基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法及系统与流程

本发明属于电气仿真辨识技术领域，具体涉及一种基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法及系统。

背景技术：

随着非传统负荷增长(电动机负荷)、电网主网网架建设的相对滞后、发电机接入系统历史成因、新型发电类设备(风机、光伏、电动汽车、储能装置)高密度、分散化对电网的接入，成型电网形态的复杂性逐年增加，成型电网的分析越来越复杂，其中电压稳定性和功角稳定性混叠型问题时常出现，并表现为逐渐增多的趋势，在工业计算中时有出现，是近年来关注的重点之一。在此背景下，单一的功角稳定性理论和单一的电压稳定理论直接对应解释某一个成型电网暂稳过程的分析方式已经不能够满足电网运行控制分析与建设发展分析的需要，分析构造完整、清晰的成因分析证据链的难度越来越大。

随着电网的交流机组上大压小、电网开环两方面而综合引起的大机小网所引发的目前的混叠型问题逐渐增多，超大规模交流电网中的混叠型分析方法比较少，但是还是可以分为两类：

一方面针对解析表达式实际参数化机理计算的方法；参量少的情况下，可以分析的很精确；但是对于存在千级元件和万级元件的大型电力系统，往往参数量过大，表现特征的参与量往往是机群特征、负荷群特征。从“表象混叠型失稳特征”到“识别单一机组”的查找过程很可能是一个天文数量级的工作量。

另一方面针对无解析解表达式的智能化综合评估方法：在某些局部领域效果很明显，但因不是从机理角度进行的解释，所以，推广方面，也面临“缺乏机理解释”的困境。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法。

本发明的第一个目的在于提出基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识系统。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法，包括：

s1：对所述电网进行故障扫描，确定所述电网发生所述功角、电压失稳混叠故障。

s2：判断所述电网是否发生第一故障，或者所述电网是否发生第二故障。

s21：如果所述电网发生所述第一故障，确定所述电网故障为电压失稳故障。

s22：如果所述电网发生所述第二故障，确定所述电网故障为功率振荡故障。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为电压失稳故障，包括：

s31：设定第一时间，终止所述第一时间内所述第一故障所在电网的事件。

s31：判断所述电网所述电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网所在的动态无功功率不足。

s32：如果所述电网电压失稳故障未消除，判定所述电网故障为功角、电压混叠故障，查找功角飞出机组，设定第二时间，所述第二时间内设置所述故障所在电网线路非短路跳闸，并切除机组。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为电压失稳故障，还包括：

s41：继续判断所述电网电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网励磁系统的切除导致。

s44：如果所述电网电压失稳故障还未消除，判定所述电网电压失稳原因为功角振荡。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为功率振荡故障，包括：

s51：计算所述电网功角振荡的中心坐标、计算所述电网电压失稳坐标。

s52：分析所述中心坐标至功率缺失区各个母线电压幅值波动情况，根据所述母线的电压幅值波动率确定所述母线电压距离所述振荡中心坐标的电气距离坐标。

s53：根据所述母线电压距离所述电网振荡中心坐标的电气距离坐标、所述电网电压失稳坐标，计算所述电网发生功角失稳概率。

根据本发明的一个实施例，所述第一故障为短路断线跳闸故障，所述第二故障为功率直接缺失故障。

本发明第二方面实施例提出的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识系统，包括：

确定模块，用于对所述电网进行故障扫描，确定所述电网发生所述功角、电压失稳混叠故障。

判断模块，用于判断所述电网是否发生第一故障，或者所述电网是否发生第二故障。

第一确定模块，如果所述电网发生所述第一故障，用于确定所述电网故障为电压失稳故障。

第二确定模块，如果所述电网发生所述第二故障，用于确定所述电网故障为功率振荡故障。

根据本发明的一个实施例，所述第一确定模块，包括：

设定单元，用于设定第一时间，终止所述第一时间内所述第一故障所在电网的事件。

第一检测单元，判断所述电网所述电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网所在的动态无功功率不足。

第二检测单元，如果所述电网电压失稳故障未消除，判定所述电网故障为功角、电压混叠故障，查找功角飞出机组，设定第二时间，所述第二时间内设置所述故障所在电网线路非短路跳闸，并切除机组。

根据本发明的一个实施例，所述第一确定模块，还包括：

第三检测单元，用于继续判断所述电网电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网励磁系统的切除导致。

第四检测单元，如果所述电网电压失稳故障还未消除，判定所述电网电压失稳原因为功角振荡。

根据本发明的一个实施例，所述第二确定模块，包括：

第一计算单元，用于计算所述电网功角振荡的中心坐标、计算所述电网电压失稳坐标。

第二计算单元，分析所述中心坐标至功率缺失区各个母线电压幅值波动情况，根据所述母线的电压幅值波动率确定所述母线电压距离所述振荡中心坐标的电气距离坐标。

第三计算单元，根据所述母线电压距离所述电网振荡中心坐标的电气距离坐标、所述电网电压失稳坐标，计算所述电网发生功角失稳概率。

根据本发明的一个实施例，所述第一故障为短路断线跳闸故障，所述第二故障为功率直接缺失故障。

本发明通过从不同的故障类型，分析并区分失稳前的诱导因素，在传统的混叠机理分析手段上，将故障过程和组合因素拆解，进而在故障成因上进行维度展开分析，形成了电网功角和电压崩溃混叠型问题的证据链。具有很好的实用型，可靠分析针对电网中存在电压失稳、功角故障的混叠故障的问题。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是根据本发明实施例公开的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法流程图；

图2(a)是根据本发明实施例公开的发电机功角与发电机组不同接入点(电气距离)之间的关系曲线图；

图2(b)是根据本发明实施例公开的发电机功角超过180度的时间点与发电机组不同接入点(电气距离)之间的关系曲线图；

图2(c)是根据本发明实施例公开的220kvl1节点母线电压在g1不同接入点的电压振荡曲线图；

图2(d)是根据本发明实施例公开的g1pm/pe与角速度之间的关系曲线图；

图2(e)是根据本发明实施例公开的220kvl1节点负荷电动机动态变量暂态曲线；

图2(f)是根据本发明实施例公开的临界状态与原初状态励磁曲线的比较曲线图；

图2(g)是根据本发明实施例公开的发电机功角暂态曲线220千伏l1电压暂态曲线图；

图3是根据本发明实施例公开的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识系统方框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明基于故障的电压稳定与功角稳定混叠机理仿真辨识方法，即发生功角稳定、电压稳定相互混叠时，从通过故障卡设置的类型不同，进而区分失稳前的诱导因素，在传统的混叠机理分析手段上，将故障过程和组合因素拆解，进而在故障成因上进行维度展开分析。

初步形成了功角和电压崩溃混叠型问题的证据链。给出了一定的初步分析。主要是和负荷特性及自动控制系统的等多种参数相关。即，与特定网架结构有较大关联性。其中，小送端系统具有一定的典型性。

对现有的控制策略及规划方案进行了比较分析，给出了可行的解决方案。指出了采用切机策略，可能会导致恶化电压崩溃的情况。

本发明的用于成型电网中功角稳定和电压稳定混叠型问题的分析方法，当发生功角稳定、电压稳定相互混叠时，从两个维度入手进行分析，第一方面从功角稳定入手，机组功角稳定性的决定因素为机组与主网的电气距离，采用逐渐缩短电气距离的方法，试探寻找不发生失稳的临界电气接入节点；第二方面电压稳定的主要因素为感应电动机的所占比例，直接调整电动机/恒阻抗负荷所占比例，逐渐缩小电动机占比，试探寻找不发生失稳的临界占比，确定电压稳定问题。

针对混叠表象的问题，如果是单一因功角失稳引发的问题，则通过缩短主导机组与主网电气距离的方法能够予以减轻；如果是单一因电压稳定引发的问题，则通过调减区域内的感应电动机占比能够予以减轻；如果是两者交互恶化型问题，则也可以通过上述两种分析路径进行分析，确定恶化的机理成因。因此本发明首先按两种路径进行试探性分析，然后进行综合分析。

上述两种方法在工业计算分析中的复杂性可归纳为两个方面：其一，现有网架经过近几十年的发展，已达到一定规模，基本成型，对于电气距离等参数性定量分析存在困难，本发明采用在给定的机组有功功率情况下，通过潮流计算和暂稳故障前发电机组与主网参考机组的功角差进行电气距离衡量。其二，负荷接入数量及相应的模型参数相对于发电机属于海量数据，逐一分析难度较大，在目前的分析条件下，本发明采用批量调整感应电动机占比的方式进行分析。

图1为本发明第一方面实施例公开的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识方法100，包括：

s1：对所述电网进行故障扫描，确定所述电网发生所述功角、电压失稳混叠故障。

s2：判断所述电网是否发生第一故障，或者所述电网是否发生第二故障。

s21：如果所述电网发生所述第一故障，确定所述电网故障为电压失稳故障。

s22：如果所述电网发生所述第二故障，确定所述电网故障为功率振荡故障。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为电压失稳故障，包括：

s31：设定第一时间，终止所述第一时间内所述第一故障所在电网的事件。

s31：判断所述电网所述电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网所在的动态无功功率不足。

s32：如果所述电网电压失稳故障未消除，判定所述电网故障为功角、电压混叠故障，查找功角飞出机组，设定第二时间，所述第二时间内设置所述故障所在电网线路非短路跳闸，并切除机组。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为电压失稳故障，还包括：

s41：继续判断所述电网电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网励磁系统的切除导致。

s44：如果所述电网电压失稳故障还未消除，判定所述电网电压失稳原因为功角振荡。

根据本发明的一个实施例，所述确定所述电网故障为功率振荡故障，包括：

s51：计算所述电网功角振荡的中心坐标、计算所述电网电压失稳坐标。

s52：分析所述中心坐标至功率缺失区各个母线电压幅值波动情况，根据所述母线的电压幅值波动率确定所述母线电压距离所述振荡中心坐标的电气距离坐标。

s53：根据所述母线电压距离所述电网振荡中心坐标的电气距离坐标、所述电网电压失稳坐标，计算所述电网发生功角失稳概率。

根据本发明的一个实施例，所述第一故障为短路断线跳闸故障，所述第二故障为功率直接缺失故障。

关于电气距离分析公角稳定的影响，经量测分析和定性电气结构分析，小送端系统依功角差度量的电气距离最远的机组，往往是图1中边界处的大型机组。因此，针对第1节所述典型机组g1，调整电厂接入点，逐渐从现有运行接入点逐渐沿与主网的电气距离方向改变接入点，观察相关电气量的变化规律。

本实施例选取了12个典型接入点，如图2(a)所示，给出了沿电气路径逐一修改g1接入点情况下，接入点与主网之间电气距离和功角差的关系，可以看出，随着接入点的逐渐向主网移动，能够逐渐消除功角失稳。

图2(b)与图2(a)对应，其中横轴为相对电气距离轴，横轴所对应的接入点编号越大，接入点距离主网的电气距离越远，纵轴为发电机组相对于主网参考机组功角差大于180度发生的时刻。“发生时刻”能够在一定程度上表现机组暂态失稳的速度。由图2(b)可见，随着机组电气距离的缩短，对于一个给定的机组在给定三相短路故障-保护动作切除暂态过程过程中的“发生时刻”的延迟时间逐渐增大，直至不发生失稳。

关于电压特性的分析，与功角差变化相对应的电压振荡曲线如图2(c)所示。

图2(c)选取了典型220kv负荷点l1的电压暂态曲线。由图2(c)中可以看出两个特征，第一，无论改变g1的接入点，故障后0.24秒(绝对事件1.24秒)电压始终存在拐点，拐点时刻相对稳定性，不随g1接入点的改变而改变，能够初步判断出，豫西电压崩溃时刻与g1与主网的电气距离呈现弱相关关系，且始终表现在1.24-1.75秒。第二，1.24秒至1.75秒左右，是系统无功吸收量最大且逐渐加速的时间段。本文案例小系统电压暂态曲线与典型负荷点l1类似。

关于典型发电机电磁-机械转矩分析，如下：

图2(d)的三条曲线分别为g1电磁功率pe、机械功率pm及相应的转子角速度ω。由图2(d)可以看出，g1减速时间段仅为1.25秒到1.55秒之间的0.3秒。

典型电动机与发电机之间特性分析，如下：

由图2(e)可以看出，1.25秒到1.55秒之间，由于发电机侧和负荷侧惯性时间常数设置的耦合问题，负荷在短路故障线路切除时刻(1.1秒时刻断线切除)后相对于切除时刻前的动态过程中形成了一个有功功率和无功功率同时吸收的时段。关于有功方面，1.25秒到1.55秒负荷有功功率需求的加速增加的时段与发电机减速时段相吻合，进而恶化了发电机转子的制动过程，转子角速度ω摆动型持续增加，进而导致g1功角飞出。关于无功方面，1.25秒到1.55秒负荷无功需求首先瞬间冲击到超过故障前无功需求的1.3倍左右，后逐渐下降，此时段电压始终低于稳态值，导致感应电动机电磁转矩随电压平方值下降，电压下降也在同期发生。

物理解释：负荷在自身平衡作用下，在短路故障被消除后，存在1-2s的恢复期，此恢复期内，如果同时向系统吸收有功和无功(相对于短路时段)，系统无法提供足够的有功，将导致功角飞出；如无法提供足够的动态无功(励磁系统相应速度及相应量)，则导致电压崩溃。

另外，如图2(f)电气距离临界状态的特性可以看出，目前的参数配置情况下，负荷无功的需求特性在故障后会经过一个长达3-4秒的缓慢波动增长期，即，即使在功角稳定消除后的临界情况下，电压崩溃的风险依然存在。

下面分析电动机占比改变电压稳定性的问题。

根据某小系统不同感应电动机比例调整后，随着感应电动机占比逐渐下降，某小系统电压振荡均值逐渐得到改善，临界值约为感应电动机占比32％，当将所有的小系统发电机全部改为100％恒阻抗，没有发生电压崩溃。该种方法可能会在相对网架较为成熟的情况下，做到一定的精确性。

对于本实施例所述案例的功角和电压混叠性稳定性问题，通过不断缩小主力机组暂态后电势eq’与主网之间的电气距离，能够逐渐消除功角失稳，及电压失稳。

图2(g)示出了某小系统集群负荷总体的有功功率和无功功率暂态吸收情况。

由图2(g)可以看出，某小系统负荷总体无功功率在故障切除后瞬间达到241mvar,是故障前稳态时(144.3mvar)的1.67倍，这种高需求量维持时间超过4秒钟(从机组功率振荡上看，超过1、2或3摆直到发生异步振荡)，且在功角第1摆动至第4摆之后波动性的持续增大；第三摆期间，随着电压的恢复，负荷的有功功率需求逐渐恢复和无功功率需求的快速增长，功角稳定有恢复的迹象，但因此时负荷有功需求又加速上升恢复，从而再一次恶化发电机转子制动过程，最终形成异步振荡，功角飞出。电压崩溃伴随在第三摆后特征显著。

首先，在现有的接入系统方式、参数配比情况下，当发生严重故障而产生的小系统集群功角失稳与小系统电压集群崩溃的混叠型问题时，两者失稳表现为不受功角稳定影响的、以电压失稳定为先导的交互影响关系，即，功角失稳之前已经表现出电压失稳定，随后发生了功角失稳定与电压失稳定的恶化型交互影响。

其次，在故障时刻至单侧切除时至双侧切除时刻至其后的恢复过程中，0.5秒时间段以内(绝对时间1秒-1.5秒)为小送端系统稳定的关键时期，由于故障消除过程及其后的1秒钟内，电压会突变型上升、其后随着功角摆动的第一摆时间(达到机组的静稳极限)内，负荷向系统同时在向系统吸收有功和无功，且按照目前的参数配置，所吸收的无功量最大值超过了故障前向系统吸收的无功。此时如果系统不能够提供足够的无功，是直接导致电压崩溃。

图3为本发明第二方面实施例提出的基于功角、电压混叠的电网故障的仿真辨识系统300，包括：

确定模块301，用于对所述电网进行故障扫描，确定所述电网发生所述功角、电压失稳混叠故障。

判断模块303，用于判断所述电网是否发生第一故障，或者所述电网是否发生第二故障。

第一确定模块305，如果所述电网发生所述第一故障，用于确定所述电网故障为电压失稳故障。

第二确定模块307，如果所述电网发生所述第二故障，用于确定所述电网故障为功率振荡故障。

根据本发明的一个实施例，所述第一确定模块，包括：

设定单元，用于设定第一时间，终止所述第一时间内所述第一故障所在电网的事件。

第一检测单元，判断所述电网所述电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网所在的动态无功功率不足。

第二检测单元，如果所述电网电压失稳故障未消除，判定所述电网故障为功角、电压混叠故障，查找功角飞出机组，设定第二时间，所述第二时间内设置所述故障所在电网线路非短路跳闸，并切除机组。

根据本发明的一个实施例，所述第一确定模块，还包括：

第三检测单元，用于继续判断所述电网电压失稳故障是否消除，如果所述电网电压失稳故障消除，判定所述电网电压失稳原因为所述电网励磁系统的切除导致。

第四检测单元，如果所述电网电压失稳故障还未消除，判定所述电网电压失稳原因为功角振荡。

根据本发明的一个实施例，所述第二确定模块，包括：

第一计算单元，用于计算所述电网功角振荡的中心坐标、计算所述电网电压失稳坐标。

第二计算单元，分析所述中心坐标至功率缺失区各个母线电压幅值波动情况，根据所述母线的电压幅值波动率确定所述母线电压距离所述振荡中心坐标的电气距离坐标。

第三计算单元，根据所述母线电压距离所述电网振荡中心坐标的电气距离坐标、所述电网电压失稳坐标，计算所述电网发生功角失稳概率。

根据本发明的一个实施例，所述第一故障为短路断线跳闸故障，所述第二故障为功率直接缺失故障。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元或模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元或模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元或模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元或模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元或模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元或模块可以集成在一个处理单元或模块中，也可以是各个单元或模块单独物理存在，也可以两个或两个以上单元或模块集成在一个单元或模块中。上述集成的单元或模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元或模块的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。