基于廣域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)失穩(wěn)預警方法研究

張 盼,付 超,金小明,李鴻鑫,章玉杰,趙晉泉

（1河海大學可再生能源發(fā)電技術教育部工程研究中心,江蘇南京 2lOO98；2南方電網科學研究院,廣東廣州 5lOO8O）

文章編號：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO4O-O6 文獻標志碼：A 中圖分類號：TM7l2

基于廣域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)失穩(wěn)預警方法研究

張 盼1,付 超2,金小明2,李鴻鑫2,章玉杰1,趙晉泉1

（1河海大學可再生能源發(fā)電技術教育部工程研究中心,江蘇南京 2lOO98；2南方電網科學研究院,廣東廣州 5lOO8O）

0 引 言

發(fā)電廠限于穩(wěn)定極限而不能滿發(fā)的現象在送端電網中普遍存在,解決上述問題的有效途徑是安裝各類安穩(wěn)控制裝置,由于單一的穩(wěn)定控制裝置通常不能全面考慮電網的穩(wěn)定要求,因此區(qū)域穩(wěn)定控制技術得到較大發(fā)展［1］。傳統(tǒng)的區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)一般采用的是基于事件監(jiān)測的暫態(tài)穩(wěn)定控制技術,根據就地響應信號對當前故障進行快速匹配,進而采取既定的控制策略,方法針對性強、速度快,但當實際故障超出離線故障集涵蓋的范圍,則無法作出響應［2］。隨著廣域量測技術在電力系統(tǒng)中的廣泛應用,利用多點異地響應信息進行暫態(tài)失穩(wěn)的實時預警和緊急控制成為熱點問題之一［3］。基于廣域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)通過實時獲取擾動后的廣域量測信息,快速分析系統(tǒng)穩(wěn)定性,達到失穩(wěn)預警的目的。作為對現有防線的有益補充,可以在一定程度上防范大擾動造成的系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

六盤水地區(qū)煤炭、水、風能和太陽能資源豐富,是貴州省的重要能源基地之一。截止2Ol4年底,六盤水地區(qū)總裝機約2 225MW,負荷僅為79O～1 2OOMW,由電廠外送水平導致的穩(wěn)定問題較為突出,多種能源分散接入電網后,系統(tǒng)穩(wěn)定特性更為復雜,極大地威脅了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。為綜合考慮全網信息并采取相應的控制措施,電網擬裝設基于廣域響應的穩(wěn)定控制系統(tǒng)?；趶V域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)通過有效判據識別系統(tǒng)失穩(wěn),進而采取相應的控制措施,以較小的代價避免大停電。國內外對基于廣域量測信息的暫態(tài)穩(wěn)定判別與控制技術開展了大量的研究［4-l5］,但實際工程應用很少。

本文結合六盤水電網的故障仿真,考慮負荷水平、開機方式、網架變化等因素,對比分析單機能量函數、軌跡特征根、最大功角差、同調機群間隙角、基于軌跡的EEAC、軌跡凹凸性、受擾電壓軌跡積分7種基于廣域響應的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術的適應性。根據六盤水電網的網架特點,形成了穩(wěn)控系統(tǒng)通信配置方案,在此基礎上,提出了各子站協(xié)調配合的失穩(wěn)預警方案,為基于廣域響應的穩(wěn)定控制系統(tǒng)在六盤水的實施提供參考依據。

1 基于廣域響應的暫態(tài)失穩(wěn)判據

本節(jié)簡單介紹最大功角差、同調群間隙角、相平面軌跡凹凸性、單機能量函數、基于實測軌跡的EEAC、軌跡特征根和受擾電壓軌跡積分7種基于廣域響應的暫態(tài)穩(wěn)定判別方法,各方法所需要的量測量和門檻值如表1所示。

表1 各判別方法量測量

1.1 基于最大功角差的判據

當系統(tǒng)中有任意兩臺發(fā)電機的功角差超過一定的門檻值,即判定系統(tǒng)發(fā)生了失步。

式中:δmax為采樣時刻的最大功角值；δmin為采樣時刻最小功角值；δliml為所設定的最大功角差的門檻值。

1.2 基于相平面軌跡凹凸性的判據

文獻 ［lO］提出一種根據多機系統(tǒng)相平面軌跡凹凸性識別暫態(tài)穩(wěn)定的方法,并在二維相平面內嚴格證明了其可行性。該方法首先對觀測發(fā)電機進行兩機等值分群計算,再進一步等效為OMIB系統(tǒng)。對于等值形成的OMIB系統(tǒng)主要考量其在3個平面內的凹凸性:

①功角-角加速度平面凹凸性:式中:δ和ω分別為OMIB系統(tǒng)功角和角速度。

②不平衡功率-功角平面凹凸性:

式中:ΔP′（δ）為系統(tǒng)不平衡功率對功角的一階導數。

③不平衡功率-時間平面凹凸性:

式中:ΔP（t）為系統(tǒng)不平衡功率。

當功角-角加速度平面呈現凸性時,系統(tǒng)有失穩(wěn)傾向；當不平衡功率-功率-時間平面呈現凸性時,判定系統(tǒng)失穩(wěn)。

1.3 基于單機能量函數的判據

文獻［ll］通過系統(tǒng)中受擾最嚴重機組的穩(wěn)定性判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。判據建立如下:

定義2:在每一個擺動過程中,若發(fā)電機動能達到最大數值,此時/dt=O,稱此點為中心點,記為CP。經過CP后,若能再一次到達/dt=O,則稱該點為邊界點,記為BP,此時發(fā)電機處于臨界狀態(tài)。

暫態(tài)失穩(wěn)判據:系統(tǒng)受到擾動后,若在某一個擺動周期內,發(fā)電機i的運行軌跡到達BP,且此時刻dVi/dt＞O,則該機運行軌跡經過BP后將不再返回,即發(fā)電機i暫態(tài)失穩(wěn)。

1.4 基于實測軌跡的EEAC判據

EEAC理論［l2］通過互補群慣量中心相對運動（CCCOI-RM）變換將多機功角軌跡和對應的發(fā)電機功率逐個時刻地映射到一系列單機無窮大（OMIB）系統(tǒng)的擴展相平面上,形成時變OMIB系統(tǒng)的Pδ曲線。

OMIB系統(tǒng)的動能在某次擺動過程中減小為O,則該點稱為最遠點（FEP）。如果正向擺動過程中減速力減小為O而動能不為O,或者在反向擺動過程中減速力增加到O而動能不為O,則該點稱為動態(tài)鞍點（DSP）。如果系統(tǒng)遇到DSP判定系統(tǒng)失穩(wěn),遇到FEP則判定系統(tǒng)為穩(wěn)定。

1.5 基于同調機群間隙角的判據

當多機發(fā)生失步時,振蕩的兩群可分為領先群S和滯后群A,據此可計算得到兩群慣量中心功角差,當慣量中心功角差大于失穩(wěn)門檻值時判定多機系統(tǒng)失穩(wěn)。

式中:δA和δS分別為A群和S群的等值機功角；δlim2為同調群間隙角門檻值。

1.6 基于軌跡特征根的判據

紹興市城市建設投資集團有限公司(以下簡稱紹興城投)，是紹興市重大項目建設主體、基礎設施投融資主體、市政公用設施運營主體，2011年5月由紹興市委市政府發(fā)文組建，2011年11月18日正式掛牌.成立以來，紹興城投一直以經營城市和建設城市為己任，求生存謀發(fā)展，積極轉型.在市委市政府的堅強領導下，認真貫徹新型城市化戰(zhàn)略，實施“中心崛起、三片融合”方針以及“企業(yè)轉型年、工程推進年、精細管理年”的發(fā)展思路，在各個方面都取得了優(yōu)異的成績，邁出了堅實的步伐.

文獻［l3］提出的基于軌跡特征根的暫態(tài)穩(wěn)定判別方法,形成判據如下:

①判斷當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)矩陣是否滿足實部為正特征根的等價條件。

②若不滿足,則判定系統(tǒng)穩(wěn)定,否則進一步判斷功角最大發(fā)電機是否有遠離系統(tǒng)慣量中心的運動趨勢,若是則判定系統(tǒng)失穩(wěn)。

1.7 基于受擾電壓軌跡的判據

文獻［l4- l5］提出了基于受擾電壓軌跡判別暫態(tài)失穩(wěn)的工程化方法,按如下步驟進行暫穩(wěn)判別:

①獲取系統(tǒng)受擾后各觀測母線三相電壓幅值,并識別電壓正常下墜過程,保證故障持續(xù)時段內不進行電壓積分計算。

②判斷當前時刻三相電壓幅值是否低于設定門檻值（起始積分電壓）,若低于則進行復合積分計算,包括加權下墜速率和面積補償。

③判斷當前時刻電壓積分值是否大于預設失穩(wěn)門檻值,若大于則判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)；若電壓幅值回升至起始積分電壓之上并持續(xù)一定時間,則清除積分值并判定系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 暫態(tài)失穩(wěn)判別方法分析研究

目前的暫穩(wěn)判別方法主要有基于發(fā)電機信息判別和基于聯(lián)絡線信息判別兩種?；诎l(fā)電機信息判別的方法有:軌跡凹凸性、單機能量函數、EEAC、軌跡特征根、功角門檻值判據等方法,這類方法通過發(fā)電機相關信息判別系統(tǒng)的穩(wěn)定情況并能根據系統(tǒng)的加減速面積給出相應的控制措施,但需要觀測點多,較難工程實現。基于聯(lián)絡線信息的判別方法主要有受擾電壓軌跡積分等方法,該類方法根據系統(tǒng)擾動后輸電斷面聯(lián)絡線的特征信息映射兩側發(fā)電機間的搖擺情況,需要觀測點較少,具有較好的工程實施性,但較難給出控制量化措施。

2.1 暫態(tài)失穩(wěn)判別方法對比驗證

六盤水地區(qū)電網網架相對薄弱,屬于電源外送地區(qū),風電由22OkV威寧變、雙龍變并網后,黃濫線、雙六線和野北線等線路的穩(wěn)定問題更為突出。六盤水地區(qū)電網拓撲結構如圖1所示。

圖1 六盤水22OkV電網結構圖

以南方電網2Ol4年豐大方式為基礎計算方式,選取六盤水地區(qū)l3個典型故障,采用BPA軟件仿真結果模擬廣域量測數據,對不同門檻值設置、不同出力方式、非對稱故障以及三相非金屬性短路故障情形下各判據的有效性進行對比分析。

主要分析計算參數如下:六盤水地區(qū)電網觀測機組ll個,觀測母線站點ll個,全部故障算例74個,在此僅列出基礎故障算例如表2所示。

不同算例各失穩(wěn)判別方法的判別結果如表3所示。

由于功角連續(xù)可微,不存在瞬時突變,因此能夠通過功角類門檻值判據進行暫態(tài)穩(wěn)定性分析。為保證結果的準確性,通常采用較為保守的門檻值,算例分析表明該類方法能準確判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但判別速度較慢且需要量測全網發(fā)電機功角信息。

表2 基礎故障算例

表3 復雜故障下各判據測試結果 s

實測EEAC在實際應用過程中存在3方面問題:一方面,在實際工況下要實現快速準確分群十分困難；另一方面,發(fā)電機量測信息的不健全造成了個別算例中存在的誤判和漏判現象；同時由于電網的復雜調節(jié)機制,系統(tǒng)存在 “滑步再同步”現象亦會造成誤判。

軌跡凹凸性與單機能量函數判據均屬于微分運算判據,其固有缺陷在于方法對不連續(xù)數值的敏感性,數值差分會放大采樣誤差而造成判據誤判,在現今實測技術下難以工程化使用。

軌跡特征根判據對系統(tǒng)大擾動后狀態(tài)方程的特征根進行解析,需要計算系統(tǒng)每個時間斷面的特征根,計算量大,較難工程應用。此外系統(tǒng)不穩(wěn)定平衡點的不準確預測會造成判據誤判。

電壓軌跡積分方法通過搜索電壓受擾最嚴重測點,將其作為振蕩中心點分析兩群的相對運動過程,無需進行發(fā)電機快速分群,避免了分群不準確造成的錯判。但送端小機組發(fā)生臨界穩(wěn)定故障時,由于機組慣量較小,容易起振,造成功角搖擺以及振蕩中心處電壓短時間快速下降造成判據誤判。

2.2 暫態(tài)失穩(wěn)判別方法可行性分析

各種暫態(tài)穩(wěn)定判據的準確性、快速性及對量測要求的定性比較結果如表4所示。由表中可知,基于發(fā)電機信息判別的方法對量測信息要求高,需要發(fā)電機快速準確分群,在現今條件下難以實施,且該類方法判別速度較慢,在準確識別系統(tǒng)失穩(wěn)的同時也面臨控制措施快速性不足的問題。基于聯(lián)絡線信息判別的方法僅需在電網的少量聯(lián)絡線設置測點即可觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性,回避了發(fā)電機快速分群的難題,具有較強的工程實施性,故基于廣域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)采用受擾電壓軌跡積分方法作為失穩(wěn)預警方法。但該方法在實際應用中亦可能受系統(tǒng)拓撲結構變化和擾動類型影響,下文將進一步研究電壓軌跡積分方法的通信站點配置問題。

表4 不同判據定性分析比較表

3 基于電壓軌跡積分的穩(wěn)控系統(tǒng)通信配置方案研究

如圖1所示,為滿足盤縣電廠（2×66OMW）電力送出,盤縣電廠2臺66OMW機組分母運行,將六盤水22OkV電網劃分為南、北兩個部分運行。六盤水南區(qū)電網與興義電網相連,與貴州主網聯(lián)系相對緊密,其主要潮流線路為紅果—香田、紅果—練池塘；而六盤水北區(qū)電網通過盤縣電廠-雙龍-六枝-濫壩的22OkV長鏈與六盤水5OOkV站相連,其中雙龍—六枝線路截面小、距離長,與貴州電網聯(lián)系較弱,在電源大發(fā)時穩(wěn)定問題較為突出,主要潮流線路為雙龍—六枝、臺沙—黃家山、黃家山—濫壩、黃家山—水城。

電壓軌跡積分方法對受擾最嚴重測點電壓進行復合積分,量化擾動對系統(tǒng)的影響程度。當送端電源大發(fā)時,故障后電網將發(fā)生大規(guī)模受迫性功率轉移,振蕩中心一般落在主要潮流線路。以主要潮流線路兩端的變電站為測點,對該方法的通信配置方案作進一步研究。

在前文所述算例中,電壓軌跡積分判據在各電壓站點判別結果匯總如表5。

表5 電壓站點判別信息 s

從表中看出判據存在誤判和漏判情況,一方面是六盤水北部電網發(fā)生嚴重故障時潮流大規(guī)模轉移引起電壓振蕩造成了判據誤判（算例2、算例l2）；另一方面,算例l3故障發(fā)生在1 lOkV線路,僅對線路周圍1 lOkV線路有影響,其影響范圍較小,涉及傳輸功率不大,未對六盤水22OkV線路造成影響,從相關22OkV測點中未能獲取失穩(wěn)信息。

由仿真結果可知,六盤水北部電網站點中雙龍、六枝、臺沙、黃家山易受故障后潮流轉移影響,其中雙龍站點對大規(guī)模功率轉移最為敏感,作為電壓軌跡積分判據信息采集站具有較快的判別速度,但同時存在誤判的風險；而選擇紅果、練池塘、香田作為信息采集站對于南部電網故障具有良好的觀測性。

綜上所述,穩(wěn)定控制系統(tǒng)通信配置方案如下:六盤水北部電網選擇雙龍、六枝、黃家山、臺沙作為廣域信息監(jiān)測子站,南部電網選擇練池塘、紅果、香田作為廣域信息監(jiān)測子站。選擇黃家山站作為主站,負責匯總子站、執(zhí)行站、線路運行方式等信息,主站匯總各站信息并決策后將控制命令傳送至執(zhí)行站。因此,六盤水電網基于廣域響應穩(wěn)控系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 六盤水電網基于廣域響應穩(wěn)控系統(tǒng)配置圖

為避免判據誤判及達到最佳控制效果,六盤水電網基于廣域響應穩(wěn)控系統(tǒng)分為南部系統(tǒng)和北部系統(tǒng)兩部分。北部系統(tǒng)中采用n取二判別法,即北部n個站點中有兩個或兩個以上站點發(fā)出失穩(wěn)預警信號時迅速開展緊急控制操作。而若控制主站捕捉到南部地區(qū)任一子站發(fā)出暫態(tài)預警信號,則迅速切除南部電網發(fā)電機,以維持電網安全穩(wěn)定運行。

4 結束語

針對可再生能源接入后六盤水電網的安全穩(wěn)定問題,本文對不同基于廣域響應的暫態(tài)失穩(wěn)判別方法適應性進行了研究,得出受擾電壓軌跡積分判據更適合六盤水電網基于廣域響應穩(wěn)控系統(tǒng)的結論。文中結合仿真分析及六盤水地區(qū)電網的特點,設計了基于廣域響應的穩(wěn)控系統(tǒng)失穩(wěn)預警方案,該方案工程可實施性較強,可對現有六盤水電網的安全穩(wěn)定監(jiān)測技術進行有益補充。

［1］ 孫光輝.區(qū)域穩(wěn)定控制中若干問題建議 ［J］.電力系統(tǒng)自動化,l999,23（3）:4-7.

［2］ 薛禹勝.時空協(xié)調的大停電防御框架（一）從孤立防線到綜合防御［J］.電力系統(tǒng)自動化,2OO6,3O （1）:1-9.

［3］ 常乃超,蘭洲,甘德強,等.廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)分析及控制中的應用綜述 ［J］.電網技術，2OO5,29（lO）:46-52.

［4］ 楊晉柏.南方互聯(lián)電網安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的配置功能及作用［J］.電網技術,l996,2O（5）:46 49.

［5］ 陸超,謝小榮,吳小辰,等.基于廣域測量系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制 ［J］.電力科學與技術學報，2OO9,24（2）:2O-27.

［6］ 薛禹勝,徐偉,DONG Zhaoyang,等.關于廣域量測系統(tǒng)及廣域控制保護系統(tǒng)的評述 ［J］.電力系統(tǒng)自動化,2OO7,3l（l5）:1-5.

［7］ 薛禹勝,雷興,薛峰,等.關于電力系統(tǒng)廣域保護的評述［J］.高電壓技術,2Ol2,38（3）:1 lO.

［8］ 湯涌.基于響應的電力系統(tǒng)廣域安全穩(wěn)定控制 ［J］.中國電機工程學報,2Ol4,34（29）:5O4l-5O5O.

［9］ 吳為,湯涌,孫華東,等.基于廣域量測信息的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究綜述 ［J］.電網技術,2Ol2，36（9）:8l-87.

［lO］謝歡,張保會,于廣亮,等.基于軌跡幾何特征的暫態(tài)不穩(wěn)定識別 ［J］.中國電機工程學報,2OO8，28（4）:l6-22.

［ll］宋方方,畢天姝,楊奇遜.基于暫態(tài)能量變化率的電力系統(tǒng)多擺穩(wěn)定性判別新方法 ［J］.中國電機工程學報,2OO7,27（l6）:l3-l8.

［l2］張鵬飛,薛禹勝,張啟平,等.基于PMU實測搖擺曲線的暫態(tài)穩(wěn)定量化分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2OO4,28（2O）:l7-22.

［l3］譚偉,沈沉,劉峰,等.基于軌跡特征根的暫態(tài)穩(wěn)定實用判據［J］.電力系統(tǒng)自動化,2Ol2,36（l6）:l4-l9.

［l4］鄧暉,趙晉泉,吳小辰,等.基于受擾電壓軌跡的電力系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)判別（一）機理與方法 ［J］.電力系統(tǒng)自動化,2Ol3,37（l6）:27-32.

［l5］鄧暉,趙晉泉,吳小辰,等.基于受擾電壓軌跡的電力系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)判別（二）算例分析 ［J］.電力系統(tǒng)自動化,2Ol3,37（l7）:58-63.

付 超（l985—）,男,碩士,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制；

金小明（l963—）,男,教授級高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與直流輸電技術。

（責任編輯:楊秋霞）

Study on the Instability Detection Strategies Based on Wide-area Response Stability Control System

ZHANG Pan1,FU Chao2,JIN Xiaoming2,LI Hongxin2,ZHANG Yujie1,ZHAO Jinquan1（1.Research Center for Renewable Energy Generation Engineering,Ministry of Education,Hohai University,
Nanjing 2lOO98,China；2.Electric Power Research Institute,CSG,Guangzhou 5lOO8O,China）

隨著六盤水地區(qū)可再生能源發(fā)電的發(fā)展，電網的安全穩(wěn)定問題日益嚴重，擬裝設基于廣域響應的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。考慮負荷水平、開機方式、網架結構變化等因素，研究和比較了單機能量函數、軌跡特征根、最大功角差、同調機群間隙角、基于軌跡的EEAC、軌跡凹凸性、受擾電壓軌跡積分7種暫態(tài)穩(wěn)定判別技術的適用性，包括判據的可靠性、快速性及可實施性。研究表明，受擾電壓軌跡積分方法具有較好的快速性和工程實用性。對受擾電壓軌跡積分方法的測點選取進行了研究，提出了n取二判別法，在此基礎上設計了六盤水電網穩(wěn)定控制系統(tǒng)失穩(wěn)預警方案。

六盤水電網；暫態(tài)穩(wěn)定；廣域響應；穩(wěn)定控制系統(tǒng)

With the rapid development of renewable energy sources in Liupanshui power grid,the problem of security and stability of power grid is more and more serious,and the security and stability control system is installed based on wide-area response.Taking into account such factors as load level,generation output and network structure variations，principles and characteristics of different transient instability detection methods are studied and compared,which involve the reliability,speediness and possibility of application for detection.Research results show that the perturbed voltage trajectories integral method has better rapidness and project applying feasibility,and its detecting node is studied.In addition,the two-of-n judging method is presented，based on which the instability detection strategies of stability control system for Liupanshui power grid is designed.

Liupanshui power grid；transient stability；widearea response；stability control system

2Ol5-O3-O4

張 盼（l992—）,男,碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制,E-mail:zhangpanhhu@l63.com；