暂态能量在高压网络中的散播.pdf

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第39卷第l1期2011年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_01.39NO.11Jan.1,2011暂态能量在高压网络中的散播孟祥侠,蔡国伟(1.华北科技学院机电工程系,北京101601;2.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012)摘要:通过分析单机无穷大系统失稳时网络中不同部位支路相角差及暂态能量的分布变化特点,指出暂态能量最易在失稳的群间联络线中部或其附近的某一范围内聚积。对多机系统网络,基于网络参数、利用耦合的思想识别网络中的脆弱环节,并进一步揭示网络结构脆弱性与暂态能量分布的关系。研究结果表明:在系统受扰动后的变化过程中,暂态能量越来越多地聚积到网络中脆弱环节的中部或其附近的某一范围内。对6机系统进行仿真分析,验证了所提方法的有效性。关键词:支路相角差;暂态能量;网络;耦合;脆弱环节;散播SpreadoftransientenergyinhighvoltagenetworkMENGXiang.xia,CAIGuo.wei(1.MehchanicalandElectricalEngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing101601,China;2ElectricalEngineeringCollege,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)Abstraet:Byanalyzingthechangefeatureofbranchphase-angledifferenceandtransientenerdistributionindifferentlOCations—ofnetworkintimeofonemachineinfinitesystemlosingstability,itiSpointedoutthattransientenerg、,ismostliabletoaccumulateinthemiddlepartoflinesbetweengroupsorwitllinacertainrangeinthevicinity.Formulti.machinessystemnetwork.basedonnetworkparameter,bymeansofcouplingthinking,vulnerabilitylocationinnetworkiSidentified,therelationbetweennetworkstructurevulnerabilityandtransientenerdistributioniSfurtherrevealed.Theresultsshowthatduringsystemdisturbance,moreandmoretransientenergywouldaccumulateinthemiddlepartofvulnerabilitylocationinnetworkorvicinity.Simulationandanalysison6machinessystemtestifythevalidationoftheproposedmethod.Keywords:branchphase-angledifference;transientenergy;network;coupling;vulnerabilitylocation;spread中图分类号:TM71文献标识码:A—文章编号:16743415(2011)11-0027.060引言从直接法[1-3]的概念可知,当电力系统受到大扰动(如短路、重合于故障、切除线路或机组等)之后,必将有大量的暂态能量向系统中注入,系统的暂态稳定性】主要取决于发电机的动能能否完全转化为系统的势能,即能否被系统的增广网络所吸收,如能完全吸收则系统将是稳定的;反之系统将失去稳定。因此系统是否稳定以及稳定程度如何必将能通过暂态势能在网络中的分布变化规律得以体现。从网络入手研究电力系统的暂态稳定性问题最早始于八十年代初,1981年,Bergen和Hill在文献[7】中利用网络元件的联接强弱定义了割集的脆弱性指标,但此文对输电网络本身固有的分区分层的结构特点没有深入的认识。文献[8】利用状态变量的耦合强弱对电力系统进行了动态分割,此方法的提出有助于深入理解网络本身固有的分区分层的结构特点,但此文未能从整体揭示网络结构脆弱性与系统暂态稳定性的关系。文献[9.12] ̄U用支路势能法,通过分析故障后支路势能在网络中的分布变化特点“”识别网络中的危险断面,但此方法必须依赖全系统的仿真计算。本文通过分析单机无穷大系统失稳时网络中不同部位支路相角差及暂态能量的分布变化特点,指出暂态能量最易在失稳的群间联络线中部或其附近的某一范围内聚积。对于多机系统网络,基于网络参数、利用耦合的思想识别网络中的脆弱环节,并进一步揭示网络结构脆弱性与暂态能量分布的关系。1单机无穷大系统失稳时支路相角差及暂态势能变化特点1.1系统失稳时支路相角差变化特点为了分析方便,假定系统失稳呈现为两群振荡,此时可将其近似等值为单机无穷大系统。对图1(a)孟祥侠,等暂态能量在高压网络中的散播.29.2暂态能量在多机系统网络中的散播2.1基于网络参数的脆弱环节的识别一个描述网络的n阶导纳阵y及其逆阵l,~=Z有相对应的元,它们的联系通常表达了节点间耦合的强弱。任取y阵元,与I,阵元),这一对对应元,如图3(a)所示,用图论的观点对其进行分析,边权=(一1)州Aji(2)方向为由J指向i,其中A是I,阵的行列式,A是∥A去掉行f列的子行列式;边权方向为由i指向J,其一阶循环积gf=Yf・(3)可用来衡量节点i和的耦合程度,并对应矩阵G的行f列,矩阵G即为导纳阵Y的耦合矩阵引。yq"a寓(a)节点f与,的耦合=∑∑i=1J=+l(b)子系统a与b的耦合图3相互耦合的两节点及两子系统Fig-3Couplingoftwonodesandtwosubsystems对于一个具有n台发电机构成的系统,任选一个割集,假定此割集将系统分为m和一m台发电机组成的予系统a和b,如图3(b)所示,那么子系统a与b之间的耦合强弱可以用来衡量,并定义为子系统a、b之间的割集权系数,值小,子系统a和b耦合弱,值大,a和b耦合强。因此,可以对系统中各相邻发电机进行优化组合,计算每次组合后两子系统间的割集权系数,并将所有的由小到大排序,小者为网络中相对脆弱的环节。由于从稳定分析的观点,主要对系统中各台发电机的转子角随时间变化的函数感兴趣,因此,使用只保留发电机内节点的割集权系数分析系统稳定性是合理的,它虽然掩盖了网络的拓扑性质,但“从宏观上可快速地识别出制约系统暂态稳定的瓶”颈环节。2.2多机系统网络中暂态能量的散播对于一个具有台发电机的系统,任取两个割集,此两割集将系统划分成a、b、C三个子系统,如图4(a)。假定割集权系数<。,那么子系统a、b之间的耦合较b、C之间的耦合弱,意味着子系统a、b之间的等值电抗>Xb。,其等值电路如图4(b)。对于高压输电网,其所能传输的有功功率可以..表示为=sin。假定==,那么,当传输的有功=Pcb时,由于>Xb。,所以>,亦即子系统a、b之间拉开的角度较c、b大,如图4(c),相对应地a、b间功角特性曲线较C、b间的低,如图4(d)中、所示。由此可以看出,在正常稳态运行情况下,位于脆弱部位的割集ab所对应的功角特性曲线本身就低。(a)子系统问的耦合(b)等值电路.ju鼗\、、Ub/0。(C)ab、bc*HJ ̄差及备节点电压图4相互耦合的三子系统状态量变化特征及暂态势能分布Fig.4Statevariableschangefeatureofthreecouplingsubsystemsanddistributionoftransientpotentialenergy以处于脆弱割集ab中间部位的支路2.3及处于割集bc同样部位的支路4.5为例,当系统发生扰动使各支路相角差逐渐增大的过程中,假定传输的有功仍为=,那么sin氏/sin ̄。=/。,意味着a、b之间拉开的总角度始终较b、c大,而且增加的幅度较大,这就导致脆弱割集ab中间部。∑一.,∑=.30.电力系统保护与控制—位的支路23电压降低的幅度远较支路4.5大,相对应地,支路2.3功角特性曲线降低的幅度也远较支路4.5大。当功率由增加为时,位于脆弱环节中部的支路2.3承担的暂态势能,就多,而支路4.5承担的暂态势能S却小得多。若进一步增加故障,而使支路2.3运行曲线上的点越过H(90。)点继续增加时,支路4.5承担的势能开始减小,而支路2.3承担的势能,却始终增大,并承担系统其余的暂态势能,对应地支路2.3拉开的角度也将继续增大超过180。且趋于无界,即系统失稳表现为在此支“”“”路撕裂,此支路构成的割集即为临界割集。当然,系统的暂态稳定性不仅仅取决于网络拓扑结构和参数,还与故障类型、故障位置、发电机的转动惯量以及初始潮流等多种因素有关,但是网络参数和结构对系统的暂态稳定性起支配的作用,“”系统失稳沿网络中哪个割集撕裂与网络拓扑结构和参数有较强的相关性。而对于故障类型、故障位置、发电机的转动惯量以及初始潮流等因素可以看作是对网络的激励,激励的大小变化可以是随机的,但其散播却依赖于网络的拓扑结构和参数。从控制角度考虑,可以将多机系统网络本身看作为系统的传递函数G),而所有其他因素均可以看作是对网络的输入和干扰。3算例与分析以6机25节点系统为算例,表1给出了6机系统部分割集权系数的大小。时域仿真采用中国电科院研制的综合程序(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage,PSASP)。表16机系统部分割集权系数Tab.1Partialcut-setweightcoefficient%bin6machinesystem在给定的潮流方式下,1号发电机出口发生三相瞬时性故障,故障切除时间为0.22S时各发电机间转子摇摆曲线示于图5,系统呈现为{1)、{2)、{3,4,5,6}三群失稳的模式。其部分支路两端相角差变化曲线如图6所示,其中支路8.22、9.22、23.24构成的割集,其支路两端相角差变化幅度最大,超过180。且趋于无界;支路7.8、7-9构成的割集其支路两端相角差变化幅度次之:而所有其它支路两端相角差均在有界的范围内变化,最大值不超过90。,即系统失稳发生割集{7.8、7-9} ̄I1f8.22、9.22、23.24}处,如图7所示。为了不失一般性,表2给出了不同故障位置系统呈现出的失稳模式。s图5发电机间转子摇摆曲线Fig.5RotorswingCHIVESbetweenmachines1O5O020一O2×l04i[XlO4匝——————————————20r]o{20I..................-.............................._J。。2。lO0————L————————24J6_o2从左到右、从上到下的顺序依次为支路7-8、7-9、8-22、——9-22、2324、1123、1224、16-20、1921、13-25的相角差变化曲线图66机系统失稳时部分支路两端相角差变化—Fig.6Thechangeofpartialbranchphaseangledifferenceintime6machinessystemlosingstability图76机系统的临界割集—Fig.7Criticalcutsetof6machinessystem孟祥侠,等暂态能量在高压网络中的散播由表2可以看出,尽管大部分的故障并未发生在支路8.22、9.22、23.24或支路7.8、7-9构成的临界割集或其附近的割集上,但都导致系统在此两“”“个割集处撕裂。之所以在网络中有系统在此处”发生故障,而在彼处的割集被撕裂,并导致系统失稳的现象产生,在一定程度上是受网络结构和参数的制约。由表1割集权系数的大小可以看出,在机群{1)与{2,3,4,5,6)之间割集权系数最小,为0.0052;机群{1,2)与{3,4,5,6}之间割集权系数次之,为0.0065928,说明{l}与其剩余机群、{1,2)与其剩余机群之间联系相对较弱,这两个部位为网络上相对脆弱的环节,暂态能量在此两个脆弱环节的分布相对较多。而割集{7.8、7.9}和{8.22、9.22、23-24}在结构上又分别处在两个脆弱环节的中部,暂态能量最易在此两个部位聚积,因此在系统受到扰动后,最易在此两个环节失稳。表26机系统不同故障位置的失稳模式Tab.2Thelosingstabilitymodesfordifferentfaultlocationin6machinessystem4结论通过分析单机无穷大系统失稳时网络中不同部位支路相角差及暂态能量的分布变化特点,指出暂态能量最易在失稳的群间联络线中部或其附近的某一范围内聚积。对于复杂的多机系统网络,基于网络参数、利用耦合的思想识别网络本身固有的脆弱环节,并得出暂态能量在网络中的分布变化规律:在系统受扰动后的变化过程中,暂态能量越来越多地聚积到网络中脆弱环节的中部或其附近的某一范围内。暂态能量在网络中的分布变化规律有助于进一步理解电力系统暂态稳定的内在机理,为失步解列装置在电力系统中的选址或信号检测提供了一定的依据,同时也为监测、控制系统在网络中的合理布点提供新思路。参考文献[1]倪以信,陈寿孙,张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M】.北京:清华大学出版社,2002.—NIYixin,CHENShou-Still,ZHANGBao・lin.Theoryandanalysisofdynamicpowersystem[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress,2002.[2]徐英,夏世威,毛安家,等.基于WAMS预测轨迹的IEEAC等值[J】.电力系统保护与控制,2010,38(4):31.34.XUYing,XIAShi-wei,MAOAn_jia,etai.IEEACm 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