一种含新能源的电网短路电流限流方法与流程

1.本发明属于电力系统优化控制领域，具体涉及一种含新能源的电网短路电流限流方法。


背景技术：

2.目前，随着电网中大量电力电子设备的接入、特高压交直流的建设以及新能源的开发与利用，电网的联系紧密程度与负荷密度均存在增加的现象，电网的短路电流超标问题日益突出，严重威胁到电网的安全稳定运行。
3.为了响应国家能源局大力开发清洁能源的号召，新能源机组在电网中的大量接入势在必行。在当前低比例新能源电网阶段下，新能源机组接入的特点依然是小规模分散性的，对电网短路电流的助增效应十分有限。而在未来电网中，传统火力燃煤发电机组必将被淘汰，电网呈现出高比例新能源接入的特点，届时新能源机组对短路电流的助增效应将不可忽视，因此现今电网的短路电流超标问题日益严重。针对上述问题，现如今已有不少“离线”的限流措施可供选择，包括一些文献中提到：优化电网的运行方式、投入限流设备、变压器中性点加装小电抗、切断线路等。但这种“离线”的限流措施在应对新能源机组运行方式多变、出力大小不确定的复杂度较高问题时，其校核所有短路电流濒危场景变得越来越困难，很容易出现隐患性超标问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能够有效应对新能源接入后电网复杂多变工况的电网短路电流限流方法。
5.为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
6.一种含新能源的电网短路电流限流方法，依次包括以下步骤：
7.步骤a、先获取电网中新能源机组在下一阶段的出力预测值，再结合最优潮流方法确定下一阶段各发电机组的出力；
8.步骤b、先根据下一阶段各发电机组的出力确定其开启台数，然后基于开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值；
9.步骤c、基于调整后各发电机组的次暂态电抗值，利用节点导纳矩阵计算全网短路电流，若存在短路电流超标的线路，则进入步骤d；
10.步骤d、对于短路电流超标的线路，根据电网拓扑中的可开断线路集l生成限流措施集s，并根据限流措施集s中的某一限流措施进行线路开断操作后重新对线路开断状态进行标记，其中，所述线路开断操作包括将双回线路切换为单回运行模式、断开单回线路；
11.步骤e、根据标记的线路开断状态对节点导纳矩阵进行更新后返回步骤c，若仍然存在短路电流超标的线路，则选用限流措施集s中另一限流措施再次进行迭代，直至不存在短路电流超标的线路或达到最大允许迭代次数，最终得到的结果即为电网最优限流方法。
12.步骤d中，所述生成限流措施集s的方法为：
13.对于短路电流超标的线路，以其为中心点选择可开断线路集l中与之相邻的6-8条线路制定对应的开断操作策略，这些开断操作即作为限流措施构成限流措施集s。
14.步骤d中，所述对线路开断状态进行标记是指：
15.先将可开断线路集l中的所有线路按类型划分为双回线路集合l1、单回线路集合l2，对于l1中的某条线路，断开其中一回线后将其从l1中剔除并划入l2中，对于l2中的某条线路，将其断开后从l2中剔除。
16.所述步骤e基于以下公式对节点导纳矩阵进行更新：
17.y'＝y+
△y18.对于l1中的线路，
[0019][0020]
对于l2中的线路，
[0021][0022]
上式中，y'为更新后的节点导纳矩阵，y为根据电网的结构参数生成原始节点导纳矩阵，
△
y为修改矩阵，根据线路的切断操作得到，m、n分别为l1、l2中的线路总数，为y中第i行第j列元素，即第k条线路的导纳值，为第k条线路两端节点i、j之间的对地电容电纳。
[0023]
所述步骤b根据以下公式计算得到各发电机组的次暂态电抗值：
[0024]
[0025][0026]
上式中，为发电机组的次暂态电抗，x
″
为单台发电机的次暂态电抗大小，ng为发电机组的开启台数，n
min
、n
max
分别为第i组发电机的最小、最大开机台数，pi为第i组发电机输出的有功功率，p
i(min)
、p
i(max)
分别为第i组发电机输出的有功功率下限和上限，p
gm
为一台发电机的最大有功出力。
[0027]
所述步骤c按照将新能源出力置零，通过传统基于故障分量和叠加原理的短路电流计算方法求得电网的短路电流i：
[0028]
i＝[i1,i2,...i
ne
...ik]
t
[0029]
上式中，i
ne
为新能源并网线路的短路电流，ik为第k条线路的短路电流。
[0030]
步骤a中，所述最优潮流方法的数学模型为：
[0031]
minf＝2f1+0.75f2[0032][0033][0034]
p
i(min)
≤pi≤p
i(max)
[0035]vi(min)
≤vi≤v
i(max)
[0036]
上式中，f为目标函数，f1、f2分别为机组的煤耗成本和网损，c1、c2、c3为机组运行成本系数，g为发电机总台数，pi为第i组发电机输出的有功功率，nk为电网线路总数，g
ij
、b
ij
分别为第k条线路两端节点i、j之间的导纳、接地电容电纳，，p
i(min)
、p
i(max)
分别为第i组发电机输出的有功功率下限和上限，vi、vj分别为第i、j个节点的电压，θi、θj分别为第i、j个节点的电压相角，v
i(min)
、v
i(max)
分别为第i个节点的电压下限和上限。
[0037]
所述数学模型中，新能源发电机组的输出有功功率为其出力预测值的负值。
[0038]
步骤e中，对于大型电网，所述最大允许迭代次数为5次；对于中小型电网，所述最大允许迭代次数为10-15次；
[0039]
若达到最大允许迭代次数后仍存在短路电流超标的线路，则在超标线路上安装限流设备。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0041]
本发明一种含新能源的电网短路电流限流方法先获取电网中新能源机组在下一阶段的出力预测值，并结合最优潮流方法确定下一阶段各发电机组的出力，再根据下一阶段各发电机组的出力确定其开启台数，并基于开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值，然后基于调整后各发电机组的次暂态电抗值，利用节点导纳矩阵计算全网短路电流，若存
在短路电流超标的线路，则根据电网拓扑中的可开断线路集l生成限流措施集s，并根据限流措施集s中的某一限流措施进行线路开断操作后重新对线路开断状态进行标记，随后根据标记的线路开断状态对节点导纳矩阵进行更新后重新计算全网短路电流，不断迭代，直至不存在短路电流超标的线路或达到最大迭代次数，一方面，该方法整个流程可在线实施，能够有效应对新能源接入后电网复杂多变工况，降低短路电流超标等危害电网安全事故的风险；另一方面，该方法通过最优潮流计算确定的发电机开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值，能够替换原状态下机组的次暂态电抗进行短路计算，使短路计算的结果更加准确。因此，本发明不仅能够有效应对新能源接入后电网复杂多变工况，而且提高了短路电流计算结果的准确度。
附图说明
[0042]
图1为本发明的流程图。
[0043]
图2为实施例1采用的新英格兰10机39节点系统的拓扑网架图。
[0044]
图3为实施例1得到的各发电机有功出力图。
[0045]
图4为实施例1中母线17发生三相短路时计算得到的全网各条线路的短路电流(标幺值)。
[0046]
图5为实施例1中不存在短路电流超标线路时电网各线路的短路电流(标幺值)。
具体实施方式
[0047]
下面结合具体实施方式以及附图对本发明作进一步详细的说明。
[0048]
本发明提供了一种含新能源的电网短路电流限流方法，该方法利用下一阶段的新能源出力预测值，按照最优潮流方法估算电网在下一阶段的发电机组出力，然后根据发电机组出力确定其开机台数并更新次暂态电抗，再按照对新能源出力置零的方式进行短路计算并确定该场景是否为短路电流超标场景，在此基础上，考虑开断单回线与双回线其中一回这两种限流措施，制定相应的限流措施集，并按照限流措施集中的限流措施更新节点导纳矩阵，再次进行短路电流计算，通过不断迭代制定适合全网最优的限流措施。本发明实现了新能源接入电网的短路电流可控防治，属于一种可在线实施的短路电流治理手段，具有能够应对新能源复杂多变的出力及运行方式等优点，可作为传统离线校核检测存在短路电流超标盲区时的紧急应对策略，是一种新型高效的短路电流防治方法。
[0049]
限流措施集s：本发明针对短路电流超标的线路，会以其为中心点选择可开断线路集l中与之相邻的6-8条线路制定各自的限流措施，从而实现限流措施集s的中在线构建。在第一次迭代时选用的初始限流措施通常为与超标线路最邻近的可开断线路进行开断操作，以完成最基础的短路电流限制功能，而在后面的迭代中所选用的限流措施均是在初始限流措施的基础上，选择限流措施集s中逐渐远离超标线路方向上的其他可开断线路所对应的限流措施，这些限流措施呈现出逐渐“加码”的趋势，每增加一条可开断线路均意味着短路电流水平的降低，因此能够应对越来越严重的短路电流超标问题。
[0050]
实施例1：
[0051]
参见图1，一种含新能源的电网短路电流限流方法，本实施例针对新英格兰10机39节点系统(其拓扑网架图参见图2，其中，额定容量sn＝100mva，母线12局部为138kv区域，母
线20局部为230kv区域，网架其余部分均为345kv区域。节点4接入有双馈风机，节点24接入有光伏电源、节点27接入有永磁直驱风机，各新能源出力均设定为300mva，所有线路均为双回线路，发电机次暂态电抗标幺值按编号从小到大顺序分别为0.091、0.0697、0.0531、0.0436、0.032、0.05、0.049、0.057、0.057、0.006)，依次按照以下步骤进行：
[0052]
1、先获取电网中新能源机组在下一阶段的出力预测值，再结合最优潮流方法确定下一阶段各发电机组的出力(结果参见图3)，其中，所述最优潮流方法的数学模型为：
[0053]
min f＝2f1+0.75f2[0054][0055][0056]
p
i(min)
≤pi≤p
i(max)
[0057]vi(min)
≤vi≤v
i(max)
[0058]
上式中，f为目标函数，f1、f2分别为机组的煤耗成本和网损，c1、c2、c3为机组运行成本系数，g为发电机总台数，pi为第i组发电机输出的有功功率，对于接入到4、24、27三个节点的新能源发电机，其输出功率均为-300mw，nk为电网线路总数，g
ij
、b
ij
分别为第k条线路两端节点i、j之间的导纳、接地电容电纳，，p
i(min)
、p
i(max)
分别为第i组发电机输出的有功功率下限和上限，vi、vj分别为第i、j个节点的电压，θi、θj分别为第i、j个节点的电压相角，v
i(min)
、v
i(max)
分别为第i个节点的电压下限和上限。
[0059]
2、根据下一阶段各发电机组的出力确定其开启台数：
[0060][0061]
上式中，ng为发电机组的开启台数，n
min
、n
max
分别为第i组发电机的最小、最大开机台数，pi为第i组发电机输出的有功功率，p
i(min)
、p
i(max)
分别为第i组发电机输出的有功功率下限和上限，p
gm
为一台发电机的最大有功出力。
[0062]
3、基于开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值：
[0063][0064]
上式中，为发电机组的次暂态电抗，x
′
为单台发电机的次暂态电抗大小。
[0065]
本实施例确定的各发电机组的次暂态电抗大小为0.0303、0.0349、0.0531、0.0436、0.032、0.025、0.016、0.057、0.029、0.006(标幺值)。
[0066]
4、设定故障节点为母线17出口处，基于调整后各发电机组的次暂态电抗值，按照
将新能源出力置零，通过传统基于故障分量和叠加原理的短路电流计算方法计算电网的短路电流i(结果参见图4)：
[0067]
i＝[i1,i2,...i
ne
...ik]
t
[0068]
上式中，i
ne
为新能源并网线路的短路电流，ik为第k条线路的短路电流，结合新能源并网母线电压及新能源控制策略求得，如对于并网的光伏逆变器，其短路输出电流大小为：
[0069][0070]
上式中，in为并网光伏机组的额定输出电流，v
pv
为光伏并网点的电压。
[0071]
5、上述求取的短路电流i为一标幺值电流矩阵，以标幺值15为阈值，若i中有线路的短路电流超过15，则判定其为短路电流超标的线路，并进入步骤6；
[0072]
由图4可知，短路电流超标的线路分别为编号7、26、30，其短路电流标幺值分别达到了18.74、37.10、18.98。
[0073]
6、对于短路电流超标的线路，以其为中心点选择电网拓扑中的可开断线路集l中与之相邻的6条线路制定各自的开断操作策略，所述线路开断操作包括将双回线路切换为单回运行模式、断开单回线路，这些开断操作即作为限流措施构成限流措施集s。
[0074]
7、先将可开断线路集l中的所有线路按类型划分为双回线路集合l1、单回线路集合l2，再根据限流措施集s中离超标线路最近的可开断线路所对应的初始限流措施进行线路开断操作后重新对线路开断状态进行标记，具体为：
[0075]
对于l1中的某条线路，断开其中一回线后将其从l1中剔除并划入l2中，对于l2中的某条线路，将其断开后从l2中剔除。
[0076]
8、根据标记的线路开断状态对节点导纳矩阵进行更新：
[0077]
y'＝y+
△y[0078]
对于l1中的线路，
[0079][0080]
对于l2中的线路，
[0081][0082]
上式中，y'为更新后的节点导纳矩阵，y为根据电网的结构参数生成原始节点导纳矩阵，
△
y为修改矩阵，根据标记的线路开断状态确定，m、n分别为l1、l2中的线路总数，为y中第i行第j列元素，即第k条线路的导纳值，为第k条线路两端节点i、j之间的对地电容电纳。
[0083]
在矩阵
△
y中，对于进行了切断操作的线路k，其导纳值取或而对于未进行切断操作的线路，导纳值均设为0。
[0084]
9、返回步骤4，利用更新后的节点导纳矩阵计算电网的短路电流i，若仍存在短路电流超标的线路，则选用限流措施集s中另一限流措施再次进行迭代。
[0085]
10、不断循环迭代，直至不存在短路电流超标的线路，且在不断迭代的过程中所选用的限流措施所对应的可开断线路呈逐渐远离超标线路的趋势，此时电网各线路的短路电流(标幺值)参见图5。

技术特征：
1.一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：所述方法依次包括以下步骤：步骤a、先获取电网中新能源机组在下一阶段的出力预测值，再结合最优潮流方法确定下一阶段各发电机组的出力；步骤b、先根据下一阶段各发电机组的出力确定其开启台数，然后基于开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值；步骤c、基于调整后各发电机组的次暂态电抗值，利用节点导纳矩阵计算全网短路电流，若存在短路电流超标的线路，则进入步骤d；步骤d、对于短路电流超标的线路，根据电网拓扑中的可开断线路集l生成限流措施集s，并根据限流措施集s中的某一限流措施进行线路开断操作后重新对线路开断状态进行标记，其中，所述线路开断操作包括将双回线路切换为单回运行模式、断开单回线路；步骤e、根据标记的线路开断状态对节点导纳矩阵进行更新后返回步骤c，若仍然存在短路电流超标的线路，则选用限流措施集s中另一限流措施再次进行迭代，直至不存在短路电流超标的线路或达到最大允许迭代次数，最终得到的结果即为电网最优限流方法。2.根据权利要求1所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：步骤d中，所述生成限流措施集s的方法为：对于短路电流超标的线路，以其为中心点选择可开断线路集l中与之相邻的6-8条线路制定对应的开断操作策略，这些开断操作即作为限流措施构成限流措施集s。3.根据权利要求2所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：步骤d中，所述对线路开断状态进行标记是指：先将可开断线路集l中的所有线路按类型划分为双回线路集合l1、单回线路集合l2，对于l1中的某条线路，断开其中一回线后将其从l1中剔除并划入l2中，对于l2中的某条线路，将其断开后从l2中剔除。4.根据权利要求3所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：所述步骤e基于以下公式对节点导纳矩阵进行更新：y'＝y+
△
y对于l1中的线路，对于l2中的线路，
p
i(min)
≤p
i
≤p
i(max)vi(min)
≤v
i
≤v
i(max)
上式中，f为目标函数，f1、f2分别为机组的煤耗成本和网损，c1、c2、c3为机组运行成本系数，g为发电机总台数，p
i
为第i组发电机输出的有功功率，n
k
为电网线路总数，g
ij
、b
ij
分别为第k条线路两端节点i、j之间的导纳、接地电容电纳，，p
i(min)
、p
i(max)
分别为第i组发电机输出的有功功率下限和上限，v
i
、v
j
分别为第i、j个节点的电压，θ
i
、θ
j
分别为第i、j个节点的电压相角，v
i(min)
、v
i(max)
分别为第i个节点的电压下限和上限。8.根据权利要求7所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：所述数学模型中，新能源发电机组的输出有功功率为其出力预测值的负值。9.根据权利要求1所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：步骤e中，对于大型电网，所述最大允许迭代次数为5次；对于中小型电网，所述最大允许迭代次数为10-15次；若达到最大允许迭代次数后仍存在短路电流超标的线路，则在超标线路上安装限流设备。10.根据权利要求1所述的一种含新能源的电网短路电流限流方法，其特征在于：所述步骤e在不断迭代的过程中，所选用的限流措施所对应的可开断线路呈逐渐远离超标线路的趋势。

技术总结
一种含新能源的电网短路电流限流方法，该方法先采用最优潮流方法确定下一阶段各发电机组的出力，再根据各发电机组的出力确定其开启台数，并基于开启台数调整各发电机组的次暂态电抗值，然后利用节点导纳矩阵计算全网短路电流，若存在短路电流超标的线路，则根据电网拓扑中的可开断线路集L生成限流措施集S，并根据限流措施集S中的某一限流措施进行线路开断操作后重新对线路开断状态进行标记，随后根据标记的线路开断状态对节点导纳矩阵进行更新后再次计算全网短路电流，不断迭代，直至不存在短路电流超标的线路或达到最大迭代次数。本设计能够有效应对新能源接入后电网的复杂多变工况，降低短路电流超标等危害电网安全事故的风险。的风险。的风险。


技术研发人员：王博 乔立 黄梓欣 姚伟 赵红生 刘巨 熊志 魏聪 张东寅 胡婷 任羽纶 余轶 王佳
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/5/25