基于广域测量信息的机组强励与直流紧急功率支援协调控制方法

摘要

本发明公开了一种基于广域测量信息的机组强励与直流紧急功率支援协调控制方法，属于电力系统安全稳定控制领域。本发明方法基于广域测量信息生成的系统实时运行工况，利用扩展等面积法计算失稳预想故障所需的紧急控制量，并优先发挥直流紧急功率支援来降低切机切负荷控制代价；同时，利用与直流功率波动灵敏度较大的同步机组强励来稳定直流近区电压，从而提高直流紧急功率支援控制效果和系统暂态稳定裕度。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定控制领域，具体涉及基于广域测量信息的机 组强励与直流紧急功率支援协调控制方法。

背景技术

我国地域广阔，一次能源分布与生产力发展很不平衡，需要大规模远距离 输送、大范围消纳，决定了我国需要采用远距离大容量输电方式。近年来，随 着我国“西电东送”计划的实施，互联电网送电规模增大，电网建设步伐加快， 到2020年，我国将建成世界上罕见的跨区域和远距离传输巨大功率的超高压交、 直流混合输电系统，其运行的复杂性和难度在国际上也是少见的。截至到2014 年年底，我国已累计建成“三交四直”特高压输电工程。根据国家大气污染防 治行动计划实施方案，至2017年底将建成锡盟-泰州、宁东-绍兴、上海庙-临沂、 晋北-南京等4回特高压直流输电工程，以及淮南-南京-上海、锡盟-山东、蒙西- 天津南、榆横-潍坊等4回特高压交流输电工程。随着规模庞大、结构复杂、运 行方式多变的交直流混联大电网的发展，电网的运行特性正在发生重大的变化， 由机网协调控制过渡到机—网—直流三者的协调控制。

互联电网系统的结构和运行方式越来越复杂多变，其稳定性一旦遭到破坏， 必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果。利用大容量高压直流快速可控性， 在电网遭受大扰动后通过直流紧急功率支援减少临界群机组的加速能量可有效 改善互联电网大扰动后的暂态稳定性，减少切机切负荷控制代价。目前，直流 紧急功率支援在改善系统暂态稳定性方面已有深入研究并得到工程应用。但上 述研究仍未解决两个问题：

1)没有考虑大容量直流紧急功率支援导致直流近区交流线路功率激增，继 而可能引发的线路过载或沿线电压降低，进而影响直流紧急功率支援效果。

2)目前直流紧急功率支援通常作为电网大扰动后的单一控制措施，缺乏与 传统切机切负荷控制的协调；而且，控制措施基本依赖于离线策略，大功率潮 流转移可能严重的过控。

文献《基于广域测量系统的发电机强励控制方案》(电力系统保护与控制， 2013年3月，第41卷，第6期)提出通过提高故障后临界群机组励磁电压来改 变系统等值电磁功率，从而影响系统暂态稳定性。这为解决上述第一类问题提 供了思路。

广域测量系统给电力系统的监测、分析和控制提供了新的手段。目前实用 的相量测量单元PMU可在广域范围内同步采集多类电网运行状态信息，包括母 线电压相位、发电机内电势、功角等并能以较小的延时传递到数据中心站并完 成同步处理。而扩展等面积准则(EEAC)可对系统动态轨迹进行量化分析评估， 提供详细的稳定裕度、分群及等值单机系统的功角、加速功率等信息。这为解 决上述第二类问题提供了思路。

专利号为ZL200910026801.4、专利名称为“电力系统暂态安全稳定模式中 元件参与因子识别方法”中披露了一种暂态功角稳定发电机分群模式中发电机 参与因子的识别方法。该方法可以为本发明所利用，通过计算获取临界群中各 发电机的暂态功角稳定发电机分群模式中的参与因子。

发明内容

本发明的目的是：基于广域测量系统提供的广域测量信息，通过同步电源 强励、常规切机切负荷及直流紧急功率支援实现源-网-直流的协调控制，并优先 发挥直流紧急功率支援来降低切机切负荷控制代价；同时，利用与直流功率波 动灵敏度较大的同步机组强励来稳定直流近区电压，从而提高直流紧急功率支 援控制效果和系统暂态稳定裕度。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)离线潮流计算机组与直流的相关系数以及交流线路与直流的相关系数， 根据广域测量信息生成的系统实时运行工况，执行步骤2)～6)，所述广域测量 信息包括发电机功角、线路实时输送功率和直流输送功率；

2)根据直流控制系统提供的直流实时运行状态信息，确定可参与紧急功率 支援的直流集合D；

3)对预想故障集中各个预想故障进行时域仿真，利用扩展等面积准则对仿 真结果进行量化分析，获取发电机分群和稳定裕度信息，并针对其中稳定裕度 为负的预想故障F，执行步骤3-1)～3-3)，所述发电机分群信息包括临界群信 息和余下群信息：

3-1)计算直流集合D中各个直流的紧急功率支援优先级指标和功率支援方 向；

3-2)根据交流线路输送功率水平和交流线路与直流的相关系数确定当前工 况下直流集合D中各个直流的紧急支援功率最大值，再对直流集合D进行求和 得到允许的直流紧急支援功率最大值ΔD_max；

3-3)利用扩展等面积准则计算针对预想故障F的直流紧急支援目标功率Δ D，并对该预想故障的离线切机切负荷策略进行修正；

4)当监测到预想故障F发生后，执行修正后的离线切机切负荷控制措施， 并令直流集合D中按直流紧急功率支援优先级指标由大到小排序的前L个直流 执行紧急功率支援，其中L的数值根据这L个直流系统的紧急支援功率最大值 总和不小于直流紧急支援目标功率ΔD为目标来确定；

5)利用扩展等面积准则计算得到的发电机分群信息，根据机组与直流的相 关系数从临界群机组中提取直流相关机组，并发送强励启动命令，所述直流相 关机组是与实施紧急功率支援直流相关的机组；

6)根据广域测量系统提供的机组实时功角信息，利用扩展等面积准则计算 系统等值单机的功角，当等值单机的功角开始反摆时，向临界群中的直流相关 机组发送强励退出命令，向余下群中的直流相关机组发送强励启动命令。

上述技术特征的进一步特征在于，所述步骤1)中离线潮流计算机组与直流 的相关系数以及交流线路与直流的相关系数的方法如下：

设第i个直流的输送功率摄动为ΔP_Di，保持第i个直流两侧换流站交流母线 电压恒定，通过离线潮流计算全网交流线路的有功功率变化和机组无功功率变 化，依线路有功功率变化绝对值由大到小次序取前N条交流线路，依机组无功 功率变化绝对值由大到小次序取M台机组，利用公式(1)计算各机组与第i个 直流的相关系数以及各交流线路与第i个直流的相关系数：

$\left(\begin{array}{c}{r}_{L.j.i}=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{L.j}}{{\mathrm{\Delta P}}_{Di}}\\ r_{G.k.i}=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{G.k}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta Q}}_{G.m}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，r_L.j.i为第j个交流线路与第i个直流的相关系数，r_G.k.i为第k个机组与 第i个直流的相关系数，其中j＝1，2，…，N，k＝1，2，…，M；ΔP_L.j为第j个 交流线路的有功功率变化，ΔQ_G.k为第k个机组的无功功率变化，ΔQ_G.m为第m个 机组的无功功率变化。

上述技术特征的进一步特征在于，步骤3-1)中直流集合D中各个直流的直 流紧急功率支援优先级指标和功率支援方向的确定方法如下：

1)利用专利号为ZL200910026801.4、专利名称为“电力系统暂态安全稳定 模式中元件参与因子识别方法”中的暂态功角稳定发电机分群模式中发电机参 与因子的识别方法，获取临界群中各发电机的暂态功角稳定发电机分群模式中 的参与因子，利用公式(2)进行计算：

$\left(\begin{array}{c}{X}_{in.i}^F=\underset{j=1}{\overset{S}{\Sigma }}(p_j^F·x_{in.i.j}^F)\\ X_{out.i}^F=\underset{j=1}{\overset{S}{\Sigma }}(p_j^F·x_{out.i.j}^F)\end{array}\right)---\left(2\right)$

上述式中，为第i个直流的整流侧换流站与临界群之间的综合电气距 离和，为第i个直流的逆变侧换流站与临界群之间的综合电气距离和，为 临界群中第j个发电机的暂态功角稳定发电机分群模式中的参与因子，为临 界群中第j个发电机与第i个直流的整流侧换流站交流母线之间的电气距离、 为临界群中第j个发电机与第i个直流的逆变侧换流站交流母线之间的电气 距离，S为临界群中发电机台数；

2)若则对预想故障F而言，第i个直流的功率紧急支援方向为 提升功率、直流紧急功率支援优先级指标等于反之，第i个直流的功率 紧急支援方向为回降功率，直流紧急功率支援优先级指标等于

上述技术特征的进一步特征在于，步骤3-2)中直流集合D中各个直流的紧 急支援功率最大值的计算方法如下：

首先基于直流紧急功率支援优先级指标对直流集合D中的各个直流排序， 利用公式(3)确定各个直流的紧急支援功率最大值：

ΔD_max.i＝min(a_i·P_rate.i-P_act.i,ΔD_ACLim.i)(3)

其中，ΔD_max.i为第i个直流的紧急支援功率最大值，a_i为第i个直流允许的 紧急调制倍数，P_rate.i为第i个直流的额定容量，P_act.i为第i个直流的当前输送 功率，ΔD_ACLim.i为受N个交流线路输电能力限制的第i个直流的紧急支援功率上 限，设为第j个交流线路的输电能力提升空间，j＝1,2,…,N，则 ΔD_ACLim.i根据N个交流线路的输电能力提升空间的最小值确定，其中：

$P_{now.j}^{\prime }=\left(\begin{array}{c}{P}_{now.j}+\underset{I=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}({\mathrm{\Delta D}}_{max.I}·r_{L.j.i}),i>1\\ P_{now.j},i=1\end{array}\right)$

P_max.j为与第i个直流相关的第j个交流线路的最大输电能力，P_now.j为第j个 交流线路的输送功率，P′_now.j为修正后的第j个交流线路的输送功率。

上述技术特征的进一步特征在于，步骤3-3)具体包括以下步骤：

利用扩展等面积准则的互补群惯量中心变换对预想故障F的时域仿真轨迹 进行聚合，计算对应等值单机系统的时变功角δ、机械功率P_m和电磁功率P_e， 并执行下述步骤：3-3-1)利用公式(4)计算加速面积A_inc：

$A_{inc}={\int }_{{\delta }_0}^{{\delta }_c}(P_m-P_e)d\delta ---\left(4\right)$

δ₀和δ_c分别为故障发生时刻t₀和故障清除时刻t_c等值单机系统的时变功 角；

3-3-2)若预想故障F无离线控制策略或ΔD_max不小于离线控制策略切机量 P_G与切荷量P_L之和，利用公式(5)计算直流紧急支援目标功率ΔD，并令切机 量P_G和切荷量P_L均为0，否则执行3-3-3)：

$\Delta D=\frac{A_{inc}-{\int }_{{\delta }_c}^{{\delta }_{cr}}(P_e-P_m)d\delta }{{\delta }_{cr}-{\delta }_e}---\left(5\right)$

其中，δ_e为紧急控制执行时刻t_e对应等值单机系统的时变功角，δ_cr为设 定的等值单机系统功角临界值，其中t_e＝t_c+T_d，T_d为紧急控制执行延时；

3-3-3)令直流紧急支援目标功率ΔD＝ΔD_max，并依下述不同情况修正切机切 负荷量：

若ΔD_max≥P_L，令切荷量P_L为0，切机量P′_G＝P_G－ΔD+P_L；否则，令切荷量 P′_L＝P_L－ΔD，切机量P_G不变。

本发明的有益效果如下：本发明能够实现同步电源强励、传统切机切负荷 及直流紧急功率支援相协调的紧急控制方案，并基于“在线预决策，实时匹配” 的思想，在故障发生后执行针对此故障预先制订的直流紧急功率支援优先的紧 急控制措施。在系统暂态稳定的首摆和反摆阶段，采取不同的机组实施强励， 有效避免机组强励可能引入的控制负效应。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面参照图1所示的流程图对本发明作进一步详细描述。

图1中步骤1是离线潮流计算机组与直流的相关系数以及交流线路与直流 的相关系数，通过离线仿真计算完成。具体实现方式为：设第i个直流的输送功 率摄动为ΔP_Di，保持第i个直流两侧换流站交流母线电压恒定，通过离线潮流 计算全网交流线路的有功功率变化和机组无功功率变化，依线路有功功率变化 绝对值由大到小次序取前N条交流线路，依机组无功功率变化绝对值由大到小 次序取M台机组，利用公式(1)计算各机组与第i个直流的相关系数以及各交 流线路与第i个直流的相关系数：

$\left(\begin{array}{c}{r}_{L.j.i}=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{L.j}}{{\mathrm{\Delta P}}_{Di}}\\ r_{G.k.i}=\frac{{\mathrm{\Delta Q}}_{G.k}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta Q}}_{G.m}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，r_L.j.i为第j个交流线路与第i个直流的相关系数，r_G.k.i为第k个机组与 第i个直流的相关系数，其中j＝1，2，…，N，k＝1，2，…，M；ΔP_L.j为第j个 交流线路的有功功率变化，ΔQ_G.k为第k个机组的无功功率变化，ΔQ_G.m为第m个 机组的无功功率变化。

图1中步骤2～步骤3是根据广域测量信息(包括发电机功角、线路实时输 送功率和直流输送功率等信息)生成的系统实时运行工况，对预想故障集中的 预想故障进行仿真，并对其中的失稳故障制订紧急控制措施。具体而言：

步骤2：根据直流实时运行状态信息，确定可参与紧急功率支援的直流集合 D。

步骤3：对预想故障集中各个预想故障进行时域仿真，利用扩展等面积准则 (EEAC)对仿真结果进行量化分析，获取发电机分群(临界群、余下群)和稳 定裕度等信息，针对稳定裕度为负的预想故障F，执行下述计算：

3-1)计算集合D中各个直流紧急功率支援优先级指标和功率支援方向。

具体计算方法：首先获取临界群中各发电机的暂态功角稳定发电机分群模 式中的参与因子，利用公式(2)进行计算：

$\left(\begin{array}{c}{X}_{in.i}^F=\underset{j=1}{\overset{S}{\Sigma }}(p_j^F·x_{in.i.j}^F)\\ X_{out.i}^F=\underset{j=1}{\overset{S}{\Sigma }}(p_j^F·x_{out.i.j}^F)\end{array}\right)---\left(2\right)$

上述式中，为第i个直流的整流侧换流站与临界群之间的综合电气距 离和，为第i个直流的逆变侧换流站与临界群之间的综合电气距离和，为 临界群中第j个发电机的暂态功角稳定发电机分群模式中的参与因子，为临 界群中第j个发电机与第i个直流的整流侧换流站交流母线之间的电气距离、 为临界群中第j个发电机与第i个直流的逆变侧换流站交流母线之间的电气 距离，S为临界群中发电机台数；

若则对预想故障F而言，第i个直流的功率紧急支援方向为提 升功率、直流紧急功率支援优先级指标等于反之，第i个直流的功率紧 急支援方向为回降功率，直流紧急功率支援优先级指标等于

其中，上述获取临界群中各发电机的暂态功角稳定发电机分群模式中的参 与因子的方法为专利号为ZL200910026801.4、专利名称为“电力系统暂态安全 稳定模式中元件参与因子识别方法”中的暂态功角稳定发电机分群模式中发电 机参与因子的识别方法，具体参见其说明书具体实施方式第0017段，即“对于 暂态功角稳定发电机分群模式中发电机参与因子的识别，若暂态功角稳定裕度 小于0，对于临界群发电机，计算受扰轨迹经过动态鞍点(DSP)时临界群中各台 发电机的加速动能，以临界群中发电机加速动能的最大值作为基准，把临界群 中各台发电机的加速动能与该基准值的比值作为各台发电机的参与因子；对于 余下群发电机，计算受扰轨迹经过DSP时余下群中各台发电机的减速动能，同 样以临界群中发电机加速动能的最大值作为基准，把余下群中各台发电机的减 速动能与该基准值的比值的相反数作为各台发电机的参与因子；若暂态功角稳 定裕度大于等于0，对于临界群发电机，首先要确定受扰轨迹在稳定模式中给出 的摆次中临界群等值发电机的加速动能达到最大值的时刻，以该时刻临界群中 发电机加速动能的最大值作为基准，把临界群中各台发电机该时刻的加速动能 与该基准值的比值作为各台发电机的参与因子；对于余下群发电机，同样以该 时刻临界群中发电机加速动能的最大值作为基准，把余下群中各台发电机该时 刻的减速动能与该基准值的比值的相反数作为各台发电机的参与因子”。

3-2)根据交流线路输送功率、交流线路与直流相关系数，首先基于直流紧 急功率支援优先级指标对直流集合D中的各个直流排序，利用公式(3)当前工 况下直流集合D中各个直流的紧急支援功率最大值，再对集合D进行求和得到 允许的直流紧急支援功率最大值ΔD_max。

ΔD_max.i＝min(a_i·P_rate.i-P_act.i,ΔD_ACLim.i)(3)

其中，ΔD_max.i为第i个直流的紧急支援功率最大值，a_i为第i个直流允许的 紧急调制倍数(通常取值1.1～1.3)，P_rate.i为第i个直流的额定容量，P_act.i为 第i个直流的当前输送功率，ΔD_ACLim.i为受N个交流线路输电能力限制的第i个直 流的紧急支援功率上限，设为第j个交流线路的输电能力提升 空间，j＝1,2,…,N，则ΔD_ACLim.i根据N个交流线路的输电能力提升空间的最小值 确定，其中：

$P_{now.j}^{\prime }=\left(\begin{array}{c}{P}_{now.j}+\underset{I=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}({\mathrm{\Delta D}}_{max.I}·r_{L.j.i}),i>1\\ P_{now.j},i=1\end{array}\right)$

P_max.j为与第i个直流相关的第j个交流线路的最大输电能力，P_now.j为第j个 交流线路的输送功率，P′_now.j为修正后的第j个交流线路的输送功率。

3-3)利用扩展等面积准则计算针对预想故障F的直流紧急支援目标功率Δ D，并对该预想故障的离线切机切负荷策略进行修正，包括以下步骤：利用EEAC 方法的互补群惯量中心变换(CCCOI-RM)对预想故障的时域仿真轨迹进行聚 合，得到对应等值单机系统的时变功角δ，机械功率P_m和电磁功率P_e，计算针 对预想故障F的直流紧急支援目标功率ΔD，并对该预想故障的离线切机切负荷 策略进行修正。具体计算方法如下：

首先利用公式(4)计算加速面积A_inc：

$A_{inc}={\int }_{{\delta }_0}^{{\delta }_c}(P_m-P_e)d\delta ---\left(4\right)$

δ₀和δ_c分别为故障发生时刻t₀和故障清除时刻t_c等值单机系统的时变功角。

若该故障无离线控制策略或ΔD_max不小于离线控制策略切机量P_G与切荷量 P_L之和，利用公式(5)计算直流紧急支援目标功率ΔD，并令切机量P_G和切荷 量P_L均为0。

$\Delta D=\frac{A_{inc}-{\int }_{{\delta }_c}^{{\delta }_{cr}}(P_e-P_m)d\delta }{{\delta }_{cr}-{\delta }_e}---\left(5\right)$

其中，δ_e为紧急控制执行时刻t_e对应等值单机系统的时变功角，δ_cr为设定 的等值单机系统功角临界值，其中t_e＝t_c+T_d，T_d为紧急控制执行延时，一般取值 为200ms。

否则，令直流紧急支援目标功率ΔD＝ΔD_max，并依下述不同情况修正切机 切负荷量：若ΔD_max≥P_L，令切荷量P_L为0，切机量P′_G＝P_G－ΔD+P_L；否则， 令切荷量P′_L＝P_L－ΔD，切机量P_G不变。

步骤4～6在监测到预想故障F发生后实施紧急控制措施和机组强励措施， 具体如下：

步骤4：当监测到预想故障F发生后，执行修正后的离线切机切负荷控制措 施，并令直流集合D中按直流紧急功率支援优先级指标由大到小排序的前L个 直流执行紧急功率支援，其中L的数值根据这L个直流系统的紧急支援功率最 大值总和不小于直流紧急支援目标功率ΔD为目标来确定。

步骤5：根据机组与直流的相关系数，并利用EEAC计算得到的机组分群信 息，从临界群机组中提取与实施紧急功率支援直流的相关机组(下称“直流相 关机组”)，发送强励启动命令。

步骤6：根据广域测量系统提供的机组实时功角信息，利用EEAC计算系统 等值单机的功角，当等值单机的功角开始反摆时，向临界群中的直流相关机组 发送强励退出命令，向余下群中的直流相关机组发送强励启动命令。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。 在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发 明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容 为标准。