一种电力系统稳态运行控制方法

本发明涉及电力系统运行控制领域，具体的说，是一种电力系统稳态运行控制方法。

随着国民经济的快速发展和能源需求紧迫性的不断显现，用电量急剧上升与供配分布不均的矛盾日益严峻。电源发展和网架建设的不断加快，以满足国民经济和居民用电对需电量不断增加的刚性需求。在传统的电力网络构架中，电力网络的结构变化、大功率负荷或电源的随机变化都会对系统的产生一定的扰动，经过具备可调容量范围的发电机组、同步补偿机、移相器抽头、可调变压器抽头和并联电抗器电容器的投切等手段，对系统进行分层分区调节的控制策略，来维持和保障电力系统网络安全稳定运行。但电力系统作为具有人造系统的自然属性，人们不可能随意让其功率流动按自然分布，其必须遵循各种安全运行约束条件，如何充分利用常规电源的调控能力，使电网的重点部分线路输送功率或节点电压仍维持原来的运行状态的重要性就显得尤为突出，因而需要一种电力系统稳态运行的控制方法来维持电力系统的稳定运行。

本发明提供一种电力系统稳态运行控制方法，电力系统稳态运行中的重要特征有：由发电机、原动机及其附设的调速、励磁(AGC)系统组成的发电机组(简称AGC机组)，根据运行状况的变化自行调节其输出功率以满足负荷的需要，输电网络中各电气量又互相影响。该重要特征描述了电能产生、输送和消费过程的基本物理现象。计及以上基本物理现象的电力系统稳态运行中的潮流分布，是计及电力系统受控制影响后的潮流，称之为控制潮流。在确定的电力系统负荷下，由AGC机组控制调节作用所形成的电力系统稳态运行的潮流分布及运行点变化率特征分析的问题。

在稳态运行中，发电机组的输出功率是AGC调节的结果，通过有差的一次调节使各机组能按调差系数分担随机变化的负荷，分别进行机组的二次调节设置，就可逐步改变系统的运行状态。稳态运行机组的输出功率特性，是该机组的有功频率、无功电压静态特性(简称为AGC机组静特性)。发电机的稳态运行点在AGC机组静特性曲线与负荷特性曲线的交点上。AGC机组静态输出特性可自行满足功率平衡的调节方式，就应能满足、也应可以用于解决电力系统完整节点电压方程求解计算的注入功率问题。

发电机的励磁调节器用来控制电压。用发电机进行电压控制是以产生无功功率为系统提供电压支持。当因负荷的自然波动、网络拓扑结构改变和偶然事故造成的快速随机电压变化时，首先由发电机的励磁调节器自动进行一次调压，其运行点就沿着机组的无功。电压静特性变化发电机的二级电压控制则是根据先导节点的电压偏离，按照某种预定的控制方式协调地改变区域各控制发电机的自动电压调节器(AVR)的空载运行电压，使发电机组的无功．电压静特性平移，从而使得先导节点的电压基本保持不变，进而维持整个系统的电压水平，无功分布在一个良好的状态。

通过调节发电机的励磁调节器，即调整(AVR)的空载运行电压，发电机端电压可维持恒定，但在较低的系统电压条件下，对发电机要求的无功功率可能超过其励磁电流和(或)电枢电流极限范围。当无功输出达到极限后，端电压就不再维持恒定。在恒定的励磁电流下，恒定电压点在同步电抗后。在效果上这就增加了网络的阻抗，进一步加重了电压崩溃的条件。当发电机励磁电流受限或定子电流受限时，其输出的无功均会随端电压而变化。

负荷特性是指负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律。电力系统的负荷成分非常复杂，一般包括感应电动机、恒阻抗负荷及其它多种成分。所谓负荷的静态特性是指电压或频率变化后进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系。可以用代数方程或曲线表示。

负荷电压静态特性为                                                

式中，为额定电压，和为额定电压时的有功功率和无功功率，各个系数可根据实际的电压静态特性用最小二乘法拟合求得，这些系数应满足

式(1)和(2)表明，负荷的有功功率和无功功率都由三个部分组成，第一部分与电压平方成正比，代表恒定阻抗消耗的功率：第二部分与电压成正比，代表与恒电流负荷相对应的功率；第三部分为恒功率分量。

潮流计算

电网拓扑结构、元件参数已知时，可对网络列节点方程为:

其中:U为节点电压列向量;Y为节点导纳矩阵;I为节点注入电流列向量。

电力系统给定的运行变量为节点注入有功功率、无功功率。节点注入复功率S与节点注入电流I之间存在如下关系:

其中:为节点注入复功率的共扼向量;对于n节点网络，是由n个节点电压相量的共扼组成的nxn阶对角阵。设网络节点总数为n，平衡节点编号为1，则基于节点导纳矩阵的迭代方程

给定初值，代入式(5)，可求得，逐次迭代计算直到结果满足某一收敛判据为止。

如果潮流计算收敛，则第k+1次迭代计算结果。n较第k次迭代计算结果更加接近于真值。在计算求解时，，j<i已经求出，将其代入式(5)，得到:

计算过程中用每步计算得到的节点电压新值替换方程中对应节点的旧值，并应用新值进行后续计算。

潮流控制是电力系统生产中必然面对的一个难题。对于系统运行安全的考虑，经济调度的安排和用户用电质量的保证，往往要求将电力系统控制在一个特定的安全运行范围。现代社会对电网和供电企业的要求是供电的高安全性，高可靠性，高质量性，低能耗，低排污，低费用和良好的服务。安全性一直都是电力系统运行追求的首要标准。因此，为了保证系统运行的安全性及电能质量，系统必须运行在一定的安全条件之下，也即是系统安全正常的运行状态。除了满足功率平衡的等式条件约束之外，还要满足各种不等式约束。依据电力系统元件的物理意义分类可分为控制变量约束和状态变量约束。系统约束为：

状态变量约束：

①节点电压幅值上下限约束；

②线路两端点电压相角差约束；

③各支路传输有功功率和无功功率约束；

控制变量约束：

④发电机有功无功电源出力上下限约束；

⑤无功电源/补偿设备无功出力上下限约束；

⑥并联电抗器/电容器容量约束；

⑦可调变压器抽头位置约束；

⑧移相器抽头位置约束。

在系统调度中，各个支路输送功率受线路运行参数约束，联络线族潮流也是调度中心重要的区域联络参数。因此，各区域间联络线功率在各时段应为合同约定的给定值，对于这种运行方式，在进行潮流计算时需要将联络线的功率作为潮流的平衡方程。也就是满足等式注入电流型潮流模型的运行条件方程组，如下所示：

式中和分别为系统第M族联络线组的有功功率上下限，代表第M族中联络线i节点到j节点的有功功率。

通过对于发电机及负荷的控制分析，以及潮流计算的结果，并进行系统约束，对联络线功率进行限制从而保证电力系统的稳态运行。

图1为电力系统分层控制方式

图2为发电机的有功-频率静态特性

图3为发电机的无功-电压静态特性。

本发明提供一种电力系统稳态运行控制方法，电力系统稳态运行中的重要特征有：由发电机、原动机及其附设的调速、励磁(AGC)系统组成的发电机组(简称AGC机组)，根据运行状况的变化自行调节其输出功率以满足负荷的需要，输电网络中各电气量又互相影响。该重要特征描述了电能产生、输送和消费过程的基本物理现象。计及以上基本物理现象的电力系统稳态运行中的潮流分布，是计及电力系统受控制影响后的潮流，称之为控制潮流。在确定的电力系统负荷下，由AGC机组控制调节作用所形成的电力系统稳态运行的潮流分布及运行点变化率特征分析的问题。

在稳态运行中，发电机组的输出功率是AGC调节的结果，通过有差的一次调节使各机组能按调差系数分担随机变化的负荷，分别进行机组的二次调节设置，就可逐步改变系统的运行状态。稳态运行机组的输出功率特性，是该机组的有功频率、无功电压静态特性(简称为AGC机组静特性)。发电机的稳态运行点在AGC机组静特性曲线与负荷特性曲线的交点上。AGC机组静态输出特性可自行满足功率平衡的调节方式，就应能满足、也应可以用于解决电力系统完整节点电压方程求解计算的注入功率问题。

发电机的励磁调节器用来控制电压。用发电机进行电压控制是以产生无功功率为系统提供电压支持。当因负荷的自然波动、网络拓扑结构改变和偶然事故造成的快速随机电压变化时，首先由发电机的励磁调节器自动进行一次调压，其运行点就沿着机组的无功．电压静特性变化发电机的二级电压控制则是根据先导节点的电压偏离，按照某种预定的控制方式协调地改变区域各控制发电机的自动电压调节器(AVR)的空载运行电压，使发电机组的无功．电压静特性平移，从而使得先导节点的电压基本保持不变，进而维持整个系统的电压水平，无功分布在一个良好的状态。

通过调节发电机的励磁调节器，即调整(AVR)的空载运行电压，发电机端电压可维持恒定，但在较低的系统电压条件下，对发电机要求的无功功率可能超过其励磁电流和(或)电枢电流极限范围。当无功输出达到极限后，端电压就不再维持恒定。在恒定的励磁电流下，恒定电压点在同步电抗后。在效果上这就增加了网络的阻抗，进一步加重了电压崩溃的条件。当发电机励磁电流受限或定子电流受限时，其输出的无功均会随端电压而变化。

负荷特性是指负荷功率随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律。电力系统的负荷成分非常复杂，一般包括感应电动机、恒阻抗负荷及其它多种成分。所谓负荷的静态特性是指电压或频率变化后进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系。可以用代数方程或曲线表示。

负荷电压静态特性常用二次多项式表示

式中，为额定电压，和为额定电压时的有功功率和无功功率，各个系数可根据实际的电压静态特性用最小二乘法拟合求得，这些系数应满足

式(1)和(2)表明，负荷的有功功率和无功功率都由三个部分组成，第一部分与电压平方成正比，代表恒定阻抗消耗的功率：第二部分与电压成正比，代表与恒电流负荷相对应的功率；第三部分为恒功率分量。

潮流计算

电网拓扑结构、元件参数已知时，可对网络列节点方程为:

其中:U为节点电压列向量;Y为节点导纳矩阵;I为节点注入电流列向量。

电力系统给定的运行变量为节点注入有功功率、无功功率。节点注入复功率S与节点注入电流I之间存在如下关系:

其中:为节点注入复功率的共扼向量;对于n节点网络，是由n个节点电压相量的共扼组成的nxn阶对角阵。设网络节点总数为n，平衡节点编号为1，则基于节点导纳矩阵的迭代方程

给定初值，代入式(5)，可求得，逐次迭代计算直到结果满足某一收敛判据为止。

如果潮流计算收敛，则第k+1次迭代计算结果。n较第k次迭代计算结果更加接近于真值。在计算求解时，，j<i已经求出，将其代入式(5)，得到:

计算过程中用每步计算得到的节点电压新值替换方程中对应节点的旧值，并应用新值进行后续计算。

潮流控制是电力系统生产中必然面对的一个难题。对于系统运行安全的考虑，经济调度的安排和用户用电质量的保证，往往要求将电力系统控制在一个特定的安全运行范围。现代社会对电网和供电企业的要求是供电的高安全性，高可靠性，高质量性，低能耗，低排污，低费用和良好的服务。安全性一直都是电力系统运行追求的首要标准。因此，为了保证系统运行的安全性及电能质量，系统必须运行在一定的安全条件之下，也即是系统安全正常的运行状态。除了满足功率平衡的等式条件约束之外，还要满足各种不等式约束。依据电力系统元件的物理意义分类可分为控制变量约束和状态变量约束。系统约束为：

状态变量约束：

①节点电压幅值上下限约束；

②线路两端点电压相角差约束；

③各支路传输有功功率和无功功率约束；

控制变量约束：

④发电机有功无功电源出力上下限约束；

⑤无功电源/补偿设备无功出力上下限约束；

⑥并联电抗器/电容器容量约束；

⑦可调变压器抽头位置约束；

⑧移相器抽头位置约束。

在系统调度中，各个支路输送功率受线路运行参数约束，联络线族潮流也是调度中心重要的区域联络参数。因此，各区域间联络线功率在各时段应为合同约定的给定值，对于这种运行方式，在进行潮流计算时需要将联络线的功率作为潮流的平衡方程。也就是满足等式注入电流型潮流模型的运行条件方程组，如下所示：

式中和分别为系统第M族联络线组的有功功率上下限，代表第M族中联络线i节点到j节点的有功功率。

通过对于发电机及负荷的控制分析，以及潮流计算的结果，并进行系统约束，对联络线功率进行限制从而保证电力系统的稳态运行。