“新型电力系统数字化关键技术综述”专辑评述

数字化是推动新型电力系统发展的重要动力,已成为广受学术界和产业界关注的热点技术。为此,《电力系统自动化》编辑部组织了“新型电力系统数字化关键技术综述”专辑,系统化介绍了新型电力系统数字化基础元件装备、边缘计算技术、通信安全与防护、智能化调度决策等一系列技术成果,代表了本领域最新技术成果和先进经验。文中立足于新型电力系统数字化发展的整体趋势,对专辑论文按研究方向进行了系统性梳理,对其核心成果与观点进行了归纳总结,希望能够完整呈现专辑成果对新型电力系统数字化关键技术体系的支撑作用,为相关技术研究的进一步深化提供参考。

一种概率-Voronoi自适应高维模型表达的新能源电力系统小干扰失稳风险评估方法

电力系统中新能源和负荷的不确定性给小干扰稳定性带来挑战。鉴此,该文中提出一种概率-Voronoi自适应采样的高维模型表达方法用于新能源电力系统小干扰失稳风险评估。首先,简要介绍基于高维模型表达的小干扰失稳风险评估步骤和方法,分析模型求解和配点选择对高维模型表达建模精度的影响;然后,基于移动最小二乘法的求解特性分析,提出动态半径选择方法,提高计算准确度和求解效率;而后,改进自适应-Voronoi采样方法,将其和概率思想结合,得到概率-Voronoi采样方法,提高风险评估建模采样的高效性。结合动态半径移动最小二乘法和概率-Voronoi采样法,建立小干扰失稳风险评估的高维模型表达。最后,多个新能源电力系统为例,对比分析所提方法的准确性与高效性,并结合实际源荷不确定数据与电网结构,验证研究的实用性。

计及区间预测信息的含风电电力系统有功多时间尺度协调调度优化方法

间歇性、集群式的风电并入大电网将会增加输电断面功率越限风险,将点预测信息纳入含风电的电力系统调度将不可避免出现“过调度”和“欠调度”。为此,该文提出计及区间预测信息的含风电电力系统有功多时间尺度协调调度优化方法。首先,利用点模型及其预测误差分布构建风电功率区间预测模型;其次,建立具有区间预测信息的风电场有功功率动态分群策略;再次,构建风电集群和自动发电控制(automatic generation control,AGC)机组与非AGC机组等多时间尺度协调的调度策略,通过滚动优化和反馈校正环节协调日前-日内以及实时调度;最后,采用实际风电集群有功功率数据和改进的IEEE-118节点标准测试系统验证所提方法的有效性。研究表明,所提方法不仅可以合理协调风电集群内各个风电场输出功率,还可以协调风电集群功率和AGC机组与非AGC之间的输出功率,有效解决了调度指令与实际输出功率不协调问题。

新型电力系统保护控制技术架构研究

随着新能源的不断接入,电力系统结构、运行控制方式变得更为复杂,对保护控制技术提出了更高要求。为此,提出了一种新型电力系统保护控制技术架构。为预防单一事故向系统性事故发展,提出新型继电保护构成模式,构建更加完善的第一道防线。结合系统性事故演变过程,建立保护和控制系统之间的信息融合及协同机制,通过站域自治-区域协同的方式实现自治式保护控制策略,优化三道防线的功能布局,有效抑制和阻断系统性事故的发生与发展,提升新型电力系统的安全防御能力。

考虑PMU数据质量问题的电力系统扰动检测方法

快速准确的电力系统扰动检测能够为后续扰动分析提供有效的指导信息,而广域测量系统(wide area measurement system,WAMS)的广泛应用为扰动检测提供了有力的数据基础。基于PMU量测数据,该文提出一种考虑PMU不良数据的扰动事件检测方法。首先分析PMU异常数据行为特性,揭示扰动事件与不良数据的差异性特征。进一步,提出一种基于差分Teager-Kaiser能量算子与3Sigma准则相结合的PMU异常数据初筛方法,避免了低强度扰动漏检和扰动的重复检测问题。接着,利用动态时间规整和最大互信息系数分别计算不同PMU间的时空相似性,以及同一台PMU内不同量测间的相关性,并以此作为表征扰动事件和不良数据差异的特征。最后,通过局部离群概率算法对得到的综合度量指标进行分析,可实现在含有不良数据场景下的扰动事件准确检测。基于IEEE39系统,实际电网模型以及PMU实测数据,验证所提方法具有较好准确性、实时性以及泛化能力。

提升电力系统安全稳定水平的风电光伏场站主动支撑技术发展及展望综述

高比例风电光伏场站接入对系统的频率稳定、电压安全稳定、同步稳定等动态特性产生显著影响,对电力系统安全稳定运行带来了严峻挑战。主动支撑技术能够提高风电光伏场站对电力系统动态支撑能力,对新能源发展起到积极作用。文中首先基于风电光伏场站动态特性分析风电光伏场站接入对系统安全稳定性的影响。然后将风电光伏场站主动支撑技术按照支撑形式、控制方法、功能实现等不同维度进行了分类论述,总结虚拟惯量控制、虚拟同步机、下垂控制等常见的风电光伏场站主动支撑技术,分析他们的运行原理、优势和仍存在的问题。最后在主动支撑技术典型应用场景中分析不同主动支撑技术的适用情况,对主动支撑技术参数设置和协调配合提出建议,为风电光伏场站主动支撑技术的发展提供了参考。

基于配电网PMU的无监督电力系统扰动特征提取与分类

为应对大量分布式新能源接入给电网运行控制带来的挑战,同步相量测量技术被引入配电网。然而,配电网PMU数据量巨大且缺乏标签信息,如何合理利用海量无标签数据识别扰动为电网运行控制提供数据支撑是亟需解决的问题。针对该问题,该文提出一种长短时序生成对抗网络无监督特征提取框架(long-short-term time generative adversarial network,LST-TimeGAN)。该方法在传统时序对抗生成网络(time-series generative adversarial networks,TimeGAN)架构上,提出一种基于最小二乘决策损失函数的改进框架,使所提取特征能够反应数据异常程度并为分类提供可靠依据。同时,提出一种基于注意力机制的特征提取单元,提高了空间特征提取效率;进一步,建立长短时三窗并行框架,以对不同时间尺度的扰动特征具备敏感性;最后,以一种预分类、再识别的分类策略完成扰动识别。仿真和现场数据验证表明,该方法可实现无标签、少标签情形下的准确扰动识别;且该方法提取的特征不但能对输电网扰动进行识别,还能对本地电能质量扰动进行识别。

电力系统中压电网谐振关键元器件评估

模态分析法可以获得最丰富的谐振信息,现有灵敏度分析方法可以得到每种元器件对谐振影响程度的排序,但无法明确辨别谐振关键元件和谐振电路。首先,通过推导对各参与因子的物理意义进行了解释,归纳了现有的2种灵敏度分析方法;然后,考虑不同属性元器件取值范围的差异性及逆变器外特性的影响,提出了一种适用于配电网谐振关键元件和电路的识别方法;最后,通过算例分析和PSCAD仿真结果,验证了所得谐振关键元器件的准确性。该方法可以较为准确地识别出系统固有谐振的关键元器件,为研究谐波谐振问题及其抑制、事故调查分析等提供参考。

融合同步发电机动态状态估计的电力系统状态估计

当电力系统遭受某种较大扰动时,其安全稳定将受到威胁。为实现对整个系统受扰后机电暂态过程的完整跟踪,提出一种新的融合同步发电机动态状态估计(dynamic state estimation of synchronous generator,DSE-SG)的电力系统状态估计(state estimation of power system,SE-PS),研究该如何将DSE-SG的结果进一步应用于系统侧SE-PS中去,以实现全系统动、静态状态量的统一估计。首先,围绕全电力系统机电暂态DSE的求解方式,论述了完全联立的不可行性、解耦估计的实现条件以及复耦估计的必要性与意义;其次,在梳理DSE-SG与SE-PS概念、数学模型的基础上,厘清了所涉变量、方程组的地位、作用、关系及数据流程,为复耦媒介量的选取及接口方式的确定奠定了理论基础,形成了复耦估计的实现构思;进一步,提出两种不同的接口方式,详细给出其各自具体的实现方法及流程;最后,将所提方法在IEEE9节点系统中予以实现,结果表明该方法可良好跟踪全电力系统机电暂态过程,实现动、静态状态量的统一估计,较未融合DSE-SG结果的传统SE-PS精度更高,滤波效果更显著。

考虑随机-极端扰动的新型电力系统一次调频备用优化

随着弱支撑能力的新能源电源高比例接入,新型电力系统频率稳定问题成为研究热点。该文研究考虑随机-极端扰动的一次调频备用优化问题。首先,以多机系统频率响应模型为分析对象,将扰动建模为高斯白噪声随机扰动和常规有功阶跃扰动之和;其次,为解析刻画调速器在线性和饱和状态对频率动态的影响,将多机系统频率响应模型聚合为分段线性单机等值频率响应模型,构建频率动态的时域随机微分方程(stochastic differential equation,SDE)模型,并分析随机-极端扰动作用下系统频率的概率分布特性;随后,推导扰动后频率极值点的均值与标准差表达式,建立置信度与频率极值点的解析关系,即考虑随机扰动的频率稳定约束概率化表达;接着,采用超平面线性近似频率稳定约束,建立一次调频备用优化模型;最后,采用IEEE 39节点系统验证所提方法的有效性。

电力系统状态估计精度综合评价与分析体系

针对实际电力系统中真值未知的情况下如何对状态估计结果的精度进行科学合理评价的问题,建立了集实时量测、影响因素、潮流约束三维一体的状态估计精度综合评价与分析体系,分别从自身、因果、空间3个维度来评价与分析状态估计结果的精度。首先,阐述了3个维度各自的不足及其相互关系,以诠释该体系建立的原因。其次,针对各个维度分别展开具体论述,分别建立了以实时量测为基准的整体性指标、以影响因素为基础的综合性指标以及以潮流约束满足度为佐证的辅助性指标。然后,给出各指标得分及权重量化求解方法,结合指标权重得到总得分。最后,将所提状态估计精度综合评价与分析体系应用于IEEE-9节点系统中,仿真结果表明了所提评价体系的有效性及优越性。该评价体系能够有效避免出现如单一指标得分高而精度差的情形,且结合影响因素分指标,便于指出状态估计结果产生的原因。

考虑多阻尼状态与限幅环节的新能源电力系统一次调频备用整定

一次调频是电力系统抑制扰动后频率变化的重要手段,该文针对新能源电力系统一次调频备用整定问题开展研究。首先,分析新能源电源渗透率上升对系统频率响应模型阻尼比的影响,建立适用于多阻尼状态的系统频率响应模型。随后,考虑新能源电源调频动态响应的快速性与同步电源调速器限幅值的差异性,提出计及多机调速器限幅环节的系统频率响应改进模型。接着,将构建的系统频率响应改进模型等价转化到时域,建立各类电源一次调频备用与系统扰动后频率最低点的时域解析关系,并进一步提出其线性化表征方法。最后,面向扰动后频率稳定要求,在新能源电力系统经济调度问题中添加一次调频备用约束,建立新能源电力系统一次调频备用整定模型。IEEE 39节点算例仿真结果表明该文提出模型的正确性与有效性。

基于灵敏度分析的新能源电力系统同步机组调差系数优化方法

随着新能源的持续并网以及特高压交直流互联电网的形成,电力系统暂态频率稳定事件风险增加。在高渗透率新能源场景下,充分挖掘同步发电机组的调频能力成为提升电力系统频率响应能力的重要手段。针对同步机组的调速器参数,文章利用轨迹灵敏度分析影响最大频率偏差的主导参数,进而通过优化主导参数来提高电力系统的暂态稳定性。通过建立主导参数优化问题的数学模型,解析分析了主导参数对最大频率偏差的影响程度,采用灵敏度分析方法,将非线性优化问题转化为线性规划问题,以减少计算量。在此基础上,文章提出了适用于多机系统的调差系数优化方法,最后通过仿真算例验证了方法的有效性。

基于局部检测信息的电力系统时间同步攻击定位方法

卫星时间同步攻击可造成电力系统设备时间紊乱,PMU相角量测错误,危及系统安全运行。鉴于基于线路两端PMU数据的攻击检测方法无法判断线路哪端节点受到攻击,提出了一种基于局部攻击检测信息及同步区域搜索聚合的卫星时间同步攻击定位方法。首先,结合同步攻击特性构建了电力系统等效图及邻接矩阵。其次,结合线路两端攻击检测信息,利用广度优先搜索获取报警线路分割形成的各内部同步的区域子系统。再次,根据子系统是否两两相连分为简单情形和复杂情形;针对复杂情形,结合相角差偏差估计与同步子系统聚合将其转化为简单情形。最后,基于正常节点数量占优假设定位受攻击节点。IEEE 39节点系统测试表明,该方法在不同攻击下可有效定位攻击,可区分受不同攻击的节点,对微小攻击的定位能力强。

新型电力系统电源布局规划方法

以最大消纳新能源为目标,结合潮流约束、电源容量约束和电气约束等因素,基于复杂适应系统理论,以新能源最小建设步长为建模主体,提出了多能源电源之间的互补协调规划方法,通过调整各种类型电源的安装位置和容量,以得到多能源电力系统的最佳电源布局。以西北某地区电网的运行数据为例,对原电力系统进行了重新规划,仿真结果验证了该规划方法的有效性。

新能源电力系统灵活性供需量化及分布鲁棒优化调度

电网中新能源渗透率的提升导致电力系统在局部时段灵活性严重不足。针对现有处理电力系统灵活性和供需不确定性过于保守或冒险的问题,提出一种数据驱动的分布鲁棒优化调度模型。首先,考虑风光出力的时空相关性,基于Copula理论构建出力集合。结合场景法与区间法对电力系统灵活性需求进行量化,引入灵活调节因子表征各类资源参与灵活性调节的能力,建立灵活性供需平衡约束。其次,考虑电动汽车等需求侧资源的灵活性供给能力,以灵活性资源运行成本与电网灵活性缺额惩罚成本最优作为目标函数,建立数据驱动的两阶段分布鲁棒模型。为降低保守性,采用综合范数对其概率分布进行约束,减小了灵活性需求出现极端情况的概率。针对两阶段鲁棒模型求解问题,利用零和博弈思想将模型解耦为主问题和子问题,采用列与约束生成算法进行迭代求解。最后,仿真算例表明,所提模型相比于传统不确定性模型对提高电力系统灵活性裕度与经济性具有积极作用。

面向低碳电力系统的长期储能优化规划与成本效益分析

长期储能(long-duration energy storage,LDES)技术的不断发展成熟为解决新型电力系统季节性供需不平衡问题提供了有效途径。现有研究对LDES技术经济参数的发展情况和不同组合对LDES配置需求和成本效益的影响尚缺乏精细化分析,难以准确探究LDES的灵活性潜力。为此,该文分析考虑技术经济性的LDES规划特性,面向新型电力系统建立内嵌年度8760h全景时序运行模拟的多时间尺度储能协调优化规划模型。算例基于我国西北某区域实际数据,评估LDES技术经济参数的不同组合与LDES成本效益水平、优化配置结构和对短期储能替代作用的关系。结果表明,LDES的成本效益受储能容量成本和放电效率的影响最大,在低碳转型发展背景下引入LDES最多可以降低电力系统40%左右的总成本。

考虑频率动态响应实时分区的电力系统惯量在线评估方法

大规模新能源接入电力系统导致系统惯量水平降低,利用同步相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)在线评估系统惯量水平具有重要意义,考虑到电力系统频率动态响应具有分区特性,以区域为单位开展在线惯量评估具备可行性。频率响应分区情况不仅与电网拓扑和参数有关,还与系统运行点、扰动类型和位置有关,固定的分区方案难以保证分区结果满足系统各种运行工况,同时,在实时分区场景下,对惯量参数辨识算法的快速性也提出了更高的要求。分析了电力系统区域惯量在线评估原理,阐明了频率动态响应实时分区的要求;随后,提出了频率动态实时分区方法,采用动态时间弯曲指标和k-medoids算法对全网节点频率响应实测曲线在线聚类,给出了基于卡尔曼滤波的区域惯量参数辨识算法,保证惯量参数计算满足实时性要求,进一步分析了各类误差源对系统分区和惯量参数辨识结果的影响;最后,在IEEE 39节点系统验证了所提方法的有效性、惯量实时跟踪能力和对不同运行场景的适应性。提出的电力系统区域惯量在线评估方法利用PMU实测频率响应实时更新电力系统分区情况,保证在各种运行点和扰动下区域频率响应的一致性,具备现场应用潜力。

新型电力系统的内涵、特征及关键技术

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,构建以新能源为主体的新型电力系统成为我国构建新发展格局、全面助力能源革命的重中之重。该文分析当前我国的能源、电力现状及挑战,厘清我国能源转型总体思路,多角度对比新型电力系统概念认知情况,并剖析其发展和实施现状。然后,从大系统运行视角对新型电力系统的内涵做出进一步解读和阐述,提出“多源互补、源网协同、供需互动、灵活智能”的新型电力系统特征,并对其中六项关键技术的定义、技术和工程应用现状、发展前景和趋势等进行探讨。该文分析可为我国新型电力系统建设提供新颖解读和有益指导。

电力系统继电保护与安全控制面临的挑战与应对措施

高比例波动性新能源接入电网、交直流特高压远距离输电以及大量电力电子设备的应用给现有电网继电保护和安全控制带来严峻挑战。电网发展对现有技术带来困难的同时也对我国长期以来形成的电力系统“三道防线”安全防御体系提出了更高的要求。首先,详细分析了电力系统继电保护与安全控制系统在新型电网环境下面临的各种挑战及其形成原因。然后,归纳总结了能够应对这些挑战的有利环境基础与技术条件,并为技术发展与科学研究指明了方向。最后,探讨研究了新型保护的工作模式、保护新原理、保护信息共享、保护与电网安全控制的协同技术、电网预防性控制功能,并建立了实现信息共享且能良好适用新技术的“区域协同+分布自治”新型电力系统安全防御体系。