電力系統(tǒng)功角失穩(wěn)自動切機搜索方法研究

司大軍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心，昆明 650011）

0 前言

在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真分析過程中，會出現(xiàn)因故障而造成電力系統(tǒng)功角暫態(tài)失穩(wěn)（以下簡稱“功角失穩(wěn)”）的情況[1-2]。對于功角失穩(wěn)，可以在故障后及時切除部分發(fā)電機組（以下簡稱“切機”）恢復(fù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[3]。目前，尋找恢復(fù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的切機措施往往需要計算分析人員觀察發(fā)電機功角曲線，根據(jù)故障位置大概判斷失穩(wěn)機組所在區(qū)域，找到失穩(wěn)機組，并憑借經(jīng)驗（一般切除“遠(yuǎn)端”機組有利于提高暫態(tài)穩(wěn)定性，有利于解決功角失穩(wěn)問題）在失穩(wěn)機組中找到解決功角失穩(wěn)問題需要切除的機組群。在進行這項工作中存在以下問題：一是失穩(wěn)機組所在區(qū)域是計算分析人員大概判斷，并不精確；二是在找需要切除的機組群過程中，切除哪些機組主要依靠經(jīng)驗判斷，主觀因素對尋找切除機組群影響很大，往往離最優(yōu)切機結(jié)果較遠(yuǎn)；三是在尋找解決功角問題的切除機組群過程中需要不斷“試錯”，逐個地增加或減小切除機組群，尋求穩(wěn)定切機的邊界，計算工作量大，需要投入大量人力資源。

本文根據(jù)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定基本原理，通過識別失穩(wěn)斷面，準(zhǔn)確找到失穩(wěn)機組，再根據(jù)發(fā)電機機端電壓的相角大小判斷失穩(wěn)機組電氣距離的遠(yuǎn)近，優(yōu)先切除遠(yuǎn)端機組，力圖最少切除機組使得電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。形成了一套電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定自動切機搜索方法。

1 功角失穩(wěn)自動切機搜索原理

功角失穩(wěn)通常表現(xiàn)為兩個機群的功角差不斷增大，可以等值為圖1所示的雙機系統(tǒng)。其中等值發(fā)電機G1表示送端系統(tǒng)，等值發(fā)電機G2與負(fù)荷表示受端系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線路（L2）發(fā)生故障且保護動作切除后，發(fā)電機G1與G2的功角差將增大。當(dāng)功角差達(dá)到一定數(shù)值（如：180°）后，G1與G2將無法同步運行，而出現(xiàn)失步振蕩，即出現(xiàn)發(fā)電機功角失穩(wěn)。失步振蕩將產(chǎn)生一個振蕩中心，振蕩中心將位于送端與受端系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)元件（如圖1中的L1）上。在電力系統(tǒng)仿真中，可以通過觀測系統(tǒng)中最大發(fā)電機功角差來判斷是否功角穩(wěn)定，可以通過觀測元件兩側(cè)電壓角度差是否達(dá)到180°來判斷該元件是否處于振蕩中心，從而找到振蕩中心支路。在故障后，及時切除部分送端機組，減小送端過剩功率，可恢復(fù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定。那么切除哪些送端機組更有利于功角穩(wěn)定是一個需要研究的問題。

切機的目的是減小送、受端機組的功角差，因此切除在暫態(tài)過程中功角差最大的機組將更有利于功角穩(wěn)定。因此，可以將送端機組按發(fā)電機功角進行從大到小排序，并順序逐一切除，直到系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，就能夠得到針對功角失穩(wěn)切機的極小組合。大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真中機組眾多（多達(dá)上萬臺），不可能輸出所有機組的功角。經(jīng)過分析，發(fā)電機端電壓的相角與發(fā)電機功角有較好的一致性。為簡化切機優(yōu)化順序的確定，擬采故障前（潮流計算）發(fā)電機端電壓相角代替功角。

圖1 兩機等值系統(tǒng)示意圖

由以上分析可以得到功角失穩(wěn)自動切機搜索基本原理為：在電力系統(tǒng)仿真中出現(xiàn)功角失穩(wěn)后，找出振蕩中心所在支路，將所有振蕩中心支路視為一個斷面，并根據(jù)斷面潮流方向，將系統(tǒng)分為送端與受端兩個子系統(tǒng)。讀取送端子系統(tǒng)所有發(fā)電節(jié)點電壓相角、有功出力等信息，并將發(fā)電節(jié)點按電壓相角從大到小排序，相角大的機組（發(fā)電節(jié)點）將優(yōu)先切除。此后以一定步長逐漸增加被切除機量，直到系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定為止。

2 自動切機的實現(xiàn)方法

這里將以中國電科院開發(fā)的PSD-BPA軟件為例說明功角失穩(wěn)自動切機的實現(xiàn)方法。PSDBPA軟件主要有潮流計算與穩(wěn)定計算兩大功能。進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算時需要準(zhǔn)備潮流計算文件與穩(wěn)定計算文件。其中，潮流計算文件包含：發(fā)電機節(jié)點、負(fù)荷節(jié)點、線路、變壓器等電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息；穩(wěn)定計算文件包含：發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)電機暫態(tài)與次暫態(tài)電抗及相關(guān)時間常數(shù)、機組勵磁系統(tǒng)模型與參數(shù)、機組調(diào)速系統(tǒng)模型與參數(shù)、直流輸電控制系統(tǒng)參數(shù)，故障設(shè)置等暫態(tài)計算相關(guān)參數(shù)與設(shè)置。在進行暫態(tài)穩(wěn)定仿真時，需要先進行潮流計算，得到收斂、正確的基礎(chǔ)潮流，再基于基礎(chǔ)潮流進行故障的暫態(tài)穩(wěn)定仿真。PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定仿真能夠輸出機組最大功角差（用于判斷功角穩(wěn)定），功角失穩(wěn)后能夠輸出振蕩中心支路。自動切機的實現(xiàn)具體方法如下：

步驟1：在進行完暫態(tài)穩(wěn)定仿真后，從PSD-BPA仿真結(jié)果讀取暫態(tài)穩(wěn)定過程中最大功角差，當(dāng)最大功角差大于360°認(rèn)為功角失穩(wěn)。

步驟2：由于出現(xiàn)功角失穩(wěn)，必然伴隨電力系統(tǒng)失步振蕩，也必然出現(xiàn)振蕩中心支路。從PSD-BPA暫態(tài)仿真失穩(wěn)的計算結(jié)果中讀取振蕩中心所在支路，并將振蕩中心所在支路視為斷面（即斷開所有斷面支路后系統(tǒng)將分為兩個子系統(tǒng)）。

步驟3：斷開振蕩中心支路，電力系統(tǒng)將會分為兩個子系統(tǒng)，一個子系統(tǒng)向另外一個子系統(tǒng)輸送功率?？砂凑照袷幹行闹烦绷鞣较?，送出功率的系統(tǒng)稱為送端系統(tǒng)，接受功率的系統(tǒng)稱為受端系統(tǒng)。

步驟4：找到并讀取送端系統(tǒng)所有發(fā)電節(jié)點相角、發(fā)電出力等數(shù)據(jù)。

步驟5：將送端發(fā)電節(jié)點按相角從大到小進行排序，形成可切發(fā)電節(jié)點（發(fā)電機組）列表，用Pi表示各發(fā)電節(jié)點的有功出力，下標(biāo)i為自然數(shù)1…N，N為發(fā)電節(jié)點個數(shù)。所有可切機組容量令切機步長Pstep=min(Pi)，即Pstep為可切機組中出力最小的機組。令切機量Pt=Pstep。

步驟6：從可切發(fā)電機組列表中從前至后選取K個發(fā)電節(jié)點，使得即找到了切機容量Pt對應(yīng)的K個發(fā)電節(jié)點（發(fā)電機組）。

步驟7：在PSD-BPA穩(wěn)定計算文件中，加入切除K個發(fā)電節(jié)點（發(fā)電機組）的故障卡（LS卡），并再次進行暫態(tài)穩(wěn)定仿真。

步驟8：讀取暫態(tài)穩(wěn)定仿真結(jié)果，判斷是否存在功角穩(wěn)定，若功角失穩(wěn)，則令Pt=Pt+Pstep，增加切機量，轉(zhuǎn)入步驟5；若功角穩(wěn)定則進行下一步。

記錄Pt以及對應(yīng)的K個發(fā)電節(jié)點（發(fā)電機組）并輸出。

步驟10：結(jié)束。

3 自動切機搜索軟件

基于以上原理與方法，開發(fā)了基于PSDBPA的功角失穩(wěn)自動切機搜索軟件。并在云南電網(wǎng)分析研究中進行了應(yīng)用，現(xiàn)將應(yīng)用情況介紹如下。

云南某局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與潮流如圖2所示，500 kV太安變與黃坪變存在220 kV電磁環(huán)網(wǎng)。通過PSD-BPA軟件計算，當(dāng)500 kV太安-黃坪N-2后，大量潮流轉(zhuǎn)移到220 kV電網(wǎng)，造成了功角失穩(wěn)。自動切機搜索軟件讀取到振蕩中心位于220 kV麗江～羊龍?zhí)峨p回線路，并根據(jù)220 kV麗江～羊龍?zhí)峨p回線路潮流確定了送端系統(tǒng)及其機組，送端機組共5 667 MW。

圖2 云南某局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與潮流

切機步長選擇為送端機組總?cè)萘康?2.5%，即495 MW。第1次切機為495 MW，按超過495 MW且最接近的原則，將切除“龍開口1G”、“龍開口2G”機組，切除后功角依然失穩(wěn)，通過3次切機搜索，切除龍開口電站5臺機組與魯?shù)乩娬?臺機組后系統(tǒng)功角穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

1）提出了一種基于機端電壓相角的功角失穩(wěn)自動切機搜索方法。對功角失穩(wěn)機理進行了分析，根據(jù)發(fā)電機節(jié)點功角（相角）越大電氣距離越遠(yuǎn)的規(guī)律，提出了利用機端電壓相角對送端電網(wǎng)機組進行排序，優(yōu)先切除相角最大機組的自動切機搜索方法。

2）開發(fā)了基于PDS-BPA針對功角失穩(wěn)的自動切機搜索軟件，通過大量的仿真與測試，所開發(fā)的穩(wěn)定切機自動搜索軟件能夠適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用場景，具有廣泛的適應(yīng)性。