南方电网广域失步解列系统特性实时仿真研究

邱建，常东旭，徐光虎，郭琦，朱益华，张建新，夏尚学

(1.中国南方电网有限责任公司，广东 广州 510663；2．直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)，广东 广州510663；3．中国南方电网有限责任公司电网仿真重点实验室，广东 广州510663；4.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

南方电网已形成了西电东送“8交11直”运行的复杂大电网，其中8回直流馈入广东电网，2020年将投产乌东德特高压多端直流及云贵互联通道直流工程，系统特性复杂，稳定问题突出[1-3]。多回直流组合故障、交流故障主保护拒动或开关拒动等严重故障均会导致电网暂态功角失稳，系统的振荡中心大多位于两广交流、贵广交流等送受电的关键断面，需要依靠失步解列装置动作来解列两广或贵广断面[4-6]，防止大面积停电事故发生。

现有两广和贵广交流断面均配置了就地失步解列装置，厂站间没有信息交换。分析表明，受各通道阻抗值、受端电压支撑能力及故障位置等因素的影响[7-12]，部分严重故障发生后，即使振荡中心在两广断面，两广及贵广断面部分通道均有明显的振荡特性，实际动作效果可能也是两广及贵广断面均有失步解列装置动作的同时解列两广及贵广断面，极大地影响了解列后系统的稳定恢复能力；另外，在部分严重故障发生后，两广断面南部通道的振荡特性不明显，失步解列装置解列较晚或难以解列，导致主网特别是广西电网电压无法恢复稳定[13-14]。

为解决两广、贵广送电通道就地失步解列装置在快速性、可靠性和选择性等方面存在局限的问题，依托当前先进的数据采样技术及电力系统通信网络，构建基于广域信息的大电网失步解列控制系统(以下简称“广域失步解列系统”)，通过广域失步信息采集和集中解列控制，实现多通道受电断面解列的同时性和选择性[14-18]。由于传统的静模试验、潮流及暂态稳定以及人机界面程序(BPA)数据回放难以充分校核广域失步解列系统控制策略的有效性和可靠性，需要开展广域失步解列系统的实时仿真研究[19-20]。

本文基于南方电网年度方式实时数字仿真器(real time digital simulator，RTDS)实时仿真计算模型，构建了由RTDS仿真系统和实际装置构建的仿真试验系统[19-21]，设计直流交叉跨越故障、线路故障主保护拒动和母线三相故障主保护拒动等多种计算算例，全面开展广域失步解列系统实时仿真综合研究；通过对两广断面、贵广断面各通道的功角、Ucosφ振荡曲线、失步解列安装点电压建模分析，并与实际装置动作特性进行比对，验证广域失步解列系统决策的可靠性；通过全面分析广域失步系统、就地失步解列装置以及BPA仿真计算结果，比对解列后的系统稳定特性，验证广域失步解列系统对改善现有失步解列配置方案缺陷的有效性。

1 广域失步解列试验系统装置配置

广域失步解列系统由控制主站和子站采集执行装置构成，共同完成广域信息采集、远方和就地失步解列等功能。其中控制主站装置的功能为综合子站上送的失步解列状态，按照既定原则和决策发令解列相应的送电断面；子站采集执行装置采集联络线电压和电流的相关信息，判别联络线失步信息并上送主站装置，接收主站装置发来的远方解列命令，解列相应的送电通道，并具备就地失步解列判别及出口的功能[14]。

南方电网广域失步解列系统控制主站设置在茂名站，控制子站包括两广断面的罗洞站、贤令山站、桂林站、蝶岭站、茂名站、梧州站和贺州站，贵州交流出口断面的黎平站、独山站、河池站、天二站、兴仁站等，如图1所示[13]。

图1 广域失步解列系统配置方案

根据广域失步解列系统的现场配置方案和试验实际情况，并考虑尽可能最大化地验证系统策略和装置功能，本次RTDS试验两广断面配置了贤令山站、贺州站、梧州站、罗洞站和茂名站5个子站，贵广断面配置了黎平站、独山站和天二站3个子站，分别监视和控制两广的桂山站、贺罗站、梧龙罗站、玉茂站、茂蝶站和贵广断面的黎桂站、山河站、天金站、天平站等送电通道，验证两广和贵广断面之间的协同配合与控制，如图2所示。

图2 广域失步解列试验系统装置配置

根据试验研究需要，各子站采集执行装置失步解列均依据Ucosφ原理(其中U为电压，φ为功角)，即：远方失步功能投跳闸，就地失步功能投信号；振荡周期均整定为1周波，失步动作低电压范围整定与现场装置保持一致。送电通道装置配置及出口控制见表1[13-14]，其中Un为额定电压。

表1 送电通道装置及出口控制配置

茂名主站两广断面广域失步解列原则整定为“4取2”，即桂山站、贺罗站、梧龙罗站、玉茂站任2个通道失步动作，立即解列两广断面4个通道；贵广断面广域失步解列原则整定为“3取2”，即黎桂站、山河站、天金站任2个通道失步动作，立即解列贵广断面3个通道；为保证选择性，投入“两广解列闭锁贵广”控制字，即两广断面解列后不再解列贵广断面。

2 广域失步解列系统试验系统仿真模型

2.1 系统模型

本研究中，南方电网系统模型采用2019年度“夏大极限”方式全电磁实时仿真模型，覆盖南方电网12回直流输电系统以及五省区交流网架[19-20]。根据仿真研究需要，新东直流、牛从直流以及金中直流采用实际控制保护装置，其余直流控制采用全数字模型，直流频率限制控制(frequency limitation control，FLC)按BPA数据给定；发电机组采用七阶模型，考虑自动励磁调节装置及调速器的作用，电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)和一次调频按要求投入；系统负荷模型采用恒阻抗、电流及功率复合负荷(constant impedance current and power composite load，ZIP)模型，恒阻抗、恒电流与恒功率的比例为3∶4∶3。

在本系统计算模型中，2019年度乌石湾电厂和阳江核电新增机组的投产将影响两广断面潮流分布，两广南通道潮流变轻，北通道潮流变重，两广断面南部通道振荡特性不明显的特点将进一步呈现出来，能够更好地验证广域失步解列的动作特性。

2.2 Ucos φ计算模型

参照失步解列装置Ucosφ的计算方法[5-6]，考虑到阻抗角补偿，将电流相位进行滞后8°的修正，失步动作电压Ucosφ的计算公式可描述为：

(1)

(2)

(3)

式中：Ucos、Usin为联络线电压的实部和虚部；Icos、Isin为联络线电流的实部和虚部；|I|为联络线线电流的幅值；Icos,m、Isin,m为相位修正后的联络线电流的实部和虚部。

利用RTDS的Controls->Signal Processing模块库，结合式(1)—(3)，可以计算出Ucosφ。联络线失步振荡的典型Ucosφ曲线如图3(b)所示。通过观测Ucosφ的计算数值及振荡曲线，可以对失步解列装置动作的正确性进行判断，研究故障点设置对失步解列判据的影响等。

2.3 联络线功角及安装点电压计算模型

仿真模型对两广断面和贵广断面各送电通道的功角及失步安装点电压进行了建模和仿真，系统发生失步时联络线功角及安装点电压典型录波如图3所示。

功角监视采用了送电通道两侧母线电压的实时相对角度，通过观察联络线功角是否穿越180 °，可以判别联络线是否发生失步；而装置安装点电压监视则采用对应厂站母线电压的有效值，通过观察失步安装点振荡过程中电压有效值的最小值，可以有效确定失步解列装置的动作范围。

3 广域失步解列系统典型算例分析与验证

基于上述仿真模型及试验系统配置，开展广域失步解列23个算例的分析与验证。算例涵盖了直流交叉跨越故障、线路故障主保护拒动和母线三相故障主保护拒动等多种故障形式，对广域失步解列系统的同时性、可靠性及选择性等方面进行全面验证，并与分散配置的失步解列装置动作结果进行比对，综合评估解列后系统的稳定特性。本文选取的典型算例包括：

图3 失步解列监视量模型典型录波

算例1，高肇直流双极+兴安直流双极同时闭锁稳控拒动；

算例2，楚穗直流双极+高肇直流双极同时闭锁稳控拒动；

算例3，贤令山母线三相故障主保护拒动，1.4 s后备保护动作；

算例4，贺州母线三相故障主保护拒动，1.4 s后备保护动作；

算例5，花都—北郊三相短路花都侧拒动，0.4 s后备保护动作；

算例6，柳东—沙塘三相短路柳东侧拒动，0.4 s相间后备保护动作。

3.1 试验结果

典型算例的动作时间和解列后系统稳定性比对见表2、表3。

根据上述计算结果分析，广域失步解列系统的动作特性与分散配置的常规失步解列装置动作特性基本一致，广域失步解列速度和同步性优于分散配置的常规失步解列；比较解列后的系统稳定性，广域失步解列系统优于分散配置的常规失步解列装置，两广断面广域失步解列投“1周波4取2”的方式优于投“2周波4取3”的方式。

3.2 广域失步解列同时性验证分析

如算例3：贤令山母线三相故障主保护拒动，1.4 s后备保护动作，以广西来宾站电压为观测节点，广西电压稳定性比对波形如图4所示。

表2 典型算例仿真计算动作时间比对

表3 典型算例仿真解列后系统稳定性比对

图4 算例3来宾站电压波形

由图4可以看出，广域失步解列系统在快速、同步地解列两广断面后，振荡很快平息，广西的电压快速恢复稳定，其中“1周波4取2”动作方式相较于“2周波4取3”动作方式广西电压恢复更快，而分散配置的失步解列装置由于南部玉茂通道动作较慢(3.57 s)，广西电压持续振荡，最终导致广西电压失稳。

3.3 广域失步解列选择性验证分析

如算例1：高肇直流双极+兴安直流双极同时闭锁稳控拒动，故障发生后，振荡中心落在两广断面上；但是贵广断面的黎桂和山河通道也能明显观测到失步振荡，在仅投入就地失步解列1周波解列时，黎平站和河池站装置也能判出失步(慢于两广断面)，从而导致两广和贵广断面同时解列，见表4。广域失步解列系统的“两广解列闭锁贵广”控制字投入后，只解列两广断面，解列后系统振荡平息，如图5中黎桂站和山河站通道的Ucosφ曲线在刚穿越0 °(相当于功角穿越180 °)但还未满足1周波解列条件时，两广断面已经解列，黎桂站和山河站通道的Ucosφ曲线快速恢复到正常水平，不再解列贵广断面，从而保证了失步解列系统的选择性，有利于系统快速恢复。

表4 算例1就地失步与广域失步解列时间

图5 贵广通道Ucos φ曲线

如算例6：柳东-沙塘三相短路柳东侧拒动0.4 s相间后备保护动作，故障发生后两广断面和贵广断面同时发生振荡，在广域失步解列两广断面后，广西电压失稳，由于贵州与广西未解列，贵州电网的电压和频率波动也比较大。本试验研究考虑将广域失步解列子站装置的就地解列功能同时投入，并将就地失步振荡周期整定为2周波。在该算例中，两广断面解列后闭锁了贵广断面的远方解列功能，但之后黎桂站和山河站通道仍能满足2周波解列条件就地解列，解列后贵州电网稳定运行(如图6所示的贵州电压曲线)，从而缩小了系统失稳的范围；因此建议在广域失步解列系统投入运行时，仍需投入子站的就地解列功能，远方和就地的失步振荡周期整定互相配合，兼顾失步解列动作的选择性和可靠性。

图6 贵州高坡站电压曲线

4 结束语

本文构建了基于年度典型运行方式、现场实际装置、运行定值设置的试验系统，研究了与装置算法一致的联络线功角、Ucosφ振荡曲线、装置安装点电压等观测量的建模方法；通过多个典型故障算例，对广域失步解列系统的动作特性进行了全面仿真和分析，验证了广域失步解列系统能够满足解列快速性、同时性和选择性的设计要求。相较于传统的静模试验和BPA数据回放，基于RTDS的实时仿真技术更能直观和全方位地校核广域失步解列系统的动作特性。下一步将对广域失步解列系统暂态失稳和相角差判别失步的原理和判据进行深入的实时仿真研究和技术验证，使广域失步解列系统尽快投入现场实际运行，为保障电网安全稳定构筑坚实防线。