一种电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制方法

摘要

本发明涉及一种电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制方法，通过数据采集模块获取电网的实时运行数据报表和形成机组参数数据报表，通过数据解析模块对CIM模型文件原始数据报表、e格式文件原始数据报表进行解析；通过计算执行模块利用潮流程序、低频振荡分析程序对解析后的数据报表进行潮流计算和静态稳定计算；若静态稳定域不足，则启动低频振荡分析最优校正控制程序进行调整校正；输出计算结果报表，用于指导运行人员工作。本发明能够使电网的静态稳定运行方式的编制变得简单易行，缩短工作流程和制定时间，减轻运行人员工作强度和压力，全面提高电网运行的电压质量和安全稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统低频振荡分析和优化领域，尤其涉及一种含阻尼比约束的最优潮流 及特征值优化的电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制方法。

背景技术

随着经济和人口的快速增长，人们对电能的需求不断增加，使得电力系统负荷不断加重。 电力系统互联有许多优势，但也容易出现复杂的稳定性问题。同时，电力系统已步入了大电 网、大机组、跨区域联网的新阶段，而这些因素容易导致低频振荡的产生。若低频振荡得不 到有效抑制，将会引起更严重的故障，造成大面积停电，甚至系统解列，产生巨大的经济损 失。

低频振荡对电网的主要危害体现为振荡失控导致电网失步解列。目前常用的抑制低频振 荡的措施包括：加装串联补偿器缩短电气距离，加装静止无功补偿器(SVC)提供动态电压 支撑，采用直流输电，安装机组PSS、直流PSS/PSD(power swing damping)等附加控制功 能，多直流协调控制系统等等。然而这些设备的投入不能保证系统运行中就不发生低频振荡， 如何正确预判电力系统运行中是否发生低频振荡、又如何基于发电重新调度的校正控制方法 近年来成为国内外研究的热点。

校正控制，就是通过对系统中可控变量的再安排。对于通过校正控制来提高安全性的问 题，目前常用的有两种方法：灵敏度分析法和最优化方法。从公开的文献来看，国外在这方 面的研究始于2004年，第一类方法是基于基态下阻尼比的灵敏度计算，对各发电机出力进行 线性调整，以满足小干扰稳定的要求；第二类是含小干扰稳定约束的预期安全费用最优潮流 模型，该模型考虑了故障前的运行条件和一系列的预想故障集；第三类则将小干扰稳定约束 转化为矩阵最小奇异值约束，通过一些近似技术，每次迭代求取最小奇异值的导数，再融入 内点算法求解；第四类利用一阶泰勒级数展开，通过谱横坐标函数对机组有功出力的一阶灵 敏度显式表达小干扰稳定约束，并将它加入到传统的OPF模型，实现小干扰稳定约束最优潮 流和特征值灵敏度的交替计算的求解过程。该方法还考虑了重负荷条件下的电压稳定，它计 算后的结果既保证了小干扰稳定，又保证了电压稳定，几个大规模系统的计算表明此方法计 算速度快，鲁棒性好，具有较广泛的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有电力系统在受到小扰动后能否经过一段时间后 回到稳定状态，利用最优校正控制的方法，提供一种电力系统低频振荡的预防性调节措施， 以提高被评估电力系统的稳定性，使之始终处于安全稳定的电网运行方式中。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制系统，包括数据采集模块、数据解析模 块、计算执行模块、最优校正控制模块和系统管理模块；数据采集模块，获得实时的CIM模 型文件原始数据报表、e格式文件原始数据报表和形成机组参数数据报表；数据解析模块， 利用自定义数据接口将CIM模型文件原始数据报表和e格式文件原始数据报表转换为计算程 序所需的格式数据报表；计算执行模块，采用潮流计算程序和低频振荡分析程序对自定义格 式数据报表进行计算；最优校正控制模块，采用含阻尼比约束的最优潮流及特征值优化的低 频振荡校正控制程序对原始数据报表进行优化、校正；系统管理模块，完成相关参数的设置。

与上述的控制系统相适应的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，获取实时的CIM模型文件原始数据报表、e格式文件原始数据报表和机组参数 原始数据报表；

步骤二，采用数据接口对原始数据报表进行解析，将CIM模型文件原始数据报表、e格 式文件原始数据报表和机组参数原始数据报表转化为潮流程序、低频振荡分析程序和最优校 正控制程序所需的自定义格式数据报表；

步骤三，利用潮流程序对转换后的实时格式数据报表进行潮流计算；

步骤四，基于潮流计算结果采用低频振荡分析程序对系统进行静态稳定计算；

步骤五，查看静态稳定计算结果文件，判断结果是否存在实部大于零的特征值或阻尼比 不足的值；若不存在，则认为该系统是静态稳定的；若存在，则系统易出现低频振荡现象， 启动低频振荡分析最优校正控制程序；

步骤六，启动低频振荡分析最优校正控制程序，对被计算电力系统的控制变量或约束条 件进行校正设置，采用含阻尼比约束的最优潮流及特征值优化方法对电力系统进行分析和求 解，获得校正控制数据；其中，控制变量包括发电机有功功率和PV节点电压，约束条件包括 发电机的有功功率和无功功率的上限和下限以及节点电压的上限和下限；

步骤七，查看校正后的计算结果文件，输出计算结果报表，该结果即可保证被评估电力 系统处于安全稳定的运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力系统的安全稳定运行极限；

作为优选，在步骤一中，所获取的数据为电网的实时运行数据；

作为优选，在步骤二中，在对包含有被评估电力系统的网络结构和运行数据进行节点解 析的同时，也对包含有被评估电力系统的网络结构和运行数据进行节点等值的处理。

作为优选，在步骤六中，所述约束条件还包括系统潮流约束，用于保证被评估电力系统 始终满足系统潮流约束。

作为优选，在步骤七中，当最优校正完成后输出的计算结果报表，报表中包含有优化后 的特征值计算结果及发电机的有功调节功率以供运行人员参考调节。

本方案通过对当前电力系统的实时运行数据进行计算，分析当前系统在经历小扰动后是 否能保持稳定，若系统失去稳定，则优化被评估电力系统的控制变量或约束条件，对被评估 电力系统的机组有功出力、机组无功出力、PV节点电压进行协调控制，提出保证被评估电力 系统安全稳定运行的优化运行配置策略，有效预防被评估电力系统发生低频振荡，进而提高 被评估电力系统安全稳定运行水平，确保被评估电力系统的电网安全稳定可靠运行。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1、能够预防被评估电力系统在运行过程中可能发生的低频振荡现象，并能对被评估电力 系统的电网进行稳定极限优化计算，实现被评估电力系统的电网在任何的运行方式下，能通 过阻尼比约束最优潮流校正计算程序获得被评估电力系统静态安全稳定运行所需的电网运行 方式优化数据，并能用电网运行方式优化数据进行自动计算和验证，其验证结果可以直接用 于指导编制被评估电力系统静态安全稳定的电网运行方式，以确保电网安全稳定可靠运行。

2、能够使电网的静态安全稳定运行方式的制定变得简单易行，缩短了工作流程和制定时 间，减轻运行人员工作强度和压力，全面提高电网运行的电压质量和安全稳定性。

附图说明

图1是本发明所述的电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制系统的结构框图。

图2是本发明所述的电力系统实时低频振荡分析及最优校正控制方法的流程示意框图。

具体实施方式

本发明所涉及到的名词解释为：

低频振荡：是指在小扰动的作用下，发电机的转子角、转速，以及相关电气量，如线路 功率、母线电压等发生近似等幅或增幅的频率在0.1～2.5Hz之间的振荡。

潮流计算：是指电力系统在某一确定的运行方式和接线方式下，计算电力系统从电源到 负荷各处的电压、电流的大小和方向以及功率的分布情况。

最优潮流(Optimal Power Flow，OPF)：是指当系统的结构参数和负荷情况都已给定时， 调节可利用的控制变量(如发电机输出功率、可调变压器抽头等)来找到能满足所有运行约束 条件的，并使系统的某一性能指标(如发电成本或网络损耗)达到最优值下的潮流分布。

静态稳定：是指电力系统受到小扰动后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动回复到 初始运行状态的能力。

静态稳定约束最优潮流：是指在最优潮流的约束条件以静态稳定作为约束的最优潮流。

静态稳定约束最优潮流针对可能存在的小扰动不稳定点，通过优化计算，分析并给出完 全满足静态稳定要求最优运行方案，以提高电网运行安全性和稳定性。

静态稳定最优校正控制模型如下：

1)待优化的目标函数为：调整的发电机有功功率总和为最小。

$\min \underset{i\in S_G}{\Sigma }\Delta P_{\mathrm{Gi}}$

其中：S_G为发电机节点的集合

2)约束条件包括等式约束条件和不等式约束条件。

①等式约束条件：

a)网络中各节点潮流方程。

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-\underset{{j\in S}_N}{\Sigma }{V}_i{Y}_{\mathrm{ij}}{V}_j\cos {\delta }_{\mathrm{ij}}=0\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-\underset{{j\in S}_N}{\Sigma }{V}_i{Y}_{\mathrm{ij}}{V}_j\sin {\delta }_{\mathrm{ij}}=0\end{array},,i\in S_N\right)$

其中：

V_i：第i节点电压的幅值；

Y_ij：节点导纳矩阵的元素幅值；

δ_ij＝δ_i-δ_j-α_ij；

δ_i：第i节点电压的相角；

δ_j：第j节点电压的相角；

α_ij：节点导纳矩阵的元素相角；

S_N：系统节点集合。

b)发电机初值方程。

以发电机的四阶模型为例，每台发电机安装IEEE-I类型的直流励磁系统，可得下式：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{Gi}}-V_i{I}_{\mathrm{di}}\sin ({\delta }_i-{\theta }_i)-V_i{I}_{\mathrm{qi}}\cos ({\delta }_i-{\theta }_i)=0\\ Q_{\mathrm{Gi}}-V_i-I_{\mathrm{di}}\cos ({\delta }_i-{\theta }_i)+V_i{I}_{\mathrm{qi}}\sin ({\delta }_i-{\theta }_i)=0\\ E_{\mathrm{di}}^{\prime }-V_i\sin ({\delta }_i-{\theta }_i)-R_{\mathrm{si}}{I}_{\mathrm{di}}+X_{\mathrm{qi}}^{\prime }{I}_{\mathrm{qi}}=0\\ E_{\mathrm{qi}}^{\prime }-V_i\cos ({\delta }_i-{\theta }_i)-R_{\mathrm{si}}{I}_{\mathrm{qi}}-X_{\mathrm{di}}^{\prime }{I}_{\mathrm{di}}=0\\ E_{\mathrm{di}}^{\prime }-(X_{\mathrm{qi}}-X_{\mathrm{qi}}^{\prime })I_{\mathrm{qi}}=0\\ E_{\mathrm{fdi}}-E_{\mathrm{qi}}^{\prime }-(X_{\mathrm{di}}-X_{\mathrm{di}}^{\prime })I_{\mathrm{di}}=0\end{array},,,i\in S_G\right)$

其中：

E'_di：发电机i直轴暂态电动势；

E'_qi：发电机i交轴暂态电动势；

δ_i：发电机i的转角；

I_di：发电机i的定子电流的直轴分量；

I_qi：发电机i的定子电流的交轴分量；

X'_di：发电机i的直轴暂态电抗；

X'_qi：发电机i的交轴暂态电抗；

R_si：发电机i的电枢电阻；

E_fdi：发电机i励磁系统的输出电压。

c)微分方程。

$\left(\begin{array}{c}\frac{d{\delta }_i}{\mathrm{dt}}={\omega }_i-{\omega }_s\\ \frac{d{\omega }_i}{\mathrm{dt}}=\frac{T_{\mathrm{Mi}}}{M_i}-\frac{[E_{\mathrm{qi}}^{\prime }-X_{\mathrm{di}}^{\prime }{I}_{\mathrm{di}}]I_{\mathrm{qi}}}{M_i}-\frac{[E_{\mathrm{di}}^{\prime }+X_{\mathrm{qi}}^{\prime }{I}_{\mathrm{qi}}]I_{\mathrm{di}}}{M_i}-\frac{D_i({\omega }_i-{\omega }_s)}{M_i}\\ \frac{d{E}_{\mathrm{qi}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}=-\frac{E_{\mathrm{qi}}^{\prime }}{T_{\mathrm{di}}^{\prime }}-\frac{(X_{\mathrm{di}}-X_{\mathrm{di}}^{\prime })I_{\mathrm{di}}}{T_{\mathrm{di}}^{\prime }}+\frac{E_{\mathrm{fdi}}}{T_{\mathrm{di}}^{\prime }}\\ \frac{d{E}_{\mathrm{qi}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}=-\frac{E_{\mathrm{di}}^{\prime }}{T_{\mathrm{qi}}^{\prime }}+\frac{(X_{\mathrm{qi}}-X_{\mathrm{qi}}^{\prime })I_{\mathrm{qi}}}{T_{\mathrm{qi}}^{\prime }}\\ \frac{d{E}_{\mathrm{fdi}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{K_{\mathrm{Ei}}+S_E\left(E_{\mathrm{fdi}}\right)}{T_{\mathrm{Ei}}}{E}_{\mathrm{fdi}}+\frac{V_{\mathrm{Ri}}}{T_{\mathrm{Ei}}}\\ \frac{d{V}_{\mathrm{Ri}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{V_{\mathrm{Ri}}}{T_{\mathrm{Ai}}}+\frac{K_{\mathrm{Ai}}}{T_{\mathrm{Ai}}}{R}_{\mathrm{Fi}}-\frac{K_{\mathrm{Ai}}{K}_{\mathrm{Fi}}}{T_{\mathrm{Ai}}{T}_{\mathrm{Fi}}}{E}_{\mathrm{fdi}}+\frac{K_{\mathrm{Ai}}}{T_{\mathrm{Ai}}}(V_{\mathrm{refi}}-V_i)\\ \frac{d{R}_{\mathrm{Fi}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_{\mathrm{Fi}}}{T_{\mathrm{Fi}}}+\frac{K_{\mathrm{Fi}}}{{\left(T_{\mathrm{Fi}}\right)}^2}{E}_{\mathrm{fdi}}\end{array}\right)$

②不等式约束条件为网络物理限制和运行限制(可组合使用)，包括有：

a)节点电压限制，限制的取值与电压水平、节点的类型、区域或节点正常或紧急条件 相关。

${\underset{‾}{V}}_i\le V_i\le {\bar{V}}_i,i\in S_N$

其中：

第i节点电压的幅值的上限；

i：第i节点电压的幅值的下限。

b)机组输出限制，包括有功出力限制、无功出力限制。

${\underset{‾}{P}}_{\mathrm{Si}}\le P_{\mathrm{Si}}\le {\bar{P}}_{\mathrm{Si}},i\in S_{\mathrm{SG}}$

${\underset{‾}{Q}}_{\mathrm{Ri}}\le Q_{\mathrm{Ri}}\le {\bar{Q}}_{\mathrm{Ri}},i\in S_R$

其中：

发电机有功功率上下限。

发电机无功功率上下限。

c)平衡点状态矩阵所有特征值实部小于给定值：

{Re(λ)|λ∈λ(A)}≤ε  (ε≤0)

d)阻尼比约束：状态矩阵的特征值的阻尼比都大于某个数值(一般取0.03以上的数值)

η≥ξ  (ξ≥0.03)，其中η表示阻尼比

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种基于实时数据的电力系统低频振荡分析及最优校正控制方法，参考图2所 示，其步骤如下：

步骤一，获取实时的CIM模型文件原始数据报表、e格式文件原始数据报表和机组参数 原始数据报表；

步骤二，采用数据接口对原始数据报表进行解析，将CIM模型文件原始数据报表、e格 式文件原始数据报表和机组参数原始数据报表转化为潮流程序、低频振荡分析程序和最优校 正控制程序所需的自定义格式数据报表；

步骤三，利用潮流程序对转换后的实时格式数据报表进行潮流计算；

步骤四，基于潮流计算结果采用低频振荡分析程序对系统进行静态稳定计算；

步骤五，查看静态稳定计算结果文件，判断结果是否存在实部大于零的特征值或阻尼比 不足的值；若不存在，则认为该系统是静态稳定的；若存在，则系统易出现低频振荡现象， 启动低频振荡分析最优校正控制程序；

步骤六，启动低频振荡分析最优校正控制程序，对被计算电力系统的控制变量或约束条 件进行校正设置：采用含阻尼比约束的最优潮流及特征值优化方法对电力系统进行分析和求 解，获得校正控制数据，其中，控制变量包括发电机有功功率、PV节点电压等，约束条件包 括发电机的有功功率和无功功率的上限和下限以及节点电压的上限和下限；

步骤七，查看校正后的计算结果文件，输出计算结果报表，该结果即可保证被评估电力 系统处于安全稳定的运行方式中，该电网运行方式即为被评估电力系统的安全稳定运行极限；

现以某地区电网568节点系统为例，对该系统进行实时的低频振荡运行分析及最优校正 控制。分析步骤如下：

1、该系统有568个节点、489条线路，63台发电机，313台变压器；

2、获取实时的CIM模型文件原始数据报表、e格式文件原始数据报表和机组参数原始数 据报表；

3、采用数据接口对原始数据报表进行解析，将CIM模型文件原始数据报表、e格式文件 原始数据报表和机组参数原始数据报表转化为潮流程序、低频振荡分析程序和最优校正控制 程序所需的自定义格式数据报表；

4、利用潮流程序对转换后的实时格式数据报表进行潮流计算；

5、基于潮流计算结果采用低频振荡分析程序对系统进行静态稳定计算；

6、查看静态稳定计算结果文件，判断结果是否存在实部大于零的特征值或阻尼比不足的 值；若不存在，则认为该系统是静态稳定的；若存在，则系统易出现低频振荡现象，启动低 频振荡分析最优校正控制程序；

7、启动低频振荡分析最优校正控制程序，对被计算电力系统的控制变量或约束条件进行 校正设置：采用含阻尼比约束的最优潮流及特征值优化方法对电力系统进行分析和求解，获 得校正控制数据，其中，控制变量包括发电机有功功率、PV节点电压等，约束条件包括发电 机的有功功率和无功功率的上限和下限以及节点电压的上限和下限；

8、查看校正后的计算结果文件，对系统的机组出力进行协调控制，提出被计算的电力系 统静态稳定运行的配置策略。

在实际电力系统的运行中，本方法对被计算电力系统的稳定运行分析及校正控制效果非 常明显。下面举个实例进行说明：

以系统的静态稳定计算结果作为基态，以不同数值的阻尼比约束最优潮流进行校正控制， 其结果如下表：其中η表示阻尼比。

序号 1 2 3 4 阻尼比约束 基态 η≥0.042 η≥0.044 η≥0.046 最小阻尼比 0.04165170 0.04201111 0.04422099 0.04609023 P_G1601.719 602.1612 576.8442 516.2662 P_G2663.064 662.5029 634.6277 551.9978 P_G353.9325 53.9325 53.9325 53.9325 P_G4488.689 488.3209 474.5019 452.3960 P_G5491.162 491.2232 477.6311 464.5942 P_G659.0119 59.9563 76.0690 76.4700 P_G759.8597 61.5207 54.8828 59.6928 P_G8276.2517 267.5292 198.3985 146.4452 P_G9143.6 143.3400 115.2347 109.2728 P_G10137.4036 135.9359 134.1355 130.8074 P_G11206.0002 209.5390 225.2033 243.2707 P_G12137.4036 139.3678 171.7857 210.0001 P_G1374.0148 74.9380 130.3000 130.3000 P_G1471.4248 70.7207 85.7741 130.3000 P_G15636.774 657.2837 667.0000 667.0000 P_G16633.343 614.6777 425.4178 321.8792 P_G17605.852 600.7695 585.0646 591.6176 P_G18598.646 595.2671 577.2408 583.2024 P_G19252.175 256.4784 297.0540 333.4123 P_G20256.526 256.4067 289.7756 336.8446 P_G2181.1407 81.2795 87.4786 88.5387 P_G22319.825 320.8706 328.9543 340.2272 P_G23355.169 357.2485 398.7204 422.5860

P_G24277.831 277.9717 273.9139 245.2894 P_G25274.88 275.0514 277.9240 277.9083 P_G26203.791 206.6434 235.0000 235.0000 P_G27159.262 161.3318 187.8086 198.2184 P_G28120.408 118.4469 94.4343 91.4639 P_G2985.3499 84.8570 70.5627 65.9353 P_G30252.104 248.3396 262.7101 284.4454 P_G31263.721 268.1907 309.5787 353.141 P_G32637.395 641.3828 709.5728 744.00 P_G33100.021 99.0672 120.0154 139.1296 P_G3429.2494 28.9245 44.7000 44.7000 P_G359.8574 9.9362 5.4071 0.2939 P_G36119.041 119.1388 118.4691 135.0548 P_G37129.625 131.0796 154.1303 158.80 P_G38129.659 128.1881 109.5159 100.5506 P_G39254.991 256.9994 260.6055 257.3609 P_G40256.477 259.3306 288.7616 323.9847 P_G41630.681 621.7782 532.8348 480.3806 P_G42579.095 568.0007 486.8934 455.2222 P_G43148.308 146.1131 151.4585 155.8615 P_G44233.096 235.6788 275.7366 312.8406 P_G4531.2908 35.4583 59.3691 83.9922 P_G46983.917 986.5852 1028.9622 1016.7915 P_G4781.3681 81.3678 77.0366 79.3562 P_G4840.1094 40.1573 40.1572 40.1571 P_G4982.5724 82.5663 82.5724 82.5724 P_G5027.8106 28.1422 43.2837 45.6 P_G5119.0347 22.5372 40.0997 45.6 P_G5224.3893 24.8949 11.3887 0.0001

P_G5330.1646 32.6000 32.6000 32.6000 P_G5429.7373 26.6814 0 0 P_G5516.734 18.8451 24.5000 24.50 P_G5618.0163 14.1664 2.8436 6.5597 P_G5729.5122 29.0492 24.2081 24.2236 P_G5846.7769 46.7769 46.7769 46.7769 P_G5924.9042 24.3922 17.1532 1.0022 P_G6019.3787 19.7717 21.7400 21.7400 P_G619.4195 8.4041 12.7200 20.2718 P_G620 0 0 0 P_G6314.2714 16.5109 15.5611 22.8659

通过上述例子说明：合理调整发电机组的有功出力可以控制被计算的电力系统的静态稳 定计算的特征值的阻尼比都在一定数值以上，使得系统静态稳定不会发生低频振荡。通过对 系统整体的优化，被计算的电力系统能始终保持静态稳定运行方式，使得电网可靠稳定运行。

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施案例限制，本领域普通 技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化或修改。