基于多信息源的电压安全全过程预警及防控系统

电力系统电压失稳事故时有发生,从而引起电力界的广泛关注,然而电压稳定分析、判别与防控是困扰世界电力工作者多年的难题。文中阐述了基于多信息源的电压安全全过程预警及防控系统功能框架结构,分别介绍了静态、暂态、中长期和基于响应信息在内的多时间尺度全过程电压稳定防控技术,通过静态电压稳定指标、基于戴维南等值跟踪的失稳模式判别、基于WAMS的电压裕度分析等方法实现电压稳定判别及防控,并指出了所涉及的关键技术。该系统可实现大电网电压稳定快速量化评估与辅助决策,对提高电力系统电压安全预警及防控水平,降低电压崩溃事故发生概率,具有重要理论指导和工程实践意义。     

时空大数据环境下的大电网稳定态势量化评估与自适应防控体系构建

广域测量系统实测信息及故障集仿真结果构成了电网时空大数据,如何采用大数据技术对它们进行快速、高效地挖掘,实现大电网在线安全评估与防御是智能电网核心目标之一。从电网广域时空量测信息角度,解释了电网时空大数据的内涵,提出大电网在线稳定态势评估与自适应防御体系(stability situation assessment and adaptive defense control system,ST-SADC)的整体架构及关键技术。ST-SADC以大数据分析与处理为底层技术支撑,基于广域时空量测信息实现大电网稳定态势量化评估及主导环节的反映射虚拟建模,进而实现轨迹型自适应防御控制。针对当前技术现状,讨论了ST-SADC循环递进式研究路线。该体系可进一步提高广域时空量测信息的挖掘深度和广度,最终提升大电网轨迹型智能化预警和防控能力。     

基于电压相量时序轨迹特征的电网静态稳定态势在线评估指标

电网运行环境复杂性、随机性的不断加剧,使得实现电网静态稳定态势的在线评估具有重要工程意义。首先对电网演进趋势与节点电压相量偏移轨迹特征间的相关性进行了分析,并利用熵理论构建了电压相量偏移指标,以实时衡量节点在电网运动进程中的主导性强弱;从"源–网–荷"统一角度构建了电网电磁功率传递与节点电压相量各分量属性的联系,进而提出了利用差分稳定系数指标来评估电网能量稳定态势;然后融合两种指标并提出了基于电压量测信息的电网静态稳定在线评估方法。最后通过对IEEE39节点系统的仿真验证了所提方法的有效性。     

基于交替方向乘子法的电网电压相量轨迹拟合及暂态稳定评估指标构建

电力系统暂态稳定态势量化评估是大电网在线安全防御的主要部分，而如何针对电网动态轨迹信息构建暂态稳定预估指标是关键。电网电压相量轨迹信息蕴含更丰富的稳定行为特征。文章以双机系统为例，首先从轨迹几何角度分析了发电机暂态能量转化与电压相轨迹之间演变规律；继而在扩展等面积准则(extended equal area criteria, EEAC)的基础上推理验证了其在多机系统下的普适性；为实现暂态稳定快速预估，提出了一种基于交替方向乘子法的轨迹拟合方法，该方法在拟合精度与速度上具有明显优势；在此基础上，以电压相量轨迹拟合曲线的弧长距离为数据支撑，构建了一种暂态稳定快速预估指标。最后，以新英格兰10机39节点系统与某省级电网的仿真数据为例，验证了该方法评估有效性。     

应对大范围潮流转移的在线电压稳定判别指标

针对交直流混联电网中直流自身闭锁故障后大范围潮流转移引起的电压失稳问题,首先采用PSD-ST(power system department-system transient)程序仿真计算对比论证了在工程实用判据下暂态电压稳定极限与静态电压稳定极限差异较小;然后在总结现有电压稳定评估指标优劣的基础上,提出了基于PMU(phasor measurement unit)量测的综合考虑有功、无功传输影响的电压稳定在线评估指标。基于实际电网的等值算例系统仿真计算表明,该指标既可有效评估负荷缓慢增长方式下的静态电压稳定水平,也可有效评估直流闭锁故障下系统的暂态电压稳定水平。与其他指标相比,该指标所需信息量少、结构简单、物理意义明确,易于在线实现。     

基于WAMS及机组对的电网暂态稳定态势在线量化评估方法

为满足电网实时监控对算法速度和精度的要求,提出了一种基于广域测量系统(wide area measurement system,WAMS)及机组对的电网暂态稳定态势在线量化评估方法。该方法采用简化的发电机等效模型,根据相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)量测信息在线跟踪辨识其参数。通过识别受扰相对最严重的机组对,进而可计算该机组对等效的相互作用机械和电磁有功功率,以此为基础提出了一种可直接反映轨迹暂态稳定裕度的量化指标。文中还给出了对WAMS采集轨迹信息的曲线拟合方法和能量型指标,以便快速预估未来暂态稳定性。并以单机无穷大系统为例,验证了可利用发电机端口外PMU有效测量信息间接评估电网整体暂态稳定态势的可行性。最后,面向实际工程给出了暂态稳定态势在线量化评估实施方案。理论分析与仿真测试结果表明了所提方法的有效性及工程可操作性。     

混合多馈入直流系统换相失败免疫水平快速评估方法

针对目前混合多馈入直流输电系统(hybrid multiinfeed high voltage direct current,HMIDC)换相失败研究中采用仿真手段而导致计算量大的情况,提出了一种其换相失败免疫水平的快速评估方法。首先针对单馈入电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统,提出了计及直流系统一、二次参数影响的基于电压稳定因子(voltage stability indicator,VSI)的换相失败免疫水平快速评估方法,基于CIGRE Benchmark标准直流系统搭建了LCC-HVDC测试算例,仿真分析了所提方法的准确性和快速性;建立了HMIDC系统在LCC-HVDC换流母线处的双母线戴维南等值单馈入分析模型,然后定义了在对应LCC-HVDC换流母线处的等值单馈入电压稳定因子(equivalent voltage stability indicator,EVSI)。在分析换流器功率–电压特性和相角–电压特性的基础上,研究了EVSI的求取方法;最后提出了基于EVSI的HMIDC换相失败免疫水平快速评估方法,基于混合双馈入直流输电系统模型的仿真结果验证了所提方法的有效性。     

一种量化评估暂态电压稳定性的指标与方法

暂态电压稳定问题对系统安全稳定运行提出了严峻挑战,研究一种量化评估实际系统暂态电压稳定性的方法具有重要意义。在电力行业标准中大扰动情况下暂态电压稳定判据的基础上提出电压暂降指标,包括电压暂降严重性指标和电压合格性指标,涉及单一故障下节点电压暂降指标、多故障集下节点电压暂降指标以及系统电压暂降指标,并以此评估实际电网中任意节点或整个系统的暂态电压稳定性。算例分析采用广州电网2016年规划数据,利用PSD-BPA进行时域仿真,仿真分析结果体现了故障类型、负荷模型对暂态电压稳定性的影响,及所提指标用于量化评估实际系统暂态电压稳定性的直观性与有效性。     

基于戴维南等值和支路传输功率极限的电压稳定评估方法

提出了一种基于戴维南等值和支路传输功率极限的电压稳定评估方法。通过增大所要评估负荷节点的注入功率,并计算该状态下的系统潮流,求得该负荷节点对应的戴维南等值参数。利用所得到的戴维南等值参数构建包含该负荷节点的2节点系统,分析其节点功率平衡方程,得到其静态电压稳定的判别式。由判别式计算得到2节点系统的支路传输功率极限以及该节点的相对功率裕度,进一步建立整个系统的静态电压稳定指标,将其用于在线评估。此方法无需本地量测数据、计算快速方便、能够给出包含极限传输功率的评估指标,适用于电网调度中心,可实现对电网的在线电压稳定评估。运用该方法对IEEE14节点与118节点系统进行电压稳定评估,验证了此方法的合理性与正确性。     

基于响应的电网暂态稳定态势在线量化评估方法

广域测量系统工程化成熟应用为基于响应的电网暂态稳定分析与控制研究提供了新的契机,而暂态稳定态势在线量化评估是关键。以单机无穷大系统为例研究并证明不同观测支路比例段的静态和暂态稳定态势剖分特性,即同趋和同达失稳点特性。该剖分特性表明,可间接利用发电机端口外网络的相量测量装置有效测量信息评估电网暂态稳定态势的可行性。根据发电机转子加速度方程,严格推导电网任意机组对的等效单机系统虚拟功角特性正弦函数表达式,并基于该表达式,提出一种基于响应的电网暂态稳定裕度指标。用IEEE-9节点和新英格兰10机39节点系统进行仿真,验证了所提方法的有效性及工程可操作性,为基于响应的电网暂态稳定在线监控提供了有力的技术支撑。     

基于态势利导的同步逆变器负序电流抑制方法

电网电压不平衡时,同步逆变器并网运行输出负序电流导致三相并网电流严重不平衡,进而使电网不稳定加剧,制约了其在新能源并网中的应用。针对此问题,对电网电压与逆变器输出电压未能同步而产生的不平衡电流进行机理分析,提出了一种抑制负序电流的新方法。该方法首先对逆变器输出电流进行态势预测,提前预知电流态势信息,然后将预测所得电流变化量转化为相应电压变化量作为前馈信息输入同步控制系统进行实时补偿,可实现同步逆变器态势利导下的快速预防控制。仿真结果表明,所提方法有效抑制了电网电压不平衡时的负序电流,降低了电流不平衡度,并提高了控制系统的动态性能。     

基于CNN-LSTM网络的电网电压稳定紧急控制策略

运行方式的复杂多变性、扰动故障的不确定性、电力电子设备的弱抗扰性为交直流混联电网的安全稳定运行带来了巨大挑战。为保证大扰动故障后电网电压的稳定，提出一种基于卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络的响应驱动紧急控制策略。首先，分析关键母线节点电压时序值和电压稳定水平的映射关系，离线建立基于CNN-LSTM网络的大干扰电压稳定评估模型。然后，采用评估模型预测备选切机、切负荷点控制措施动作后电网电压稳定水平的提升量，确定响应驱动紧急控制措施灵敏度。最后，考虑紧急控制措施灵敏度，建立计及电网实际运行约束的紧急控制优化问题，求解得到最优紧急控制策略。面向存在电压失稳问题的交直流混联电网实际场景，仿真结果验证了所提响应驱动控制灵敏度预测方法的准确性，电压稳定紧急控制措施优化协调策略可以保证大扰动故障后电网的安全稳定运行。     

基于多信息源的大电网低频振荡预警及防控决策系统

低频振荡是威胁互联电网安全稳定运行的关键因素之一。负阻尼机理低频振荡和强迫功率振荡在我国均有发生。基于WAMS和EMS实时多信息源相结合,提出一种将低频振荡实时监测预警、扰动源定位、动态稳定控制策略在线搜寻综合应用于大电网的动态稳定防控方法。阐述了系统整体功能架构,介绍了多机理低频振荡防控并行技术方案。通过Prony计算、振荡能量指标、运行参数特征值灵敏度分析、模式匹配策略等方法实现低频振荡在线预警及防控,并指出了所涉及的关键技术。该系统可实现大电网低频振荡快速量化评估与辅助决策,对提高电力系统动态安全预警及防控水平,具有重要理论指导和工程实践意义。该原理方法在河南省互联电网低频振荡防控系统中得到实际应用。     

基于随机矩阵理论的电网静态稳定态势评估方法

基于广域测量信息的电力系统静态稳定态势评估具有非常重要的现实意义。该文在分析电力系统实际运行所产生的数据基础上,提出一种基于随机矩阵理论的大数据融合方法。基于随机矩阵理论评估电网静态稳定态势的方法具有无需详细的物理模型、又可综合考虑历史数据和实时数据,以及可从高维角度认识复杂系统等优点。通过对两种极限谱分布函数M-P率(Marchenk-Pastur law)和圆环率在静态稳定态势评估应用的原理说明,提出采用线性特征根统计量平均谱半径作为评估指标;对IEEE39节点系统的仿真,验证了所提方法的有效性,为静态稳定态势评估提供了一种新思路。     

结合直流潮流模型的电网断面热稳定极限快速评估方法

电网结构的增强使得系统的热稳定问题日益突出。采用直流潮流的方法对典型等值系统的断面热稳定极限进行了推导,分析了断面设备N-1开断对在运设备有功潮流变化的影响。基于有功潮流的阻抗分配原理,提出了对断面热稳定极限的评估方法和流程,可实现断面热稳定极限和限制故障的快速评估。最后,以河南电网2014年夏季大负荷方式为例,对豫北断面的热稳定极限进行了评估,仿真结果证明了所提方法的可行性。     

交直流混联系统电压稳定在线评估体系

在对现状/规划交直流混联电网电压稳定问题大量仿真计算的基础上,提出了电压失稳问题的分类方法;针对无短路冲击的大范围潮流转移问题,提出了分电压等级的综合考虑有功、无功潮流影响的电压稳定在线评估指标,电网仿真表明该指标既可有效评估负荷缓慢增长方式下的静态电压稳定水平,也可有效评估直流闭锁故障下系统的暂态电压稳定水平;在此基础上,提出了交直流混联电网电压稳定在线评估体系,依据故障性质不同采用不同的电压稳定判别方法,显著简化了在线计算规模、提升了计算速度。     

考虑风电接入的电网静态电压安全域计算

实现快速、有效的系统安全裕度评估,能够为系统运行控制提供决策指导。为掌握电网的安全运行态势,提出一种考虑风电接入的电网静态电压安全域计算方法。首先,利用连续潮流模型并结合电压安全约束,构建系统电压安全裕度指标,用于衡量运行点的安全状态。其次,融合灵敏度方程和启发式算法求得电压安全裕度,实现负荷裕度量化评估。然后,通过引入考虑相关性的风速预测方法,为态势预测奠定基础。最后,通过IEEE 118节点测试系统验证所提方法的有效性和可行性。通过算例仿真可知,当风电渗透率较高时,风电场出力之间的相关度越大,电压安全裕度的波动范围也越大。     

基于时序特征选择与改进MSPCA算法的电网暂态稳定态势智能评估

在充分利用电网海量历史运行数据及大量仿真分析数据评估暂态稳定态势过程中,恰当的选择与稳定特征以及提取非正常态势关键影响特征是实现电网暂态稳定态势评估的基础。文中提出了一种基于时序特征选择的暂态稳定态势智能评估方法。给出了基于未来运行点的邻域样本在线生成方法及稳定态势等级描述,选择输电断面作为主要特征;基于时序邻域信息度量算法,依据累积贡献率对特征降序排列,并采用基于邻域互信息的计算并伴随基于SVM的特征子集搜索实现冗余特征的剔除,形成稳定特征子集;在应用电网稳定特征子集进行态势评估场景中,采用改进的多尺度主元分析法对稳定相关信息进行提取,通过特征贡献率排序实现非正常态势关键影响特征识别。结合IEEE 39节点算例系统,仿真结果验证了文中所提方法的有效性。     

超高压输电通道与受端电网的无功交换量分析

超高压输电通道与受端电网大量的无功功率交换将对受端电网的无功电压调节带来困难,造成受端电网无功电压支撑能力减弱,对受端电网的安全稳定运行产生不利的影响。基于高压输电线路模型,分析了超高压输电通道与受端电网之间的无功交换量和电压水平、有功功率潮流之间的相关性,建立了评价指标“边界电压（boundary of voltage, BV）”及“边界功率（boundary of power, BP）”以量化评估受端电网的无功电压支撑能力,对电网大方式运行时提升BV、BP的几种措施进行了仿真和对比分析并提出了较优的策略。     

新能源基地柔性直流送出系统小扰动电压支撑强度评估

系统电压支撑强度（简称系统强度）常用于描述系统电压响应性能和量化安全稳定水平,其中基于短路比的强度量化指标在描述新能源送出极限时具有简单直观的特点。然而,现有基于短路比的分析基础是以同步机提供短路容量或电压支撑为前提,难以适用于无同步机支撑的新能源基地柔性直流送出系统。为此,该文从小扰动角度探讨新能源基地柔性直流送出系统的强度评估问题,首先推导了该系统中多端口电流对母线电压的灵敏度传递函数矩阵,阐述了受扰后母线电压响应与系统静态电压稳定/小扰动同步稳定的定性关系;然后,基于送端柔直电压源等值思路,并结合新能源设备临界短路比提出了源-网分离的系统强度评估方法,将广义短路比推广应用到全电力电子系统,所提出的方法能快速分析在系统运行点处的静态电压稳定/小扰动同步稳定裕度,确定系统强度的薄弱环节以及系统强度提升的优化路径;最后,多风电场经柔性直流送出系统算例验证了评估方法的有效性。