以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

摘 要：伴隨著社會的進(jìn)一步發(fā)展，對用電量和用電質(zhì)量的要求也隨之提升，這就對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。但電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，受到多種因素的影響，常出現(xiàn)大型停電事故，給社會生產(chǎn)、人們的生活帶來了嚴(yán)重的影響。同時(shí)，在大型停電事故的背后，也暴露出我國傳統(tǒng)的電力運(yùn)行安全控制系統(tǒng)的“三道防線”的失效。在此基礎(chǔ)上，伴隨計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的超級防線——以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。本論文以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)為研究切入點(diǎn)，并結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，對其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);暫態(tài)穩(wěn)定;廣域響應(yīng);控制技術(shù);可視化評估

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.183

電力是一種重要的能源，是社會生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)重要保障。電網(wǎng)是電力能源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有優(yōu)化電力資源、提高電力資源配置效率的作用，電網(wǎng)覆蓋率越廣、電網(wǎng)越穩(wěn)定，越有利于社會生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但電網(wǎng)在運(yùn)行的過程中，不可避免地受到多種因素的影響，尤其伴隨著新能源發(fā)電、直流輸電、電力電子裝置的出現(xiàn)，給電網(wǎng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行帶來了更大的挑戰(zhàn)。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定與其穩(wěn)定運(yùn)行的“三道防線”

1.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定主要包括電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定兩部分。

電壓穩(wěn)定：主要是指電力系統(tǒng)按照初始的狀態(tài)在運(yùn)行的過程中，即便是受到了一定的擾動，整個(gè)電網(wǎng)的全部母線仍然能夠按照初始的狀態(tài)，保持穩(wěn)定的電力。電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定與否，主要取決于電網(wǎng)的負(fù)荷需求、電力系統(tǒng)向負(fù)荷供電兩者之間而形成的一種保持平衡的能力。在電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，如果伴隨著電流的增大，系統(tǒng)向負(fù)荷供電提供的功率也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢時(shí)，則電網(wǎng)的電壓會保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下;反之，如果伴隨著電流的增大，系統(tǒng)向負(fù)荷供電提供的功率沒有出現(xiàn)變化，就會導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的電壓處于失衡的狀態(tài)[1]。

功角穩(wěn)定：主要是指整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部的同步發(fā)電機(jī)，即便在受到了一定程度擾動的沖擊之后，仍然可以保持初始狀態(tài)下同步運(yùn)行的能力。否則，一旦保持同步運(yùn)行的發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了功角失衡的現(xiàn)象，就會對正在運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)產(chǎn)生影響，使其轉(zhuǎn)子之間的相對角度呈現(xiàn)出逐漸擴(kuò)大現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其無法同步運(yùn)行。如此一來，就會導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓、功率出現(xiàn)震蕩，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。

1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的“三道防線”

為了進(jìn)一步確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，我國大型電網(wǎng)全部配置了特定的繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)等，被稱之為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的“三道防線”，以確保電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，即便受到擾動還能保證安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

第一道防線：由性能良好的繼電保護(hù)裝置構(gòu)成。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，該防線主要負(fù)責(zé)對出現(xiàn)故障的元件進(jìn)行快速、精準(zhǔn)和可靠的切除，力求將故障控制在最小的范圍之內(nèi)。

第二道防線：由安全穩(wěn)定控制裝置構(gòu)成。該防線在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，主要是通過必須要的切機(jī)、切負(fù)荷、解列、直流調(diào)制等措施，確保整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第三道防線：由自動裝置、調(diào)度運(yùn)行人員構(gòu)成，其中自動裝置主要包含失步解列、高頻切機(jī)、低壓切負(fù)荷、低頻切負(fù)荷等。該防線主要是在電力系統(tǒng)運(yùn)行失去穩(wěn)定之后，盡可能將損失縮小在最小的范圍之內(nèi)，預(yù)防出現(xiàn)大面積停電的現(xiàn)象[2]。

但是，電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的“三道防線”在應(yīng)用的過程中，暴露出大量的弊端。如：繼電保護(hù)裝置故障，常常是導(dǎo)致電力系統(tǒng)停電的主要原因;安全穩(wěn)定控制裝置在使用的過程中，受到電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件的仿真能力、仿真精度等影響，存在一定的失效風(fēng)險(xiǎn);第三道防線在防護(hù)過程中，必須要依賴于第二道防線中仿真計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)定位。但由于電力系統(tǒng)破壞的形式、地點(diǎn)不同存在一定的變化性，仿真計(jì)算機(jī)很難精準(zhǔn)地將其找出，從而導(dǎo)致第三道防線無法發(fā)揮其相應(yīng)的預(yù)防功效[3]。

2 基于廣域響應(yīng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)

近年，隨著信息科技技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相量測量單元（PMU）在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行中得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得構(gòu)建實(shí)施的廣域安全防御控制體系成為可能。在這種背景下，利用廣域量測系統(tǒng)（WAMS）進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，并已經(jīng)開始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。

具體來說，基于廣域響應(yīng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)，主要包括包括以下五方面：

2.1 廣域動態(tài)特征信息提取技術(shù)

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，廣域測量信息量巨大，且具有明顯的全局性、實(shí)時(shí)性和連續(xù)性的特點(diǎn)?；趶V域響應(yīng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)中，廣域動態(tài)特征信息提取技術(shù)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，只有從海量的測量數(shù)據(jù)中將影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的信息進(jìn)行提取，才能對其進(jìn)行判斷。在具體提取的過程中，必須要充分結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，并以快速安全穩(wěn)定判斷的相關(guān)要求為準(zhǔn)則，將必要的影響系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。如：功角穩(wěn)定判斷功率的判定過程中，應(yīng)對功角特性曲線進(jìn)行提取;對發(fā)電機(jī)動能判斷的過程中，應(yīng)對功角曲線進(jìn)行提取;對角速度判斷的過程中，要對功角相對軌跡進(jìn)行提取。

2.2 受擾動軌跡預(yù)測技術(shù)

在電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的過程中，通過有效的預(yù)測技術(shù)，對發(fā)電機(jī)功角等系統(tǒng)特征受到擾動后軌跡進(jìn)行快速的預(yù)測，是對電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性判別的重要途徑。在具體辨別預(yù)測的過程中，主要是以電網(wǎng)系統(tǒng)特征以往測量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立的特定的數(shù)學(xué)模型，可以對系統(tǒng)特征未來的受繞軌跡進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，并據(jù)此作為電力系統(tǒng)失穩(wěn)判別的依據(jù)[4]。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性判別技術(shù)

基于廣域?yàn)榛A(chǔ)上的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)中的系統(tǒng)穩(wěn)定判別技術(shù)，與以往的“三道防線”技術(shù)有所不同，在對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行判別的過程中，更加快速、可靠，并且不再完全依賴于方針計(jì)算的安全穩(wěn)定判別方法。在基于廣域?yàn)榛A(chǔ)上的系統(tǒng)穩(wěn)定判別技術(shù)中，要以廣域?qū)崟r(shí)測量信息為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對電力系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、振動中心的安全穩(wěn)定等進(jìn)行實(shí)時(shí)判別。在具體判別的過程中，主要是根據(jù)不同的安全穩(wěn)定分析方法，根據(jù)有效的安全穩(wěn)定判據(jù)，直接使用實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性識別。

2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)

基于廣域?yàn)榛A(chǔ)上的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)是建立在準(zhǔn)確預(yù)測、穩(wěn)定判別的基礎(chǔ)上。當(dāng)預(yù)測系統(tǒng)即將出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象時(shí)，可及時(shí)采取有效的安全穩(wěn)定控制措施，以有效保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常，基于廣域相應(yīng)的穩(wěn)定控制技術(shù)中涉及到穩(wěn)定控制措施的量化分析和穩(wěn)定措施優(yōu)化兩方面。在具體實(shí)施控制措施的過程中，要切實(shí)做好連續(xù)監(jiān)視、判斷、控制，一旦發(fā)現(xiàn)控制措施實(shí)施的控制量出現(xiàn)不足的現(xiàn)象，或者穩(wěn)定性質(zhì)出現(xiàn)改變，必須要對現(xiàn)有的穩(wěn)定控制措施進(jìn)行優(yōu)化，可通過追加穩(wěn)定控制措施、采取新的控制措施等方式進(jìn)行。

2.5 失步解列技術(shù)

基于廣域?yàn)榛A(chǔ)上的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制過程中，一旦電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性遭到破壞，必須要盡快采取相應(yīng)的控制。否則，就會導(dǎo)致局部故障進(jìn)行擴(kuò)大，影響整個(gè)系統(tǒng)。因此，必須要通過失步解列技術(shù)和高速通信手段，對電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)、主動和準(zhǔn)確的控制，從而將故障進(jìn)行解列成各個(gè)故障孤島，將損失降低到最小，最大限度維持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]。

3 以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)在電網(wǎng)工程中的實(shí)際應(yīng)用

目前，以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)已經(jīng)在我國貴州六盤水電網(wǎng)中得到了應(yīng)用。在具體應(yīng)用的過程中，以2014年豐大極限方式為基礎(chǔ)，搭建了六盤水電網(wǎng)RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)接入機(jī)組6臺，220kV母線12條，并通過3塊FNET，利用C37.118規(guī)約與原型系統(tǒng)相互連接。

在該RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)下，通過相關(guān)參數(shù)定值的設(shè)置，對不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、不同門檻值設(shè)置、不同水火風(fēng)電處理、非對稱故障情況下的暫穩(wěn)判別技術(shù)的有效性進(jìn)行了分析，確定了暫穩(wěn)判別技術(shù)的準(zhǔn)確性、快速性和可行性，已經(jīng)成為“以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)”的示范工程，成功地確保了整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

3.2 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要功能模塊分析

在該系統(tǒng)中，主要包含了觀測站點(diǎn)選擇、發(fā)電機(jī)功角預(yù)測、基于響應(yīng)的暫穩(wěn)判別、緊急切機(jī)控制和可視化展示模塊。

觀測站點(diǎn)選擇模塊：鑒于電力系統(tǒng)廣域信息實(shí)時(shí)測量的巨大性，在應(yīng)用該系統(tǒng)的過程中，必須要精準(zhǔn)確定電網(wǎng)受繞特征最敏感的點(diǎn)，并對此進(jìn)行觀測，以實(shí)現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定性的判別。因此，在該系統(tǒng)中，將發(fā)電機(jī)和母線觀測點(diǎn)設(shè)計(jì)為選擇模塊，從而使得在具體觀測的過程中，可選擇不同的觀測方案，以實(shí)現(xiàn)對暫穩(wěn)判別技術(shù)的準(zhǔn)確性和有效性進(jìn)行分析。

發(fā)電機(jī)功角預(yù)測模塊：該模塊主要是電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)功角受擾動的軌跡進(jìn)行快速預(yù)測，這是對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行快速識別的基礎(chǔ)。在該系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)功角預(yù)測模塊包括多種預(yù)測技術(shù)，如：自回歸預(yù)測技術(shù)、多項(xiàng)式預(yù)測技術(shù)、三角函數(shù)預(yù)測技術(shù)、灰色模型的預(yù)測技術(shù)等。同時(shí)，在預(yù)測的基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)功角預(yù)測曲線進(jìn)行了實(shí)時(shí)刷新和展示，使得電力系統(tǒng)中相關(guān)的工作人員可以根據(jù)預(yù)測曲線，直觀地觀察、分析出預(yù)測效果。另一方面，在該系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)功角的多種預(yù)測技術(shù)、模型階數(shù)、數(shù)據(jù)創(chuàng)、預(yù)測窗時(shí)長等因素均可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定，并且在預(yù)測的過程中，根據(jù)不同的需求，選擇不同的功角預(yù)測與暫穩(wěn)判別技術(shù)[7]。

基于響應(yīng)的暫穩(wěn)判別模塊：在六盤水電網(wǎng)RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，則主要采用了角速度門檻值判別技術(shù)、最大功角差判別技術(shù)、同調(diào)群間隙角判別技術(shù)和電壓軌跡積分判別技術(shù)。

其中，角速度門檻值判別技術(shù)主要是因電力系統(tǒng)中各個(gè)觀測發(fā)電機(jī)受繞后的功角為輸入數(shù)據(jù)，利用差分運(yùn)算的方式得到其角速度，并對系統(tǒng)慣量中心的角速度進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)其結(jié)果超過預(yù)設(shè)門檻值的時(shí)候，則可以判定整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn);最大功角差判別技術(shù)則是以發(fā)電機(jī)受到后的功角為輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)功角值最大的發(fā)電機(jī)與功角最小組發(fā)電機(jī)之間的差大于預(yù)設(shè)門檻后，則可判定系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn);同調(diào)群間隙角判別技術(shù)則以受繞后功角為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，當(dāng)兩群慣量中心公交差大于預(yù)設(shè)門檻，則可判定系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn);電壓軌跡積分判別技術(shù)則是以母線三相電壓幅值作為輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中當(dāng)前時(shí)刻電壓積分值超過預(yù)設(shè)門檻時(shí)，則可判定為暫態(tài)失穩(wěn)。

緊急切機(jī)控制模塊：該模塊主要是針對電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)之后，而采取的緊急控制策略。該模塊主要是對大量的故障進(jìn)行仿真分析，并針對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的不同故障，選擇不同的緊急控制方案。

可視化展示模塊：該模塊主要是為了相關(guān)工作人員對電網(wǎng)系統(tǒng)暫穩(wěn)判別的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一查看，并為后期的相關(guān)研究、整理做基礎(chǔ)?？梢暬故灸K，利用曲線、報(bào)表的形式，對該系統(tǒng)中各個(gè)判別技術(shù)的計(jì)算進(jìn)行進(jìn)行了詳細(xì)、直觀的呈現(xiàn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，伴隨著社會的進(jìn)一步發(fā)展，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性要求也越來越高。在這種情況下，以廣域響應(yīng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)開始得到重視和應(yīng)用，對于提高電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。但該技術(shù)仍屬于一種前瞻性研究，在應(yīng)用的過程中，還必須要對其他影響因素進(jìn)行綜合考慮。

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作者簡介：張倩（1984-），女，陜西潼關(guān)人，學(xué)士，講師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化等。