基于電網(wǎng)暫態(tài)能量的臨界機(jī)群識(shí)別研究

摘 要：緊急控制是維持大擾動(dòng)下電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。選擇有效的控制措施及有效的控制地點(diǎn)是個(gè)重要問題。文章基于支路勢(shì)能法提出一個(gè)新的支路判別指標(biāo)來彌補(bǔ)支路穩(wěn)定度指標(biāo)為零時(shí)帶來的不足，并基于支路穩(wěn)定度和支路判別指標(biāo)提出了臨界機(jī)群的識(shí)別方法。基于多機(jī)系統(tǒng)的故障分析表明，該方法實(shí)用有效，可應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：暫態(tài)穩(wěn)定；臨界機(jī)群；暫態(tài)能量函數(shù)

1 概述

暫態(tài)穩(wěn)定問題是在大擾動(dòng)下電網(wǎng)面臨的重要問題。研究和實(shí)施相應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制措施，不但可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。在確定具體控制措施前，我們需要準(zhǔn)確識(shí)別發(fā)生大干擾時(shí)電網(wǎng)中的臨界機(jī)群，因此文章提出一個(gè)新的支路判別指標(biāo)，并基于此提出了臨界機(jī)群的識(shí)別方法。首先在現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的支路勢(shì)能法基礎(chǔ)上完善支路穩(wěn)定度指標(biāo)；準(zhǔn)確篩選出臨界發(fā)電機(jī)群和剩余機(jī)群。標(biāo)準(zhǔn)10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的算例表明文章方法能準(zhǔn)確有效地識(shí)別臨界機(jī)群。

2 能量函數(shù)模型和指標(biāo)的建立

2.1 能量函數(shù)的建立

對(duì)于一個(gè)電力系統(tǒng)，從能量角度來看，可以按電力系統(tǒng)常用的元件把總能量劃分為發(fā)電機(jī)，線路和負(fù)荷能量三部分構(gòu)成，即：

其中對(duì)應(yīng)的分別為發(fā)電機(jī)動(dòng)能VKE、網(wǎng)絡(luò)的勢(shì)能VPE。

在忽略阻尼的情況下，多機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持的拓?fù)淅顏喥罩Z夫函數(shù)模型可描述為：

其中Mg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性時(shí)間常數(shù)；ωg為發(fā)電機(jī)角頻率相對(duì)于同步角頻率之差；Pk（u）為k支路故障期間的有功功率；P為支路k穩(wěn)態(tài)時(shí)的有功功率；連接支路k的兩端節(jié)點(diǎn)i、j的電壓相角記為δi、δj，支路k的兩端相角差可表示為δk=δi-δj；m為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)。

2.2 支路判別指標(biāo)的建立

支路穩(wěn)定度指標(biāo)（Branch Stability Index，SBI）能夠判斷暫態(tài)過程中電力網(wǎng)絡(luò)各支路的穩(wěn)定情況，是零就是不穩(wěn)定，非零就是穩(wěn)定。

SBI的符號(hào)可以表明支路相角的變化方向。但是當(dāng)支路失去穩(wěn)定，即網(wǎng)絡(luò)中存在SBI為零的情況時(shí)，SBI已經(jīng)不能判斷相角的變化方向情況。

為了避免因SBI=0而不能判斷相角運(yùn)動(dòng)方向的情況出現(xiàn)，下面新定義個(gè)支路判別指標(biāo)（Branch Discrimination Index， DBI）。

DBI所取的支路兩端電壓相角差的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的符號(hào)可以表明相角的運(yùn)動(dòng)方向。如果支路k為臨界支路，且滿足DBIk=1，則節(jié)點(diǎn)i所在的子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)相對(duì)于剩余機(jī)群超前運(yùn)動(dòng)；如果支路k為臨界支路，且滿足DBIk=-1，則節(jié)點(diǎn)j所在的子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)相對(duì)于剩余機(jī)群超前運(yùn)動(dòng)。

DBI作為SBI的補(bǔ)充，使得計(jì)算結(jié)果既繼承了支路穩(wěn)定度指標(biāo)判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱的特性，又能在失穩(wěn)和穩(wěn)定兩種情況下可靠的表明相角的運(yùn)動(dòng)方向，為識(shí)別臨界機(jī)群提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.3 識(shí)別臨界機(jī)群的算法

準(zhǔn)確識(shí)別臨界機(jī)群是緊急狀態(tài)下采取切機(jī)措施的前提條件。識(shí)別臨界機(jī)群的步驟如下：（1）根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的各支路的SBI和DBI，并按SBI絕對(duì)值從小到大排序。（2）應(yīng)用flood-fill算法識(shí)別理想臨界割集，具體方法為：首先根據(jù)（1）的排序結(jié)果，從原網(wǎng)絡(luò)中移去SBI絕對(duì)值小的支路，若系統(tǒng)成為一個(gè)非連通圖，則該支路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的臨界割集；若移去后系統(tǒng)仍為連通圖，則需依次移去SBI絕對(duì)值由小到大的支路，直至網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)非連通圖，而使網(wǎng)絡(luò)成為非連通圖的支路構(gòu)成系統(tǒng)的臨界割集。（3）根據(jù)臨界支路的DBI的符號(hào)，判斷出網(wǎng)絡(luò)中哪些發(fā)電機(jī)是臨界機(jī)群，哪些是剩余機(jī)群。

3 仿真驗(yàn)證

為深入分析文章提出的切機(jī)緊急控制方法的有效性，文章選用同算例不同故障地點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算和分析。

標(biāo)準(zhǔn)10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)：

算例1選用的標(biāo)準(zhǔn)的10機(jī)39節(jié)點(diǎn)。故障設(shè)置如下：3母線處0s發(fā)生瞬時(shí)三相短路故障，在0.19s結(jié)束。在0.2s選擇切機(jī)。

根據(jù)表2，可以得出：支路[2-1]和[9-8]的穩(wěn)定度指標(biāo)為0，并且通過臨界機(jī)群的識(shí)別方法得到臨界割集是{2-1，9-8}，即系統(tǒng)在[2-1]和[9-8]處撕裂，將系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，左側(cè)39機(jī)構(gòu)成的為受端系統(tǒng)，而右側(cè)多機(jī)系統(tǒng)成為送端系統(tǒng)。根據(jù)DBI（2-1）=1與DBI（9-8）=-1，得出30-38機(jī)都超前39機(jī)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而得出除39機(jī)外的9臺(tái)發(fā)電機(jī)構(gòu)成了臨界機(jī)群，39機(jī)是（剩余）滯后發(fā)電機(jī)。

通過上述的計(jì)算和分析，表明該指標(biāo)和方法的有效性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

大擾動(dòng)是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要威脅，合理判斷電力系統(tǒng)中發(fā)生威脅時(shí)的臨界機(jī)群具有重要意義，為下一步的切機(jī)切負(fù)荷的對(duì)象選擇奠定理論基礎(chǔ)。也就是選擇緊急控制地點(diǎn)和控制量對(duì)于維持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定十分重要。這也是后續(xù)研究的方向、重點(diǎn)和難點(diǎn)。

仿真與計(jì)算結(jié)果分析表明，文章建立的指標(biāo)物理意義明確，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，提出的基于網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)方法的指標(biāo)能夠有效地確定電力系統(tǒng)緊急控制臨界機(jī)群，計(jì)算仿真結(jié)果同時(shí)驗(yàn)證了所提指標(biāo)的合理性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]王成山，余旭陽.基于能量函數(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定概率分析方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003.

[2]宋方方，畢天姝，楊奇遜.基于暫態(tài)能量變化率的電力系統(tǒng)多擺穩(wěn)定性判別新方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007.

[3]吳艷桃，吳政球，匡文凱.基于單機(jī)等面積的暫態(tài)穩(wěn)定切機(jī)切負(fù)荷策略及算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007.