劉翔宇，梁紀(jì)峰，胡文平，胡雪凱，馬慧卓

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021)

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大干擾電網(wǎng)功角失穩(wěn)原因的解耦鑒別分析方法

劉翔宇，梁紀(jì)峰，胡文平，胡雪凱，馬慧卓

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021)

摘要：針對大干擾電網(wǎng)穩(wěn)定鑒別具體問題，提出一種應(yīng)用解耦仿真分析鑒別功角穩(wěn)定失穩(wěn)主要誘因的方法，介紹該方法在典型故障案例中的實施過程，通過結(jié)論分析驗證了該方法的正確性。

關(guān)鍵詞：解耦仿真；功角穩(wěn)定；大干擾；大電網(wǎng)

0引言

電網(wǎng)功角穩(wěn)定可分為靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、小干擾動態(tài)穩(wěn)定和大干擾動態(tài)穩(wěn)定[1]。不同的穩(wěn)定極限受不同因素影響，每一種電力系統(tǒng)失穩(wěn)形式都存在主要誘因[2-3]，電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程中，對電力系統(tǒng)失穩(wěn)模式的判別有時比較困難[3]，電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定往往聯(lián)系緊密，難以區(qū)分[4-7]。

文獻(xiàn)[8-9]對電力系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定問題進行了分析，研究了影響穩(wěn)定的因素，文獻(xiàn)[10-12]研究了功角穩(wěn)定問題下靜穩(wěn)極限和暫穩(wěn)極限的快速求取問題。文獻(xiàn)[13]通過發(fā)電機矩陣和負(fù)荷矩陣的概念，實現(xiàn)對負(fù)荷節(jié)點功角裕度和電壓裕度計算，但方法并不適用大電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中均未涉及功角穩(wěn)定細(xì)化鑒別分析研究。

目前，在電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障而迅速(第1或第2個振蕩周期)失去穩(wěn)定時，往往需要花費大量時間進行離線計算來確定主要誘因，且難以給出清晰、直觀的分析鑒定結(jié)果。因此，針對電網(wǎng)失去穩(wěn)定問題提出一種快速直觀的鑒別分析方法。

1典型問題的提出

某年山西北部電網(wǎng)冬季運行方式下，山西北部500 kV電網(wǎng)通過雁同-神頭和大同-房山2個輸電通道與主網(wǎng)相連，由雁同-神頭雙回線向山西南部電網(wǎng)輸送功率2 097 MW，由大同-房山三回線路向京津唐網(wǎng)輸送功率4 656 MW。此時特高壓線路長治-南陽向南輸送功率5 000 MW，如圖1所示。

圖1　山西北部500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

雁同-神頭線路雁同側(cè)發(fā)生單回線路三相短路N-2故障時，保護動作0.09 s跳開故障側(cè)，0.1 s雙回線路雙側(cè)跳開。保護動作后，山西北部電網(wǎng)迅速失去功角同步穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2　山西北部電網(wǎng)故障失穩(wěn)情況

故障后山西北部電網(wǎng)受以下何種穩(wěn)定極限限制失去同步穩(wěn)定有待確定：雁同-神頭雙回斷開后潮流轉(zhuǎn)移超過大同-房山通道靜穩(wěn)極限；短路沖擊超過了機電調(diào)節(jié)性能調(diào)節(jié)能力造成暫態(tài)失穩(wěn)；故障激發(fā)了電網(wǎng)動態(tài)非周期失穩(wěn)。

2靜態(tài)暫態(tài)穩(wěn)定極限分析

2.1靜態(tài)穩(wěn)定分析

圖3為區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的等值系統(tǒng)圖，對于高壓大電網(wǎng)系統(tǒng)略去電阻，2個區(qū)域電網(wǎng)分別等值為發(fā)電機。2個系統(tǒng)間功率輸送量。

(1)

式中：Xs1和Xs2為系統(tǒng)等值電抗；U1和U2為區(qū)域電網(wǎng)的邊界電壓；XL為兩區(qū)域電網(wǎng)間輸電線路的電抗大??；X∑=Xs1+Xs2+XL/2；θ為2個發(fā)電機間的相角差；φ為U1和U2間相角差。

圖3　區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等值系統(tǒng)圖

正常運行時，系統(tǒng)運行在相對穩(wěn)定的電壓下，U1和U2大小變化不大，系統(tǒng)間功率輸送極限主要決定于電氣距離X∑。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定時X∑為確定值，如果強行增大此通道的輸電容量，則θ增大，當(dāng)θ大于90°，則系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.2暫態(tài)穩(wěn)定分析

由式(1)可知，短路沖擊引起的功角失穩(wěn)原因為短路U1、U2點電壓瞬間降低，則有功功率輸送量Pe(1)瞬間變小為Pe(2)，此時各發(fā)電廠的機械轉(zhuǎn)矩不能突變，則PM>Pe(2)，發(fā)電機獲得加速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速增加。故障切除后Pe(3)>PM，發(fā)電機獲得減速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降低。在勵磁系統(tǒng)強勵作用下電壓U1、U2將迅速增大以提升傳輸功率Pe，快關(guān)氣門迅速動作使PM迅速減小，如迅速動作不能抵消短路沖擊影響，加速面積abcd仍然大于減速面積edu，則造成失穩(wěn)，如圖4所示。

圖4　單機無窮大系統(tǒng)功角特性曲線

3仿真鑒別方法的提出

3.1鑒別分析

要鑒別故障后失去功角穩(wěn)定的主要原因，關(guān)鍵在于鑒別引起失穩(wěn)原因在于短路沖擊(過低的電壓超出發(fā)電機機電調(diào)節(jié)水平)，還是電氣距離過大(故障后輸電阻抗變大)，使潮流轉(zhuǎn)移后的輸電通道的靜穩(wěn)極限小于的所需輸送能力，進行的仿真鑒別如下：

仿真1：原方式下在雁同側(cè)設(shè)置雁同-神頭雙回斷線故障仿真，使山西北網(wǎng)與華北網(wǎng)聯(lián)系由兩通道變?yōu)閱瓮ǖ?，增大電氣距離，基本未改變電壓，檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性。

仿真2：在雁同-神頭設(shè)置原N-2故障，故障后立即改變線路參數(shù)，減小大同-房山通道的電氣距離，使大同-房山通道電氣距離小于故障前，檢驗系統(tǒng)是否失穩(wěn)。

可使大同-房山通道參數(shù)改變后電氣距離X′小于故障前雁同-神頭電氣距離X(1)和大同-房山通道電氣距離X(2)的并列值，即令

(2)

為了保障仿真2中短路沖擊效果與原故障形式一致，以使機組機電調(diào)節(jié)作用不變，可通過在短路點設(shè)定短路阻抗形式限制故障點電壓與原故障大致相同。

如果仿真1失穩(wěn)，則在沒有短路沖擊作用下，故障后電網(wǎng)本身的強度已經(jīng)不足以輸送所需功率，超過故障后靜穩(wěn)極限成為導(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn)的原因；如果仿真2失穩(wěn)則說明在輸送通道存在較大冗余的情況下，電網(wǎng)在短路沖擊作用下失去穩(wěn)定，事故暫態(tài)沖擊成為導(dǎo)致失穩(wěn)的原因。

3.2算法流程

算法流程如圖5所示。

圖5　功角失穩(wěn)鑒別算法流程

a. 將電網(wǎng)發(fā)生的故障K造成故障點D及電網(wǎng)電壓下降和電網(wǎng)切除故障時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由G改變?yōu)門兩方面影響因素獨立考慮。

b. 考慮以下故障仿真，仿真1：用斷線故障模擬故障后的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由G變?yōu)門的影響因素；仿真2：原故障基礎(chǔ)上限制故障點D電壓，模擬故障點電壓下降因素，同時補償電氣距離變大因素。

c. 分別計算仿真1和仿真2的穩(wěn)定情況，判別電網(wǎng)是否能夠保持同步穩(wěn)定。

d. 基于步驟c的穩(wěn)定判別結(jié)果，對電網(wǎng)發(fā)生故障K造成失去穩(wěn)定同步的原因作出如下鑒別。

情況1：仿真1失穩(wěn)，仿真2不失穩(wěn)，故障K造成的電網(wǎng)失穩(wěn)，主要由于故障后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變，達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限限制。

情況2：仿真1失穩(wěn)，仿真2失穩(wěn)，故障K造成的電網(wǎng)失穩(wěn)，由于故障達(dá)到暫態(tài)穩(wěn)定限制和故障后電網(wǎng)達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定極限限制共同作用，并且兩個原因皆可單獨造成電網(wǎng)失去穩(wěn)定。

情況3：仿真1不失穩(wěn)，仿真2失穩(wěn)，故障K造成的電網(wǎng)失穩(wěn)，主要由于故障達(dá)到暫態(tài)穩(wěn)定限制原因。

情況4：仿真1不失穩(wěn)，仿真2不失穩(wěn)，故障K造成的電網(wǎng)失穩(wěn)，由暫態(tài)穩(wěn)定和故障后靜態(tài)穩(wěn)定極限限制合力作用造成，是靜穩(wěn)問題和暫穩(wěn)問題相互影響產(chǎn)生，亦可考慮非周期動態(tài)失穩(wěn)原因。

3.3仿真計算結(jié)果

應(yīng)用電力系統(tǒng)計算分析軟件PSD-BPA對模擬故障進行分析。

3.3.1仿真1的計算鑒別

操作設(shè)置：對雁同-神頭進行斷線故障仿真。

操作結(jié)果：系統(tǒng)功角失穩(wěn)。

選取具有代表性的仿真曲線展示仿真失穩(wěn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　仿真1計算結(jié)果

3.3.2仿真2的計算鑒別

操作設(shè)置：對雁同-神頭進行原故障仿真，在故障后0.12 s改變大同-房山通道線路的參數(shù)，令k=0.5用式(2)求取大同-房山新的電氣距離。在0.12 s時在雁同點設(shè)置接地短路阻抗，保持其電壓在較低水平(與N-2短路操作中對應(yīng)時刻相當(dāng))。

操作結(jié)果：系統(tǒng)穩(wěn)定。

選取具有代表性的仿真曲線展示仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　仿真2計算結(jié)果

4結(jié)果分析與討論

仿真1中，斷線故障不會造成明顯電壓改變，只會增大X∑，與原故障相比U1和U2未變小，而X∑不變，斷開線路后潮流轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)功角失穩(wěn)。即無短路沖擊影響時，如果輸電通道不拓寬，則系統(tǒng)失穩(wěn)。

仿真2中，改變輸電通道電氣距離，使之大致小于原輸電通道電氣距離后，其靜穩(wěn)極限被增大，如圖8所示，即使故障期間電壓大小一直低于原N-2故障方式下，系統(tǒng)仍然能夠保持穩(wěn)定。即有短路沖擊，但拓寬輸電通道，系統(tǒng)仍穩(wěn)定。

圖8　雁同電壓對比

綜合以上2個驗證算例的結(jié)果，認(rèn)為造成穩(wěn)定問題的主要原因為：故障后切除雁同-神頭雙回線路，潮流轉(zhuǎn)移達(dá)到大同-房山通道靜穩(wěn)極限限制，而短路沖擊過程拉低了電壓，也在一定程度上加劇了失穩(wěn)的過程。

另外，對大同-房山通道利用各種工程實用算法求取的靜穩(wěn)極限計算結(jié)果為6 770～7 000 MW，N-2后潮流轉(zhuǎn)移，大同-房山線應(yīng)承擔(dān)的輸送容量為6 724 MW左右，已經(jīng)逼近靜穩(wěn)極限。由于故障后的波動，促使輸送容量超過靜穩(wěn)極限。對靜穩(wěn)極限的計算一定程度上驗證了以上的分析，山西省后續(xù)項目研究結(jié)果亦證明了結(jié)論的正確性。

5結(jié)束語

闡釋了靜態(tài)穩(wěn)定問題和暫態(tài)穩(wěn)定問題的實質(zhì)，并對其限制影響因素進行分析，提出了通過仿真計算的方式單獨考慮電壓影響因素和電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響因素從而實現(xiàn)判別和鑒定，方法應(yīng)用的結(jié)果驗證了鑒別方法的正確性，該方法具有計算量小，理論性強，結(jié)論清晰直觀，易于利用商用軟件(PSD-BPA等仿真軟件)實現(xiàn)等特點。

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本文責(zé)任編輯：王洪娟

Decoupling Analysis on Identify Cause of Power Grid AngleInstability Under Large Disturbance

Liu Xiangyu,Liang Jifeng,Hu Wenping,Hu Xuekai,Ma Huizhuo

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhang 050021,China)

Abstract:Due to a large disturbance power grid angle stability identification problem, a method to identify the chief incentive of power-angle unstability by de-couple simulation analysis was proposed. The proposed method was expounded by operating procedure of a typical fault case, The results of application verified the correctness of the identification method.

Key words：decoupling simulation;angle instability;large disturbance;bulk power grid

中圖分類號：TM712;TM743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)01-0030-04

作者簡介：劉翔宇(1987-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)動態(tài)仿真、分析與控制工作。

收稿日期：2015-09-14