薄弱断面中关键支路识别有效性验证

苗 田，郑 超，刘观起

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.中国电力科学研究院，北京 100192)



薄弱断面中关键支路识别有效性验证

苗 田1，郑 超2，刘观起1

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

快速识别大扰动冲击下表征系统稳定状态的关键支路，准确定位系统发生失步的薄弱环节，对制定针对性控制策略，降低系统解列风险具有重要意义。分析了单机无穷大系统受扰后有功功率振荡曲线呈现出的“双峰”轨迹特征，指出该特征与系统稳定裕度之间的关联关系。以此为基础，针对多交流支路输电断面，提出了基于支路电气量单端量测的关键支路快速识别方法。通过实际电网仿真分析，验证了关键支路识别方法及针对性暂态稳定控制的有效性。

暂态稳定；单端电气量；关键支路；快速识别；曲线拟合

0 引 言

保障电力系统暂态稳定是交流输电线路连续可靠送电的基本前提[1-3]。电力系统一旦失去稳定，将会造成薄弱断面中交流线路相继解列开断。受此影响，区域电力出现供需失衡，严重时将导致大面积停电[4]。因此，电力系统暂态稳定一直是电力工业界和学术界研究的热点。

围绕暂态稳定分析与控制，国内外学者开展了大量的研究工作。在基于全局受扰信息分析系统稳定性研究方面，文献[5-6]提出互补群群际能量壁垒准则(complementary-cluster energy-barrier criterion, CCEBC)，将多机系统中发电机响应轨迹从Rn空间聚合映射为R1空间的单机受扰轨迹，进而采用扩展等面积定则(Extend Equal Area Criterion, EEAC)定量评估系统稳定裕度；文献[7-8]提出了基于互补群惯量中心或位置中心变换的暂态能量函数及其修正方法；文献[9-10]则提出了基于多机系统聚合轨迹几何特征的暂态稳定性判别方法。基于全局受扰信息的稳定分析与控制方法，需要所有发电机受扰轨迹信息，信息量大，数据采集与处理耗时长。

基于局部受扰信息是电力系统稳定性分析的另一类重要方法。文献[11]提出了基于网络结构保留模型的割集稳定性准则；文献[12-15]提出了基于局部网络信息的支路暂态势能法，通过分析受扰后支路势能在网络中的分布变化，可识别交流薄弱断面；文献[16-19]提出基于受扰后局部支路电气量的解列判据。基于局部网络信息的稳定分析，将交流薄弱断面作为整体看待，未能区分其中不同支路的受扰轨迹差异及其稳定特征；基于局部受扰信息的稳定判据，则仅当系统失去稳定后才能够识别出解列支路，无法在薄弱断面中超前识别出稳定性最为脆弱的支路。

针对交流薄弱断面中的多条支路，依据受扰轨迹特征及差异，识别出最为脆弱的支路，是实施有针对性的稳定控制以及提升控制效果的前提。本文首先分析了单机无穷大系统遭受大扰动冲击后，支路有功功率轨迹中“双峰一谷”特征，指出此特征与系统稳定裕度之间的关联关系。以交流支路单端量测电气量为信息源，提出关键支路快速识别的实用化方法；以南方电网为例，验证了关键支路为电网失稳后最先解列的支路，即为电网稳定性最为脆弱的支路。此外，计算结果还表明，关键支路识别时刻可超前支路解列时刻，因此，在电网失稳前可进一步追加稳定控制，降低系统失步解列的风险。

1 单机无穷大系统支路受扰轨迹解析

单机无穷大系统及其等值电路如图1所示。

图1 单机无穷大系统及其等值电路Fig.1 Single machine infinite bus system and its equivalent circuit

式中：X为系统总等值电抗；δ为发电机与系统之间的功角。某时刻线路L1首端发生三相永久短路故障，一段时间后断路器跳开。系统正常运行、故障期间、故障切除后三种状态下，发电机电磁功率特性如图2(a)所示。

对应上述故障扰动过程可知，发电机初始运行于a点，功角为δ0。故障持续期间发电机积聚的加速能量促使功角摆开，假设功角摆过90°到达f点，由于此时运行点并未越过不稳定平衡点h，由等面积定则知发电机功角运行轨迹将经历红色箭头所示的过程。与此同时，大扰动后线路有功PL、电压UL、母线相位差δL变化轨迹如图2(b)所示，其中支路有功功率受扰轨迹呈现出“双峰一谷”特征。若不计阻尼作用，功角持续振荡，有功轨迹将多次呈现该特征。

图2 发电机P-δ曲线及大扰动后线路电气量轨迹Fig.2 Generator’s P-δ curve and line’s disturbed trajectory of electric characters

扰动后振荡中心落于线路上时，图2(b)中运行点由e点至Peak点过程，对应电压大幅跌落且功角大幅摆开、有功增大过程，电网稳定裕度开始减小。有功首个峰值的出现表明系统功角摆至90°稳定裕度已经明显减小；功角增大至极大值、同时电压跌落达到极小值时，对应图2(b)中f点，有功出现谷值，此时系统稳定裕度最低。功角回摆过程运行点由f回至e过程，有功出现第二个峰值，系统稳定裕度逐渐提高。由此可知线路电气量变化与系统稳定性具有一定的关联关系。

综合以上分析可以看出，支路有功功率受扰轨迹出现“双峰一谷”特征，表明送受端系统在大扰动冲击下，功角差大幅摆开，系统稳定裕度已显著减小。在多支路构成的交流断面中，受电气阻抗差异、潮流运行水平不同等因素影响，受扰后各支路有功功率轨迹存在差异，最先出现“双峰一谷”特征的支路，将能最先表征出系统稳定裕度减小态势。

2 基于单端电气量的支路受扰特征识别

文献[20]欲识别交流支路受扰特征，需利用广域测量系统(Wide Area Measuring System, WAMS)测量支路两端电压相角差信息，这增加了支路量测与通信的复杂性，适应场景受限。本文将研究基于单端电气量量测的支路受扰特征识别方法，简化量测并推广至多支路以便于工程应用。

交流支路等值电路和电压相量图如图3所示。

图3 交流支路等值电路和电压相量图Fig.3 Equivalent circuit of power transmission line and voltage phasor diagram

(2)

(3)

(4)

根据支路单端电压、输送功率，可通过式(2)、(3)、(4)计算出对端相应电气量。在线应用时，量测电气量为一系列采样间隔为t的离散数据，对应当前t时刻，提取连续受扰轨迹前Nc个采样数据进行参数滚动的最小二乘多项式拟合，如式(5)所示：

互联电网两群失稳模式下，振荡中心落于由多条交直流支路构成的输电断面时，定义最先出现有功“双峰一谷”特征的支路为关键支路，其识别判据如下：

P′(t)<0

(6)

式(6)判据1)中eth为电气量大扰动门限值；电气量导数判据2)用于辨识电压下降，功角摆开，有功首峰出现；判据3)用于筛选特征最先出现的支路，须注意的是，判据不完全依赖于支路初始功率。

基于量测支路单端电气量的关键支路快速识别流程如图4所示。关键支路的快速识别，将有利于运行人员在系统失稳前定位系统薄弱环节，提前进行针对性控制，提升电网稳定水平。

图4 关键支路识别方法流程图Fig.4 Flow chart of crucial branch identification method

3 实际电网仿真验证

3.1 识别结果及暂稳控制有效性验证方法

为验证大扰动冲击下交流关键支路识别方法的有效性，利用PSD-BPA电力系统分析软件对实际电网进行仿真，仿真步长设为0.01 s。将仿真数据作为在线WAMS实测数据，并将识别结果与电网快速失步解列装置动作结果做比较，验证识别时间是否早于快速解列时间。交流关键支路识别成功后，施加暂态稳定控制，以进一步验证控制是否可恢复系统稳定，避免快速解列装置动作。快速失步解列装置原理参见文献[21]，仿真中装置的相关参数设置值，如表1所示。

表1 快速失步解列配置参数

3.2 识别结果及暂稳控制有效性验证方法

3.2.1 南方电网交直流混联系统

贵州、云南两地能源丰富，是西电东送的重要基地。目前，南方电网已经形成“八交五直”的交直流混联输电系统，贵广两回±500 kV超高压直流，云广±800 kV特高压直流与多回500 kV交流支路共同构成混联外送格局。

计算分析表明，系统遭受严重故障冲击下，桂粤断面存在失去稳定的风险。振荡中心所在的薄弱断面如图5所示。

图5 薄弱断面位置示意图Fig.5 Weak section location diagram

3.2.2 “桂粤”薄弱断面中关键支路识别

2013年丰大方式下，云广直流额定外送功率5 000 MW时，设0.2 s该直流发生双极闭锁故障。若故障后0.1 s安控切除云南境内桥湾电厂500 MW，则系统处于临界稳定状态。扰动后桂粤断面各支路电气量变化如图6所示。

图6 桂粤断面扰动后各支路电气量特征Fig.6 Disturbed electric characteristic of branch between Guangxi and Guangdong section

从图6(a)中可以看出，在t1时刻桂林-贤岭山有功轨迹首个峰值出现，超前其他3条支路。根据本文提出的快速识别条件，可判定桂林-贤岭山支路为桂粤薄弱断面4条支路中的关键支路。

3.2.3 桂粤断面失稳过程及追加控制后效果

云广直流双极闭锁后，若故障后0.1 s安控切桥湾电厂出力300 MW，则广东电网与主网将失去暂态稳定。计及失步解列装置动作，则临界断面各支路有功轨迹如图7所示。

图7 计及快速解列动作的桂粤断面支路有功轨迹Fig.7 Active power trajectory of branch between guangxi and Guangdong section with fast splitting device action

对应图7所示轨迹，关键支路识别结果及识别时间，以及各支路快速解列装置动作时间，如表2所示。

表2 桂粤断面关键支路识别结果

Tab.2 Result of key branch recognition between Guangxi and Guangdong provinces

支路名识别结果识别时间/s失稳后快速解列动作时间/s桂林-贤岭山关键支路1.542.21贺州-罗洞临近并联支路-2.35梧州-罗洞临近并联支路-2.41茂名-蝶岭临近并联支路-2.54

由图7和表2可以看出，各支路解列时间反映的物理过程为：广西送端功率由薄弱断面中上述四条支路承担，当扰动产生不平衡功率时，桂林-贤岭山支路功角率先摆开增加输送功率。随后其输电能力超过极限进而失稳，部分不平衡功率及桂林-贤岭山关键支路承担的送电功率将转移至临近并联支路，加速临近并联支路相继失稳过程。

1.54 s识别出关键支路后，较2.21 s解列装置动作提前0.67 s，满足工程上实施暂态稳定控制的时间要求。为验证关键支路识别后实施稳定控制的效果，选择与关键支路就近的构皮滩电厂作为控制地点切除其出力1 000 MW。考虑通信延时等因素，关键支路识别后0.2 s实施切机措施。有无切机措施系统的暂态响应轨迹对比曲线如图8所示。

图8 不同控制措施下桂林-贤岭山关键支路有功暂态响应Fig.8 Transient active power response under different control methods in Guilin-Xianlingshan crucial branch

由图8可以看出，1.74 s实施控制后，关键支路有功功率保持在1 800 MW左右，可有效避免失步解列动作，系统能够恢复暂态稳定。

4 结 论

(1) 大扰动冲击下，振荡中心落点交流支路有功轨迹呈现出“双峰一谷”特征，该特征可表征系统稳定裕度已显著减小。

(2) 基于单端电气量量测的关键支路识别方法可准确定位大扰动冲击下系统稳定薄弱环节，方法便于实际工程应用。

(3) 关键支路识别后，可对应实施暂态稳定控制，以降低系统失稳风险，提高电网稳定水平。

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Effectiveness Verification of Identification for Key Branch in Weak Section

MIAO Tian1, ZHENG Chao2, LIU Guanqi1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

As for proposing targeted control strategy and reducing the incidence of system splitting, it is of great significance to rapidly identify key branch whose representation system is in stable state under large disturbance impact and to accurately locate weak section of the system which is out of step. Double peak trajectory characteristics of oscillating curves of active power were analyzed when single-machine infinite-bus system was disturbed, and the authors discovered the relations of such characteristics and margin of power system stability. On such basis, method of fast identification for key branch based on single-end electrical quantities of branch was proposed to deal with multiple AC branch transmission section. After simulation analysis of real power grid, effectiveness of this identification method and targeted transient stability control strategy is verified.

transient stability; single end electrical quantities; key branch; fast identification; curve fitting

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.07

2015-09-28.

TM712

A

1007-2691(2016)05-0043-06

苗田(1991 -)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定分析与控制；郑超(1977 -)，男，高级工程师，主要从事电力系统稳定与控制、高压直流输电、FACTS、新能源并网技术等方面的研究工作；刘观起(1956 -)，男，副教授，主要从事电力系统分析与控制方面的研究工作。