基于ADPSS電磁暫態(tài)仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過(guò)電壓?jiǎn)栴}研究

郭 裊，祖光鑫,2

(1．國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院， 哈爾濱150030，2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006)

基于ADPSS電磁暫態(tài)仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過(guò)電壓?jiǎn)栴}研究

郭 裊1，祖光鑫1,2

(1．國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院， 哈爾濱150030，2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006)

簡(jiǎn)述了電網(wǎng)恢復(fù)初期過(guò)電壓的成因及危害，確定了黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑?；谌珨?shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑的電磁暫態(tài)仿真模型，在電磁環(huán)境下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，給出了電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程中電廠220kV母線過(guò)電壓情況。仿真結(jié)果證明了該建模方法的可行性，對(duì)黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的制訂具有意義。

電網(wǎng)恢復(fù)； ADPSS； 仿真

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展不僅要求電網(wǎng)有較高的供電安全可靠性，還應(yīng)有較快的電網(wǎng)事故恢復(fù)能力[1-4]。電網(wǎng)供電能力恢復(fù)首先啟動(dòng)具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，通過(guò)方案路線逐步啟動(dòng)附近的發(fā)電機(jī)組，不斷擴(kuò)大系統(tǒng)發(fā)輸配電恢復(fù)范圍，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)。在最短時(shí)間內(nèi)通過(guò)穩(wěn)定、可靠地啟動(dòng)供電能力恢復(fù)電源，建立分區(qū)供電能力恢復(fù)目標(biāo)網(wǎng)架及主網(wǎng)架，可逐步有序恢復(fù)負(fù)荷，最大限度減少電網(wǎng)大停電的影響和損失。本文依據(jù)《黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)總體方案》中制定的電網(wǎng)供電能力恢復(fù)方案，對(duì)黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)路徑進(jìn)行ADPSS電磁暫態(tài)建模，利用電磁暫態(tài)仿真技術(shù)對(duì)黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期路徑中各母線電壓進(jìn)行仿真，并對(duì)黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行分析。

1 電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過(guò)電壓?jiǎn)栴}研究

1.1 電網(wǎng)供電能力恢復(fù)中過(guò)電壓的成因及危害

電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期主要需考慮三種過(guò)電壓?jiǎn)栴}：操作過(guò)電壓、工頻過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。操作過(guò)電壓與工頻過(guò)電壓的疊加可能導(dǎo)致瞬時(shí)過(guò)高電壓的出現(xiàn)，甚至造成系統(tǒng)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。工頻過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)欠勵(lì)磁，甚至自勵(lì)磁和不穩(wěn)定，同樣還會(huì)導(dǎo)致過(guò)勵(lì)磁，產(chǎn)生諧波畸變和變壓器過(guò)熱等問題。諧振過(guò)電壓會(huì)引起繼電保護(hù)動(dòng)作，甚至造成避雷器的損壞和系統(tǒng)故障等[5-10]。

1.2 系統(tǒng)過(guò)電壓的允許水平

1)工頻過(guò)電壓。110～220 kV系統(tǒng)允許承受的工頻過(guò)電壓一般不宜超過(guò)1.3 p.u.；330～500 kV系統(tǒng)線路斷路器的變電站側(cè)允許承受的工頻過(guò)電壓一般不宜超過(guò)1.3 p.u.；330～500 kV系統(tǒng)線路斷路器的線路側(cè)允許承受的工頻過(guò)電壓一般不宜超過(guò)1.4 p.u.。

2)操作過(guò)電壓。110～220 kV及以下系統(tǒng)相對(duì)地的操作過(guò)電壓允許小于3.0 p.u.；330 kV系統(tǒng)小于2.2 p.u.；500kV系統(tǒng)小于2.0 p.u.。

2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過(guò)程

2.1 黑龍江電網(wǎng)網(wǎng)架

黑龍江電網(wǎng)對(duì)外通過(guò)兩回500 kV線路與蒙東電網(wǎng)相聯(lián)，通過(guò)四回500 kV線路與吉林電網(wǎng)相聯(lián)，通過(guò)500 kV黑河換流站與俄羅斯電網(wǎng)直流背靠背互聯(lián)。2016年黑龍江省內(nèi)500 kV電網(wǎng)圍繞中部地區(qū)形成環(huán)網(wǎng)，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)向東西部延伸，能夠滿足地區(qū)送受電需求?，F(xiàn)階段電網(wǎng)不存在暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流超標(biāo)問題，個(gè)別元件N-1方式下有熱穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題。常規(guī)電源裝機(jī)容量遠(yuǎn)大于供電需求，風(fēng)電最大出力達(dá)到最大負(fù)荷的34.1%，東部電網(wǎng)電力送出受阻問題加重，供熱期電網(wǎng)調(diào)峰和棄風(fēng)問題日益突出。

在黑龍江電網(wǎng)中，牡丹江電網(wǎng)的鏡泊湖水電機(jī)組具有自啟動(dòng)能力，所以選擇牡丹江電網(wǎng)鏡泊湖水電廠(以下簡(jiǎn)稱鏡老廠)作為供電能力恢復(fù)啟動(dòng)電源。牡丹江地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，鏡老廠配置了35 kW柴油發(fā)電機(jī)一臺(tái)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后帶鏡老廠400 V廠用電，從而啟動(dòng)機(jī)組。

2.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期路徑

依據(jù)《黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)總體方案》中制定的電網(wǎng)供電能力恢復(fù)方案，黑龍江省供電能力恢復(fù)路徑如圖2所示：(鏡泊湖廠)柴油發(fā)電機(jī)→400 V廠用母線→鏡泊湖老廠#2機(jī)組→11 kV母線→鏡泊湖廠#1主變→220 kV鏡聯(lián)線→鏡泊湖廠220 kV母線→220 kV鏡海線→林海變220 kV母線→林青甲線→青梅變220 kV母線→牡青甲線→牡二廠A廠220 kV母線→牡二廠#7主變→牡二廠#7高廠變→牡二廠#7機(jī)組廠用電部分→牡二廠#7機(jī)組。

圖1 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)啟動(dòng)路徑及附近電網(wǎng)圖

圖2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)啟動(dòng)示意圖

3 基于ADPSS仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程建模

3.1 ADPSS電磁暫態(tài)仿真簡(jiǎn)介

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(Advanced Digital Power System Simulator, ADPSS)是利用機(jī)群的多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)結(jié)合高速本地通訊網(wǎng)絡(luò)，并利用網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)對(duì)所需計(jì)算任務(wù)進(jìn)行分解處理，可以與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)相連取得在線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，可接入繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、FACTS控制裝置以及直流輸電控制裝置等實(shí)際物理裝置進(jìn)行閉環(huán)仿真試驗(yàn)[5-10]。

3.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程建模

基于ADPSS仿真系統(tǒng)，建立如圖3所示的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)電磁暫態(tài)仿真模型。

根據(jù)確定的供電能力恢復(fù)路徑，鏡老廠作為啟動(dòng)電源，逐次合閘分段空載線路，當(dāng)遇到容性過(guò)電壓過(guò)高時(shí)，適當(dāng)合閘部分負(fù)載，供電能力恢復(fù)期間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)有功無(wú)功出力，保持過(guò)電壓水平在可承受范圍內(nèi)。當(dāng)啟動(dòng)電網(wǎng)初步穩(wěn)定后，合閘啟動(dòng)幾百公里外的火電機(jī)組并網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)會(huì)有一定的暫態(tài)響應(yīng)，用電磁暫態(tài)仿真可以清晰分析其復(fù)雜的暫態(tài)響應(yīng)特性。

圖3 供電能力恢復(fù)路徑電磁暫態(tài)仿真框圖

在仿真建模過(guò)程中，水電廠模型的建立最為關(guān)鍵，本文對(duì)鏡老廠啟動(dòng)機(jī)組的子模塊分別搭建。圖4(a)為鏡老廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，圖4(b)為鏡老廠調(diào)速器傳遞函數(shù)，圖4(c)為鏡老廠電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS傳遞函數(shù)。

圖4 鏡老廠啟動(dòng)機(jī)組子模塊

4 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)電壓?jiǎn)栴}仿真分析

4.1 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程仿真結(jié)果

從鏡老廠到牡二廠#7機(jī)組的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程電網(wǎng)動(dòng)作如下：

1)4 s時(shí)，閉合開關(guān)投入鏡聯(lián)線；

2)10 s時(shí)，閉合開關(guān)投入鏡泊湖至牡二A廠220 kV線路；

3)35 s時(shí), 黑牡二A廠正式并網(wǎng)運(yùn)行；

4)55 s及65 s時(shí),投入220 kV青梅變負(fù)荷，啟動(dòng)黑牡二B廠發(fā)電機(jī)組；

5)70 s時(shí)，合并開關(guān)投入牡二A廠至牡二B廠220 kV線路；

6)100 s時(shí),投入黑牡二B廠#9發(fā)電機(jī)組；

7)150 s時(shí)，投入黑牡二B廠#8發(fā)電機(jī)組。

通過(guò)ADPSS仿真分析，可以得到黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程初期鏡老廠220 kV母線A相電壓，如圖5所示。

圖5 鏡老廠220kV母線A相電壓

4.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果對(duì)恢復(fù)過(guò)程中的過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行逐一分析，可明顯看出，在t=4 s時(shí)電壓有突變現(xiàn)象，即出現(xiàn)了過(guò)電壓，該過(guò)電壓是斷路器操作引起的空載線路合閘過(guò)電壓和給空載線路充電產(chǎn)生電容效應(yīng)引起的工頻過(guò)電壓綜合作用的結(jié)果。該操作過(guò)電壓未超過(guò)220 kV線路操作過(guò)電壓標(biāo)準(zhǔn)3.0 p.u.，因此過(guò)電壓水平在可控范圍內(nèi)。

由于11 s及時(shí)投入負(fù)載，抑制了過(guò)電壓的升高，220 kV鏡泊湖、青梅變母線三相過(guò)電壓水平未超過(guò)2.0 p.u.，遠(yuǎn)低于220 kV標(biāo)準(zhǔn)所要求的3.0 p.u.操作過(guò)電壓水平，擾動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)。

在100 s牡二B廠 G8和G9機(jī)組投入時(shí)，供電能力恢復(fù)過(guò)程中的系統(tǒng)相比之前已經(jīng)相對(duì)強(qiáng)大。G8和G9的投入，系統(tǒng)雖然也存在一定的沖擊，但較為緩和，而且調(diào)整時(shí)間大大縮短，很快系統(tǒng)就恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。操作過(guò)電壓也在1.5 p.u.以下，滿足220 kV線路3.0 p.u.以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

本文對(duì)電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)過(guò)電壓?jiǎn)栴}的成因及危害進(jìn)行了分析，在負(fù)荷中心選擇具有自啟動(dòng)能力的水電機(jī)組作為啟動(dòng)電源，確定了電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑，建立了基于ADPSS全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)系統(tǒng)模型。對(duì)恢復(fù)過(guò)程中的過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)電壓波形中的所有過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在電網(wǎng)發(fā)生全停事故后，利用該黑啟動(dòng)路徑進(jìn)行電網(wǎng)恢復(fù)，恢復(fù)過(guò)程中過(guò)電壓水平均在可控范圍內(nèi)。

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(編輯 侯世春)

Study on overvoltage of power supply capacity of Heilongjiang power grid during restoration based on ADPSS electromagnetic transient simulation

GUO Niao1, ZU Guangxin1,2

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China)

The cause and its harm caused by overvoltage are briefly described in the initial stage of the power grid restoration and the black start path of Heilongjiang power grid is determined. The electromagnetic transient simulation model of black start path in Heilongjiang power grid is built based on all-digital and real-time simulation system. Under the electromagnetic environment, the verification of the system is taken and the overvoltage status of 220kV bus of power plant is provided during the power grid restoration. The simulation results prove the feasibility of the proposed modeling method, which is significant for the development of black start scheme for Heilongjiang power grid.

power grid restoration; ADPSS; simulation

2016-12-09。

郭 裊(1980—)，女，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析工作。

TM721

A

2095-6843(2017)02-0110-04