电流型潮流算法与暂态稳定评估的研究

摘要

广域测量系统（WAMS）在电力系统的逐步建立，为电网运行监视和在线控制提供了更为先进的手段。针对电流型潮流算法及其在WAMS环境下电网状态计算方面的应用，暂态稳定评估的稳定裕度灵敏度计算、混合法分析以及影响输电断面暂态稳定极限的因素等问题，本文进行了研究。
　　从电网络的基本理论出发，提出了一种电流型牛顿法潮流算法，该算法的潮流方程基于节点电流平衡，电压采用直角坐标形式。为处理PV节点的约束条件，引入PV节点无功功率Q作为状态变量，使得该算法处理PV节点与PQ节点相互转换问题以及节点无功电压控制问题较为方便。所提出潮流模型的特点在于突出了潮流问题网络线性而节点注入非线性的特点，雅可比矩阵结构整齐，便于编程实现。与常规的功率型牛顿法潮流具有相同的收敛性和计算量，是对牛顿法潮流理论的补充。
　　由于相量测量单元（PMU）在电网的配置是一个渐进的过程，针对当前在部分母线配置PMU后还无法实现全系统的动态可观测的实际问题，本文围绕系统节点可观测性的判别、基于可观测节点测量值的潮流计算以及系统动态可观测的近似实现问题，进行了研究。在判别了系统节点的可观测性后，利用不可观测节点来自 SCADA系统的量测数据，将其注入功率等效为等值导纳，通过网络方程变换，用可观测节点电压相量的线性组合形式来表达不可观测节点的电压，并给出了SCADA数据更新后系数矩阵的修正公式，从而实现了系统的近似动态可观测。
　　为适应在线暂态稳定评估对计算速度的要求，基于具有较强鲁棒性的PEBS法，本文提出了一种暂态能量裕度灵敏度计算方法。该方法采用高阶Taylor级数展开技术模拟运动轨迹和动态灵敏度轨迹，并通过数值方法来计算暂态能量裕度灵敏度。该方法能够计算能量裕度对机组注入机械功率的灵敏度和故障切除后稳控措施对系统稳定性的影响程度大小，能够为预防控制再调度提供调整依据，为紧急控制比较各种控制措施对稳定的作用。
　　混合法兼有时域仿真法模型适应性强和暂态能量函数法能够提供稳定指标的优点，存在的问题主要是依赖于故障后稳定平衡点的求取和失稳模式的识别。本文从稳定判据和稳定裕度两方面入手，对混合法进行了改进，提出了暂态能量函数计算和势能参考点选择的原则、系统稳定判据以及表征系统稳定程度的指标。选取所有扰动都结束后的系统工况为势能参考点，沿系统实际运动轨线计算暂态势能，可避免故障后稳定平衡点的求解以及当前仿真网络与势能计算对应网络不一致的情形，以节省计算量。采用由动能、势能、功角、转速定义的综合判据来判断系统稳定情况，物理意义明显，可避免失稳模式的识别。提出的表征稳定的指标除常规的轨迹仿真外，无需额外的计算，便于快速比较各控制措施对系统稳定的贡献大小。
　　维持系统工况在运行极限以内，是电网安全的重要保证。合理的运行极限，既能保证系统运行具有足够的安全裕度，又能最大限度地发挥设备的潜力。本文对影响输电断面暂态稳定运行极限的各种常见因素进行了分析，主要采用两机等值系统模型和多机系统的单机等面积稳定判据，通过机理分析和算例验证，得出了一些定性的结论。在一定的负荷水平和开机方式下，从不同的系统初始工况（机组出力分配不同）开始计算稳定极限，机组有功出力分配遵循相同的调整原则，忽略无功电压方面的影响，则得到的稳定极限结果差别不大。送端负荷水平维持不变，而受端系统负荷水平提高，不考虑受端电压水平的影响，则输电断面的稳定极限随受端负荷水平的上升而有所增大。受端系统与其它系统互联，引起受端系统的机组转动惯量明显增大，而送端系统保持不变，则输电断面的稳定极限有所下降。

目录

电流型潮流算法与暂态稳定评估的研究

RESEARCH ON POWER FLOW ALGORITHM BASED ON CURRENT BALANCE EQUATIONS AND TRANSIENT STABILITY ASSESSMENT

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题的目的和意义

1.2 潮流算法及其应用回顾

1.3 广域测量系统综述

1.3.1 WAMS 的基本组成

1.3.2 WAMS 的应用

1.4 WAMS 环境下的系统状态计算

1.5 暂态安全评估综述

1.5.1 在线暂态安全评估框架

1.5.2 暂态稳定灵敏度分析

1.5.3 暂态稳定分析的混合法

1.6 本文的主要研究内容

第2 章 电流型潮流算法的研究

2.1 引言

2.2 电流型潮流算法的提出

2.2.1 数学模型

2.2.2 计算步骤

2.2.3 物理意义分析

2.3 电流型潮流算法的性能分析

2.3.1 收敛性分析

2.3.2 计算量分析

2.3.3 与传统的功率型牛顿法潮流的对比分析

2.4 基于回路分析的潮流算法初探

2.5 本章小结

第3 章 基于电流型潮流的WAMS 环境下电网状态计算

3.1 引言

3.2 PMU 配置不完全可观测条件下的状态计算

3.2.1 动态可观测性分析算法

3.2.2 不完全可观测系统的潮流计算

3.2.3 近似动态可观测性的实现

3.2.4 算例分析

3.3 基于电流型潮流的灵敏度分析

3.3.1 稳态灵敏度分析的一般方法

3.3.2 电流型潮流模型应用于灵敏度分析的特点分析

3.4 基于电流型潮流算法的状态预估

3.5 本章小结

第4 章 基于PEBS 法的暂态能量裕度灵敏度快速计算

4.1 引言

4.2 基于Taylor 级数扩展技术的动态灵敏度轨迹仿真

4.3 能量裕度对机组机械注入功率变化的灵敏度

4.4 故障切除后控制措施对能量裕度的影响

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第5 章 混合法暂态稳定分析的改进

5.1 引言

5.2 暂态能量函数的计算原则

5.2.1 系统模型

5.2.2 暂态能量函数

5.2.3 势能参考点的选取原则

5.3 时域仿真终止判据

5.4 系统稳定性指标

5.5 算例分析

5.5.1 仿真终止判据的验证

5.5.2 系统稳定性指标验证

5.6 本章小结

第6 章 影响输电断面暂稳极限的因素分析

6.1 引言

6.2 初始工况变化对暂稳极限的影响

6.2.1 单机无穷大系统的分析结果

6.2.2 两机系统的分析结果

6.2.3 多机系统的分析结果

6.3 负荷水平对暂稳极限的影响

6.4 受端系统互联对暂稳极限的影响

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历