基于WAMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制

基于WAMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制

發(fā)電機(jī)失步保護(hù)是電網(wǎng)第三道防線的重要組成部分，特別是在組機(jī)大型化發(fā)展的今天，發(fā)電機(jī)失步保護(hù)動作與否對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性影響越來越大。而以往的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)研究只關(guān)注于發(fā)電機(jī)本身，缺乏對機(jī)組與電網(wǎng)協(xié)調(diào)性的研究。針對這種情況，提出基于廣域相量測量系統(tǒng)（WAMS的）軌跡超時預(yù)測技術(shù)的可以提前預(yù)測發(fā)電機(jī)失步運動走向，可以及時切除必然會失步的大型機(jī)組或者延長切除時間將經(jīng)過一段時間失步后會被電網(wǎng)拉回同步的機(jī)組。當(dāng)電網(wǎng)處理臨界狀態(tài)時第三道防線將從電網(wǎng)安全穩(wěn)定的角度出發(fā)，有選擇性的切除機(jī)組（電網(wǎng)），避免出現(xiàn)美國8.14大停電那樣的事故。

超高壓電網(wǎng)的建設(shè)及大型發(fā)電機(jī)組的投入使電網(wǎng)系統(tǒng)電抗減小，系統(tǒng)若發(fā)生振蕩，振蕩中心一般會在落在發(fā)電機(jī)機(jī)端，對發(fā)電機(jī)特別是單元接線的大型機(jī)組的安全產(chǎn)生很大的危害，因此對發(fā)電機(jī)進(jìn)行失步預(yù)測是很有必要的。但是目前國內(nèi)外的失步保護(hù)參數(shù)為靜態(tài)設(shè)置，保護(hù)參數(shù)不能隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化作相應(yīng)的調(diào)整；另一方面失步保護(hù)裝置只能從局部的角度判斷發(fā)電機(jī)是否會失步，沒有考慮到電網(wǎng)的作用，沒有考慮到已失步機(jī)組是否會被電網(wǎng)拉回同步。功角是否越限是判斷發(fā)電機(jī)失步的主要標(biāo)志。廣域相量測量系統(tǒng)（WAMS）的發(fā)展，使系統(tǒng)受擾后功角軌跡預(yù)測與系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測成為可能。暫態(tài)不穩(wěn)定實時識別是為了阻止失步的發(fā)生，WAMS采集到的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸就會存在遺失與延時的風(fēng)險，能超實時預(yù)測發(fā)電機(jī)的運動軌跡就實現(xiàn)百分百為WAMS的發(fā)電機(jī)失步預(yù)測及保護(hù)提供必要的系統(tǒng)狀態(tài)信息。本文提出的基于WAMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制方法能從整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行出發(fā)，在系統(tǒng)失穩(wěn)前發(fā)出指令，切除多余能量以維持系統(tǒng)穩(wěn)定。實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)失步保護(hù)與發(fā)電機(jī)失步保護(hù)相協(xié)調(diào)。

微分動力系統(tǒng)的自記憶預(yù)測算法

文獻(xiàn)［4，5］給出的預(yù)測法是“經(jīng)驗型”方法，沒有從理論上給出深入的分析且給出的預(yù)測方法計算結(jié)果精確性太差；文獻(xiàn)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測軌跡，其缺點是難以獲取訓(xùn)練樣本，而且訓(xùn)練過程相對艱難。基于發(fā)電機(jī)運動方程的三個狀態(tài)量的滾動自記憶預(yù)測公式，考慮歷史測量數(shù)據(jù)及其高階變化量對未來的影響，具有很高的預(yù)測精度和良好的穩(wěn)定性，并且能夠有效預(yù)測較長的時間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動方程及其分析多機(jī)電力系統(tǒng)同步參考坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子運動方程為：

δi發(fā)電機(jī)i 的轉(zhuǎn)子角/rad；?ωi發(fā)電機(jī)i的轉(zhuǎn)子角速度/ p.u.；Mi發(fā)電機(jī)i 的慣性時間常數(shù)/秒；Pmi機(jī)械輸入功率/p.u.；Pei電磁輸出功率/p.u.；Di阻尼因子/p.u.。?Pi=Pmi-Pei為不平衡功率，式（1）中的、?ωi和?Pi是可以實時測量的，其中δi二階連續(xù)可微，?ωi一階連續(xù)可微，?Pi代表了角加速度，屬于高階量，在系統(tǒng)發(fā)生離散操作時可以突變，但其在各次離散操作間保持連續(xù)；并且功角、角速度、角加速度之間遵循動力學(xué)關(guān)系。總之，電力系統(tǒng)的運動方程是一個非線性動力學(xué)方程。計及發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器后，?Pi不再是正弦曲線，其變化情況比較復(fù)雜。

自記憶軌跡預(yù)測算法

自記憶預(yù)測通過引入記憶函數(shù)，能夠計及歷史信息的影響，具有較高的精度和穩(wěn)定性。它適用于具有形如下式的微分動力系統(tǒng)：

其離散表達(dá)形式為：

p 為預(yù)測時刻之前的采樣點數(shù)，βi可通過最小二乘法辨識獲得。δ對應(yīng)x ，ω0?ω對應(yīng)F（ x，t），綜合考慮預(yù)測的快速性和準(zhǔn)確性，可以取三階形式：

對于電力系統(tǒng)，（4）中與F（ x，t）對應(yīng)的ω0?ω只能獲得當(dāng)前時刻及之前時刻的測量值，下一時刻的ω0?ω未知，且不能準(zhǔn)確計算，這樣僅能預(yù)測下一時刻的功角δi+1。為使自記憶應(yīng)用到電力系統(tǒng)時能進(jìn)行多步預(yù)測，有必要先對ω0?ω進(jìn)行預(yù)測。使用正弦三角函數(shù)對角速度進(jìn)行擬合：

?ω=ωc（t）+λ1t（t）sin（t）+λ2t（t）cos（t ）。不平衡功率的可由式子?P=Pc（ t）+λ1t（t）sin（δ）+λ2t（t ）cos（δ）擬合。其中的Pc（ t），λ1t（t），λ2t（t ）為待辨識的時變參數(shù)。就某一確定時刻的系統(tǒng)運行狀態(tài)而言，只要系統(tǒng)不遇到大的擾動，這個參數(shù)在短時間內(nèi)可以作為常數(shù)處理，這時用最小二乘法辨識一次參數(shù)，之后認(rèn)為它們保持恒定。

從發(fā)電機(jī)的功角軌跡圖能直接判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，但是不能讀出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，不能將發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度給出一個定量的數(shù)值用于臨界狀態(tài)時的電力系統(tǒng)緊急控中。

基于軌跡預(yù)測的暫穩(wěn)控制方法

系統(tǒng)功角失穩(wěn)是因為各個發(fā)電機(jī)組無法保持同步，若能使得系統(tǒng)保持同步，則系統(tǒng)就能恢復(fù)穩(wěn)定。假設(shè)系統(tǒng)功角失穩(wěn)模式為兩群失穩(wěn)，則機(jī)組可以分為臨界機(jī)群和其余機(jī)群，兩機(jī)群之間角速度不同，則兩機(jī)群之間必然有一個暫態(tài)動能差額，如果通過切除領(lǐng)先機(jī)群的機(jī)組來消除兩機(jī)群之間的暫態(tài)動能差額，使得兩機(jī)群之間的角速度差為零，則系統(tǒng)能夠恢復(fù)同步。

基于EEAC的多余動能確定方法

利于擴(kuò)展等面積定則（EEAC）原理，可以得到發(fā)電機(jī)群的慣量中心（CCCOI）在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中的空間時變映像，這個映像具有映射前多機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的所有信息。因此計算出這個映像是否穩(wěn)定就得出了原多機(jī)系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

假設(shè)通過軌跡的穩(wěn)定性預(yù)測判別出系統(tǒng)失穩(wěn)的時刻為Te，通過切機(jī)，將判別失穩(wěn)時刻Te的多余動能切除掉，就能消除臨界機(jī)群與系統(tǒng)慣量中心的角速度差，使得系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定。

因此，只要切除一定發(fā)電機(jī)，使得這部分暫態(tài)動能EK，e為零，則系統(tǒng)就能夠恢復(fù)穩(wěn)定。

在系統(tǒng)判別失穩(wěn)時刻Te第i臺發(fā)電機(jī)相對于其余機(jī)群（A）慣性中心的暫態(tài)動能為：

其中，ωi，e為Te時刻第i臺發(fā)電機(jī)的角速度，ωa，e為Te時刻其余機(jī)群慣量中心的角速度。則該動能EKi，e即為切除該發(fā)電機(jī)時，系統(tǒng)多余動能EK，e所減少的值。當(dāng)初始切機(jī)控制量EK確定后，可取總?cè)萘看笥贓K且最接近于EK的發(fā)電機(jī)作為切機(jī)量。

基于相圖凸凹性穩(wěn)定性判斷

從單機(jī)無窮大系統(tǒng)空間中的時變映像可以計算出需要切除的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的多余動能。為確保等值后，切機(jī)量必須計算正確，需對切機(jī)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行再次預(yù)測。文獻(xiàn)［7，8］提出應(yīng)用相圖凹凸性來單機(jī)無窮大系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種方法不受運行時刻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)和模型影響，并通過仿真驗證該方法的有效性。

不返回點（NRP）就是相軌跡出現(xiàn)凸特性的點。相軌跡平面上的NRP映射到實質(zhì)系統(tǒng)中就是機(jī)組受擾動后實際的運動軌跡。用相軌跡平面上NRP點切線斜率的正、負(fù)來作為系統(tǒng)是否能恢復(fù)穩(wěn)定的判定依據(jù)。NRP的離散本達(dá)式為：

若?k（ i ）＞0，則代表系統(tǒng)則穩(wěn)定；若?k（ i ）＜0，則代表系統(tǒng)將會失去穩(wěn)定。具體流程圖如圖1。

仿真驗證

以某省實際電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真驗證，該省電網(wǎng)包含114臺有效發(fā)電機(jī)。假設(shè)電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP的仿真結(jié)果為WAMS的實測信息，仿真步長取10ms。

某省實際電網(wǎng)，在母線A與母線B之間的500kV雙回線路中的一回線上0秒發(fā)生三相短路故障，并在0.13秒切除故障線路。基于預(yù)測軌跡的不穩(wěn)定性判據(jù)在0.4s的時候判別出系統(tǒng)將要失穩(wěn)。未應(yīng)用本文提出的控制方法，發(fā)電機(jī)功角曲線如圖25所示。假設(shè)0.55s時切機(jī)動作完成，采取控制措施切除后的系統(tǒng)功角曲線圖3所示。

從圖2圖3中可以看出，本文提出的基于AMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制方法能從整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行出發(fā)，在系統(tǒng)失穩(wěn)前發(fā)出指令，切除多余能量以維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖1 基于WAMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制流程圖

圖2 無控制措施時的功角曲線圖

圖3 有控制措施時的功角曲線圖

結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)失步保護(hù)裝置的局限性，給出了一種基于WAMS暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測的發(fā)電機(jī)失步保護(hù)的協(xié)調(diào)控制方法。應(yīng)用自記憶預(yù)測軌跡的判別方法，考慮電力系統(tǒng)的動力學(xué)特性，從動力學(xué)角度描述了功角的變化趨勢，快速識別出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并應(yīng)用EEAC理論計算系統(tǒng)多余能量即合適的切機(jī)量。切機(jī)后系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)會隨之發(fā)生改變，采用不受網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)影響的相軌跡凹凸性判別理論預(yù)測切機(jī)后系統(tǒng)的穩(wěn)定狀況并對切機(jī)量及時調(diào)整，提高整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.022