一种基于安全域的电力系统热稳定安全优化控制方法与流程

本发明属于电网分析领域，并涉及电力系统控制领域。
背景技术：
：经济的快速发展使得用电需求不断增加，电力网络规模不断扩大，逐渐形成跨区互联甚至跨国互联电网。目前我国已形成除台湾外的所有地区电网互联的格局，欧洲电网计划在未来十年内进一步加强主网架建设，实现与南部东部相邻电网的互联。同时，由于一次能源与经济发展地区分布不平衡，负荷中心距离电源中心较远，使得大量电力需通过电网远距离传输。区域间输电断面的传输功率日益接近其传输极限，威胁着电网的安全稳定运行。进一步，电网的大规模跨区互联将使影响电网安全稳定运行的因素增多，一个电力元件发生故障将可能波及全网进而造成严重事故，给电网的安全稳定运行带来严峻考验。2003年，世界相继发生了“8.14”美加大停电、“8.28”伦敦大停电、“9.1”悉尼和马来西亚大停电以及“9.28”意大利大停电，其中“8.14”美加大停电是北美有史以来最严重的停电事故，受停电影响人口超过五千万。2012年7月，印度发生全国近一半地区电力瘫痪的大停电事故，受停电影响人数达6亿。这些严重的停电事故，主要都是由最先的某局部电力事故引起，继而引发其他地区电力事故，最后造成全网事故。大规模停电事故不仅会造成巨大的经济损失，而且将严重影响人民生产生活。对于复杂的互联电力系统，其电力元件众多，如何有效的监视系统运行和预防电力事故的发生变得尤为重要。电力系统安全域可以提供大量的安全信息，该理论的出现为风险评估方法指明了新的方向。表征系统静态电压稳定域边界与热稳定的热稳定安全域边界上复功率注入临界点的集合都能够利用超平面来表示。此外，安全域能够提供系统运行点的裕度信息，用以表征系统风险水平，对系统风险进行量化，其计算负担小，结果准确，能够用于快速计算安全转移概率。并且安全域的裕度信息可以用来为调度运行人员在故障过程中切机切负荷，以及在调度操作过程中规避风险提供可靠的依据。虽然围绕安全域已经开展了许多研究并取得了大量的实用化成果，但安全域在热稳定性的协调控制领域中应用开展较少，并且尚无利用安全域进行电力系统的热稳定性协调控制方面的理论及算法。技术实现要素：针对电力系统失去热稳定性的情况，提出了一种基于热稳定安全依次进行发电机出力调整和切负荷调整的方法，该方法不但可以有效地降低失负荷的风险，同时可以帮助系统调度人员保证系统中的线路不会出现过载运行的情况。首先根据电网参数及结构对系统进行N-1故障分析，计算各种可能的N-1故障状态对应的电力系统的热稳定安全域，得到每一个N-1故障下系统各条线路对应的超平面系数；然后由系统初始运行点和计算得到的超平面系数计算系统各线路的传输功率，并判断各线路是否过载。基于热稳定安全域，对出现过载线路的运行点依次计算同步机出力调整量和负荷调整量，得到系统的调整策略，从而保证系统的稳定运行。为了解决上述技术问题，发明一种基于安全域的电力系统热稳定安全优化控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据电网参数及结构分析确定电网可能发生的N-1故障，计算各种可能的故障状态对应的电力系统的热稳定安全域，得到每一个N-1故障下电力系统中各条线路对应的超平面系数；步骤二、由电力系统初始运行点和步骤一中的超平面系数计算电力系统中各线路的传输功率，并判断各线路的传输功率是否超过其极限值，若均没超过极限值，则跳至步骤五，否则，该初始运行点为失稳运行点，筛选出超过极限值的线路，超过极限值的线路即为过载线路，并计算过载线路的过载率；步骤三、筛选出步骤二中过载率最大的线路及其对应的超平面系数，然后，基于安全域的最小发电调整量的计算方法计算失稳运行点的最小发电调整量，并判断调整后电力系统中各线路是否不再过载，若不再过载，跳至步骤五，否则执行步骤四；步骤四、基于安全域的最小切负荷量计算方法对步骤三中调整后的电力系统的运行点进行切负荷调整；步骤五、从而得到稳定的运行点。进一步讲，本发明中，所述步骤三和步骤四中根据同步发电机出力调整以及电力系统切负荷调整的先后顺序，并基于热稳定安全域的最小切负荷量和最小发电调整量的计算方法，计算失稳运行点的切负荷量和发电调整量的的具体内容如下：步骤1)若电网发生N-1故障后出现线路过载的现象，通过同步发电机出力调整和切负荷调整来使电力系统恢复稳定，基于有功注入功率空间的热稳定安全域超平面，其数学表达式为：α1P1+α2P2+α3P3+…αnPn＝1(1)式(1)中，Pi是电力系统节点i的有功功率注入；αi是该节点i的超平面方程系数；n是有功功率注入节点的个数；若运行点P(P1，P2，…，Pn)位于热稳定安全域边界之外，则该运行点P(P1，P2，…，Pn)到热稳定安全域边界超平面HP的距离即为最小切负荷量或最小发电调整量ΔP，其等于失稳运行点与调整后的稳定运行点间各个有功功率注入之差，记ΔP＝[ΔP1,ΔP2,…,ΔPn]，最小切负荷量或最小发电调整量ΔP与热稳定安全域边界超平面HP正交，因此：ΔP1:ΔP2:…:ΔPn＝α1:α2:…:αn(2)切负荷调整后的运行点P’(P1’，P2’，…，Pn’)，此时PP’所在直线表示为：联立求解式(1)和式(3)得到调整后运行点中的各节点的有功功率注入向量P’；步骤2)令各同步发电机节点的标志位Flag均为0；调整同步发电机出力，是在基于同步发电机节点有功注入的安全域空间中进行的，基于同步发电机节点有功注入的热稳定安全域的边界表示为：∑agPg＝1-∑alPl(4)式(4)中，g为同步发电机节点，l为负荷节点；并只选取式(3)中含有同步发电机有功注入的项，即步骤3)依次判断各同步发电机节点的标志位Flag是否为0，同时判断同步发电机节点的出力是否大于0，选取第一个满足这两个条件的同步发电机节点作为参考机组ref，并联立式(4)和式(5)：由式(6)得到经调整后的运行点中的同步发电机节点有功注入向量Pg’；步骤4)依次检验同步发电机节点的出力是否越限，若出力越限，则其标记位设置为1，并将该同步发电机节点的出力固定为其极限值，继续检验下一个；若出力没有越限，则检验下一个，直到检验完为止；步骤5)将步骤3)和步骤4)中得到的结果在调整后的运行点中的同步发电机节点有功注入向量Pg’中进行更新；判断各同步发电机节点的标志位之和sum(Flag)是否等于0，同时判断参考机组的标志位Flag(ref)是否等于1，若有一个条件满足，则跳到步骤6)，若两个条件均不满足，则跳至步骤3)；步骤6)判断各同步发电机节点的标志位之和sum(Flag)是否等于0，若满足该条件，则通过调整同步发电机出力达到了运行点恢复稳定，至此获取对应运行点P的控制方法；否则，判断参考机组的标志位Flag(ref)是否等于1，若满足该条件则进行切负荷调整；步骤7)因电力系统中的负荷不能可控地增加，筛选出超平面系数为负的Nl个负荷节点以及对应的标志位flag，Nl个负荷节点的有功功率注入向量Pl；步骤8)如果运行点的负荷节点挂有负荷，则该负荷节点的有功注入为负值，若没有负荷则为0，依次判断各负荷节点的出力是否小于0，同时判断各负荷节点的标志位是否为0，选取第一个同时满足上述这两个条件的负荷节点作为参考负荷ref；由式(7)计算切负荷后的运行点中各节点的有功功率注入；步骤9)令各负荷节点的标志位flag均为0；依次检验负荷节点的有功功率注入是否越下限，若出力越下限，则负荷节点的标记位设置为1，并将该负荷节点的有功功率注入固定为其下限值，继续检验下一个；若出力没有越限，则检验下一个，直到将所有的负荷节点检验完为止；步骤10)将步骤9)中得到的运行点中各节点的有功功率注入在调整后的运行点中的负荷节点的有功功率注入向量Pl’进行更新；判断各负荷节点的标志位之和sum(flag)是否等于0，同时判断是否已经没有线路过载，若两个条件都满足，则达到了运行点恢复稳定，至此获取对应运行点P的控制方法；否则返回步骤8)。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于安全域理论，对最小切负荷和最小发电出力调整的措施进行了进一步的完善，对于电力系统的热稳定失稳故障状态，有序、协调地控制同步发电机、以及进行切负荷，保证了系统中负荷的正常运行。与此同时，本发明的利用降低了系统的风险水平。附图说明图1是本发明提供的基于热稳定安全域的同步机出力调整的流程图；图2(a)和图2(b)分别是本发明提供的最小发电调整量、最小切负荷量示意图；图3是本发明提供的基于热稳定安全域的切负荷调整的流程图；图4(a)、图4(b)和图4(c)的共同反映了本发明算例中新英格兰300节点标准系统接线图；图5(a)、图5(b)和图5(c)共同反映了本发明算例中线路255-33断开后需进行的发电机出力调整措施柱状图。具体实施方式下面结合附图和具体实施算例对本发明技术方案作进一步详细描述。本发明一种基于安全域的电力系统热稳定安全优化控制方法，详细说明如下，包括：步骤一：根据电网参数及结构分析确定电网可能发生的N-1故障，计算各种可能的故障状态对应的电力系统的热稳定安全域，得到每一个N-1故障下电力系统中各条线路对应的超平面系数。以新英格兰300节点标准系统为例，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，包括69个发电机节点和62个负荷节点。系统中共有411条线路，因此有411种N-1故障状态，每一种N-1故障状态时剩余的410条线路分别对应着其热稳定安全域边界系数。通过MATLAB编写接口程序，调用matpower中的300节点系统的数据进行电力系统热稳定安全域边界的计算。在完成临界点的搜索之后，MATLAB需要利用临界点拟合出给定故障状态下电力系统热稳定安全域边界的超平面系数，为计算失稳运行点协调控制方法做准备。由于411个故障状态过多，因此该专利中仅列举出表1所示的10个N-1故障状态为例进行说明，对这10个N-1故障分别进行超平面系数计算。表1N-1故障N-1故障N-1故障线路274-276断开线路260-53断开线路264-118断开线路98-100断开线路255-33断开线路96-97断开线路263-109断开线路116-119断开线路265-145断开线路39-52断开步骤二：由电力系统初始运行点和步骤一中的超平面系数计算电力系统中各线路的传输功率，并判断各线路的传输功率是否超过其极限值，若均没超过极限值，则跳至步骤五，否则，该初始运行点为失稳运行点，筛选出超过极限值的线路，超过极限值的线路即为过载线路，并计算过载线路的过载率。对步骤一中列举的N-1故障，线路274-276断开、线路260-53断开不会造成线路的功率越限，则调至步骤五；线路264-118断开会造成线路116-119(过载率为52.43％)、线路119-161(过载率为47.81％)、线路161-118(过载率为4.05％)、线路257-43(过载率为35.71％)过载；线路255-33断开会造成线路16-36(过载率为3.85％)过载；线路263-109断开会造成线路3-129(过载率为19.30％)、线路31-43(过载率为13.66％)、线路112-116(过载率为10.30％)、线路109-129(过载率为19.30％)、线路257-43(过载率为143.35％)过载；线路265-145断开会造成线路257-43(过载率为8.99％)过载；线路98-100断开会造成线路96-97(过载率为40.12％)、线路97-98(过载率为45.72％)、线路136-138(过载率为27.15％)、线路101-136(过载率为3.90％)、线路138-96(过载率为40.12％)过载；线路96-97断开会造成线路98-100(过载率为19.31％)过载；线路116-119断开会造成线路4-16(过载率为20.06％)、线路18-36(过载率为34.49％)、线路112-116(过载率为27.28％)、线路3-4(过载率为20.06％)过载；线路39-52断开会造成线路4-16(过载率为6.09％)、线路16-36(过载率为13.16％)、线路112-116(过载率为7.92％)、线路3-4(过载率为6.09％)过载。步骤三：筛选出步骤二中过载率最大的线路及其对应的超平面系数，然后，基于安全域的最小发电调整量的计算方法计算失稳运行点的最小发电调整量，并判断调整后电力系统中各线路是否不再过载，若不再过载，跳至步骤五，否则执行步骤四。步骤3-1)若电网发生N-1故障后出现线路过载的现象，通过同步发电机出力调整和切负荷调整来使电力系统恢复稳定，基于有功注入功率空间的热稳定安全域超平面，其数学表达式为：α1P1+α2P2+α3P3+…αnPn＝1(1)式(1)中，Pi是电力系统节点i的有功功率注入；αi是该节点i的超平面方程系数；n是有功功率注入节点的个数；若运行点P(P1，P2，…，Pn)位于热稳定安全域边界之外，如图2(a)和图2(b)所示，则该运行点P(P1，P2，…，Pn)到热稳定安全域边界超平面HP的距离即为最小切负荷量或最小发电调整量ΔP，其等于失稳运行点与调整后的稳定运行点间各个有功功率注入之差，记ΔP＝[ΔP1,ΔP2,…,ΔPn]，最小切负荷量或最小发电调整量ΔP与热稳定安全域边界超平面HP正交，因此：△P1:△P2:…:△Pn＝α1:α2:…:αn(2)切负荷调整后的运行点P’(P1’，P2’，…，Pn’)，此时PP’所在直线表示为：联立求解式(1)和式(3)得到调整后运行点中的各节点的有功功率注入向量P’；步骤3-2)如图1所示，令各同步发电机节点的标志位Flag均为0。调整同步发电机出力，是在基于同步发电机节点有功注入的安全域空间中进行的，基于同步发电机节点有功注入的热稳定安全域的边界表示为：∑agPg＝1-∑alPl(4)式(4)中，g为同步发电机节点，l为负荷节点；并只选取式(3)中含有同步发电机有功注入的项，即步骤3-3)依次判断各同步发电机节点的标志位Flag是否为0，同时判断同步发电机节点的出力是否大于0，选取第一个满足这两个条件的同步发电机节点作为参考机组ref，并联立式(4)和式(5)：由式(6)得到经调整后的运行点中的同步发电机节点有功注入向量Pg’；步骤3-4)依次检验同步发电机节点的出力是否越限，若出力越限，则其标记位设置为1，并将该同步发电机节点的出力固定为其极限值，继续检验下一个；若出力没有越限，则检验下一个，直到检验完为止；步骤3-5)将步骤3-3)和步骤3-4)中得到的结果在调整后的运行点中的同步发电机节点有功注入向量Pg’中进行更新；判断各同步发电机节点的标志位之和sum(Flag)是否等于0，同时判断参考机组的标志位Flag(ref)是否等于1，若有一个条件满足，则跳到步骤6)，若两个条件均不满足，则跳至步骤3-3)；步骤3-6)判断各同步发电机节点的标志位之和sum(Flag)是否等于0，若满足该条件，则通过调整同步发电机出力达到了运行点恢复稳定，至此获取对应运行点P的控制方法；否则，判断参考机组的标志位Flag(ref)是否等于1，若满足该条件则进行切负荷调整；线路255-33断开后，线路16-36的负载率最大，调整同步发电机的出力就可以使得运行点恢复稳定，此时线路16-36刚好满载，至此获取该运行点的控制方法；线路265-145断开后，线路257-43的负载率最大，调整同步发电机的出力就可以使得运行点恢复稳定，此时线路257-43刚好满载，至此获取该运行点的控制方法；线路96-97断开后，线路98-100的负载率最大，调整同步机的出力就可以使得运行点恢复稳定，此时线路98-100刚好满载，至此获取该运行点的控制方法；线路116-119断开后，线路18-36的负载率最大，调整同步机的出力就可以使得运行点恢复稳定，此时线路4-16、线路18-36、线路112-116、线路3-4均可正常运行，至此获取该运行点的控制方法。上述的四个线路N-1故障经同步机调整便可恢复稳定，不需要再进行切负荷调整。以线路255-33断开后为例，获取的控制方法如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示。线路264-118断开后，线路116-119的负载率最大，通过同步发电机出力调整后，线路116-119满载运行，线路263-109重载运行，然而线路119-161(过载率为44.27％)、线路161-118(过载率为0.51％)仍然过载，因此在线路264-118断开后，仅通过同步发电机出力调整不能使系统恢复稳定，需要进行切负荷调整；线路263-109断开后，线路257-43的负载率最大，通过同步发电机出力调整后，线路3-129、线路109-129、线路257-43、线路31-43正常运行，然而线路112-116(过载率为23.10％)仍然过载，因此在线路263-109断开后，仅通过同步发电机出力调整不能使系统恢复稳定，需要进行切负荷调整；线路98-100断开后，线路97-98的负载率最大，通过同步发电机出力调整后，线路96-97、线路97-98、线路136-138、线路138-96正常运行，然而线路101-136(过载率为3.68％)仍然过载，因此在线路98-100断开后，仅通过同步发电机出力调整不能使系统恢复稳定，需要进行切负荷调整；线路116-119断开后，线路18-36的负载率最大，通过同步发电机出力调整后，线路4-16、线路16-36、线路3-4正常运行，然而线路112-116(过载率为2.90％)仍然过载，因此在线路116-119断开后，仅通过同步发电机出力调整不能使系统恢复稳定，需要进行切负荷调整。步骤四：基于安全域的最小切负荷量计算方法对步骤三中调整后的电力系统的运行点进行切负荷调整。如图3所示。步骤4-1)因电力系统中的负荷不能可控地增加，筛选出超平面系数为负的Nl个负荷节点以及对应的标志位flag，Nl个负荷节点的有功功率注入向量Pl；步骤4-2)如果运行点的负荷节点挂有负荷，则该负荷节点的有功注入为负值，若没有负荷则为0，依次判断各负荷节点的出力是否小于0，同时判断各负荷节点的标志位是否为0，选取第一个同时满足上述这两个条件的负荷节点作为参考负荷ref；由式(7)计算切负荷后的运行点中各节点的有功功率注入；步骤4-3)令各负荷节点的标志位flag均为0；依次检验负荷节点的有功功率注入是否越下限，若出力越下限，则负荷节点的标记位设置为1，并将该负荷节点的有功功率注入固定为其下限值，继续检验下一个；若出力没有越限，则检验下一个，直到将所有的负荷节点检验完为止；步骤4-4)将步骤4-3)中得到的运行点中各节点的有功功率注入在调整后的运行点中的负荷节点的有功功率注入向量Pl’进行更新；判断各负荷节点的标志位之和sum(flag)是否等于0，同时判断是否已经没有线路过载，若两个条件都满足，则达到了运行点恢复稳定，至此获取对应运行点P的控制方法；否则返回步骤4-2)。步骤三中仅调整同步发电机出力不能恢复系统稳定的四个线路N-1故障，通过步骤四的切负荷调整后均可以实现稳定运行。以线路264-118断开为例，运行点需要进行的发电机出力调整措施如表2所示，需要的切负荷措施如表3所示，没有列出的负荷节点不需要进行切负荷调整，即切负荷量为0。表2线路264-118断开后需进行的发电机出力调整措施表3线路264-118断开后需进行的切负荷调整措施步骤五：从而最终得到稳定的运行点。综上，本发明基于安全域理论，对最小切负荷和最小发电出力调整的措施进行了进一步的完善，对于电力系统的热稳定失稳故障状态，有序、协调地控制同步发电机、以及进行切负荷，保证了系统中负荷的正常运行。与此同时，本发明的利用降低了系统中负荷的损失，从而降低了系统的风险水平。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页1 2 3