鏈式供電結(jié)構(gòu)下受端電網(wǎng)的穩(wěn)控切負荷策略的優(yōu)化研究

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(1.國網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟水平的不斷提高，電網(wǎng)的用電負荷不斷增加，同時由于某些電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，采用鏈式結(jié)構(gòu)供電，導致電網(wǎng)中各重要斷面功率接近極限運行。當電網(wǎng)發(fā)生故障情況下，將導致斷面超極限以及地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性等問題，嚴重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[1-3]。尤其是鏈式供電方式下受端電網(wǎng)發(fā)生機組跳閘，將導致電網(wǎng)中多個斷面超極限運行，系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，穩(wěn)控裝置動作。穩(wěn)控裝置動作可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，但是隨著受端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷建設(shè)，受端電網(wǎng)裝機容量以及單臺機組容量不斷增加，同時由于受端電網(wǎng)機組故障跳閘的穩(wěn)控切負荷策略需要結(jié)合受端電網(wǎng)各個斷面故障前的傳輸功率情況，因此將造成穩(wěn)控切負荷策略復雜。同時由于用戶對用電的安全性和可靠性提出了更高的要求以及599號令[4]的頒布對用戶損失負荷及保障供電的要求，都將對穩(wěn)控系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

某些受端電網(wǎng)由于其自身負荷較重且電源分布較為匱乏，需要從另一區(qū)域大量供電，同時由于其受端電網(wǎng)內(nèi)部供電范圍較大，采取長鏈式結(jié)構(gòu)供電，電網(wǎng)網(wǎng)架較為薄弱，系統(tǒng)短路容量較低。若受端電網(wǎng)發(fā)生大容量機組跳閘，容易致使某些斷面超極限運行，同時導致某些電壓支撐較弱的地區(qū)發(fā)生電壓失穩(wěn)，最終導致系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)。因此，需要結(jié)合受端電網(wǎng)機組跳閘這一故障，制定相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制策略，切除受端電網(wǎng)部分負荷，使斷面功率降低，電壓恢復合理水平，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

隨著受端電網(wǎng)負荷的不斷增長以及電源單機容量的不斷增加，受端電網(wǎng)電源特別是大容量機組發(fā)生故障跳閘后對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性影響日益加重，為了在故障下準確切除一定量的負荷，不發(fā)生過切或欠切，穩(wěn)控措施需準確結(jié)合機組跳閘前受端電網(wǎng)各供電斷面的功率傳輸情況，這些都將導致穩(wěn)控切負荷策略以及穩(wěn)控系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)通信方案變得復雜[5-10]，這也將直接影響到穩(wěn)控系統(tǒng)自身的可靠性。

因此需要重新對具有長鏈式結(jié)構(gòu)特點的受端電網(wǎng)故障跳機的穩(wěn)控切負荷方案進行研究，調(diào)整、優(yōu)化切負荷方案。下面通過對鏈式供電方式下，受端電網(wǎng)機組發(fā)生跳閘進行機理分析，找出了機組跳閘后的共性，結(jié)合這一共性提出了一種新的穩(wěn)控切負荷方案。運用PSASP程序?qū)δ畴娋W(wǎng)進行仿真分析，驗證了該切負荷方案策略相對于之前的穩(wěn)控切負荷方案明顯得到簡化，并且不會導致過切或欠切，穩(wěn)控動作的可靠性得到提高，具有重要的實用價值。

1 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導則》規(guī)定，電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制體系分為三道防線。第一道防線：快速切除故障元件，防止故障擴大；第二道防線：采取穩(wěn)定控制措施，防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定；第三道防線：系統(tǒng)失去穩(wěn)定后，防止大面積停電。第一道防線靠繼電保護裝置快速、準確的切除故障元件。第二、三道防線是由電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置來承擔，主要包括低頻低壓減載、失步解列、功率振蕩解列和高頻切機等。

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要針對較嚴重的擾動，作用于電力系統(tǒng)中的第二、三道防線，防止事故擴大及系統(tǒng)失穩(wěn)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。在電網(wǎng)發(fā)生大的擾動后，安全穩(wěn)定控制裝置及時正確動作，可有效避免系統(tǒng)發(fā)生功角、電壓、頻率穩(wěn)定問題及過載問題。同時安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的投入，可有效提高系統(tǒng)的輸電極限，增強系統(tǒng)穩(wěn)定能力。而安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的切機和切負荷操作在電力系統(tǒng)運行中出現(xiàn)概率最大。由于599號令頒布以及用戶對供電要求越來越高，應(yīng)盡量減少切負荷量，同時由于電網(wǎng)中負荷重和電網(wǎng)網(wǎng)架的問題，因此要對安全穩(wěn)定控制裝置的切負荷操作進行研究。

2 鏈式供電網(wǎng)絡(luò)

部分地區(qū)由于自身電源無法滿足當?shù)刎摵傻男枨?，需要從另一區(qū)域供電，形成受端電網(wǎng)特點。當某一受端電網(wǎng)自身電源相對匱乏時，將從另一區(qū)域大量供電，導致區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線供電壓力較大，同時由于受端電網(wǎng)自身供電范圍較廣，自身的電網(wǎng)網(wǎng)架及電源建設(shè)相對負荷增長相對滯后，網(wǎng)架建設(shè)還處在發(fā)展階段，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單一，與主網(wǎng)聯(lián)系比較薄弱，一般都是長鏈式供電，各區(qū)域之間只通過一條或兩條交流線互聯(lián)，而各區(qū)域的負荷不斷增加，造成各斷面接近極限運行。

隨著受端電網(wǎng)中電源不斷的接入，可以降低斷面的傳輸功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，但是隨著單臺機組容量的不斷增加，機組跳閘對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響越來越大。受端電網(wǎng)中機組跳閘可能導致斷面超極限運行，進一步破壞系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、功角穩(wěn)定等。圖1為新疆南部地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 新疆南部地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，新疆南部地區(qū)與主網(wǎng)僅通-回750 kV和兩回220 kV交流線路形成電磁環(huán)互聯(lián)，聯(lián)系較為薄弱，聯(lián)絡(luò)線供電壓力較大。同時南部各區(qū)域間及各區(qū)域內(nèi)部也只通過兩回220 kV交流線聯(lián)絡(luò)，供電距離長達約2 000 km，供電距離較長，聯(lián)系薄弱，同時沿線電源分布較少，形成典型的長鏈式供電結(jié)構(gòu)。但是新疆南部三地區(qū)負荷比較重，表1為三地區(qū)負荷情況。

表1 新疆南部地區(qū)負荷情況(2013年)/MW

由表1可以看出，新疆南部三地區(qū)負荷比較重，但是三地區(qū)裝機容量比較低且裝機主要分布在阿克蘇地區(qū)。新疆南部地區(qū)整體為受端網(wǎng)絡(luò)，需要從主網(wǎng)大量吸收功率，潮流方向為：主網(wǎng)→阿克蘇→疆南→和田，幾個重要斷面(臺牙+臺茲斷面、茲拜+臺茲斷面、茲蘇雙線斷面、徐鹿+蘇鹿斷面、鹿喀+鹿莎斷面等)均接近功率極限運行。

若該受端系統(tǒng)中出現(xiàn)大容量機組跳閘，如庫車330 MW機組、徐礦200 MW機組、盛源350 MW機組或喀發(fā)三期350 MW機組發(fā)生機組跳閘，均將導致各斷面?zhèn)鬏敼β试黾樱瑫r導致受端電網(wǎng)特別是電壓支撐較弱的地區(qū)如臺遠、牙哈、金鹿等地區(qū)的電壓出現(xiàn)大幅度跌落，最終出現(xiàn)功角失穩(wěn)，嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

表2為機組跳閘后斷面功率變化量，圖2為機組跳閘后受端電網(wǎng)中電壓曲線。

表2 機組跳閘后斷面功率變化量/MW

從表2可以看出，機組跳閘后相應(yīng)的斷面功率急劇增加。尤其是受端電網(wǎng)中大機組跳閘后斷面功率突增量特別大，斷面嚴重超極限運行，嚴重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

圖2 受端電網(wǎng)中機組跳閘后各變電站電壓曲線

由圖2可以看出，受端電網(wǎng)機組跳閘情況下，導致各斷面?zhèn)鬏敼β试黾?，致使受端電網(wǎng)中電壓降低，機組跳閘后電網(wǎng)穩(wěn)定性遭到破壞，需要穩(wěn)控裝置動作，切除受端電網(wǎng)部分負荷，降低斷面?zhèn)鬏敼β剩瓜到y(tǒng)電壓恢復到合理范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。但是由于電網(wǎng)存在很多斷面，機組出現(xiàn)跳閘故障后，穩(wěn)控系統(tǒng)無法有針對性的簡單判斷出究竟是哪一個斷面超極限運行，或哪一個地區(qū)的電壓跌落最大超過允許值。因此存在當機組故障跳閘后，穩(wěn)控系統(tǒng)可能只會“盲目”的切除與跳閘機組容量相匹配的負荷，但對于最佳切負荷點或最小切負荷量這兩個方面來說，穩(wěn)控系統(tǒng)無法滿足這兩點要求，因此可能造成的結(jié)果為穩(wěn)控存在過切或欠切，穩(wěn)控切負荷動作后，系統(tǒng)電壓恢復偏高或偏低，嚴重時將出現(xiàn)功角失穩(wěn)局面。

為了解決上述問題，在發(fā)生機組跳閘故障時，穩(wěn)控系統(tǒng)可通過采集故障前所有斷面的功率傳輸情況及故障后的各點電壓跌落情況，將其發(fā)送至跳閘機組的穩(wěn)控裝置，再由跳閘機組的穩(wěn)控裝置發(fā)令切除部分負荷。該方案可準確找出機組跳閘故障下最終導致系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵電壓薄弱點，第一時間準確鎖定需要切除負荷的區(qū)域以及所需切除負荷的大小，從而準確動作以最小的切負荷量來有效降低斷面?zhèn)鬏敼β?，同時快速恢復電壓至合理范圍內(nèi)。該方案雖然解決了“盲目”切負荷的問題，但穩(wěn)控措施及策略較為復雜，只一條策略就需要采集大量的數(shù)據(jù)和信息，通信通道占用容量較大，且通信交互、配置復雜，穩(wěn)控系統(tǒng)的正確動作性對通信系統(tǒng)及所采集數(shù)據(jù)的準確性依賴較高。通信系統(tǒng)的可靠性較低，調(diào)試工作量大，且出現(xiàn)穩(wěn)控動作出錯的概率較高，不利于穩(wěn)控系統(tǒng)的現(xiàn)場實際應(yīng)用。因此，需要針對該問題進行穩(wěn)控方案的優(yōu)化，重新梳理穩(wěn)控策略的相關(guān)思路，一方面有效、有針對性地解決問題，另一方面最大限度地簡化穩(wěn)控策略及方案。

3 切負荷策略研究

通過深入分析發(fā)現(xiàn)，當受端電網(wǎng)發(fā)生大容量機組跳閘的主要表現(xiàn)為：斷面功率超極限運行以及部分地區(qū)電壓跌落至允許值以下，而這也正是導致系統(tǒng)最終出現(xiàn)功角失穩(wěn)的決定性和根本性的因素。因此解決問題的關(guān)鍵就在于如何以最簡單、有效的方式降低斷面功率至極限以下，以及恢復系統(tǒng)電壓至允許值以上。

根據(jù)電網(wǎng)故障后電網(wǎng)運行表現(xiàn)出來的這一系列特點，如果可以準確捕獲在機組跳閘前、后各斷面的功率變化情況以及各點的電壓跌落變化情況，即可準確找到影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵斷面和關(guān)鍵點，從而準確鎖定切負荷區(qū)域及所需切負荷的大小。

但各個斷面及各點信息在穩(wěn)控系統(tǒng)采集后，在哪匯總、判斷、分析和處理又成為一大問題，如果將其匯總至跳閘機組的穩(wěn)控裝置，勢必又將造成穩(wěn)控系統(tǒng)的復雜和可靠性低。如果將各斷面、各點信息就地判斷、分析，則有利于大大簡化穩(wěn)控系統(tǒng)的復雜性，但穩(wěn)控系統(tǒng)將如何就地判斷和動作，同時當機組跳閘后，可能出現(xiàn)多個斷面同時出現(xiàn)超極限運行和電壓低的情況，各斷面的穩(wěn)控策略將如何配合等將成為主要需要解決的問題。

最終，為了滿足上述多個要求，對新疆電網(wǎng)南部地區(qū)的穩(wěn)控策略進行如下優(yōu)化：對南部電網(wǎng)多個關(guān)鍵斷面制定功率突增策略，當南部機組出現(xiàn)跳閘后，如果功率突增量滿足一定值，且功率突增后斷面功率大于該斷面功率極限值，或本站電壓低于某一值時，延時切除本地負荷。

這樣就保證了穩(wěn)控切負荷的有針對性和準確性。當電網(wǎng)發(fā)生故障跳機時，該策略可準確找到電氣量變化最大、功率及電壓裕度最低的斷面，有效針對對電網(wǎng)影響最大的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵電壓薄弱點切除負荷，快速恢復電網(wǎng)穩(wěn)定性。

同時為了簡化穩(wěn)控策略及通信的復雜性，將各斷面信息量實現(xiàn)就地采集和就地判斷、分析，不進行不同穩(wěn)控裝置間的交互通信，只要就地滿足穩(wěn)控動作要求即自動下發(fā)穩(wěn)控切負荷命令，這樣就實現(xiàn)了穩(wěn)控切負荷策略與機組跳閘故障之間的解耦，簡化穩(wěn)控策略和通信，大大提高穩(wěn)控動作的可靠性。

對于當機組跳閘后，可能出現(xiàn)多個斷面同時出現(xiàn)超極限運行和電壓低的情況，如果此時各斷面穩(wěn)控同時切除同一匹配量的負荷，則很有可能導致最終過切負荷。對此，在穩(wěn)控策略中主要通過對不同斷面設(shè)定不同的延時時間來進行配合，避免同時重復切除負荷。當某一斷面穩(wěn)控先切除一定量負荷后，將造成其余斷面功率也隨之降低，若該斷面功率降低至功率極限以下，同時電壓恢復至允許范圍以內(nèi)時，則該穩(wěn)控策略將會返回，不再多切負荷。這就將不同斷面間的穩(wěn)控切負荷的策略進行了有機的配合，簡單、有效的建立了南部整體地區(qū)鏈式網(wǎng)架對于大容量機組故障跳閘后的二道防御系統(tǒng)。

對比原來的切負荷策略，提出的切負荷策略，減少了安全穩(wěn)定控制裝置的信息交互，降低了穩(wěn)控策略的復雜程度，解決了因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)問題導致的參數(shù)整定困難以及切負荷的配合問題，將單一機組跳閘的穩(wěn)控切負荷策略分解為各個斷面的功率突增切負荷策略，實現(xiàn)穩(wěn)控策略的解耦和簡化，同時防止安全穩(wěn)定控制裝置誤切，減少了切負荷量，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

4 仿真分析

為了驗證所提出的安全穩(wěn)定控制裝置的切負荷方案的正確性，取新疆南部實際電網(wǎng)，運用PSASP來進行計算分析。電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

電網(wǎng)正常運行情況下，潮流方向為主網(wǎng)→阿克蘇→疆南→和田。電網(wǎng)中電源情況：庫車電廠(2×135 MW+2×330 MW)、徐礦電廠(2×200 MW)、喀什電廠(2×50 MW)、下坂地水電(3×50 MW)和波波娜水電(3×50 MW)等。正常運行情況下，臺牙線+臺茲線、茲拜線+臺茲線、茲蘇雙線、徐鹿線+蘇鹿線和鹿喀線+鹿莎線斷面的傳輸功率較重，在負荷高峰時段接近穩(wěn)定極限運行。若受端電網(wǎng)中機組(庫車電廠、徐礦電廠、喀什電廠等)發(fā)生跳閘，將導致各斷面功率突增，造成斷面超極限運行，受端電網(wǎng)低電壓，系統(tǒng)穩(wěn)定性將遭到破壞。

為了防止受端電網(wǎng)中機組(庫車電廠、徐礦電廠、喀什電廠等)發(fā)生跳閘，導致地區(qū)電壓過低，出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題及斷面超極限運行，根據(jù)所提出的切負荷策略，制定切負荷策略如下。

當徐鹿線+蘇鹿線斷面功率(Px1+Ps1)突增量ΔPdm(方向指向金鹿)大于Pset，且本站電壓小于Vset，時間T大于Tset，切除本地區(qū)負荷：KsetΔPdm。通過仿真計算分析各參數(shù)整定值為

Pset=50 MW；Vset=99%
Tset=2 s；Kset=0.2

結(jié)合上述切負荷策略，運用PSASP進行仿真分析，當喀什電廠機組跳閘之后，穩(wěn)控切負荷量為13.6 MW。切除金鹿地區(qū)負荷后，受端電網(wǎng)電壓恢復到合理范圍，徐鹿線+蘇鹿線斷面功率控制在極限以內(nèi)。安全穩(wěn)定控制裝置切負荷動作后各變電站電壓曲線如圖3所示。

圖3 切負荷動作后受端系統(tǒng)各變電站電壓

從圖3可以得出，當喀什電廠機組跳閘后，受端系統(tǒng)中各變電站電壓降低，徐鹿線+蘇鹿線斷面功率突增，安全穩(wěn)定控制裝置動作，切除金鹿地區(qū)部分負荷可以使受端系統(tǒng)電壓恢復到合理范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。同時通過圖3可以證明，前面所提出的切負荷策略的有效性，可以保證安全穩(wěn)定控制裝置正確動作，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，也反應(yīng)出該切負荷策略簡單且各參數(shù)容易整定。

5 結(jié) 論

通過對鏈式供電方式下受端電網(wǎng)機組發(fā)生跳閘進行分析，得出當受端電網(wǎng)機組發(fā)生跳閘將導致電網(wǎng)中某些斷面功率突增且超過功率極限運行，同時伴隨有系統(tǒng)電壓跌落較大等特點，針對這一特性，提出了一種新的切負荷策略。通過對新疆南部實際電網(wǎng)仿真分析，證明了所提出的切負荷策略具有重要的實用價值，能準確找到大容量機組故障跳閘后對電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵點，確保安全穩(wěn)定控制裝置的正確、可靠動作，同時可有效防止由于穩(wěn)控策略復雜或通信機制復雜等造成的穩(wěn)控誤切或過切負荷的現(xiàn)象出現(xiàn)，對于穩(wěn)控策略各參數(shù)定值也較容易整定，只需要注意不同斷面間穩(wěn)控參數(shù)定值的整定配合即可。

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