王維洲，劉茜，但揚清，王耿，劉文穎

(1．國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州730050;2．國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京100088; 3．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)連鎖故障預(yù)防控制策略研究

王維洲1，劉茜2，但揚清3，王耿1，劉文穎3

(1．國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州730050;2．國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京100088; 3．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

本文著眼于大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)連鎖故障預(yù)防控制策略研究，在深入分析大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)連鎖故障影響機理的基礎(chǔ)上，提出了適應(yīng)含大規(guī)模新能源的電網(wǎng)連鎖故障預(yù)防控制策略。該控制策略采用直流靈敏度法甄選出高危線路，并計算出發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)矩陣，繼而采用反向等量配對法，根據(jù)發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)調(diào)整發(fā)電機組的出力，使得高危線路的負(fù)載率得到有效下降，同時保證其他線路負(fù)載率維持在重載閾值以下，改善潮流分布，起到預(yù)防連鎖故障發(fā)生的作用。最后通過甘肅酒泉地區(qū)電網(wǎng)的仿真分析，進(jìn)一步揭示了大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)連鎖故障的影響機理;驗證了本文提出的連鎖故障控制策略的有效性。

電網(wǎng)連鎖故障;大規(guī)模新能源接入;潮流熵;直流靈敏度;反向等量配對原則

1 引言

隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度的加深和大規(guī)模新能源的接入，在取得較大經(jīng)濟(jì)效益的同時，電網(wǎng)的整體安全性卻受到了嚴(yán)重的影響。大規(guī)模新能源的隨機性和波動性對局部電網(wǎng)的某些故障可能起到推波助瀾的作用，從而誘發(fā)連鎖故障，導(dǎo)致大面積停電事故甚至是電網(wǎng)的崩潰。因此，如何預(yù)防連鎖故障的發(fā)生成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的研究課題。

但是，目前關(guān)于連鎖故障的預(yù)防控制策略的研究，大部分都基于傳統(tǒng)電網(wǎng)(不含新能源)進(jìn)行。然而，近年來隨著節(jié)能減排和氣候變化壓力的增大，各國開始著力發(fā)展新能源，其中風(fēng)電尤其受到青睞［1］。由于新能源具有波動性和隨機性的特點，其對連鎖故障的影響機理尚不明確，對基于大規(guī)模新能源接入的復(fù)雜電網(wǎng)的連鎖故障預(yù)防控制方法進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本文從潮流熵的角度考察了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運行對連鎖故障的影響;基于風(fēng)電出力特性提出了適合含大規(guī)模風(fēng)電的電網(wǎng)連鎖故障預(yù)防控制策略，旨在改善潮流分布，抑制含新能源電網(wǎng)連鎖過載效應(yīng)的出現(xiàn)，并最終降低連鎖故障發(fā)生的可能性。

2 風(fēng)電接入對連鎖故障的影響機理

2.1 連鎖故障發(fā)展過程

典型的由連鎖故障引發(fā)的電力系統(tǒng)崩潰事故，一般分為連續(xù)故障階段、快速連鎖故障階段、停電階段和恢復(fù)階段四個階段［2-4］。在整個演變過程中，系統(tǒng)在連續(xù)故障階段時仍處于一種可控狀態(tài)，而且相繼故障之間的時間間隔較長，是連鎖故障預(yù)警及控制的關(guān)鍵階段。如果能在該階段，快速篩選出連鎖故障的高危線路并采取行之有效的控制措施，就可以防止連鎖故障的發(fā)生。

2.2 連鎖故障與潮流熵

連鎖故障的發(fā)展過程中，潮流分布的變化是關(guān)鍵因素。正是某一元件的故障導(dǎo)致潮流大范圍轉(zhuǎn)移，致使其他元件的潮流發(fā)生改變，潮流分布隨之改變，若元件的潮流增加至其動作區(qū)域內(nèi)，則會導(dǎo)致這些元件的相繼跳閘。研究表明，潮流分布均勻的電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險遠(yuǎn)小于潮流分布不均勻的電網(wǎng)［5-7］。潮流分布的均勻與否可由潮流熵［5］來描述。

式中，Nl為線路數(shù)。

給定常數(shù)序列U=［0，u，2u，…，ku，(k+1)u，…，nu］，nu=100%，對于過載線路負(fù)載率不再細(xì)分，均置于(nu，(n+1)u］區(qū)間。用lk表示負(fù)載率處于(ku，(k+1)u］區(qū)間內(nèi)的線路條數(shù)，則線路負(fù)載率處于(ku，(k+1)u］區(qū)間的概率p(k)為:

由熵定義與式(2)得電力網(wǎng)絡(luò)潮流熵HP為:

式中，C為熵權(quán)值，一般取ln10。

根據(jù)潮流熵的定義可知，當(dāng)電網(wǎng)潮流分布完全均勻(所有線路負(fù)載率均相等)時，線路負(fù)載率處于某一區(qū)間的概率為1，其他則為零，此時潮流熵為零，為最小值;當(dāng)電網(wǎng)潮流分布完全不均勻(各線路負(fù)載率互不相等)時，潮流熵則會偏大。因此連鎖故障與潮流熵的關(guān)系可以敘述如下:電網(wǎng)潮流熵越小，發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險也越小。

2.3 風(fēng)電接入對連鎖故障的影響機理

一般來說，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，常規(guī)電源的出力可基本維持恒定不變，不會引起大范圍的功率波動，繼而引起潮流熵的大范圍波動。而大規(guī)模風(fēng)電出力則可能會處于零出力與最大出力之間的任意值，大范圍的出力變化必然帶來潮流熵的大幅度變化。

大規(guī)模風(fēng)電集中接入前，線路的負(fù)載率集中于某幾個負(fù)載率區(qū)間，處于高負(fù)載率區(qū)間和低負(fù)載率區(qū)間的線路都很少。大規(guī)模風(fēng)電集中接入后，由于風(fēng)電的隨機性和波動性，若風(fēng)電出力瞬時增加，會造成接入點附近潮流較重，周圍線路負(fù)載率迅速提高，為保持平均負(fù)載率不變，則水電和火電等常規(guī)電源的出力會相應(yīng)減小，相鄰線路負(fù)載率降低;同理，若風(fēng)電出力瞬時減小，則接入點周圍線路負(fù)載率會迅速減小，其他常規(guī)發(fā)電廠的出力則會相應(yīng)提高，相鄰線路負(fù)載率升高。也就是說，風(fēng)電功率波動使處于高負(fù)載率區(qū)間和低負(fù)載率區(qū)間的線路條數(shù)大大增加，潮流分布變得很不均衡，而且風(fēng)電規(guī)模越大，這種潮流分布不均勻的趨勢越明顯。即風(fēng)電大規(guī)模集中接入電網(wǎng)，可能會使電網(wǎng)的潮流熵增大，繼而發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險上升。

3 連鎖故障預(yù)防控制方法

從潮流熵角度出發(fā)進(jìn)行連鎖故障的預(yù)防控制，關(guān)鍵在于如何調(diào)整線路之間的潮流分布，使之趨于均勻化。線路潮流的調(diào)整方法一般有交流靈敏度和直流靈敏度兩種方法［8-10］。對于含有大規(guī)模風(fēng)電的電網(wǎng)中，電源的出力變化具有較大波動性，若采用交流靈敏度方法，潮流難以收斂，靈敏度矩陣計算難度大。因此，本文采用能夠適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電的直流靈敏度法，首先求取支路相關(guān)因子，據(jù)此確定連鎖故障高危線路，并計算高危線路的有功調(diào)整量。在此基礎(chǔ)上，利用反向等量配對原則，基于發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)矩陣調(diào)整高危線路的潮流，從而改善電網(wǎng)的潮流分布，降低連鎖故障發(fā)生的可能性。

3.1 直流靈敏度法

直流靈敏度法［11］以直流潮流方程為基礎(chǔ)。直流潮流的矩陣形式如下:

式中，B是以1/xij為支路導(dǎo)納建立起來的n×n階節(jié)點導(dǎo)納矩陣;P為節(jié)點注入有功列向量;θ為電壓相角列向量。

另外，線路l(i，j)有功潮流Pij為:

式中，θi、θj為支路兩端節(jié)點i、j的電壓相角;θij為相角差;xij為支路電抗;Bij為支路導(dǎo)納。

將式(5)寫成矩陣形式:

式中，BL為各支路導(dǎo)納組成的對角陣;PL為支路有功潮流列向量;Ф為支路兩端電壓相角差的列向量。

設(shè)由網(wǎng)絡(luò)獲得的支路-節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣為A。A的每一行對應(yīng)于電網(wǎng)中的一條支路，有功潮流從i節(jié)點流向j節(jié)點的支路l(i，j)對應(yīng)的行中，第i列元素取為1，第j列元素取為－1，其他元素均為0。設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為n，支路數(shù)為L，則A矩陣為L×n階，即:

則有Φ=Aθ。又由于θ=B－1P，所以，

式中，P1及P2是節(jié)點注入有功變化前后的向量; ΔP是節(jié)點注入功率的調(diào)整量;ΔPL是支路有功潮流的改變量。

矩陣S就是直流靈敏度法的靈敏度矩陣。

3.2 連鎖故障高危線路的甄別

首先計算支路相關(guān)因子。設(shè)將支路l(i，j)開斷，且開斷前支路有功潮流為P，如圖1所示。

圖1 線路l(i，j)的有功潮流Fig．1 Power flow of line

由補償原理可知，該支路的開斷相當(dāng)于在原網(wǎng)絡(luò)的i和j節(jié)點注入有功功率P和－P。表示節(jié)點注入有功變化量ΔP的矩陣形式如下:

由式(11)計算可得任一非開斷線路l(k，m)對開斷線路l(i，j)的支路相關(guān)因子μ為:

然后，利用支路相關(guān)因子求非開斷線路(以l(k，m)為例)的有功潮流變化量ΔPk-m，并利用開斷線路l(i，j)前的有功潮流，求其開斷后其余線路的有功潮流變化量ΔP'k-m和負(fù)載率ηk-m為:

設(shè)β為線路的重載閾值，當(dāng)非開斷線路的負(fù)載率ηk-m＞β時，則開斷線路l(i，j)即為連鎖故障的高危線路。

基于以上步驟，對全網(wǎng)線路逐一開斷和計算，甄別并確定連鎖故障的高危線路。

3.3 確定高危線路的有功調(diào)整量

為防止高危線路的開斷導(dǎo)致其他線路因過載而出現(xiàn)連鎖過載跳閘，需要降低高危線路輸送的有功功率。

設(shè)高危線路為l(i，j)，其開斷后重載線路集S為{l1，l2，…，lt}。則對于任一重載線路ls(k，m)，為防止其因l(i，j)的開斷而重載，l(i，j)的有功調(diào)整量ΔP為:

為保證全部重載線路不因線路l(i，j)的開斷而重載，則l(i，j)的實際有功調(diào)整量ΔPi-j為:

利用上述方法就可以獲得全部高危線路對應(yīng)的有功調(diào)整量。

3.4 發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)矩陣

發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)(GSDF)［11］表征發(fā)電機出現(xiàn)有功功率變化時，導(dǎo)致支路中有功功率變化的靈敏度。發(fā)電機h改變有功出力時，對支路l(k，m)的發(fā)電功率轉(zhuǎn)移分布系數(shù)為:

式中，ΔPGh為發(fā)電機h有功出力變化量。利用上述的直流靈敏度方法可求得GSDF的矩陣形式:

式中，I為由0和1組成的n×H矩陣，H為發(fā)電機總臺數(shù)。式(18)展開后，得到:

式中，h(h=1，2，…，H)為對應(yīng)發(fā)電機節(jié)點號。矩陣GSDF就是線路有功潮流對發(fā)電機有功出力的靈敏度矩陣。

3.5 改善潮流分布

(1)控制節(jié)點的分類

依據(jù)反向等量配對原則［12］可知:若＜0，則發(fā)電機Gh增加有功出力時，線路l有功潮流減少，因此對應(yīng)節(jié)點稱為加出力節(jié)點;若＞0，則發(fā)電機Gh減少有功出力時，線路l有功潮流減少，因此對應(yīng)節(jié)點稱為減出力節(jié)點。

(2)調(diào)整原則

根據(jù)反向等量配對原則，為了保證系統(tǒng)的總有功出力不變，系統(tǒng)加出力機組G+所增加的有功出力與系統(tǒng)減出力機組G－所減少的有功出力應(yīng)基本相等。

(3)發(fā)電機有功出力的調(diào)整量

但是，為防止因改變發(fā)電機有功出力而造成其他正常線路過載，則當(dāng)加減出力機組有功出力對正常線路l(k，m)有功潮流靈敏度S和S滿足

又由于加減處理機組處理調(diào)整還會受到發(fā)電機本身出力上限ΔP和ΔP的限制，所以控制節(jié)點對的實際調(diào)整量為:

如此循環(huán)，從靈敏度最大的加減出力機組節(jié)點對調(diào)起，從大到小依序調(diào)整，直到滿足高危線路的有功調(diào)整量或所有可調(diào)發(fā)電機節(jié)點均參與調(diào)整時退出。連鎖故障預(yù)防控制流程如圖2所示。

4 實例仿真分析

4.1 甘肅酒泉地區(qū)電網(wǎng)簡介

截止2012年底，酒泉地區(qū)風(fēng)電裝機容量達(dá)到586.96萬kW，加上火電機組和水電機組等常規(guī)能源，酒泉地區(qū)的出力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)刎?fù)荷吸納能力。而甘肅酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地距離蘭州負(fù)荷中心的平均距離約為1000 km［13］，如果考慮在西北區(qū)域內(nèi)消納風(fēng)電，距離負(fù)荷中心的平均距離更遠(yuǎn)，因此甘肅酒泉地區(qū)風(fēng)電都要通過長線路、遠(yuǎn)距離送出。其電網(wǎng)接線圖如圖3所示。

圖2 連鎖故障預(yù)防控制流程圖Fig．2 Cascading failure prevention and control flow chart

圖3 酒泉地區(qū)電網(wǎng)接線示意圖Fig．3 Geographic connection diagram of Jiuquan district’s grid

如圖3所示，酒泉風(fēng)電接入和送出通過各風(fēng)電場以35kV集電線路打捆升壓至330kV電壓等級變電站，匯集到750kV敦煌和酒泉變，并通過河西走廊的750kV雙回交流線輸電走廊與甘肅主網(wǎng)聯(lián)接，為典型的鏈?zhǔn)介L距離供電網(wǎng)絡(luò)，并且750kV輸電通道是新疆外送和風(fēng)電送出的公共通道。

4.2 仿真計算分析

仿真計算以酒泉地區(qū)電網(wǎng)2012年冬季大負(fù)荷運行方式為例，首先設(shè)風(fēng)電出力為0，逐步增加風(fēng)電出力比例，計算酒泉地區(qū)電網(wǎng)潮流熵統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。

由表1可知:

(1)當(dāng)風(fēng)電出力比例為0.3時，潮流熵最小。表明在此時，電網(wǎng)運行狀態(tài)相對更為安全穩(wěn)定。

(2)風(fēng)電出力比例小于0.3時，隨著風(fēng)電出力的增加，潮流熵呈下降趨勢，這是由于增加風(fēng)電出力，可減小遠(yuǎn)距離送入功率，風(fēng)電出力就地消納，此時，電網(wǎng)不容易發(fā)生連鎖故障;風(fēng)電出力比例超過0.3以后，風(fēng)電就地消納能力飽和，風(fēng)電需要遠(yuǎn)距離送出，潮流熵又開始增大，電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險增大。

表1 風(fēng)電出力比例變化時酒泉地區(qū)電網(wǎng)潮流熵統(tǒng)計Tab．1 Statistics on power flow entropy in Jiuquan grid via wind power ratio variations

(3)酒泉風(fēng)電出力比例達(dá)到當(dāng)前風(fēng)電機組滿出力的0.7倍時，潮流熵急劇增長為1.27，表明隨著更大規(guī)模風(fēng)電的集中接入，潮流熵將會迅速增加，電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險驟增，安全運行的壓力驟升。

實際上，當(dāng)風(fēng)電出力為1200MW，即風(fēng)電出力比例為1200/4900=24.5%時，酒泉地區(qū)出力和負(fù)荷大致相等，即風(fēng)電就地消納。計算風(fēng)電出力比例為24.5%時的潮流熵為0.967，小于風(fēng)電出力比例為30%時的潮流熵0.98。表明風(fēng)電出力比例為24.5%時，酒泉電網(wǎng)運行狀態(tài)相對最為安全穩(wěn)定。

4.3 酒泉地區(qū)電網(wǎng)連鎖故障預(yù)防控制策略

根據(jù)本文給出的連鎖故障高危線路的甄別方法，以酒泉電網(wǎng)2012年冬大運行方式為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)風(fēng)電出力進(jìn)行仿真計算，得到高危線路列表如表2所示。

表2 酒泉電網(wǎng)高危線路列表Tab．2 Lines at high risk in Jiuquan grid

根據(jù)本文提出的潮流調(diào)整方法，針對瓜嘉330線的開斷，進(jìn)行潮流調(diào)整，改善潮流分布，得到控制策略如表3所示。

表3 瓜嘉330線路開斷后潮流控制策略Tab．3 Strategy of control of power flow after disconnection of line Guajia 330

經(jīng)表3中4輪次的調(diào)整，再次斷開瓜嘉330線，不會引起任何線路過載和電源送出受阻問題，即不會引起連鎖故障的發(fā)生。

對所有高危線路進(jìn)行潮流調(diào)整前，酒泉電網(wǎng)潮流熵為1.13，調(diào)整后，酒泉電網(wǎng)潮流熵變?yōu)?.04?？梢?，調(diào)整后潮流熵明顯下降，對酒泉電網(wǎng)連鎖故障的發(fā)生起到了一定的抑制和預(yù)防作用。

5 結(jié)論

本文著眼于大規(guī)模風(fēng)電接入下的連鎖故障預(yù)防控制策略研究，得到結(jié)論如下:

(1)大規(guī)模風(fēng)電的接入對電網(wǎng)連鎖故障的影響與風(fēng)電接入比例緊密相關(guān)，當(dāng)風(fēng)電接入比例接近就地消納閾值時，發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險最小;接入比例大于或小于該閾值時，都會增加電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險。

(2)采用本文提出的適合含新能源電網(wǎng)的連鎖故障預(yù)防控制策略，能夠有效降低電網(wǎng)的潮流熵值，抑制和預(yù)防連鎖故障的發(fā)生。

［1］中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會(Wind Committee，China Renewable Energy Society)．2012年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計(China’s wind power installed capacity in 2012)［R］．

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Study of strategy to prevent and control power grid cascading failure connecting large-scale new energy

WANGWei-zhou1，LIU Qian2，DAN Yang-qing3，WANG Geng1，LIUWen-ying3
(1．State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730050，China;2．Patent Office State Intellectual Property Office，Beijing 100088，China;3．School of Electrical＆Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

This article aims to prevent and control cascading failures of power grid connecting large-scale new energy sources．Based on analysis of the cascading failuresmechanism influenced by large-scale new energy grid-connection，a strategy to preventand control cascading failurewas proposed，which can adapt to themassive new energy grid-connection．It is based on the DC sensitivitymethod to identify the critical lines of cascading failureswhich is also the first failure，and to calculate generation shift distribution factor(GSDF)matrix，then to adjust the power of unit according to GSDFmatrix．This strategy formulates the adjustment of generators’active power according to the sensitivity analysis and to the reverse same-amount pairing principle，in order to improve the power flow distribution of the system and prevent the occurrence of cascading failures．Finally，the cascading failuresmechanism influenced by large-scale new energy grid-connected is further revealed by simulating the Jiuquan grid，and the strategy proposed is validated．

cascading failures;large-scale new energy grid-connection;power flow entropy;DC sensitivity;reverse same-amount pairing principle

TM71

A

1003-3076(2015)03-0012-06

2013-09-23

王維洲(1967-)，男，甘肅籍，正高級工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)自動化和繼電保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)類科技管理工作;劉茜(1988-)，女，山東籍，工程師，碩士，從事電工領(lǐng)域?qū)＠麑彶楣ぷ鳌?/p>