基于執(zhí)行可控孤島解列防止迫近的大面積停電研究

邵紅博　劉永民　劉萬勛　苗福豐　王圓圓

摘 要：隨著分布式新能源的大量接入及商業(yè)利益的驅(qū)使，輸配電網(wǎng)長期處于重載運行狀態(tài)，大面積停電事件席卷全球各個國家。通常情況下，當電力系統(tǒng)廣泛采用的三道防線（預(yù)防控制、緊急控制和糾正控制）失效時，大停電事故就會迫近發(fā)生。由此，可控孤島解列被提出，作為最后訴諸的方案來阻止迫近的大范圍停電事故?；诖耍疚闹饕接懣煽毓聧u解列方案，并研究何時執(zhí)行可控孤島解列這個關(guān)鍵性問題。此外，由于級聯(lián)斷路是發(fā)生大停電事故的本質(zhì)特征，為了能在復(fù)雜的電力系統(tǒng)動態(tài)仿真環(huán)境中模擬級聯(lián)斷路現(xiàn)象，也對電力系統(tǒng)網(wǎng)架和發(fā)電機保護系統(tǒng)進行建模。

關(guān)鍵詞：大停電事故;級聯(lián)斷路;可控孤島解列

中圖分類號：TM712文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0139-04

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目前，三道防線方案[1]已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以防止系統(tǒng)停電事故發(fā)生。然而，在級聯(lián)斷路前期階段，線路脫網(wǎng)速度比較緩慢，預(yù)防控制偶爾會因為二次保護系統(tǒng)的誤動或者拒動而失效。在級聯(lián)斷路后期，線路脫網(wǎng)速度較快，緊急控制往往會由于復(fù)雜電網(wǎng)線路之間或者線路與發(fā)電機之間的保護缺少整合和協(xié)調(diào)配合而失效。在系統(tǒng)振蕩階段，由于低壓切負荷、低頻切負荷以及失步保護效果不佳，糾正控制起到的作用也較小。當三道防線所有的控制措施都用盡且無效時，迫近的大停電事故就會到來。例如，2003年的美國東北部大停電及意大利大停電。在這種情況下，可控孤島解列被提出，當其他常規(guī)方法失效時，作為最后訴諸的方案來阻止大范圍停電事故的發(fā)生[2-4]。

1 可控孤島解列

1.1 選擇適當?shù)臅r間執(zhí)行可控孤島解列

在適當?shù)臅r間執(zhí)行可控孤島解列至關(guān)重要，因為需要對潛在的誤撤銷和誤警報進行處理。誤撤銷是指孤島解列過晚，存在潛在不穩(wěn)定性的電網(wǎng)系統(tǒng)仍然被允許運行，本可以恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)，卻導(dǎo)致不可控的級聯(lián)斷路，從而引發(fā)大停電事故。誤警報是指孤島解列過早，原本就處在穩(wěn)定運行狀態(tài)的系統(tǒng)過早地被解列成幾部分，導(dǎo)致不必要的系統(tǒng)擾動和經(jīng)濟損失。因此，為了降低大停電事故的風險和經(jīng)濟損失，找到系統(tǒng)由擾動進化為大停電早期可以識別的信號至關(guān)重要。在之前的研究中，基于對電力系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的訓練決策樹來決定何時解列，但決策樹方法不靈活，只能針對特定訓練過的系統(tǒng)，且需要根據(jù)電網(wǎng)的變化而不斷更新。另外，基于歷史大停電事故提取的數(shù)據(jù)來決定新發(fā)生的級聯(lián)斷路是否會發(fā)生不可控的大停電事故，然而用基于概率論的方法在實時的電網(wǎng)運行中決定大停電事故仍存在較大風險。

1.2 優(yōu)化孤島解列方案

另外一個關(guān)鍵問題是在電網(wǎng)網(wǎng)架的什么位置優(yōu)化孤島解列方案，確保在解列后新組成的孤島中基本實現(xiàn)電力供需平衡。由于孤島解列對系統(tǒng)來說是相當大的一個擾動，還需要評估解列本身對系統(tǒng)和其他孤島造成的穩(wěn)定問題。圖論的方法和潮流跟蹤的方法在優(yōu)化孤島解列方案中被提出，用于識別劃分孤島，確保孤島在解列前后能夠穩(wěn)定運行。

1.3 解列后持續(xù)維持孤島內(nèi)供電的可靠性

系統(tǒng)解列后，可以預(yù)見，新形成的孤島的安全裕度非常小，需要實施相應(yīng)的控制措施以維持島內(nèi)電力平衡，如切負荷或者減發(fā)電出力。這些預(yù)防性的控制方法要在解列孤島之前就有預(yù)案，以能及時準確地響應(yīng)孤島解列后給系統(tǒng)帶來的擾動。

致整個系統(tǒng)的擾動，造成多條線路過負荷。隨后，線路14—15、9—39、3—18、17—27、16—24、1—2、4—5和14—15均過載并且相繼被保護動作而脫網(wǎng)。

圖4呈現(xiàn)出在級聯(lián)斷路過程中線路潮流的變化情況，對于在同一傳輸通道上的相鄰線路，一條線路脫網(wǎng)，其線路潮流將被轉(zhuǎn)移到相鄰線路，繼而造成其他線路過負荷并相繼脫網(wǎng)，直到不可控大停電發(fā)生。圖5展現(xiàn)了線路脫網(wǎng)對電壓崩潰的影響。多條傳輸線路的脫網(wǎng)意味著系統(tǒng)上的無功功率無法傳輸?shù)酱筘摵傻貐^(qū)，加上就地無功補償如果不能滿足當?shù)卮筘摵?，電壓將降低直至電壓失穩(wěn)而崩潰。圖6是線路26—29被距離保護切掉時線路上電壓和電流的變化。從圖6可以看出，電流的增大和電壓的下降導(dǎo)致距離保護測量到高電流低電壓信號，進入到距離保護動作的整定值，繼而繼續(xù)加快級聯(lián)斷路過程。

4 結(jié)語

建模仿真了系統(tǒng)線路和發(fā)電機的保護設(shè)備，研究級聯(lián)斷路在大停電過程中的演化過程，探索大停電過程中可控孤島解列的方案以阻止迫近的大停電事故。接下來，需要進一步研究找到級聯(lián)斷路過程中的系統(tǒng)指示信號，表明系統(tǒng)崩潰之前的不可逆節(jié)點，隨之觸發(fā)可控孤島解列方案，進一步回答何時解列這一關(guān)鍵問題。

參考文獻：

[1] Xue Y. Towards Space-time Cooperative Defence Framework against Blackouts in China[C]// Power Engineering Society General Meeting. IEEE，2007.

[2] Senroy N， Heydt G T. A Conceptual Framework for the Controlled Islanding of Interconnected Power Systems[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2015（2）：1005-1006.

[3] Senroy N， Heydt G T，Vittal V. Decision Tree Assisted Controlled Islanding[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2006（4）：1790-1797.

[4] Mei K， Rovnyak S M. Response-based Decision Trees to Trigger One-shot Stabilizing Control[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2004（1）：531-537.