具有主動解列功能基于系統(tǒng)響應(yīng)檢測的安全穩(wěn)定控制方法

1、具有主動解列功能基于系統(tǒng)響應(yīng)檢測的安全穩(wěn)定控制方法劉福鎖1、楊衛(wèi)東1、黃志龍2、徐泰山1、曹路2、姚海成11.國網(wǎng)電力科學(xué)研究/南京南瑞集團，江蘇省南京市 210003；2. 華東電力調(diào)度中心，上海 200002Stability control method with active islanding based on system response measurementLIU Fu-suo1，YANG Wei-dong1，HUANG Zhi-long2，XU Taishan1，CAO Lu2，YAO Hai-cheng1(1.State Grid Electric Power Resea

2、rch Institute ，Nanjing 210003，China)(2.East China Electric Power Dispatch Center ，Shanghai 200002，China)ABSTRACT: The traditional method of security stability control is normally based on certain specified faults and operating modes and is often helpless to dynamic instability caused by some unpredi

3、ctable faults. The out-of-step islanding procedures will be launching after one or more cycle of out-of step in power system. This paper presents a discussion of active islanding control ,and proposes a new stability control method with active islanding based on system response measurement, and then

4、 proposes two control criterions respectively based on local electrical quantities and wide area information. Digital simulation results are also given to validate the criterion.This work is supported by a Science and Technology Project Fund of East China Electric Power Company.KEY WORD: active isla

5、nding；system response measurement based stability control；local electrical quantities； wide area information摘要：傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制方案都基于特定的故障和系統(tǒng)運行方式，對于一些不可預(yù)料的故障導(dǎo)致電網(wǎng)動態(tài)失穩(wěn)過程中，將無能為力。而失步解列要到電網(wǎng)失步一個或多個周期以后才能將失步機群解列，執(zhí)行時機較晚。本文在探討主動解列的基礎(chǔ)上，提出了基于系統(tǒng)響應(yīng)、通過捕捉系統(tǒng)增幅振蕩采取切機或主動解列措施來抑制系統(tǒng)振蕩的穩(wěn)定控制方法。分別給出了基于就地信息和廣域信息的控制判據(jù)，并用數(shù)字仿真驗證了判據(jù)的有效

6、性。關(guān)鍵詞：主動解列；基于系統(tǒng)響應(yīng)的安全穩(wěn)定控制；就地信息；廣域信息引言傳統(tǒng)安全穩(wěn)定控制方法的特征是控制策略的制定必須針對特定的故障和運行方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，根據(jù)故障類型和當(dāng)前電網(wǎng)運行方式，選定控制措施及控制量1。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，系統(tǒng)的失步形態(tài)可能變得非常復(fù)雜，除了可能存在多個不同的失穩(wěn)模式外，還可能使得在電網(wǎng)建設(shè)初期通常存在的暫態(tài)失穩(wěn)模式發(fā)展到多擺失穩(wěn)和因阻尼不足或當(dāng)系統(tǒng)遭受大擾動而引起的動態(tài)失穩(wěn)2-3。在一些難以預(yù)料的故障擾動下，電網(wǎng)出現(xiàn)增幅振蕩過程時，傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制方法將束手無策。研究國內(nèi)外大停電的經(jīng)驗教訓(xùn)4-5可知，往往先是由偶然事件誘發(fā)一系列相繼故障，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)

7、多擺振蕩后失步。失步解列作為防止系統(tǒng)崩潰的最后一道防線，在我國電網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用6-7。但失步解列一般要到電網(wǎng)已經(jīng)失步幾個周期后才采取控制措施，執(zhí)行時機較晚。由于電網(wǎng)的強非線性，各種因素都可能影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，基于時序外延的預(yù)測方法即使能可靠的預(yù)測系統(tǒng)失步，但是與真正發(fā)生失步時刻相比，其所提前的時間也是有限的8。本文在分析傳統(tǒng)方法欠缺的基礎(chǔ)上，提出一種能防御系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)的，基于系統(tǒng)響應(yīng)檢測的安全穩(wěn)定控制方法，該方法通過對電氣量檢測判斷系統(tǒng)是否發(fā)生增幅振蕩，通過在送端采取切機抑制電網(wǎng)的增幅振蕩或者觸發(fā)主動解列命令，將發(fā)生增幅振蕩的機群解列。主動解列探討1.1主動解列定義及其特點傳統(tǒng)解列控制

8、的特點是通過離線計算預(yù)先決定解列地點和解列裝置動作條件，根據(jù)就地量測信息決定裝置動作時間，各裝置分散缺乏協(xié)調(diào)。部分學(xué)者9將傳統(tǒng)的解列方式稱為被動解列，將具有自適應(yīng)能力的解列方式稱為主動解列。自適應(yīng)解列方式的特點是利用高速通訊手段整合分散的解列裝置構(gòu)成解列控制系統(tǒng)，通過適時、全面、主動地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，在發(fā)生大擾動時及時發(fā)現(xiàn)失步機群，動態(tài)確定解列地點和解列動作時序。這種分類方法將傳統(tǒng)的解列控制理解為被動解列控制，而將自適應(yīng)解列控制等同于主動解列。隨著理論界以及工程實際對快速解列必要性認(rèn)識的深入，筆者認(rèn)為這種分類方法值得商榷，可能使人誤認(rèn)自適應(yīng)解列就是主動解列。所謂主動與被動解列應(yīng)該從解列時刻上來區(qū)

9、分。而區(qū)分的分界點就是系統(tǒng)發(fā)生失步的時刻，在失步之前將電網(wǎng)解列，稱為主動解列，在系統(tǒng)失步后采取的解列措施稱為被動解列。主動解列實質(zhì)上是一種前饋控制，它包括連鎖解列和預(yù)測性失步解列以及在緊急控制中采取的解列措施等。而被動解列是在檢測系統(tǒng)失步后采取的措施，屬于反饋性控制。1.2主動解列必要性分析由于控制技術(shù)以及對電力系統(tǒng)認(rèn)識的限制，目前實際應(yīng)用的解列裝置多為基于本地量量測的被動解列，但這無法掩蓋在某些情況下，主動解列的確能以較小代價取得較優(yōu)控制結(jié)果的事實。從廣義上講，解列控制也可和切機、切負(fù)荷以及直流功率緊急調(diào)制等并列作為緊急控制措施，即檢測到某個會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的故障形態(tài)，就執(zhí)行解列控制。通過離線

10、數(shù)字仿真，也不難驗證，在某些情況下，執(zhí)行主動解列控制可減少切機或切負(fù)荷量。因此，有必要研究主動解列的實施條件及其控制方法。隨著我國電網(wǎng)的日益發(fā)展壯大，在單一的N-1或N-2故障下，導(dǎo)致系統(tǒng)首擺便發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)的現(xiàn)象已越來越少見，取而代之的則更多地是在某些相繼故障下，系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)多擺失穩(wěn)。國內(nèi)外的很多大停電事故也表明，簡單的N-1故障一般很難使系統(tǒng)失穩(wěn)。通常是一些偶然事故的疊加，導(dǎo)致電網(wǎng)在動態(tài)過程中失去穩(wěn)定和最終的崩潰。在系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)失穩(wěn)過程中，從事故發(fā)生到電網(wǎng)崩潰，一般都經(jīng)歷較長時間，如果仍采用傳統(tǒng)的失步解列判據(jù)，往往要花費很長時間，才能判出系統(tǒng)已經(jīng)失步。若能采取主動解列措施或其他控制措施，則能

11、有效減小因電壓、功率等劇烈振蕩對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，并有可能避免大停電事故的發(fā)生。在系統(tǒng)必然失步的情況下，同時屬于解列控制的主動解列效果通常優(yōu)于基于傳統(tǒng)失步解列判斷原理的被動解列，事實上，由于各種因素都可能影響受擾系統(tǒng)的動態(tài)特性，使得任何基于時序外延的預(yù)測方法即便能可靠地預(yù)測系統(tǒng)失步，但所能縮短的解列時間通常也十分有限。因此，盡量縮短解列所需的動作時間，必須依賴于符合穩(wěn)定機理的預(yù)測失步解列判據(jù)的研究10，且該研究本身也是一項極其艱巨的復(fù)雜課題。2基于響應(yīng)檢測的安控方法分析國內(nèi)外大電網(wǎng)事故的發(fā)展過程可知，大區(qū)電網(wǎng)通常在一些級聯(lián)故障或者一些偶然因素疊加下，在動態(tài)振蕩過程中失去穩(wěn)定。在系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)時，往

12、往是由于機組之間發(fā)生增幅振蕩直至失步，最后導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。依據(jù)上述特點，本文研究了基于系統(tǒng)響應(yīng)檢測的安控方法：通過檢測機組功角差或輸電斷面功率來捕捉增幅振蕩的趨勢，觸發(fā)切機或采取主動解列控制措施抑制系統(tǒng)增幅振蕩?；谙到y(tǒng)響應(yīng)檢測的安全穩(wěn)定控制方法，不必檢測系統(tǒng)到底發(fā)生了什么故障，因而能有效克服傳統(tǒng)安控方法的不足，而且該方法不涉及對系統(tǒng)工況的檢測和匹配，對不同運行方式具有良好的適應(yīng)性。采用該方法，可給出類似于安控所執(zhí)行的操作，但觸發(fā)其動作的信號，卻來自于對系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵機組或線路響應(yīng)的檢測，且該檢測結(jié)果與故障和系統(tǒng)的運行工況無關(guān)，因此非常符合第三道防線的設(shè)計理念。3判據(jù)描述3.1基于就地信息的控制判據(jù)

13、當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩時，振蕩中心所在斷面上電氣量將發(fā)生周期性增幅振蕩。通過監(jiān)視斷面有功功率振蕩情況，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了增幅振蕩。定義：振蕩幅度PZD=（PMAX -PMIN） （1）綜合振幅PAV（k）=PZD（k）+PZD（k-1）+PZD（k-l） （2）其中，PMAX為振蕩過程中一個擺次的有功功率最大值；PMIN是與之相鄰的有功功率最小值；PZD（k）為第k擺次功率振蕩幅度，在功率增幅振蕩時，PZD通常是一個不斷增大的值；l為綜合因子，綜合振幅PAV（k）等于第k擺振幅與k擺之前l(fā)擺振幅之和。另外，定義V（k）為第k擺振蕩過程中變電站母線最低電壓值；VSET為電壓動作定值；PSET為功率動

14、作定值。如果滿足 （3）判斷系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩，觸發(fā)主動解列或切機命令。3.2基于廣域信息的控制判據(jù)在斷面兩側(cè)選擇具有代表性的機組（可通過詳細(xì)的穩(wěn)定分析得到該信息）配置PMU，將機組的實時功角傳送到控制中心進行簡單計算就可以得到兩群機組間的功角差，進而通過跟蹤功角差值軌跡的變化情況，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生增幅振蕩。定義：綜合峰值A(chǔ)V1（k）=MAX（k）+MAX（k-1）+MAX（k-l） （4）綜合谷值A(chǔ)V2（k）=MIN（k）+MIN（k-1）+MIN（k-l） （5）其中MAX（k）為功角差第k擺的峰值；MIN（k）為功角差第k擺的谷值；l為綜合因子，表示綜合峰值等于功角差第k擺的峰值和k擺之前

15、l擺功角差的峰值之和；綜合谷值等于功角差第k擺的谷值和k擺之前l(fā)擺功角差的谷值之和。另外，定義SET為功角差動作定值。如果滿足 （6）或者 （7）判斷系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩，結(jié)合電網(wǎng)實際情況觸發(fā)主動解列或切機命令。4仿真驗證以2008年華東電網(wǎng)福建外送功率較大的典型方式為例，驗證本文所研究控制判據(jù)的正確性。在該方式下，福建-浙江斷面的麗水-連江雙回線相繼故障導(dǎo)致福建機群相對華東主網(wǎng)振蕩，系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)，華東機組搖擺曲線如圖1所示。麗水-連江雙回線相繼故障導(dǎo)致福建機群相對華東主網(wǎng)機組的增幅振蕩過程中，福建-浙江斷面兩側(cè)典型機組后石和秦山電廠發(fā)電機組功角差的變化軌跡如圖2所示。每擺的峰值和谷值如表1所示。

16、為了降低檢測噪聲以及某擺不規(guī)則擺動的影響，建議取綜合因子l=3。由式（4）和式（5）計算可得表2所示的綜合峰值和綜合谷值?？梢?，如果SET整定為100，基于相角測量主動解列判據(jù)能在10.57秒準(zhǔn)確判斷出系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩，可在系統(tǒng)失步前，觸發(fā)主動解列命令。相比之下，傳統(tǒng)失步解列裝置至少要在20秒后才能判斷出系統(tǒng)失步并觸發(fā)解列命令。其次，也可以在滿足判據(jù)時，觸發(fā)切除送端機組或者降低機組出力的指令來抑制系統(tǒng)的增幅振蕩，即使不能完全使系統(tǒng)振蕩平息，對系統(tǒng)的增幅振蕩，也有很好的抑制作用。圖1 麗水-連江雙回線發(fā)生相繼故障后華東電網(wǎng)機組的功角搖擺曲線Fig.1 Generator angle swing

17、curves of East China power system圖2 麗水-連江雙回線相繼故障下后石和秦山機組的功角差軌跡Fig.2 Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators表1 后石和秦山機組功角差各擺的峰值和谷值Table 1 Peak and valley of the Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators擺次12345678MAX（k）85.981.58487115.6109.4113.6109.4MI

18、N（k）-34.8-39.7-46.3-54.6-81.7-98.7-120.4-129.3表2 后石和秦山機組功角綜合峰值和綜合谷值Table 2 Integrated Peak and valley of the Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators擺次12345678AV1（k）/251.4252.5286.6312338.6332.4AV2（k）/-120.8-140.6-182.6-235-300.8-348.4不難證明，利用線路功率增幅振蕩來判斷系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩方法的正確性，其詳細(xì)過程與基

19、于廣域信息的方法類似，不再贅述。5本判據(jù)的適應(yīng)性由于是基于系統(tǒng)的實際動態(tài)響應(yīng)，本文所提出判據(jù)在判斷過程中，相當(dāng)于考慮了系統(tǒng)內(nèi)所有擾動、控制措施等一系列因素的影響，并未對系統(tǒng)做任何假設(shè)，因而具有很好的適應(yīng)性。（1）該判據(jù)通過捕捉系統(tǒng)內(nèi)是否發(fā)生了增幅振蕩現(xiàn)象來判斷系統(tǒng)是否將發(fā)生失步，而不對系統(tǒng)是否失步做機理性判別，因而避免了由于參數(shù)假設(shè)等原因造成的局限性，并通過一些輔助判據(jù)（如功角擺開須達一定角度、振蕩幅度、增加采樣點等）避免了當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)小幅度振蕩時而可能發(fā)生的誤判。（2）本文所提判據(jù)是基于大量的系統(tǒng)分析，針對系統(tǒng)內(nèi)特定的受控斷面（通常是電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)）而提出的。即便由于某些不可預(yù)想的原因?qū)е孪到y(tǒng)

20、的運行特性相對復(fù)雜6（如電網(wǎng)內(nèi)某些斷面母線電壓可能在多點同時均明顯下降），并出現(xiàn)多機群振蕩模式時，對于依據(jù)本文判據(jù)安裝了解列裝置的特定斷面來說，只要其兩側(cè)機組仍發(fā)生了增幅振蕩，且有相對擺開的趨勢，則不會影響基于本文原理解列裝置對該增幅振蕩現(xiàn)象的捕捉，并可以在最短的時間內(nèi)將其正確解列。（3）傳統(tǒng)的失步解列判據(jù)一般是根據(jù)對系統(tǒng)失步時典型特性的深入分析，大多針對典型兩機系統(tǒng)所開發(fā)，存在一定的局限性。本文所提出解列策略雖然也需要經(jīng)過離線或在線的詳細(xì)分析，但由于其基于系統(tǒng)的實際動態(tài)響應(yīng)，因而能解決當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)增幅振蕩時，傳統(tǒng)失步解列判據(jù)對系統(tǒng)是否發(fā)生失步進行判斷時原理上的缺陷。但須指出的是，本文所研究判據(jù)

21、并不能完全取代傳統(tǒng)的失步解列判據(jù)。6結(jié)語傳統(tǒng)的緊急控制都是基于故障檢測的。當(dāng)由于嚴(yán)重故障而導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)，或出現(xiàn)不明原因振蕩時，傳統(tǒng)安控方法將無能為力。本文提出了一種基于系統(tǒng)響應(yīng)的集成了切機控制和主動解列功能的安全穩(wěn)定控制方法，并分別給出了基于就地信息和基于廣域信息切機或者觸發(fā)主動解列控制判據(jù)，最后利用實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行數(shù)字仿真驗證了控制判據(jù)的有效性?；谙到y(tǒng)響應(yīng)檢測的安全穩(wěn)定控制方法可以彌補傳統(tǒng)方法只能針對指定故障的不足，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生增幅振蕩時，觸發(fā)控制措施抑制系統(tǒng)振蕩。切機控制即使不能完全使系統(tǒng)振蕩平息，對系統(tǒng)增幅振蕩也能有很好的抑制作用，并可為系統(tǒng)調(diào)度人員爭取時間來平息系統(tǒng)振蕩。參 考 文

22、 獻 1 DL/T723-2000 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則. 北京：中國電力出版社，2000.2 朱方，趙紅光，劉增煌，寇惠珍. 大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響. 中國電機工程學(xué)報，2007，27（1）：1-6.ZHU Fang，ZHAO Hong-guang，LIU Zeng-huang，KOU Hui-zhen. The influence of large power grid interconnected on power system dynamic stability. Proceedings of the CSEE，2007，27（1）：1-7.3 楊海濤，丁茂生，

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