異步聯(lián)網(wǎng)方式下±500 kV金中直流單極閉鎖事件分析及解決措施研究

楊明亮，張丹，劉旭斐，張杰，黃潤(rùn)，曾丕江，吳曉剛

（云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

2017年±800 kV新東直流投產(chǎn)后，云南電網(wǎng)正常通過(guò)七回直流（±800 kV普僑直流、±800 kV新東直流、±800 kV楚穗直流、±500 kV牛從直流雙回、±500 kV金中直流、±500 kV永富直流、±500 kV魯西背靠背）與南方主網(wǎng)異步運(yùn)行。異步聯(lián)網(wǎng)方式下，直流單、雙極閉鎖，云南電網(wǎng)將出現(xiàn)大量富余功率，導(dǎo)致頻率上升。若第二、三道防線失效，將導(dǎo)致云南電網(wǎng)頻率大幅上升，嚴(yán)重情況下，會(huì)引起電網(wǎng)頻率失穩(wěn)，導(dǎo)致大面積停電事故。因此，分析實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的直流閉鎖故障、研究并制定相應(yīng)措施對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義[1-3]。

為研究直流單極閉鎖期間系統(tǒng)穩(wěn)定性變化情況，本文對(duì)2018年8月21日實(shí)際發(fā)生的±500 kV金中直流單極閉鎖且自啟動(dòng)成功過(guò)程中的功率轉(zhuǎn)移、頻率、電壓、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等多個(gè)方面展開(kāi)分析，研究事件對(duì)云南電網(wǎng)的影響。結(jié)合BPA仿真分析，研究了直流自啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。結(jié)合小干擾分析，找出了參與低頻振蕩的相關(guān)機(jī)群，提出解決措施，為調(diào)度運(yùn)行管理和調(diào)度應(yīng)急處置提供了參考。

1 事件概況

2018年8月21 日19:46:43，金中直流極1單極閉鎖，自動(dòng)重啟成功。故障前，±500 kV金中直流雙極3200 MW運(yùn)行，單極輸送功率1600 MW。故障后660 ms，直流單極1次自動(dòng)重啟動(dòng)成功。19:46:43，麗江地調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)500 kV太金甲線、500 kV黃太甲線、500 kV黃太乙線低頻振蕩告警，19:46:53，麗江地調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)低頻振蕩告警消失。

2 故障前電網(wǎng)運(yùn)行情況

故障發(fā)生前，除500 kV寶峰玉溪Ⅰ回線、500 kV景納甲線停處檢修外，云南電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)全接線運(yùn)行，系統(tǒng)頻率、電壓運(yùn)行正常；滇西北地區(qū)交流外送斷面潮流如表1所示，故障前金中直流、新東直流運(yùn)行功率及主要電廠出力情況如表2所示，故障前各變電站交流電壓均運(yùn)行在正常水平，電壓情況如表3所示。

表1 故障前滇西北地區(qū)各送電斷面潮流

表2 故障前金中直流運(yùn)行功率及各電廠出力情況

表3 故障前主要站點(diǎn)500 kV母線電壓情況

3 故障后系統(tǒng)響應(yīng)

3.1 故障后系統(tǒng)潮流變化情況

為分析金中直流單極閉鎖故障后系統(tǒng)潮流變化情況，調(diào)取金中直流雙極、500 kV太金甲線、500 kV黃太乙線、500 kV黃仁甲線、500 kV思墨乙線、220 kV大蘇Ⅰ回線PMU數(shù)據(jù)，故障前后金官換流站換流變及各線路潮流變化情況如圖1~圖7所示。由圖1可以看出，19:46:43.150時(shí)刻，金中直流極1發(fā)生單極閉鎖故障，19:46:43.810直流自啟動(dòng)成功，自啟動(dòng)時(shí)間間隔為660 ms。金中直流單極閉鎖后，500 kV太金雙回線潮流由720 MW瞬時(shí)上升至2326 MW，660 ms后，直流自啟動(dòng)成功，此后太金雙回線功率振蕩衰減，至19:46:55，太金雙回線恢復(fù)至故障前初始值。其余各觀測(cè)線路均有類(lèi)似的振蕩情況出現(xiàn)。

圖1 金中直流極1潮流

圖3 500 kV太金甲線潮流

圖4 500 kV黃太乙線潮流

圖5 500 kV黃仁甲線潮流

圖6 500 kV思墨乙線潮流

圖7 220 kV大蘇Ⅰ回線潮流

3.2 故障后系統(tǒng)頻率變化情況

金中直流單極閉鎖前后500 kV太金甲線頻率曲線如圖8所示，500 kV寶峰變500 kV母線頻率如圖9所示。可以看出，直流單極閉鎖后太金甲線頻率瞬時(shí)升高至50.7 Hz，之后振蕩下降并恢復(fù)至故障前水平；在此期間，500 kV寶峰變母線頻率瞬時(shí)升高至50.008 Hz，之后逐漸恢復(fù)至故障前水平（49.98 Hz）。說(shuō)明金中直流單極閉鎖故障并自啟動(dòng)成功僅影響了短時(shí)間內(nèi)片區(qū)電網(wǎng)的頻率，對(duì)主網(wǎng)頻率影響不大。

圖8 500 kV太金甲線頻率

圖9 500 kV寶峰變500 kV母線頻率

3.3 故障后系統(tǒng)電壓變化情況

金中直流單極閉鎖前后500 kV太金甲線金官換流站側(cè)單相電壓曲線如圖10所示。可以看出，直流單極閉鎖后太金甲線金官換流站側(cè)電壓瞬時(shí)升高，之后振蕩下降并恢復(fù)至故障前水平，滿足電壓穩(wěn)定要求。

圖10 500 kV太金甲線金官換流站側(cè)單相電壓

4 故障期間系統(tǒng)穩(wěn)定性水平分析

選取500 kV太金甲線、500 kV黃太乙線、500 kV黃仁甲線、500 kV思墨乙線、220 kV大蘇Ⅰ回線的PMU數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，采用Prony法分析，觀測(cè)線路的主導(dǎo)振蕩模式及阻尼分析如表4所示。

表4 故障期間觀測(cè)線路的主導(dǎo)振蕩模式及阻尼分析（故障后10~30s）

可以看出，直流單極閉鎖后，電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定所表現(xiàn)出頻率為0.64 Hz左右的主導(dǎo)振蕩模式，阻尼比平均在3%以上，根據(jù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定判據(jù)[4]：“系統(tǒng)中的區(qū)域間振蕩模式及與大機(jī)組強(qiáng)相關(guān)的局部振蕩模式在小擾動(dòng)情況下的最低阻尼比標(biāo)準(zhǔn)不低于0.035，在大擾動(dòng)情況下的最低阻尼比標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于0.02”，因此，直流閉鎖后，電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性雖然受到了影響，但仍然滿足導(dǎo)則對(duì)動(dòng)穩(wěn)的要求。

5 仿真分析

5.1 直流自啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

從2.2節(jié)PMU數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，金中直流單極閉鎖故障發(fā)生后，各觀測(cè)線路均發(fā)生不同程度的低頻振蕩，隨著時(shí)間的推移，振蕩逐漸平息；考慮到金中直流單極閉鎖故障后，自啟動(dòng)時(shí)間間隔較短（660 ms），為研究直流自啟動(dòng)對(duì)振蕩行為的影響，分別對(duì)金中直流單極閉鎖（不自啟動(dòng)）和單極閉鎖（自啟動(dòng)）兩種方式進(jìn)行計(jì)算，并截取故障后0~30s內(nèi)黃太乙線和太金甲線的功率曲線進(jìn)行prony分析，相關(guān)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 不同時(shí)間段自啟動(dòng)對(duì)阻尼比的影響（黃太乙線）

表6 不同時(shí)間段自啟動(dòng)對(duì)阻尼比的影響（太金甲線）

從仿真結(jié)果可以看出，金中直流單極閉鎖后，黃太乙線和太金甲線均發(fā)生了0.6 Hz左右的振蕩模式，其中直流單極閉鎖自啟動(dòng)成功的阻尼比明顯低于直流單極閉鎖不自啟動(dòng)的阻尼比，這是由于故障后短時(shí)間內(nèi)直流自啟動(dòng)成功，對(duì)系統(tǒng)造成了二次沖擊所致。隨著時(shí)間推移，自啟動(dòng)造成的影響逐漸減弱，因此兩種方式下阻尼比差異不明顯。

5.2 振蕩模式分析

從PMU數(shù)據(jù)Prony分析結(jié)果可看出，金中直流單極閉鎖故障后，系統(tǒng)發(fā)生了頻率為0.64 Hz左右的振蕩模式，根據(jù)BPA仿真結(jié)果，系統(tǒng)振蕩模式頻率為0.6 Hz左右。為研究該振蕩模式的參與機(jī)群，采用PSD-SSAP程序進(jìn)行小干擾頻域分析，相關(guān)特征值計(jì)算結(jié)果如表7、表8所示，模態(tài)圖如圖11、圖12所示。

圖11 0.636 Hz振蕩模式參與因子模態(tài)圖

圖12 0.636 Hz振蕩模式右特征向量模態(tài)圖

表7 小干擾分析特征值表

表8 0.636 Hz振蕩模式相關(guān)機(jī)組特征向量及參與因子

由小干擾分析結(jié)果可看出，振蕩頻率為0.636 Hz的振蕩模式，阻尼比為8.4%（由于軟件計(jì)算誤差等原因，小干擾分析阻尼比大于系統(tǒng)實(shí)際的大擾動(dòng)阻尼比）。從表8可看出該振蕩模式中參與因子較大的機(jī)組有保山地區(qū)的蘇家河口、松山河口、臘寨、阿鳩田、等殼、三岔口等，麗江地區(qū)的梨園、阿海機(jī)組，瀾上機(jī)組有黃登、大華僑、苗尾機(jī)組。

因此，若需避免此振蕩模式出現(xiàn)（或增加該振蕩模式的阻尼比），可通過(guò)修改保山地區(qū)松山河口、蘇家河口及地區(qū)小電、麗江地區(qū)梨園、阿海、瀾上大華橋、苗尾、黃登的機(jī)組參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）根據(jù)PMU分析結(jié)果，金中直流單極閉鎖再自啟動(dòng)成功期間，系統(tǒng)電壓及頻率保持穩(wěn)定，出現(xiàn)了頻率約為0.64 Hz左右的低頻振蕩模式，其阻尼比大于3%，滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定要求；

2）直流自啟動(dòng)成功，對(duì)系統(tǒng)造成了二次沖擊，造成短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)阻尼比降低；

3）根據(jù)小干擾分析結(jié)果，該0.64 Hz左右的振蕩模式參與因子較大的機(jī)組為保山保山地區(qū)的蘇家河口、松山河口、臘寨、阿鳩田、等殼、三岔口等，麗江地區(qū)的梨園、阿海機(jī)組，瀾上機(jī)組有黃登、大華僑、苗尾機(jī)組;

4）由于保山地區(qū)機(jī)組容量小，參數(shù)修改后對(duì)該振蕩模式的改善效果不明顯，需協(xié)調(diào)總調(diào)對(duì)梨園、阿海、大華橋、苗尾、黃登電廠的相關(guān)機(jī)組進(jìn)行參數(shù)修改，但該修改可能對(duì)云南電網(wǎng)內(nèi)部其余振蕩模式產(chǎn)生影響，需進(jìn)一步結(jié)合試驗(yàn)及仿真驗(yàn)證。