[论文解读] Newtonian Mechanics Based Transient Stability PART II: Individual Machine

Songyan Wang, Jilai Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Smart Grid and Power Systems参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文基于牛顿力学框架，提出一种基于单机的暂态稳定评估（TSA）方法，证明严格遵循机器范式可实现对单机功角轨迹稳定性的精确表征，并清晰描绘出在单机最大潜在能点（IMPP）处的轨迹差异。该方法为临界机摆角、系统临界稳定性及单机潜在能面提供了严格定义，通过多摆仿真案例验证了其在准确检测不稳定性和稳定相关性方面的有效性。

ABSTRACT

The paper analyzes the mechanisms of the individual-machine and also its advantages in TSA. Based on the critical-machine monitoring of the original system trajectory, it is clarified that the individual-machine strictly follows the machine paradigms. These strict followings of the paradigms bring the two advantages of the individual-machine method in TSA: (i) the individual-machine trajectory stability is characterized precisely, and (ii) the individual-machine trajectory variance is depicted clearly at IMPP. The two advantages are fully reflected in the precise definitions of individual-machine based transient stability concepts. In particular, the critical machine swing is clearly depicted through the IDSP or IDLP of the machine, the critical stability of the system is strictly defined as the critical stability of the most-severely disturbed machine, and the individual-machine potential energy surface is also precisely modeled through the IMPE of the machine. Simulation results show the effectiveness of the individual-machine in TSA.

研究动机与目标

• 分析基于牛顿力学原理的单机方法在暂态稳定评估（TSA）中的内在机制。
• 阐明严格遵循机器范式如何实现TSA中对稳定性表征的精确化与轨迹描绘的清晰化。
• 基于单机行为，建立临界机摆角、系统临界稳定性等暂态稳定概念的严格、物理基础明确的定义。
• 通过仿真案例中的多摆稳定性表征，验证该方法的有效性。
• 通过首先建立稳健的单机框架，为后续分析叠加机方法奠定基础。

提出的方法

• 单机方法基于牛顿能量转换（NEC）原理，独立建模每台机器的动能与势能动态特性。
• 通过单机动态解耦点（IDLP）与单机动态静止点（IDSP）识别临界机行为，分别标志不稳定性的起始与稳定性的恢复。
• 利用单机势能表达式（IMPE）精确建模单机势能面（IMPES），确保基于能量的稳定性评估准确性。
• 通过跟踪单机暂态能量（IMTE）与剩余动能（IMKE）进行稳定性评估，零或正的剩余IMKE表示首次或第二次摆动的不稳定。
• 系统级稳定性由所有机器中最早达到IDLP的机器决定，遵循“统一原则”——系统不稳定发生在任意一台机器首次达到其IDLP时。
• 该方法采用时域仿真追踪单机轨迹与能量转换过程，实现对多摆稳定性特征的详细表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 严格遵循机器范式如何提升TSA中单机功角轨迹稳定性表征的精确性？
• RQ2 单机方法在何种方式下能实现对单机最大势能点（IMPP）处轨迹差异的清晰描绘？
• RQ3 如何基于单机动力学与能量转换原理，严格定义临界机摆角？
• RQ4 单机势能面（IMPES）在实现精确系统稳定性评估中发挥何种作用？
• RQ5 该单机方法如何确保在复杂多摆场景下，暂态轨迹差异与能量转换行为之间保持严格相关性？

主要发现

• 通过追踪单机暂态能量（IMTE）与剩余动能（IMKE），单机方法能精确表征轨迹稳定性，零IMKE表示首次摆动稳定，正IMKE表示第二次摆动不稳定。
• 临界机摆角通过单机动态解耦点（IDLP）与单机动态静止点（IDSP）清晰呈现，分别标志不稳定性的起始与恢复。
• 系统临界稳定性被严格定义为最严重受扰机器的稳定性，系统不稳定在任一机器首次出现IDLP时即被确认。
• 单机势能面（IMPES）通过单机势能表达式（IMPE）被精确建模，实现准确的能量基础稳定性评估。
• 仿真结果表明，两项核心优势——稳定性表征与轨迹描绘——在多摆稳定性分析中得到充分体现，其中IDLP1出现在1.415 s，IDLP2出现在0.674 s，正确识别了不稳定性的起始时刻。
• 该方法确保了在复杂多摆场景下，暂态轨迹差异与能量转换行为之间保持严格且物理基础牢固的相关性。