基于WAMS信息的大区域互联电网主动解列控制策略研究

摘要

大区域互联电网已经成为国内外电力系统发展的必然趋势，电网的动态安全稳定问题也变得日益严峻。当发生严重的级联故障时，电网系统会面临着大面积停电事故的风险。解列控制作为电力系统安全稳定控制的最后一道防线，能够有效地防止故障的扩散和全系统的崩溃。针对主动解列控制中不同故障模式下的发电机群在线同调识别、最佳解列断面搜索和孤岛内实时校正控制三个关键问题，分别展开了系统的理论研究和分析。充分利用广域量测系统提供的故障后的动态信息，提出了一套完整的大电网主动解列控制策略，并通过仿真算例验证了所提出方法的有效性和适用性，主要工作如下:
　　在发电机群同调识别方面，提出了基于核空间的改进拉普拉斯特征映射算法的发电机在线同调识别方法。研究分析多时间尺度系统中的慢模式数和同调分群数的关联，基于慢同调理论的最优同调分群引入样本学习类别信息。以WAMS提供的故障后发电机受扰轨迹作为研究对象，在核空间坐标系中，结合样本学习类别信息建立核空间距离度量，利用拉普拉斯特征映射进行低维数据流形嵌入特征提取。并利用余弦相似度因子映射到三维空间坐标系下，直观清晰反映发电机组的同调识别结果。分析不同故障模式下，利用改进拉普拉斯特征映射算法识别发电机同调机群的有效性和对不同故障模式的适应性。该方法能充分考虑不同故障场景的动态特性和系统的非线性时变特性，使得主动解列控制具有了同调性和选择性。
　　在解列断面搜索方面，提出了基于图谱最优分割算法和启发式变邻域搜索算法的最佳解列断面搜索方法。基于同调识别结果，利用发电机虚拟节点聚合方法实现网络简化，缩小解列断面的搜索空间。基于简化后的系统网络拓扑，通过分析拉普拉斯图谱的多分区算法，提出了综合考虑输电线路有功功率和电气距离来定义图谱权重的扩展拉普拉斯分割算法，得到的改进解列断面减小了净不平衡功率。在此基础上，提出了考虑功率方向的启发式变邻域搜索算法来优化解列断面。它是以改进解列断面作为初始解集，利用分组并行方法系统地改变邻域结构集来拓展搜索范围，能够考虑同调发电机组的聚合和支路有功潮流方向，进一步减小了解列后孤岛内的净不平衡功率和主动解列控制对系统的冲击，使得主动解列控制具有了协调性。
　　在解列后电力孤岛内校正控制方面，提出了综合解列断面双向潮流跟踪算法和直流潮流算法的快速切机切负荷控制方法。通过解列断面支路对发电机和负荷功率的灵敏度分析，提出了基于解列断面各支路的双向潮流跟踪算法，确定孤岛内发电机和负荷的调整对象和调整量。利用直流潮流算法对电力孤岛实施切机切负荷控制的功率平衡和支路潮流约束进行校验，再结合PQ潮流分解法验证是否满足节点电压约束，最后得到能保证电力孤岛稳定运行的最优切机切负荷量。基于新英格兰39节点系统设计仿真算例，结果表明孤岛控制后能够保证系统的同步稳定运行和频率稳定，具有较好的控制效果，解决了解列后各电力孤岛内的功率平衡和稳定运行，提高了孤岛内校正控制的求取速度和精度，实现了主动解列控制的稳定性。
　　综上，论文利用广域测量系统提供的系统全局动态实时信息，针对主动解列控制中的发电机群同调识别、解列断面搜索和解列后电力孤岛校正控制三个关键问题进行深入研究，提出了一套完整的基于WAMS信息的大区域互联电网的主动解列控制策略，实现了主动解列控制的同调性、选择性、协调性和稳定性，增强了电力系统第三道防线，以避免大停电事故的发生。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 解列控制的关键问题

1．3 解列控制的研究现状

1．3．1 失步解列研究概述

1．3．2 主动解列研究现状

1．3．3 孤岛控制研究现状

1．4 广域测量系统的发展和应用

1．4．1 广域测量系统的发展

1．4．2 广域测量系统的结构

1．4．3 广域测量系统的应用现状

1．4．4 基于广域测量系统的解列控制研究

1．5 本论文主要研究内容及章节安排

2 基于改进拉普拉斯特征映射算法的同调机群在线识别

2．1 引言

2．2 同调机群的识别

2．2．1 同调识别的意义

2．2．2 基于慢同调分群算法的同调机群识别

2．2．3 基于WAMS故障后受扰轨迹的发电机同调识别

2．3 基于核空间的改进拉普拉斯特征映射算法

2．3．1 流形学习的研究意义

2．3．2 拉普拉斯特征映射算法

2．3．3 改进的拉普拉斯特征映射算法

2．3．4 基于余弦相似度因子的同调分群

2．3．5 同调机组识别的能观性

2．4 主动解列控制中同调机群在线识别

2．4．1 主动解列控制中同调识别的作用

2．4．2 发电机在线同调识别的流程设计

2．4．3 算例分析

2．5 本章小结

3 基于图谱最优分割的主动解列断面搜索

3．1 引言

3．2 图论基本知识

3．2．1 图的基本概念

3．2．2 图的矩阵关系

3．3 基于图谱的最优分割算法研究

3．3．1 拉普拉斯矩阵谱

3．3．2 基于拉普拉斯矩阵谱的图分割

3．3．3 基于拉普拉斯图谱的多分区算法

3．4 主动解列的约束

3．4．1 同调性约束

3．4．2 选择性约束

3．4．3 协调性约束

3．4．4 稳定性约束

3．5 基于同调机群的发电机虚拟节点聚合

3．5．1 基于Dijkstra算法的最短路径搜索

3．5．2 发电机同调机群的虚拟节点聚合

3．6 主动解列控制的断面搜索

3．6．1 基于拉普拉斯图谱分割算法的解列断面搜索

3．6．2 考虑传输功率和电气距离的解列断面搜索

3．6．3 算例分析

3．7 本章小结

4 基于启发式变邻域搜索的最佳解列断面优化

4．1 引言

4．2 算法改进的必要性

4．3 启发式变邻域搜索算法

4．3．1 变邻域搜索算法研究

4．3．2 启发式变邻域搜索算法

4．3．3 算法流程设计

4．4 算例分析

4．4．1 新英格兰39节点系统

4．4．2 IEEE-118节点系统

4．5 本章小结

5 孤岛内实时校正控制策略研究

5．1 引言

5．2 电力孤岛的切机切负荷控制模型

5．2．1 解列后电力孤岛的运行特性

5．2．2 电力孤岛的功率控制

5．2．3 孤岛系统的状态约束

5．3 线路有功对发电机和负荷功率的灵敏度分析

5．4 基于双向潮流跟踪法的解列断面功率追踪

5．4．1 支路双向潮流跟踪算法

5．4．2 电力孤岛的解列断面功率分配

5．5 基于直流潮流算法的快速切机切负荷控制

5．5．1 电力孤岛的直流潮流算法分析

5．5．2 校正控制算法流程设计

5．6 算例分析

5．7 本章小结

6 结论

6．1 主要研究内容与结论

6．2 创新性成果

6．3 工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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