新能源接入電網(wǎng)振蕩中心快速識(shí)別方法

章玉杰,劉 緒,龐家彧,單 哲,劉艷梅

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司,江蘇 南京 211100;2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資分公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

0 引言

“雙碳”目標(biāo)下,構(gòu)建以風(fēng)電、光伏、水電等新能源為主體電源的新型電力系統(tǒng)成為主流趨勢(shì)[1]。隨著新能源接入電網(wǎng)的比例日益提高,其間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大的影響,尤其當(dāng)發(fā)生新能源大面積脫網(wǎng)和外送通道發(fā)生三相短路等嚴(yán)重故障時(shí),電網(wǎng)振蕩和暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題突出[2-4]。此外,新能源通過(guò)電力電子裝置大規(guī)模并網(wǎng),導(dǎo)致接入近區(qū)送端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為愈趨復(fù)雜,穩(wěn)定特性發(fā)生了巨大變化,保障電網(wǎng)安全的穩(wěn)定控制技術(shù)在以電力電子型設(shè)備為主要設(shè)備的新型電力系統(tǒng)中面臨新的需求和挑戰(zhàn)。

近年來(lái),隨著相量測(cè)量單元(PMS)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,挖掘廣域量測(cè)系統(tǒng)(WAMS)實(shí)時(shí)、全局電力大數(shù)據(jù)中反映系統(tǒng)穩(wěn)定特征的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制、距離保護(hù)振蕩閉鎖以及失步解列等技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[5-8]。文獻(xiàn)[8]通過(guò)研究系統(tǒng)振蕩中心聯(lián)絡(luò)斷面電壓與系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)功角的映射關(guān)系,提出了一種基于振蕩中心聯(lián)絡(luò)斷面受擾電壓軌跡時(shí)域積分的暫態(tài)失穩(wěn)判別方法。

基于理論研究成果,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)基于電網(wǎng)廣域測(cè)量大數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定控制技術(shù)在高比例新能源接入電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探索[9-12]。工程應(yīng)用結(jié)果表明,基于廣域響應(yīng)的穩(wěn)定控制技術(shù)能夠快速、有效地對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估;但同時(shí)也存在一定的不足,如依賴于能夠敏感反映系統(tǒng)穩(wěn)定特征的振蕩中心觀測(cè)點(diǎn)的選取,目前大多采用啟發(fā)式人工選點(diǎn)方式。因此,研究如何在電網(wǎng)受擾后快速辨識(shí)系統(tǒng)重要斷面振蕩中心、確定重點(diǎn)觀測(cè)站點(diǎn),對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定控制具有重要意義。

關(guān)于電力系統(tǒng)振蕩中心的研究,文獻(xiàn)[13]較早地揭示了其變化原因并研究了系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩時(shí)電壓公式及其變化特征,提出了基于Ucosφ的失步解列裝置啟動(dòng)判據(jù)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)基于本地量的失步解列裝置進(jìn)行了研究,提出了利用阻抗角的變化時(shí)序及功率變化過(guò)零點(diǎn)判斷振蕩中心是否在線路上的方法。文獻(xiàn)[15]指出傳統(tǒng)失步解列裝置存在的問(wèn)題,并提出了自適應(yīng)解列的必要性。振蕩中心在上述暫態(tài)失穩(wěn)判別和失步解列研究中具有重要地位,其運(yùn)行特征和原理也有較多的研究。文獻(xiàn)[16]提出了一種利用線路兩側(cè)電氣量頻率的差異識(shí)別系統(tǒng)振蕩中心的方法。文獻(xiàn)[17]研究了機(jī)電暫態(tài)仿真過(guò)程中振蕩中心的計(jì)算方法、振蕩中心的特點(diǎn)和變化規(guī)律。文獻(xiàn)[18]研究了線路阻抗不均導(dǎo)致振蕩中心偏移的規(guī)律。

本文在前期理論研究和工程應(yīng)用基礎(chǔ)上,進(jìn)一步充分利用廣域測(cè)量大數(shù)據(jù)的全局性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn),深入研究了電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后,系統(tǒng)振蕩中心的變化過(guò)程與機(jī)理,提出一種基于廣域量測(cè)大數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)振蕩中心快速識(shí)別方法。該方法無(wú)需考慮系統(tǒng)和線路阻抗,僅需少量觀測(cè)點(diǎn)電壓量測(cè)相量數(shù)據(jù)即可快速篩選并確定受擾后系統(tǒng)重要斷面(線路)振蕩中心位置。通過(guò)IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例和中國(guó)南方電網(wǎng)實(shí)際電網(wǎng)算例驗(yàn)證了本文方法的有效性,可為新能源接入電網(wǎng)受擾后系統(tǒng)振蕩薄弱斷面快速識(shí)別提供參考。

1 振蕩中心的定義

在電力系統(tǒng)振蕩過(guò)程中,通?？傻刃閮蓹C(jī)群振蕩模式,可近似采用如圖1所示的兩機(jī)等值系統(tǒng)來(lái)描述其電氣特性[13]。

圖1 等值兩機(jī)系統(tǒng)

圖1中,EM和EN分別為兩側(cè)等值機(jī)群電勢(shì),C點(diǎn)為系統(tǒng)振蕩中心。兩機(jī)等值系統(tǒng)電壓相量圖如圖2所示。

圖2 等值兩機(jī)系統(tǒng)電壓相量圖

兩機(jī)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí),在兩側(cè)電勢(shì)角度差逐漸變大的過(guò)程中,兩系統(tǒng)中間各點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生變化,最低點(diǎn)電壓逐漸降低,這個(gè)電壓最低點(diǎn)就是振蕩中心。因此,振蕩中心定義為電力系統(tǒng)振蕩過(guò)程中同調(diào)機(jī)群之間電壓幅值最小的點(diǎn),通常位于2個(gè)區(qū)域和地區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線上。

2 線路振蕩中心識(shí)別方法

振蕩中心是電壓幅值最小的點(diǎn),如果線路存在振蕩中心,則該點(diǎn)的電壓低于線路兩端母線電壓。圖3中電壓最低點(diǎn)落在線路外側(cè),即線路中不存在振蕩中心,圖4中電壓最低點(diǎn)落在線路中間,即線路中存在振蕩中心。

圖3 不存在最低電壓的線路電壓相量圖

圖4 存在最低電壓的線路電壓相量圖

如圖4所示,設(shè)線路兩側(cè)電壓相量為U1和U2,相角差為θ0,U1與U1-U2相角差為θ1,U2與U2-U1相角差為θ2。假定線路上各點(diǎn)電壓沿著U1和U2之間的連線均勻分布,則振蕩中心電壓為與該連線垂直的電壓,即圖4中的U0。

根據(jù)余弦定理得:

(1)

(2)

(3)

記|U1|=k|U2|,則有:

|U1-U2|2=(k2+1)|U2|2-2k|U2|2cosθ0

(4)

由相量圖可知,θ1和θ2均為銳角,于是有:

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5),可得線路存在振蕩中心的充要條件判據(jù)為

(6)

記振蕩中心距離線路一側(cè)距離與線路長(zhǎng)度之比為ρ,則:

(7)

振蕩中心電壓幅值為

(8)

3 基于廣域信息的振蕩中心識(shí)別

通過(guò)分析推導(dǎo)可知,系統(tǒng)振蕩中心存在于1條或幾條關(guān)鍵線路上。可通過(guò)廣域量測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)線路兩側(cè)的電壓幅值和相角信息對(duì)系統(tǒng)振蕩中心進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤,實(shí)現(xiàn)步驟如下。

a. 選擇觀測(cè)線路,對(duì)指定線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并獲取其兩側(cè)母線電壓幅值和相角信息;

b. 利用式(6)判據(jù)對(duì)觀測(cè)線路進(jìn)行振蕩中心識(shí)別,記錄線路振蕩次數(shù)和振蕩中心位置;

c. 根據(jù)線路振蕩中心電壓和振蕩次數(shù)篩選主振蕩線路,確定系統(tǒng)的振蕩中心。

具體算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 振蕩中心識(shí)別流程

4 算例分析

4.1 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例

IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,采用PSD-BPA軟件時(shí)域仿真結(jié)果模擬實(shí)時(shí)廣域量測(cè)數(shù)據(jù),仿真步長(zhǎng)為0.02 s,仿真時(shí)長(zhǎng)為6 s,觀測(cè)線路34條。

圖6 IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

算例1:線路4-14母線4側(cè)0.18 s發(fā)生三相短路故障,0.4 s切除線路(系統(tǒng)穩(wěn)定)。

共有24條線路存在振蕩中心,選取了其中3條振蕩線路,線路排序如表1所示。線路8-9振蕩次數(shù)最多、電壓最低。

表1 線路4-14三相短路故障振蕩線路統(tǒng)計(jì)

線路8-9和線路5-6振蕩中心位置和電壓幅值變化曲線如圖7所示。

(a)線路8-9

算例2:線路3-18母線3側(cè)0.18 s發(fā)生三相短路故障,0.4 s切除線路(系統(tǒng)失穩(wěn))。

共有21條線路存在振蕩中心,選取了其中3條振蕩線路,線路排序如表2所示。

表2 線路3-18三相短路故障振蕩線路統(tǒng)計(jì)

線路8-9和線路1-2振蕩中心位置和電壓幅值變化曲線如圖8所示。線路1-2、8-9為重要輸電通道,線路8-9發(fā)生三相短路后,發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致線路1-2和線路8-9功率振蕩。

(a)線路8-9

4.2 南方電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)算例

以貴州六盤水電網(wǎng)為研究對(duì)象,進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法有效性。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖9所示,總裝機(jī)約2225 MW,水電風(fēng)電等新能源裝機(jī)約640 MW(占比約28.7%),負(fù)荷水平在790～1200 MW,電力外送功率較大,送端電網(wǎng)特征明顯。當(dāng)重要輸電通道發(fā)生三相短路故障切除后,系統(tǒng)潮流短時(shí)間內(nèi)大量轉(zhuǎn)移,易發(fā)生暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。采用PSD-BPA軟件時(shí)域仿真結(jié)果模擬廣域測(cè)量數(shù)據(jù),運(yùn)行方式為某年豐大方式。仿真步長(zhǎng)為0.02 s,仿真時(shí)長(zhǎng)為4 s,觀測(cè)線路16條。

圖9 六盤水電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

算例1:盤縣-雙龍線(盤縣電廠側(cè))0.18 s三相短路故障,0.3 s切除線路(穩(wěn)定)。

共有11條線路出現(xiàn)振蕩,選取了其中3條振蕩線路,線路排序如表3所示。

表3 盤雙線三相短路故障振蕩線路統(tǒng)計(jì)

線路盤縣-臺(tái)沙和威寧-水城振蕩中心位置和電壓幅值變化曲線如圖10所示。

(a)盤縣-臺(tái)沙

盤臺(tái)和盤雙線作為盤縣電廠外送電力通道,當(dāng)盤雙線路發(fā)生三相短路故障切除后,外送功率轉(zhuǎn)移至盤臺(tái)線,發(fā)生明顯的功率振蕩現(xiàn)象。

算例2:盤縣-臺(tái)沙線(盤縣電廠側(cè))0.18 s三相短路故障,0.3 s切除線路(失穩(wěn))。

共有12條線路出現(xiàn)振蕩,選取了其中3條振蕩線路,線路排序如表4所示。

表4 盤臺(tái)線三相短路故障振蕩線路統(tǒng)計(jì)

線路六枝-雙龍和盤縣-雙龍振蕩中心位置和電壓幅值變化曲線如圖11所示。當(dāng)盤臺(tái)線故障切除后,盤縣電廠外送功率轉(zhuǎn)移至盤雙線、六雙線,超出線路功率限額,系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn),振蕩明顯。

(a)六枝-雙龍

4.3 算例小結(jié)

根據(jù)算例分析,電網(wǎng)重要輸電通道發(fā)生三相短路故障等大擾動(dòng)后,重要斷面或線路存在明顯振蕩,其振蕩中心的分布和變化規(guī)律呈現(xiàn)如下特點(diǎn):

a. 在系統(tǒng)振蕩過(guò)程中,部分線路會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩特征,可選擇出現(xiàn)振蕩中心次數(shù)較多、電壓較低的線路作為重點(diǎn)觀測(cè)線路;

b. 系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),線路出現(xiàn)振蕩中心次數(shù)較少,振蕩中心電壓也較高;系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí),線路出現(xiàn)振蕩中心次數(shù)較多,且振蕩中心電壓較低,接近于零;

c. 振蕩中心電壓的高低反映了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定狀態(tài),振蕩中心電壓越低,系統(tǒng)的穩(wěn)定水平越差;

d. 可根據(jù)振蕩中心聯(lián)絡(luò)斷面電氣量進(jìn)行進(jìn)一步暫態(tài)穩(wěn)定性判定,避免對(duì)全網(wǎng)數(shù)據(jù)的依賴。

5 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了新能源接入電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障后、暫態(tài)過(guò)程中重要斷面存在振蕩中心的識(shí)別判據(jù)、振蕩中心的特點(diǎn)以及振蕩中心的位置變化規(guī)律。利用廣域測(cè)量大數(shù)據(jù)全局性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn),提出了一種基于廣域測(cè)量大數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)振蕩中心識(shí)別方法,該方法能夠?yàn)榛陔娏Υ髷?shù)據(jù)的新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析確定系統(tǒng)振蕩中心。通過(guò)IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和中國(guó)南方電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)算例分析,驗(yàn)證了本文所提方法的有效性及實(shí)用性。