基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法，首先對系統(tǒng)進行故障的時域掃描，通過事故嚴重性分析計算出每種故障的嚴重性指標，并依據(jù)指標大小進行降序排序，篩選出影響電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵故障集合；通過節(jié)點脆弱性分析計算電網(wǎng)中各節(jié)點的脆弱性指標，并依據(jù)指標大小進行降序排序，并篩選出脆弱節(jié)點集合作為待補償節(jié)點集合；選取固定且相等的無功補償容量，分別在各個待補償節(jié)點安裝動態(tài)無功補償裝置；計算出各個待補償節(jié)點的電壓回復(fù)指標Rc；根據(jù)節(jié)點電壓回復(fù)指標Rc，對待選安裝節(jié)點進行排序。本發(fā)明的有益效果是能夠選擇出最優(yōu)的動態(tài)無功補償節(jié)點，可以迅速提升節(jié)點電壓，減小故障清除后節(jié)點暫態(tài)電壓回復(fù)時間。
【專利說明】
基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點 選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力系統(tǒng)的日趨復(fù)雜和負荷水平的快速增長，電壓穩(wěn)定問題受到了越來越多 的關(guān)注。與傳統(tǒng)無功補償設(shè)備相比，動態(tài)無功補償裝置具有快速響應(yīng)特性，可以有效提高系 統(tǒng)的動態(tài)無功儲備，改善系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。而選擇合適的安裝地點是充分發(fā)揮動態(tài) 無功補償裝置作用的前提條件，具有重要的實際意義。
[0003] 目前配置動態(tài)無功補償裝置基本依據(jù)一定的判別指標，主要包括:阻抗模裕度指 標和軌跡靈敏度指標等。阻抗模裕度指標的思想是實時跟蹤負荷節(jié)點的動態(tài)等值參數(shù)和阻 抗模裕度，通過動態(tài)的指標橫向比較搜索系統(tǒng)動態(tài)無功補償裝置配置位置;軌跡靈敏度指 標的思想是根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點電壓關(guān)于節(jié)點注入無功功率的軌跡靈敏度確定最優(yōu)的安裝位置。
[0004] 目前配置動態(tài)無功補償裝置是維持電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定、保證系統(tǒng)暫態(tài)安全性的有 效手段之一，但是由于動態(tài)無功補償裝置的造價昂貴，不可能大量配置，因此補償節(jié)點的選 擇一直是研究熱點。現(xiàn)有技術(shù)在選擇補償節(jié)點時僅考慮了動態(tài)無功補償裝置對電壓幅值的 提升效果，并不能體現(xiàn)動態(tài)無功補償裝置的補償特性，不能減小暫態(tài)時域仿真的范圍，無法 選擇出最優(yōu)的動態(tài)無功補償節(jié)點，因此不能有效縮短低電壓持續(xù)時間和電壓回復(fù)時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方 法，解決了現(xiàn)有技術(shù)在選擇補償節(jié)點時僅考慮了動態(tài)無功補償裝置對電壓幅值的提升效 果，無法選擇出最優(yōu)的動態(tài)無功補償節(jié)點，因此不能有效縮短低電壓持續(xù)時間和電壓回復(fù) 時間的問題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進行：
[0007] 1)對系統(tǒng)進行故障的時域掃描，通過事故嚴重性分析計算出每種故障的嚴重性指 標，并依據(jù)指標大小進行降序排序，篩選出影響電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵故障集合；
[0008] 2)通過節(jié)點脆弱性分析計算電網(wǎng)中各節(jié)點的脆弱性指標，并依據(jù)指標大小進行降 序排序，并篩選出脆弱節(jié)點集合作為待補償節(jié)點集合；
[0009] 3)選取固定且相等的無功補償容量，分別在各個待補償節(jié)點安裝動態(tài)無功補償裝 置；
[0010] 4)計算出各個待補償節(jié)點的電壓回復(fù)指標R。；
[0011] 5)根據(jù)節(jié)點電壓回復(fù)指標R。，對待選安裝節(jié)點進行排序。
[0012] 進一步，所述故障的嚴重性指標：
[0013]
[0014] 式中，IFS,k為故障k的嚴重性指標，Nb為全部節(jié)點數(shù)，b為節(jié)點，A為節(jié)點電壓跌落嚴 重程度的指標：
[0015] 4=吋-傳。
[0016] 式中，以為故障發(fā)生前節(jié)點b的穩(wěn)態(tài)電壓，?7/,,為故障k發(fā)生后節(jié)點b電壓最大跌落時 刻所對應(yīng)的電壓值，該值的計算公式如下：
[0018]式中，ted為故障清除時刻，tf為時域仿真結(jié)束時刻；
[0019 ] $為節(jié)點低電壓持續(xù)時間指標：
[0022]式中，的含義是故障k發(fā)生后節(jié)點b低電壓持續(xù)總時間占仿真時間的比例，^為 指示變量。
[0023]進一步，所述節(jié)點脆弱性指標為
[0024] w +
[0025] 式中，lBV,b表示節(jié)點b的脆弱性指標，Nk為故障總數(shù)。
[0026]進一步，所述節(jié)點電壓回復(fù)指標：
[0028] 式中，Rc為在節(jié)點c處安裝動態(tài)無功補償裝置的電壓回復(fù)指標，分別為 在節(jié)點c處安裝無功補償裝置前后節(jié)點b電壓跌落指標和低電壓持續(xù)指標的差值，I FS,k為故 障k的嚴重性指標，&為節(jié)點b電壓回復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時間。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是能夠選擇出最優(yōu)的動態(tài)無功補償節(jié)點，可以迅速提升節(jié)點電 壓，減小故障清除后節(jié)點暫態(tài)電壓回復(fù)時間。
【附圖說明】
[0030] 圖1是IEEE39節(jié)點系統(tǒng)圖；
[0031] 圖2是節(jié)點脆弱性指標；
[0032]圖3是脆弱節(jié)點的電壓回復(fù)指標；
[0033]圖4是節(jié)點15在不同無功配置方案下的電壓一時間曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0035] -、利用電壓回復(fù)指標選擇動態(tài)無功補償節(jié)點的方法
[0036] 1事故嚴重性分析
[0037]事故嚴重性分析旨在確定影響系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵故障。通常，一次嚴重的 暫態(tài)故障會將電力系統(tǒng)從正常運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變到不正常運行狀態(tài)甚至失穩(wěn)狀態(tài)，這種不正常 運行狀態(tài)可以由故障后節(jié)點的電壓跌落和低電壓持續(xù)時間明確地表示出來。因此，根據(jù)故 障發(fā)生后節(jié)點電壓最大跌落值的大小，定義一種量化節(jié)點電壓跌落嚴重程度的指標4:
[0039]式中，<為故障發(fā)生前節(jié)點b的穩(wěn)態(tài)電壓，為故障k發(fā)生后節(jié)點b電壓最大跌落 時刻所對應(yīng)的電壓值，該值的計算公式如下：
[0041] 式中，ted為故障清除時刻，tf為時域仿真結(jié)束時刻。
[0042] 定義一種節(jié)點低電壓持續(xù)時間指標:
[0045] 式中，4的含義是故障k發(fā)生后節(jié)點b低電壓持續(xù)總時間占仿真時間的比例，^為 指示變量，用來判斷第i個周波內(nèi)節(jié)點電壓值是否低于故障前電壓的75%。
[0046] 在計算出故障k發(fā)生后電網(wǎng)中各條節(jié)點的&和趑之后可獲得該故障的嚴重性指 標：
[0048]式中，IFS,k為故障k的嚴重性指標，Nb為全部節(jié)點數(shù)。由此可知，事故嚴重性指標反 映了故障的嚴重程度，指標值越大，故障對系統(tǒng)電壓水平的影響也越大。2節(jié)點脆弱性分析 [0049]節(jié)點脆弱性分析旨在篩選出系統(tǒng)中的故障后電壓水平較差的節(jié)點，將其作為動態(tài) 無功補償?shù)暮蜻x安裝節(jié)點。定義節(jié)點脆弱性指標為
[0051 ]式中，lBV,b表示節(jié)點b的脆弱性指標，Nk為故障總數(shù)。由此可知，節(jié)點脆弱性指標體 現(xiàn)了節(jié)點的脆弱程度，指標值越大，節(jié)點的電壓水平受故障影響越嚴重。3節(jié)點電壓回復(fù)指 標的計算
[0052]動態(tài)無功補償裝置可以在系統(tǒng)發(fā)生擾動、無功平衡被破壞、電壓下降的時候快速 提供無功支撐，幫助系統(tǒng)回復(fù)無功平衡和電壓穩(wěn)定。動態(tài)無功補償裝置對系統(tǒng)電壓水平的 改善主要體現(xiàn)在三點：1)提升節(jié)點電壓2)減少低電壓持續(xù)時間3)減少節(jié)點電壓回復(fù)至穩(wěn)態(tài) 的時間。因此，當系統(tǒng)中某一節(jié)點安裝無功補償裝置后，再次對關(guān)鍵故障進行時域仿真，電 網(wǎng)中各節(jié)點的電壓跌落指標4和低電壓持續(xù)指標4將會出現(xiàn)不同程度的減小，同時電壓回 復(fù)時間也會降低?；诖硕x一種節(jié)點電壓回復(fù)指標：
[0054]式中，R。為在節(jié)點c處安裝動態(tài)無功補償裝置的電壓回復(fù)指標，Δ/^和〇<別為 在節(jié)點C處安裝無功補償裝置前后節(jié)點b電壓跌落指標和低電壓持續(xù)指標的差值，IFS，k為故 障k的嚴重性指標，^為節(jié)點b電壓回復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時間。
[0055] 從節(jié)點電壓回復(fù)指標R。的計算式可以看出：若在節(jié)點c處安裝動態(tài)無功補償裝置 后，電網(wǎng)中全體節(jié)點電壓回復(fù)時間減少、電壓跌落值減小、電壓跌落時間減少，那么節(jié)點c的 電壓回復(fù)指標的值越大，電網(wǎng)電壓提升水平也就越顯著，則在節(jié)點c處安裝動態(tài)無功補償裝 置是合理的。因此，通過對節(jié)點電壓回復(fù)指標的排序可以確定在電網(wǎng)中安裝動態(tài)無功補償 裝置的優(yōu)劣位置，并且某一節(jié)點電壓回復(fù)指標的值越大，那么在該節(jié)點處配置無功補償?shù)?效果越好。
[0056] 在求節(jié)點的電壓回復(fù)時間過程開始，還可以首先判斷節(jié)點電壓能否回復(fù)至穩(wěn)態(tài)以 及回復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時刻。節(jié)點b電壓能夠回復(fù)至穩(wěn)態(tài)的判別條件如下：
[0057] 1)存在某一時刻使得電壓序列的幅值變動減小：
[0058] |V(ti+1)_V(ti)| 彡ε且!^(?,τ1)>0.8Ρ；0，3/ = 1，2，·'·，/?
[0059] 式中ε為最小允許誤差，可在實際應(yīng)用中根據(jù)需要進行設(shè)定；
[0060] 2)存在某一時刻使得電壓序列該時刻之后的均值等于常數(shù)：
[0062]式中0為最小允許誤差；
[0063] 3)對于任意時刻的電壓值不得超過故障清除時刻的節(jié)點電壓：
[0064] Γ ((.)》)，游=.:1,:.? ' "《
[0065] 若存在時刻tk滿足上述條件，則認為節(jié)點電壓在tk時刻回復(fù)至穩(wěn)態(tài)，電壓恢復(fù)時間 為4 = G ;若不滿足上述條件，則認為節(jié)點電壓在仿真結(jié)束之前無'法恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，為了 計算電壓回復(fù)指標，可將此類節(jié)點的電壓回復(fù)時間設(shè)為最大時間（從故障清除到仿真結(jié)束 的時間），即匕-心。
[0066] 本發(fā)明利用節(jié)點電壓回復(fù)指標選擇動態(tài)無功補償節(jié)點的步驟如下：
[0067] 1)對系統(tǒng)進行N-1故障的時域掃描，通過事故嚴重性分析計算出每種故障的嚴重 性指標，并依據(jù)指標大小進行降序排序，進而篩選出影響電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵故障集 合{Fi，F(xiàn)2，···，F(xiàn) n}。
[0068] 2)通過節(jié)點脆弱性分析計算電網(wǎng)中各節(jié)點的脆弱性指標，并依據(jù)指標大小進行降 序排序，并篩選出脆弱節(jié)點集合⑴:^:^…^一作為待補償節(jié)點集合。
[0069] 3)選取固定且相等的無功補償容量，分別在各個待補償節(jié)點安裝動態(tài)無功補償裝 置。
[0070] 4)計算出各個待補償節(jié)點的電壓回復(fù)指標R。。
[0071] 5)根據(jù)節(jié)點電壓回復(fù)指標R。，對待選安裝節(jié)點進行排序。其中的指標值最大者即 為動態(tài)無功補償裝置的最優(yōu)安裝節(jié)點。
[0072] 根據(jù)上述結(jié)果，可以考慮所選站點的實際安裝容量限制，綜合考察不同安裝方案 的安裝效果與安裝成本，確定最優(yōu)安裝節(jié)點的補償裝置的安裝容量，以達到最佳效果。對于 大規(guī)模電網(wǎng)僅在指標最優(yōu)處安裝動態(tài)無功補償裝置可能依然無法使全網(wǎng)電壓保持較好水 平，此時可根據(jù)投資大小設(shè)置多個無功補償節(jié)點，具體選擇方法是在最優(yōu)處安裝無功補償 裝置后，重復(fù)上述步驟，直至選擇的節(jié)點數(shù)達到預(yù)期目標。
[0073]二、算例分析驗證
[0074]本發(fā)明通過IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)進行時域仿真實驗。圖1為IEEE39節(jié)點系統(tǒng)圖。該系 統(tǒng)發(fā)電機采用經(jīng)典六階模型，勵磁系統(tǒng)采用直流式勵磁系統(tǒng)，負荷模型由40%恒阻抗負荷 和60%異步電動機組成。在進行母線暫態(tài)電壓時域仿真時設(shè)置的故障類型為三相全短路故 障，設(shè)置故障發(fā)生時刻為0.1秒，故障清除時刻為0.2秒，總仿真時間為10秒。在計算電壓回 復(fù)指標時，依次在待補償節(jié)點處安裝容量為lOOMvar的SVC。
[0075] 通過事故嚴重性分析可得節(jié)點3-節(jié)點4、節(jié)點8-節(jié)點9和節(jié)點15-節(jié)點16之間的 線路事故嚴重性指標最大，故障最為嚴重，將這三個故障列為關(guān)鍵故障;通過節(jié)點脆弱性分 析并依據(jù)節(jié)點脆弱性指標可篩選出系統(tǒng)的脆弱節(jié)點區(qū)域有兩個，分別為:節(jié)點3、4、7、8、9和 節(jié)點14、15、16。在脆弱節(jié)點區(qū)域安裝相同容量的動態(tài)無功補償裝置，以關(guān)鍵故障再次進行 時域仿真計算脆弱節(jié)點的電壓回復(fù)指標。由圖2可知，節(jié)點4和16的電壓回復(fù)指標最大，因此 在這兩節(jié)點配置無功補償裝置。圖4顯示了節(jié)點15在未配置SVC、在節(jié)點15配置SVC和在節(jié) 點16配置SVC三種情況下發(fā)生節(jié)點15-節(jié)點16之間的線路故障后的電壓一時間曲線，圖2為 節(jié)點脆弱性指標示意圖，圖3為脆弱節(jié)點的電壓回復(fù)指標示意圖。圖4是節(jié)點15在不同無功 配置方案下的電壓一時間曲線，從圖4中可以看出，未補償時節(jié)點15電壓低于0.75的時間超 過了 1秒且電壓回復(fù)遲緩，電壓水平較差;有補償時節(jié)點15電壓幅值及回復(fù)時間均得到了提 升，低電壓持續(xù)時間減少;與在節(jié)點16安裝補償相比，在節(jié)點16處補償時最大電壓跌落減小 了0.103,低電壓持續(xù)時間減少了 1.14秒，電壓回復(fù)時間減少了2.62秒，說明在節(jié)點15配置 動態(tài)無功補償裝置時補償效果更優(yōu)。結(jié)果表明，本發(fā)明所述方法能夠為動態(tài)無功補償節(jié)點 得選擇提供依據(jù)。
[0076] 本發(fā)明通過考慮動態(tài)無功補償對電網(wǎng)中節(jié)點電壓跌落、低電壓持續(xù)時間和電壓回 復(fù)時間的綜合影響來評價補償節(jié)點的優(yōu)劣。本發(fā)明方法的優(yōu)點還在于:事故嚴重性分析和 節(jié)點脆弱性分析能夠篩選出電網(wǎng)中的嚴重故障和脆弱節(jié)點，從而減小了暫態(tài)時域仿真的范 圍。利用節(jié)點電壓回復(fù)指標從待選節(jié)點中確定動態(tài)無功補償裝置的補償節(jié)點。事故嚴重性 分析和節(jié)點脆弱性分析是篩選嚴重故障集和脆弱節(jié)點集的一種有效分析方法，特別適用于 大規(guī)模電網(wǎng)的補償節(jié)點預(yù)選，有助于減小計算量。節(jié)點電壓回復(fù)性指標在考慮動態(tài)無功補 償裝置對節(jié)點電壓幅值提升的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合了對節(jié)電電壓低電壓持續(xù)時間和回復(fù)時間 的分析，可以更全面地反映在任一節(jié)點處安裝動態(tài)無功補償裝置的補償效果。
[0077]以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實施方式而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限 制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均 屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法，其特征在于按照以下步 驟進行： 1) 對系統(tǒng)進行故障的時域掃描，通過事故嚴重性分析計算出每種故障的嚴重性指標， 并依據(jù)指標大小進行降序排序，篩選出影響電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵故障集合； 2) 通過節(jié)點脆弱性分析計算電網(wǎng)中各節(jié)點的脆弱性指標，并依據(jù)指標大小進行降序排 序，并篩選出脆弱節(jié)點集合作為待補償節(jié)點集合； 3) 選取固定且相等的無功補償容量，分別在各個待補償節(jié)點安裝動態(tài)無功補償裝置； 4) 計算出各個待補償節(jié)點的電壓回復(fù)指標R。； 5) 根據(jù)節(jié)點電壓回復(fù)指標R。，對待選安裝節(jié)點進行排序。2. 按照權(quán)利要求1所述基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法，其 特征在于:所述故障的嚴重性指標：式中，Ifs,k為故障k的嚴重性指標，Nb為全部節(jié)點數(shù)，b為節(jié)點，4為節(jié)點電壓跌落嚴重程 度的指標：式中，G為故障發(fā)生前節(jié)點b的穩(wěn)態(tài)電壓，以,為故障k發(fā)生后節(jié)點b電壓最大跌落時刻所 對應(yīng)的電壓值，該值的計算公式如下：式中，ted為故障清除時刻，tf為時域仿真結(jié)束時刻； il為節(jié)點低電壓持續(xù)時間指標：式中，Zf6的含義是故障k發(fā)生后節(jié)點b低電壓持續(xù)總時間占仿真時間的比例，T1為指示 變量。3. 按照權(quán)利要求1所述基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法，其 特征在于:所述節(jié)點脆弱性指標為式中，Ibv,b表示節(jié)點b的脆弱性指標，Nk為故障總數(shù)。4. 按照權(quán)利要求1所述基于節(jié)點電壓回復(fù)指標的電網(wǎng)動態(tài)無功補償節(jié)點選擇方法，其 特征在于:所述節(jié)點電壓回復(fù)指標：式中，R。為在節(jié)點c處安裝動態(tài)無功補償裝置的電壓回復(fù)指標，分別為在節(jié) 點C處安裝無功補償裝置前后節(jié)點b電壓跌落指標和低電壓持續(xù)指標的差值，IFS,k為故障k 的嚴重性指標，4為節(jié)點b電壓回復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時間。
【文檔編號】H02J3/18GK106026118SQ201610362147
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】王穎, 陳亮, 邵華, 張章, 張倩茅, 荊志朋, 習朋, 張麗潔, 齊曉光, 康偉, 任志剛, 李樹水, 孫軼良, 胡珀, 馬國真, 樊會叢, 林榕, 韓文源, 劉鵬, 唐帥, 孟繁華
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院