基于广域响应的稳控系统失稳预警方法研究

张 盼,付 超,金小明,李鸿鑫,章玉杰,赵晋泉

（1河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心,江苏南京 2lOO98；2南方电网科学研究院,广东广州 5lOO8O）

文章编号：lOO7-2322（2Ol5）O6-OO4O-O6 文献标志码：A 中图分类号：TM7l2

基于广域响应的稳控系统失稳预警方法研究

张 盼1,付 超2,金小明2,李鸿鑫2,章玉杰1,赵晋泉1

（1河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心,江苏南京 2lOO98；2南方电网科学研究院,广东广州 5lOO8O）

0 引 言

发电厂限于稳定极限而不能满发的现象在送端电网中普遍存在,解决上述问题的有效途径是安装各类安稳控制装置,由于单一的稳定控制装置通常不能全面考虑电网的稳定要求,因此区域稳定控制技术得到较大发展［1］。传统的区域稳定控制系统一般采用的是基于事件监测的暂态稳定控制技术,根据就地响应信号对当前故障进行快速匹配,进而采取既定的控制策略,方法针对性强、速度快,但当实际故障超出离线故障集涵盖的范围,则无法作出响应［2］。随着广域量测技术在电力系统中的广泛应用,利用多点异地响应信息进行暂态失稳的实时预警和紧急控制成为热点问题之一［3］。基于广域响应的稳控系统通过实时获取扰动后的广域量测信息,快速分析系统稳定性,达到失稳预警的目的。作为对现有防线的有益补充,可以在一定程度上防范大扰动造成的系统暂态失稳。

六盘水地区煤炭、水、风能和太阳能资源丰富,是贵州省的重要能源基地之一。截止2Ol4年底,六盘水地区总装机约2 225MW,负荷仅为79O～1 2OOMW,由电厂外送水平导致的稳定问题较为突出,多种能源分散接入电网后,系统稳定特性更为复杂,极大地威胁了系统的安全稳定运行。为综合考虑全网信息并采取相应的控制措施,电网拟装设基于广域响应的稳定控制系统。基于广域响应的稳控系统通过有效判据识别系统失稳,进而采取相应的控制措施,以较小的代价避免大停电。国内外对基于广域量测信息的暂态稳定判别与控制技术开展了大量的研究［4-l5］,但实际工程应用很少。

本文结合六盘水电网的故障仿真,考虑负荷水平、开机方式、网架变化等因素,对比分析单机能量函数、轨迹特征根、最大功角差、同调机群间隙角、基于轨迹的EEAC、轨迹凹凸性、受扰电压轨迹积分7种基于广域响应的暂态稳定判别技术的适应性。根据六盘水电网的网架特点,形成了稳控系统通信配置方案,在此基础上,提出了各子站协调配合的失稳预警方案,为基于广域响应的稳定控制系统在六盘水的实施提供参考依据。

1 基于广域响应的暂态失稳判据

本节简单介绍最大功角差、同调群间隙角、相平面轨迹凹凸性、单机能量函数、基于实测轨迹的EEAC、轨迹特征根和受扰电压轨迹积分7种基于广域响应的暂态稳定判别方法,各方法所需要的量测量和门槛值如表1所示。

表1 各判别方法量测量

1.1 基于最大功角差的判据

当系统中有任意两台发电机的功角差超过一定的门槛值,即判定系统发生了失步。

式中:δmax为采样时刻的最大功角值；δmin为采样时刻最小功角值；δliml为所设定的最大功角差的门槛值。

1.2 基于相平面轨迹凹凸性的判据

文献 ［lO］提出一种根据多机系统相平面轨迹凹凸性识别暂态稳定的方法,并在二维相平面内严格证明了其可行性。该方法首先对观测发电机进行两机等值分群计算,再进一步等效为OMIB系统。对于等值形成的OMIB系统主要考量其在3个平面内的凹凸性:

①功角-角加速度平面凹凸性:式中:δ和ω分别为OMIB系统功角和角速度。

②不平衡功率-功角平面凹凸性:

式中:ΔP′（δ）为系统不平衡功率对功角的一阶导数。

③不平衡功率-时间平面凹凸性:

式中:ΔP（t）为系统不平衡功率。

当功角-角加速度平面呈现凸性时,系统有失稳倾向；当不平衡功率-功率-时间平面呈现凸性时,判定系统失稳。

1.3 基于单机能量函数的判据

文献［ll］通过系统中受扰最严重机组的稳定性判别系统的稳定性。判据建立如下:

定义2:在每一个摆动过程中,若发电机动能达到最大数值,此时/dt=O,称此点为中心点,记为CP。经过CP后,若能再一次到达/dt=O,则称该点为边界点,记为BP,此时发电机处于临界状态。

暂态失稳判据:系统受到扰动后,若在某一个摆动周期内,发电机i的运行轨迹到达BP,且此时刻dVi/dt＞O,则该机运行轨迹经过BP后将不再返回,即发电机i暂态失稳。

1.4 基于实测轨迹的EEAC判据

EEAC理论［l2］通过互补群惯量中心相对运动（CCCOI-RM）变换将多机功角轨迹和对应的发电机功率逐个时刻地映射到一系列单机无穷大（OMIB）系统的扩展相平面上,形成时变OMIB系统的Pδ曲线。

OMIB系统的动能在某次摆动过程中减小为O,则该点称为最远点（FEP）。如果正向摆动过程中减速力减小为O而动能不为O,或者在反向摆动过程中减速力增加到O而动能不为O,则该点称为动态鞍点（DSP）。如果系统遇到DSP判定系统失稳,遇到FEP则判定系统为稳定。

1.5 基于同调机群间隙角的判据

当多机发生失步时,振荡的两群可分为领先群S和滞后群A,据此可计算得到两群惯量中心功角差,当惯量中心功角差大于失稳门槛值时判定多机系统失稳。

式中:δA和δS分别为A群和S群的等值机功角；δlim2为同调群间隙角门槛值。

1.6 基于轨迹特征根的判据

绍兴市城市建设投资集团有限公司(以下简称绍兴城投)，是绍兴市重大项目建设主体、基础设施投融资主体、市政公用设施运营主体，2011年5月由绍兴市委市政府发文组建，2011年11月18日正式挂牌.成立以来，绍兴城投一直以经营城市和建设城市为己任，求生存谋发展，积极转型.在市委市政府的坚强领导下，认真贯彻新型城市化战略，实施“中心崛起、三片融合”方针以及“企业转型年、工程推进年、精细管理年”的发展思路，在各个方面都取得了优异的成绩，迈出了坚实的步伐.

文献［l3］提出的基于轨迹特征根的暂态稳定判别方法,形成判据如下:

①判断当前时刻系统状态矩阵是否满足实部为正特征根的等价条件。

②若不满足,则判定系统稳定,否则进一步判断功角最大发电机是否有远离系统惯量中心的运动趋势,若是则判定系统失稳。

1.7 基于受扰电压轨迹的判据

文献［l4- l5］提出了基于受扰电压轨迹判别暂态失稳的工程化方法,按如下步骤进行暂稳判别:

①获取系统受扰后各观测母线三相电压幅值,并识别电压正常下坠过程,保证故障持续时段内不进行电压积分计算。

②判断当前时刻三相电压幅值是否低于设定门槛值（起始积分电压）,若低于则进行复合积分计算,包括加权下坠速率和面积补偿。

③判断当前时刻电压积分值是否大于预设失稳门槛值,若大于则判定系统暂态失稳；若电压幅值回升至起始积分电压之上并持续一定时间,则清除积分值并判定系统稳定。

2 暂态失稳判别方法分析研究

目前的暂稳判别方法主要有基于发电机信息判别和基于联络线信息判别两种。基于发电机信息判别的方法有:轨迹凹凸性、单机能量函数、EEAC、轨迹特征根、功角门槛值判据等方法,这类方法通过发电机相关信息判别系统的稳定情况并能根据系统的加减速面积给出相应的控制措施,但需要观测点多,较难工程实现。基于联络线信息的判别方法主要有受扰电压轨迹积分等方法,该类方法根据系统扰动后输电断面联络线的特征信息映射两侧发电机间的摇摆情况,需要观测点较少,具有较好的工程实施性,但较难给出控制量化措施。

2.1 暂态失稳判别方法对比验证

六盘水地区电网网架相对薄弱,属于电源外送地区,风电由22OkV威宁变、双龙变并网后,黄滥线、双六线和野北线等线路的稳定问题更为突出。六盘水地区电网拓扑结构如图1所示。

图1 六盘水22OkV电网结构图

以南方电网2Ol4年丰大方式为基础计算方式,选取六盘水地区l3个典型故障,采用BPA软件仿真结果模拟广域量测数据,对不同门槛值设置、不同出力方式、非对称故障以及三相非金属性短路故障情形下各判据的有效性进行对比分析。

主要分析计算参数如下:六盘水地区电网观测机组ll个,观测母线站点ll个,全部故障算例74个,在此仅列出基础故障算例如表2所示。

不同算例各失稳判别方法的判别结果如表3所示。

由于功角连续可微,不存在瞬时突变,因此能够通过功角类门槛值判据进行暂态稳定性分析。为保证结果的准确性,通常采用较为保守的门槛值,算例分析表明该类方法能准确判别系统的稳定性,但判别速度较慢且需要量测全网发电机功角信息。

表2 基础故障算例

表3 复杂故障下各判据测试结果 s

实测EEAC在实际应用过程中存在3方面问题:一方面,在实际工况下要实现快速准确分群十分困难；另一方面,发电机量测信息的不健全造成了个别算例中存在的误判和漏判现象；同时由于电网的复杂调节机制,系统存在 “滑步再同步”现象亦会造成误判。

轨迹凹凸性与单机能量函数判据均属于微分运算判据,其固有缺陷在于方法对不连续数值的敏感性,数值差分会放大采样误差而造成判据误判,在现今实测技术下难以工程化使用。

轨迹特征根判据对系统大扰动后状态方程的特征根进行解析,需要计算系统每个时间断面的特征根,计算量大,较难工程应用。此外系统不稳定平衡点的不准确预测会造成判据误判。

电压轨迹积分方法通过搜索电压受扰最严重测点,将其作为振荡中心点分析两群的相对运动过程,无需进行发电机快速分群,避免了分群不准确造成的错判。但送端小机组发生临界稳定故障时,由于机组惯量较小,容易起振,造成功角摇摆以及振荡中心处电压短时间快速下降造成判据误判。

2.2 暂态失稳判别方法可行性分析

各种暂态稳定判据的准确性、快速性及对量测要求的定性比较结果如表4所示。由表中可知,基于发电机信息判别的方法对量测信息要求高,需要发电机快速准确分群,在现今条件下难以实施,且该类方法判别速度较慢,在准确识别系统失稳的同时也面临控制措施快速性不足的问题。基于联络线信息判别的方法仅需在电网的少量联络线设置测点即可观测系统的稳定性,回避了发电机快速分群的难题,具有较强的工程实施性,故基于广域响应的稳控系统采用受扰电压轨迹积分方法作为失稳预警方法。但该方法在实际应用中亦可能受系统拓扑结构变化和扰动类型影响,下文将进一步研究电压轨迹积分方法的通信站点配置问题。

表4 不同判据定性分析比较表

3 基于电压轨迹积分的稳控系统通信配置方案研究

如图1所示,为满足盘县电厂（2×66OMW）电力送出,盘县电厂2台66OMW机组分母运行,将六盘水22OkV电网划分为南、北两个部分运行。六盘水南区电网与兴义电网相连,与贵州主网联系相对紧密,其主要潮流线路为红果—香田、红果—练池塘；而六盘水北区电网通过盘县电厂-双龙-六枝-滥坝的22OkV长链与六盘水5OOkV站相连,其中双龙—六枝线路截面小、距离长,与贵州电网联系较弱,在电源大发时稳定问题较为突出,主要潮流线路为双龙—六枝、台沙—黄家山、黄家山—滥坝、黄家山—水城。

电压轨迹积分方法对受扰最严重测点电压进行复合积分,量化扰动对系统的影响程度。当送端电源大发时,故障后电网将发生大规模受迫性功率转移,振荡中心一般落在主要潮流线路。以主要潮流线路两端的变电站为测点,对该方法的通信配置方案作进一步研究。

在前文所述算例中,电压轨迹积分判据在各电压站点判别结果汇总如表5。

表5 电压站点判别信息 s

从表中看出判据存在误判和漏判情况,一方面是六盘水北部电网发生严重故障时潮流大规模转移引起电压振荡造成了判据误判（算例2、算例l2）；另一方面,算例l3故障发生在1 lOkV线路,仅对线路周围1 lOkV线路有影响,其影响范围较小,涉及传输功率不大,未对六盘水22OkV线路造成影响,从相关22OkV测点中未能获取失稳信息。

由仿真结果可知,六盘水北部电网站点中双龙、六枝、台沙、黄家山易受故障后潮流转移影响,其中双龙站点对大规模功率转移最为敏感,作为电压轨迹积分判据信息采集站具有较快的判别速度,但同时存在误判的风险；而选择红果、练池塘、香田作为信息采集站对于南部电网故障具有良好的观测性。

综上所述,稳定控制系统通信配置方案如下:六盘水北部电网选择双龙、六枝、黄家山、台沙作为广域信息监测子站,南部电网选择练池塘、红果、香田作为广域信息监测子站。选择黄家山站作为主站,负责汇总子站、执行站、线路运行方式等信息,主站汇总各站信息并决策后将控制命令传送至执行站。因此,六盘水电网基于广域响应稳控系统配置图如图2所示。

图2 六盘水电网基于广域响应稳控系统配置图

为避免判据误判及达到最佳控制效果,六盘水电网基于广域响应稳控系统分为南部系统和北部系统两部分。北部系统中采用n取二判别法,即北部n个站点中有两个或两个以上站点发出失稳预警信号时迅速开展紧急控制操作。而若控制主站捕捉到南部地区任一子站发出暂态预警信号,则迅速切除南部电网发电机,以维持电网安全稳定运行。

4 结束语

针对可再生能源接入后六盘水电网的安全稳定问题,本文对不同基于广域响应的暂态失稳判别方法适应性进行了研究,得出受扰电压轨迹积分判据更适合六盘水电网基于广域响应稳控系统的结论。文中结合仿真分析及六盘水地区电网的特点,设计了基于广域响应的稳控系统失稳预警方案,该方案工程可实施性较强,可对现有六盘水电网的安全稳定监测技术进行有益补充。

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付 超（l985—）,男,硕士,工程师,研究方向为电力系统稳定分析与控制；

金小明（l963—）,男,教授级高级工程师,研究方向为电力系统规划与直流输电技术。

（责任编辑:杨秋霞）

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）

随着六盘水地区可再生能源发电的发展，电网的安全稳定问题日益严重，拟装设基于广域响应的安全稳定控制系统。考虑负荷水平、开机方式、网架结构变化等因素，研究和比较了单机能量函数、轨迹特征根、最大功角差、同调机群间隙角、基于轨迹的EEAC、轨迹凹凸性、受扰电压轨迹积分7种暂态稳定判别技术的适用性，包括判据的可靠性、快速性及可实施性。研究表明，受扰电压轨迹积分方法具有较好的快速性和工程实用性。对受扰电压轨迹积分方法的测点选取进行了研究，提出了n取二判别法，在此基础上设计了六盘水电网稳定控制系统失稳预警方案。

六盘水电网；暂态稳定；广域响应；稳定控制系统

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

张 盼（l992—）,男,硕士研究生,研究方向为电力系统暂态稳定分析与控制,E-mail:zhangpanhhu@l63.com；