直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法及装置与流程

本发明涉及特高压直流输电技术领域，具体涉及一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法及装置。

背景技术：

近年，我国特高压交直流输电技术和工程应用取得突破。晋东南—南阳—荆门1000kv特高压交流试验示范工程及扩建工程、800kv向家坝复龙—上海奉贤特高压直流示范工程已建成投运并持续保持安全稳定运行，对优化配置我国能源资源发挥了重要作用。未来10～20年，还将有数十回特高压直流输电工程建成投运，向东中部负荷中心地区送电。基于lcc(电网换相换流器)的高压直流输电技术，需要受端交流电网提供足够的换相电压，且在换相失败后的功率恢复过程中还需吸收大量的无功功率，多馈入直流将给受端交流电网带来严重的安全稳定问题。

多馈入直流集中落入东中部电网将是未来我国电网发展面临的突出问题之一，其存在的主要问题是受端电网是否能够提供坚强的电压支撑。为从电网结构上有效解决多馈入直流系统的问题，有学者提出了一种特高压直流分层接入方式来改善电网结构。特高压直流分层接入的特点是，串联在直流线路上的两个逆变器各自通过换流变连接到500kv和1000kv电网。特高压直流分层接入的方式虽然避免了单条直流功率全部馈入同一个地点对当地无功要求过高的问题，但是直流馈入点的电压稳定问题仍然存在。而且直流采用分层接入的方式会在受端形成两个落点，两个落点间存在相互影响为直流换流母线的电压稳定分析带来了困难。

技术实现要素：

本发明提供一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法及装置，其目的是将交直流系统从一个直流落点等值成单端口网络，将另一个直流落点以及系统负荷对该落点的影响用虚拟电压、虚拟阻抗或是虚拟功率来体现，等值完毕后，通过阻抗匹配定理求得该落点的电压稳定裕度。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法，其改进之处在于，包括：

根据电力系统中负荷节点的负荷类型，将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点；

确定直流分层馈入点与虚拟负荷节点间的电网参数，并利用所述电网参数建立直流分层馈入点的电路方程；

根据所述电路方程确定直流分层馈入点的等效单端口网络参数；

利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

优选的，所述根据电力系统中负荷节点的负荷类型，将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点，包括：

若负荷节点为恒电流型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟电压负荷节点；

若负荷节点为恒阻抗型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟阻抗负荷节点；

若负荷节点为恒功率型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟功率负荷节点。

优选的，所述确定直流分层馈入点与虚拟负荷节点间的电网参数，包括：

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟电压负荷节点j间的虚拟电压：

上式中，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流，lc为虚拟电压负荷节点集合；

按下式确定i与虚拟阻抗负荷节点k间的虚拟阻抗：

上式中，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合；

按下式确定i与虚拟功率负荷节点l间的虚拟功率：

上式中，zil为i与l间的阻抗，zii为i的自阻抗，il为l的电流，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合。

优选的，所述利用所述电网参数建立直流分层馈入点的电路方程，包括：

按下式建立直流分层馈入点i的电路方程：

上式中，vi为i的电压，lc为虚拟电压负荷节点集合，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合，g为电力系统中发电机节点集合，ij为虚拟电压负荷节点j的电流，zij为i与j间的阻抗，ik为虚拟阻抗负荷节点k的电流，zik为i与k间的阻抗，il为虚拟功率负荷节点l的电流，zil为i与l间的阻抗，zii为i的自阻抗，ig为电力系统中发电机节点g的电流，zig为i与g间的阻抗。

优选的，所述根据所述电路方程确定直流分层馈入点的等效单端口网络参数，包括：

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值电动势eeq(i)：

上式中，g为电力系统中发电机节点集合，lc为虚拟电压负荷节点集合，ij为虚拟电压负荷节点j的电流，zij为i与j间的阻抗，ig为电力系统中发电机节点g的电流，zig为i与g间的阻抗；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值阻抗zeq(i)：

上式中，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，ik为虚拟阻抗负荷节点k的电流，zik为i与k间的阻抗；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值功率seq(i)：

上式中，ls为虚拟功率负荷节点集合，vi^*为i的电压的共轭复数，zii为i的自阻抗，il为虚拟功率负荷节点l的电流，zil为i与l间的阻抗。

优选的，所述利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的电压稳定裕度，包括：

利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的最大的负荷容量；

根据所述最大的负荷容量确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

进一步的，所述利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的最大的负荷容量，包括：

按下式确定直流分层馈入点i的最大的负荷容量smax(i)：

上式中，eeq(i)为i的等效单端口网络的等值电动势，zeq(i)为i的等效单端口网络的等值阻抗，δ为i的功率因数。

进一步的，所述根据所述最大的负荷容量确定直流分层馈入点的电压稳定裕度，包括：

按下式确定直流分层馈入点i的电压稳定裕度vvsm：

上式中，smax(i)为i的最大的负荷容量，seq(i)为i的等效单端口网络的等值功率。

一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化装置，其改进之处在于，所述装置包括：

转换模块，用于根据电力系统中负荷节点的负荷类型，将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点；

第一确定模块，用于确定直流分层馈入点与虚拟负荷节点间的电网参数，并利用所述电网参数建立直流分层馈入点的电路方程；

第二确定模块，用于根据所述电路方程确定直流分层馈入点的等效单端口网络参数；

第三确定模块，用于利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

优选的，所述第三确定模块，包括：

第一确定单元，用于利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的最大的负荷容量；

第二确定单元，用于根据所述最大的负荷容量确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，通过将交直流系统从一个直流落点等值成单端口网络，将另一个直流落点以及系统负荷对该落点的影响用虚拟电压、虚拟阻抗或是虚拟功率来体现，等值完毕后，通过阻抗匹配定理求得该落点的电压稳定裕度，考虑了交流负荷以及其余直流馈入点对目标节点电压稳定裕度的影响，可以实时评价当前分层直流的运行状态及电网的安全稳定裕度，从而为直流运行及紧急控制策略的制定和构建交直流混连电网的在线辅助决策系统提供实施依据。需要指出的本发明提出的方法具有很强的通用性，不但使用于直流馈入点，对于交流负荷节点也同样适用。

附图说明

图1是本发明一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法的流程图；

图2是本发明实施例中直流分层馈入点电压稳定分析框架图；

图3是本发明实施例中锡泰直流分层接入直流近区实际电网网架结构图；

图4是本发明实施例中锡泰直流分层接入受端简化图；

图5是本发明实施例中从锡泰直流高端即23节点进行等效得到的单端口网络；

图6是本发明实施例中从锡泰直流低端即12节点进行等效得到的单端口网络；

图7是本发明一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了克服在评价分层直流换流母线电压稳定裕度时高低端换流母线会相互影响的特点，本发明提供的一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法，将另一个直流落点以及系统负荷对该落点的影响用虚拟电压、虚拟阻抗或是虚拟功率来体现。等值完毕后，通过阻抗匹配定理求得该落点的电压稳定裕度，如图1所示，包括：

101.根据电力系统中负荷节点的负荷类型，将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点；

102.确定直流分层馈入点与虚拟负荷节点间的电网参数，并利用所述电网参数建立直流分层馈入点的电路方程；

其中，所述电网参数包括：直流分层馈入点i与虚拟电压负荷节点间的虚拟电压、虚拟阻抗和虚拟功率；

103.根据所述电路方程确定直流分层馈入点的等效单端口网络参数；

104.利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

具体的，所述步骤101，包括：

若负荷节点为恒电流型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟电压负荷节点；

若负荷节点为恒阻抗型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟阻抗负荷节点；

若负荷节点为恒功率型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟功率负荷节点。

其中，在所述步骤101之前，对于一个拥有l个负荷节点(直流落点也当成负荷节点)和m个发电机节点共n个节点组成的电力系统，可从scada中得到该电力系统的节点导纳矩阵y，从pmu中采集该电力系统负荷节点和电压节点实时的电压v和电流i等基础数据，并从直流分层馈入节点将系统等值成单端口形式；

将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点之后，所述步骤102，包括：

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟电压负荷节点j间的虚拟电压：

上式中，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流，lc为虚拟电压负荷节点集合；

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟阻抗负荷节点k间的虚拟阻抗：

上式中，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合；

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟功率负荷节点l间的虚拟功率：

上式中，zil为i与l间的阻抗，zii为i的自阻抗，il为l的电流，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合。

按下式建立直流分层馈入点i的电路方程：

上式中，vi为i的电压，lc为虚拟电压负荷节点集合，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合，g为电力系统中发电机节点集合，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流，zii为i的自阻抗，zil为i与l间的阻抗，il为l的电流，zig为i与g间的阻抗，ig为g的电流。

所述步骤103包括：

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值电动势eeq(i)：

上式中，g为电力系统中发电机节点集合，lc为虚拟电压负荷节点集合，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值阻抗zeq(i)：

上式中，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，ii为i的电流，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值功率seq(i)：

上式中，ls为虚拟功率负荷节点集合，zii为i的自阻抗，vi^*为i的电压的共轭复数，zil为i与l间的阻抗，il为l的电流。

通过所述步骤103获取等效单端口网络参数之后，所述步骤104，包括：

利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的最大的负荷容量；

根据所述最大的负荷容量确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

其中，按下式确定直流分层馈入点i的最大的负荷容量smax(i)：

上式中，eeq(i)为i的等效单端口网络的等值电动势，zeq(i)为i的等效单端口网络的等值阻抗，δ为i的功率因数。

按下式确定直流分层馈入点i的电压稳定裕度vvsm：

上式中，smax(i)为i的最大的负荷容量，seq(i)为i的等效单端口网络的等值功率。

本发明提供一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化方法的实施例，如图2所示，图2为本发明提出的直流分层接入馈入点电压稳定分析框架图。对于一个有多个发电机节点和负荷节点(包括直流馈入点)的电力系统。可以从待研究节点将其等值成单端口网络的形式，待研究节点之外的其他负荷节点可以根据需要使用虚拟电压、虚拟阻抗和虚拟功率进行等效。在得到某负荷节点的单端口网络后，可以用阻抗匹配定理计算出该负荷节点的最大负荷容量，进一步可以得到该运行状态下该节点的电压稳定裕度。

图3为2018年锡泰直流分层接入直流近区实际电网网架结构图。岱山、盱眙、上河、斗山与华东主网相连，故可以看成发电机节点，加上本身的发电厂，则发电机节点达到11个，编号1到11；负荷节点共21个，编号12～32。其中23号节点和12号节点分别为是锡泰直流分层接入的高端和低端。锡泰直流在受端可以用图4来表示，其高低端换流器的功率输出可以用下式来描述：

式中，b为6脉动换流器的个数,为2；γi为熄弧角，为18度；id为直流电流给定值，为6.25ka；xi为换流变漏抗，为0.18；为功率因素角；μi为换相角，典型值在15°～25°；uaci为换流器所连交流节点的电压幅值；i＝1代表高端换流器，i＝2代表低端换流器。

图3所示的交直流混连系统的运行状态即各阶段的电压和功率注入如表1所示：

表1交直流混连系统的运行状态即各阶段的电压和功率注入

针对表1所得到的运行状态，交流负荷用虚拟功率等效，直流用虚拟电压等效，计算锡泰直流分层落点23和12的电压稳定裕度。

具体步骤如下：

步骤(1)：对于一个拥有21个负荷节点(直流落点也当成负荷节点)和11个发电机节点共32个节点组成的电力系统，从scada中得到该电力系统的节点导纳矩阵y，从pmu中采集该电力系统负荷节点和电压节点实时的电压v和电流i；

步骤(2)：根据得到的电力系统节点导纳矩阵y，求得该系统的节点阻抗矩阵z，z为y矩阵的逆矩阵。

步骤(3)：根据节点阻抗方程可以得到，其中，v和i是节点电压和节点注入电流的一组向量，i可以从表1计算得到；z是32阶的节点阻抗矩阵。

步骤(4)：令发电机节点g＝{1,…,11}，负荷节点l＝{12,…,32}(包括交流负荷节点和分层直流馈入点)。对于一个直流分层馈入点i(23或12)来说，根据步骤(3)的方程有，

vi＝(zi1i1+…+zimim)+(zim+1im+1+…+ziiiii+…+zinin)

整理得：

根据负荷的性质，可用虚拟电压、虚拟阻抗和虚拟功率来等效。这边考虑交流负荷用虚拟功率等效，直流馈入功率用虚拟电压等效，即lc＝{12,23}，lz＝{φ}，ls＝{13,…,22,24…32}；

可进一步将方程整理得：

步骤(5)：从一直流分层馈入点i(23或12)等效得到的单端口网络的参数为，

等值电动势：

等值阻抗：

等值功率：

对于从直流分层接入的高端即23节点等效计算出的结果为，

eeq(23)＝0.53-j2.454,zeq(23)＝0.0002-j0.0134,seq(23)＝176.61+j13.88；从23节点等值的单端口的系统图见图5。

对于从直流分层接入的高端即12节点等效计算出的结果为，

eeq(12)＝0.321-j2.895,zeq(12)＝0.0002-j0.0134,seq(12)＝205.08+j47.35；从12节点等值单端口的系统图见图6。

步骤(6)：根据阻抗匹配的思想，求得一分层直流馈入点i(23或12)节点处的最大的负荷容量为，

再求得分层直流馈入点i当前的电压稳定裕度为

对于从直流分层接入的高端即23节点等效计算出的最大功率smax(23)为250pu，裕度margin23为29.1％；对于从直流分层接入的高端即12节点等效计算出的最大功率smax(12)为400pu，裕度margin12为47.5％。

从以上仿真结果可以看出，本发明提出的方法，只要得到电网的实时运行状态就能计算出分层直流馈入点实时的电压稳定裕度，有很强的通用性。从而为直流运行及紧急控制策略的制定和构建交直流混连电网的在线辅助决策系统提供实施依据。

本发明还提供一种直流分层接入受端换流母线电压稳定裕度的量化装置，如图7所示，所述装置包括：

转换模块，用于根据电力系统中负荷节点的负荷类型，将所述负荷节点等效为虚拟负荷节点；

第一确定模块，用于确定直流分层馈入点与虚拟负荷节点间的电网参数，并利用所述电网参数建立直流分层馈入点的电路方程；

第二确定模块，用于根据所述电路方程确定直流分层馈入点的等效单端口网络参数；

第三确定模块，用于利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

具体的，所述转换模块，包括：

若负荷节点为恒电流型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟电压负荷节点；

若负荷节点为恒阻抗型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟阻抗负荷节点；

若负荷节点为恒功率型负荷节点，则将负荷节点等效为虚拟功率负荷节点。

所述第一确定模块，包括：

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟电压负荷节点j间的虚拟电压：

上式中，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流，lc为虚拟电压负荷节点集合；

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟阻抗负荷节点k间的虚拟阻抗：

上式中，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合；

按下式确定直流分层馈入点i与虚拟功率负荷节点l间的虚拟功率：

上式中，zil为i与l间的阻抗，il为l的电流，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合。

按下式建立直流分层馈入点i的电路方程：

上式中，vi为i的电压，lc为虚拟电压负荷节点集合，ii为i的电流，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，vi^*为i的电压的共轭复数，ls为虚拟功率负荷节点集合，g为电力系统中发电机节点集合，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流，zil为i与l间的阻抗，il为l的电流，zig为i与g间的阻抗，ig为g的电流。

所述第二确定模块，包括：

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值电动势eeq(i)：

上式中，g为电力系统中发电机节点集合，lc为虚拟电压负荷节点集合，zij为i与j间的阻抗，ij为j的电流；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值阻抗zeq(i)：

上式中，lz为虚拟阻抗负荷节点集合，ii为i的电流，zik为i与k间的阻抗，ik为k的电流；

按下式确定直流分层馈入点i的等效单端口网络的等值功率seq(i)：

上式中，ls为虚拟功率负荷节点集合，vi^*为i的电压的共轭复数，zil为i与l间的阻抗，il为l的电流。

所述第三确定模块，包括：

第一确定单元，用于利用所述等效单端口网络参数确定直流分层馈入点的最大的负荷容量；

第二确定单元，用于根据所述最大的负荷容量确定直流分层馈入点的电压稳定裕度。

其中，按下式确定直流分层馈入点i的最大的负荷容量smax(i)：

上式中，eeq(i)为i的等效单端口网络的等值电动势，zeq(i)为i的等效单端口网络的等值阻抗，δ为i的功率因数。

按下式确定直流分层馈入点i的电压稳定裕度vvsm：

上式中，smax(i)为i的最大的负荷容量，seq(i)为i的等效单端口网络的等值功率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。