基于區(qū)間聯(lián)絡(luò)線能量預(yù)測的暫態(tài)穩(wěn)定緊急切機(jī)控制（二）工程案例

趙晉泉 ，鄧 暉，徐光虎 ，張 勇，吳小辰

（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.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

高效、可靠的電力系統(tǒng)緊急控制是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障［1］。近年來世界范圍內(nèi)發(fā)生多起大停電事故［2-3］，折射出傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)尚存在缺陷與不足［4］。隨著廣域測量技術(shù)的發(fā)展，全網(wǎng)的異地響應(yīng)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)同步精確采集?；陔娋W(wǎng)的廣域受擾量測，電力工作者可挖掘系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)特征，繼而開展基于響應(yīng)驅(qū)動的暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制［5-11］。該緊急控制技術(shù)可作為對現(xiàn)有事件驅(qū)動型安全穩(wěn)定防線的有益補(bǔ)充，進(jìn)一步保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文在基于區(qū)間聯(lián)絡(luò)線能量的緊急切機(jī)方法［12］基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了該方法應(yīng)用于互聯(lián)電網(wǎng)的工程化方案。通過南方電網(wǎng)兩廣斷面區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)仿真測試，驗證了本文所述方法的有效性。此外，本文還探討了該緊急控制方法與現(xiàn)有安全穩(wěn)定防線的協(xié)調(diào)配合問題。

1 基于廣域響應(yīng)的區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

1.1 互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)實(shí)時判別

暫態(tài)失穩(wěn)判別直接決定了緊急控制的實(shí)施時刻，并影響著緊急控制量大小。若做出錯誤的系統(tǒng)失穩(wěn)判別，可能觸發(fā)不必要的緊急控制措施，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，快速、準(zhǔn)確的暫態(tài)失穩(wěn)判別是緊急控制的先決條件。文獻(xiàn)［13］針對互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)特征，提出了一種基于受擾電壓軌跡的暫態(tài)失穩(wěn)實(shí)時判別方法。該方法通過系統(tǒng)振蕩中心電壓映射區(qū)域機(jī)群間的相對運(yùn)動，根據(jù)擾動后電壓軌跡進(jìn)行復(fù)合積分運(yùn)算，實(shí)時量化評估系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)程度。所述方法基于區(qū)間聯(lián)絡(luò)線母線電壓量測，方法簡單，計算效率高，具備工程可實(shí)施性［14］。

本文將基于受擾電壓軌跡的暫態(tài)失穩(wěn)實(shí)時判別方法［7］與基于區(qū)間聯(lián)絡(luò)線能量的暫態(tài)穩(wěn)定緊急切機(jī)控制方法［6］相結(jié)合，提出一種基于廣域響應(yīng)的互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)。根據(jù)擾動后聯(lián)絡(luò)線量測進(jìn)行區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定性實(shí)時判別，再根據(jù)擴(kuò)展等面積法則建立振蕩中心所在聯(lián)絡(luò)線的功率-相角差相平面，映射系統(tǒng)暫態(tài)能量變化，并以此計算聯(lián)絡(luò)線的緊急調(diào)節(jié)功率。同時根據(jù)特征發(fā)電機(jī)量測刷新切機(jī)序位表，并通過聯(lián)絡(luò)線預(yù)測能量制定緊急切機(jī)策略。流程如圖1所示。

1.2 互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制方案

依據(jù)現(xiàn)有安穩(wěn)控制系統(tǒng)的技術(shù)手段及硬件條件，基于廣域響應(yīng)的互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)可采用主站-子站控制方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由設(shè)置于互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)變電站的觀測子站采集量測信息。根據(jù)受擾電壓軌跡實(shí)時判別系統(tǒng)的區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)，并建立不平衡功率-相角差相平面，預(yù)測所在聯(lián)絡(luò)線的暫態(tài)能量并計算緊急調(diào)節(jié)功率，上送給主站。主站計算和確定緊急控制策略，并將切機(jī)策略指令下發(fā)給執(zhí)行子站，由設(shè)置于送端電網(wǎng)電廠的執(zhí)行子站執(zhí)行切機(jī)控制。此外，執(zhí)行子站根據(jù)主站需求上傳PMU所采集的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。

圖1 基于廣域響應(yīng)的區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)流程圖Fig.1 Flowchart of transient stability control based on PMU／WAMS

圖2 基于廣域響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of transient stability control based on PMU／WAMS

控制主站為信息匯總、分析、處理及指令發(fā)送單元，主要完成如下工作：（1）根據(jù)廣域機(jī)組轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行機(jī)組受擾程度排序，刷新切機(jī)序位表；（2）調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的功率轉(zhuǎn)移分布因子，計算緊急切機(jī)策略；（3）向執(zhí)行子站下發(fā)切機(jī)指令。

1.3 功率轉(zhuǎn)移分布因子在線更新

由于電網(wǎng)的運(yùn)行方式改變或支路開斷等原因，系統(tǒng)的暫態(tài)參數(shù)將發(fā)生變化。僅通過離線仿真獲得發(fā)電機(jī)-聯(lián)絡(luò)線的功率轉(zhuǎn)移分布因子，計算任意時刻切機(jī)控制策略，往往會產(chǎn)生較大偏差。由于功率轉(zhuǎn)移分布因子采用的是基于直流潮流的計算方法，所需信息相對較少，可利用廣域量測進(jìn)行參數(shù)的更新計算。

發(fā)電機(jī)-聯(lián)絡(luò)線功率轉(zhuǎn)移因子更新辦法如下：（1）在系統(tǒng)運(yùn)行中，利用PMU／WAMS獲取發(fā)電機(jī)出力、線路潮流、支路開斷等信息；

（2）根據(jù)上述廣域量測更新電網(wǎng)參數(shù)，并進(jìn)行直流潮流計算；

（3）由潮流結(jié)果計算發(fā)電機(jī)-目標(biāo)聯(lián)絡(luò)線的功率轉(zhuǎn)移因子，并更新數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)參數(shù)；

（4）按照實(shí)際需求重復(fù)執(zhí)行上述步驟，從而根據(jù)系統(tǒng)最新工況制定緊急切機(jī)策略。

上述更新辦法可在一定程度上提高緊急切機(jī)策略的準(zhǔn)確度，增強(qiáng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)在不同工況下的適用性。

2 南方電網(wǎng)工程案例

2.1 中國南方電網(wǎng)

中國南方電網(wǎng)是世界上最復(fù)雜的交直流混合運(yùn)行電網(wǎng)之一。由于我國東、西部地區(qū)能源資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，南方電網(wǎng)具有長距離鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、東西跨度長、傳輸功率大的特點(diǎn)。隨著近年溪洛渡和糯扎渡兩渡直流投入運(yùn)行，南方電網(wǎng)已形成“八交八直”共16條高壓線路并行的西電東送大通道，最大輸送電力超過30000 MW［15］。南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題面臨嚴(yán)峻的考驗。

南方電網(wǎng)單機(jī)容量300 MW及以上的電廠、總裝機(jī)容量500 MW及以上的電廠都配備PMU裝置，電網(wǎng)內(nèi)所有直流換流站、500 kV變電站也基本配備PMU裝置［16］。因此，南方電網(wǎng)現(xiàn)有的廣域系統(tǒng)配置能夠滿足穩(wěn)定性判別與緊急控制的基本要求。

2.2 針對兩廣斷面暫態(tài)失穩(wěn)的緊急控制方案

研究表明，若南方電網(wǎng)發(fā)生多極直流閉鎖或重要交流輸電線路三永等極端嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)的振蕩中心一般位于廣東—廣西傳輸斷面，發(fā)電機(jī)群在擾動的沖擊下，由兩廣聯(lián)絡(luò)斷面“撕裂”開來［17］。

針對上述區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)特征，在兩廣傳輸斷面兩側(cè)重要變電站設(shè)置觀測子站，如表1所示。利用兩廣聯(lián)絡(luò)線的受擾響應(yīng)可量化估計系統(tǒng)區(qū)間暫態(tài)能量，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)判別與聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率計算。

表1 南方電網(wǎng)觀測子站列表Table 1 Observation stations of CSG

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生兩廣斷面區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)，由于地區(qū)發(fā)電機(jī)聯(lián)系緊密，南方電網(wǎng)各省內(nèi)機(jī)組具有相似受擾特征。在送端云南、貴州、廣西的50處重要500 kV電廠設(shè)置執(zhí)行子站，進(jìn)行地區(qū)特征發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速采樣及切機(jī)命令執(zhí)行工作。為實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一基準(zhǔn)下的機(jī)組能量評估，各省內(nèi)發(fā)電機(jī)的總慣量相近。

在位于廣州的南方電網(wǎng)調(diào)度中心建立控制主站，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及相關(guān)軟硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、分析處理和控制決策等功能。綜上所述，兩廣斷面區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 兩廣斷面區(qū)間暫態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)圖Fig.3 Transient stability control system for Guangdong-Guangxi section of CSG

2.3 仿真分析

以兩渡直流投運(yùn)后，南方電網(wǎng)2014年豐大運(yùn)行方式為仿真對象。利用BPA軟件進(jìn)行系統(tǒng)時域仿真，測試本文方法的有效性。設(shè)定仿真步長為0.02 s。假設(shè)失穩(wěn)判別與緊急控制之間的時延為0.1s，切機(jī)序位表的刷新時間間隔為0.2 s。

算例1：0 s時溪洛渡直流雙極閉鎖，0.1 s濾波器動作。

由于直流閉鎖造成地區(qū)功率盈余，溪洛渡電廠機(jī)組將首先加速運(yùn)行，繼而引起云南、貴州、廣西地區(qū)機(jī)組失步，最終造成兩廣聯(lián)絡(luò)斷面間機(jī)群發(fā)生區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)受擾功角軌跡（算例1）Fig.4 Disturbed angle trajectory of generators（Case 1）

當(dāng)斷面觀測子站的受擾電壓低于0.85 p.u.時開始積分運(yùn)算，實(shí)時評估兩廣斷面區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)程度。其中賢令山站電壓軌跡如圖5所示（圖中電壓為標(biāo)幺值，后同），采用文獻(xiàn)［13］方法于擾動后1.24 s判別系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。

圖5 觀測子站受擾電壓軌跡（算例1）Fig.5 Disturbed voltage trajectory of slave observation station（Case 1）

根據(jù)觀測子站的量測數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線相角差-功率軌跡擬合外推，計算各聯(lián)絡(luò)線緊急調(diào)節(jié)功率。其中受擾最嚴(yán)重支路為桂林—賢令山聯(lián)絡(luò)線，相平面軌跡如圖6所示（圖中不平衡功率為標(biāo)幺值，后同）。計算得到桂賢線調(diào)節(jié)功率為1191MW。

圖6 桂林—賢令山相角差-不平衡功率相平面（算例1）Fig.6 Phase plane of phase angle difference and unbalanced power between Guilin and Xianlingshan（Case 1）

主站根據(jù)執(zhí)行子站上傳的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速量測，刷新切機(jī)序位表。1.2 s的切機(jī)序位表如表2所示，由于執(zhí)行子站數(shù)目較大，本文僅列舉排序1—5位的電廠。其中受擾最嚴(yán)重為溪洛渡電廠機(jī)組。

表2 判定失穩(wěn)時最新切機(jī)序位表（算例1）Table 2 Updated generator tripping sequence table（Case 1)

根據(jù)溪洛渡電廠—桂賢線發(fā)電轉(zhuǎn)移分布因子0.31，計算得到緊急切機(jī)量為3843MW。溪洛渡電廠下屬9臺機(jī)組，每臺實(shí)際出力均為700 MW。因此，制定緊急切機(jī)策略為切除其中6臺機(jī)組，合計4200 MW。于1.34 s執(zhí)行上述緊急切機(jī)策略，控制效果如圖7所示，系統(tǒng)恢復(fù)暫態(tài)穩(wěn)定。

圖7 切除4200 MW后發(fā)電機(jī)受擾功角軌跡（算例1）Fig.7 Disturbed angle trajectory of generators after 4200 MW are tripped（Case 1）

算例2：0 s時兩廣聯(lián)絡(luò)斷面的來賓—梧州線路發(fā)生三永故障，0.1 s跳故障雙回線路，同時發(fā)生玉林—茂名無故障跳閘。

由于兩廣聯(lián)絡(luò)斷面重要輸電線路跳閘，其送電功率將轉(zhuǎn)移至其余區(qū)間聯(lián)絡(luò)線，引起兩廣斷面功率振蕩，造成區(qū)間暫態(tài)失穩(wěn)。全網(wǎng)功角受擾軌跡如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)受擾功角軌跡（算例2）Fig.8 Disturbed angle trajectory of generators（Case 2）

根據(jù)文獻(xiàn)［13］方法，觀測子站賢令山站于擾動后1.08 s判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)，如圖9所示。

圖9 觀測子站受擾電壓軌跡（算例2）Fig.9 Disturbed voltage trajectory of slave observation station（Case 2）

建立受擾最嚴(yán)重聯(lián)絡(luò)線桂林—賢令山相平面軌跡，如圖10所示。根據(jù)預(yù)測軌跡計算得到該聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率為1224 MW。

圖10 桂林—賢令山相角差-不平衡功率相平面（算例2）Fig.10 Phase plane of phase angle difference and unbalanced power between Guilin and Xianlingshan（Case 2）

主站于1 s制定的切機(jī)序位表，如表3所示。根據(jù)切機(jī)序位表先后順序制定緊急切機(jī)策略，直至滿足兩廣聯(lián)絡(luò)斷面的功率調(diào)節(jié)要求。得到緊急切機(jī)策略為切除貴港電廠1×400 MW機(jī)組、合山電廠1×230 MW機(jī)組、龍灘電廠5×700 MW機(jī)組，合計有功功率為4130 MW。

表3 判定失穩(wěn)時最新切機(jī)序位表（算例2）Table 3 Updated generator tripping sequence table（Case 2）

各執(zhí)行子站于1.18s同步切除貴港電廠、合山電廠、龍灘電廠相應(yīng)機(jī)組，控制后受擾功角軌跡如圖11所示。通過上述緊急控制措施，能夠使全網(wǎng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)同步運(yùn)行。

圖11 切除4130 MW后發(fā)電機(jī)受擾功角軌跡（算例2）Fig.11 Disturbed angle trajectory of generators after 4130 MW are tripped（Case 2）

3 現(xiàn)有防線的協(xié)調(diào)配合

基于廣域響應(yīng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)，現(xiàn)階段作用定位為常規(guī)基于事件驅(qū)動穩(wěn)定控制二道防線的有益補(bǔ)充，而非取代。其主要針對二道防線預(yù)想故障集外的嚴(yán)重事故或二道防線穩(wěn)控裝置拒動情形，作為后備保護(hù)進(jìn)一步保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若某時刻二道防線穩(wěn)控主站接收到啟動控制信號，執(zhí)行控制命令的同時進(jìn)行信息通道閉鎖，避免基于響應(yīng)的穩(wěn)定控制措施動作。

本文提出的暫態(tài)穩(wěn)定緊急切機(jī)控制方案，是在系統(tǒng)受擾初期根據(jù)響應(yīng)特征，執(zhí)行一輪針對性的切機(jī)控制。假如由于所計算切機(jī)控制量不足，未能使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，其恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的努力也能減少此后第三道防線所付出的代價。

4 結(jié)語

本文采用基于區(qū)間聯(lián)絡(luò)線能量預(yù)測的緊急切機(jī)方法，并結(jié)合基于受擾電壓軌跡積分的暫態(tài)失穩(wěn)判別方法，形成了一種基于廣域響應(yīng)的區(qū)域間電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)。針對南方電網(wǎng)兩廣斷面暫態(tài)失穩(wěn)，采用主站-子站控制方式，給出了基于廣域響應(yīng)的南方電網(wǎng)區(qū)域失穩(wěn)切機(jī)控制方案。通過系統(tǒng)仿真分析表明本文所提出的緊急切機(jī)方法是有效的，具備工程可實(shí)施性。

需要指出的是，單純依靠響應(yīng)無法準(zhǔn)確獲知系統(tǒng)未來軌跡，將造成切機(jī)控制量化評估的不精確，同時也難以快速校核控制策略的有效性。在實(shí)際電網(wǎng)中的應(yīng)用研究仍有待深入開展。

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