基于WAMS 录波数据的华中电网低频振荡事件仿真复现分析

党 杰，董明齐，李 勇，徐友平，曾 正

(1. 华中电网有限公司，湖北 武汉430077;2. 浙江大学，浙江 杭州310027)

0 引言

低频振荡频率较低、周期较长、波及面较广，给电力系统带来了较大的危害。近年来，由于低频振荡事件的频发性和重复性引起了国内外学者的广泛关注［1～8］。

现有的较多分析软件对低频振荡问题的计算分析都采用了基于线性系统小干扰稳定理论的特征值分析法。应当指出，传统的小干扰稳定分析方法只是基于单一的扰动，而电网中扰动是无时不在并且呈现出某种关联现象的，伴随一个扰动的产生、传播、消散(或发散)过程，系统中又可能引发新的扰动，并且针对扰动所采取的控制措施，对电网来说也是一种新的扰动［9］。因此在对大电网的分析研究中，仅仅考虑单一扰动是不能全面反映电网实际运行特性的。另外，传统的小干扰稳定分析方法基于精确模型，其基本思想是非线性系统的局部线性化，而电力系统是复杂的时变非线性系统，扰动发生后，系统的运行状态将发生变化，偏离原来的稳态平衡点。如果仍按照扰动前平衡点处的局部线性化矩阵来分析系统受扰后的动态响应，其分析结果可能会与实际情况存在较大差异。

基于WAMS 实测数据的低频振荡分析方法不受模型近似性、参数准确性等因素的局限，且不受限于扰动类型和数量，对发生在统计时间范围内的所有满足启动要求的振荡事件都予以记录，直接利用实测数据分析系统的固有振荡模式，对由多重扰动引起的或特殊运行方式下的低频振荡分析尤为有利。

本文从分析华中电网“6.17”金竹山事件的发生和发展过程入手，对比了小干扰稳定分析方法和基于WAMS 实测数据进行的时域仿真方法的分析结果，并提出利用奇异熵矩阵束方法对实际振荡信号进行模态辨识，仿真结果验证了所提出的方法在分析由多重扰动原因引起的低频振荡现象方面的有效性和可行性。

1 事件概述

(1)6 月17 日金竹山B 厂(如图1 所示，以下简称金B 厂)正进行3 号发变组的并网投产工作，11 时35 分左右，已完成该机组的发电机短路、发变组短路、发变组空载零起升压至额定值、同期核相试验、假同期试验，并同时测定励磁系统参数及保护装置的检查试验，准备进行并网带负荷试验。正进行3 号发变组自动准同期并列时，3 号机出口630 开关B 相发生爆炸。

图1 金竹山B 厂周边220 kV 网络结构示意图Fig．1 220 kV power grid nearby Jinzhushan B power plant

(2)经过7.6 s，由于故障电流幅值和持续时间均达到金锑Ⅲ，Ⅳ线锑都侧零序Ⅳ段整定值，故220 kV 金锑Ⅲ，Ⅳ线零序保护动作跳闸切除故障金B 厂3 号机与系统隔离，金B 厂220 kV 母线失压。

(3)11 时35 分43 秒至11 时35 分50 秒，华中500 kV 主网大范围功率波动且呈现出多个振荡模式。其中，湖南电网、鄂湘联络线、鄂豫联络线及鄂渝联络线的主导振荡模式基本相同，频率为0.47 ～0.49 Hz;鄂赣联络线功率波动的主导振荡频率为0.58 Hz;特高压及其周边系统的主导振荡模式的频率为0.18 Hz。

(4)由于系统阻尼较强，在扰动源消除后，低频振荡现象得到抑制，振荡很快自动平息，电网自动迅速恢复平稳运行。

分析整个事件的过程可知，此次导致华中主网大范围功率振荡的起因是金B 厂3 号机组出口630 开关B 相爆炸，这对于特高压联网后的华中电网来说属于一个“小扰动”，这一“小扰动”的发生并没有直接导致系统产生功率振荡，而是这一重的“小扰动”诱发了后面的保护动作，即“220 kV 金锑Ⅲ，Ⅳ线零序保护动作”，金锑Ⅲ，Ⅳ线跳闸，这虽然是针对小扰动采取的安稳措施，但对于系统来说，安稳措施也相当于一种扰动，系统正是在经历了这两重扰动以后，发生了功率振荡现象。因此，这也是一次以“小扰动”为起点，时域上连续经历一个扰动序列后才导致系统发生低频振荡的实例。

2 事件初步分析及仿真复现原则

2.1 事件初步分析

金B 厂630 开关B 相导通后造成系统不对称运行，由于升压变高压侧中性点接地，存在零序通路，且事故最终造成金锑Ⅲ，Ⅳ线零序Ⅳ段保护动作，故可初步判断，此次故障性质为接地故障。分析故障点近区电压可知，由于故障点附近瞬间电压跌落75%，因此认为此次故障性质并非金属性接地，应可等效为B 相经阻抗接地的短路故障。

综上所述，从电网角度看，金B 厂630 开关B 相爆炸到220 kV 金锑Ⅲ，Ⅳ线跳闸的全过程可等效为金B 厂630 开关B 相经一个时变阻抗的单相接地短路故障。

2.2 仿真复现原则

本次仿真采用时域仿真和频域仿真两种方法。对于频域仿真，主要是通过小干扰稳定计算进行振荡模式的分析。对于时域仿真，主要是利用电力系统分析综合程序 (PSASP 6.28)并基于WAMS 实测数据进行振荡情况的复现，在时域仿真过程中，除了保证省间联络线、重要线路的振荡趋势及幅度与实际情况的一致性外，在故障等效模拟的过程中还主要考虑了以下因素:一是对金锑线全过程录波图的分析，金锑线B 相电流的包络线在故障前3 s 先后呈现4 次由大到小的变化过程，而后的4.6 s 波形较为平稳。据此可初步分析，金B 厂630 开关爆炸后B 相接地阻抗在7.6 s的过程中是不断变化的;二是对群联变WAMS 录波图的分析，由于与金B 厂直接相连的锑都变无WAMS 实测数据，故以故障点近区群联变的WAMS 实测数据为依据，对金B 厂630 开关爆炸后B 相接地阻抗进行设置。

3 仿真分析及结果

3.1 频域仿真

为分析当前运行方式下系统的固有特性，寻找系统的主导振荡模式，特进行小干扰稳定计算。WAMS 实测的华中电网各省间断面联络线有功功率主导振荡模式如表1 所示。

表1 省间联络线主导振荡模式WAMS 实测结果Tab．1 Critical oscillation modes of WAMS measured results for tie-lines

表2 系统主导振荡模式小干扰稳定计算结果Tab．2 Critical oscillation modes of small signal stability calculation results

由小干扰稳定计算得到川渝对河南、江西对系统、湖南对江西3 个振荡模式，频率分别为0.44 Hz，0.58 Hz，0.68 Hz;仅江西对系统的振荡模式 (频率为0.58 Hz，阻尼为0.19)与WAMS 实测振荡模式(频率为0.58 Hz，阻尼为0.1)接近，WAMS 实测的其他省间联络线振荡模式在频域仿真计算中并未发现。

3.2 时域仿真

事件发生前，特高压联络线、省间联络线潮流如图2 所示。仿真负荷、500 kV 层面开机及湖南220 kV 层面开机均按照2009 年6 月17 日11:34的EMS 数据予以仿真，500 kV 主变下网功率采用分区控制原则，500 kV 厂站平均压差小于5 kV。

图2 特高压及省间联络线稳态运行状态下交换功率示意图Fig．2 Power exchange for UHV and tie-lines among provinces in steady state

仿真得到的故障点近区电压、电流变化幅值及趋势与WAMS 录波情况基本吻合;仿真得到的省间联络线功率波动趋势和振荡幅值均与WAMS录波情况接近。省间联络线功率波动幅度如表3所示。

表3 仿真曲线与WAMS 实测曲线振荡幅度比对Tab．3 Amplitude comparison between simulation results and measured results

3.3 基于奇异熵矩阵束方法的振荡信号模态辨识

基于辨识的振荡模态识别方法能够从振荡信号中提取所需要的模态信息。现有的辨识方法有Prony 算法、基于Hilbert-Huang 变换［10］的方法和矩阵束方法。传统的Prony 算法利用复指数函数对信号进行强行拟合得到模态信息，会产生大量的虚假模态，同时对噪声敏感;基于HHT 的模态识别能够提取出信号的瞬时模态信息，但是所需的算法复杂度很高且可能出现漏辨识现象。如传统的Prony 分析工具就不能很好拟合不同时间段多重扰动下的暂态响应曲线，对于诸如本次“6.17”金竹山事件的仿真曲线拟合效果就不太理想。因此，在本次仿真研究中，利用对传统矩阵束方法进行改进后的奇异熵矩阵束方法对实际振荡信号进行模态辨识。

用奇异熵矩阵束方法对3.2 节中仿真得到的省间联络线有功功率曲线进行辨识，具体结果见表4。

表4 省间联络线主导振荡模式与WAMS 实测结果比对Tab．4 Comparison between simulation results and measured results of critical oscillation modes for tie-lines

由表4 可知，采用奇异熵矩阵束方法对时域仿真曲线振荡模态进行辨识，其结果与WAMS 实测结果基本吻合，仿真结果验证了该方法是有效、可信的。

3.4 仿真结果概述

由小干扰稳定计算得到了鄂赣联络线的主导振荡模式，但未发现其他省间联络线的振荡模式;时域仿真计算可以复现故障过程中500 kV 电网和故障近区220 kV 电网的基本变化趋势，各省间500 kV 联络线及重要断面的功率波动幅值及主导振荡频率与WAMS 实测值基本吻合;对于本次金B 厂开关爆炸事件，时域仿真分析方法能更准确、有效地反映电网的实际特性。

4 结论

(1)基于WAMS 实测数据的低频振荡分析方法是以特征值分析法为代表的传统低频振荡分析方法的有效补充和验证，能够较为准确、及时、全面地反映实际电网的振荡特性。

(2)WAMS 系统的使用在分析华中电网各种类型的扰动和故障、认知电网特性及规律等方面发挥了重要作用。

(3)在当前互联电网规模不断扩大、电网特性更为复杂的形式下，建议进一步加强WAMS 系统高级应用功能开发，加强WAMS 的信息共享、数据挖掘，提高WAMS 系统在线监测功能和分析功能。

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