JP5358668B2 - Power system stable equilibrium point calculation device - Google Patents
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Description
本発明は、システムの安定平衡点(a Stable Equilibrium Point:SEP)を算出する安定平衡点算出装置に関し、特に、従来のBCU分類器(Boundary of stability-region-based Controlling Unstable equilibrium point classifier)システムよりも正確、かつ迅速に想定故障(contingencies)を分類することができるBCU分類器システムに関する。 The present invention relates to a stable equilibrium point calculation device for calculating a stable equilibrium point (SEP) of a system, and more particularly, from a conventional BCU classifier (Boundary of stability-region-based Controlling Unstable equilibrium point classifier) system. The present invention also relates to a BCU classifier system that can accurately and quickly classify contingencies.
非線形動的システムの安定平衡点は、多次元非線形方程式を解くことにより得られることから、通常はよく知られているヤコビヤン行列を利用するニュートン法がよく利用されている。 Since the stable equilibrium point of a nonlinear dynamic system is obtained by solving a multidimensional nonlinear equation, the well-known Newton method using a Jacobian matrix is often used.
ニュートン法は、ヤコビヤン行列により、収束計算を行うため時々収束しない場合がある。この収束しない問題を解決するために、様々な方法が提案されている[参考文献1,2]。この中で、疑似過渡(Pseudo-Transient)シミュレーション手法も提案されている[参考文献3,4]。
The Newton method sometimes does not converge because the convergence calculation is performed using a Jacobian matrix. In order to solve this non-convergence problem, various methods have been proposed [
参考文献1:S.-C. Fang, R. C. Melville, L. Trajkovic, and L. T. Watson, “Artificial parameter homotopy methods for the dc operating point problem,” IEEE Trans. Comput.-Aided Des. Integr. Circuits Syst., vol. 12, no. 6, pp. 861-877, Jun. 1993.
参考文献2:T. L. Quarles, SPICE 3C.1 User’s Guide. Berkeley: Univ. California, EECS Industrial Liaison Program, Apr. 1989.
参考文献3:T. S. Coffey, C. T. Kelley, and D. E. Keyes, “Pseudo transient continuation and differential algebraic equations,” SIAM J. Sci. Comput., vol. 25, no. 2, pp. 553-569.
参考文献4:T. S. Coffey and D. E. Keyes, “Convergence analysis of pseudo-transient continuation,” SIAM J. Numer. Anal., vol. 35, no. 2, pp. 508-523, 1998.
非線形動的システムの安定平衡点(SEP)を求めることは、システムの安定性を確認するために重要である。安定平衡点を求めるためには、非線形連立方程式を解く。非線形連立方程式は、解析的に解を得ることが難しく、一般的にはニュートン法が利用される。ニュートン法は、ヤコビヤン行列を利用して、線形連立方程式を繰り返し解くことにより、解を見つけ出すもので、その手法は簡易なることから、幅広い分野で利用がされている。
Reference 1: S.-C. Fang, RC Melville, L. Trajkovic, and LT Watson, “Artificial parameter homotopy methods for the dc operating point problem,” IEEE Trans. Comput.-Aided Des. Integr. Circuits Syst., vol. 12, no. 6, pp. 861-877, Jun. 1993.
Reference 2: TL Quarles, SPICE 3C.1 User's Guide. Berkeley: Univ. California, EECS Industrial Liaison Program, Apr. 1989.
Reference 3: TS Coffey, CT Kelley, and DE Keyes, “Pseudo transient continuation and differential algebraic equations,” SIAM J. Sci. Comput., Vol. 25, no. 2, pp. 553-569.
Reference 4: TS Coffey and DE Keyes, “Convergence analysis of pseudo-transient continuation,” SIAM J. Numer. Anal., Vol. 35, no. 2, pp. 508-523, 1998.
Determining the stable equilibrium point (SEP) of a nonlinear dynamic system is important to confirm system stability. To obtain the stable equilibrium point, the nonlinear simultaneous equations are solved. Nonlinear simultaneous equations are difficult to obtain analytically, and the Newton method is generally used. The Newton method finds a solution by repeatedly solving a linear simultaneous equation using a Jacobian matrix. Since the method is simple, it is used in a wide range of fields.
過渡安定度スクリーニングプログラム(BCU法)においても、安定平衡点の性質を分析することは重要であることから、安定平衡点をニュートン法で計算している。安定平衡点が求まらない場合には、極めて不安定なシステムであると判断せざるを得ないので、計算量の大きい詳細時間域シミュレーションを行わざるを得ない。このため、BCU分類法の安定平衡点収束問題で分類された想定故障を判別するには大きな労力が必要となってしまう。 Even in the transient stability screening program (BCU method), it is important to analyze the nature of the stable equilibrium point, so the stable equilibrium point is calculated by the Newton method. If a stable equilibrium point cannot be obtained, it must be determined that the system is extremely unstable, and a detailed time domain simulation with a large amount of calculation must be performed. For this reason, a large amount of labor is required to discriminate the assumed faults classified by the stable equilibrium point convergence problem of the BCU classification method.
ニュートン法は、取扱易い実用性の高い手法であるが、初期値が適切でない(収束可能領域に初期点がない)と数値発散が発生する。また、数値発散により収束しないのか、本当に安定平衡点がないのかを判別する指標は何も与えない。安定平衡点がない場合は、システム崩壊の危険性がかなり高いので適切な対応が必要になるが、本当に安定平衡点が存在するのか否かが明確にならないと対策の検討も円滑に進まないという問題が生じてしまう。 The Newton method is an easy-to-handle and highly practical method, but numerical divergence occurs when the initial value is not appropriate (there is no initial point in the converging area). In addition, no index is given to determine whether the value does not converge due to numerical divergence or whether there is really no stable equilibrium point. If there is no stable equilibrium point, the risk of system collapse is quite high, so appropriate measures are necessary, but if it is not clear whether there is really a stable equilibrium point, the study of countermeasures will not proceed smoothly Problems arise.
安定平衡点をニュートン法で見い出せなかった場合の不具合は、特にBCU法のように過渡安定度評価をオンラインで行う必要がある場合には、致命的な欠点になりかねない。 The failure when the stable equilibrium point cannot be found by the Newton method can be a fatal defect especially when the transient stability evaluation needs to be performed online as in the BCU method.
非線形連立方程式は、静的な計算式であり、本来は動的な特性を持たないが、これに仮想的な動特性を仮定することにより、動的シミュレーション(可変積分時間刻みの陰的積分手法を利用)を行うことにより、安定平衡点の近傍を得る手法(疑似過渡シミュレーション手法:Pseudo-Transient Method)が既知である。疑似過渡シミュレーション法では、シミュレーション手法に基づくため、完全に安定平衡点に収束させることはほとんどできないので、ある程度の積分刻み時間が大きくなってきたらば、安定平衡点の近傍に近づいたとして、ニュートン法で、収束点を求める(図1)。初期段階において、安定平衡点が存在しない場合には、積分刻み時間も延びない等、いくつかの特徴が現れることから、数値解析上の問題と本当に安定平衡点がない場合の区別も明確になる。 Nonlinear simultaneous equations are static calculations and do not have dynamic characteristics. However, by assuming virtual dynamic characteristics, dynamic simulation (implicit integration method with variable integration time increments) is performed. (Pseudo-Transient Method) is known to obtain the vicinity of the stable equilibrium point. Since the pseudo-transient simulation method is based on the simulation method, it is almost impossible to converge to the stable equilibrium point. Thus, the convergence point is obtained (FIG. 1). In the initial stage, when there is no stable equilibrium point, some features appear, such as the integration step time does not increase, so the distinction between numerical analysis problems and when there is no really stable equilibrium point becomes clear .
多くの場合、疑似過渡シミュレーション手法は、期待通りの効果を発揮するものの、システムの減衰が大きくないと、安定平衡点を計算するために多くの積分計算が必要になったり、振動性が高い場合には適切に安定平衡点を求めることができなくなることが、疑似過渡シミュレーション手法をTEPCO-BCU法の改良BCU分類法(参考文献5)の分類器IIの安定平衡点計算に適用している最中に判明した。 In many cases, the pseudo-transient simulation method performs as expected, but if the system is not damped significantly, many integral calculations are required to calculate the stable equilibrium point, or if the oscillation characteristics are high. However, it is impossible to obtain the stable equilibrium point properly, because the pseudo-transient simulation method is applied to the stable equilibrium point calculation of the classifier II of the improved BCU classification method of the TEPCO-BCU method (reference 5). Turned out in.
参考文献5:米国特許第6,868,311 Reference 5: US Pat. No. 6,868,311
発明の開示
本発明は、疑似過渡シミュレーション手法を改良し、安定平衡点計算の信頼度向上と計算速度の向上を図り、改良BCU分類法の性能を向上させることを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the performance of the improved BCU classification method by improving the pseudo-transient simulation method, improving the reliability of the stable equilibrium point calculation and the calculation speed.
この目的を解決するために、次の二つの技術を発明した。 In order to solve this object, the following two techniques were invented.
その1)運動方程式のダンピングを大きくすると、平衡点への収束が安定かつ高速になる
その2)発電機の運動方程式のダンピングを疑似的に大きくしても、SEPは変わらない。1) Increasing the damping of the equation of motion makes the convergence to the equilibrium point stable and fast. 2) Even if the damping of the equation of motion of the generator is increased artificially , the SEP does not change.
この二つの技術を利用して、安定平衡点を計算するロジックを開発することで目的を高いレベルで解決することができた。 Using these two technologies, we were able to solve the objectives at a high level by developing logic to calculate the stable equilibrium point.
本発明の第1のアスペクトは、電力システム内の発電機の機械系ダンピング係数が前記発電機の実際の機械系ダンピング係数よりも所定の大きさだけ大きく設定された前記電力システムの発電機の機械系微分方程式を含む電力システムの非線形微分代数方程式に疑似 過渡シミュレーション方法を使用して、前記機械系ダンピング係数が設定された発電機の機械系微分方程式を含む電力システムの非線形微分代数方程式の機械系方程式のノルムを求める手段と、前記電力システムの非線形微分代数方程式には、仮想的な電力システムの外乱の影響が反映された想定故障が変数のパラメータとして反映され、
前記求められたノルムが所定の条件を満たすか否かを判断する手段と、
所定の条件を満たすと判断された場合に、前記所定の条件を満たすと判断された値が求められた際の前記発電機の機械系微分方程式を含む非線形微分代数方程式の変数値を、前記電力システムの非線形微分代数方程式の変数の初期値として設定する手段と、
前記初期値が設定された前記電力システムの非線形微分代数方程式に対してニュートン法を使用して、安定平衡点を判別する手段と
を具備し、
前記電力システムの非線形微分代数方程式は、下記式で表わされ、
F(x,y):電力システムの機械系方程式
G(x、y):電力システムの潮流方程式
x,y:電力システムの非線形微分代数方程式の変数であり、
前記発電機の機械系微分方程式は、下記式で表わされ、
i:電力システムのi番目の発電機、
H:発電機単位慣性定数(per unit inertia constant)
δ:発電機内部位相角(internal angle)
ω 0 :システム角周波数
D:ダンピング係数(Rated angular velocity)
Tm:機械入力トルク
Te:電気トルク
であり、
前記ダンピング係数は、前記電力システムの角周波数の1倍乃至10倍の範囲内に設定 され、
前記所定の条件は、前記求められたノルムが想定故障発生前の健全状態のもとでの前記 電力システムの非線形微分代数方程式の機械系方程式の20%以下であり、かつ疑似過渡 シミュレーション方法の1回当りの繰り返し計算で、ノルムの変化量が2以下の場合であ る、電力システムの安定平衡点計算装置である。
A first aspect of the present invention is the generator machine of the power system in which the mechanical damping coefficient of the generator in the power system is set larger than the actual mechanical damping coefficient of the generator by a predetermined magnitude. Mechanical system of power system nonlinear differential algebraic equation including mechanical system differential equation of generator set with mechanical damping coefficient using pseudo transient simulation method for nonlinear differential algebraic equation of power system including system differential equation In the means for obtaining the norm of the equation and the nonlinear differential algebraic equation of the power system, an assumed failure reflecting the influence of the disturbance of the virtual power system is reflected as a variable parameter,
Means for determining whether the determined norm satisfies a predetermined condition;
When it is determined that a predetermined condition is satisfied, a variable value of a nonlinear differential algebraic equation including a mechanical differential equation of the generator when a value determined to satisfy the predetermined condition is obtained, Means for setting the initial value of a variable in the system's nonlinear differential algebraic equation;
Means for determining a stable equilibrium point using Newton's method for the nonlinear differential algebraic equation of the power system in which the initial value is set ;
The nonlinear differential algebraic equation of the power system is represented by the following equation:
F (x, y): Mechanical system equation of electric power system
G (x, y): Power system flow equation
x, y are variables of the nonlinear differential algebraic equation of the power system,
The mechanical differential equation of the generator is represented by the following equation:
i: i-th generator of the power system,
H: Per unit inertia constant
δ: Generator internal phase angle (internal angle)
ω 0 : System angular frequency
D: Damping coefficient (Rated angular velocity)
Tm: Machine input torque
Te: Electric torque
And
The damping coefficient is set within a range of 1 to 10 times the angular frequency of the power system ,
The predetermined condition is that the obtained norm is 20% or less of the mechanical system equation of the nonlinear differential algebraic equation of the power system under a healthy state before the occurrence of the assumed failure , and 1 of the pseudo transient simulation method in iteration per dose, the amount of change in norm Ru der case of 2 or less, a stable equilibrium point calculation device for a power system.
図1は、疑似過渡シミュレーション法の概念を示す図である。
図2は、本発明の実施の形態に係るBCU分類器システムのハードウェア構成を示す図である。
図3は、BCU分類器システムの機能ブロック図を示す図である。
図4は、本発明の実施の形態に係るBCU分類器IIにおける安定平衡点の判定方法について説明するためのフローチャートである。
図5は、疑似過渡シミュレーションを電力システムの非線形微分代数方程式に単純に適用した場合の一例を示す図である。
図6は、ダンピング係数Dを大きく設定した場合に、疑似過渡シミュレーションを電力システムの非線形微分代数方程式に適用した場合の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the concept of the pseudo transient simulation method.
FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration of the BCU classifier system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a functional block diagram of the BCU classifier system.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a method of determining a stable equilibrium point in BCU classifier II according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which the pseudo transient simulation is simply applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which the pseudo transient simulation is applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system when the damping coefficient D is set large.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るBCU分類器システムについて説明する。 Hereinafter, a BCU classifier system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
BCU分類器システムは、仮想的な電力システム(電力系統)の外乱の影響が反映された想定故障から不安定な想定故障を選別する機能を有するものである。 The BCU classifier system has a function of selecting unstable contingencies from contingencies that reflect the influence of disturbances in a virtual power system (power system).
図2は、本発明の実施の形態に係るBCU分類器システムのハードウェア構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a hardware configuration of the BCU classifier system according to the embodiment of the present invention.
同図に示すように、BCU分類器システム1は、、バス11にCPU12、通信部13、表示部14、メモリ15、入力部16及び記憶装置17が接続されている。
As shown in the figure, in the
CPU12は、記憶装置17に記憶されたBCU分類器システムプログラム22と協働して、本発明の実施の形態に係る想定故障の選別処理を行なう他、BCU分類器システム1全体の制御を司るものである。
The
通信部13は、電力システムから外乱が反映されたデータを受信する。この受信されたデータは、必要に応じて、想定故障データの基礎となる。
The
表示部14は、BCU分類器システムプログラム22による想定故障選別処理に関する結果などを表示するものであり、例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置である。
The
メモリ15は、BCU分類器システムプログラム22を実行する際に必要とされるワークエリアなどとして使用される。
The
入力部16は、ユーザが想定故障などのデータを入力するためのインターフェイスであり、例えば、キーボード、タッチパネルなどである。
The
記憶装置17は、想定故障選別処理に必要とされるプログラム、データを格納するためのものであり、例えば、ハードディスクドライブ(HDD)である。この記憶装置17には、OS(オペレーティングシステム)21、BCU分類器システムプログラム22及び想定故障リスト23が格納されている。
The storage device 17 is for storing programs and data required for the assumed failure selection process, and is, for example, a hard disk drive (HDD). The storage device 17 stores an OS (Operating System) 21, a BCU
BCU分類器システムプログラム22は、OS21上で動作するアプリケーションプログラムであって、CPU12と協働して、本発明の実施の形態に係る想定故障選別処理を実現するものである。
The BCU
想定故障リスト23は、本発明の実施の形態に係る想定故障選別処理において選別の対象となる種々の想定故障データを格納するものである。想定故障データは、電力システムを示す非線形微分代数方程式の変数にパラメータとして反映されるものである。
The assumed
安定平衡点を判別するシミュレーションを行なう場合には、実際に故障を発生させて電力システムの安定性を判別することは非現実的であるので、予めユーザにより設定された想定故障データが使用される。 When performing a simulation to determine a stable equilibrium point, it is impractical to actually generate a failure and determine the stability of the power system, so the assumed failure data set in advance by the user is used. .
すなわち、想定故障データは、電力システムにある故障が発生した場合に、発生する電力システムの状態を示す仮想的なデータである。なお、BCU分類器において選別の対象となる想定故障データ自体は、公知のものであり、ここでは詳述しない。 That is, the assumed failure data is virtual data indicating the state of the power system that occurs when a certain failure occurs in the power system. Note that the assumed failure data itself to be selected in the BCU classifier is known and will not be described in detail here.
図3は、本発明の実施の形態に係るBCU分類器システムの機能ブロック図を示す図である。同図において、BCU分類器II以外の機能は、参考文献5によって開示された機能を有するものであり、公知の技術である。
FIG. 3 is a functional block diagram of the BCU classifier system according to the embodiment of the present invention. In the figure, functions other than the BCU classifier II have the functions disclosed in
以下、各構成要素について、簡単に説明する。 Hereinafter, each component will be briefly described.
BCU分類器I(ネットワーク分離問題用)は、想定故障リストに格納された想定故障のうち、順次入力される想定故障に対して、ネットワーク分離問題を結果として引き起こす高度に不安定な想定故障を選別するように設計されている。 The BCU classifier I (for network separation problems) selects highly unstable contingency faults that cause network segregation problems as a result of contingent faults that are sequentially input from the contingency faults stored in the contingency list. Designed to be.
BCU分類器II(安定平衡点収束問題用)は、BCU分類器Iによって選別されなかった残りの想定故障に対して、数値的方法を適用して故障前安定平衡点から始めて故障後安定平衡点を計算する場合、次の安定平衡点収束問題を引き起こす潜在的に不安定な想定故障を検出するように設計されている。 The BCU classifier II (for the stable equilibrium point convergence problem) applies a numerical method to the remaining contingencies that have not been selected by the BCU classifier I and starts from the pre-failure stable equilibrium point. Is designed to detect potentially unstable contingencies that cause the following stable equilibrium convergence problem.
(i)(数値発散問題)、故障前安定平衡点から始めて故障後安定平衡点を計算する際に発散問題が存在する、または、
(ii)(不正確収束問題)誤った故障後EP(平衡点)に収束する。
(I) (Numerical divergence problem), there is a divergence problem when calculating the stable equilibrium point after failure starting from the pre-failure stable equilibrium point, or
(Ii) (Inaccurate convergence problem) Convergence to an EP (equilibrium point) after an erroneous failure.
BCU分類器IIの本発明の実施の形態に係る安定平衡点の判定手法については、後述する。 A method of determining a stable equilibrium point according to the embodiment of the present invention of the BCU classifier II will be described later.
BCU分類器III−A(高安定度領域用の分類器)は、BCU分類器IIによって選別されなかった残りの想定故障に対して、基礎を成す故障後安定平衡点の大きい(サイズが十分な)安定度領域を結果としてもたらす高度に安定な想定故障を選別するように設計されている。 The BCU classifier III-A (classifier for the high stability region) has a large post-failure stable equilibrium point (with sufficient size) for the remaining contingencies that are not screened by the BCU classifier II. ) Designed to screen for highly stable contingencies that result in stability areas.
この分類器は、BCU方法の出口点探索プロセス中に一部の動的情報を利用する。次の2つの指標が、この分類器用に設計されている:
・Texit:故障時軌跡の出口点に到達するのに必要とされる時間。
This classifier uses some dynamic information during the exit point search process of the BCU method. The following two indicators are designed for this classifier:
Texit : time required to reach the exit point of the trajectory at the time of failure.
・δsmax:故障前安定平衡点と計算された故障後EPの最大角度差。 Δ smax : Maximum angular difference between the pre-failure stable equilibrium point and the calculated post-failure EP.
BCU分類器III−B(出口点問題用の分類器)は、BCU分類器III−Aによって選別されなかった残りの想定故障に対して、いわゆる出口点問題を結果として引き起こす潜在的に不安定な想定故障を選別するようになっている。これは、出口点を探索している間にある動的情報を用いる。2つの指標がこの分類器用に設計されている。次の指標である:
・Texit:故障時軌跡の出口点に到達するのに必要とされる時間。
The BCU classifier III-B (classifier for the exit point problem) is potentially unstable, resulting in a so-called exit point problem for the remaining contingencies that were not screened by the BCU classifier III-A. It is designed to sort out contingencies. This uses dynamic information that exists while searching for exit points. Two indicators are designed for this classifier. The following indicators are:
Texit : time required to reach the exit point of the trajectory at the time of failure.
・故障前安定平衡点と出口点間の潜在的エネルギ差。 • Potential energy difference between the stable equilibrium point before failure and the exit point.
調査想定故障を考えると、出口点問題が発生する、すなわち、出口点が時間間隔[0,Texit]間で発見することが可能であれば、また、潜在的エネルギ差が負であると、想定故障は潜在的に不安定であると分類される。 Considering the survey contingency, if an exit point problem occurs, i.e. if the exit point can be found between time intervals [0, Texit ], and if the potential energy difference is negative, Contingency failures are classified as potentially unstable.
BCU分類器IV(軌跡調整問題用の分類器)は、BCU分類器III−Bによって選別されなかった残りの想定故障に対して、最小勾配点の探索中、ある動的な情報に基づいて潜在的に不安定な想定故障を選別するようになっている。 The BCU classifier IV (the classifier for trajectory adjustment problems) is based on some dynamic information during the search for the minimum slope point for the remaining contingencies that have not been screened by the BCU classifier III-B. Instability assumptions are screened out.
最小勾配点検索中に軌跡調整が失敗すると、それは、軌跡に沿った極大点がBCU方法における縮約系統システムの安定度境界上にあるヒューリスティクが当てはまらず、調査想定故障が潜在的に不安定であることを示す。我々は、この分類器用に次の指標を提案する:
・N(軌跡調整):軌跡調整のプロセスにおける失敗の総数。
If the trajectory adjustment fails during the search for the minimum slope point, it means that the heuristic where the maximum point along the trajectory is on the stability boundary of the reduced system in the BCU method does not apply, and the survey failure is potentially unstable Indicates that We propose the following indicators for this classifier:
N (trajectory adjustment): the total number of failures in the trajectory adjustment process.
調査想定故障を考えると、数値N(軌跡調整)が閾値より大きい場合、想定故障は軌跡調整問題を有するものと見なされて、不安定であると分類される。 Considering the investigation assumed failure, if the numerical value N (trajectory adjustment) is greater than the threshold, the assumed failure is considered to have a locus adjustment problem and is classified as unstable.
分類器V(エネルギ関数問題用の分類器)
エネルギ関数は、電力システムの伝達コンダクタンスは十分小さく、これで、この関数はエネルギ関数であるために必要な3つの条件を満足しているという仮定に基づいて誘導されている。伝達コンダクタンスが十分小さくない場合、(数値)エネルギ関数を用いて過渡安定度を直接的に評価することは不可能である。
Classifier V (Classifier for energy function problem)
The energy function is derived on the assumption that the transfer conductance of the power system is small enough so that this function satisfies the three conditions necessary to be an energy function. If the transfer conductance is not small enough, it is impossible to directly evaluate the transient stability using a (numerical) energy function.
この分類器において、我々は、エネルギ関数がシステム軌跡に沿って減少する特性を用いて指標を設計する。BCU分類器Vは、BCU分類器IVによって選別されなかった残りの想定故障に対して、最小勾配点における潜在的エネルギが出口点におけるそれより大きい場合、対応する想定故障はエネルギ関数問題を引き起こすものと識別されて、潜在的に不安定であると分類される。 In this classifier we design the index with the property that the energy function decreases along the system trajectory. The BCU classifier V is one that, for the remaining contingencies that are not screened by the BCU classifier IV, if the potential energy at the minimum slope point is greater than that at the exit point, the corresponding contingency causes an energy function problem. And is classified as potentially unstable.
BCU分類器VI(不安定平衡点収束問題用)は、BCU分類器Vによって選別されなかった残りの想定故障に対して、数値的方法を適用して最小勾配点から始めて支配的不安定平衡点を計算するときに、次の不安定平衡点収束問題を検出するように設計されている。 The BCU classifier VI (for unstable equilibrium point convergence problem) applies a numerical method to the remaining unstable faults that have not been selected by the BCU classifier V, starting from the minimum gradient point, and the dominant unstable equilibrium point. Is designed to detect the following unstable equilibrium convergence problem.
(i)(数値収束問題)最小勾配点から始めて支配的不安定平衡点(CUEP)を計算する際に発散問題が存在する。 (I) (Numerical convergence problem) There is a divergence problem when calculating the dominant unstable equilibrium point (CUEP) starting from the minimum gradient point.
(ii)(不正確収束問題)誤った支配的不安定平衡点に収束する(すなわち、最小勾配点が、支配的不安定平衡点の収束領域ではなく別の不安定平衡点の収束領域中に存在する)。 (Ii) (Inaccurate convergence problem) converges to the wrong dominant unstable equilibrium point (ie, the minimum gradient point is not in the convergence region of the dominant unstable equilibrium point but in the convergence region of another unstable equilibrium point) Exist).
この分類器では、次の2つの指標が、不安定平衡点収束問題を引き起こすような想定故障を識別するように設計されている。不安定平衡点想定故障問題を持つ調査想定故障は、潜在的に不安定であると分類される。 In this classifier, the following two indicators are designed to identify contingencies that cause an unstable equilibrium convergence problem. Survey contingency faults with unstable equilibrium point contingency problems are classified as potentially unstable.
・Ismax:支配的不安定平衡点の計算における最大反復数。 I smax : Maximum number of iterations in the calculation of the dominant unstable equilibrium point.
・δsmax:最小勾配点と計算された不安定平衡点の最大角度差。 Δ smax is the maximum angle difference between the minimum slope point and the calculated unstable equilibrium point.
BCU分類器VII(支配的不安定平衡点用分類器)は、BCU分類器VIによって選別されなかった残りの想定故障に対して、支配的不安定平衡点におけるエネルギ値を臨界エネルギとして用いて、残りの想定故障の各々を(明確に)安定なものまたは(可能性のある)不安定なものと分類する。支配的不安定平衡点方法の理論によれば、故障解消時におけるエネルギ値が臨界エネルギ値未満であれば、対応する想定故障は(明確に)安定であり、そうでなければそれは(可能性のある)不安定である。 The BCU classifier VII (classifier for the dominant unstable equilibrium point) uses the energy value at the dominant unstable equilibrium point as the critical energy for the remaining contingencies that are not screened by the BCU classifier VI, Each remaining contingency is classified as (clearly) stable or (possibly) unstable. According to the theory of the dominant unstable equilibrium point method, if the energy value at the time of failure resolution is less than the critical energy value, the corresponding contingency is (clearly) stable, otherwise it is (possibly There is unstable).
BCU分類器II乃至BCU分類器VIによって選別された想定故障は、BCU誘導型時間域方法により解析される。このBCU誘導型時間域方法は、公知の技術であり(参考文献5参照)、入出力は以下の通りである。 The contingency faults selected by the BCU classifier II to BCU classifier VI are analyzed by the BCU guided time domain method. This BCU guided time domain method is a known technique (see Reference 5), and input / output is as follows.
入力:動的信頼度評価に対する関連データを持つ電力システムと想定故障
出力:電力システムに対する想定故障の安定度評価とエネルギマージン値
次に、本発明の実施の形態に係るBCU分類器IIにおける安定平衡点の判定方法について、図4のフローチャートを参照して説明する。
Input: Power system having related data for dynamic reliability evaluation and assumed fault output: Stability evaluation and energy margin value of assumed fault for power system Next, stable equilibrium in the BCU classifier II according to the embodiment of the present invention The point determination method will be described with reference to the flowchart of FIG.
安定平衡点を求めるには、非線形微分方程式
の定常状態、つまり、0=F(x)の非線形連立方程式を解くことになる。電力システムの場合、非線形微分方程式の形にすると行列が密行列になり、計算負荷低減の観点から好ましくないので、非線形微分代数方程式(DAE形式)で表現される。 That is, a nonlinear simultaneous equation of 0 = F (x) is solved. In the case of a power system, if the form of a nonlinear differential equation is used, the matrix becomes a dense matrix, which is not preferable from the viewpoint of reducing the calculation load, and is therefore expressed by a nonlinear differential algebraic equation (DAE format).
まず、想定故障が入力されると、電力システムの非線形微分代数方程式(DAE形式)が作成される(S1)。この非線形微分代数方程式は、式(1)で表わされる。
ここで、
F(x,y):電力システムの機械系方程式
G(x、y):電力システムの潮流方程式
x,y:電力システムの非線形微分代数方程式の変数である。
here,
F (x, y): Mechanical system equation of power system G (x, y): Power flow equation of power system x, y: Variables of nonlinear differential algebraic equation of power system.
なお、想定故障は仮想的な電力システムの外乱の影響が反映されたものであり、電力システムの非線形微分代数方程式の変数にパラメータとして反映される。 Note that the assumed failure reflects the influence of the disturbance of the virtual power system, and is reflected as a parameter in the variable of the nonlinear differential algebraic equation of the power system.
次に、ニュートン法を利用して、S1において生成された電力システムの非線形微分代数方程式(式(1))から安定平衡点の計算を行ない(S2)、安定平衡点を算出可能か否かの判断が行なわれる(S3)。 Next, using the Newton method, the stable equilibrium point is calculated from the nonlinear differential algebraic equation (Equation (1)) of the power system generated in S1 (S2), and whether or not the stable equilibrium point can be calculated. A determination is made (S3).
非線形連立方程式は、ヤコビヤン行列を利用したニュートン法により収束計算することがよく知られており、BCU法でも利用しているが、ニュートン法は初期値と解の距離が大きいと発散することがある。発散は、解を見つけられなかったのか、解が存在しないのかのいずれかの場合に発生するが、解がない場合には、システムが極度に不安定な状態であるため、追加の評価が必要になり、計算量が膨大になる。多くの場合、本当に解がないことは稀であり、解を見出せないことが普通であることから、収束性能を改善することには効果がある。 It is well known that nonlinear simultaneous equations are calculated by convergence using the Newton method using the Jacobian matrix, and are also used in the BCU method. However, the Newton method may diverge when the distance between the initial value and the solution is large. . Divergence occurs when no solution is found or no solution exists, but if there is no solution, the system is extremely unstable and requires further evaluation The amount of calculation becomes enormous. In many cases, it is rare that there is no real solution, and since it is normal that a solution cannot be found, it is effective to improve the convergence performance.
S3において、安定平衡点を算出することができると判断された場合には、分類器IIに入力された想定故障は、分類器III−Aによる選別(screening out)処理に付される。 If it is determined in S3 that a stable equilibrium point can be calculated, the contingency fault input to the classifier II is subjected to a screening out process by the classifier III-A.
次に、ニュートン法により安定平衡点が算出されなかった場合について説明する。 Next, the case where the stable equilibrium point is not calculated by the Newton method will be described.
疑似過渡シミュレーションを電力システムの非線形微分代数方程式に単純に適用すると、電力システム内に存在する電力動揺の振動モードが悪影響を与え、ニュートン法の初期値として適切なものを得ることができない。図5は、疑似過渡シミュレーションを電力システムの非線形微分代数方程式に単純に適用した場合の一例を示す図である。同図に示すように、10秒もシミュレーションしていても、現在位置と解との距離を意味するとミスマッチ(Mismatch)(=ノルム)が小さくなっていないことがわかる。 If the pseudo- transient simulation is simply applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system, the vibration mode of the power fluctuation existing in the power system has an adverse effect, and an appropriate initial value for the Newton method cannot be obtained. FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which the pseudo transient simulation is simply applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system. As shown in the figure, even if simulation is performed for 10 seconds, it can be understood that the mismatch (= norm) is not small in terms of the distance between the current position and the solution.
そこで、系統内に存在する全部の発電機のダンピング係数を大きくする。i番目の発電機の機械系微分方程式は、以下のようになる。
ここで、
H:発電機単位慣性定数(per unit inertia constant)
δ:発電機内部相差角(internal angle)
ω0:システム角周波数(Rated angular velocity)
D:ダンピング係数(Damping Factor)
Tm:機械入力トルク
Te:電気トルク
Dの値を、すべての発電機で、仮想的にシステム角周波数の1から10倍程度と大きくすることで、電力動揺モードの影響を小さくする。この影響をなくすと電力動揺は再現できなくなるが、疑似過渡シミュレーション法の本来の目的であるニュートン法に利用する優良な初期値を高速に求めることができる。here,
H: per unit inertia constant
δ: Generator internal phase angle
ω 0 : Rated angular velocity
D: Damping factor
Tm: Machine input torque
Te: Electric torque
By virtually increasing the value of D to 1 to 10 times the system angular frequency for all generators, the effect of the power oscillation mode is reduced. If this effect is eliminated, the power fluctuation cannot be reproduced, but a good initial value used for the Newton method, which is the original purpose of the pseudo- transient simulation method, can be obtained at high speed.
図6は、ダンピング係数Dを大きく設定した場合に、疑似過渡シミュレーションを電力システムの非線形微分代数方程式に適用した場合の一例を示す図である。図6においては、仮想的に導入したDの値は500で、ω0は120πである。FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which the pseudo transient simulation is applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system when the damping coefficient D is set large. In FIG. 6, the virtually introduced value of D is 500 and
なお、参考文献6,7において、ダンピング係数を大きくしてもSEPの場所には影響がないことが開示されている。
参考文献6:H.D. Chiang, F. F. Wu, P. P. Varaiya, "Foundation of direct methods for power system transient stability analysis”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 34, No. 2, February 1987
参考文献7:H.D. Chiang and F. F. Wu,”Stability of Nonlinear Systems Described by a Second- Order Vector Differential Equation”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 35, NO. 6, JUNE 1988
すなわち、S3において、安定平衡点を算出可能ではないと判断された場合には、電力システムの非線形微分代数方程式の電力システム内に存在する全部の発電機の機械系微分方程式のダンピング係数を実際の電力システムの値よりも大きく設定する(S4)。
Reference 6: HD Chiang, FF Wu, PP Varaiya, “Foundation of direct methods for power system transient stability analysis”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 34, No. 2, February 1987
Reference 7: HD Chiang and FF Wu, “Stability of Nonlinear Systems Described by a Second-Order Vector Differential Equation”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, VOL. 35, NO. 6, JUNE 1988
That is, when it is determined in S3 that the stable equilibrium point cannot be calculated, the damping coefficients of the mechanical differential equations of all the generators existing in the power system of the nonlinear differential algebraic equation of the power system are actually set. It is set larger than the value of the power system (S4).
i番目の発電機の機械系微分方程式は、以下のようになる。
ここで、
H:発電機単位慣性定数(per unit inertia constant)
δ:発電機内部相差角(internal angle)
ω0:システム角周波数(Rated angular velocity)
D:ダンピング係数(Damping Factor)
Tm:機械入力トルク
Te:電気トルク
この発電機の機械系微分方程式は、電力システムの非線形微分代数方程式(式(1))の機械系方程式に作用するものである。
here,
H: per unit inertia constant
δ: Generator internal phase angle
ω 0 : Rated angular velocity
D: Damping factor
Tm: Machine input torque
Te: Electric torque The mechanical differential equation of this generator acts on the mechanical differential equation of the nonlinear differential algebraic equation (Equation (1)) of the power system.
本実施の形態においては、Dの値を、すべての発電機で、仮想的にシステム角周波数の1から10倍程度と大きく設定する。 In the present embodiment, the value of D is virtually set to be about 1 to 10 times the system angular frequency for all the generators.
次に、S4においてダンピング係数が設定された全ての発電機の機械系微分方程式を含む電力システムの非線形微分代数方程式に疑似過渡シミュレーション方法を適用して、非線形微分代数方程式の電力システムの機械系方程式F(x,y)のノルム||F(x,y)||を算出する(S5)。Next, the pseudo-transient simulation method is applied to the nonlinear differential algebra equation of the power system including the mechanical differential equation of all the generators for which the damping coefficient is set in S4, so that the mechanical system equation of the power system of the nonlinear differential algebraic equation is obtained. The norm || F (x, y) || of F (x, y) is calculated (S5).
なお、ノルム||F(x,y)||の算出が成功しない場合には、その値が大きくなり計算が発散する場合があり、この場合には、計算を強制終了する。強制終了する閾値は、例えば、ノルム||F(x0,y0)||の10倍である。ここで、ノルム||F(x0,y0)||は、疑似過渡シミュレーションを始める前の初期値(故障発生前の安定平衡点を代入して計算したノルム)である。If the calculation of norm || F (x, y) || is not successful, the value may increase and the calculation may diverge. In this case, the calculation is forcibly terminated. The threshold value for forced termination is, for example, ten times the norm || F (x0, y0) ||. Here, norm || F (x0, y0) || is an initial value (norm calculated by substituting a stable equilibrium point before failure occurrence) before starting the pseudo transient simulation.
次に、S5において算出されたノルム||F(x,y)||が所定の値以下か否かの判断が行なわれる(S6)。ここで、所定の値とは、例えば、想定故障発生前の健全状態のもとでの電力システムの非線形微分代数方程式の機械系方程式のノルムの20%である。なお、この値は、適宜設定変更可能であることはいうまでもない。S6において、所定の値以下ではないと判断された場合には、S5に戻り、再度、疑似過渡シミュレーションレーション方法によりノルムを算出する。Next, it is determined whether or not the norm || F (x, y) || calculated in S5 is equal to or smaller than a predetermined value (S6). Here, the predetermined value is, for example, 20% of the norm of the mechanical system equation of the nonlinear differential algebraic equation of the power system under the sound state before the occurrence of the assumed failure. Needless to say, this value can be appropriately changed. If it is determined in S6 that the value is not less than the predetermined value, the process returns to S5, and the norm is calculated again by the pseudo transient simulation method.
一方、S6においてノルム||F(x,y)||が所定の値以下であると判断された場合には、疑 似過渡シミュレーション方法の1回当りの繰り返し計算で、ノルムの変化量が2以下であるか否かの判断が行なわれる(S7)。On the other hand, the norm || F (x, y) in S6 if || is determined to be equal to or less than the predetermined value, a repeated calculation of per transient simulation method pseudo-,
なお、ここでは、変化量が2以下である場合としたが、変化量の設定値は1〜2の範囲で設定可能である。 Although the change amount is 2 or less here, the set value of the change amount can be set in the range of 1 to 2.
S7において、ノルムの変化量が2以下ではないと判断された場合には、公知の時間域安定解析処理に移る(S12)。 If it is determined in S7 that the norm change amount is not 2 or less, the process proceeds to a known time domain stability analysis process (S12).
S7において、2以下であると判断された場合には、所定の値以下であると判断された際の変数値x,yを、電力システムの非線形微分代数方程式の変数の初期値として設定する(S8)。 If it is determined in S7 that the value is 2 or less, the variable values x and y determined to be less than or equal to the predetermined value are set as initial values of the variables of the nonlinear differential algebraic equation of the power system ( S8).
次に、初期値が設定された電力システムの非線形微分代数方程式にニュートン法を適用して、安定平衡点の計算を行ない(S9)、安定平衡点の算出が可能か否かの判断が行なわれる(S10)。 Next, the Newton method is applied to the nonlinear differential algebraic equation of the power system for which the initial value is set to calculate the stable equilibrium point (S9), and it is determined whether the stable equilibrium point can be calculated. (S10).
S10において、安定平衡点の算出が可能であると判断された場合には、想定故障は安定であるとして分類器III−Aによる処理へ送られる(S11)。一方、安定平衡点の算出ができないと判断された場合には、S5の処理に戻り、疑似過渡シミュレーション方法によりノルムの算出が行なわれる。If it is determined in S10 that the stable equilibrium point can be calculated, the assumed fault is considered to be stable and sent to processing by the classifier III-A (S11). On the other hand, if it is determined that the stable equilibrium point cannot be calculated, the process returns to S5, and the norm is calculated by the pseudo transient simulation method.
本実施の形態に係る発明によれば、13,000母線という大規模系統において、ニュートン法では安定平衡点を見つけ出せなかった59のケースのうち、42のケースの安定平衡点を見つけ出すことができた。安定平衡点が見つけられなかったケースは数値的に計算ができなかったという可能性はほとんどなく、システムの信頼性が非常に向上した。 According to the invention according to the present embodiment, among 59 cases in which a Newton method could not find a stable equilibrium point in a large-scale system of 13,000 buses, 42 cases of stable equilibrium points could be found. . In the case where a stable equilibrium point was not found, there was almost no possibility that it could not be calculated numerically, and the reliability of the system was greatly improved.
本実施の形態においては、BCU分類器IIに本実施形態の安定平衡点の判定手法を組み込んだ場合について説明したが、これに限られるものではなく、電力システムの安定平衡点を判定する手法に広く適用することができる。 In the present embodiment, the case where the method for determining the stable equilibrium point of the present embodiment is incorporated into the BCU classifier II has been described. However, the present invention is not limited to this, and the method for determining the stable equilibrium point of the power system Can be widely applied.
さらに、本実施形態の安定平衡点の判定手法は、電力システムの安定平衡点を判定する手法に限らず、種々のシステムの安定平衡点を判定することができる。 Furthermore, the determination method of the stable equilibrium point of the present embodiment is not limited to the method of determining the stable equilibrium point of the power system, and can determine the stable equilibrium point of various systems.
産業上の利用可能性
本発明は、システムの安定平衡点を算出する安定平衡点算出装置に利用できる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a stable equilibrium point calculation device that calculates a stable equilibrium point of a system.
Claims (2)
前記求められたノルムが所定の条件を満たすか否かを判断する手段と、
所定の条件を満たすと判断された場合に、前記所定の条件を満たすと判断された値が求められた際の前記発電機の機械系微分方程式を含む非線形微分代数方程式の変数値を、前記電力システムの非線形微分代数方程式の変数の初期値として設定する手段と、
前記初期値が設定された前記電力システムの非線形微分代数方程式に対してニュートン法を使用して、安定平衡点を判別する手段と
を具備し、
前記電力システムの非線形微分代数方程式は、下記式で表わされ、
F(x,y):電力システムの機械系方程式
G(x、y):電力システムの潮流方程式
x,y:電力システムの非線形微分代数方程式の変数であり、
前記発電機の機械系微分方程式は、下記式で表わされ、
i:電力システムのi番目の発電機、
H:発電機単位慣性定数(per unit inertia constant)
δ:発電機内部位相角(internal angle)
ω 0 :システム角周波数
D:ダンピング係数(Rated angular velocity)
Tm:機械入力トルク
Te:電気トルク
であり、
前記ダンピング係数は、前記電力システムの角周波数の1倍乃至10倍の範囲内に設定 され、
前記所定の条件は、前記求められたノルムが想定故障発生前の健全状態のもとでの前記 電力システムの非線形微分代数方程式の機械系方程式の20%以下であり、かつ疑似過渡 シミュレーション方法の1回当りの繰り返し計算で、ノルムの変化量が2以下の場合であ る、電力システムの安定平衡点計算装置。 Non-linearity of the power system including a mechanical differential equation of the generator of the power system in which the mechanical damping coefficient of the generator in the power system is set larger than the actual mechanical damping coefficient of the generator by a predetermined magnitude Means for determining a norm of a mechanical system equation of a nonlinear differential algebraic equation of a power system including a mechanical system differential equation of a generator in which the mechanical system damping coefficient is set using a pseudo-transient simulation method for the differential algebra equation; In the nonlinear differential algebraic equation of the power system, the assumed failure reflecting the influence of the disturbance of the virtual power system is reflected as the parameter of the variable.
Means for determining whether the determined norm satisfies a predetermined condition;
When it is determined that a predetermined condition is satisfied, a variable value of a nonlinear differential algebraic equation including a mechanical differential equation of the generator when a value determined to satisfy the predetermined condition is obtained, Means for setting the initial value of a variable in the system's nonlinear differential algebraic equation;
Means for determining a stable equilibrium point using Newton's method for the nonlinear differential algebraic equation of the power system in which the initial value is set ;
The nonlinear differential algebraic equation of the power system is represented by the following equation:
F (x, y): Mechanical system equation of electric power system
G (x, y): Power system flow equation
x, y are variables of the nonlinear differential algebraic equation of the power system,
The mechanical differential equation of the generator is represented by the following equation:
i: i-th generator of the power system,
H: Per unit inertia constant
δ: Generator internal phase angle (internal angle)
ω 0 : System angular frequency
D: Damping coefficient (Rated angular velocity)
Tm: Machine input torque
Te: Electric torque
And
The damping coefficient is set within a range of 1 to 10 times the angular frequency of the power system ,
The predetermined condition is that the obtained norm is 20% or less of the mechanical system equation of the nonlinear differential algebraic equation of the power system under a healthy state before the occurrence of the assumed failure , and 1 of the pseudo transient simulation method in iteration per dose, the amount of change in norm Ru der case of 2 or less, stable equilibrium point calculation device for a power system.
算出可能ではないと判断された場合に、前記ノルムを求める手段を実行する請求項1記 The means for obtaining the norm is executed when it is determined that the calculation is not possible. 載の電力システムの安定平衡点計算装置。A stable equilibrium point calculation device for the listed power system.
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