一种电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力评估方法

摘要

本发明公开了一种电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力综合评估方法，涉及电力系统领域。该方法提出了单通道受电能力评估指标体系和多通道受电能力评估指标体系。采用拟合系数法计算各指标关联关系并得出最终受端系统受电能力量化大小数值，具有较强适应性，可为实际系统运行方式优化、网架结构补强等提供技术依据。本发明综合考虑了通道静态电压稳定极限、暂态功率波动幅值、负荷功率因数对受端电网受电能力的影响，能更全面、综合的评估受端电网的受电极限，既保障电网安全稳定运行又提高电网运行的经济性。

权利要求

1.电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力综合评估方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：a、建立单通道受电能力评估指标体系a1、静态电压稳定裕度指标

第i个通道事故后静态电压稳定裕度Kpi按下式计算式中：Pi0为第i个通道正常方式输送潮流，Pimax为第i个通道输电事故后静态电压稳定极限，i为通道序号；

a2、负荷功率因数指标

负荷功率因数 与静态电压稳定极限Pimax关系按下式计算式中： 为负荷功率因数角，Xi为第i个通道送端系统电抗和通道电抗之和；

a3、暂态功率波动系数指标

第i个通道暂态功率波动系数Kmi按下式计算式中：Mi为第i个通道送端系统总惯量，M0为受端系统总惯量；

a4、单通道暂态功率裕度指标

第i个单通道暂态功率裕度Ki按下式计算Ki＝αKpi-βKMi            (4)式中：α为通道静态电压稳定裕度与单通道暂态功率裕度关联因数，β为暂态功率波动系数与单通道暂态功率裕度关联因数；

b、建立多通道受电能力评估指标体系b1、计算多通道裕度均值

式中：n为受端电网通道个数；

b2、计算多通道裕度标准差

b3、计算多通道暂态功率裕度K

式中：η为多通道裕度均值与多通道暂态功率裕度的关联因数，γ为多通道裕度标准差与多通道暂态功率裕度的关联因数；

b4、计算多通道受端电网受电能力Pst式中：Pi0为第i个通道初始传输有功功率；

c、多通道受电能力评估

c1、首先确定与受端系统相关性较强的多个输电通道，设置短路冲击，以临界恢复电压值为边界划分送受端两侧系统，确定通道；

c2、关联因数α、β、γ、η求取

受端系统一种运行方式下n个通道的n个功率数值称为一组，仿真计算四组，初始有功功率下对应的四组多通道受端电网受电能力；

在四组多通道初始有功功率下通过公式(1)～(4)计算各单通道暂态电压稳定裕度Kpi、负荷功率因数 暂态功率波动系数Kmi及暂态稳定裕度Ki，在此基础上通过公式(5)～(7)计算多通道裕度均值 多通道裕度标准差 及多通道暂态功率裕度K，代入公式(8)与四组多通道初始有功功率及其仿真计算得出的四组多通道受电能力有功功率联立一个四元四次方程组，求解方程得出α、β、γ、η数值；

c3、多通道受电能力计算

已知该受端系统任意一组n个通道初始传输有功功率，通过公式(1)～(4)计算得出各单通道暂态稳定裕度指标Ki，通过公式(5)～(8)计算得出多通道受端电网受电能力Pst。

说明书

一种电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统，更具体涉及多通道受端系统受电能力综合评估方法。

背景技术

[0002] 受端系统是以负荷集中地区为中心，包括区内和邻近电厂在内，用较密集的电力网络将负荷和这些电源联接在一起的电力系统。近年来随着受端系统用电负荷迅猛增长、最高用电负荷占全网比重逐渐增加的情况，受端系统内部电源支撑不足，受端系统对外来电力的依赖程度不断提高，导致电压稳定问题突出。对于受端系统受电能力综合评估方法的研究，有助于了解系统稳定特性以及能力制约瓶颈，更合理地安排系统运行方式，制定稳定控制方案。

[0003] 国内外学者针对受电系统暂态电压稳定机理、判据以及分析方法进行了大量研究。目前暂态电压稳定的研究方法主要为时域仿真法和能量函数法，其存在计算量大、耗时多、难以准确计及负荷动态特性等缺点(仲悟之.受端系统暂态电压稳定机理研究[D]，2008)。有学者研究了交直流联网方式、线路出串、断线和通道电源等网架结构因素对南方电网受端系统电压稳定性的影响(付聪，张俊峰.网架结构对受端电网暂态电压稳定性的影响分析[J].电气自动化，2016，38(6):73-76)。有学者基于扩展等面积法则,提出了暂态电压稳定的定量指标，并应用于临界切除时间和极限动态负荷求取(徐泰山，薛禹胜，韩祯祥.感应电动机暂态电压失稳的定量分析[J].电力系统自动化，1996，20(6):12-15)。有学者将一种基于半张量积方法的稳定域边界二阶逼近算法应用于暂态电压稳定问题的分析,并提出了一个暂态电压失稳判据(叶俭,梅生伟,薛安成，等.基于稳定域边界二阶逼近的暂态电压稳定分析[J].现代电力，2005，22(4):1-6)。目前研究大多针对电压稳定失稳机理以及判别方法的定性分析、定量研究主要针对马达负荷小系统受电极限计算，而针对实际受端系统(考虑网络、负荷、电源等多因素)并未明确其受电能力量化评估方法。

[0004] 本发明针对多通道型受端系统电压稳定的特点，提出单通道受电能力评估指标，在此基础上构建多通道受电能力的指标体系，从而综合评估受端系统受电能力大小，对指导实际电网安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明从电压稳定理论出发提出一种多通道受端系统受电能力综合评估方法，该方法综合考虑了通道静态电压稳定极限、暂态功率波动幅值、负荷功率因数对受端电网受电能力的影响，能更全面、综合的评估受端电网的受电极限，既保障电网安全稳定运行又提高电网运行的经济性。

[0006] 电压稳定与受输电网络输电极限、负荷动态特性以及电压支撑等多个因素相关。本专利针对典型多通道受入型受端电网，提出单通道受电能力评估体系，在此基础上，构建从单通道暂态功率裕度至多通道暂态功率裕度再至多通道受电能力的指标体系，采用拟合系数法计算各指标关联关系并得出最终受端系统受电能力大小。

[0007] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力综合评估方法，该方法包含下列步骤：

[0009] a、建立单通道受电能力评估指标体系

[0010] a1、静态电压稳定裕度指标

[0011] 第i个通道事故后静态电压稳定裕度Kpi按下式计算

[0012]

[0013] 式中：Pi0为第i个通道正常方式输送潮流，Pimax为第i个通道输电事故后静态电压稳定极限，i为通道序号；

[0014] a2、负荷功率因数指标

[0015] 负荷功率因数 与静态电压稳定极限Pimax关系按下式计算

[0016]

[0017] 式中： 为负荷功率因数角，Xi为第i个通道送端系统电抗和通道电抗之和；

[0018] a3、暂态功率波动系数指标

[0019] 第i个通道暂态功率波动系数Kmi按下式计算

[0020]

[0021] 式中：Mi为第i个通道送端系统总惯量，M0为受端系统总惯量；

[0022] a4、单通道暂态功率裕度指标

[0023] 第i个单通道暂态功率裕度Ki按下式计算

[0024] Ki＝αKpi-βKMi                           (4)

[0025] 式中：α为通道静态电压稳定裕度与单通道暂态功率裕度关联因数，β为暂态功率波动系数与单通道暂态功率裕度关联因数；

[0026] b、建立多通道受电能力评估指标体系

[0027] b1、计算多通道裕度均值K

[0028]

[0029] 式中：n为受端电网通道个数；

[0030] b2、计算多通道裕度标准差

[0031]

[0032] b3、计算多通道暂态功率裕度K

[0033]

[0034] 式中：η为多通道裕度均值与多通道暂态功率裕度的关联因数，γ为多通道裕度标准差与多通道暂态功率裕度的关联因数；

[0035] b4、计算多通道受端电网受电能力Pst

[0036]

[0037] 式中：Pi0为第i个通道初始传输有功功率；

[0038] c、多通道受电能力评估

[0039] c1、首先确定与受端系统相关性较强的多个输电通道，设置短路冲击，以临界恢复电压值为边界划分送受端两侧系统，确定通道；

[0040] c2、关联因数α、β、γ、η求取

[0041] 受端系统一种运行方式下n个通道的n个功率数值称为一组，仿真计算四组，初始有功功率下对应的四组多通道受端电网受电能力；

[0042] 在四组多通道初始有功功率下通过公式(1)～(4)计算各单通道暂态电压稳定裕度Kpi、负荷功率因数 暂态功率波动系数Kmi及暂态稳定裕度Ki，在此基础上通过公式(5)～(7)计算多通道裕度均值 多通道裕度标准差 及多通道暂态功率裕度K，代入公式(8)与四组多通道初始有功功率及其仿真计算得出的四组多通道受电能力有功功率联立一个四元四次方程组，求解方程得出α、β、γ、η数值；

[0043] c3、多通道受电能力计算

[0044] 已知该受端系统任意一组n个通道初始传输有功功率，通过公式(1)～(4)计算得出各单通道暂态稳定裕度指标Ki，通过公式(5)～(8)计算得出多通道受端电网受电能力Pst。

[0045] 本发明可以实现受端系统受电能力的量化评估，为系统运行方式安排提供技术指导，与现有技术相比，主要有以下效果：

[0046] (1)提出单通道受电能力评估指标体系。该体系综合考虑影响暂态电压稳定的网络、负荷、无功支撑三大主要因素，提出了静态电压稳定裕度、负荷功率因数、暂态功率波动系数指标，最终得出单通道暂态功率裕度评估单通道受电约束，物理意义明确。

[0047] (2)提出多通道受电能力评估指标体系。该体系考虑多通道之间相互关联以及裕度均衡性，采用均值和标准差拟合得出多通道暂态功率裕度，可提高指标表征准确度。

[0048] (3)本发明构建从单通道暂态功率裕度至多通道暂态功率裕度再至多通道受电能力的指标体系，采用拟合系数法计算各指标关联关系并得出最终受端系统受电能力量化大小数值，具有较强适应性，可为实际系统运行方式优化、网架结构补强等提供技术依据。

附图说明

[0049] 图1为电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力综合评估方法的流程图。

[0050] 图2为艾家-鹤岭三永故障下临界恢复电压的示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

[0052] 实施例一

[0053] 由图1可知，电压稳定约束下的多通道受端系统受电能力综合评估方法，该方法包含下列步骤：

[0054] a、建立单通道受电能力评估指标体系

[0055] a1、静态电压稳定裕度指标

[0056] 静态电压稳定用于电力系统受到小扰动后，电压不发生崩溃，自动恢复到起始稳定运行状态的能力。静态电压稳定极限与联络线本身送电距离、送端系统强度大小以及负荷功率因数紧密相关，事故后静态电压稳定极限反映通道扰动承受能力。

[0057] 第i个通道事故后静态电压稳定裕度Kpi按下式计算

[0058]

[0059] 式中：Pi0为第i个通道正常方式输送潮流，Pimax为第i个通道输电事故后静态电压稳定极限，i为通道序号；

[0060] a2、负荷功率因数指标

[0061] 遭受短路冲击后，根据感应电动机的负荷特性，感应电动机滑差将增大从而降低负荷功率因数。在网架结构确定的条件下，通道静态电压稳定极限与负荷功率因数呈正相关，负荷功率因数指标值越低，表明静态电压稳定极限降低越大，系统电压稳定问题越严重。为计及受端暂态电压支撑作用，选取故障后临界恢复电压时刻计算负荷功率因数。

[0062] 负荷功率因数 与静态电压稳定极限Pimax关系按下式计算

[0063]

[0064] 式中： 为负荷功率因数角，Xi为第i个通道送端系统电抗和通道电抗之和；

[0065] a3、暂态功率波动系数指标

[0066] 扰动发生后0.5～2s期间，功率按照旋转机组的惯性比例大小重新分配，惯性较大的发电机承担大部分功率不平衡量。建立通道送端系统惯量与送端惯量和受端惯量之和的比值为通道暂态功率波动系数指标，该指标反映通道扰动冲击大小，指标值越低，表明该通道承受暂态功率波动越大，系统电压稳定问题越严重。

[0067] 第i个通道暂态功率波动系数Kmi按下式计算

[0068]

[0069] 式中：Mi为第i个通道送端系统总惯量，M0为受端系统总惯量；

[0070] a4、单通道暂态功率裕度指标

[0071] 采用通道静态电压稳定裕度和暂态功率波动差值作为单通道暂态功率裕度指标，该指标值越大，表明该通道暂态功率裕度越大、电压稳定水平越高。

[0072] 第i个单通道暂态功率裕度Ki按下式计算

[0073] Ki＝αKpi-βKMi                           (4)

[0074] 式中：α为通道静态电压稳定裕度与单通道暂态功率裕度关联因数，β为暂态功率波动系数与单通道暂态功率裕度关联因数；

[0075] b、建立多通道受电能力评估指标体系

[0076] 受端电网电压稳定水平与多通道功率分布情况相关，多通道裕度均衡性越好，受端电网受电能力越高。采用多通道裕度均值和标准差之和的关联关系表征多通道暂态功率裕度指标。

[0077] b1、计算多通道裕度均值

[0078]

[0079] 式中：n为受端电网通道个数；

[0080] b2、计算多通道裕度标准差

[0081]

[0082] b3、计算多通道暂态功率裕度K

[0083]

[0084] 式中：η为多通道裕度均值与多通道暂态功率裕度的关联因数，γ为多通道裕度标准差与多通道暂态功率裕度的关联因数；

[0085] b4、计算多通道受端电网受电能力Pst

[0086]

[0087] 式中：Pi0为第i个通道初始传输有功功率；

[0088] c、多通道受电能力评估

[0089] c1、首先确定与受端系统相关性较强的多个输电通道，设置短路冲击，以临界恢复电压值为边界划分送受端两侧系统，确定通道；

[0090] c2、关联因数α、β、γ、η求取

[0091] 受端系统一种运行方式下n个通道的n个功率数值称为一组，仿真计算四组，初始有功功率下对应的四组多通道受端电网受电能力；

[0092] 在四组多通道初始有功功率下通过公式(1)～(4)计算各单通道暂态电压稳定裕度Kpi、负荷功率因数 暂态功率波动系数Kmi及暂态稳定裕度Ki，在此基础上通过公式(5)～(7)计算多通道裕度均值 多通道裕度标准差 及多通道暂态功率裕度K，代入公式(8)与四组多通道初始有功功率及其仿真计算得出的四组多通道受电能力有功功率联立一个四元四次方程组，求解方程得出α、β、γ、η数值；

[0093] c3、多通道受电能力计算

[0094] 已知该受端系统任意一组n个通道初始传输有功功率，通过公式(1)～(4)计算得出各单通道暂态稳定裕度指标Ki，通过公式(5)～(8)计算得出多通道受端电网受电能力Pst。

[0095] 实施例二

[0096] 本实施例以湖南电网为具体实施案例对本发明的正确性进行验证，主要包括受电通道确定、单通道受电能力评估、多通道受电能力评估几部分，具体实施步骤如下：

[0097] (1)受电通道确定

[0098] 在湖南电网控制故障艾家-鹤岭三永N-1故障下，调整方式直至出现电压临界失稳，统计在该方式下故障切除时刻临界电压恢复水平，如图2所示。

[0099] 从图2可以看出，以恢复电压0.8p.u.为边界，划分受电通道定义为通道1：岗市-宋家坝+孱陵-常德北(常德北-复兴之间存在电磁环网，为简化计算，不考虑该通道)，通道2：牌楼-长阳铺+艳山红-宗元。以下计算中i＝1、2。

[0100] (2)单通道受电能力评估

[0101] 选取故障后临界恢复电压时刻计算负荷功率因数，湖南受端系统总负荷有功功率为7700MW，无功功率为3500Mvar，计算得负荷功率因数 通道1送端系统侧短路电流为31kA、等效电抗为0.003528，通道1线路电抗为0.003471，根据公式2计算得静态电压稳定极限为4600MW；通道2送端系统侧短路电流为18kA、等效电抗为0.00611，通道2线路电抗为0.0062，根据公式2计算得静态电压稳定极限为2600MW；安排4个基础方式，两个通道的初始功率：

[0102] 表1仿真4个初始方式及其对应极限

[0103]

[0104] 将初始功率和静态电压稳定极限带入公式(1)，计算得静态电压稳定裕度：

[0105]

[0106] 分别统计4个方式下通道1华中主网系统惯量、通道2湘西南机组惯量、湘南湘中受端系统惯量，代入公式(3)计算得暂态功率波动系数：

[0107]

[0108] 将式(9)、(10)代入式(4)，得单通道暂态功率裕度指标：

[0109]

[0110] (3)多通道受电能力评估

[0111] 将式(11)代入公式(5)计算得多通道裕度均值：

[0112]

[0113] 将式(11)、(12)代入公式(6)计算得多通道裕度标准差：

[0114]

[0115] 将式(12)、(13)代入公式(7)计算得多通道暂态功率裕度：

[0116]

[0117] 仿真计算得4个初始方式对应的暂态电压稳定极限通道和分别为：2800MW、4600MW、5100MW、5000MW，将数值代入公式(8)，联立方程组：

[0118]

[0119] 由式(15)可求出关联因子分别为α＝0.0612、β＝0.6079、γ＝0.1925、η＝0.8561。已知通道1、2的任意初始功率，计算流程如公式(9)～(15)，根据已知(15)中的关联因子，即可求出(15)式中等式左侧的暂态电压稳定极限。

[0120] 本专利准确性验证：已知通道1、2的任意初始功率分别为1000MW、1000MW，求出暂稳极限之和为3590MW。仿真计算该初始方式下对应的暂态电压稳定之和为3900MW，本专利方法计算误差为8％，因此本专利提出的评估方法具有较好的准确性和适用性。