基于SCADA数据的电压稳定评估算法

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于SCADA数据的电压稳定评估算法范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

[摘 要]本文提出了一种基于电网调度自动化系统（scada）的电压稳定评估算法。该算法利用SCADA监测得到的负荷节点及与其相连接节点的电压相量，用戴维南等值原理得到一等价电压相量，建立等价两节点系统。通过对等价两节点系统电压稳定评估，提出了以被监测负荷节点的电压相量在等价电压相量的投影与等价电压相量幅值的一半之差，作为判断该节点电压稳定与否的指标――就地电压稳定评估指标（）。分析得到，值越接近0，系统越接近其传输能力极限，电压越接近失稳边缘。将该算法分别应用于5节点和14节点系统中，应用潮流结果作为SCADA测量数据进行仿真，仿真结果验证了该算法的正确性。

[关键词]电网调度自动化系统（SCADA）；潮流；电压稳定；电压稳定评估指标

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）48-0122-02

一、利用SCADA监测值对系统进行等值

SCADA能实时监测系统中节点的电压向量。将常用的戴维南等效方法用于监测节点及与其相连接节点的同步电压相量，从而得到一个等价的两节点系统。如图1所示，把SCADA测量得到的同步电压相量看成能反映节点的电压相量变化的电压源，再通过戴维南等效原理进行进一步的等效，得到如图2所示等效两节点系统（设定4号节点为被监测节点，则参与等效的节点分别是与其相连的2，3，5，7，9号节点）。

以下是用于等效过程中的方程，其中为被监测节点的代号：

（1）

（2）

其中，=1，2，……，是与节点相连接的节点代号；为节点与之间的阻抗。

（3）

（） （4）

二、两节点系统电压稳定评估

在上一节中，我们得到一个等效两节点系统。在此，我们对这一两节点系统进行电压稳定评估，选取负荷电压相量在等效电源电压相量方向上的投影值做为电压稳定评估的指标。

如图3所示为一个两节点系统，其负荷为阻抗，应用分压原理得负载的节点电压为：

= （5）

当=成立时，系统达到其传输能力极限，进一步降低电抗，系统会丧失对功率的控制能力。

将代入，得到临界负荷电压相量为：

得= （6）

式中得到的是临界负荷电压相量的一般表达式，则其在电压源相量上的投影为：

得 （7）

由式（7）可知，当这个投影等于电压电压相量幅值的一半时，系统即发生电压失稳。

令，=

则==

化简得

（8）

其中。则在电压源相量上得投影为

（9）

利用图3所示的数据进行仿真，其中阻抗的相角分别设定为=，，，……。图4（a）、（b）所示仿真结果，其中横坐标表示线路阻抗模与负荷阻抗的模之比，即，而每一条曲线，均是保持同一电抗的相角下，把负荷阻抗的模值从无限大开始减少，也就是说把负荷功率的需求不断增加。图中位于A=1的垂直线的左边为稳定区，而右边则为失稳区。图4（b）中，不论电抗的相角如何变化，当系统发生电压失稳时，负荷电压的投影均为电源电压幅值的一半。（图中，曲线由上到下分别对应于=，，，……时的曲线）

三、就地电压稳定评估指标（）原理

1、两节点系统电压稳定的指标（）

简单两节点系统如图5（a）所示，节点1为发电机节点，电压相量为，负荷节点2的电压相量为，负荷功率为、，电源与负荷节点之间的连接阻抗为，阻抗上的电压降落为（）。

由图5（a）可得：

（10）

（11）

随着负荷的增加，电压降落的模值也逐渐增大，当其与节点2的电压幅值相等时，达到了系统稳定的极限，称之为临界状态。由（10）和（11）求出图5（a）所示系统的雅可比矩阵J，令=0，得：

==0（12）

得=，即=时，，，构成一个等腰三角形。为底边，如图5（b）所示，令，与同方向，称为电压降落的纵分量，称为电压降落的横分量，临界状态时，与的关系为：

= （13）

由（12）式可知，当电压降落的纵分量大于时，节点电压崩溃，由此得到判断两节点系统电压稳定的指标为：

=-= （14）

且0时，节点电压稳定运行，当=0时，为系统节点电压运行极限。

2、就地电压稳定评估指标（）

在以上推导中，我们假设电压源的幅值为常数，且相角为0。但在实际的等效两节点系统中，等效电压源的幅值不再是常数，而相角也不再为0。由于他们均随系统的变化而变化，因此，本文进行以下修改，把就地电压稳定评估指标（）定义为：

=（15）

其中为观测点节点电压，为其相位角，为等效电压源的电压值，为其相位角度。

反映的是：系统当前的运行状态下，与被监测节点传输能力极限的距离。越接近于0，则系统越接近其传输能力的极限，当等于0时，意味着系统已达到传输能力极限。此时，负载若进一步增加，系统即发生电压失稳。因此本身具有反映电压稳定裕度的能力。

四、仿真计算

将上述基于SCADA的电压稳定评估指标算法被分别用于5节点和14节点系统中。其中，我们用系统的潮流结果作为SCADA的结果进行仿真。

1、5节点系统仿真

如图所示的5节点系统，分以下几种情况进行仿真。

（1）仿真1

只单独分别增加1，2，3号节点的负载，而其他节点保持不变，同时观测1，2，3号节点电压情况，并且与之相对应的指标。其中增加负载的方法为在保持每个负荷的功率因素不变的情况下，有功功率和无功功率都以1%的速度增长。

仿真结论：对于任意一个负荷节点，当在其上加负荷时，它的节点电压发生明显的下降趋势，与之相对应的指标值也有明显的变化。分析三个节点的变化情况，可以看出，1号节点对加负荷情况反应最为敏感，当在2，3号节点上加负荷时，2，3号节点在其未达到稳定极限时，1号节点电压值一度降到很低的水平，指标值也接近于0，已经达到了其电压稳定极限。如果继续加负荷的话，1号节点将发生电压失稳现象。而2，3号节点由于与发电机直接相连，尚有一定的裕度，所以1号节点最容易发生电压失稳现象。

（2）仿真2

1，2，3号节点同时增加负荷，考虑到发电机的越界，4号节点发电机的有功出力也增加。负荷增加方式同仿真1，发电机的用功出力也以1%的速度增长。

仿真结论：采用这种加负荷的方式时，1号节点电压变化仍然最为明显。而2，3号节点基本没有什么明显的变化。此中情况下，1号节点最先发生电压失稳现象。

（3）仿真3

只在1号节点上加负荷，且加负荷的方式为改变其功率因数，其他节点保持不变。

仿真结论：由以上两图可以看出。虽然和仿真1一样，只在1号节点上加负荷，并且加负荷的方式也一样，但是我们提高了功率因数。虽然两种情况下，其电压下降趋势和指标变化趋势基本一样，但是，能加负荷的程度却是不一样的。在仿真1中，我们在1号节点所能加负荷有功的最大值为P=2.13521（标幺值），此时=0.141829，V1=0.711564。在仿真3中，我们在1号节点所能加负荷有功的最大值为P=2.47891，此时=0.12206，V1=0.72287。由此我们可以看出，采取不同的系统运行方式，可以在系统稳定的前提下，使系统的有功得到充分的利用。

由以上仿真结果，我们还可以得到1，2，3三个节点的稳定性程度由大到小分别为1，2，3。因此，可以作为监视系统运行情况的一个参考。同时在用电高峰期时期，有目的的进行运行方式的调整和分配负荷，尽量使1号节点承担较大负荷。并且合理的调整发电机的出力，对系统无功进行适当的补偿，从而防止系统崩溃。

2、14节点系统仿真

仿真系统图如图1所示。其中，加负荷的方法为在每个负荷节点，有功功率和无功功率均以1%的速度增加，同时，2号和6号发电机的有功输出也以1%的速度增加。

仿真结论： 14号节点为最敏感的节点。在加负荷的过程中，每个节点电压都程下降趋势，而14号节点的下降趋势最为明显，14号节点最容易发生电压失稳。6个节点的稳定程度从大到小依次为：12，11，13，10，9，14。2号发电机的有功输出比6号的大，可以监视发电机运行情况。在用电高峰时，尽可能把14号节点上的负荷转移到11，12，13号节点上去，避免14号节点失稳。同时，合理调整5台发电机的出力情况，使得每台发电机都能运行在其良好模式。

五、结论

电压失稳是一种局部现象，可以通过局部参数来对电压稳定问题进行分析。本文提出了一种基于SCADA的电压稳定评估算法，并用潮流结果替代了SCADA的测量结果对该算法进行仿真验算。从以上仿真结果可以看出，就地电压稳定指标能够反映系统运行情况，能对系统中的每个负荷节点进行电压稳定评估，从而对系统节点的稳定情况有一定的认识，可以作为调度人员对系统进行调度时采取相应措施的有利依据。

参考文献

[1] 梁志瑞，于成洋.基于同步相量测量的电力系统等值及电压稳定评估[J].电力科学与工程，2005，NO.4，33-36.

[2] 黄志刚，邬炜，韩英铎.基于同步相量测量的电压稳定评估算法[J].电力系统自动化，2002年1月25日，28-33.

[3] 夏道止主编.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2004年.

[4] 周念成，钟岷秀，徐国禹，任育之.基于电压相量的电力系统电压稳定指标[J].中国电机工程学报，1997年11月，425-428.

[5] 邓集祥，王哄哲.关于电压稳定性的初步探讨[J].电力系统及其自动化学报，1997年3月，第9卷第1期，24-29.