大干擾電網功角失穩原因的解耦鑒別分析方法

劉翔宇，梁紀峰，胡文平，胡雪凱，馬慧卓

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021)

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大干擾電網功角失穩原因的解耦鑒別分析方法

劉翔宇，梁紀峰，胡文平，胡雪凱，馬慧卓

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

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

關鍵詞：解耦仿真；功角穩定；大干擾；大電網

0引言

電網功角穩定可分為靜態穩定、暫態穩定、小干擾動態穩定和大干擾動態穩定[1]。不同的穩定極限受不同因素影響，每一種電力系統失穩形式都存在主要誘因[2-3]，電力系統機電暫態過程中，對電力系統失穩模式的判別有時比較困難[3]，電壓穩定和功角穩定往往聯系緊密，難以區分[4-7]。

文獻[8-9]對電力系統電壓和頻率穩定問題進行了分析，研究了影響穩定的因素，文獻[10-12]研究了功角穩定問題下靜穩極限和暫穩極限的快速求取問題。文獻[13]通過發電機矩陣和負荷矩陣的概念，實現對負荷節點功角裕度和電壓裕度計算，但方法并不適用大電網互聯系統。現有文獻中均未涉及功角穩定細化鑒別分析研究。

目前，在電網出現嚴重故障而迅速(第1或第2個振蕩周期)失去穩定時，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、直觀的分析鑒定結果。因此，針對電網失去穩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

某年山西北部電網冬季運行方式下，山西北部500 kV電網通過雁同-神頭和大同-房山2個輸電通道與主網相連，由雁同-神頭雙回線向山西南部電網輸送功率2 097 MW，由大同-房山三回線路向京津唐網輸送功率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電網結構

雁同-神頭線路雁同側發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，0.1 s雙回線路雙側跳開。保護動作后，山西北部電網迅速失去功角同步穩定，如圖2所示。

圖2　山西北部電網故障失穩情況

故障后山西北部電網受以下何種穩定極限限制失去同步穩定有待確定：雁同-神頭雙回斷開后潮流轉移超過大同-房山通道靜穩極限；短路沖擊超過了機電調節性能調節能力造成暫態失穩；故障激發了電網動態非周期失穩。

2靜態暫態穩定極限分析

2.1靜態穩定分析

圖3為區域電網互聯的等值系統圖，對于高壓大電網系統略去電阻，2個區域電網分別等值為發電機。2個系統間功率輸送量。

(1)

式中：Xs1和Xs2為系統等值電抗；U1和U2為區域電網的邊界電壓；XL為兩區域電網間輸電線路的電抗大小；X∑=Xs1+Xs2+XL/2；θ為2個發電機間的相角差；φ為U1和U2間相角差。

圖3　區域電網互聯等值系統圖

正常運行時，系統運行在相對穩定的電壓下，U1和U2大小變化不大，系統間功率輸送極限主要決定于電氣距離X∑。電網結構確定時X∑為確定值，如果強行增大此通道的輸電容量，則θ增大，當θ大于90°，則系統失穩。

2.2暫態穩定分析

由式(1)可知，短路沖擊引起的功角失穩原因為短路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)，此時各發電廠的機械轉矩不能突變，則PM>Pe(2)，發電機獲得加速轉矩，轉速增加。故障切除后Pe(3)>PM，發電機獲得減速轉矩，轉速降低。在勵磁系統強勵作用下電壓U1、U2將迅速增大以提升傳輸功率Pe，快關氣門迅速動作使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，如圖4所示。

圖4　單機無窮大系統功角特性曲線

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定的主要原因，關鍵在于鑒別引起失穩原因在于短路沖擊(過低的電壓超出發電機機電調節水平)，還是電氣距離過大(故障后輸電阻抗變大)，使潮流轉移后的輸電通道的靜穩極限小于的所需輸送能力，進行的仿真鑒別如下：

仿真1：原方式下在雁同側設置雁同-神頭雙回斷線故障仿真，使山西北網與華北網聯系由兩通道變為單通道，增大電氣距離，基本未改變電壓，檢驗系統穩定性。

仿真2：在雁同-神頭設置原N-2故障，故障后立即改變線路參數，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，檢驗系統是否失穩。

可使大同-房山通道參數改變后電氣距離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，以使機組機電調節作用不變，可通過在短路點設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，則在沒有短路沖擊作用下，故障后電網本身的強度已經不足以輸送所需功率，超過故障后靜穩極限成為導致電網失穩的原因；如果仿真2失穩則說明在輸送通道存在較大冗余的情況下，電網在短路沖擊作用下失去穩定，事故暫態沖擊成為導致失穩的原因。

3.2算法流程

算法流程如圖5所示。

圖5　功角失穩鑒別算法流程

a. 將電網發生的故障K造成故障點D及電網電壓下降和電網切除故障時拓撲結構由G改變為T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拓撲結構由G變為T的影響因素；仿真2：原故障基礎上限制故障點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的穩定情況，判別電網是否能夠保持同步穩定。

d. 基于步驟c的穩定判別結果，對電網發生故障K造成失去穩定同步的原因作出如下鑒別。

情況1：仿真1失穩，仿真2不失穩，故障K造成的電網失穩，主要由于故障后，電網結構改變，達到靜態穩定極限限制。

情況2：仿真1失穩，仿真2失穩，故障K造成的電網失穩，由于故障達到暫態穩定限制和故障后電網達到靜態穩定極限限制共同作用，并且兩個原因皆可單獨造成電網失去穩定。

情況3：仿真1不失穩，仿真2失穩，故障K造成的電網失穩，主要由于故障達到暫態穩定限制原因。

情況4：仿真1不失穩，仿真2不失穩，故障K造成的電網失穩，由暫態穩定和故障后靜態穩定極限限制合力作用造成，是靜穩問題和暫穩問題相互影響產生，亦可考慮非周期動態失穩原因。

3.3仿真計算結果

應用電力系統計算分析軟件PSD-BPA對模擬故障進行分析。

3.3.1仿真1的計算鑒別

操作設置：對雁同-神頭進行斷線故障仿真。

操作結果：系統功角失穩。

選取具有代表性的仿真曲線展示仿真失穩結果如圖6所示。

圖6　仿真1計算結果

3.3.2仿真2的計算鑒別

操作設置：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，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短路操作中對應時刻相當)。

操作結果：系統穩定。

選取具有代表性的仿真曲線展示仿真結果如圖7所示。

圖7　仿真2計算結果

4結果分析與討論

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，斷開線路后潮流轉移，系統功角失穩。即無短路沖擊影響時，如果輸電通道不拓寬，則系統失穩。

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，系統仍然能夠保持穩定。即有短路沖擊，但拓寬輸電通道，系統仍穩定。

圖8　雁同電壓對比

綜合以上2個驗證算例的結果，認為造成穩定問題的主要原因為：故障后切除雁同-神頭雙回線路，潮流轉移達到大同-房山通道靜穩極限限制，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極限計算結果為6 770～7 000 MW，N-2后潮流轉移，大同-房山線應承擔的輸送容量為6 724 MW左右，已經逼近靜穩極限。由于故障后的波動，促使輸送容量超過靜穩極限。對靜穩極限的計算一定程度上驗證了以上的分析，山西省后續項目研究結果亦證明了結論的正確性。

5結束語

闡釋了靜態穩定問題和暫態穩定問題的實質，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拓撲結構影響因素從而實現判別和鑒定，方法應用的結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，結論清晰直觀，易于利用商用軟件(PSD-BPA等仿真軟件)實現等特點。

參考文獻：

[1]DL 755—2001，電力系統安全穩定導則[S]．

[2]孫華東，湯涌，馬世英.電力系統穩定的定義與分類述評[J]，電網技術，2006，30(17)：31-35．

[3]湯涌，林偉芳，孫華東，等．基于戴維南等值跟蹤的電壓失穩和功角失穩的判別方法[J]．中國電機工程學報，2009，29(25)：1-6．

[4]何大愚．對于美國西部電力系統1996年7月2日大停電事故的初步認識[J]，電網技術，1996，20(9)：35-39．

[5]劉光曄，楊以涵．電力系統電壓穩定與功角穩定的統一分析原理[J]．中國電機工程學報，2012，33(13)：135-149．

[6]張靖，文勁宇，程時杰，等．基于向量場正規形的電力系統穩定模式相關性理論分析[J]．中國電機工程學報，2006，26(11)：82-86．

[7]范強，彭志煒，張靖．功角穩定與電壓穩定的關聯性研究現狀與展望[J]．電力系統保護與控制，2012，40(12)：41-48，55．

[8]湯涌，仲悟之，孫華東，等．電力系統電壓穩定機理研究[J]．電網技術，2010，34(4)：24-29．

[9]孫艷，李如琦，孫志媛．快速評估電力系統頻率穩定性的方法[J]．電網技術，2009，33(18)：73-77．

[10]張文朝，何玉龍，顧雪平，等．單輸電通道中輸電斷面靜穩極限的快速估算[J]，電網技術，2012，36(5)：92-95．

[11]李岳．暫態穩定約束的極限傳輸能力的快速求取方法研究[D]．華北電力大學(保定)，2010．

[12]金敏杰，陳家榮，梅生偉，等．基于改進信號能量法估計暫態穩定極限[J]．中國電機工程學報，2004，24(9)： 1-6．

[13]韓文，韓禎祥．一種判別電力系統電壓穩定和功角穩定的新方法[J]．中國電機工程學報，1997，17(6):367-368，376．

[14]中國電力科學研究院．PSD-BPA 暫態穩定程序用戶手冊(4.10版)[M]．北京：中國電力科學研究院，2008.

[15]國家電網公司．國家電網公司電力系統安全穩定計算規定[Z]．北京：國家電網公司，2006．

本文責任編輯：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

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)01-0030-04

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

收稿日期：2015-09-14