一种区域电网惯量重心算法

技术领域

本发明属于电力系统频率稳定计算分析技术领域，尤其涉及一种区域电网惯量重心算法，更具全的是电力系统频率稳定领域中惯量计算与物理学中平面重心计算的交叉领域。

背景技术

惯性是电力系统的固有属性，表现为系统对外来干扰引起能量波动的阻抗作用，是系统安全稳定运行的基础保障。然而，随着风电、光伏、储能等通过电力电子变换器大量接入电网，使得系统惯性在特点及形式上发生新的变化。

由于各母线与扰动点的电气距离不同、机组在网络中的离散分布及机组参数差异等因素，电力系统频率动态过程表现出明显的时空分布特性：各电气点频率随时间变化，且各电气点频率的变化过程不完全相同。若将区域电网中所有惯量节点等效成一个总的惯量重心，则惯量重心的变化可以反映系统整体的频率特性，也大大减轻了分析不同地理位置节点频率动态特性的工作量。然而，已有惯量计算技术只关注系统整体及各节点惯量计算，并未涉及惯量重心及位置的计算，惯量重心计算领域仍属空白。

重心是指地球对物体中每一微小部分引力的合力作用点。物体的每一微小部分都受地心引力作用(见万有引力)，这些引力可近似地看成为相交于地心的汇交力系。由于物体的尺寸远小于地球半径，所以可近似地把作用在一般物体上的引力视为平行力系，物体的总重量就是这些引力的合力。

地球上的任何物体都要受到地球的引力，若把物体假想地分割成无数部分，则所有这些微小部分受到的地球引力将组成一个空间汇交力系(汇交点在地球中心)。由于物体的尺寸与地球的半径相比要小很多，因此可近似地认为这个力系是空间平行力系，此平行力系的合力G即物体的重力。通过实验可以知道，无论物体怎样放置，其重力总是通过物体内的一个确定点一平行力系的中心，这个确定的点称为物体的重心。如果物体的体积和形状都不变，则无论物体对地面处于什么方向，其所受重力总是通过固定在物体上的坐标系的一个确定点，即重心。重心不一定在物体上，例如圆环的重心就不在圆环上，而在它的对称中心上。重心位置在工程上有重要意义。例如，起重机要正常工作，其重心位置应满足一定条件，舰船的浮升稳定性也与重心的位置有关；高速旋转机械，若其重心不在轴线上，就会引起剧烈的振动等。物体的重心位置，质量均匀分布的物体(均匀物体)，重心的位置只跟物体的形状有关。有规则形状的物体，它的重心就在几何中心上，例如，均匀细直棒的中心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱的重心在轴线的中点。不规则物体的重心，可以用悬挂法来确定，物体的重心，不一定在物体上。质量分布不均匀的物体，重心的位置除跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化，起重机的重心随着提升物体的重量和高度而变化。

为了加速构建以新能源为主体的新型电力系统。在新型电力系统中，大量传统同步发电机组被采用电力电子接口的新能源所替代，高比例新能源、高比例电力电子设备(简称双高)是新型电力系统的重要特征。采用常规控制的风电、光伏等新能源无法像传统同步发电机组一样提供惯量和一次调频等频率支撑，替换传统同步发电机组后会恶化功率扰动下系统的频率动态。功率扰动后一次调频时间尺度内(一般在一分钟以内)系统频率的安全性问题，这个阶段电网主要关注的指标包括频率变化率、最大频差、稳态频差，频率安全即指上述指标在限值以内。频差尤其是最大频差过大，可能引发低频减载或高频切机；频率变化率过大，也可能触发电网中一些以频率变化率为判据的保护动作。例如，2019年8月9日英国停电事故中，频率变化率过大导致部分电源跳闸，频率下跌至48.8Hz导致低频减载动作。因此，双高电力系统的频率安全和频率动态控制近年来受到学术界和工业界很大关注，其中惯量是所关注的关键问题之一。

传统电力系统中的惯量主要指同步发电机组转子的转动惯量。由于传统电力系统动态主要受同步发电机组机电暂态的影响，因此惯量对于系统动态过程以及相应的暂态稳定、动态稳定、频率稳定等稳定问题均会产生很大影响。对于频率动态问题，惯量的影响是相对明确的，即惯量增大可以减小功率扰动下系统的频率变化率和最大频差，对系统频率动态是有利的。除了同步机以外，系统中还有其他旋转设备，如异步电动机、风机等，这些设备也具有惯量。风机常用的是变速风机，包括直驱风机、双馈风机，虽然也具有惯量，但目前大量文献认为在常规的MPPT(最大功率点跟踪)控制模式下，变速风机转子和系统频率之间是解耦的，转子惯量不影响系统频率动态，即文献中所说“变速恒频风电机组转子动能被变频器与电网‘隔离’，使得其对电网贡献的惯量几乎为零”。但是，对于双馈风机的影响，目前也有一些不同的结论，认为双馈风机功率在系统频率变化时会有动态响应。

一方面，风电、光伏的大量接入替代了部分同步发电机，但其自身不具备同步机的旋转惯量。例如，风机变流装置将风机转速与电网频率解耦，当电网频率变化时，风机仍然遵循最大功率跟踪指令向电网输送功率，不响应电网频率变化，不主动向系统提供惯量支撑，导致系统惯量支撑能力下降，频率稳定性变差。

另一方面，新能源出力具有强波动性和间歇性，若出力大范围波动，系统可能因为缺乏惯量支撑出现区域电网稳定问题，反过来制约系统对新能源的接纳。采用系统备用容量和电池储能可平滑新能源发电的波动性，利用虚拟惯性控制技术可提高系统等效惯量，此时系统惯量将由单一的旋转惯量拓展到旋转惯量、虚拟惯量(虚拟惯性控制)和储能惯量(电池、超导等)等多种形式。

近年来，国内外学者针对电力系统惯性问题进行了大量研究，惯量计算可总结为以下三个方向：

1)电力系统惯量估算方法，包括估算系统等值惯性常数或需求侧等值惯性常数等，大都采用抛载或设置短路故障等激发系统暂态特性，然后借助发电机动力学方程完成估算。

2)新能源渗透率提高后系统旋转惯量减小对系统频率稳定性的影响，通过分析系统频率变化率、频率最低点2个指标与系统惯量变化之间的关系，揭示系统惯量减小对频率稳定性的影响。

3)虚拟惯性控制技术，用于提升高新能源渗透电力系统的惯量支撑能力，如风机附加虚拟惯性控制。

然而随着大规模新能源、储能等电力电子设备接入电网，大容量跨区直流输电技术投入使用，使得高比例电力电子电力系统惯性在形式以及响应特点上已经有别于传统同步电网，主要体现如下：

1)电源结构的影响。

传统系统同步机与电网直接连接，由于同步机电压源特性，具有瞬时分担扰动功率能力，系统发生功率缺额(盈余)将直接体现在电磁功率的突然增大(减小)，发电机旋转质块通过释放或吸收动能，响应由系统功率变化导致的电磁功率与机械功率偏差，支撑系统功率平衡，抑制频率变化。双馈风机暂态过程瞬间具有短时惯量特性，而通过全变流器连接的风电和光伏发电无惯量响应特性，其输出电磁功率不受功角方程制约，即不具备扰动功率自动分配能力，机械功率与电磁功率无偏差，无法进行惯量响应，使得风机旋转动能被隐藏。所以在同步机逐步被几乎零惯性的变流器接口电源替代的新能源系统，转动惯量相对减小，惯量响应能力减弱，加快了扰动下频率变化速度。

2)大容量跨区直流输电的影响。

大规模直流馈入对本地开机替代，对惯量的影响效应明显，导致电网响应不平衡功率的能力下降；同时随着直流馈入规模的扩大，系统暂态扰动下，对有功、无功的需求大幅提高。系统频率响应能力减弱的同时，系统功率冲击不断增加。与传统系统小容量机组相比，大容量机组及直流输电设备投入使用，增加了单一故障导致的功率不平衡量，并且新能源低抗扰性可能进一步增加系统功率不平衡量，严重恶化系统频率稳定性。

3)负荷特性的影响。

电源侧转动惯量逐渐相对减小，使得负荷侧异步电动机惯量作用逐渐凸显，引起人们的重视。与同步机惯性常数相比，异步机惯性常数较小，但异步电动机负荷约占总负荷60％-70％，其惯量总量不容忽视。而扰动过程静态负荷电压特性在抑制频率扰动方面发挥重要作用，其等效惯量作用可显著降低扰动下频率变化速度。

为解决大规模电力电子设备接入带来的频率稳定问题，相关研究通过对变流器进行控制使其具备频率调节能力，包括虚拟惯性控制、下垂控制、虚拟同步机(virtualsynchronous generators，VSG)等。这使得系统惯量形式多样且响应特性不一，扰动后惯量响应过程极为复杂，对传统惯量响应分析方法提出了挑战。亟待从系统层面理清不同形式惯量响应特性及对系统频率的影响，进而提出适用于分析高比例电力电子电力系统的惯量响应体系。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种区域电网惯量重心算法。其目的是为了实现量化分析系统整体惯量特性的发明目的，在综合计算系统总惯量的基础上对区域电网惯量重心进行定位，可量化分析不同故障下系统整体惯量响应特性，为下一步分析系统整体惯量的时变特性奠定技术基础。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种区域电网惯量重心算法，包括：

计算区域电网节点惯量及总惯量；

获取区域电网节点位置信息；

利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴；

利用区域电网地理坐标轴，计算区域电网惯量重心位置；

根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

更进一步的，所述区域电网节点惯量及总惯量计算，首先计算发电机单机转动惯量，并计算发电厂总惯量，发电厂总惯量即区域电网节点惯量H

H

式(1)中H

将所有发电厂并网发电机的惯量累加，获得系统总惯量，得：

H

式(2)中H

更进一步的，所述获取区域电网节点位置信息，是指获取获取电网各节点，即并网发电厂的位置信息；

更进一步的，所述利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴，是设定区域电网外部某点为二维横纵坐标轴原点(0，0)，将电网各节点的位置信息折算成该坐标轴内的横纵位置坐标。

更进一步的，所述利用区域电网地理坐标轴，计算区域电网惯量重心位置，包括：利用获取的区域电网地理坐标轴，计算区域电网的惯量重心位置的横坐标：

式(3)中，X

更进一步的，所述利用区域电网地理坐标轴，计算区域电网惯量重心位置，还包括：计算区域电网的惯量重心位置的纵坐标：

式(4)中，Y

更进一步的，所述根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息，是通过式(1-4)，得到该区域电网系统惯量重心处的总惯量H

一种区域电网惯量重心装置，包括：

惯量计算模块，用于计算区域电网节点惯量及总惯量；

区域电网节点位置获取模块，用于获取区域电网节点位置信息；

地理坐标轴获取模块，用于利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴；

区域电网惯量重心位置计算模块，用于利用区域电网地理坐标轴，计算区域电网惯量重心位置；

获取模块，用于根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的一种区域电网惯量重心算法和装置的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的一种区域电网惯量重心算法和装置的步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明可以通过计算获取区域电网各节点惯量、系统总惯量、区域电网惯量重心的位置坐标，方便研究系统惯量的地理位置特征，为分析系统整体惯量的时变特性奠定技术基础，实现了量化分析系统整体惯量特性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的计算方法流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供了一个实施例，是一种区域电网惯量重心算法。如图1所示，图1是本发明的计算方法流程图。计算方法具体包括以下步骤：

步骤1.区域电网节点惯量及总惯量计算。

目前，惯量已成为双高电力系统频率安全分析中关注的一个关键问题，但仍然有一些概念和特性需要进一步明确。物理上，惯量是一个旋转设备惯性的量度，但电力系统中同步电机、异步电机、风机等不同类型旋转设备的惯量响应是不同的，对系统频率动态的影响也不同。虚拟惯量控制的出发点是模拟同步机的惯量响应，但其特性和物理同步惯量的响应又存在很大区别。

假设区域电网发电厂中发电机型号相同，则在已知发电机铭牌参数后，首先计算发电机单机转动惯量，并计算发电厂总惯量，发电厂总惯量即区域电网节点惯量H

H

式(1)中H

将所有发电厂并网发电机的惯量累加，获得系统总惯量，得：

H

式(2)中H

步骤2.区域电网节点位置信息获取。

通过国家电网各省市的电力调度系统软件，获取电网各节点的位置信息。

所述电网各节点指并网发电厂。

步骤3.利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴。

设定区域电网外部某点为二维横纵坐标轴原点(0，0)，将电网各节点，即并网发电厂的位置信息折算成该坐标轴内的横纵位置坐标，如(100.10，200.86)、(50.91，30.73)等位置信息。

步骤4.利用获取的区域电网地理坐标轴，区域电网惯量重心位置计算。

利用获取的区域电网地理坐标轴，通过公式(3)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标：

式(3)中，X

通过公式(4)计算区域电网的惯量重心位置的纵坐标：

式(4)中，Y

步骤5.根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

通过式(1-4)，得到该区域电网系统惯量重心处的总惯量H

实施例2

本发明又提供了一个实施例，是一种区域电网惯量重心算法。本实施例是考虑发电厂内发电机数量相同且发电机惯性时间常数相等的情况下，采取以下实施方式来实现，包括以下步骤：

步骤1.区域电网节点惯量及总惯量计算。

假设某区域电网中有3个发电厂(即3个区域电网节点)，其各自拥有1台发电机，发电机容量均为100MW，惯性时间常数均为1s，则根据式(1)，节点惯量为：

H

由式(5)可知，单个节点惯量为100MW.s。

将所有发电厂并网发电机的惯量累加，获得系统总惯量，得：

H

由式(6)可知，系统惯量重心处的总惯量为300MW.s。

步骤2.区域电网节点位置信息获取。

通过国家电网各省市的电力调度系统软件，获取电网各节点，即并网发电厂的位置信息。

步骤3.利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴获取。

设定区域电网外部某点为二维横纵坐标轴原点(0，0)，将电网各节点，即并网发电厂的位置信息折算成该坐标轴内的横纵位置坐标，分别为(1，5)、(3，5)、(3，3)。

步骤4.利用区域电网地理坐标轴，进行区域电网惯量重心位置计算。

通过公式(3)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标，得：

可式(7)可知，横坐标X

通过公式(4)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标：

由式(4)可知，纵坐标Y

步骤5.根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

通过式(5-8)，得到该区域电网惯量重心的大小300MW.s及其坐标(3，4.33)。

实施例3

本发明又提供了一个实施例，是一种区域电网惯量重心算法，本实施例是考虑发电厂内发电机数量不同且发电机惯性时间常数相等的情况下，具体实施方式包括以下步骤：

步骤1.区域电网节点惯量及总惯量计算。

假设某区域电网中有3个发电厂，即3个区域电网节点，分别拥有1、2、3台发电机，发电机容量均为100MW，发电机惯性时间常数均为1s，则根据式(1)，节点惯量为：

H

H

H

由式(9-11)可知，单个节点惯量分别为100MW.s、200MW.s、300MW.s。

将所有发电厂并网发电机的惯量累加，获得系统总惯量，得：

H

由式(12)可知，系统惯量重心处的总惯量为600MW.s。

步骤2.区域电网节点位置信息获取。

通过国家电网各省市的电力调度系统软件，获取电网各节点，即并网发电厂的位置信息。

步骤3.利用获取的区域电网节点位置信息，获取区域电网地理坐标轴。

设定区域电网外部某点为二维横纵坐标轴原点(0，0)，将电网各节点，即并网发电厂的位置信息折算成该坐标轴内的横纵位置坐标，分别为(1，5)、(3，5)、(3，3)。

步骤4.利用区域电网地理坐标轴，进行区域电网惯量重心位置计算。

通过公式(3)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标，得：

可式(13)可知，横坐标X

通过公式(4)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标：

由式(14)可知，纵坐标Y

步骤5.根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

通过式(9-14)，得到该区域电网惯量重心的大小600MW.s及其坐标(3.33，4)。

实施例4

本发明又提供了一个实施例，是一种区域电网惯量重心算法。本实施例是考虑发电厂内发电机数量不同且发电机惯性时间常数不等的情况下，具体实施方式如下：

步骤1.区域电网节点惯量及总惯量计算。

假设某区域电网中有3个发电厂，即3个区域电网节点，分别拥有1、2、3台发电机，发电机容量均为100MW，发电厂1、2、3中的发电机惯性时间常数分别为1s、2s、3s，则根据式(1)，节点惯量为：

H

H

H

由式(15-17)可知，单个节点惯量分别为100MW.s、400MW.s、900MW.s。

将所有发电厂并网发电机的惯量累加，获得系统总惯量，得：

H

由式(18)可知，系统惯量重心处的总惯量为1400MW.s。

步骤2.区域电网节点位置信息获取。

通过国家电网各省市的电力调度系统软件，获取电网各节点，即并网发电厂的位置信息。

步骤3.利用获取的区域电网节点位置信息，获取区域电网地理坐标轴。

设定区域电网外部某点为二维横纵坐标轴原点(0，0)，将电网各节点，即并网发电厂的位置信息折算成该坐标轴内的横纵位置坐标，分别为(1，5)、(3，5)、(3，3)。

步骤4.利用区域电网地理坐标轴，进行区域电网惯量重心位置计算。

通过公式(3)计算区域电网的惯量重心位置的横坐标，得：

由式(19)可知，横坐标X

通过公式(4)计算区域电网的惯量重心位置的纵坐标：

由式(20)可知，纵坐标Y

步骤5.根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

通过式(15-20)，得到该区域电网惯量重心的大小1400MW.s及其坐标(3.43，3.71)。

实施例5

本发明又提供了一个实施例，是一种区域电网惯量重心装置，包括：

惯量计算模块，用于计算区域电网节点惯量及总惯量；

区域电网节点位置获取模块，用于获取区域电网节点位置信息；

地理坐标轴获取模块，用于利用获取的区域电网节点位置信息，得到区域电网地理坐标轴；

区域电网惯量重心位置计算模块，用于利用区域电网地理坐标轴，计算区域电网惯量重心位置；

获取模块，用于根据区域电网惯量重心，获取区域电网惯量重心综合信息。

实施例6

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1-5所述的任意一种区域电网惯量重心算法和装置的步骤。

实施例7

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1-5所述的任意一种区域电网惯量重心算法和装置的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。