基于電網暫態能量的臨界機群識別研究

摘 要：緊急控制是維持大擾動下電力系統穩定運行的重要手段。選擇有效的控制措施及有效的控制地點是個重要問題。文章基于支路勢能法提出一個新的支路判別指標來彌補支路穩定度指標為零時帶來的不足，并基于支路穩定度和支路判別指標提出了臨界機群的識別方法。基于多機系統的故障分析表明，該方法實用有效，可應用于大型電力系統。

關鍵詞：暫態穩定；臨界機群；暫態能量函數

1 概述

暫態穩定問題是在大擾動下電網面臨的重要問題。研究和實施相應的暫態穩定緊急控制措施，不但可以提高系統運行的可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產生直接經濟效益。在確定具體控制措施前，我們需要準確識別發生大干擾時電網中的臨界機群，因此文章提出一個新的支路判別指標，并基于此提出了臨界機群的識別方法。首先在現有文獻提出的支路勢能法基礎上完善支路穩定度指標；準確篩選出臨界發電機群和剩余機群。標準10機39節點系統的算例表明文章方法能準確有效地識別臨界機群。

2 能量函數模型和指標的建立

2.1 能量函數的建立

對于一個電力系統，從能量角度來看，可以按電力系統常用的元件把總能量劃分為發電機，線路和負荷能量三部分構成，即：

其中對應的分別為發電機動能VKE、網絡的勢能VPE。

在忽略阻尼的情況下，多機系統結構保持的拓撲李亞普諾夫函數模型可描述為：

其中Mg為發電機轉子的慣性時間常數；ωg為發電機角頻率相對于同步角頻率之差；Pk（u）為k支路故障期間的有功功率；P為支路k穩態時的有功功率；連接支路k的兩端節點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為網絡中發電機的臺數。

2.2 支路判別指標的建立

支路穩定度指標（Branch Stability Index，SBI）能夠判斷暫態過程中電力網絡各支路的穩定情況，是零就是不穩定，非零就是穩定。

SBI的符號可以表明支路相角的變化方向。但是當支路失去穩定，即網絡中存在SBI為零的情況時，SBI已經不能判斷相角的變化方向情況。

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

DBI所取的支路兩端電壓相角差的時間導數的符號可以表明相角的運動方向。如果支路k為臨界支路，且滿足DBIk=1，則節點i所在的子網絡的發電機相對于剩余機群超前運動；如果支路k為臨界支路，且滿足DBIk=-1，則節點j所在的子網絡的發電機相對于剩余機群超前運動。

DBI作為SBI的補充，使得計算結果既繼承了支路穩定度指標判斷網絡結構脆弱的特性，又能在失穩和穩定兩種情況下可靠的表明相角的運動方向，為識別臨界機群提供更加可靠的數據支持。

2.3 識別臨界機群的算法

準確識別臨界機群是緊急狀態下采取切機措施的前提條件。識別臨界機群的步驟如下：（1）根據仿真所得數據計算網絡的各支路的SBI和DBI，并按SBI絕對值從小到大排序。（2）應用flood-fill算法識別理想臨界割集，具體方法為：首先根據（1）的排序結果，從原網絡中移去SBI絕對值小的支路，若系統成為一個非連通圖，則該支路構成網絡的臨界割集；若移去后系統仍為連通圖，則需依次移去SBI絕對值由小到大的支路，直至網絡成為一個非連通圖，而使網絡成為非連通圖的支路構成系統的臨界割集。（3）根據臨界支路的DBI的符號，判斷出網絡中哪些發電機是臨界機群，哪些是剩余機群。

3 仿真驗證

為深入分析文章提出的切機緊急控制方法的有效性，文章選用同算例不同故障地點進行了計算和分析。

標準10機39節點系統：

算例1選用的標準的10機39節點。故障設置如下：3母線處0s發生瞬時三相短路故障，在0.19s結束。在0.2s選擇切機。

根據表2，可以得出：支路[2-1]和[9-8]的穩定度指標為0，并且通過臨界機群的識別方法得到臨界割集是{2-1，9-8}，即系統在[2-1]和[9-8]處撕裂，將系統分為兩個子系統，左側39機構成的為受端系統，而右側多機系統成為送端系統。根據DBI（2-1）=1與DBI（9-8）=-1，得出30-38機都超前39機運動。進而得出除39機外的9臺發電機構成了臨界機群，39機是（剩余）滯后發電機。

通過上述的計算和分析，表明該指標和方法的有效性與準確性。

4 結束語

大擾動是電網安全運行的重要威脅，合理判斷電力系統中發生威脅時的臨界機群具有重要意義，為下一步的切機切負荷的對象選擇奠定理論基礎。也就是選擇緊急控制地點和控制量對于維持系統的暫態穩定十分重要。這也是后續研究的方向、重點和難點。

仿真與計算結果分析表明，文章建立的指標物理意義明確，實現簡單，提出的基于網絡能量函數方法的指標能夠有效地確定電力系統緊急控制臨界機群，計算仿真結果同時驗證了所提指標的合理性和有效性。

參考文獻

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