基于动态量测量的电压失稳性判据研究.pdf

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基于动态量测量的电压失稳性判据研究1 基于动态量测量的电压失稳性判据研究2 基于动态量测量的电压失稳性判据研究3 基于动态量测量的电压失稳性判据研究4 基于动态量测量的电压失稳性判据研究5 基于动态量测量的电压失稳性判据研究6
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第42卷第24期2014年12月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.42NO.24Dec.16.20l4基于动态量测量的电压失稳性判据研究马兆兴,李洪美,万秋兰,柴艳莉(1.江苏师范大学电气.T-程及自动化学院,江苏徐州221116;2.东南大学电气工程学院,江苏南京210096)摘要:广域测量系统的发展和应用为电压稳定性的在线监测奠定了基础。研究基于动态量测量的电压稳定性判别成为新的挑—战。在综合分析PV曲线和v-q曲线特性的基础上,解释了电力系统电压失稳的机理并提出了一种跟踪动态量测量的判断扰动后电力系统电压是否失稳的判据。所提判据依据扰动后母线电流、功率及有功和无功的变化规律判断电压是否失稳;该判据原理清晰,计算简捷。EPRI一36节点系统不同工况下数值仿真结果验证了所提判据的正确性和有效性。关键词:电压稳定;相量测量单元;电力系统;功率电流曲线;失稳判据Studyonvoltageinstabilitycriterionbasedondynamicmeasurement—MAZhao-xing,LIHong-mei,WANQiu-lan,CHAIYanli(1.SchoolofElectricalEngineering&Automation,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116,China;2.SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)—Abstract:ThedevelopmentandapplicationsofwideareameasurementsystemprovidegreatpotentialforonlineassessmentofvoRagestabilityinpowersystem.Thestudyofvoltagestabilityisconsideredasnewchallengebasedondynamicmeasurement.—PowersystemvoltageinstabilitymechanismisexplainedbasedoncharacterofPVcurveandV-Qcurve,andthecriterionisgiventhatbeabletoestimatevoltageinstabilitybyfollowingdynamicmeasurement.Thecriterioncanbeusedtoestimatevoltageinstabilityaccordingtothebendofchangeofcurrent,power,activepowerandreactivepowerafterdisturbance.Moreover,thecfi ̄rionhasthecharactersofclearnessinprincipleandconvenienceinapplication.Efficiencyandcorrectnessofanalysismethodsandcriterionofvoltageinstabilitythatproposedinthispaperareverifiedwithnumericalsimul ̄ionexamplesunderdifferentconditions.ThisworkissupportedbyExcellentDoctorScientificResearchSupportProjectofJiangsuNormalUniversity(No.9212814103).Keywords:voRagestability;PMU;powersystem;power-currentcurve;instabilitycriterion中图分类号:TM72文献标识码:A———文章编号:16743415(2014)240030060引言近年来,欧美等国家多个大型电力系统相继发生的多起电压持续偏低、电压崩溃事件,电压稳定问题也逐渐成为国际电工学界关注的焦点,这也推动了该问题的研究,到目前为止已经取得了非常大的进展。电力系统的动态行为包含许多复杂的非线性机电振荡现象,其研究电压稳定的方法也是多种多样。就系统中电压失稳的判定问题的研究,许多学者提出了不同的理论和实际方法,但对该问题的研究仍然是开放性的。有些学者从负荷特性的角度问基金项目:江苏师范大学优秀博士科研支撑项目(9212814103)接或直接地研究电压稳定j;基于利亚普诺夫稳定理论,用分岔理论在平衡点处特征值来分析电压稳定是一种传统方法L2J,但该方法对扰动大小的应用有局限性。文献『4】讨论了分析电压稳定的静态、动态方法,并比较了在不同工况下动静态分析方法的结果;文献[5】用等值和求解奇异值来分析电压稳定,但需要求取关键的等效参数;文献[6】在PMU测量数据的基础上,给出了一种算法以探测电压不稳定;文献[7]用局部量测量估算电压稳定裕度;文献[81针对小扰动,基于分岔理论给出了电压失稳性分析方法。总体上,有些判据和分析方法或多或少会有应用上的局限性,难以适应实际系统的要求[9-。PMU技术在电力系统中的广泛应用,促进了在线监测系统的形成和发展【1J,尤其是近年来PMU马兆兴,等基于动态量测量的电压失稳性判据研究一31.技术的发展为在线数据的获得提供了可能。文献[171提出了基于母线处功率电流的变化判别电压是否失稳的判据。如何利用广域测量系统的数据对系统电压失稳L18J进行分析和监测具有非常重要的意义。文献[19】计及感应电动机负荷,提出了负荷母线的在线电压稳定指标。文献[20】基于局部相量测量,给出一种电压不稳定指标。—本文综合分析PV和v-Q曲线特性,解释了电力系统电压失稳的机理,并给出了一种判断扰动后电力系统电压是否失稳的判据。该判据依据扰动后母线电流、功率及有功和无功的变化规律判断电压是否失稳。EPRI一36节点系统在不同工况下的仿真结果验证了该判据的有效性。1电力系统电压稳定性分析根据国内外学者在电力系统电压稳定领域内的研究可知,电压稳定与负荷需求和系统向负荷节点供电能力之间的平衡有密切的关系。电压稳定性,是指系统在满足负荷功率需求的前提下,维持负荷电压在其容许范围内的能力。当系统具有这种能力时系统电压稳定,反之就是系统电压失稳。图1为电力系统戴维南等值功率传输图。图1简单交流电路模型Fig.1CircuitofsimpleACmodel—“”通常用P曲线鼻点处的极限功率值作为电压失稳点,它既缺乏稳定性理论的支持也无法解释电压失稳的并发过程。然而v-Q曲线特性却能解释电压失稳的并发过程,即越过V-Q曲线(见图4)的极限点后,无功功率随着电压的降低反而升高。9曲线特性支持了电压稳定主要是由于无功失衡而造成的解释。如果能证明P.V曲线与v-Q曲线同时达到极限点,那么用P-V曲线作为电压失稳的机理就可得到解释。以下的证明就是基于此出发点。证明:图1为电力系统戴维南等值电路。结合图1,线路阻抗表示如下:Rs+j=IZsle—yl/l一zs(1a)(1b)负荷阻抗表不为+j=[ZLle(1c)电源电压表示为=lEle(1d)负荷电压表示为=lUle(1e)负荷节点网络注入负荷点处有功功率和无功功率分别表示如下:coscrp+a-8一cosc2Q=sinc ̄o+a-8,一sin,将式(2)化简整理,得[P+U2s+争以式(3),建立函数:)=[P+等cos小Zs2sinrpH=。把式(4)化简,可以写成为关于U的二次多项式:∞f(U2)+(m](5)()十(尸+Q)z2=0由于U2>0,式(5)对应的解u值一定非负,所以含U的二次多项式图形应如图2所示,其中左图为二7欠曲线图形,右图为对应的P_V曲线。图2电压功率变化Fig.2Voltageandactivepower由式(5),据韦达定理,有△=6一4c=E一4Z:(Psin一QCOS)一f614EZs(Pcosrp+Qsin)式(6)大于零时,由解的存在性,式(5)对应的电力系统保护与控制存在两个解,分别为图3中A、B点,分别对应于P-V曲线上、低值解和高值解(图2右图中);若不断增大功率P、Q,式(6)的值也发生变化,直至为零,此时对应式(5)中的只有一个解,对应图2中C点。也有式(5)二次方程对称轴为E一2Z(Pcos(p+Qsinfa),则当功率参数P、O逐渐增大的过程中,对称轴逐渐左移,对应的高值解也逐渐降低。由以上分析,含【,的二次方程若存在二个解时,对应图2右侧图中的两个解;若仅存在一个解时,对应图2右侧图中一个解,此时A=b一4ac=0,由此解得电压值为—U2:E2-2PZScos—(a-2QZssin ̄af7、2式(71对应电压值则为P-V曲线的极限点对应电压值。由尸、Q分别为的隐函数,对式(4)求关于的偏导 ̄f(U)/OU,得01'UCOSaP2PU2U0————+・_———一I-cos++UZaUZ|Z—Qq-.U2s—in ̄o—aO+—2Q—U—sin一E2U:0(8)‘UZ,OUZ,IZ在式(7)对应状态时,相应值有OP/OU=O,由式(8)可得—2UPc—os(p++p+Zsz:~dU:——+2UQsin9一:0(9)zsOuZsz将式(7)的电压值代入式(9),可解得到在该状态下,当OP/OU=O时,是否也有bQ/bU=O。若在该状态下能解得OQ/OU=O,则曲线和Q曲线功率传输极限点对应的电压值相等;若在该状态下解得3Q/bU ̄O,则P-V曲线和Q曲线功率传输极限点对应的电压值并不相等。把式(7)代入式(9),解得a%,=0(10)由式0o)结果得到,在相应状态下,有3P/OU=O时,当且仅当OQ/OU=O。由此证得当bP/bU=O时,也有aQ/aU=O,即P一曲线和Q曲线功率传输极限点对应的电压值相等。证毕。图3给出了相应于图1的母线电压、电流和功率的变化关系。在功率极限点的左侧,负荷通过增大电流提高功率,此时位于电压稳定区域;功率越过极限点,情况与之相反,负荷电流增大获得功率反而减小,电压不断下降,此时位于不稳定区域。图3母线电压、电流和功率的变化关系Fig.3Relationofloadvoltage,currentandpower上述分析是以曲线为基础,然而造成电压崩溃的并发过程利用P一曲线目前还难以解释。综合考虑曲线(图3)和Q曲线(图4)的特性,可得到比较完整的电压失稳解释:当电力系统有功越过极限功率点后,电压不断下降,当电压的下降值越过无功功率极限点后致使无功不断上升,于是电压进一步下降导致无功负荷更为上升,这样形成了恶性反馈,最终导致电压失稳直至崩溃。因此在有功越过功率极限点的同时其电压下降越过无功的极限点,本节已证明有功和无功是同时到达极限点。导致电压即失稳乃至崩溃。综合P_和Q曲线的特性可以解释电压失稳的并发过程。图4z-O曲线Fig.4v-Ocurve2电压失稳性判据分析本节基于大量电压失稳仿真算例发现,在失稳过程中,不仅母线电压、功率不断下降、电流不断上升,其变化完全遵循图3的各曲线变化规律,同时,在此期间无功功率却随电压下降而不断上升。基于上述电压失稳过程中物理量变化规律的分析,因此识别电压失稳的母线量测量主要有:电压、电流、有功和无功。在判据中,无功和有功的变化—可用它们的比值反映即tan ̄0。由于PV曲线和v-0曲线反映的都是静态特性,而电压失稳是一个动态过程。在动态过程中,受扰动和自动装置动作的影马兆兴,等基于动态量测量的电压失稳性判据研究.33.响,功率曲线将会发生跳变。为了计及这一影响,因此考虑判据的启用应在扰动结束和自动装置动作后,本节将避开时间设定在0.25S,即扰动后0.25S开始采集判据的量测量。本节给出电压失稳判据为判据:扰动结束0.25S后,根据监测或计算得到的电流、功率等各量满足关系式:一Ik>&一+1>&taIl+1一tan>£,并持续时间大于或等于0.1S;则电压失稳。s为一个非常小的正数,可以取z=0.001。上述判据更能反映电压失稳的机理而不需人为设置电压门槛值。3数值仿真分析以8机EPRI.36节点系统为例进行仿真以验证本节所提出的判据。在仿真中,负荷为恒阻抗和动态负荷相结合。仿真系统如图5所示。图536节点系统简图Fig.536・nodesimplediagram算例1。扰动为系统重载,在1S时减小2号和5号机80%出力,负荷为60%感应电动机和40%恒阻抗负荷。仿真结果表明,在该扰动下用本节判据判断电压不稳定的母线有:16、18、19、20、21、23、29、50、52。现选取不稳定和稳定的两种不同情况的母线电流、功率、tango和电压时域响应曲线变化分别如图6、图7所示。在图6中,母线20在1.25S后判据启用,电流上升,有功功率下降,其tan9相应增加,符合判据,在1.35S即可判定电压发生失稳,此时电压为0.7519P.U。该判据比用电压门槛值的判据能更早地判断电压失稳。由图7,发电机减小出力1.25S后判据启用,电流上升,有功功率也上升,不满足判据条件,该母线不会发生电压失稳。其电压时域响应曲线也表明,经过小幅且短暂的电压下降后又回升到较高水平,没有发生电压失稳,验证了电压保持稳定。J电流l.,。一———_一tanD一—]—-l’■=一/\j==:球一一一二=l…’●●・t一t_¨●●。个无身功率有功功率0l25246810t/s图6母线2O电压不稳定情况的曲线变化Fig.6Voltageinstabilitycurveatbus20~l一-电流jff确;璋—1{I一一_一一…ll无:自功率一-.…….i{ll电压tango—L…-._.}I-・一。.lI算例2。扰动故障为1S时12.26联络线断线,负荷为40%感应电动机和60%恒阻抗负荷。仿真结果表明,在该扰动下用本节判据判断电压不稳定的母线有:16、17、18、19、20、23、25、26、29、50。现选取不稳定和稳定的两种不同情况的母线电流、功率、tantp和电压时域响应曲线变化分别示如图8、图9所示。在图8中,系统断线扰动发生后0.25s启用判据,均不满足判据条件,母线电压稳定。其中在随后时间里的电压时域响应曲线也验证了电压保持稳定,没有失稳。在图9中,母线20在1.25s后启用判据,出现电流上升、有功功率下降、tan增加时间持续超过0.1S,符合判据,在1.35S时即可判定母线电压失稳,此时电压为0.791P.uo可见文中判据能够及早地判断出电压失稳。5O5O5O3322Tr蚕..34.电力系统保护与控制垦。】主鲁墨I电流1...。一.jL一.卜t功功率无功功率tan电压I●I图8母线9电压稳定情况曲线变化Fig.8Voltagestabilitycurveatbus9{;j一,L…Jj路蒲一:》一,一~……一—..————,———.———————一————..一一一i;—警,-一一“’‘。-~-.~..,。/。…。……………—’l::__-1……~……l}…rl:;_无挈警存砖功搬一……一一…—s图9母线20电压不稳定情况曲线变化Fig.9Voltageinstabilitycurveatbus20大量仿真结果表明,本文所提用于电压失稳与否的判据对于受端母线的稳定性判别具有很好的鲁棒性。对于发电机出口母线和靠近发电机的送端母线,符合失稳判据条件情况时其母线电压都比受端母线高。这完全符合电力系统中电压的分布规律,也表明电压稳定是有界稳定的特性。电力系统的电压稳定监视和控制主要是面向受端母线和系统的中枢母线。故本文判据可胜任这一任务。4结论在小系统中,研究了电压失稳性问题及判据,根据理论分析和仿真算例,得到以下结论:—1基于PV曲线和Q曲线特性的综合分析,解释了电力系统电压失稳的机理。21本文提出了跟踪动态测量的判断扰动后电力系统电压是否失稳的判据,即依据扰动后母线电流、功率及有功和无功的变化规律判断电压是否失稳,该判据原理清晰,易于应用。31文中所提判据不依赖人为设定电压门槛值,使判据的机理性更强,并能及早判断电力系统电压的稳定性,仿真算例验证了该判据的有效性。本文研究内容目前还基于仿真数据,面向PMU采集的实际系统数据,该判据还需进行完善,如避开扰动的合理时间、判据满足的持续时间等问题需进一步研究。参考文献[1]李欣然,贺仁睦,章健,等.负荷特性对电力系统静态电压稳定性的影响及静态电压稳定性广义实用判据【J】.中国电机工程学报,1999,19(4):1-10.—LIXin-rail,HERenmu,ZHANGJian,eta1.Effectof—loadcharateristicsonpowersystemsteadstatevoltagestabilityandthepracticalcriterionofvoltagestability[J1.ProceedingsoftheCSEE,1999,19(4):1-10.[2]马兆兴,万秋兰,李洪美.考虑极限诱导分岔的电压稳定研究【J].电力系统保护与控制,2011,39(20):1-7.—MAZhaoxing,WANQiu-lan,LIHong-mei.ResearchonvoRagestabilityanalysisoflimitinducedbifurcation[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(20):1-7.[3]曹国云,王冲,陈陈.中心流形方法降维分析电压崩溃中的Fold分岔[J].中国电机工程学报,2002,22(7):40.43.CAOGuo-yun,WANGChong,CHENChen.CentermanifordmethodtosimplifytheanalysisofFoldbifurcationassociatedwithvoltagecollapse[J].—ProceedingsoftheCSEE,2002,22(7):4043.[4]MORISONGK,GAOB,KUNDURRVoltagestabilityanalysisusingstaticanddynamicapproaches[J].IEEETransonPowerSystems,1993,8(3):1159-1171.[5]李兴源,王秀英.基于静态等值和奇异值分解的快速电压稳定性分析方法[J].中国电机工程学报,2003,23(4):1-4.LIXing-yuan,WANGXiu-ying.Fastvokagestabilityanalysismethodsbasedonstaticequivalenceandsingularvalueresolution[J].ProceedingsoftheCSEE,2003,23(4):1-4.[6]CORSIS,TARANTOGN.Areal-timevoltageinstabilityidentificationalgorithmbasedonlocalphasormeasurements[J].IEEETransonPowerSystems,2008,—23(3):12711279.[7]VUK,BEGOVICMM,NOVOSELD,eta1.Useoflocalmeaurementstoestimatevoltagestabilitymargin[J].—IEEETransonPowerSystems,1999,l4(8):10291035.[8]马兆兴,陈吴,万秋兰.计及STATCOM容量约束的电压失稳性分析【J】.中国电机工程学报,2013,33(28):88.93.——MAZhaoxing,CHENHao,WANQiulan.Analysison.voRageinstabilityconsideringSTATCOMcapacityconstraint[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(28):88.93.马兆兴,等基于动态量测量的电压失稳性判据研究一35一[9]段俊东,郭志忠.~种可在线确定电压稳定运行范围—的方法[J】.中国电机工程学报,2006,26(4):113117.—DUANJun.dong,GUOZhizhong.AnewmethodforOn.1inedeterminationofthecapabilitycurvesofvoltagestabilit—y[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(4):113117.[10]丁涛,董柏峰,顾伟,等.基于PMU的电压稳定动态线性化指标优化切负荷算法[J].电力系统保护与控制,2013,41(9):27-33.—DINGTao,DONGBofeng,GUWei,eta1.OptimizationofaloadsheddingschemeusingdynamicvoltagestabilitylinearizedindexbasedonPMU[J].Power—SystemProtectionandControl,2013,41(9):2733.[11]GLAVICM.VANCUTSEMWide.areadetectionofvoltageinstabilityfromsynchronizedphasormeasurements[J].IEEETransonPowerSystems,2009,—24(3):14081416.[12]张学清,梁军,刘道伟,等.基于信号能力综合指数的电网电压稳定性能研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(12):88-94.—ZHANGXue-qing,LIANGJun,LIUDaowei,eta1.Studyofpowergridvoltagestabilitybasedonsignalenergyaggregateindex[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(12):88-94.—[13]MILOSEVICB,BEGOVICM.Voltagestatility—protectionandcontrolusingawideareanetworkofphasormeasurements[J].IEEETransonPowerSystems,2003,18(1):121-127.L143VERBICGGUBINAFAnewconceptof—voltagecollapseprotectionbasedonlocalphasors[J].IEEETransonPowerDelivery,2004,19(21:576.581.[15]干磊,康河文,何敏。基于广域测量系统的电压稳定动态监测【J1.电力系统保护与控制,2010,38(21):152.156.GANLei,KANGHe-wen,HEMin.Thedynamicmonitoringofvoltagestabilitybasedonwide・areameasurementsystem[J].PowerSystemProtectionand—Control,2010,38(21):152156.[16]刘道伟,谢小荣,穆钢,等.基于同步相量测量的电力系统在线电压稳定指标[J].中国电机工程学报,2005,—25(1):1317.LIUDao-wei,XIEXiao-rong,MUGang,eta1.An—onlinevoltagestabilityindexofpowersystembasedonsynchronizedphasormeasurement[J].Proceedingsofthe—CSEE,2005,25(1):1317.[17]汤涌,易俊,孙华东,等.基于功率电流变化关系的电压失稳判别方法【J】.中国电机工程学报,2010,30(28):7-11.TANGYong,YIJun,SUNHua-dong,eta1.Voltageinstabilitycriterionbasedonvarimionrelationshipofpowerandcurrent[J].ProceedingsoftheCSEE,2010,30(28):7-11.[18]卡森,武尔勒斯.电力系统电压稳定性[MI.王奔,译北京:电子工业出版社,2008:14-27.CUTSEMTVVOURMASC.Voltagestabilityofelectricpowersystems[M].WANGBen,Trans.Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008:14-27.[19]孙华东,周孝信.计及感应电动机负荷的电力系统在线电压稳定指标[J].中国电机工程学报,2006,26(6):1.6.—SUNHuadong,ZHOUXiao-xin.Anon-linevoltagestabilityindexofpowersystemconsideringinductionmotorloads[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(6):1.6.[20]CORSIS,TARANTOGN.Areal-timevoltageinstabilityidentificationalgorithmbasedonlocalphasormeasurements[J].IEEETransonPowerSystems,2008,23f3):1271-1279.收稿151期:2014-03-11;—修回Et期:2014-0506作者简介:马兆兴(1982-),男,通信作者,博士,讲师,主要研究方向为电力系统电压稳定性及无功控制研究:E.mail:zhaoxingma@sina.com李洪美(1969一),女,博士研究生,讲师,主要研究方向为电力系统稳定性分析:万秋兰(1950一),女,教授,博导,主要研究方向为电力系统规划、运行及控制。
陌南尘
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