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实时电压稳定性监测和评价使用Synchorophasors

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19

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使用同步向量进行实时电压稳定性监测和评价
Vahid Salehi， IEEE Student Member， O. Mohammed， Fellow IEEE
Energy System Research Laboratory， Department of Electrical and Computer Engineering
Florida International University
Miami, FL， USA
vsale001@fiu。edu, mohammed@fiu。edu
摘要——本文着重评估电力系统互联网络的在线电压稳定指标。电压稳定指标是在电力系统运行期间动态变化时测量采集。使用相量测量单元（同步向量)模拟和测量实时数据进行稳定和安全指标的评估。动态电压稳定性指标的评价通过在图书馆创建大规模电力系统测试环境进行仿真和实现动态负载阶跃变化。发达的仿真研究涉及输电线路仿真建模与PI结构。监控软件是在实验室电力系统试验台为了广域控制和监测系统而提出和实施。各指标的制定包括：快速电压稳定,线路稳定和负荷裕度除了电压变化对感性负荷变化的灵敏度。仿真结果通过测量和监控数据进行验证.有效的实施过程表明一个好的协议是可以实现的。
Ⅰ.引言
需求增长和电力市场形势迫使电力公司经营的系统在负荷和稳定性临界点.因此，介绍了部署最有效的控制和保护方案的运行电力系统避开负荷和稳定性和部分高压的限制的现代电力系统智能电网的新概念.能源基础设施方面电力系统控制和保护成为最具挑战性的课题之一， 在不同的国家都有因为电力系统控制和保护设施不到位而发生停电的事故。由于广域监视和意识的缺乏只能通过快速和分布式监控系统检测系统异常［1]。因此，需要高分辨率数据率的广域监控系统。当遇到意想不到的情况时这个系统是用于维护系统正常运行并采取适当的补救措施[2］。为了实现这一目标，系统状态监测需要检测系统稳定和安全的临界点。在广域系统中通过监测系统临界状态,系统运运行员可以很好的了解和观察电力系统现状及趋势［3]。为了完成这个系统，第一步是使用在各地的电网状态测量设备.通过收集所需数据在控制中心系统状态可视化处理。其他网格数据如系统拓扑，设备和控制器参数可用于系统状态评估的工具.监控和数据采集、SCADA系统被用来采集电力系统稳态运行数据，但无法采集电力系统运行动态变化的状态数据 ［4］。相量测量单元（同步向量）的出现，介绍了能在电力系统中同步快速采集瞬间数据和动态状态数据并且能够全球参考的新功能.这个引用是由全球定位GPS系统，几个同步向量准确时间标记具有微秒级精度[5］.因此，可靠和不间断的通信系统和数据处理器控制中心将提供更有用的实现在线稳定可视化的广域监控系统。个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途
电压不稳定问题是通过大量无功线流动，无功功率不足，大量电力系统负载区分的。电压崩溃事件发生通常上面的条件之一导致，它可能持续几秒到几分钟的时间，甚至几小时[6].在静态稳定安全评估中为了检测电压稳定性提出许多指标。这些指标是基于电力系统工作状态接近临界点,可以通过著名的PV曲线获取。电压稳定裕度指标决定电力系统运行点与不稳定点的距离。
本文介绍几个在文献中使用相量测量单元监测电力系统互联网络在线电压稳定差值的电压稳定指标。实验室测试平台的建立，已经提出到具有监视在系统动态指标的实时状态的能力。通过这些指标的比较和验证在实际电力系统将更好的看到这些为了指定安全边际和采取适当补救措施的指标。这个研究一部分获得海军研究办公室和美国能源部的支持.因此，在下一节中将会制定一些在线电压稳定指标为了一个简单的两节点电力系统通过仿真和实时数据提供分析结果。
Ⅱ。电压稳定指标
为了确定的电压不稳定和描述系统如何接近电压不稳定提出电压稳定指标。此外，它可以用于识别弱节点和所涉及的风险高地区的电压不稳定。有几种利用同步向量数据格式来计算这些指标实的方法。
A。线稳定指标
文献[7]提出整个系统基于功率流稳定指标的概念。这种方法简化了电力系统互联网络,反映等效系统负荷容量以及系统的稳定性。方程（1)提出了线稳定指标：
(1)
发送和接收节点的电压
：发送节点的有功功率和无功功率
Pr， Qr:接收节点的有功功率和无功功率
δs,δr：发送和接收节点的电压角度
R , X：线电阻和电抗
B , G:线导纳和电导
:发送和接收节点的电角度差
：线串联阻抗角

图1。随着电源管理单元两节点系统
该指标的意义在稳定系统下的值将保持1,每当它超过系统将失去稳定和电压崩溃发生。
B.线稳定系数
文献[8］基于负载流量概念和系统拓扑结构提出稳定系数。线稳定系数计算公式(2),并应保持在1时系统正常稳定运行。
（2）
C 。快速电压稳定指标
文献[9]提出了在电力系统中快速检测电压不稳定的情况，快速电压稳定指标是由方程(3）定义的。和以往一样，紧密的显示可能会导致整个系统电压崩溃的不稳定电压,。
（3）
D .在线电压稳定指标
在线电压稳定指标是基于pi电力传输线等效分支模型的电压和有功功率之间的关系,它是由方程（4）［8］定义.
（4）
这个指标实际上是提出了当前分支接收有功和传送功率率比.根据该指标参考[10］提出了一种相对虚拟的有效临界指标：
(5）
安全和稳定运行的条件需要IVAM大于0。
E. 电压稳定
这个指标基于其中一个节点是源端和其他节点负载端相当于二节点等效系统［11]。在这种情况下，功率裕度将由计算和代表额外的视在功率，可以提供给负载的电压崩溃发生前的实现。由电源提供在负荷迅速增加的消耗功率比作为系统接近系统崩溃的指标。因此，这个指标是由方程(6）定义：
(6）
α是线路阻抗的相位角和负载阻抗的相位角的差值.Y是负载导纳和Z线串联阻抗。如果，那么，它证实了电压不稳定的临界点。在空载时，,那么，因此，最大装载点可以准确监测。
F。输电线路边际负载
在图2显示系统运行曲线PV曲线, 抛物线的顶点是PV曲线的特征点。一个特定的负载阻抗角，在连续潮流计算和监测负荷节点电压中通过增加负载这一点一定可以实现。针对传输模式的最大可传输有功功率的稳定性可以通过一个稳定的电能传输相应最小可接受的电压值计算（7）和（8）[ 12 ］：
(7)
（8）
和K和的绝对值和相角方程(9)。
(9）
G.在线电压稳定指标
文献[13]提出了在线电压稳定指标(逆变器）.该指标可以实时计算并预测电力系统稳态电压稳定极限。这个指标的计算方法首先推导每个分支三个最大的传输有功功率、无功和视在功率。因此， 提出了接收端侧电压方程（10)。
(10)
系统内阻抗等于零时，最大视在功率通过输电线路取得［14]。这是唯一个可以解决发送端电压Vr和接收端电压Vr在轻微的稳定的工作点的方案。最大传输有功功率、最大传输无功功率,最大传输视在功率,可以通过方程 (12）—(14） 计算。其中和所有右边参数假定为常数.假设X R比率高这些方程可以简化。
(11)
(12）
(13）
（14)
因此，根据这些关系,总电压稳定指标（逆变器)可以计算出［15］:
(15）
较小的VSI值表示接收端节点接近电压稳定裕度和减少功率传输裕差值，并在其边缘的VSI值等于零。

Ⅲ。仿真和实验结果的比较
在本研究中所提到的指标测量是在佛罗里达大学国际能源系统研究实验室开发的实验室规模的试验台功率测量系统[ 16 ]。在发展这种基础研究的动力系统试验台的最重要的问题是实时的格式，它是适用的使用PT和CT的系统参数的精确测量。然后，这些数据将通过使用模拟到数字数据采集传送到数字电源管理单元开发的实时软件程序开发环境［17]。图3显示了一个小型的为了实现电源管理单元和电压稳定指标实时测试单线图一次电气图。图4展示了一个有一座发电站、三个节点有5个开关,两个线模拟器和被动和运动负荷的实验室测试设置。实时软件用来捕捉电压和电流波形，计算所有可能的格式参数实时监测电力系统同步数据[17］.在各相电压和电流为零，正序和负序的序列的相角参考全球系统在实时测量软件。各相的有功和无功功率、三相有功功率和无功功率以及功率因数和频率由对应电压和电流的序列来计算.

图2。PV曲线：电压降与有功功率增量

图3。单线图虚拟仪器实验室测试一次电气图
前一节中定义的电压稳定性指标，在虚拟仪器软件已有所有可用的同步向量电压和电流。因此,电力系统节点电压和电流相量是可用的,图5显示是PI模型。线路参数可以通过方程(16)-（18)计算。因此,不仅我们可以监控电力系统运行期间的实时线路参数,而且我们也可以用实时运行参数来计算电压稳定指标，通过模拟软件是不可能的。为此，我们用实验室的线模型，通过线路电流的变化模拟线路参数变化。
第一个实验是在稳态情况下看到稳定指标变化，并通过仿真结果验证。为此,负载的修正量已被用于在该行的末尾，如图6所示。负荷模型恒定阻抗和功率因数为0。87的负荷水平。电源管理单元提供的发送端正序电压相量是114.86∠65.0°V和电流向量是3.45∠−20.3°A的稳定状态.同时,在接收端的电压和电流分别是112.02∠0.7°V，3.66∠−28.24°A.图7显示了在第二节介绍的电压稳定指标。

图4.实验室测试装置的总体视图

图5.PI线路模型
（16)
(17）
（18）

图6.接收有功和无功功率负荷

图7.在稳定状态下的电压稳定性指标的实时格式
为验证这些结果，该系统进行了仿真对发厂电DIGSILENT环境和稳态结果相同荷载量在仿真前两秒验证实验结果根据图8。为了研究电压稳定指标问题，仿真继续通过增加电阻负载的时间步长.这样做的原因只是电阻部分是改变负载侧的功率因数,以评估电压稳定性指标和余量为系统的不稳定性。因此，图8也呈现指标增加或减少及余量不稳定。

图8.电压稳定指标仿真结果
负载增加在几个步骤的实验也已完成,取得了更真实的结果.图9给出了实验过程中的有功和无功功率的变化。从技术上来说，模拟恒定的源极侧的电压，现在改变电流的增加和源极侧串联阻抗的，因为在实验中，这将导致在源极侧的电压降，如图10所示.此外,为了测量稳定性指标，在建立模型的实验室是由运行参数电流增加,然后在网上格式精确的线路参数的计算。线路参数是由公式（17）和公式（18)计算的，图11显示了在当前通过增加线路串联阻抗电流的变化相当大。
因此,由于各点的模拟结果，预期电压稳定性指标数值不同,但它们应该呈现相同的特征，如图12所示。通过监控这些指标, 只要计算安全边际表明电压不稳定，就可以得出关于适当的电压稳定指标,以监控系统稳定状态,防止不稳定情况,做出适当补救措施。

图9.负荷有功功率和无功功率变化的实验结果

图10.两侧电压和电流幅值的实验结果

图11。线路计算参数的实验结果

图12。电压稳定指标的实验结果
四.结论
有功负荷对电力系统互联网络的系统电压稳定性具有逆效应。因此，有功负荷增加时所有的指标应指示在稳定裕度的降低。通过审查的实验结果,可以得出结论：
1）指标Lmn主要取决于接收的无功功率， 根据图（9） 显示无功功率部分的减小稳定性的改善。
2) 0。1该指标LQP提高到0。27。在这种情况下它不呈现良好的稳定性裕度，那么我们不知道系统距离不稳定点有多远。
3)指标FVSI,类似于Lmn通过无功功率计算, 因此它显示了在稳定裕度的有功功功率变化。
4） 该LVSI显示增量从0.4到1。54,从仿真结果显示这意味着我们失不同的负荷约2000千瓦,这不是真正的电压稳定。因此，在实际电路中电压稳定的测量中，这个指标可能不是一个很好的指标。
5)在负荷增加时,dS/ dY指数显示了预期的变化，但边缘的敏感是不够好，按照临界稳定点，从0。85下降到0。76，在最坏的情况下的负载情况。
6） Pmax和Umin是其真正呈现从负载的有功功率减去后的最大允许容量为安全电压的两个有用的参数。究其原因， 最大有功功率Pmax从2676增加到3052是由于电压降在恒定电抗和功率因数提高无功功率的减小。因此，我们可以跟踪最大点在系统中的在线格式的PV曲线，从而找到允许余量由负荷的有功功率减去它。允许余量将在负荷增加而降低.
7) VSI是最好的实时指标,因为考虑所有的系统功率参数，包括有功功率，无功功率和视在功率的余量.此外该指数的变化对系统的负荷增加过程非常敏感，它准备适当的因子确定系统的稳定性和安全性的临界点。
在线路两侧使用的设备,有机会实时监测监控系统的稳定性和安全性余量。因此，本文提出仿真和实验结果，随之而来的，该指数的制定和实施广域监视和控制中心提供一个有所不同的系统稳定性和安全余量通过在广域网中使用的电源管理单元适用视图。
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