[论文解读] Evaluation of Suitability of Different Transient Stability Indices for Identification of Critical System States

Amirhossein Sajadi, Robin Preece+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

Power System Optimization and Stability被引用 6

一句话总结

本研究评估了四种暂态稳定指标——TSI、ROMA、TKE 和 TPE——以识别在不确定性条件下的电力系统中的临界系统状态。基于一个三机九母线测试系统，研究评估了一维、二维和三维运行空间中的敏感性和平滑度，结果表明暂态潜在能（TPE）在高敏感性与高平滑度之间提供了最佳平衡，因此最适用于复杂、高维电力系统中的概率稳定性风险分析。

ABSTRACT

Power system stability indices are used as measures to evaluate and quantify the response of the system to external large disturbances. This paper provides a comparative analysis of established transient stability indices. The indices studied in this paper include rotor-angle difference based transient stability index (TSI), rate of machine acceleration (ROMA), transient kinetic energy (TKE), and transient potential energy (TPE). The analysis is performed using the 3-machine, 9-bus standard test system under a realistic range of loading levels. The aim of the study is to determine their suitability for reliable identification of critical system conditions considering system uncertainties.

研究动机与目标

• 识别适用于未来高不确定性与高复杂性电力系统中概率稳定性风险分析的稳健暂态稳定指标。
• 评估在不同负荷水平和故障条件下，现有暂态稳定指标的适用性。
• 评估稳定指标在多维运行空间中的敏感性和平滑度，以确定其在实时与规划研究中的可靠性。
• 为未来在大型复杂网络中进行稳定监测与控制时选择最有效指标提供比较基础。
• 支持发展高效方法，以识别高维电力系统中的临界状态和低概率高影响的系统异常。

提出的方法

• 在真实范围的负荷水平和故障情景下，对一个三机九母线标准测试系统进行了基于仿真的分析。
• 计算了四种暂态稳定指标：基于功角差的 TSI、机组加速度率（ROMA）、暂态动能（TKE）和暂态潜在能（TPE）。
• 通过测量指标对一维、二维和三维运行空间中系统负荷水平变化的响应，评估其敏感性。
• 通过分析多维运行空间中稳定指标曲面的连续性和规律性，评估其平滑度。
• 利用数值结果比较不同故障类型和负荷条件下各指标的性能表现。
• 通过二维和三维曲面图可视化敏感性与平滑度之间的权衡，以识别适用于概率研究的最优指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多维空间中，哪种暂态稳定指标对系统负荷变化和故障严重程度的敏感性最高？
• RQ2 哪种指标在多维运行空间中产生的曲面最平滑，表明其行为具有高度可靠性和可预测性？
• RQ3 TSI、ROMA、TKE 和 TPE 在系统负荷的一维、二维和三维变化下，其性能特征如何变化？
• RQ4 能否识别出一种稳定指标，使其在概率稳定性分析中同时具备高敏感性和高平滑度的平衡组合？
• RQ5 哪种指标最适用于识别复杂电力系统中的临界系统状态和低概率高影响的异常情况？

主要发现

• 暂态潜在能（TPE）在所有测试维度中均表现出最高的整体适用性，其敏感性和平滑度均保持高水平。
• 暂态动能（TKE）对系统参数变化的敏感性最高，但平滑度较低，限制了其在基于曲面分析中的可靠性。
• 基于功角差的 TSI 产生的曲面最平滑，表明其具有高度规律性，但其敏感性最低，导致对系统变化的响应能力较弱。
• 机组加速度率（ROMA）同时表现出低敏感性和低平滑度，因此是概率稳定性研究中最不合适的指标。
• 图6中展示的平滑度与敏感度权衡分析确认，TPE 在一维、二维和三维运行空间中均提供了最有利的平衡。
• 多维分析中的一致结果验证了所提出的敏感性和平滑度评估框架在选择稳定指标方面的稳健性。