[科普中國]-大電網失步解列控制

簡介

電力系統(tǒng)長期的運行實踐表明，不論對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求如何嚴格，措施如何完善，總可能因一些事先不可預料的偶然因素的疊加，導致穩(wěn)定破壞事故的發(fā)生，如若處理不當，將會造成巨大的經濟損失。為了避免可能或已經失步的互聯(lián)電網演化為不受控的崩潰。有必要在合適的斷面和時機將系統(tǒng)解列成各自分別保持同步運行的分區(qū)電網。解列控制可分為由電網故障場景檢測驅動的預測性解列控制和由失步振蕩軌跡檢測驅動的反饋性解列控制，后者又稱失步解列2。

傳統(tǒng)失步解列控制通常取某一固定的斷面割集為作為解列點，即通過離線分析計算，在潛在的失步振蕩斷面配置解列裝置，基于量測信息判斷系統(tǒng)是否發(fā)生失步振蕩，以及振蕩中心是否落在預設斷面上，然后確定是否執(zhí)行解列控制。工程上應用較多的解列判據包括基于相位角的失步解列判據和基于。COSIp判別方式的解列判據等。對于復雜的互聯(lián)大電網，運行方式多變，不同故障導致的失穩(wěn)模式也不盡相同。若故障導致的失步振蕩情況和離線分析場景不一致時，預設的解列控制策略存在失配的風險。且由于缺乏全局的實測信息，難以應對振蕩中心遷移對解列控制動作可靠性的影響，難以實現(xiàn)多個解列點控制動作的實時協(xié)調 近年來，隨著廣域量測系統(tǒng)(wide areameasurement system WAMS)在電力系統(tǒng)廣泛應用，基于廣域信息的解列控制技術獲得廣泛的研究并有解列控制系統(tǒng)投入運行。也有學者將基于全局信息動態(tài)地確定解列地點和解列動作時序的控制方式稱為主動解列。筆者認為，將其定義為自適應解列更為合適，“主動解列”容易與由故障場驅動的前饋性解列控制相混淆。

失步解列控制的關鍵要素1)失步振蕩現(xiàn)象的識別。

根據實測信息源的不同，系統(tǒng)失步識別可分為基于廣域信息和基于就地信息兩類。前者通過廣域范圍內發(fā)電機組功角或電網母線電壓相位角的軌跡信息來識別失步振蕩，后者主要利用裝置安裝處的電壓電流間相位差、視在阻抗等電氣量的變化規(guī)律，表征系統(tǒng)功角的變化情況，識別系統(tǒng)失步振蕩。

2)解列斷面的選擇。

解列斷面的選擇方法主要有兩種，一是在易于解列但不是振蕩中心所在的斷面進行解列，解列后形成大網拉小網的局面，通過采取其它措施促使其再同步，這方面的研究和實際應用主要集中在前蘇聯(lián)電力系統(tǒng)。另一種最常用的方法是在振蕩中心處將失步機群解列，將解列斷面選擇問題轉化為振蕩中心定位問題，簡稱為解列斷面實時選擇，目前，國內的解列控制多采用該方法。

為提高解列控制的適應性，還可以采用基于在線分析計算與決策的解列斷面選擇技術，即根據實測的系統(tǒng)運行工況，在解列斷面的優(yōu)化目標中考慮解列控制對后續(xù)電網穩(wěn)定性的影響，根據選定的優(yōu)化目標在線搜索最優(yōu)解列斷面，可簡稱為解列斷面在線搜索。

3)解列裝置的協(xié)調配合。

基于就地信息的解列裝置具有不依賴于通信的優(yōu)點，但難以精確定位振蕩中心的位置，在復雜系統(tǒng)中其解列判據的參數整定往往難以兼顧可靠性、安全性和適應性，特別是多個安裝距離較近的解列裝置，在復雜振蕩模式下存在無序動作的風險。應通過解列裝置之間的協(xié)調配合防止單個解列裝置的誤動作和多個解列裝置的無序動作，實現(xiàn)極端緊急狀態(tài)下阻止系統(tǒng)崩潰的目的。

失步振蕩現(xiàn)象的識別基于相位角的失步判據隨著系統(tǒng)振蕩兩機群功角差的擺開，就地測量的電壓和電流之間相位角跟隨功角差正向漸增或負向漸減而變化。如果振蕩中心兩側等值電勢相等，相位角等于功角差的一半。該判據正是利用在解列裝置安裝處所測量到的這一變化規(guī)律，來判斷系統(tǒng)失步。

該判據除了可識別系統(tǒng)失步外，還能根據相位角穿越規(guī)律，判斷振蕩中心相對于裝置安裝處的方向。但當振蕩中心兩側的等值電壓幅值差別比較大時，裝設在等值電壓較高一側的解列裝置，存在不能有效識別系統(tǒng)失步的風險。通過采取在線路兩側變電站均配置解列裝置的方式，可有效解決該問題。

基于ucosrp的失步判據系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩時，振蕩中心處的電壓將出現(xiàn)周期性的變化，在功角擺開到1800時，振蕩中心電壓為零。該判據通過監(jiān)測裝置安裝點的電壓和相位角，計算出ucosrp值來反映失步過程中振蕩中心電壓變化的特征，通過。cosrp的變化軌跡判斷系統(tǒng)是否失步。該判據反應了失步振蕩中心電壓變化規(guī)律，物理意義相對清晰。但距離較近的多個解列裝置，在系統(tǒng)失步時，可能同時檢測到失步振蕩，因此必須注意裝置之間的協(xié)調配合問題。

基于視在阻抗軌跡的失步判據當系統(tǒng)失步時，保護安裝處的電流和電壓的周期性變化，可通過裝置檢測到的視在阻抗來集中體現(xiàn)。該判據根據視在阻抗軌跡是否進入整定區(qū)域來識別系統(tǒng)是否失步，常見的阻抗型失步解列判據有透鏡型、同心圓型、圓遮擋型及雙遮擋型等，其核心都是構造內、外2個及2個以上阻抗元件，用于區(qū)分短路故障、同步振蕩和失步振蕩。

該判據的原理決定了只有處在失步振蕩中心所在線路上的裝置，才具有比較理想的動作特性，判據的可靠性容易受到運行方式和網架結構變化的影響。

基于廣域信息的失步判據該類判據根據失步振蕩的定義，通過檢測機組功角(電壓相位)差信息，通過判斷機組功角(電壓相位)差擺開超過180。來判斷系統(tǒng)失步。其中基于變電站母線電壓相位差的失步判據在東京解列控制系統(tǒng)和法國Syclopes失步防御系統(tǒng)獲得了工程應用。

該類判據對廣域量測的信息量要求較低，卻仍面臨著基于廣域信息的各類判據的共性問題，即信息采集系統(tǒng)的可靠性、時滯及不確定性。此外，在失步振蕩過程中，如果振蕩中心恰好落在變電站母線上，則線路兩側母線電壓相位差存在突變現(xiàn)象。由于在系統(tǒng)雖無振蕩但電網發(fā)生短路故障時，電壓相位角也可能發(fā)生急劇變化，判據必須對這些現(xiàn)象進行可靠甄別。

基于系統(tǒng)失穩(wěn)充要條件判斷的失步判據該類判據不再以功角擺開180。作為系統(tǒng)失步的標準，立足于用測量信息實時地構造判斷系統(tǒng)失穩(wěn)的充要條件。采用PMU(powexmanagement unit)實測數據1，利用李雅普洛夫準則來判斷系統(tǒng)是否失穩(wěn)，并觸發(fā)解列控制。但對于復雜的大電網，存在無法找到嚴格的李雅普洛夫函數的困難?；诘让娣e法則判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性并觸發(fā)解列的方法在美國Florida-Georgia聯(lián)絡線解列控制中的應用，該系統(tǒng)針對該電網的典型2機系統(tǒng)特征，利用線路兩側功角差的變化與機械功率的關系，給出了根據功角差歷史曲線計算機械功率的方法。 在動態(tài)捕捉DsP的基礎上，增加了P-s軌跡穿越DsP時斜率和功角的輔助判據，以期減小將系統(tǒng)滑步判為系統(tǒng)失步的風險。然而，該類判據基于集中計算和控制的理念，對廣域信息傳輸的實時性和可靠性要求極高。

基于響應軌跡凹凸性的解列判據基于振蕩過程中P-Q-e的變化規(guī)律，通過檢測失步振蕩臨界特征點，確定系統(tǒng)是否失步。利用功角差及其二階導數大于等于設定閥值時，判斷系統(tǒng)即將失步。擠日用失步振蕩過程中有功功率隨著功角擺開的周期變化，提出了利用功角加速變大且有功趨勢變化減小的原則來識別判斷系統(tǒng)即將失步的方法。

基于響應軌跡凹凸性的解列判據，本質是一種基于理想兩群振蕩模式下系統(tǒng)動態(tài)時序外延的預測方法，因為群內非同調因素及失穩(wěn)模式的時變性都有可能使得預測時的假設不再成立，該類判據的可靠性還有待深入研究。

大電網失步解列控制需求隨著互聯(lián)電網的發(fā)展，電網結構呈現(xiàn)網格化特征，系統(tǒng)穩(wěn)定特征的時變性也越來越強，大量直流、風電、串補等FACTS元件的投運，也增加了電網穩(wěn)定特征的復雜性，對失步解列控制提出了更高要求。

對于復雜的交直流混聯(lián)大電網，很多場景下，系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象往往呈現(xiàn)群內非理想同調的兩群振模式，如果解列不及時，可能會演化為多群振蕩，或解列操作后在同調性差的機群中再出現(xiàn)相繼失穩(wěn)。多篇 中基于實際電網的研究表明，即使同調性良好的兩群失穩(wěn)模式下，解列后的分區(qū)電網也存在暫態(tài)失穩(wěn)的風險2

為適應交直流混聯(lián)大電網的控制需求，失步解列控制研究需重點關注以下幾個方面:

1)適應多頻振蕩場景的失步解列控制技術。

對于多頻率失步振蕩，存在主導模式的更迭。如果依次解列所有失步斷面，將大幅度破壞網架結構，增加解列后分區(qū)電網的不可控性。如何通過對解列控制時刻和不同斷面解列時序的優(yōu)化，來減少解列控制動作的數目，減小電網緊急狀態(tài)下全過程的控制代價，是一個值得關注的問題。

2)應對振蕩中心遷移的失步解列控制技術。

目前，無論是基于就地信息的解列控制還是基于廣域信息的解列控制研究，多關注單一、非時變的失穩(wěn)模式，缺乏考慮振蕩中心遷移對解列控制的影響。應對振蕩中心遷移的大電網優(yōu)化解列控制的研究剛剛起步

3)兼顧解列后分區(qū)電網穩(wěn)定性的解列策略。

作為系統(tǒng)保護的一種控制措施，解列控制應考慮解列后分區(qū)電網的安全穩(wěn)定運行。目前廣泛應用的基于就地信息失步解列控制技術，無法考慮解列后孤網的穩(wěn)定性，特別是暫態(tài)穩(wěn)定性。在基于廣域信息的解列控制方面，由于缺乏解列操作對分區(qū)電穩(wěn)定性影響機理的深入研究，對解列后分區(qū)電網穩(wěn)定性的識別方法及其優(yōu)化控制策略的研究還比較缺乏。

展望解列控制的理想目標是，通過實時、全面和主動地監(jiān)視系統(tǒng)動態(tài)，根據全局信息識別失穩(wěn)模式，確定振蕩中心，制定全網優(yōu)化的控制策略。隨著通信技術的發(fā)展和相量測量可靠性的提高，利用實測全局信息進行系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷和控制勢在必行，基于廣域信息的解列控制技術將是未來大電網解列控制的一個重要研究方向。為了增強解列控制的可靠性和安全性，融合就地信息和廣域信息的自適應解列控制系統(tǒng)在復雜大電網中的應用研究值得進一步深化。為了實現(xiàn)上述目標，以下幾個方向還有待突破:

1)不同擾動因素導致振蕩中心遷移的機理，振蕩中心的實時動態(tài)跟蹤技術，以及應對振蕩中心遷移的解列策略。

2)多頻振蕩失步的機理及適應時變振蕩模式的失步解列控制技術。

3)解列操作對分區(qū)電網暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機理，解列后分區(qū)電網的穩(wěn)定性預測方法及其相繼失穩(wěn)防御技術。