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关键词： 暂态安全分析   特征选择   支持向量机   可解释性  

摘要： 随着“碳达峰·碳中和”目标的提出以及高比例新能源并网的推进,光伏发电与风力发电在总装机中的占比不断提高,越来越多的特高压交直流线路投入运行,加剧了电网的复杂化,也使得安全稳定的问题更加凸显。如何快速、准确地对系统进行暂态安全分析是维持新型电力系统安全稳定运行的关键。基于机器学习的暂态安全分析相比传统分析方法具有计算速度快、评估准确性高等特点,但是机器学习模型的“黑箱”特性导致可解释性弱,阻碍了机器学习模型在实际工程中的应用。本论文重点研究如何从电网特征中筛选关键特征,构建暂态安全评估机器学习模型,并对暂态安全评估结果的可解释进行研究,从各个层面提升基于机器学习的暂态安全评估的可解释性。本文主要研究内容如下:在电网暂态安全特征筛选方面,针对系统复杂性高、仅依靠关键潮流断面无法全面反应系统暂态安全特性的问题,本文提出了两种特征选择改进方法,以尽可能少的特征子集反应尽可能全面的系统特性。其一是在构建原始电力系统暂态安全特征集时,不仅包含系统的潮流信息,还添加了基于专家领域知识的特征指标,称为“专家特征”,将“专家特征”作为已知特征参与特征筛选。“专家特征”反映了专家领域知识与其他电力系统暂态安全特征的物理映射关系,有效提升暂态安全特征信息量的同时亦可增强特征的可解释性。其二是改进了特征重要性的评价标准,提出了基于加权条件互信息的特征选择方法(WCMI),能够在保证模型预测准确率的情况下,排除冗余特征,精简特征子集,得到电力系统暂态安全分析的关键特征。在电网暂态安全评估方面,针对暂态安全评估中无法避免错分、造成漏报警隐患的问题,研究了考虑漏报率和误报率的改进支持向量机算法,分别称为激进支持向量机(ASVM)和保守支持向量机(CSVM)。该方法通过界定稳定和不稳定区域相交的灰色地带,基于CSVM和ASVM进行安全评估,保证灰色地带以外的样本评估结果准确可信,不存在漏报警和误报警问题。在暂态安全评估模型解释方面,针对机器学习模型普遍存在的可解释性不强的问题,本文提出了基于SHAP(SHapley Additive exPlanations)分析的模型解释方法。通过SHAP值的计算对模型进行了全局和局部解释。通过全局解释,得到了特征重要性排序和得分权重,进一步验证本文提出的WCMI算法的有效性;通过局部解释,得到了个体样本每个关键特征取值对暂态安全评估结果的贡献。对于灰色地带中的样本,本文通过SHAP局部解释方法对其进行分析,将此部分样本结合局部分析中的关键特征进行模型训练,进一步缩减了灰色地带的范围。本论文针对基于机器学习模型的电力系统暂态安全分析的瓶颈问题开展研究,通过对特征选择、安全分析算法、模型解释等三个方面的改进,提升了电力系统暂态安全分析模型的准确性和可解释性。

关键词： 受端电力系统   暂态电压稳定   节点阻抗矩阵   灵敏度   优化控制方案  

摘要： 随着受电比例的不断提高,受端电力系统本地机组的开机台数不断减少,本地动态无功裕度下降,导致受端系统在遭受故障后的动态无功支撑能力不足,暂态电压失稳风险大大增加。有鉴于此,本文主要研究大受电背景下受端电力系统暂态电压稳定的分析方法与控制策略,论文主要工作如下:1)基于节点阻抗矩阵,提出了一种表征不同节点故障后系统暂态电压稳定性的故障影响因子指标,可用于暂态电压高风险故障筛选和薄弱机组定位。首先,基于节点阻抗矩阵,借助矩阵求逆辅助定理推导了反映节点故障对电压影响特性的故障影响因子矩阵;然后,进一步构建出节点故障风险性指标与发电机失稳风险性指标,并分别应用于电力网络高风险故障节点以及薄弱发电机的确定。结果表明,由所提指标定位出的高风险故障节点对电网整体的电压稳定性最为关键,所筛选出的薄弱机组失稳风险最高。2)结合无功补偿灵敏度指标,提出了一种考虑分布式调相机配置的受端系统无功优化方案,可有效提升系统的暂态电压稳定性。首先,基于量化的暂态电压稳定评估指标定义了无功补偿灵敏度,进而构建出电力系统动态无功优化问题的数学模型;然后,以分布式调相机为动态无功设备,借助无功补偿灵敏度确定了无功配置节点;最终利用粒子群优化算法得出了调相机容量的最优分配策略。结果表明,在相同的总无功容量下,所提出的动态无功优化配置方案对电力系统暂态电压稳定性具有更优的改善效果。3)结合相对灵敏度,提出了一种考虑关键发电机调压器输出限幅调节和动态无功补偿的受端系统暂态电压稳定协调控制策略,仿真验证了方法的有效性。首先,分析了自并励静止励磁发电机在出口附近故障时强励能力受限的原因;然后,借助相对灵敏度筛选出了关键的励磁参数,并结合灵敏度线性化思想构建了协调优化问题的数学模型;最终,利用粒子群算法得出了最优的协调控制方案。结果表明,所提出的考虑关键发电机参数调整的协调控制策略可有效提升控制方案的经济性,并有助于改善无功资源的利用效率及网络中的无功分布。

关键词： 电力系统   构网型变流器   暂态稳定分析   暂态稳定控制  

摘要： 随着大规模新能源的发展以及电力电子技术的进步，大量逆变型电源接入电力系统，使得发电侧的同构同步发电机向异构电源转变。由于构网型变流器的正常运行不依赖于电网中的电压源，为实现含100%逆变型电源的新型电力系统提供了可能，因此本文主要以同步发电机和构网型变流器组成的异构电源为研究对象。含异构电源的电力系统动态特性深刻转变，暂态稳定性（大扰动功角稳定性）问题成为制约电力系统发展的关键因素之一。本文围绕含异构电源的电力系统暂态稳定分析与控制展开研究，主要工作如下：　　（1）推导了含异构电源的电力系统暂态稳定条件。首先，基于混合势函数，构建了含异构电源电力系统的李雅普诺夫函数。在此基础上基于Brayton-Moser方程，得到了含异构电源的电力系统分散式暂态稳定条件，并推导了电源控制参数对暂态稳定性的影响，为系统的控制设计提供了指导。　　（2）提出了异构电源的暂态稳定控制策略。针对含异构电源的电力系统，首先，基于领导者-跟随者一致性理论和反步法，设计了异构电源的分布式分层固定时间有功控制方案，通过调节电源注入电网的有功功率，实现了异构电源之间的快速频率同步和相角聚合，从而提升了暂态稳定性。频率同步指所有电源以相同的额定频率传输电能;另外，如果发电机之间的转子角之差超过一定限值，会导致发电机失去同步，因此相角聚合指不同电源之间的相角之差低于一定阈值。考虑到拒绝服务攻击（denialofservice，DoS）等实际限制条件会阻止电源之间的状态信息传输甚至破坏系统的稳定性，该分布式分层有功控制可通过转换为本地有功控制实现对DoS攻击的自防御。之后基于直接反馈线性化，提出了与有功控制相协调的电压控制方案，通过调节同步发电机的励磁电压和构网型变流器的电压参考值，增大了系统阻尼，进一步平滑了暂态响应，提高了暂态稳定性。　　（3）提出了考虑容错的异构电源暂态稳定控制策略。电源的有功控制信号经过放大器放大为电源的驱动信号，令执行器实现相应动作，从而改变电源注入电网的有功功率，提高暂态稳定性。随着电源的规模增长，电源有功控制的放大器和执行器（例如同步发电机的调速器）发生故障的概率随之增加，放大器故障表现为有功控制信号的放大倍数波动，执行器故障表现为有功控制的有效性被破坏，容错控制是应对放大器和执行器故障的有效途径。针对含异构电源的电力系统，首先，建立了考虑不确定动态以及执行器失效和放大器放大倍数波动问题的异构电源数学模型。然后，基于神经网络万能逼近定理，提出了电源未知动态、放大器故障、执行器故障以及控制系数的估计方法，在此基础上基于领导者-跟随者一致性理论，提出了异构电源的分布式自适应容错有功控制方案，保证了即使在放大器和执行器故障以及外部干扰等不确定性因素的影响下，异构电源也可以在有限时间内实现频率同步和相角聚合，提高了系统受到瞬时大扰动的暂态稳定性以及对持续放大器和执行器故障的鲁棒性。　　（4）提出了基于事件触发机制的异构电源暂态稳定控制策略。在实际中，电源执行器的频繁触发会增加系统的能源消耗并使相关零部件出现老化和磨损的问题，为了节约通信和计算资源，并延长执行器的使用寿命，本文利用事件触发机制为电源设计了新的信息传输和执行触发规则。针对含异构电源的电力系统，首先，提出了集中式和分布式事件触发策略，以决定电源状态信息的广播时间以及控制器和执行器的更新时间，基于此设计了异构电源在事件触发模式下的滑模面，并证明了当异构电源的状态到达滑模面时，可以实现电源之间的频率同步和相角聚合。之后提出了异构电源的分布式自适应滑模有功控制器，通过调节电源注入电网的有功功率，迫使电源轨迹在有限时间内到达滑模面，然后电源状态沿滑模面滑动以实现频率同步和相角聚合，提高了系统的暂态稳定性。　　（5）提出了异构电源与储能的协调暂态稳定控制策略。针对电源侧安装储能设备的含异构电源电力系统，分别在时间顺序和框架结构这两个维度对异构电源和储能的协调有功控制方案进行了设计。在时间顺序方面，提出了异构电源与储能的协调控制时序模式，该模式基于设备响应速度、系统频率变化以及储能容量这三个因素决定了异构电源和储能的有功控制启停时间。在框架结构方面，提出了异构电源和储能的分布式有功控制方案，保证了异构电源在固定时间内实现暂态稳定，同时实现了对DoS攻击的自防御。为了进一步抑制暂态过程中的振荡，提出了异构电源的电压控制策略。仿真分析表明了异构电源与储能的协调有功控制、异构电源有功与电压的协调控制、储能有功与异构电源电压的协调控制不仅提升了含异构电源的电力系统暂态稳定性，还具有对DoS攻击、储能容量限制以及外部干扰等实际约束条件的鲁棒性。

关键词： 暂态稳定分析   隐式梯形积分法   隐式联立法   微分代数方程  

摘要： 针对电力系统暂态稳定分析中仿真计算速度与精度的问题,提出一种“先离散、后优化”的暂态稳定分析方法。首先,采用稳定性较好的隐式梯形积分法对发电机系统、励磁系统微分方程进行数值离散;然后,离散化后的微分方程组与代数方程组联立为一个方程组,采用隐式联立法对该方程组进行求解;最后,对3机9节点系统不同三相接地短路故障情况进行仿真测试。仿真结果验证了基于隐式梯形积分法的电力系统暂态分析法的有效性,其具有提高微分代数方程求解速度的作用。

关键词： 电力系统暂态分析   电工电子学   本科教学   科研思路  

摘要： 为提高学生的科研能力,借鉴和学习德国教育经验,提高本科毕业生分析问题和解决问题的综合能力,使其达到工程教育专业认证通用标准的毕业要求。以电力系统暂态分析和电工电子学课程为例,从教学和科研思路两方面进行全面综合分析,提出适合我国的教学方案和措施。

关键词： 自动重合闸   极限切除角   最佳重合闸时间   暂态稳定  

摘要： 分析了瞬时性故障时自动重合闸合闸时间和暂态稳定极限切除角的关系,以及永久性故障时自动重合闸最佳合闸时间的确定方法,并利用MATLAB对单机无穷大系统和某多机系统进行了暂态稳定的仿真。仿真结果表明自动重合闸能有效提高电力系统瞬时性故障时的暂态稳定性。当系统发生永久性故障时,其最佳重合闸时间为系统的功角达到最大并开始减小,角速度为负并逐渐增大到最大值之前。

关键词： 船舶工程   热能发电技术   超临界二氧化碳   船舶电力系统   渗透率   暂态稳定性  

摘要： 针对在船舶电站中集成超临界二氧化碳布雷顿循环(supercritical CO_(2)Brayton cycle,S-CO_(2)BC)发电装置导致的船舶电力系统暂态稳定性不明确问题,采用整体等效建模方法构建以某一容量为9400 TEU的集装箱船为原型的中压电力系统仿真模型。通过以负荷静态特性为基础的频率约束法确定S-CO_(2)BC发电装置的渗透率理论限值,研究不同渗透率等级下发生三相短路故障和负荷突变时发电机组输出功率、相对功角、母线电压和电网频率等特征参数的变化规律,分析渗透率因素与电网发生电压失稳或功角失稳的内在关系。研究结果表明:S-CO_(2)BC发电装置并网会降低船舶电力系统暂态稳定性,当渗透率小于理论限值20.26%时,相对功角和母线电压最大瞬时偏差范围分别为1.37%~2.68%和1.23%~1.85%;当渗透率越限后,电网将发生功角或电压失稳。

关键词： 改进欧拉法   暂态稳定   时域仿真  

摘要： 大型机组参数恶化是一般情况下电力系统暂态问题的主要原因,而超高压长距离重负荷输电线路的投入,则使电力系统的暂态问题更加复杂化。时域仿真计算方法是当前分析暂态稳定性的主要方法之一。文章给出了基于改进欧拉法的暂态稳定分析流程,考虑发电机的三阶实用模型,对四机二区模型进行暂态稳定分析,验证了该方法的有效性。

关键词： 电力系统   暂态稳定分析   暂态稳定预防控制   迁移学习   模型解释  

摘要： 电力系统作为能源供应体系中的重要组成部分,对国家经济发展及社会活动具有战略性意义。暂态稳定分析及预防控制为保障电力系统安全稳定运行发挥重要作用。为应对电力系统运行方式复杂多变的特点,具有强自适应能力的在线暂态稳定分析及预防控制将成为电力系统安全稳定运行必不可少的重要支柱。电力大数据和人工智能技术为其发展提供了新的契机。为此,本文围绕数据驱动在电力系统暂态稳定分析及预防控制中的应用,展开如下研究工作:(1)提出了一种预想故障和潮流数据混合驱动的在线暂态稳定分析建模新方法,以规避在线评估过程中进行耗时的时域仿真,同时消除模型冗余。设计了混合信息训练数据集,并引入独热编码表达混合信息训练数据集中的数字量特征,提升了暂态稳定分析模型的性能。此外,提出了改进型自适应合成采样算法,以改善暂态稳定分析中样本数据不平衡问题。(2)针对电力系统拓扑变化的应用场景,提出了一种基于迁移学习的在线暂态稳定分析方法。引入数据迁移学习思想至暂态稳定分析建模过程,充分挖掘并利用现有暂态稳定分析数据的信息,辅助在新故障和新拓扑场景下暂态稳定分析模型的构建和更新,实现暂态稳定分析模型的易扩展性和易更新性。(3)针对全局暂态稳定预防控制方法实时性不足的问题,提出了一种新的基于模型解释的序贯暂态稳定预防控制方法。首先设计了基于模型解释的序贯暂态稳定预防控制框架。然后在此框架基础上,引入了两种模型解释方法——与模型无关的局部可解释方法(Local Interpretable Model-agnostic Explanations,LIME)和核-Shapley加性解释方法(Kernel-Shapley Additive Explanations,K-SHAP),以解释在线暂态稳定分析监测到的不安全运行方式,快速识别关键控制机组。最后提出了两种可行的基于模型解释的序贯暂态稳定预防控制策略:双暂态稳定分析模型驱动策略和单暂态稳定分析模型驱动策略,实现暂态稳定预防控制的在线生成。

关键词： 暂态稳定   深度学习   脆弱性分析   复杂网络  

摘要： 随着世界能源变革的推进,各国电力系统逐步呈现出可再生能源占比高、资产规模增加、区域互联紧密、电力电子化等特征,一旦系统遭受大扰动或外部威胁,极易进入暂态不稳定状态、引发连锁故障,这成为影响系统脆弱性的主要因素。目前的脆弱性研究方法主要从网络结构以及稳态运行两个角度展开,但缺乏暂态视角。基于此研究背景,为提高系统脆弱性分析精度,并降低建模复杂程度,本文提出一种考虑暂态影响的电力系统脆弱性分析方法。主要研究内容包括:（1）以经典电力系统模型为基础,从同步机、自动电压调节器、调速器以及网络结构多个角度,分析影响电力系统暂态稳定的关键因素,结合复杂网络理论,根据影响程度大小以及数据获取难度,提取影响暂态稳定的关键特征。（2）建立暂态稳定判断模型。以及线路三相短路为故障,考虑暂态稳定过程,采用PSD-BPA进行仿真,并利用Excel和Python语言编写样本批量生成程序,获得样本数据集。利用XGBoost算法,训练得到暂态稳定判断模型,并通过有效性评价指标,评估训练效果。（3）构建计及暂态的脆弱性分析模型。基于传统最优潮流模型,以负荷切除量最小为目标函数,考虑稳态交流潮流约束,将训练得到的模型作为暂态稳定约束,使用差分进化算法,进行N-1故障下系统脆弱性分析。（4）计及暂态的脆弱性分析模型效果验证。建立IEEE-39节点系统,首先,使用深度学习有效性评价指标,通过深度置信网络、决策树、支持向量机以及XGBoost得到不同暂态稳定判断模型,并比较其预测效果;其次,通过三种脆弱性分析方法对比,验证本文所提方法的合理性;最后,通过比较最小负荷切除量与系统等值惯性时间常数、发电机-线路等值电气距离的关系,证明其能反映计及暂态的系统脆弱性。综上所述,本文所提方法有能效衡量线路的脆弱程度,相比于传统方法,有助于提高分析准确度,保证结果真实性,为电力系统预防控制提供可靠的依据,在实际应用中具有较高的参考价值。