一种电网黑启动暂态稳定校验的方法与流程

本发明涉及一种电网黑启动暂态稳定校验的方法，属于电力系统稳定性校验技术领域。

背景技术：

随着各种智能技术不断运用于电力系统生产领域，电力系统的安全稳定运行水平得到了极大的提高，但由于电网互联的规模日益庞大以及各种新型电力设备的广泛应用，使得电力系统的运行方式变得十分复杂，电力系统运行所存在的隐患也越来越多，发生大停电事故的风险越来越高。面对现代电力系统结构与特性越来越复杂的特点，当电力系统遭受各种大小干扰时，仍然无法完全防止大停电事故的发生。近年来不断发生的大停电事故表明，大停电是现代电力系统必须面对的问题。随着电力系统规模的日益扩大以及社会对电力供应依赖度的不断提高，大停电事故造成的后果也越来越严重。黑启动作为大停电事故后的首要操作，对整个电力系统的恢复供电起着重要作用。

黑启动是指电力系统因故障停运后，不依赖其他网络的帮助，通过启动系统中具有自启动能力的电源，带动无自启动能力的电源，使其重新恢复发电能力，并与黑启动电源并列形成小系统的过程。而在某区域系统解列崩溃重新恢复供电的过程中，由于机组出力和负荷存在交替增加的动态过程，而完整的网架尚未形成，线路空载充电，各种无功补偿设备相继投入，脆弱、单薄的网络不断受到冲击，因此功角稳定、电压稳定、频率稳定等问题交织在一起，极易造成暂态或稳态不稳定问题，对黑启动的顺利恢复造成不利影响，这就要求在制定黑启动方案及策略之前，对相关问题进行系统全面的分析，建立合理的数学物理模型，应用仿真软件进行充分的暂态稳定分析，根据分析结果，提前做好防范准备，归纳总结防范措施，保证黑启动顺利进行。

技术实现要素：

本发明提供了一种电网黑启动暂态稳定校验的方法，以用于对电网黑启动暂态稳定性进行校验。

本发明的技术方案是：一种电网黑启动暂态稳定校验的方法，所述方法的具体步骤如下：

步骤s1、输入电力系统的基本网架数据；

步骤s2、对所输入的部分网架参数进行转换，然后以转换后的数据作为最优化潮流计算的输入并进行最优化潮流计算；

步骤s3、对最优化潮流计算的结果进行处理，得到暂态稳定计算所需的母线bus以及线路line数据；

步骤s4、结合之前的网架参数进行暂态稳定计算，得到各台机组的功角值mac_ang、各条母线电压标幺值busv以及各台机组转子转速标幺值mac_spd；

步骤s5、数据处理后得到各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1以及各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1，并图形化展示各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1、各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1以及各条母线电压标幺值busv。

作为本发明的优选方案，所述步骤s1，具体步骤如下：

(1)、将要进行黑启动电网的除了系统基准容量basemva以外的各种参数写成矩阵的形式，这里的各种参数包括母线、发电机、线路、电机运行成本、原动机、励磁系统、电力系统稳定器以及调速系统，分别用bus、gen、branch、gencost、mac_con、exc_con、pss_con以及tg_con来定义和返回电网的具体参数；

(2)、其中bus矩阵的每一行对应一条单一的母线，bus矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为各母线类型type、负荷有功pd、负荷无功qd、母线并联电导gs、母线并联电纳bs、电网断面号area、母线电压幅值vm、母线电压相位va、母线基准电压basekv、电网分区号zone、母线最高工作电压vmax以及母线最低工作电压vmin；

(3)、gen矩阵的每一行对应一台单一的发电机，gen矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为接入发电机的母线编号bus_i、发电机发出的有功功率pg、发电机发出的无功功率qg、发电机的最大无功qmax、发电机的最小无功qmin、发电机的工作电压vg、发电机的功率基准mbase、发电机运行状态status、发电机的最大有功pmax以及发电机的最小有功pmin；

(4)、branch矩阵的每一行对应一条单一的线路，branch矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为该支路的起始节点fbus、该支路的终止节点tbus、该支路的电阻r、该支路的电抗x、该支路的电纳b、该支路长期允许功率ratea、短期允许功率rateb、短期允许功率ratec、该支路的变比ratio、该支路的相位angle、该支路的工作状态status、该支路的最小相位角度angmin以及该支路最大相位角度agmax；

(5)、gencost矩阵的每一行对应一台单一的发电机，gencost矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为成本模型的类型type、发电机启动成本n1、发电机停止成本n2、成本模型的断点xn、成本参数yn；

(6)、mac_con矩阵的每一行对应一台单一的机组，mac_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为原动机编号machinenumber、电机所连母线编号busnumber、基准容量basemva、电机漏抗标幺值x_l(pu)、电机电阻标幺值r_a(pu)、电机d轴同步电抗标幺值x_d(pu)、电机d轴暂态电抗标幺值x'_d(pu)、电机d轴次暂态电抗标幺值x"_d(pu)、d轴开路时间常数t'_do(sec)、d轴开路次暂态时间常数t"_do(sec)、电机q轴同步电抗标幺值x_q(pu)、电机q轴暂态电抗标幺值x'_q(pu)、电机q轴次暂态电抗标幺值x"_q(pu)、q轴开路时间常数t'_qo(sec)、q轴开路次暂态时间常数t"_qo(sec)、电机惯性时间常数h(sec)、阻尼系数标幺值d_o(pu)、阻尼系数标幺值d_1(pu)、电机类型type、饱和因子s(1.0)以及饱和因子s(1.2)；

(7)、exc_con矩阵的每一行对应一个单一的励磁系统，exc_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为励磁系统类型type、所连电机编号number、滤波时间常数t_r、电压增益k_a、电压调节时间常数t_a、电压调节时间常数t_b、电压调节时间常数t_c、最大电压输出v_rmax、最小电压输出v_rmin、励磁系数k_e、励磁时间常数t_e、常数e_1、饱和度常数s_e(e_1)、常数e_2、饱和度常数s_e(e_2)、稳定增益k_f、稳定时间常数t_f；

(8)、pss_con矩阵的每一行对应一个单一的电力系统稳定器，pss_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为常数1、所连电机编号number、稳定器增益pssgain、常数tn1、常数td1、常数tn2、常数td2、常数ymax、常数ymin、常数twd、常数tnf、常数tdf、常数nnf、常数ndf、常数gp；

(9)、tg_con矩阵的每一行对应一个单一的调速器，tg_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为常数1、所连电机编号number、速度设定值wf、稳定增益1/r、电机基座最大功率tmax、电机伺服时间常数ts、调速器时间常数tc、暂态增益时间常数t3、hp时间常数t4、再热时间常数t5。

作为本发明的优选方案，所述步骤s2，具体步骤如下：

(1)、对黑启动电网基准容量basemva、母线bus、发电机gen、线路branch以及电机运行成本gencost的网架参数进行处理，使其转换为matpower最优化潮流计算所用的数据文件格式，每一个类型参数用变量名为“mpc”的结构体来定义，所有数据都以matlab的m文件的形式展现，将黑启动电网的基准容量basemva、母线bus、线路branch、发电机gen以及运行成本gencost参数转换为mpc.basemva、mpc.bus、mpc.branch、mpc.gen以及mpc.gencost的形式来定义和返回电网的具体参数；

(2)、以形成的黑启动电网的基准容量mpc.basemva、母线mpc.bus、线路mpc.branch、发电机mpc.gen以及运行成本参数mpc.gencost作为matpower最优化潮流的输入，进行最优化潮流的计算。

作为本发明的优选方案，所述步骤s3，具体步骤如下：

(1)、将最优化潮流的计算结果进行处理，输出两个新的矩阵bus1以及line，分别表示黑启动电网的母线以及线路数据；

(2)、其中bus1矩阵的每一行对应一条单一的母线，bus1矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为各母线节点编号number、母线电压标幺值voltagemagnitude、母线电压相角voltageangle、发电机有功标幺值p_gen(pu)、发电机无功标幺值q_gen(pu)、负荷有功标幺值p_load(pu)、负荷无功标幺值q_load(pu)、母线并联电导gs、母线并联电纳bs、母线类型bus_type、发电机无功最大标幺值q_gen_max(pu)以及发电机无功最小标幺值q_gen_min(pu)；

(3)、line矩阵的每一行对应一条单一的线路，line矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为起始母线frombus、终止母线tobus、线路电阻r标幺值、电抗标幺值x、充电电容标幺值c、线路变比ratio以及线路相移度phaseshift。

作为本发明的优选方案，所述步骤s4，具体步骤如下：

(1)、以处理后得到的黑启动电网母线参数矩阵bus1、线路参数矩阵line以及步骤s1中输入的黑启动电网原动机参数矩阵mac_con、励磁系统矩阵exc_con、电力系统稳定器参数矩阵pss_con、调速器矩阵tg_con作为pst暂态稳定计算的输入，进行暂态稳定计算，得到各台机组的功角值mac_ang、各条母线电压标幺值busv以及各台机组转子转速标幺值mac_spd。

作为本发明的优选方案，所述步骤s5，具体步骤如下：

将步骤s4中各台机组的功角值mac_ang分别与平衡机组进行相减操作；将s4中各台机组转子转速标幺值mac_spd转换为频率值后分别与平衡机处频率值进行相减操作；最终得到各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1以及各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1，并图形化展示各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1、各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1以及各条母线电压标幺值busv。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种新颖的电网黑启动暂态稳定性校验的方法，该方法可对任意一个电网黑启动片区进行暂态稳定性校验；

(2)本发明提出的方法能够对黑启动片区暂态过程中的每一台机组、每一条母线状态进行监测，对其状态进行图形化展示，较为方便地为调度人员提供电网暂态稳定信息；

(3)本发明计算方法简单，预测精度高，可用于系统暂态失稳预警，进一步提高失稳判别的时效性，尽可能减少后续控制措施付出的代价。

附图说明

图1是本发明电网黑启动暂态稳定校验流程图；

图2是本发明某区域电网主接线图；

图3是本发明某区域电网各母线电压变化曲线图；

图4是本发明某区域电网各机组功角变化曲线图；

图5是本发明某区域电网各母线频率偏差变化曲线图。

具体实施方式

实施例1：如图1-图5所示，一种电网黑启动暂态稳定校验的方法，所述方法的具体步骤如下：

步骤s1、输入电力系统的基本网架数据；

步骤s2、对所输入的部分网架参数进行转换，然后以转换后的数据作为最优化潮流计算的输入并进行最优化潮流计算；

步骤s3、对最优化潮流计算的结果进行处理，得到暂态稳定计算所需的母线bus以及线路line数据；

步骤s4、结合之前的网架参数进行暂态稳定计算，得到各台机组的功角值mac_ang、各条母线电压标幺值busv以及各台机组转子转速标幺值mac_spd；

步骤s5、数据处理后得到各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1以及各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1，并图形化展示各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1、各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1以及各条母线电压标幺值busv。

作为本发明的优选方案，所述步骤s1，具体步骤如下：

(1)、将要进行黑启动电网的除了系统基准容量(basemva)以外的各种参数写成矩阵的形式，这里的各种参数包括母线、发电机、线路、电机运行成本、原动机、励磁系统、电力系统稳定器以及调速系统，分别用bus、gen、branch、gencost、mac_con、exc_con、pss_con以及tg_con来定义和返回电网的具体参数；

(2)、其中bus矩阵的每一行对应一条单一的母线，bus矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为各母线类型type、负荷有功pd、负荷无功qd、母线并联电导gs、母线并联电纳bs、电网断面号area、母线电压幅值vm、母线电压相位va、母线基准电压basekv、电网分区号zone、母线最高工作电压vmax以及母线最低工作电压vmin；

(3)、gen矩阵的每一行对应一台单一的发电机，gen矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为接入发电机的母线编号bus_i、发电机发出的有功功率pg、发电机发出的无功功率qg、发电机的最大无功qmax、发电机的最小无功qmin、发电机的工作电压vg、发电机的功率基准mbase、发电机运行状态status、发电机的最大有功pmax以及发电机的最小有功pmin；

(4)、branch矩阵的每一行对应一条单一的线路，branch矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为该支路的起始节点fbus、该支路的终止节点tbus、该支路的电阻r、该支路的电抗x、该支路的电纳b、该支路长期允许功率ratea、短期允许功率rateb、短期允许功率ratec、该支路的变比ratio、该支路的相位angle、该支路的工作状态status、该支路的最小相位角度angmin以及该支路最大相位角度agmax；

(5)、gencost矩阵的每一行对应一台单一的发电机，gencost矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为成本模型的类型type、发电机启动成本n1、发电机停止成本n2、成本模型的断点xn、成本参数yn；

(6)、mac_con矩阵的每一行对应一台单一的机组，mac_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为原动机编号machinenumber、电机所连母线编号busnumber、基准容量basemva、电机漏抗标幺值x_l(pu)、电机电阻标幺值r_a(pu)、电机d轴同步电抗标幺值x_d(pu)、电机d轴暂态电抗标幺值x'_d(pu)、电机d轴次暂态电抗标幺值x"_d(pu)、d轴开路时间常数t'_do(sec)、d轴开路次暂态时间常数t"_do(sec)、电机q轴同步电抗标幺值x_q(pu)、电机q轴暂态电抗标幺值x'_q(pu)、电机q轴次暂态电抗标幺值x"_q(pu)、q轴开路时间常数t'_qo(sec)、q轴开路次暂态时间常数t"_qo(sec)、电机惯性时间常数h(sec)、阻尼系数标幺值d_o(pu)、阻尼系数标幺值d_1(pu)、电机类型type、饱和因子s(1.0)以及饱和因子s(1.2)；

(7)、exc_con矩阵的每一行对应一个单一的励磁系统，exc_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为励磁系统类型type、所连电机编号number、滤波时间常数t_r、电压增益k_a、电压调节时间常数t_a、电压调节时间常数t_b、电压调节时间常数t_c、最大电压输出v_rmax、最小电压输出v_rmin、励磁系数k_e、励磁时间常数t_e、常数e_1、饱和度常数s_e(e_1)、常数e_2、饱和度常数s_e(e_2)、稳定增益k_f、稳定时间常数t_f；

(8)、pss_con矩阵的每一行对应一个单一的电力系统稳定器，pss_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为常数1、所连电机编号number、稳定器增益pssgain、常数tn1、常数td1、常数tn2、常数td2、常数ymax、常数ymin、常数twd、常数tnf、常数tdf、常数nnf、常数ndf、常数gp；

(9)、tg_con矩阵的每一行对应一个单一的调速器，tg_con矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为常数1、所连电机编号number、速度设定值wf、稳定增益1/r、电机基座最大功率tmax、电机伺服时间常数ts、调速器时间常数tc、暂态增益时间常数t3、hp时间常数t4、再热时间常数t5。

作为本发明的优选方案，所述步骤s2，具体步骤如下：

(1)、对黑启动电网基准容量basemva、母线bus、发电机gen、线路branch以及电机运行成本gencost的网架参数进行处理，使其转换为matpower最优化潮流计算所用的数据文件格式，每一个类型参数用变量名为“mpc”的结构体来定义，所有数据都以matlab的m文件的形式展现，将黑启动电网的基准容量basemva、母线bus、线路branch、发电机gen以及运行成本gencost参数转换为mpc.basemva、mpc.bus、mpc.branch、mpc.gen以及mpc.gencost的形式来定义和返回电网的具体参数；

(2)、以形成的黑启动电网的基准容量mpc.basemva、母线mpc.bus、线路mpc.branch、发电机mpc.gen以及运行成本参数mpc.gencost作为matpower最优化潮流的输入，进行最优化潮流的计算。

作为本发明的优选方案，所述步骤s3，具体步骤如下：

(1)、将最优化潮流的计算结果进行处理，输出两个新的矩阵bus1以及line，分别表示黑启动电网的母线以及线路数据；

(2)、其中bus1矩阵的每一行对应一条单一的母线，bus1矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为各母线节点编号number、母线电压标幺值voltagemagnitude、母线电压相角voltageangle、发电机有功标幺值p_gen(pu)、发电机无功标幺值q_gen(pu)、负荷有功标幺值p_load(pu)、负荷无功标幺值q_load(pu)、母线并联电导gs、母线并联电纳bs、母线类型bus_type、发电机无功最大标幺值q_gen_max(pu)以及发电机无功最小标幺值q_gen_min(pu)；

(3)、line矩阵的每一行对应一条单一的线路，line矩阵的每一列的数据类似于标准的ieee列的数据，各列数据分别为起始母线frombus、终止母线tobus、线路电阻r标幺值、电抗标幺值x、充电电容标幺值c、线路变比ratio以及线路相移度phaseshift。

作为本发明的优选方案，所述步骤s4，具体步骤如下：

(1)、以处理后得到的黑启动电网母线参数矩阵bus1、线路参数矩阵line以及步骤s1中输入的黑启动电网原动机参数矩阵mac_con、励磁系统矩阵exc_con、电力系统稳定器参数矩阵pss_con、调速器矩阵tg_con作为pst暂态稳定计算的输入，进行暂态稳定计算，得到各台机组的功角值mac_ang、各条母线电压标幺值busv以及各台机组转子转速标幺值mac_spd。

作为本发明的优选方案，所述步骤s5，具体步骤如下：

将步骤s4中各台机组的功角值mac_ang分别与平衡机组进行相减操作；将s4中各台机组转子转速标幺值mac_spd转换为频率值后分别与平衡机处频率值进行相减操作；最终得到各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1以及各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1，并图形化展示各台机组相对于平衡机组的功角偏差值mac_ang1、各条母线相对于平衡机组所在母线的母线频率偏差mac_spd1以及各条母线电压标幺值busv。

实施例2：如图1-图5所示，为了验证本发明提出的一种电网黑启动暂态稳定性校验的方法，应用matlab软件，以某区域电网黑启动方案为例进行验证。该网络包含了11座电厂，8座变电站，1座开关站，11台发电机组、41条母线以及40条线路。所述技术方案与实施例相同。

黑启动网架形成之后，在35kv开关站1-35kv母线*与线路15t接点*-线路15t接点*虚拟母线*相连的线路上设置了三相短路故障，故障持续时间为0.05秒，仿真时间设置为10秒。

通过图3母线电压曲线，可以看出：0.1s的时候在在35kv开关站1-35kv母线*与线路15t接点*-线路15t接点*虚拟母线*相连的线路上设置了三相短路故障，母线电压跌落，保护正确动作下，1s之内母线电压均恢复至0.75及以上，且母线电压振荡得到平息，系统电压能够保持以及恢复到允许的范围内，系统电压稳定。

通过图4所有发电机组功角变化曲线，可以看出：0.1秒时在35kv开关站1-35kv母线*与线路15t接点*-线路15t接点*虚拟母线*相连的线路上设置了三相短路故障，系统各机组功角变化趋势一致，机组间功角差几乎不改变，系统暂态稳定。

通过图5母线频率偏差曲线，可以看出：0.1s的时候在在35kv开关站1-35kv母线*与线路15t接点*-线路15t接点*虚拟母线*相连的线路上设置了三相短路故障，母线频率偏差曲线振荡，任何时刻频率低于51.5hz、高于47.5hz，且事故后系统频率能迅速恢复到49.2hz～50.5hz之间，系统是频率稳定的。

综上所述，该固定片区在35kv开关站1-35kv母线*与线路15t接点*-线路15t接点*虚拟母线*相连的线路上设置了三相短路故障后能够保持电压稳定、功角稳定以及频率稳定，其暂态过程是稳定的。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。