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确定电力系统中的用于减荷的电压稳定裕度的方法
申请号	CN200810128482.3	申请日	2008-07-01	公开(公告)号	CN101340090A	公开(公告)日	2009-01-07
申请人	阿海珐输配电英国有限公司;			发明人	A·维什涅夫斯基; W·雷比扎特; A·克利梅克;
摘要	一种监测电力系统内的电压稳定性的方法，包括如下步骤：基于所述电力系统的工作特性确定动态电力系统的稳定裕度；在所述动态电力系统的稳定裕度下降到预定值以下时，指示所述电力系统已经变得不稳定；以及根据稳定裕度启动动态减荷和/或负载恢复。
权利要求	1、一种监测电力系统内的稳定性的方法，包括如下步骤：基于所述电力系统的工作特性，确定动态电力系统的稳定裕度；在所述动态电力系统的稳定裕度下降到预定值以下时，指示所述电力系统已经变得不稳定；以及根据稳定裕度启动动态减荷和/或负载恢复。 2、根据权利要求1所述的监测电力系统内的稳定性的方法，包括测量电力系统变电站中的母线上的负载角并通过以不大于(+/-)7度的误差估计来确定电源角 3、根据权利要求2所述的监测电力系统内的稳定性的方法，包括确定由下式动态确定的差值Δ： 4、根据权利要求1所述的监测电力系统内的稳定性的方法，其中，所述电力系统内的稳定性的指示器是负载表观功率对负载导纳的导数。 5、根据权利要求4所述的监测电力系统内的稳定状态的方法，其中，由下式确定负载表观功率对负载导纳的导数 $\frac{dS}{dY} = V^{2} \cdot \frac{1 - {(Z_{S} Y)}^{2} - 2 (Z_{S} Y) [Y \frac{d (\cos Δ)}{dY}]}{1 + {(Z_{S} Y)}^{2} + 2 (Z_{S} Y) \cos Δ}$ 其中S是所述负载表观功率，V是电力系统电压，ZS是电源阻抗，Y 是负载导纳，其由Y＝1/ZL给出，其中ZL是负载阻抗，Δ是电力系统的电源和负载之间的动态相角差。 6、根据前述权利要求中的任一项所述的监测电力系统内的稳定状态的方法，其中，确定与负载阻抗和电源阻抗之比相关的稳定裕度包括根据下式来计算所述电力系统的稳定裕度MarginStability： ${M \arg in}_{Stability} = \frac{Z_{L}}{Z_{S}} - 1$ 其中 $\frac{Z_{L}}{Z_{S}} = (\sqrt{\frac{Z_{L 2}}{Z_{L 1}}}) \frac{M + 1}{- (MF + F 2) + {[{(MF + F 2)}^{2} - M^{2} + 1)]}^{0.5}}$ 且 F＝cos[0.5(A1+Δ2)] $F_{2} = Y \frac{d (\cos Δ)}{dy}$ 其中ZL1和ZL2是负载阻抗的初始值和最终值，Δ1和Δ2是角度Δ的初始值和最终值，F和F2是用于简化公式的中间因子，且M由下式给出： $M = \frac{dS}{V^{2} dY} = (\frac{Y}{S}) (\frac{dS}{dY}) .$ 7、根据权利要求6所述的监测电力系统内的稳定性的方法，还包括基于所述裕度(M)来确定待减少的负载量。 8、根据权利要求1和权利要求3中的任一项或任意从属于其的权利要求所述的监测电力系统内的稳定性的方法，其中基于所述电力系统的工作特性确定动态电压工作点包括根据下式计算与S、Y、ZS相关的电压工作点 (VOP)： $V_{OP}^{2} = (\frac{dS}{dY}) \frac{1 + H^{2} + 2 H \cos Δ}{1 - H^{2} - H (2 Y \cdot \frac{d (\cos Δ)}{dY})}$ 其中，方程中的因子“H”表示应该启动减荷时的比值ZSY，并且相对于电源角和负载角之间的差值Δ的变化来连续更新该比值。 9、根据权利要求8所述的监测电力系统内的稳定性的方法，还包括为 ZSY分配预定值。 10、根据权利要求1所述的监测电力系统内的稳定性的方法，在指示所述电力系统已经变得不稳定之后，该方法包括如下步骤：测量电力系统电压(V)，确定差值电压DV，所述差值电压是所述电力系统电压(V)和所述电压工作点(Vop)之间的差值。 11、根据权利要求7和权利要求10中的任一项所述的维持电力系统内的稳定性的方法，还包括：在所述电力系统电压和所述电压工作点之间的所述差值电压DV大于零和/或所述稳定裕度达到预定值时，启动受控的减荷。 12、根据权利要求7和权利要求10中的任一项所述的维持电力系统内的稳定性的方法，还包括：当裕度M和/或DV比返回到预定的设定值时，自动恢复负载。 13、根据权利要求11和权利要求12中的一项或任意从属于其的权利要求所述的维持电力系统内的稳定性的方法，还包括如下步骤：判定所述电力系统内的扰动水平是否正在变化；以及如果所述电力系统内的所述扰动水平正在下降，则重新连接一个或多个负载。 14、一种用于监测电力系统内的稳定性的设备，包括：基于所述电力系统的工作特性来确定动态电力系统的稳定裕度的确定模块；以及指示器，其用于在所述动态电力系统的稳定裕度下降到预定值以下时，指示所述电力系统已经变得不稳定。 15、根据权利要求14所述的维持电力系统内的稳定性的设备，包括：基于所述电力系统的工作特性来监测稳定裕度的确定模块；指示器，其用于在所述稳定裕度下降到预定值以下时，指示所述电力系统已经变得不稳定；以及启动器，其根据稳定裕度来启动动态减荷和/或负载恢复。 16、根据权利要求14所述的设备，包括：用于测量所述电力系统电压V的测量模块，估计模块，其用于以不大于(+/-)7度的误差来估计电源角用于测量所述母线上的负载角的测量模块，用于确定电源角和负载角之间的差值Δ的确定模块，通过计算表观功率对负载导纳的导数(dS/dY)来判定电压稳定性状态的判定模块，判定与负载阻抗和电源阻抗之比相关的稳定裕度(M)的判定模块，判定与Δ相关的电压工作点(Vop)的判定模块，校正模块，其用于动态调节电源角和负载角之间的差值，以连续更新电压工作点(Vop)，如果所述裕度(M)变得过低则确定待减少的负载量的判定模块；和/ 或启动器，其用于在所述电力系统电压和所述电压工作点之间的所述差值DV大于零和/或稳定裕度M达到预定值时启动受控的减荷，恢复模块，其用于在裕度M和/或DV比返回到预定的设定值时自动恢复负载。
说明书全文	技术领域本发明涉及一种在电力系统中确定电压稳定裕度的方法，并且涉及一种用于在电力系统中监测电压稳定极限并用于动态控制减荷和负载恢复的设备。背景技术在大范围的电力系统扰动期间，防止电压故障的最后一道防线是在电压稳定裕度过低的变电站处减荷。这些扰动可能导致电力系统不稳定，这可能导致电压故障或断电。为了能够采取补救措施，则在电力系统变得不稳定时应首先确定补救措施。常规的监测系统将电力系统频率、频率变化速率、电压电平、电压衰减速率、功率通量水平与固定的参考值进行比较，并在电压、频率已下降到参考值以下时指出电力系统已经变得不稳定了。现在，这种装置以固定的设置监测频率和/或电压，其中，在频率或电压下降到预定水平时，可以逐步启动减荷。这种方法的缺点在于，电压电平和稳定极限之间的关系非常依赖于电源EMF和负荷功率因子。因此，在电压的固定设置处逐步减荷不能确保系统在完成操作后保持稳定。因此，需要更为精确地评估电力系统内的电压稳定水平，以实现基于稳定裕度的动态估计的动态减荷和负载恢复。发明内容本发明的实质在于，可以利用表观功率对负载导纳的导数来确定稳定裕度并在裕度变得过低时启动减荷。根据本发明的第一方面，提供了一种监测电力系统内的电压稳定性的方法，包括如下步骤：基于所述电力系统的工作特性确定动态电力系统的稳定裕度；以及在所述动态电力系统的稳定裕度下降到预定值以下时指示所述电力系统已经变得不稳定；根据稳定裕度启动动态减荷和/或负载恢复。优选地，监测电力系统内的电压稳定性的方法包括如下步骤：测量所述电力系统的电压V，以不大于(+/-)7度的误差估计电源角测量母线上的值负载角，确定电源角和负载角之间的差值(Δ)，通过计算表观功率对负载导纳的导数(dS/dY)来确定电压稳定性状态，确定与负载阻抗和电源阻抗之比相关的稳定裕度(M)，确定与Δ相关的电压工作点(Vop)，动态调节电源角和负载角之间的差值，以连续地更新电压工作点 (Vop)，如果裕度(M)变得过低，则确定待减少的负载量，和/或在电力系统电压和电压工作点之间的差值(DV)大于零和/或稳定裕度 (M)达到预定值时，启动受控的减荷，当裕度(M)和/或DV比返回到预定的设定值时，自动恢复负载。即使电力系统已经变得不稳定，也不是总要采取补救措施，因为(例如)电力系统也许能无需外部介入而自我矫正。上述步骤确立了额外的标准，用于在指示电力系统已经变得不稳定之后，判定是否采取减荷形式的补救措施。动态电压工作点根据电力系统内的变化而变化，因此是电力系统实际状态的反映。因此，这些步骤帮助进一步减少引入不必要的介入，以便恢复电力系统的稳定性，从而减少了给电力系统的用户带来的不便。任选地，该方法基于电压稳定性的定义并计算比值，该比值是负载表观功率对负载导纳的导数。这种因子提供了电力系统内的电压稳定性水平的非常好的指示，因此能够准确地判定电力系统是否已经变得不稳定。在本发明的优选实施例中，负载表观功率对负载导纳的导数由下式确定： $\frac{dS}{dY} {= V}^{2} \cdot \frac{1 - {(Z_{S} Y)}^{2} - 2 (Z_{S} Y) [Y \frac{d (\cos Δ)}{dY}]}{1 + {(Z_{S} Y)}^{2} + 2 (Z_{S} Y) \cos Δ}$ 其中S是负载表观功率，V是电力系统电压，ZS是电源阻抗，Y是负载导纳，由Y＝1/ZL给出，其中ZL是负载阻抗，Δ是电力系统的电源和负载之间的动态相角的差。这样就能够容易地计算出负载表观功率对负载导纳的导数，因此有助于不断更新该比值，以反映电力系统内的变化。优选地由下式动态确定Δ，其中是电源相角，是负载相位角。在本发明的另一优选实施例中，该方法包括测量电力系统内的并通过估计确定这种步骤简化了负载表观功率对负载导纳的导数的计算。在本发明的另一优选实施例中，基于电力系统的工作特性确定动态电力系统的稳定裕度的步骤包括根据下式来计算电力系统的稳定裕度 (MarginStability)： ${M \arg in}_{Stability} = \frac{Z_{L}}{Z_{S}} - 1$ 其中 $\frac{Z_{L}}{Z_{S}} = (\sqrt{\frac{Z_{L 2}}{Z_{L 1}}}) \frac{M + 1}{- (MF + F 2) + {[{(MF + F 2)}^{2} - M^{2} + 1)]}^{0.5}}$ 且 F＝cos[0.5(Δ1+Δ2)] $F_{2} = Y \frac{d (\cos Δ)}{dy}$ 其中ZL1和ZL2是负载阻抗的初始值和最终值，Δ1和Δ2是角度Δ的初始值和最终值，F和F2是用于简化公式的中间因子。且M由下式给出 $M = \frac{dS}{V^{2} dY} = (\frac{Y}{S}) (\frac{dS}{dY})$ 这样的步骤确立了精确反映电力系统内的稳定水平的动态电力系统的稳定裕度，并且可以用来确定待减少的负载量。优选地，基于电力系统的工作特性确定动态电压工作点的步骤包括根据下式计算与S、Y、ZS相关的电压工作点(VOP)： $V_{OP}^{2} = (\frac{dS}{dY}) \frac{1 + H^{2} + 2 H \cos Δ}{1 - H^{2} - H (2 Y \cdot \frac{d (\cos Δ)}{dY})}$ 其中，方程中的因子“H”表示应该启动减荷时的比值(ZSY)。这样的步骤允许容易地计算电压工作点。监测电力系统内的稳定性的方法还可以包括分配(ZSY)预定值。这有助于连续地(动态地)将电压工作点重新设置于适当的电平，因为该电平取决于Δ，因此其根据电力系统内的变化而不断变化。任选地，监测电力系统内的电压稳定性的方法还包括如下步骤：判定电力系统内的电压不稳定水平是否在改变；以及如果电力系统内的电压不稳定水平在下降，则重新连接一个或多个负载。这些步骤有助于尽快地将电力系统返回到其正常工作配置。在本发明的另一优选实施例中，监测电力系统内的电压稳定性的方法还包括如下步骤：确定电力系统内的不稳定水平改变的速率；以及根据电力系统内的不稳定水平改变的速率来调节改变负载的程度。以上步骤使得该方法能够适应于电力系统内的电压不稳定性的水平和属性并根据(例如)电力系统是朝更稳定变化还是越来越不稳定来修改待减少或重新引入的负载量。在本发明的又一优选实施例中，监测电力系统内的电压稳定性的方法还包括如下步骤：监测电力系统的负载导纳，仅在检测到负载导纳的变化之后确定动态电压系统的稳定裕度。该步骤防止了在电源电压或阻抗变化之后发出任何表示电力系统已经变得不稳定的错误指示。根据本发明的第二方面，提供了一种用于监测电力系统内的电压稳定性的设备，其包括：基于所述电力系统的工作特性监测稳定裕度的确定模块；指示器，其用于在稳定裕度下降到预定值以下时指示电力系统已经变得不稳定；以及启动器，其根据稳定裕度启动动态减荷和/或负载恢复。任选地，该设备包括：用于测量电力系统电压V的测量模块，用于以不大于(+/-)7度的误差估计电源角的估计模块，用于测量母线上的值负载角的测量模块，用于确定电源角和负载角之间差值(Δ)的确定模块，用于通过计算表观功率对负载导纳的导数(dS/dY)来判定电压稳定性状态的判定模块，用于根据负载阻抗与电源阻抗之比判定稳定裕度(M)的判定模块，用于判定与Δ相关的电压工作点(Vop)的判定模块，用于动态调节电源角和负载角之间的差值以连续更新电压工作点 (Vop)的校正模块，如果裕度(M)变得过低则确定待减少的负载量的判定模块，和/或在电力系统电压和电压工作点之间的差值(DV)大于零和/或稳定裕度 (M)达到预定值时启动受控减荷的启动器，当裕度(M)和/或DV比返回到预定的设定值时自动恢复负载的恢复模块。本发明的设备与本发明的对应方法步骤具有共同的优点。附图说明图1示出了电力系统的等效电路的示意图。具体实施方式现在参考图1的附图以非限制性范例的方式简要介绍本发明的优选实施例，图1示出了电力系统的等效电路的示意图。根据本发明第一实施例的用于保持电力系统内的稳定性的方法包括如下步骤：基于所述电力系统的工作特性确定动态电力系统的稳定裕度；以及在所述动态电力系统的稳定裕度下降到预定值以下时指示所述电力系统已经变得不稳定；根据稳定裕度启动动态减荷和/或负载恢复。使动态电力系统的稳定裕度以电力系统的工作特性为基础使得稳定裕度能够适应于电力系统内的变化，例如电力系统内的母线、线路和负载的配置的变化。电力系统的工作特性是负载表观功率对负载导纳的导数其由下式确定 $\frac{dS}{dY} = V^{2} \cdot \frac{1 - {(Z_{S} Y)}^{2} - 2 (Z_{S} Y) [Y \frac{d (\cos Δ)}{dY}]}{1 + {(Z_{S} Y)}^{2} + 2 (Z_{S} Y) \cos Δ}$ 其中S是负载表观功率，V是电力系统电压，ZS是电源阻抗，Y是负载导纳，其由Y＝1/ZL给出，其中ZL是负载阻抗，Δ是电力系统的电源和负载之间的动态相位角差。图1中示出了电力系统的Thevenin等效电路10。电路10包括电源等效电动势(EMF)12、电源阻抗14和负载阻抗16。电力系统电压V跨越负载阻抗16两端。随着(ZSY)接近于一，即接近于1，就接近了电力系统内的电压稳定水平极限。因此，负载表观功率对负载导纳的导数是电力系统的稳定裕度的良好的指示器。由下式动态确定Δ，其中是电源相位角，是负载相位角。动态地确定Δ意味着负载表观功率对负载导纳的导数连续地反映电力系统的稳定性的实际状态。在电力系统中的负载相位角是测量得到的，而电源相位角是通过估计获得的。可以估计电源相位角的一种方式是在系统的不同点进行相量测量，并将这些相量与在系统参考点所测量的相量加以比较。另一种估计方法依赖于对进入变电站的输入线路的线路电流和线路参数(R)和(X)的测量，并通过从线路阻抗复值计算相位角来估计相位角。可以估计电源相位角的另一种方法是根据Thevenin等效电路原理来计算等效电源阻抗。根据下式计算电力系统的稳定裕度(MarginStability)： ${M \arg in}_{Stability} = \frac{Z_{L}}{Z_{S}} - 1$ 其中 $\frac{Z_{L}}{Z_{S}} = (\sqrt{\frac{Z_{L 2}}{Z_{L 1}}}) \frac{M + 1}{- (MF + F 2) + {[{(MF + F 2)}^{2} - M^{2} + 1)]}^{0.5}}$ 且 F＝cos[0.5(Δ1+Δ2)] $F_{2} = Y \frac{d (\cos Δ)}{dy}$ 其中ZL1和ZL2是负载阻抗的初始值和最终值，Δ1和Δ2是角度Δ的初始值和最终值，F和F2是用于简化公式的中间因子，且M由下式给出 $M = \frac{dS}{V^{2} dY} = (\frac{Y}{S}) (\frac{dS}{dY})$ 根据本发明第一实施例的保持电力系统内的稳定性的方法在指示电力系统已经变得不稳定之后还包括如下步骤：动态地调节电源角和负载角之间的差值Δ，确定与Δ相关的电压工作点(Vop)并连续更新电压工作点(Vop)，测量电力系统的电压(V)，确定电力系统电压和电压工作点之间的差值(DV)，如果DV大于零则启动减荷，基于裕度(M)确定要减少的负载量，如果裕度变得过低则启动减荷。这些额外的步骤在启动减荷形式的补救措施以保持电力系统的稳定性之前提供了对电力系统的状态的进一步检查。这样一来，这些步骤进一步有助于降低如下可能性：在(例如)电力系统可能无需外部介入而自动恢复稳定的时候不必要地启动补救措施。根据下式计算与S、Y、ZS相关的电压工作点(VOP)： $V_{OP}^{2} = (\frac{dS}{dY}) \frac{1 + H^{2} + 2 H \cos Δ}{1 - H^{2} - H (2 Y \cdot \frac{d (\cos Δ)}{dY})}$ 其中，方程中的因子“H”表示应该启动减荷时的比值(ZSY)。此外，在所描述的实施例中，为(ZSY)分配预定值。通常，这取决于系统内的电压稳定性的降低速率，且为一建议值，通过全面测试以为设置电压工作点建立最优化的规则来获得该建议值。第一实施例的方法还包括判定电力系统内的扰动水平是否在改变；以及如果电力系统内的扰动水平下降则重新连接一个或多个负载。电力系统内的扰动水平下降表明电力系统在向着稳定变化，因此有可能向电力系统内重新引入一个或多个负载，从而将给电力系统的用户带来的不便降到最低。根据第一实施例的本发明的方法还包括判定电力系统内的扰动水平变化的速率；以及根据电力系统内的扰动水平变化的速率来调节改变负载的程度。这种方式并入了一种方法，该方法对于电力系统内的扰动水平改变的速率具有一定程度的适应性。因此，较之扰动水平以较小速率改变的情况，扰动水平的变化速率较大能够导致减荷中的较大变化。

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