡功率；扰动功率Pd>0表示发电机的有功出力突增或负荷有功的突减，扰动功率Pd<0表示发电机的有功出力突减或负荷有功的突增；图2对应的受端电网的转速偏差Δω表达式为：Δω=(Rωn2DR+Km)[(1+TRs)Pds2+2ξωns+ωn2]]]>式中：ωn2=DR+Km2HRTR]]>ξ=[2HR+(DR+KmFH)TR2(DR+Km)]ωn]]>在频域中，扰动功率Pd可以表示成一个阶跃函数：Pd=PSteps]]>其中：PStep表示扰动频率Pd在频域中的变换量，s表示扰动功率Pd从时域变换到频域中的变量。则有：Δω=(Rωn2DR+Km)[(1+TRs)PSteps(s2+2ξωns+ωn2)]---(1)]]>转换到时域中，则有：Δω(t)=RPStepDR+Km[1+αe-ξωrtsin(ωrt+φ)]---(2)]]>式中：α=1-2TRξωn+TR2ωn21-ξ2]]>ωr=ωn1-ξ2]]>φ=φ1-φ2=tan-1(ωrTR1-ξωnTR)-tan-1(1-ξ2-ξ)]]>将扰动频率Pd在频域中的变换量PStep从-0.05到-0.25均匀取值并依次进行仿真，仿真图形如图3所示；从图3中可以定性地得出：对于不同值的扰动频率Pd在频域中的变换量PStep，动态频率偏差最大值出现的时间tmax恒定不变；从公式(2)中，可以推导出的表达式：dΔωdt=αωnRPStepDR+Kme-ξωntsin(ωrt+φ1)]]>当受端电网的动态频率偏差为最大值，表达式如下：0=αωnRPStepDR+Kme-ξωntsin(ωrt+φ1)]]>进而可以求出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax；tmax=nπ-j1ωr=1ωrtan-1(ωrTRξωnTR-1)---(3)]]>转速偏差最大值Δωmax：Δωmax=RPStepDR+Km[1+αe-ξωrtmaxsin(ωrtmax+j)]---(4)]]>从公式(3)、(4)中可以看出，在模型参数确定时，动态频率偏差最大值所对应的时间tmax已确定，与扰动频率Pd在频域中的变换量PStep无关；转速偏差最大值△ωmax由扰动频率Pd在频域中的变换量PStep决定。步骤2)在扰动功率Pd已知的情况下，以中心差分形式的参数摄动法计算上述SFR模型中惯性时间常数H、调差系数R、阻尼系数D、再热时间常数TR的轨迹灵敏度，并分析比较上述四项参数对受端电网动态频率响应的影响；图4为新英格兰系统发生功率缺额时，全状态时域仿真与SFR模型的动态频率仿真曲线对比图；SFR模型的等值参数为引用已有文献中惯性中心坐标的概念对各发电机及原动机-调速器参数进行等值拟合而得，具体数值见表1；从图4中可以看出，SFR模型与全状态时域仿真时仿真得到的动态频率响应曲线间存在明显的差异；表1等值参数虽然对于给定的扰动功率Pd，SFR模型可以解析计算出受端电网动态频率偏差最大值以及对应的时间tmax，但其解析计算出的动态频率响应存在着明显的误差，所以无法准确地量化分析受端电网的动态频率特性；因此本步骤引用分析误差源的重要工具——轨迹灵敏度分析法，首先在扰动功率Pd已知的情况下，以中心差分形式的参数摄动法计算上述SFR模型中惯性时间常数H、调差系数R、阻尼系数D、再热时间常数TR的轨迹灵敏度：受端电网动态频率偏差相对于上述四项参数的中心差分形式的轨迹灵敏度计算公式为：∂ΔfH(t)∂H=f(H+ϵ)(t)-f(H-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfD(t)∂D=f(D+ϵ)(t)-f(D-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfR(t)∂R=f(R+ϵ)(t)-f(R-ϵ)(t)2ϵ∂ΔfTR(t)∂TR=f(TR+ϵ)(t)-f(TR-ϵ)(t)2ϵ]]>式中ε为步进长度，一般取0.001；将不同时间下的惯性时间常数H、调差系数R、阻尼系数D、再热时间常数TR的轨迹灵敏度绘制成曲线，如图5所示，并利用上述曲线在[0-Tmax]时间区间内，分析比较上述四项参数对受端电网动态频率响应的影响，可以得出以下结论：(1)在动态频率响应初期(0～2s)，惯性时间常数H的轨迹灵敏度要远远大于其它参数的轨迹灵敏度，对动态频率过程初期起主导作用；(2)随时间推移，受端电网的备用容量逐步调出，惯性时间常数H的轨迹灵敏度逐渐变小；其他参数的轨迹灵敏度则逐渐变大，且其中调差系数R的轨迹灵敏度增长速度最快；(3)当受端电网的备用容量全部调出后，各参数的轨迹灵敏度都趋于恒定值。步骤3)选取上述对轨迹灵敏度影响较大的惯性时间常数H、调差系数R作为待辨识的参数，利用非线性最小二乘法求解这两参数的校正模型而对其进行校正，由此得到校正后的参数值；校正模型的公式如下：ϵmax=12∫0tmax(f(t)-fS(t))T(f(t)-fS(t))dt]]>式中：f(t)和fs(t)为全状态时域仿真惯量中心坐标系下的受端电网动态频率及SFR模型仿真值；校正模型求解流程图如图10所示。校正前后的参数值见表2；表2校正前后的参数值图6为参数校正前后的SFR模型数值仿真与全状态时域仿真时的仿真结果比较分析图。从图6可以看出，通过对参数进行校正，SFR模型在[0tmax]区间内与全状态分析仿真软件的仿真曲线基本重合，能够准确地解析计算出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax、转速偏差最大值△ωmax，从而为建立动态频率量化评估指标奠定了基础。步骤4)在[0tmax]区间内，将受端电网的动态频率与时间以积分的形式相结合而得到受端电网动态频率累积偏移量S，并建立起受端电网动态频率量化评估指标η；在[0tmax]区间内，将受端电网的动态频率与时间以积分的形式相结合而得到图7中S所示的受端电网动态频率累积偏移量，该物理量能够充分地反应受端电网动态频率偏移在[0tmax]区间内的严重程度，具有清晰的物理意义；动态频率累积偏移量S的计算公式为：S=∫0tmaxRPDR+Km[1+αe-ξωrtsin(ωrt+j)]dt]]>设定受端电网给定动态频率偏移阈值为fb，利用上述步骤3)中校正后的参数值即可计算出动态频率偏差最大值所对应的时间tmax，从而利用式(4)及受端电网给定动态频率偏移阈值fb，计算得到受端电网动态频率偏差为阈值fb时的扰动功率PbStep，则可以进一步计算出动态频率最低值为fb时的动态频率累积偏移量Sb；基于动态频率累积偏移量S，以动态频率最低值为fb时的动态频率累积偏移量Sb为基准建立起动态频率量化评估指标η：η=1-SSb---(5)]]>步骤5)利用上述动态频率量化评估指标η对受端电网进行安全量化评估；具体方法如下：(1)当0<S≤Sb时，动态频率量化评估指标η∈[01]，此时，受端电网动态频率最低值大于受端电网给定动态频率偏移阈值fb，说明受端电网动态频率处于安全状态，无需采取频率紧急控制措施，其值越接近0，表明受端电网动态频率最低值越接近受端电网给定动态频率偏移阈值fb，如图8所示；(2)当S>Sb时，动态频率量化评估指标η∈(-∞0]，此时，受端电网动态频率最低值小于受端电网给定动态频率偏移阈值fb，说明受端电网动态频率已不能满足受端电网正常运行的要求，处于非安全状态，应根据需要采取相应的频率紧急控制措施，其值越小，表明受端电网动态频率偏离越严重，安全性越差，如图9所示。当电力系统发生功率扰动时，仅需知道有功功率缺额，就能够计算出动态频率量化预警指标，并通过判断该指标值来评估系统动态频率的安全水平，继而给出动态频率的量化预警信息。该指标以积分的形式来反应系统频率安全状态，具有清晰的物理概念，且计算量小，对电网的频率安全性研究具有重要意义。本发明在深入分析电力系统动态频率响应特点和SFR模型基本特征的基础上，通过基于轨迹灵敏度的SFR参数校正模型，建立了动态频率响应量化评估指标。该指标物理意义明确，实现简单，仅利用扰动初始时刻的功率缺额量即可实现动态频率的量化评估，从而对电力系统动态频率安全进行量化评估，能够有效地评价电力系统动态频率响应的安全状态。当前第1页1 2 3