鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)下受端電網(wǎng)的穩(wěn)控切負(fù)荷策略的優(yōu)化研究

，，，， ，

(1.國網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.國網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，電網(wǎng)的用電負(fù)荷不斷增加，同時由于某些電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)供電，導(dǎo)致電網(wǎng)中各重要斷面功率接近極限運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障情況下，將導(dǎo)致斷面超極限以及地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性等問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。尤其是鏈?zhǔn)焦╇姺绞较率芏穗娋W(wǎng)發(fā)生機(jī)組跳閘，將導(dǎo)致電網(wǎng)中多個斷面超極限運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，穩(wěn)控裝置動作。穩(wěn)控裝置動作可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，但是隨著受端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷建設(shè)，受端電網(wǎng)裝機(jī)容量以及單臺機(jī)組容量不斷增加，同時由于受端電網(wǎng)機(jī)組故障跳閘的穩(wěn)控切負(fù)荷策略需要結(jié)合受端電網(wǎng)各個斷面故障前的傳輸功率情況，因此將造成穩(wěn)控切負(fù)荷策略復(fù)雜。同時由于用戶對用電的安全性和可靠性提出了更高的要求以及599號令[4]的頒布對用戶損失負(fù)荷及保障供電的要求，都將對穩(wěn)控系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

某些受端電網(wǎng)由于其自身負(fù)荷較重且電源分布較為匱乏，需要從另一區(qū)域大量供電，同時由于其受端電網(wǎng)內(nèi)部供電范圍較大，采取長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)供電，電網(wǎng)網(wǎng)架較為薄弱，系統(tǒng)短路容量較低。若受端電網(wǎng)發(fā)生大容量機(jī)組跳閘，容易致使某些斷面超極限運(yùn)行，同時導(dǎo)致某些電壓支撐較弱的地區(qū)發(fā)生電壓失穩(wěn)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)。因此，需要結(jié)合受端電網(wǎng)機(jī)組跳閘這一故障，制定相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制策略，切除受端電網(wǎng)部分負(fù)荷，使斷面功率降低，電壓恢復(fù)合理水平，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著受端電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增長以及電源單機(jī)容量的不斷增加，受端電網(wǎng)電源特別是大容量機(jī)組發(fā)生故障跳閘后對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性影響日益加重，為了在故障下準(zhǔn)確切除一定量的負(fù)荷，不發(fā)生過切或欠切，穩(wěn)控措施需準(zhǔn)確結(jié)合機(jī)組跳閘前受端電網(wǎng)各供電斷面的功率傳輸情況，這些都將導(dǎo)致穩(wěn)控切負(fù)荷策略以及穩(wěn)控系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)通信方案變得復(fù)雜[5-10]，這也將直接影響到穩(wěn)控系統(tǒng)自身的可靠性。

因此需要重新對具有長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)的受端電網(wǎng)故障跳機(jī)的穩(wěn)控切負(fù)荷方案進(jìn)行研究，調(diào)整、優(yōu)化切負(fù)荷方案。下面通過對鏈?zhǔn)焦╇姺绞较拢芏穗娋W(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘進(jìn)行機(jī)理分析，找出了機(jī)組跳閘后的共性，結(jié)合這一共性提出了一種新的穩(wěn)控切負(fù)荷方案。運(yùn)用PSASP程序?qū)δ畴娋W(wǎng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該切負(fù)荷方案策略相對于之前的穩(wěn)控切負(fù)荷方案明顯得到簡化，并且不會導(dǎo)致過切或欠切，穩(wěn)控動作的可靠性得到提高，具有重要的實(shí)用價值。

1 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制體系分為三道防線。第一道防線：快速切除故障元件，防止故障擴(kuò)大；第二道防線：采取穩(wěn)定控制措施，防止系統(tǒng)失去穩(wěn)定；第三道防線：系統(tǒng)失去穩(wěn)定后，防止大面積停電。第一道防線靠繼電保護(hù)裝置快速、準(zhǔn)確的切除故障元件。第二、三道防線是由電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置來承擔(dān)，主要包括低頻低壓減載、失步解列、功率振蕩解列和高頻切機(jī)等。

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要針對較嚴(yán)重的擾動，作用于電力系統(tǒng)中的第二、三道防線，防止事故擴(kuò)大及系統(tǒng)失穩(wěn)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)發(fā)生大的擾動后，安全穩(wěn)定控制裝置及時正確動作，可有效避免系統(tǒng)發(fā)生功角、電壓、頻率穩(wěn)定問題及過載問題。同時安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的投入，可有效提高系統(tǒng)的輸電極限，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定能力。而安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的切機(jī)和切負(fù)荷操作在電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)概率最大。由于599號令頒布以及用戶對供電要求越來越高，應(yīng)盡量減少切負(fù)荷量，同時由于電網(wǎng)中負(fù)荷重和電網(wǎng)網(wǎng)架的問題，因此要對安全穩(wěn)定控制裝置的切負(fù)荷操作進(jìn)行研究。

2 鏈?zhǔn)焦╇娋W(wǎng)絡(luò)

部分地區(qū)由于自身電源無法滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷的需求，需要從另一區(qū)域供電，形成受端電網(wǎng)特點(diǎn)。當(dāng)某一受端電網(wǎng)自身電源相對匱乏時，將從另一區(qū)域大量供電，導(dǎo)致區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線供電壓力較大，同時由于受端電網(wǎng)自身供電范圍較廣，自身的電網(wǎng)網(wǎng)架及電源建設(shè)相對負(fù)荷增長相對滯后，網(wǎng)架建設(shè)還處在發(fā)展階段，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單一，與主網(wǎng)聯(lián)系比較薄弱，一般都是長鏈?zhǔn)焦╇姡鲄^(qū)域之間只通過一條或兩條交流線互聯(lián)，而各區(qū)域的負(fù)荷不斷增加，造成各斷面接近極限運(yùn)行。

隨著受端電網(wǎng)中電源不斷的接入，可以降低斷面的傳輸功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，但是隨著單臺機(jī)組容量的不斷增加，機(jī)組跳閘對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響越來越大。受端電網(wǎng)中機(jī)組跳閘可能導(dǎo)致斷面超極限運(yùn)行，進(jìn)一步破壞系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、功角穩(wěn)定等。圖1為新疆南部地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 新疆南部地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，新疆南部地區(qū)與主網(wǎng)僅通-回750 kV和兩回220 kV交流線路形成電磁環(huán)互聯(lián)，聯(lián)系較為薄弱，聯(lián)絡(luò)線供電壓力較大。同時南部各區(qū)域間及各區(qū)域內(nèi)部也只通過兩回220 kV交流線聯(lián)絡(luò)，供電距離長達(dá)約2 000 km，供電距離較長，聯(lián)系薄弱，同時沿線電源分布較少，形成典型的長鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)。但是新疆南部三地區(qū)負(fù)荷比較重，表1為三地區(qū)負(fù)荷情況。

表1 新疆南部地區(qū)負(fù)荷情況(2013年)/MW

由表1可以看出，新疆南部三地區(qū)負(fù)荷比較重，但是三地區(qū)裝機(jī)容量比較低且裝機(jī)主要分布在阿克蘇地區(qū)。新疆南部地區(qū)整體為受端網(wǎng)絡(luò)，需要從主網(wǎng)大量吸收功率，潮流方向?yàn)椋褐骶W(wǎng)→阿克蘇→疆南→和田，幾個重要斷面(臺牙+臺茲斷面、茲拜+臺茲斷面、茲蘇雙線斷面、徐鹿+蘇鹿斷面、鹿喀+鹿莎斷面等)均接近功率極限運(yùn)行。

若該受端系統(tǒng)中出現(xiàn)大容量機(jī)組跳閘，如庫車330 MW機(jī)組、徐礦200 MW機(jī)組、盛源350 MW機(jī)組或喀發(fā)三期350 MW機(jī)組發(fā)生機(jī)組跳閘，均將導(dǎo)致各斷面?zhèn)鬏敼β试黾樱瑫r導(dǎo)致受端電網(wǎng)特別是電壓支撐較弱的地區(qū)如臺遠(yuǎn)、牙哈、金鹿等地區(qū)的電壓出現(xiàn)大幅度跌落，最終出現(xiàn)功角失穩(wěn)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表2為機(jī)組跳閘后斷面功率變化量，圖2為機(jī)組跳閘后受端電網(wǎng)中電壓曲線。

表2 機(jī)組跳閘后斷面功率變化量/MW

從表2可以看出，機(jī)組跳閘后相應(yīng)的斷面功率急劇增加。尤其是受端電網(wǎng)中大機(jī)組跳閘后斷面功率突增量特別大，斷面嚴(yán)重超極限運(yùn)行，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 受端電網(wǎng)中機(jī)組跳閘后各變電站電壓曲線

由圖2可以看出，受端電網(wǎng)機(jī)組跳閘情況下，導(dǎo)致各斷面?zhèn)鬏敼β试黾樱率故芏穗娋W(wǎng)中電壓降低，機(jī)組跳閘后電網(wǎng)穩(wěn)定性遭到破壞，需要穩(wěn)控裝置動作，切除受端電網(wǎng)部分負(fù)荷，降低斷面?zhèn)鬏敼β剩瓜到y(tǒng)電壓恢復(fù)到合理范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是由于電網(wǎng)存在很多斷面，機(jī)組出現(xiàn)跳閘故障后，穩(wěn)控系統(tǒng)無法有針對性的簡單判斷出究竟是哪一個斷面超極限運(yùn)行，或哪一個地區(qū)的電壓跌落最大超過允許值。因此存在當(dāng)機(jī)組故障跳閘后，穩(wěn)控系統(tǒng)可能只會“盲目”的切除與跳閘機(jī)組容量相匹配的負(fù)荷，但對于最佳切負(fù)荷點(diǎn)或最小切負(fù)荷量這兩個方面來說，穩(wěn)控系統(tǒng)無法滿足這兩點(diǎn)要求，因此可能造成的結(jié)果為穩(wěn)控存在過切或欠切，穩(wěn)控切負(fù)荷動作后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)偏高或偏低，嚴(yán)重時將出現(xiàn)功角失穩(wěn)局面。

為了解決上述問題，在發(fā)生機(jī)組跳閘故障時，穩(wěn)控系統(tǒng)可通過采集故障前所有斷面的功率傳輸情況及故障后的各點(diǎn)電壓跌落情況，將其發(fā)送至跳閘機(jī)組的穩(wěn)控裝置，再由跳閘機(jī)組的穩(wěn)控裝置發(fā)令切除部分負(fù)荷。該方案可準(zhǔn)確找出機(jī)組跳閘故障下最終導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵電壓薄弱點(diǎn)，第一時間準(zhǔn)確鎖定需要切除負(fù)荷的區(qū)域以及所需切除負(fù)荷的大小，從而準(zhǔn)確動作以最小的切負(fù)荷量來有效降低斷面?zhèn)鬏敼β剩瑫r快速恢復(fù)電壓至合理范圍內(nèi)。該方案雖然解決了“盲目”切負(fù)荷的問題，但穩(wěn)控措施及策略較為復(fù)雜，只一條策略就需要采集大量的數(shù)據(jù)和信息，通信通道占用容量較大，且通信交互、配置復(fù)雜，穩(wěn)控系統(tǒng)的正確動作性對通信系統(tǒng)及所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性依賴較高。通信系統(tǒng)的可靠性較低，調(diào)試工作量大，且出現(xiàn)穩(wěn)控動作出錯的概率較高，不利于穩(wěn)控系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。因此，需要針對該問題進(jìn)行穩(wěn)控方案的優(yōu)化，重新梳理穩(wěn)控策略的相關(guān)思路，一方面有效、有針對性地解決問題，另一方面最大限度地簡化穩(wěn)控策略及方案。

3 切負(fù)荷策略研究

通過深入分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受端電網(wǎng)發(fā)生大容量機(jī)組跳閘的主要表現(xiàn)為：斷面功率超極限運(yùn)行以及部分地區(qū)電壓跌落至允許值以下，而這也正是導(dǎo)致系統(tǒng)最終出現(xiàn)功角失穩(wěn)的決定性和根本性的因素。因此解決問題的關(guān)鍵就在于如何以最簡單、有效的方式降低斷面功率至極限以下，以及恢復(fù)系統(tǒng)電壓至允許值以上。

根據(jù)電網(wǎng)故障后電網(wǎng)運(yùn)行表現(xiàn)出來的這一系列特點(diǎn)，如果可以準(zhǔn)確捕獲在機(jī)組跳閘前、后各斷面的功率變化情況以及各點(diǎn)的電壓跌落變化情況，即可準(zhǔn)確找到影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵斷面和關(guān)鍵點(diǎn)，從而準(zhǔn)確鎖定切負(fù)荷區(qū)域及所需切負(fù)荷的大小。

但各個斷面及各點(diǎn)信息在穩(wěn)控系統(tǒng)采集后，在哪匯總、判斷、分析和處理又成為一大問題，如果將其匯總至跳閘機(jī)組的穩(wěn)控裝置，勢必又將造成穩(wěn)控系統(tǒng)的復(fù)雜和可靠性低。如果將各斷面、各點(diǎn)信息就地判斷、分析，則有利于大大簡化穩(wěn)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，但穩(wěn)控系統(tǒng)將如何就地判斷和動作，同時當(dāng)機(jī)組跳閘后，可能出現(xiàn)多個斷面同時出現(xiàn)超極限運(yùn)行和電壓低的情況，各斷面的穩(wěn)控策略將如何配合等將成為主要需要解決的問題。

最終，為了滿足上述多個要求，對新疆電網(wǎng)南部地區(qū)的穩(wěn)控策略進(jìn)行如下優(yōu)化：對南部電網(wǎng)多個關(guān)鍵斷面制定功率突增策略，當(dāng)南部機(jī)組出現(xiàn)跳閘后，如果功率突增量滿足一定值，且功率突增后斷面功率大于該斷面功率極限值，或本站電壓低于某一值時，延時切除本地負(fù)荷。

這樣就保證了穩(wěn)控切負(fù)荷的有針對性和準(zhǔn)確性。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障跳機(jī)時，該策略可準(zhǔn)確找到電氣量變化最大、功率及電壓裕度最低的斷面，有效針對對電網(wǎng)影響最大的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵電壓薄弱點(diǎn)切除負(fù)荷，快速恢復(fù)電網(wǎng)穩(wěn)定性。

同時為了簡化穩(wěn)控策略及通信的復(fù)雜性，將各斷面信息量實(shí)現(xiàn)就地采集和就地判斷、分析，不進(jìn)行不同穩(wěn)控裝置間的交互通信，只要就地滿足穩(wěn)控動作要求即自動下發(fā)穩(wěn)控切負(fù)荷命令，這樣就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)控切負(fù)荷策略與機(jī)組跳閘故障之間的解耦，簡化穩(wěn)控策略和通信，大大提高穩(wěn)控動作的可靠性。

對于當(dāng)機(jī)組跳閘后，可能出現(xiàn)多個斷面同時出現(xiàn)超極限運(yùn)行和電壓低的情況，如果此時各斷面穩(wěn)控同時切除同一匹配量的負(fù)荷，則很有可能導(dǎo)致最終過切負(fù)荷。對此，在穩(wěn)控策略中主要通過對不同斷面設(shè)定不同的延時時間來進(jìn)行配合，避免同時重復(fù)切除負(fù)荷。當(dāng)某一斷面穩(wěn)控先切除一定量負(fù)荷后，將造成其余斷面功率也隨之降低，若該斷面功率降低至功率極限以下，同時電壓恢復(fù)至允許范圍以內(nèi)時，則該穩(wěn)控策略將會返回，不再多切負(fù)荷。這就將不同斷面間的穩(wěn)控切負(fù)荷的策略進(jìn)行了有機(jī)的配合，簡單、有效的建立了南部整體地區(qū)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)架對于大容量機(jī)組故障跳閘后的二道防御系統(tǒng)。

對比原來的切負(fù)荷策略，提出的切負(fù)荷策略，減少了安全穩(wěn)定控制裝置的信息交互，降低了穩(wěn)控策略的復(fù)雜程度，解決了因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的參數(shù)整定困難以及切負(fù)荷的配合問題，將單一機(jī)組跳閘的穩(wěn)控切負(fù)荷策略分解為各個斷面的功率突增切負(fù)荷策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控策略的解耦和簡化，同時防止安全穩(wěn)定控制裝置誤切，減少了切負(fù)荷量，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的安全穩(wěn)定控制裝置的切負(fù)荷方案的正確性，取新疆南部實(shí)際電網(wǎng)，運(yùn)用PSASP來進(jìn)行計算分析。電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，潮流方向?yàn)橹骶W(wǎng)→阿克蘇→疆南→和田。電網(wǎng)中電源情況：庫車電廠(2×135 MW+2×330 MW)、徐礦電廠(2×200 MW)、喀什電廠(2×50 MW)、下坂地水電(3×50 MW)和波波娜水電(3×50 MW)等。正常運(yùn)行情況下，臺牙線+臺茲線、茲拜線+臺茲線、茲蘇雙線、徐鹿線+蘇鹿線和鹿喀線+鹿莎線斷面的傳輸功率較重，在負(fù)荷高峰時段接近穩(wěn)定極限運(yùn)行。若受端電網(wǎng)中機(jī)組(庫車電廠、徐礦電廠、喀什電廠等)發(fā)生跳閘，將導(dǎo)致各斷面功率突增，造成斷面超極限運(yùn)行，受端電網(wǎng)低電壓，系統(tǒng)穩(wěn)定性將遭到破壞。

為了防止受端電網(wǎng)中機(jī)組(庫車電廠、徐礦電廠、喀什電廠等)發(fā)生跳閘，導(dǎo)致地區(qū)電壓過低，出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題及斷面超極限運(yùn)行，根據(jù)所提出的切負(fù)荷策略，制定切負(fù)荷策略如下。

當(dāng)徐鹿線+蘇鹿線斷面功率(Px1+Ps1)突增量ΔPdm(方向指向金鹿)大于Pset，且本站電壓小于Vset，時間T大于Tset，切除本地區(qū)負(fù)荷：KsetΔPdm。通過仿真計算分析各參數(shù)整定值為

Pset=50 MW；Vset=99%
Tset=2 s；Kset=0.2

結(jié)合上述切負(fù)荷策略，運(yùn)用PSASP進(jìn)行仿真分析，當(dāng)喀什電廠機(jī)組跳閘之后，穩(wěn)控切負(fù)荷量為13.6 MW。切除金鹿地區(qū)負(fù)荷后，受端電網(wǎng)電壓恢復(fù)到合理范圍，徐鹿線+蘇鹿線斷面功率控制在極限以內(nèi)。安全穩(wěn)定控制裝置切負(fù)荷動作后各變電站電壓曲線如圖3所示。

圖3 切負(fù)荷動作后受端系統(tǒng)各變電站電壓

從圖3可以得出，當(dāng)喀什電廠機(jī)組跳閘后，受端系統(tǒng)中各變電站電壓降低，徐鹿線+蘇鹿線斷面功率突增，安全穩(wěn)定控制裝置動作，切除金鹿地區(qū)部分負(fù)荷可以使受端系統(tǒng)電壓恢復(fù)到合理范圍內(nèi)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時通過圖3可以證明，前面所提出的切負(fù)荷策略的有效性，可以保證安全穩(wěn)定控制裝置正確動作，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，也反應(yīng)出該切負(fù)荷策略簡單且各參數(shù)容易整定。

5 結(jié) 論

通過對鏈?zhǔn)焦╇姺绞较率芏穗娋W(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘進(jìn)行分析，得出當(dāng)受端電網(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘將導(dǎo)致電網(wǎng)中某些斷面功率突增且超過功率極限運(yùn)行，同時伴隨有系統(tǒng)電壓跌落較大等特點(diǎn)，針對這一特性，提出了一種新的切負(fù)荷策略。通過對新疆南部實(shí)際電網(wǎng)仿真分析，證明了所提出的切負(fù)荷策略具有重要的實(shí)用價值，能準(zhǔn)確找到大容量機(jī)組故障跳閘后對電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵斷面及關(guān)鍵點(diǎn)，確保安全穩(wěn)定控制裝置的正確、可靠動作，同時可有效防止由于穩(wěn)控策略復(fù)雜或通信機(jī)制復(fù)雜等造成的穩(wěn)控誤切或過切負(fù)荷的現(xiàn)象出現(xiàn)，對于穩(wěn)控策略各參數(shù)定值也較容易整定，只需要注意不同斷面間穩(wěn)控參數(shù)定值的整定配合即可。

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