基于廣域響應(yīng)的大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)仿真軟件的開發(fā)與應(yīng)用

趙晉泉 ，章玉杰，張 盼 ，金小明，付 超 ，李鴻鑫

（1．河海大學(xué) 可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098；2．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080）

0 引言

近年來隨著相量測量單元（PMU）在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)建實(shí)時(shí)的廣域安全防御控制系統(tǒng)成為可能，利用廣域量測系統(tǒng)（WAMS）進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定的實(shí)時(shí)預(yù)警和緊急控制技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一［1-5］。

目前基于廣域響應(yīng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)的研究已取得很多理論成果［6-17］。比較有代表性的有：文獻(xiàn)［12］提出的基于受擾軌跡相平面幾何特征識別的暫態(tài)失穩(wěn)判別方法；文獻(xiàn)［13］提出的基于受擾嚴(yán)重單機(jī)識別和暫態(tài)不平衡能量變化率的暫態(tài)失穩(wěn)判別技術(shù)；文獻(xiàn)［14］提出的基于擴(kuò)展等面積準(zhǔn)則（EEAC）理論的暫態(tài)失穩(wěn)判別技術(shù)；文獻(xiàn)［15］提出的基于軌跡特征根的暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)用判據(jù)；文獻(xiàn)［16］提出的基于受擾電壓軌跡時(shí)域積分的暫態(tài)失穩(wěn)判別方法。

上述技術(shù)目前尚未得到實(shí)際工程應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，需要分析暫態(tài)穩(wěn)定判別所需要廣域量測的完備性、判別的準(zhǔn)確性和快速性以及緊急控制策略的生成等問題。因此，必須對上述各種判別技術(shù)在實(shí)際電網(wǎng)大量運(yùn)行方式和故障情形下的適用性和有效性進(jìn)行比較分析。但目前尚沒有一個(gè)能夠?qū)ι鲜龈髋袆e技術(shù)進(jìn)行仿真對比的分析軟件。為此，基于現(xiàn)有理論研究成果，開發(fā)了基于廣域響應(yīng)的大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了對各種技術(shù)全方位的對比分析，提高了安穩(wěn)分析人員的工作效率。本文主要介紹該軟件的框架結(jié)構(gòu)、功能模塊以及工程應(yīng)用情況。

1 軟件總體功能框架結(jié)構(gòu)

為滿足各種暫穩(wěn)判別技術(shù)的對比分析以及判別結(jié)果可視化輸出的功能需求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的軟件框架結(jié)構(gòu)。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 Block diagram of software structure

按照各模塊間相互獨(dú)立、易于擴(kuò)展的思想，將軟件框架分為數(shù)據(jù)層、核心層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層包含了支持實(shí)測數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)2種數(shù)據(jù)源的通用數(shù)據(jù)接口模塊，可實(shí)現(xiàn)反映系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定特性狀態(tài)量的提取，為核心層提供暫穩(wěn)判別所需要的輸入數(shù)據(jù)；核心層包含了多種基于響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)模塊，通過數(shù)據(jù)層獲取系統(tǒng)受擾軌跡，進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定判別計(jì)算，并將結(jié)果輸出為文件；應(yīng)用層負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互，提供觀測發(fā)電機(jī)和母線選擇、參數(shù)門檻值設(shè)置、算例批量計(jì)算以及仿真結(jié)果可視化輸出等功能。

軟件主要特征如下：提供通用的數(shù)據(jù)接口，支持實(shí)際量測數(shù)據(jù)文件和時(shí)域仿真軟件結(jié)果文件，數(shù)據(jù)兼容性好；采用對話框形式的文檔編輯和參數(shù)設(shè)置模式，人機(jī)交互性好；采用工程-方式的文件管理模式，管理算例文件更方便；實(shí)用的曲線圖繪制模塊，支持曲線-圖例雙向識別和鼠標(biāo)動態(tài)跟蹤曲線坐標(biāo)功能；支持故障算例批量計(jì)算功能，計(jì)算結(jié)果自動匯總輸出到文件，提高了工作效率；基于組件技術(shù)的可擴(kuò)展暫態(tài)穩(wěn)定判別模塊，各暫態(tài)穩(wěn)定判別模塊間相互獨(dú)立，便于模塊的擴(kuò)展與升級；能夠在多平臺上編譯運(yùn)行，既可以作為離線分析軟件，又可以靈活地嵌入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中作為高級應(yīng)用模塊在線運(yùn)行。軟件集成示意圖如圖2所示。

圖2 本文軟件在調(diào)度系統(tǒng)中的集成示意圖Fig.2 Schematic diagram of developed software integrated in dispatch system

2 軟件主要功能模塊

2.1 發(fā)電機(jī)功角預(yù)測模塊

發(fā)電機(jī)功角受擾軌跡預(yù)測是快速識別系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。軟件設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)功角預(yù)測模塊，實(shí)現(xiàn)了多種基于曲線擬合軌跡外推技術(shù)［8-11］，主要包括：多項(xiàng)式預(yù)測技術(shù)、自回歸預(yù)測技術(shù)、三角函數(shù)擬合技術(shù)以及基于灰色模型的預(yù)測技術(shù)。暫態(tài)穩(wěn)定判別所采用的功角預(yù)測技術(shù)、模型階數(shù)、數(shù)據(jù)窗以及預(yù)測窗時(shí)長均可由用戶設(shè)定。

2.2 暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)仿真模塊

本節(jié)簡單介紹最大功角差、同調(diào)群間隙角、相平面軌跡凹凸性、單機(jī)能量函數(shù)、基于實(shí)測軌跡的EEAC、軌跡特征根和受擾電壓軌跡積分7種基于響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)的算法實(shí)現(xiàn)，各方法所需要的輸入數(shù)據(jù)和門檻值如表1所示。

2.2.1 最大功角差判別技術(shù)模塊

以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)受擾后的功角為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和歷史觀測窗數(shù)據(jù)，對發(fā)電機(jī)功角進(jìn)行滾動預(yù)測。在當(dāng)前時(shí)刻及預(yù)測時(shí)長內(nèi)，對發(fā)電機(jī)功角進(jìn)行排序；當(dāng)功角值最大發(fā)電機(jī)與功角值最小發(fā)電機(jī)的功角差大于預(yù)設(shè)門檻值時(shí)，判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

表1 各判別方法輸入量Table1 Inputs of different detection methods

2.2.2 基于相軌跡凹凸性的判別技術(shù)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［12］提出的基于軌跡幾何特征的暫態(tài)失穩(wěn)識別方法，以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及受擾后的功角、機(jī)械功率和電磁功率為輸入數(shù)據(jù)，對觀測發(fā)電機(jī)群進(jìn)行兩機(jī)等值分群計(jì)算，再進(jìn)一步等效為單機(jī)無窮大（OMIB）系統(tǒng)。計(jì)算功角-角加速度平面凹凸指標(biāo)、不平衡功率-功角平面凹凸指標(biāo)和不平衡功率-時(shí)間凹凸指標(biāo)；當(dāng)計(jì)算功角-角加速度平面凹凸指標(biāo)呈現(xiàn)凸性時(shí)，系統(tǒng)有失穩(wěn)傾向；當(dāng)不平衡功率-功角平面凹凸指標(biāo)呈現(xiàn)凸性時(shí)，系統(tǒng)即將失穩(wěn)；當(dāng)不平衡功率-時(shí)間凹凸指標(biāo)呈現(xiàn)凸性時(shí)，判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

2.2.3 基于單機(jī)能量函數(shù)的判別技術(shù)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［13］提出的基于暫態(tài)能量變化率的電力系統(tǒng)多擺穩(wěn)定性分析方法，以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及受擾后的功角、機(jī)械功率和電磁功率為輸入數(shù)據(jù)，利用受擾初期發(fā)電機(jī)的相對動能數(shù)值大小和反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓陌l(fā)電機(jī)電磁功率變化率來識別受擾最嚴(yán)重發(fā)電機(jī)。通過計(jì)算受擾最嚴(yán)重發(fā)電機(jī)功角加速度和能量變化率，判斷系統(tǒng)是否失穩(wěn)。判定系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，記錄失穩(wěn)時(shí)刻受擾最嚴(yán)重發(fā)電機(jī)信息及其功角加速度和能量變化率。

2.2.4 基于實(shí)測軌跡的EEAC判別技術(shù)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［14］提出的基于實(shí)測搖擺曲線的EEAC暫態(tài)穩(wěn)定量化評估方法，以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及受擾后的功角、機(jī)械功率和電磁功率為輸入數(shù)據(jù)，對各觀測發(fā)電機(jī)群進(jìn)行兩機(jī)等值分群計(jì)算，進(jìn)一步等效為OMIB系統(tǒng)。判斷當(dāng)前時(shí)刻是否到達(dá)動態(tài)鞍點(diǎn)（DSP）或首擺最遠(yuǎn)點(diǎn)（FEP），若為DSP則判定系統(tǒng)失穩(wěn)，若遇到FEP則判定系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2.5 基于同調(diào)機(jī)群間隙角的判別技術(shù)模塊

系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)通常表現(xiàn)為兩群失穩(wěn)模式，當(dāng)兩群慣量中心功角差超過一定數(shù)值時(shí)，可判定系統(tǒng)失去同步。以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及受擾后的功角為輸入數(shù)據(jù)，對發(fā)電機(jī)群進(jìn)行分群，得到兩機(jī)等值系統(tǒng)，并計(jì)算兩群慣量中心功角差；當(dāng)兩群慣量中心功角差超過預(yù)設(shè)門檻值時(shí)，判定系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.2.6 基于軌跡特征根的判別技術(shù)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［15］提出的基于軌跡特征根的暫態(tài)穩(wěn)定判別方法，以系統(tǒng)各觀測發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)以及受擾后的功角、機(jī)械功率和電磁功率為輸入數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前時(shí)刻是否有發(fā)電機(jī)滿足系統(tǒng)狀態(tài)矩陣出現(xiàn)實(shí)部為正特征根的等價(jià)條件。若沒有發(fā)電機(jī)滿足，則判定系統(tǒng)穩(wěn)定，否則進(jìn)一步判斷功角最大發(fā)電機(jī)是否有遠(yuǎn)離系統(tǒng)慣量中心的運(yùn)動趨勢，若是則判定系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.2.7 基于受擾電壓軌跡的判別技術(shù)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)［16-17］提出的基于受擾電壓軌跡判別暫態(tài)失穩(wěn)的工程化方法，以系統(tǒng)各觀測母線三相電壓幅值為輸入數(shù)據(jù)，按如下步驟進(jìn)行暫穩(wěn)判別。

a.通過數(shù)據(jù)接口模塊獲取系統(tǒng)受擾后各觀測母線三相電壓幅值，并識別電壓正常下墜過程，保證故障發(fā)生到清除時(shí)段內(nèi)不進(jìn)行電壓積分計(jì)算。

b.判斷當(dāng)前時(shí)刻三相電壓幅值是否低于預(yù)設(shè)門檻值（起始積分電壓），若低于則進(jìn)行復(fù)合積分計(jì)算，包括加權(quán)下墜速率和面積補(bǔ)償。

c.判斷當(dāng)前時(shí)刻電壓積分值是否大于預(yù)設(shè)電壓積分門檻值，若大于則判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)，并記錄失穩(wěn)時(shí)刻電壓積分值；若電壓幅值回升至起始積分電壓之上并持續(xù)一定時(shí)間，判定系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

2.3 緊急切機(jī)控制仿真模塊

判別系統(tǒng)失穩(wěn)后，需要對系統(tǒng)失穩(wěn)后的安穩(wěn)切機(jī)策略進(jìn)行仿真分析。為此，軟件設(shè)計(jì)了如圖3所示緊急切機(jī)控制仿真模塊。可針對不同的運(yùn)行工況和故障情形選擇不同的切除發(fā)電機(jī)形成緊急切機(jī)策略，并通過仿真平臺對切機(jī)策略進(jìn)行仿真。

圖3 暫態(tài)穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transient stability control

2.4 通用數(shù)據(jù)接口模塊

為滿足實(shí)際離線分析計(jì)算中多種數(shù)據(jù)源的需要，軟件開發(fā)了如圖4所示的通用數(shù)據(jù)接口模塊，支持實(shí)際量測和仿真軟件結(jié)果2種數(shù)據(jù)源。對于電網(wǎng)實(shí)際量測數(shù)據(jù)源，通過WAMS實(shí)測數(shù)據(jù)文件獲取系統(tǒng)發(fā)電機(jī)功角、功率、母線電壓等信息；對于仿真軟件數(shù)據(jù)源，通過數(shù)據(jù)源文件獲取發(fā)電機(jī)參數(shù)和母線分區(qū)、電壓等級等信息，通過仿真結(jié)果文件獲取發(fā)電機(jī)功角、功率和母線電壓等信息。

圖4 通用數(shù)據(jù)接口模塊Fig.4 General data interfacing module

2.5 觀測發(fā)電機(jī)和母線選擇模塊

電力系統(tǒng)廣域?qū)崟r(shí)量測信息是海量的，但工程實(shí)用化要求通過對電網(wǎng)少量觀測點(diǎn)的觀測實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定性判別，那么哪些觀測點(diǎn)是具體電網(wǎng)受擾特征最敏感點(diǎn)是運(yùn)行人員最關(guān)心的問題之一。為此，軟件設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)和母線觀測點(diǎn)選擇模塊，可供用戶形成不同的發(fā)電機(jī)和母線觀測方案，對各種暫穩(wěn)判別技術(shù)在不同方式、不同觀測方案下的適用性和有效性進(jìn)行仿真分析。

2.6 文檔編輯與文件管理模塊

軟件支持傳統(tǒng)的文本編輯方式，同時(shí)添加了可供用戶直觀勾選的圖形化文檔編輯模塊。以圖形列表形式給出系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和母線信息，用戶可直觀地從列表中勾選發(fā)電機(jī)和母線，形成觀測發(fā)電機(jī)和母線文件。為了有效地對算例文件進(jìn)行管理，軟件設(shè)計(jì)采用工程-方式模式的文件管理模塊。一個(gè)工程中可以包含多個(gè)故障，每個(gè)故障包含該數(shù)據(jù)文件和結(jié)果文件?？赏ㄟ^加載、卸載方式等操作管理工程中包含的方式，加載、卸載文件等操作管理方式中包含的文件。

2.7 仿真結(jié)果及可視化輸出模塊

為了便于對暫穩(wěn)判別結(jié)果的統(tǒng)一查看以及后期的研究、整理，軟件設(shè)計(jì)了可視化結(jié)果輸出模塊。暫穩(wěn)判別計(jì)算完成后，將各暫穩(wěn)判別技術(shù)的判別結(jié)果和曲線序列化輸出到結(jié)果文件中。判別結(jié)果包括各暫穩(wěn)判別技術(shù)的詳細(xì)判別參數(shù)信息，如關(guān)鍵發(fā)電機(jī)、關(guān)鍵母線等信息。如圖5所示，判別曲線均通過時(shí)間標(biāo)線直觀地給出了失穩(wěn)判別時(shí)刻，具備曲線-圖例雙向識別和鼠標(biāo)動態(tài)跟蹤曲線坐標(biāo)功能。

圖5 失穩(wěn)判別結(jié)果示意圖Fig.5 Schematic results of instability detection

2.8 故障算例批量計(jì)算模塊

實(shí)際中，運(yùn)行人員需通過大量算例仿真來分析對比各判別技術(shù)的適用性和有效性。為提高工作效率，軟件設(shè)計(jì)了故障算例批量計(jì)算模塊，可一次性計(jì)算20個(gè)故障算例。批量計(jì)算完成后自動將結(jié)果匯總輸出到Excel文件，并形成報(bào)表，包含方式名稱、故障名稱、各暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)的暫態(tài)穩(wěn)定判別結(jié)果、觀測發(fā)電機(jī)和母線、緊急控制采取的切機(jī)量等信息。

3 工程應(yīng)用情況

軟件采用VC++2010開發(fā)，已在南方電網(wǎng)科學(xué)研究院得到應(yīng)用。

3.1 貴州六盤水地區(qū)電網(wǎng)安穩(wěn)方案的確定

本文所開發(fā)軟件在貴州六盤水電網(wǎng)國家科技支撐計(jì)劃“規(guī)?；∷娙号c風(fēng)光氣發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”項(xiàng)目示范工程的安穩(wěn)技術(shù)方案確定中發(fā)揮了重要作用。以南方電網(wǎng)2014年豐大方式為基礎(chǔ)計(jì)算方式，對六盤水電網(wǎng)14種典型故障，采用BPA軟件仿真結(jié)果模擬廣域量測數(shù)據(jù)（廣域量測周期為0.02 s），對不同觀測方案（可觀測機(jī)組22個(gè)，可觀測母線站點(diǎn)28個(gè)）、不同門檻值設(shè)置、不同水火風(fēng)電出力、非對稱故障以及三相非金屬性短路等102個(gè)故障案例各判別技術(shù)的適用性和有效性進(jìn)行對比分析。由于篇幅所限，這里僅給出野北線三永故障案例的仿真結(jié)果，如表2所示。

通過本軟件對所有案例的仿真分析，運(yùn)行人員綜合比較了各種技術(shù)的暫穩(wěn)判別準(zhǔn)確性、快速性和工程實(shí)施可行性，確定采用“基于受擾電壓軌跡的暫態(tài)失穩(wěn)判別技術(shù)”進(jìn)行工程示范，并確定了穩(wěn)控系統(tǒng)的母線觀測方案（觀測站為：雙龍、六枝、臺沙和黃家山220 kV變電站）。

3.2 南方電網(wǎng)兩廣斷面安穩(wěn)案例分析

對南方電網(wǎng)兩廣斷面故障案例進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證本文軟件的有效性和實(shí)用性，運(yùn)行方式為2014年豐大極限方式。利用軟件算例批量計(jì)算模塊對50個(gè)故障案例進(jìn)行了仿真計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 野北線三永故障案例各方法暫穩(wěn)判別信息Table 2 Information of transient stabilitydetection by different methods for three-phase short circuit fault of Yemazhai-Beijiao line

表3 南方電網(wǎng)故障案例批量計(jì)算結(jié)果列表Table 3 Results of fault batch calculation for China Southern Power Grid

研究表明，當(dāng)發(fā)生直流閉鎖或短路接地等嚴(yán)重故障時(shí)，電網(wǎng)主要呈現(xiàn)東西部發(fā)電機(jī)組失步特征，失步振蕩中心一般位于兩廣傳輸斷面上通道，兩廣斷面各500 kV變電站判別情況如表4所示。

表4 兩廣斷面各母線觀測站點(diǎn)暫穩(wěn)判別情況Table 4 Information of transient stability detection at different observation substations in Guangdong-Guangxi section

4 結(jié)語

基于廣域響應(yīng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定技術(shù)是當(dāng)前安穩(wěn)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題。本文基于現(xiàn)有理論研究成果，開發(fā)了基于廣域響應(yīng)的大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)仿真軟件，以實(shí)際量測數(shù)據(jù)或時(shí)域仿真軟件結(jié)果文件作為輸入，實(shí)現(xiàn)了多種基于響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)的可視化評估。實(shí)際工程應(yīng)用表明，該軟件可滿足不同運(yùn)行方式和故障情形下暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)的仿真要求，是分析比較各種基于響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)的有效工具，提高了安穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作效率，對于基于響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定判別技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

需要指出的是，單純依靠本文軟件的仿真來確定安穩(wěn)技術(shù)及其工程實(shí)現(xiàn)方式存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合其他因素綜合考慮。計(jì)及工程實(shí)施中的通信時(shí)延、壞數(shù)據(jù)以及算法耗時(shí)等因素的影響將是本文軟件改進(jìn)的方向。

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