基于PSASP仿真平臺的電網振蕩解列判據分析

張美倫，郝文波，胡遠婷，劉 進，張 睿

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

振蕩解列是當電力系統發生功角穩定破壞后，為防止發生大面積停電事故所采取的一項重要措施，是大規模電網安全保障體系三道防線中的最后一道防線[1-3]。當系統發生失步振蕩時，解列控制就會及時、準確地將系統劃分成若干個孤島，以避免故障擴散到整個網絡引起全系統的崩潰[4]。隨著電網規模的不斷擴大，振蕩解列裝置的重要性也隨之突出，近年來，振蕩解列裝置的參數設定主要依靠對發電機及電網典型參數進行仿真計算[5-8]，這種方法對于不同電廠的發電裝置來說準確性相對較差。

以黑龍江克東恒誠生物質電廠為研究對象，采用PSASP仿真平臺對發電廠實際的振解參數以及振蕩開始時間進行仿真計算，以電壓為解列判據對振蕩中心進行準確捕捉。計算過程中，根據實際參數建立廠站模型，在不同方式下對各級母線進行暫穩故障下的電壓和功角仿真分析，獲取不同方式下發電機端的振解電壓，以此作為電廠振解裝置動作的判斷依據。

1 分析條件

采用PSASP中的暫態穩定分析模塊進行仿真分析，故障類型為發變組高壓側三相短路接地故障。分析條件如下：

1)對黑龍江電網中網架結構較為薄弱、易發生振蕩的北部地區進行仿真，選取黑龍江克東恒誠生物質電廠為研究對象，該電廠現有容量為20 MVA的主變2臺、15 MW的發電機組1臺，主變110 kV、35 kV、10 kV側并列運行，機組帶Ⅰ、Ⅱ段10 kV母線，經克東-恒誠線路與系統并網。正常運行方式下，北安變110 kV北克乙線帶克東變、克南變運行，克東分線冷備用。特殊方式下可由克山變或北安變通過克城甲線、克東分線、克聯甲線帶克東變、克南變運行。電廠并網路徑圖如圖1所示。

圖1 電廠并網路徑圖

2)冬季大負荷運行方式具有電壓、潮流問題突出的特點，因此，依據2020年黑龍江省電網實際運行情況，采用冬季大負荷運行方式進行計算。

3)建立仿真模型所需參數，包括主變壓器參數、并網線路參數、廠站負荷參數、發電機參數等信息。其中，電廠發電機、主變、高廠變及低廠變參數均為實際銘牌數據。

發電機主要參數包括額定電壓，額定容量，轉子d軸同步電抗、暫態電抗、次暫態電抗，轉子q軸同步電抗、暫態電抗、次暫態電抗，定子電阻，轉子d軸勵磁繞組定子開路時間常數。

4)各主變、高廠變以正常分接頭運行(暫未考慮最大分接情況)。

2 不同開機方式下電網振蕩解列判據分析

2.1 方式1：恒誠廠、山口廠、北安廠機組全開

當恒誠廠10 kV出口母線發生三相短路故障時，故障點位于線路2%處，故障點母線電壓在故障時刻降至0。分別在故障點位置1%及99%處設三相斷線，故障持續時間0.3 s，隨后系統發生失步振蕩，機端輸出電壓實時仿真曲線如圖2所示。選取第1個波谷值，即電壓標幺值為0.236 48作為機端振解電壓判據，電壓低于此值，電廠振解裝置動作。

圖2 方式1下恒誠廠10 kV母線三相短路故障的電壓曲線

采用上述方法，分別設置恒誠廠35 kV母線、克東變35 kV及110 kV母線故障，機端輸出電壓波動曲線如圖3-5所示。

圖3 方式1下恒誠廠35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

圖4 方式1下克東變35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

圖5 方式1下克東變110 kV母線三相短路故障的電壓曲線

在恒誠廠、山口廠、北安廠機組全開方式下，當恒誠廠35 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.232 87；當克東變35 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.955 97；當克東變110 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.946 83。

2.2 方式2：恒誠廠開機，山口廠、北安廠各開1臺機

當恒誠廠10 kV出口母線發生三相短路故障，故障點位置位于線路2%處，故障點母線電壓在故障時刻降至0。分別設故障點位置1%及99%處三相斷線，故障持續時間0.3 s，隨后系統發生失步振蕩，機端輸出電壓實時仿真曲線如圖6所示，選取第一個波谷值，即電壓標幺值為0.265 14作為機端振解電壓判據，即電壓低于此值，電廠振解裝置動作。

圖6 方式2下恒誠廠10 kV母線三相短路故障的電壓曲線

采用上述方法，分別設置恒誠廠35 kV母線、克東變35 kV及110 kV母線故障，機端輸出電壓波動曲線如圖7-9所示。

圖7 方式2下恒誠廠35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

圖8 方式2下克東變35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

圖9 方式2下克東變110 kV母線三相短路故障的電壓曲線

在恒誠廠開機，山口廠、北安廠各開1臺機方式下，當恒誠廠35 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.241 02；當克東變35kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.950 85；當克東變110 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.949 48。

2.3 方式3：恒誠廠開機，山口廠、北安廠機組全停

當恒誠廠10 kV出口母線發生三相短路故障，故障點位置位于線路2%處，故障點母線電壓在故障時刻降至0。分別設故障點位置1%及99%處三相斷線，故障持續時間0.3 s，隨后系統發生失步振蕩，機端輸出電壓實時仿真曲線如圖10所示，選取第一個波谷值，即電壓標幺值為0.258 07作為機端振解電壓判據，即電壓低于此值，電廠振解裝置動作。

圖10 方式3下恒誠廠10 kV母線三相短路故障的電壓曲線

采用上述方法，分別設置恒誠廠35 kV母線、克東變35 kV及110 kV母線故障，機端輸出電壓波動曲線如圖11-13所示。

圖11 方式3下恒誠廠35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

在恒誠廠開機，山口廠、北安廠機組全停方式下，當恒誠廠35 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.239 93；當克東變35 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.951 99；當克東變110 kV母線發生故障時，機端振解電壓標幺值為0.945 05。

圖12 方式3下克東變35 kV母線三相短路故障的電壓曲線

圖13 方式3下克東變110 kV母線三相短路故障的電壓曲線

經以上過程的仿真分析，可得出不同開機方式下，系統發生故障后振解裝置進行相應動作的判據，如表1所示。結果表明，故障點電壓等級越高，機端電壓跌落越嚴重。不同方式下開機對機端電壓跌落影響不明顯。

表1 各母線發生電網故障時機端電壓Table 1 Voltages at generator terminal in case of grid fault of each bus

3 結 語

以黑龍江實際電廠為研究對象，構建了基于典型運行方式、現場實際裝置的仿真系統模型，通過對不同開機方式、不同故障位置情況下電網振蕩解列判據進行全面的仿真和分析，為振蕩解列裝置的參數設定提供依據。相較于傳統的對典型發電機及電網參數進行靜模試驗，基于PSASP的仿真技術更能直觀、準確地獲取振解解列時的機端電壓極限值，同現有獲取機端振解電壓的方法相比較，具有更高的準確性，對電廠制定振蕩解列裝置參數具有參考價值，為電網安全穩定運行構筑堅實防線。