基于扩展等面积准则的动态等值方法

基于扩展等面积准则的动态等值方法

0动态等价法在主要地区，互联电网的形成对能源系统、稳定和可靠运行带来了新的课题。为减轻系统暂态稳定仿真负担和快速掌握系统动态特征,在对大规模互联电力系统进行在线实时动态安全性评估和预防控制决策中,动态等值方法具有重要的意义。目前,动态等值方法主要有同调等值法、模式等值法和估计等值法。传统的估计等值法往往将外部系统等值成一台发电机,利用现场测量或离线仿真数据辨识等值机参数,精度较低。SIEMENS公司NETOMAC程序采用的是改进的估计等值法,NETOMAC程序所做的动态等值实际上是静态网络化简加上动态辨识和优化(最小二乘原理)的方法,与传统的估计等值法相比,在外部系统模型及参数的选择上又有了很大的改进。文献将神经网络建模引入动态等值,经过正确训练的神经网络则是最终的等值模型,神经网络的结构和参数(权值、阈值)决定了等值模型的结构和参数,因此,这种方法的关键就是要选择好参数和结构及正确的输入、输出信号。估计等值法虽然在理论方面有其在线应用的优势,但是在测量手段、估计准确度等方面还存在一些问题,尤其是利用随机小扰动下的辨识结果应用于预想大扰动故障下的系统等值所带来的精度问题,阻碍了该方法在在线系统中的应用。同调等值法因其物理概念清晰、方法成熟、精度良好,并可直接用于暂态稳定分析,因此在实际系统中得到了广泛的应用。然而,传统的同调等值法往往是人为地凭经验去划分外部系统,如何动态划分研究系统却鲜有研究。本文提出一种新的动态等值方案,能根据扩展等面积准则(EEAC)法提供的主导分群模式以及发电机参与因子来动态划分研究系统。1主模式与参与因素1.1危险的映射模式tm当研究多刚体受扰运动的轨迹稳定性时,需要在其全部映象摆次的轨迹稳定裕度中,按最小准则来定义最危险的映象和最危险的摆次。称最危险的映象摆次即最早到达其动态鞍点(DSP)的映象摆次为轨迹主导模式或简称为轨迹模式(TM),并记为TM:{主导群,主导摆次}。其中,主导群是最容易失稳的映象(主导映象)上的领前群,而主导摆次则是主导映象所有映象摆次中轨迹稳定裕度最小者。TM反映了受扰轨迹中最容易失稳的方式和时间段,是描述多刚体受扰轨迹的重要特征;每组多刚体受扰轨迹有且仅有一个主导映象和一个TM。1.2发电机参与因子针对预想故障进行时域仿真计算,经EEAC分析得到暂态功角稳定的量化信息,包括发电机分群(临界机群和余下群)、裕度和摆次等信息。若稳定裕度小于0,对于临界群发电机,计算受扰轨迹经过DSP时临界群中各台发电机的加速动能,以临界群中发电机加速动能的最大值作为基准,把临界群中各台发电机的加速动能与该基准值的比值作为各台发电机的参与因子;对于余下群发电机,计算受扰轨迹经过DSP时余下群中各台发电机的减速动能,同样以临界群中发电机加速动能的最大值作为基准,把余下群中各台发电机的减速动能与该基准值的比值的相反数作为各台发电机的参与因子;若稳定裕度不小于0,对于临界群发电机,首先要确定受扰轨迹在稳定模式中给出的摆次中,临界群等值发电机的加速动能达到最大值的时刻,以该时刻临界群中发电机加速动能的最大值作为基准,把临界群中各台发电机该时刻的加速动能与该基准值的比值作为各台发电机的参与因子;对于余下群发电机,同样以该时刻临界群中发电机加速动能的最大值作为基准,把余下群中各台发电机该时刻的减速动能与该基准值的比值的相反数作为各台发电机的参与因子。2等式2.1研究系统划分传统的等值方案一般按行政范围或地理位置人为地确定研究区域,掺杂了过多的经验成分。如何按拓扑、工况、扰动以及发电机参数去动态划分研究区域显得很有必要,而这方面却鲜有研究。本文按故障后发电机分群情况及发电机参与因子来确定研究系统。对研究系统的划分采用如下原则:1)将故障下的EEAC主导模式中临界群所有发电机和余下群中参与因子大于设定值的发电机筛选出来,并确定与这些发电机电气距离小的节点。2)将上述筛选出来的发电机和节点归为研究系统,余下电网归为待等值的外部系统。2.2发电机同区域限制本文仅对该故障下外部系统发电机采用下式进行同调识别:式中:τ可取1s~3s,ε可取5°~10°。在实际等值过程中,可作区域限制,即只允许同一区域的发电机同调聚合。在同调划分中有时对等值后的发电机数也有限制。2.3关于相关论述的简述同调母线合并和网络化简方案在不少文献中都有相关论述,此处从略。本文网络化简采用电流沟简化(CSR)法,该方法考虑了非线性负荷影响,使动态误差尽可能小。2.4基于加权平均法的励磁聚合传统聚合算法主要有频域法和加权法。频域法需要特定输入信号作用来迭代拟合最小二乘解,费时较多且存在收敛性问题。本文采用加权平均法对同调发电机模型和参数进行聚合。加权平均法是一种经典的聚合方法,具有简单、快速的优点。其中励磁聚合模型采用如图1所示的简化三阶模型。对于包含有汽轮发电机组和水轮发电机组的同调机群,当难以用一个单一的机组聚合时,可对水、火机组分别聚合成2个发电单元,挂在同一等值母线上。3暂态稳定分析以往采用摇摆曲线来评估动态等值效果,因往往仅针对研究系统中的某台或某几台发电机摇摆曲线来比较等值前后的差异,而不能对系统中所有的发电机来进行评估,使得无法从宏观上来评估等值的效果。在暂态稳定分析中常用到稳定裕度的概念。稳定裕度的优点是提供了系统大范围的动态信息,是在线动态安全稳定分析最重要的指标。因此,可以通过比较等值前后的稳定裕度来评估动态等值的效果。EEAC是目前为止唯一得到实践检验的暂态稳定量化分析方法。它给出的主导模式以及各摆暂态稳定裕度可以定量评估系统的动态特性。若等值前后系统的主导模式基本不变且暂态稳定的裕度变化不大,则可以认为动态等值的精度满足工程要求。本文采用下式来评价等值效果:式中:N为摇摆总次数;ηoi为原系统第i次摇摆裕度;ηieq为等值系统第i次摇摆裕度。4机组内各因子的关系采用华东电网2008年网架结构,网内省际之间均为500kV联络线,其中安徽电网通过当涂—东善桥双回线、当涂—惠泉双回线向江苏送电,通过河沥—富阳双回线、敬亭—瓶窑单回线向浙江送电。考察故障为安徽电网内部500kV母线肥西0.2s三相短路故障,等值流程见图2。1)利用FASTEST软件对系统进行仿真,得到发电机分群及参与因子。2)利用灵敏度计算程序得到与保留发电机电气距离近的节点。根据保留发电机和节点的分布,确定最终研究系统。通过附录A表A1可知,主导群机组为安徽电网内部40台发电机,在实际等值时,确定的研究系统为安徽电网、余下群中保留机组以及与保留机组电气距离近的节点。最终外部系统共划分为55个同调群,其中浙江分成16群、江苏分成24群、福建分成5群、上海分成10群。暂态电压安全监视节点为研究系统内电压等级大于220kV的所有节点,暂态电压安全二元表为(0.75,1.0s);暂态频率安全监视节点为研究系统内所有发电机节点,暂态频率安全二元表为(49.0Hz,0.2s)。表1分别对比了等值前后原系统与等值系统的暂态功角稳定裕度、电压安全裕度和频率安全裕度。其中,εs为保留的余下群参与因子阈值:εs=1.0表示不保留余下群中机组生成的等值系统;εs=0.8表示保留余下群中参与因子绝对值大于0.8的机组生成的等值系统;εs=0.5表示保留余下群中参与因子绝对值大于0.5的机组生成的等值系统。余下群中发电机参与因子大于0.8的机组共有12台,分别是上海外高桥2厂5号和6号机组、江苏田湾核电1号和2号机组、浙江玉环1号和2号机组、江苏泰州电厂1号和2号机组、浙江秦山3厂1号和2号机组、浙江秦山2厂1号和2号机组,占机组总数的3%;参与因子大于0.5的机组共有14台,除上述12台机组外,还有石洞口2厂1号和2号机组,占机组总数的3.5%。从表1可知,等值的过程中仅仅保留少量余下群中参与因子大的机组就能较好地改善等值精度。附录A表A1对比了等值前后主导群参与因子,可知当εs取0.8和0.5时等值系统与原系统差别非常小。从表2和表3可以看出,在等值过程中,保留少量参与因子大的发电机,同时保留少量与这些发电机电气距离联系紧密的节点,可以很好地改善等值精度。图3~图5对比了等值前后发电机节点APW01(平圩)、AHB04(淮北)和AMAS11(马鞍山)的发电机摇摆曲线(参考ASUZ1(宿州)),这3台发电机分别位于安徽电网内故障节点附近、稍远和联络线附近。图中,等值后1表示εs取1.0,等2εs0.8,3εs0.5。图中可以看出,这些发电机在等值前后的摇摆曲线差异比较小,能够满足等值精度。5发电机动态等价法本文根据EEAC理论,提出