異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)失步特性與解列系統(tǒng)方案研究

肖友強(qiáng), 俞秋陽, 陳義宣, 方勝文

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司規(guī)劃研究中心，云南 昆明 650011；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著魯西背靠背和永富直流工程的投產(chǎn)，云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)實現(xiàn)異步互聯(lián)，有效化解了交直流功率轉(zhuǎn)移引起的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題。云南電網(wǎng)交流送出斷面上可能出現(xiàn)的失步振蕩中心也不復(fù)存在，電網(wǎng)安全穩(wěn)定第二、三道防線的裝置和策略得到了簡化。異步聯(lián)網(wǎng)雖然消除了云電交流外送通道的失步風(fēng)險，但也對云南電網(wǎng)內(nèi)部失步特性產(chǎn)生影響，一旦直流發(fā)生閉鎖，大量過剩功率在云南電網(wǎng)內(nèi)部竄動，可能引發(fā)失步振蕩。

云南電網(wǎng)目前裝設(shè)分散獨立式失步解列裝置，就地進(jìn)行失步判別，通過定值整定來一定程度上實現(xiàn)解列控制的配合[1-4]。這種配置現(xiàn)狀能否適應(yīng)異步聯(lián)網(wǎng)后失步特性的變化，目前尚無相關(guān)研究結(jié)論。另一方面，業(yè)界認(rèn)為針對目標(biāo)電網(wǎng)的失步特性，綜合利用多種失步判據(jù)，結(jié)合可靠通信技術(shù)構(gòu)建失步解列系統(tǒng)是多頻振蕩與復(fù)雜斷面失步判別與解列的很好思路[5-7]。

首先研究異步聯(lián)網(wǎng)后的云南電網(wǎng)的失步振蕩特性，然后針對當(dāng)前解列裝置配置方案的不足，提出按區(qū)域和斷面配置的解列系統(tǒng)構(gòu)建方案。

1 研究條件

以云南電網(wǎng)2018年豐水期大方式為基礎(chǔ)，考慮多種典型開機(jī)方式。結(jié)合發(fā)生概率，選取以下4種嚴(yán)重故障，進(jìn)行失步特性研究。

(1)N-2故障后穩(wěn)控拒動。電網(wǎng)失去2個元件，相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)拒動，可能引發(fā)失步。

(2)N-1.5故障。同一送電通道2個元件均發(fā)生故障，但最終僅損失一個元件，此時穩(wěn)控系統(tǒng)不會動作，但故障沖擊比單一故障嚴(yán)重，可能引發(fā)失步。

(3) 開關(guān)拒動。三相短路單相開關(guān)拒動，故障持續(xù)時間長，故障隔離后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化大，可能引發(fā)失步。

(4) 多直流閉鎖。云南電網(wǎng)共有7回直流送出，考慮逆變側(cè)落點相近的直流同時發(fā)生連續(xù)換相失敗導(dǎo)致閉鎖，可能引發(fā)失步。

2 失步振蕩中心分析方法

文中采用電壓比相原理和Ucosφ原理來研究電網(wǎng)的失步特性。

2.1 電壓比相原理

將2個同一電壓等級的母線電壓進(jìn)行相位比較，進(jìn)行比相的2個母線稱之為“比相對”，當(dāng)某一比相對的相角差超過180°，在0°到360°之間周期性變化時，判定該比相對兩側(cè)電網(wǎng)發(fā)生失步振蕩，振蕩中心位于比相母線之間的區(qū)域。以圖1兩機(jī)系統(tǒng)為例，采用下列假設(shè)條件：

(1) 兩側(cè)等值電勢EM和EN幅值相等；

(2) 系統(tǒng)等值阻抗角為90°；

(3) 從EM到EN阻抗均勻分布。

圖1 兩機(jī)等值系統(tǒng)Fig.1 Equivalent two-machine power system

取EN為參考向量，設(shè)其幅值為1，相位為0°，M側(cè)系統(tǒng)等值電勢EM的初始相角為δ0，則兩側(cè)系統(tǒng)功角為：

δ=Δωt+δ0

(1)

其中Δω為兩側(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速差，假設(shè)失步振蕩過程中恒定。根據(jù)以上假設(shè)條件，兩機(jī)等值系統(tǒng)中失步振蕩中心位于線路阻抗中點，設(shè)其電壓為UC，X為線路上任意一點，M側(cè)到X的阻抗與X到N側(cè)的阻抗之比為a，X的電壓Ux與EN之間的夾角θ的表達(dá)式為：

0≤a≤1,

(2)

當(dāng)失步振蕩中心位于N側(cè)與X點之間時，a取值將介于0和1之間，此時比相對N側(cè)與X點的相角差θ的軌跡如圖2所示。

圖2 失步比相對的相角差曲線Fig.2 The curve of phase angle difference

當(dāng)a越接近1時，比相區(qū)間越小，相角差θ穿越180°時斜率越大，只要振蕩中心位于比相區(qū)間內(nèi)，各比相對相角差均在同一時刻穿越180°。

仿真分析中，將可能發(fā)生失步的區(qū)域中任意2個母線組成比相對搜索集合。尋找相角差穿越180°，并在0°到360°之間周期性變化的失步比相對，利用以上特性，并結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)?，可以確定振蕩中心所在線路。目前比相原理已初步應(yīng)用于失步解列裝置，但在南方電網(wǎng)暫未得到廣泛應(yīng)用[8-9]。

2.2 Ucosφ原理

仍以兩機(jī)等值系統(tǒng)為例，如圖3所示。失步過程中振蕩中心的電壓UC與解列裝置安裝處的電壓U以及電壓和電流的夾角φ之間存在確定的函數(shù)關(guān)系：UC=Ucosφ，因此可以利用Ucosφ的變化來近似地反映振蕩中心電壓的變化。

圖3 振蕩過程安裝點及振蕩中心電壓變化軌跡Fig.3 The curve of voltage in out-of-step oscillation

以母線指向線路為正方向，在正常運行期間，當(dāng)裝置安裝處電流方向為正時，Ucosφ的數(shù)值近似等于1，反之則為-1。失步期間振蕩中心電壓連續(xù)變化，并且過0。如圖4所示，以電流方向為正為例，在一個失步振蕩周期內(nèi)Ucosφ在1至-1區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化。利用該特征，將其變化范圍分為7個區(qū)，當(dāng)Ucosφ連續(xù)順序穿過相應(yīng)區(qū)域時，判定發(fā)生失步。

圖4 振蕩過程Ucosφ變化軌跡Fig.4 The curve of Ucosφ in out-of-step oscillation

Ucosφ判據(jù)利用失步期間振蕩中心電壓變化特征來判別失步，物理概念清晰，目前在南方電網(wǎng)大量應(yīng)用于分散獨立配置的失步解列裝置[9-12]。

3 十三·五期間云南電網(wǎng)失步特性

文中利用上述原理對2018年云南電網(wǎng)典型方式下4種多重嚴(yán)重故障進(jìn)行分析，總結(jié)故障類型與失步特性關(guān)系，歸納失步振蕩中心分布規(guī)律如下。

3.1 故障類型與失步特性

N-2故障穩(wěn)控系統(tǒng)拒動對電網(wǎng)沖擊最為嚴(yán)重，失步特性如表1所示。

表1 N-2故障穩(wěn)控拒動失步振蕩Tab.1 Out-of-step oscillation of fault type 1

N-1.5故障僅在某些電廠送出斷面和長距離薄弱斷面上造成局部電網(wǎng)失步,如表2所示。

表2 N-1.5故障后失步振蕩Tab.2 Out-of-step oscillation of fault type 2

三相故障單相開關(guān)拒動也僅在某些電廠送出斷面和潮流較重斷面上造成失步,如表3所示。

表3 開關(guān)拒動故障后失步振蕩Tab.3 Out-of-step oscillation of fault type 3

多回直流閉鎖后送端功率無法經(jīng)交流通道向外疏散導(dǎo)致失步，這種情況僅牛從直流的三極或四極閉鎖時才會出現(xiàn),如表4所示。

表4 多直流閉鎖后失步振蕩Tab.4 Out-of-step oscillation of fault type 4

3.2 區(qū)域失步特性

異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)滇西北、滇東北、滇中西南3個區(qū)域存在失步風(fēng)險，可以歸納為并列式斷面與長鏈?zhǔn)綌嗝?種類型。

表5 振蕩中心分區(qū)Tab.5 Out-of-step oscillation centerin different areas

并列式斷面由幾回輸電通道并列組成，每個通道上均會出現(xiàn)振蕩中心，但失步特征在某些情況下并非完全一致[13-14]；長鏈?zhǔn)綌嗝嬗上噜彽膸准壿旊娡ǖ来?lián)而成，振蕩中心可能在相鄰的通道上發(fā)生漂移[15-16]。

4 失步解列系統(tǒng)方案設(shè)計

并列式和長鏈?zhǔn)绞Р綌嗝婢啥嗷剌旊娋€路組成，云南電網(wǎng)目前配置的分散獨立式失步解列裝置，只能針對某一回線或兩回并行線進(jìn)行就地失步判別和解列，無法監(jiān)測整個斷面失步情況，很難相互配合準(zhǔn)確地完成整個失步斷面的協(xié)調(diào)一致解列。

結(jié)合多種失步判據(jù)構(gòu)成失步解列系統(tǒng)是目前解決這一難題的一種可行思路[17-18]。因此，文中以Ucosφ原理為主判據(jù)，以電壓比相原理為輔助判據(jù)，結(jié)合站間通信技術(shù)，針對異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)失步特性，提出適用于并列式和長鏈?zhǔn)绞Р綌嗝娴慕饬邢到y(tǒng)構(gòu)建方法，并設(shè)計了滇西北、滇中西南、滇東北共3個失步解列系統(tǒng)的方案與策略。

4.1 并列式斷面失步解列系統(tǒng)

以滇西北失步解列系統(tǒng)設(shè)計方案為例，闡述并列式斷面失步解列系統(tǒng)的構(gòu)建方法。如圖5所示，黃坪至仁和、大理至和平、鹿城共4回500 kV交流線路組成滇西北水電群外送并列式斷面。選擇在斷面兩側(cè)的黃坪、仁和、大理裝設(shè)失步解列子站，并在大理設(shè)置失步解列控制主站。

圖5 滇西北失步解列系統(tǒng)構(gòu)建方案Fig. 5 Construction scheme of out-of-step separation system in northwestern Yunnan

子站利用Ucosφ原理作為主判據(jù)就地判別失步，并將判斷結(jié)果上送主站。同時，各子站將母線電壓上總主站，在主站端進(jìn)行電壓比相計算，作為輔助判據(jù)。大理主站的電壓比相區(qū)間為黃坪至仁和區(qū)間及大理至仁和區(qū)間。當(dāng)各子站上送的Ucosφ失步判別結(jié)果均成立時，主站將進(jìn)一步檢測各比相區(qū)間計算結(jié)果是否均滿足比相原理的失步判別條件，如果滿足，則由主站向各子站發(fā)出指令，解列滇西北斷面4回500 kV交流線路。并列式斷面失步解列系統(tǒng)的一般性邏輯功能如圖6所示。

并列式斷面失步解列系統(tǒng)與現(xiàn)有分散獨立式失步解列裝置相比具有以下3點優(yōu)勢：

(1) 結(jié)合子站就地Ucosφ判據(jù)與主站跨區(qū)間電壓比相判據(jù)，可靠性高于利用單一判據(jù)的分散獨立式失步解列裝置；

(2) 在高可靠性的前提下，該系統(tǒng)被設(shè)計為在第一個失步周期即動作于解列，這與通常被設(shè)置為在第2或第3周期實施解列的裝置相比，減小了失步過程中對電網(wǎng)的沖擊，有利于解列后各獨立子電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；

(3) 能夠協(xié)調(diào)一致地解開并列斷面的各個輸電通道，消除了分散獨立式解列裝置動作有先后、易形成相互干擾、可能無法全部解開整個失步斷面的隱患。

圖6 并列式斷面失步解列系統(tǒng)功能Fig.6 The functional block diagram of out-of-step separation system for parallel sections

4.2 長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)

以滇中西南失步解列系統(tǒng)設(shè)計方案為例，闡述長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)的構(gòu)建方法。如圖7所示，滇中西南電網(wǎng)的德宏送出斷面由德宏至博尚、博尚至墨江雙回500 kV輸電線路組成。在失步過程中，振蕩中心有漂移現(xiàn)象，在德宏至博尚、博尚至墨江線路上交替出現(xiàn)。

針對這種特征，選擇在斷面沿線的德宏、博尚、墨江裝設(shè)失步解列子站，并在墨江設(shè)置失步解列控制主站。

子站功能與并列式斷面失步解列系統(tǒng)相同。主站端對長鏈?zhǔn)綌嗝娴母鞫芜M(jìn)行電壓比相計算，作為振蕩中心的定位判據(jù)。即對德宏至博尚、博尚至為振蕩中心的定位判據(jù)。即對德宏至博尚、博尚至墨江這2個比相區(qū)間分別進(jìn)行比相計算，以確定振蕩中心確切位置。當(dāng)某比相區(qū)間兩側(cè)子站就地Ucosφ判據(jù)均判出失步，且主站端比相結(jié)果也滿足失步條件時，解列該比相區(qū)間的輸電線路。即解列德宏至博尚或博尚至墨江500 kV線路。長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)的一般性邏輯功能如圖8所示。

圖7 滇中西南失步解列系統(tǒng)構(gòu)建方案Fig. 7 Construction scheme of out-of-step separation system in central and southwestern Yunnan

圖8 長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)功能Fig.8 The functional block diagram of out-of-step separation system for chain sections

長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)與現(xiàn)有分散獨立式失步解列裝置相比，除了具有雙判據(jù)可靠性高的優(yōu)勢之外，還實現(xiàn)了對振蕩中心的精確定位，解決了振蕩中心漂移情況下，分散獨立式失步解列裝置難以準(zhǔn)確持續(xù)地捕捉到失步振蕩特征而導(dǎo)致的誤動和拒動問題。

利用并列式與長鏈?zhǔn)綌嗝媸Р浇饬邢到y(tǒng)構(gòu)建方法，文中還設(shè)計了滇中西南解列系統(tǒng)中滇西、滇中斷面的失步解列功能，以及滇東北解列系統(tǒng)，這3個系統(tǒng)共同構(gòu)成了異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)失步解列第3道防線。

根據(jù)所設(shè)計的方案，以滇西北失步解列系統(tǒng)為例，仿真0 s時刻黃坪至仁和發(fā)生N-2故障且穩(wěn)控拒動時，系統(tǒng)發(fā)生失步如圖9所示，大理側(cè)Ucosφ判據(jù)和主站電壓比相判據(jù)均滿足動作條件，在第一個失步振蕩周期結(jié)束時，即仿真1.5 s時刻滇西北解列系統(tǒng)動作，將滇西北電網(wǎng)與云南主網(wǎng)分列運行。隨后，兩側(cè)異步運行系統(tǒng)相角差已無實際意義，而滇西北側(cè)Ucosφ數(shù)值恢復(fù)正常，兩側(cè)系統(tǒng)均各自保持同步穩(wěn)定運行。

圖9 滇西北失步解列系統(tǒng)動作仿真曲線Fig.9 Simulation curve of out-of-step separation system in northwestern Yunnan

5 結(jié)語

首先利用電壓比相原理和Ucosφ原理對異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)的失步特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)失步斷面主要位于滇西北、滇東北、滇中西南3個區(qū)域，并可歸納為并列式和長鏈?zhǔn)绞Р綌嗝?種類型。然后結(jié)合電壓比相判據(jù)和Ucosφ判據(jù)，提出了適用于并列式與長鏈?zhǔn)綌嗝娴氖Р浇饬邢到y(tǒng)構(gòu)建方法，并設(shè)計了滇西北、滇東北、滇中西南失步解列系統(tǒng)方案和策略，用于彌補(bǔ)云南電網(wǎng)現(xiàn)有分散獨立式失步解列裝置的不足，以適應(yīng)異步聯(lián)網(wǎng)后云南電網(wǎng)新的失步特性。文中所提出的失步解列系統(tǒng)方案，還需在多種方式、多種故障類型下進(jìn)一步驗證其有效性，方可付之于工程實施。

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