考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法及系统

本发明属于电网稳定性评估，尤其涉及考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法及系统。

背景技术：

1、随着能源结构转型，电力系统新格局逐步呈现，暂态电压稳定问题日渐突出。新型电力系统对非预案式紧急控制技术的需求日趋升高，相应地，基于可量测响应电气量判断暂态电压失稳也势在必行。与功角失稳不同，电压失稳可呈现区域性特点，局部节点可能具有相似电压暂态特性和电压稳定性。考虑到系统规模日益扩大、运行方式日趋复杂，判断暂态电压失稳时，对电网中所有节点实行量测既没有必要也存在困难。因此，依据电压暂态的相似性合理进行电网节点分区，并在同一分区内选取少数关键节点代表整个分区，对于实现非预案式控制和基于响应的暂态电压判稳具有重要意义。

2、目前，电网中暂态电压失稳过程由负荷侧正反馈暂态电压失稳机理所主导。因此，电压分区的划分应充分考虑负荷的暂态特性。但是，多数传统电压分区方法是从发电机发出无功功率对节点电压的控制范围出发，通过定义节点间的电气距离，结合层次聚类、图论和复杂网络理论等分区算法进行区域划分，目标也仅为更好地控制电压质量，并非为电压稳定判别过程中的降维。部分学者根据电压—无功灵敏度定义节点间的电气距离，并提出一种基于d-s证据理论的无功电压分区，也有学者提出了一种基于无功源控制空间聚类分析的无功电压分区方法。上述电压方法只考虑了发电机无功电压耦合特性，没有根据扰动发生后的负荷特性来划分。

3、除此之外，现有基于负荷暂态特性的分区方法仅从单一负荷暂态特性方程出发，忽略了节点在网络中的电气关系，没有考虑节点暂态特性之间的耦合关系。

4、另一方面，针对电压分区问题现有方法多基于电力系统稳态电气量实现：有部分学者依据潮流计算的雅可比矩阵计算分区，然后再考虑各种网络拓扑的变化对分区结果进行修正，也有学者通过定义与系统稳态信息相关的多项指标，基于模糊聚类提出了电压区域划分的方法。

5、上述方法均只考虑稳态信息，忽略了故障扰动下的暂态过程，可能导致区域划分结果与暂态过程下实际分区结果不符。

6、综上所述，上述研究虽然在一定程度上考虑了电力系统电压分区方法的影响因素，但是这些分区方法均没有综合考虑负荷暂态特性及暂态特性的耦合关系，同时也忽略了故障扰动下的暂态过程，具有片面性，在最终的电压分区结果的准确性上，仍然有一定的上升空间。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法及系统，分别从负荷暂态耦合和电压波动相似性两个角度进行电压分区，构造更准确的分区方法，进而选取关键母线来代表整个分区的暂态电压稳定性，实现暂态电压判稳在时间和空间上的降维。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法。

4、考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法，包括以下步骤：

5、辨识负荷侧暂态电压失稳主导机理，结合节点在网络中的电气关系，构建计及节点耦合的负荷暂态改进模型；

6、基于计及节点耦合的负荷暂态改进模型，确定出各个负荷节点改进后的暂态特性方程，并确定改进后暂态特性方程的主导模式及其对应特征根，根据特征根距离实现各个节点的初步分区；

7、获取扰动后负荷节点的电压受扰轨迹，定义节点电压暂态的相似性距离，根据节点电压暂态的相似性距离实现各个节点的二次分区；

8、利用二次分区的结果对初步分区的结果进行更新，得到最终电压分区结果。

9、进一步的，辨识负荷侧暂态电压失稳主导机理，结合节点在网络中的电气关系，构建计及节点耦合的负荷暂态改进模型，具体为：

10、基于负荷侧暂态电压失稳机理，考虑感应电动机转子运动主导暂态过程，确定负荷侧暂态电压失稳的特性方程具体为：

11、

12、式中，s为转差率(状态变量)，tj为惯性时间常数，tm为机械转矩；te为电磁转矩；

13、基于多时间尺度理论，由于网络节点间的电磁暂态过程远快于感应电动机转子机械暂态过程，因此确定节点间电气耦合关系表达为稳态下的节点电压方程，具体为：

14、

15、式中，为负荷节点与中性点之间的电流，y为节点导纳矩阵，为节点电压；

16、基于负荷侧电压失稳主导机理和网络节点电气关系，利用节点电压方程对负荷暂态特性方程进行改写，构建计及节点耦合的负荷暂态改进模型，具体为：

17、

18、式中，α为机械负载转矩中与感应电动机转速无关的部分所占的比例；pm为与机械负载特性有关的指数；k为电动机的负荷率；s为感应电动机转差率；rr/s为转子等值电阻；ω为定子磁场角速度。

19、进一步的，基于改进后各节点负荷暂态特性的主导模式，根据特征根距离实现各个节点的初步分区，具体为：

20、基于稳定性分析理论，由于负荷节点暂态特性方程为一阶微分方程，因此确定负荷节点暂态特性由线性化后特性方程的特征根主导，具体为：

21、

22、式中，λ为线性化后负荷节点暂态特性方程的特征根；

23、根据每个节点的特征根和离差平方和法进行聚类分析，得到考虑负荷暂态耦合的初次分区结果。

24、进一步的，基于扰动后负荷电压受扰轨迹，定义节点电压暂态的相似性距离，根据节点电压暂态的相似性距离实现各个节点的二次分区，具体为：

25、基于扰动后负荷节点的电压受扰轨迹，分析节点电压波动特性，定义节点电压暂态的相似性距离，具体为：

26、

27、式中，dij为节点i与节点j之间电压暂态的相似性距离，k为扰动后采样点个数；uib(m)和ujb(m)为节点i与节点j采样时刻电压波动值；

28、根据节点电压暂态的相似性距离通过分层聚类算法进行聚类，得到基于电压相似性的二次分区结果。

29、进一步的，利用二次分区的结果对初步分区的结果进行更新，具体为：

30、将二次分区结果和初步分区结果的交集分为一区，其余节点分在各自所在区域，从而实现对初步分区结果的更新，得到最终电压分区结果。

31、本发明第二方面提供了考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区系统。

32、考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区系统，包括：

33、模型改进模块，被配置为：辨识负荷侧暂态电压失稳主导机理，结合节点在网络中的电气关系，构建计及节点耦合的负荷暂态改进模型；

34、初步分区模块，被配置为：基于计及节点耦合的负荷暂态改进模型，确定出各个负荷节点改进后的暂态特性方程，并确定改进后暂态特性方程的主导模式及其对应特征根，根据特征根距离实现各个节点的初步分区；

35、二次分区模块，被配置为：获取扰动后负荷节点的电压受扰轨迹，定义节点电压暂态的相似性距离，根据节点电压暂态的相似性距离实现各个节点的二次分区；

36、更新模块，被配置为：利用二次分区的结果对初步分区的结果进行更新，得到最终电压分区结果。

37、本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法中的步骤。

38、本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法中的步骤。

39、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

40、本发明提供了一种考虑负荷暂态耦合和电压相似性的节点分区方法及系统，基于负荷侧暂态电压失稳机理和网络侧节点电气关系，构建计及节点耦合的负荷暂态改进模型，进而确定出各个负荷节点改进后的暂态特性方程，并确定改进后暂态特性方程的主导模式及其对应特征根，根据特征根距离实现各个节点的初步分区，充分考虑了电网中负荷的暂态特性及耦合关系，避免了片面地考虑单个负荷暂态过程，也避免了片面地从无功电压耦合特性角度分析。

41、本发明基于电压相似性进行电压分区，在考虑负荷节点暂态耦合特性的基础上，利用扰动后节点电压受扰波动轨迹，结合节点暂态电压波动特性实现电压分区结果的更新，避免了仅基于电力系统稳态电气量来划分电压区域而导致分区结果与实际结果不符的问题，能够更准确地实现电压分区目的。

42、本发明重点解决了暂态电压稳定性评估中的电压区域划分问题，可作为选取关键节点代表分区电压水平的重要依据，以此实现暂态电压稳定评估在时间和空间上的降维。

43、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。