以广域响应为基础的电力系统暂态稳定控制技术

摘 要：伴随着社会的进一步发展，对用电量和用电质量的要求也随之提升，这就对电力系统的安全、稳定运行提出了更高的要求。但电力系统在运行的过程中，受到多种因素的影响，常出现大型停电事故，给社会生产、人们的生活带来了严重的影响。同时，在大型停电事故的背后，也暴露出我国传统的电力运行安全控制系统的“三道防线”的失效。在此基础上，伴随计算机信息技术的发展，电力系统稳定、安全运行的超级防线——以广域响应为基础的电力系统暂态稳定控制技术得到了广泛的应用。本论文以广域响应为基础的电力系统暂态稳定控制技术为研究切入点，并结合相应的应用实例，对其进行了详细的分析。

关键词：电力系统;暂态稳定;广域响应;控制技术;可视化评估

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.183

电力是一种重要的能源，是社会生产、社会经济发展的一项重要保障。电网是电力能源的一个重要环节，具有优化电力资源、提高电力资源配置效率的作用，电网覆盖率越广、电网越稳定，越有利于社会生产和社会经济的发展。但电网在运行的过程中，不可避免地受到多种因素的影响，尤其伴随着新能源发电、直流输电、电力电子装置的出现，给电网稳定和安全运行带来了更大的挑战。

1 电力系统稳定与其稳定运行的“三道防线”

1.1 电力系统稳定

电力系统的稳定主要包括电压稳定和功角稳定两部分。

电压稳定：主要是指电力系统按照初始的状态在运行的过程中，即便是受到了一定的扰动，整个电网的全部母线仍然能够按照初始的状态，保持稳定的电力。电网系统的电压稳定与否，主要取决于电网的负荷需求、电力系统向负荷供电两者之间而形成的一种保持平衡的能力。在电网运行的过程中，如果伴随着电流的增大，系统向负荷供电提供的功率也呈现出明显的上升趋势时，则电网的电压会保持在一个稳定的状态下;反之，如果伴随着电流的增大，系统向负荷供电提供的功率没有出现变化，就会导致整个电网的电压处于失衡的状态[1]。

功角稳定：主要是指整个电网内部的互联系统内部的同步发电机，即便在受到了一定程度扰动的冲击之后，仍然可以保持初始状态下同步运行的能力。否则，一旦保持同步运行的发动机出现了功角失衡的现象，就会对正在运转的发动机产生影响，使其转子之间的相对角度呈现出逐渐扩大现象，从而导致其无法同步运行。如此一来，就会导致整个电网系统中的电压、功率出现震荡，进而导致整个电网系统崩溃。

1.2 电力系统稳定运行的“三道防线”

为了进一步确保电力系统稳定、安全运行，我国大型电网全部配置了特定的继电保护、安全稳定控制系统等，被称之为电力系统稳定运行的“三道防线”，以确保电力系统在运行的过程中，即便受到扰动还能保证安全、稳定的运行。

第一道防线：由性能良好的继电保护装置构成。在电力系统运行过程中，该防线主要负责对出现故障的元件进行快速、精准和可靠的切除，力求将故障控制在最小的范围之内。

第二道防线：由安全稳定控制装置构成。该防线在电力系统的运行过程中，主要是通过必须要的切机、切负荷、解列、直流调制等措施，确保整个电力系统的稳定运行。

第三道防线：由自动装置、调度运行人员构成，其中自动装置主要包含失步解列、高频切机、低压切负荷、低频切负荷等。该防线主要是在电力系统运行失去稳定之后，尽可能将损失缩小在最小的范围之内，预防出现大面积停电的现象[2]。

但是，电力系统稳定运行的“三道防线”在应用的过程中，暴露出大量的弊端。如：继电保护装置故障，常常是导致电力系统停电的主要原因;安全稳定控制装置在使用的过程中，受到电力系统仿真计算软件的仿真能力、仿真精度等影响，存在一定的失效风险;第三道防线在防护过程中，必须要依赖于第二道防线中仿真计算机精准定位。但由于电力系统破坏的形式、地点不同存在一定的变化性，仿真计算机很难精准地将其找出，从而导致第三道防线无法发挥其相应的预防功效[3]。

2 基于广域响应的电力系统暂态稳定控制技术

近年，随着信息科技技术的进一步发展，相量测量单元（PMU）在电力系统的稳定、安全运行中得到了广泛的应用，从而使得构建实施的广域安全防御控制体系成为可能。在这种背景下，利用广域量测系统（WAMS）进行暂态稳定控制技术已经成为研究的热点，并已经开始在电力系统中应用。

具体来说，基于广域响应的电力系统暂态稳定控制技术，主要包括包括以下五方面：

2.1 广域动态特征信息提取技术

在电网系统中，广域测量信息量巨大，且具有明显的全局性、实时性和连续性的特点。基于广域响应的电力系统暂态稳定控制技术中，广域动态特征信息提取技術是基础和关键，只有从海量的测量数据中将影响电网系统安全、稳定运行的信息进行提取，才能对其进行判断。在具体提取的过程中，必须要充分结合电网系统安全、稳定运行的特点，并以快速安全稳定判断的相关要求为准则，将必要的影响系统稳定、安全运行的信息数据进行提取。如：功角稳定判断功率的判定过程中，应对功角特性曲线进行提取;对发电机动能判断的过程中，应对功角曲线进行提取;对角速度判断的过程中，要对功角相对轨迹进行提取。

2.2 受扰动轨迹预测技术

在电网系统稳定、安全运行的过程中，通过有效的预测技术，对发电机功角等系统特征受到扰动后轨迹进行快速的预测，是对电网系统暂态稳定性判别的重要途径。在具体辨别预测的过程中，主要是以电网系统特征以往测量的数据为基础，并根据历史数据建立的特定的数学模型，可以对系统特征未来的受绕轨迹进行详细的计算，并据此作为电力系统失稳判别的依据[4]。

2.3 系统稳定性判别技术

基于广域为基础上的电力系统暂态稳定控制技术中的系统稳定判别技术，与以往的“三道防线”技术有所不同，在对系统稳定性进行判别的过程中，更加快速、可靠，并且不再完全依赖于方针计算的安全稳定判别方法。在基于广域为基础上的系统稳定判别技术中，要以广域实时测量信息为基础，在此基础上对电力系统的暂态和动态功角稳定、电压稳定、频率稳定、振动中心的安全稳定等进行实时判别。在具体判别的过程中，主要是根据不同的安全稳定分析方法，根据有效的安全稳定判据，直接使用实时测量数据，以对整个系统进行稳定性识别。

2.4 系统稳定控制技术

基于广域为基础上的电力系统暂态稳定控制技术是建立在准确预测、稳定判别的基础上。当预测系统即将出现失稳的现象时，可及时采取有效的安全稳定控制措施，以有效保障整个系统的稳定性。通常，基于广域相应的稳定控制技术中涉及到稳定控制措施的量化分析和稳定措施优化两方面。在具体实施控制措施的过程中，要切实做好连续监视、判断、控制，一旦发现控制措施实施的控制量出现不足的现象，或者稳定性质出现改变，必须要对现有的稳定控制措施进行优化，可通过追加稳定控制措施、采取新的控制措施等方式进行。

2.5 失步解列技术

基于广域为基础上的电力系统暂态稳定控制过程中，一旦电力系统的功角稳定性遭到破坏，必须要尽快采取相应的控制。否则，就会导致局部故障进行扩大，影响整个系统。因此，必须要通过失步解列技术和高速通信手段，对电网系统中的故障进行实时、主动和准确的控制，从而将故障进行解列成各个故障孤岛，将损失降低到最小，最大限度维持电网系统的稳定运行[5-6]。

3 以广域响应为基础电力系统暂态稳定控制技术的具体应用

3.1 电力系统暂态稳定控制技术在电网工程中的实际应用

目前，以广域响应为基础电力系统暂态稳定控制技术已经在我国贵州六盘水电网中得到了应用。在具体应用的过程中，以2014年丰大极限方式为基础，搭建了六盘水电网RTDS实时仿真系统，该仿真系统接入机组6台，220kV母线12条，并通过3块FNET，利用C37.118规约与原型系统相互连接。

在该RTDS实时仿真系统下，通过相关参数定值的设置，对不同网架结构、不同门槛值设置、不同水火风电处理、非对称故障情况下的暂稳判别技术的有效性进行了分析，确定了暂稳判别技术的准确性、快速性和可行性，已经成为“以广域响应为基础的电力系统暂态稳定控制技术”的示范工程，成功地确保了整个电网的稳定、安全运行。

3.2 电力系统暂态稳定控制系统主要功能模块分析

在该系统中，主要包含了观测站点选择、发电机功角预测、基于响应的暂稳判别、紧急切机控制和可视化展示模块。

观测站点选择模块：鉴于电力系统广域信息实时测量的巨大性，在应用该系统的过程中，必须要精准确定电网受绕特征最敏感的点，并对此进行观测，以实现暂态稳定性的判别。因此，在该系统中，将发电机和母线观测点设计为选择模块，从而使得在具体观测的过程中，可选择不同的观测方案，以实现对暂稳判别技术的准确性和有效性进行分析。

发电机功角预测模块：该模块主要是电网系统中发电机功角受扰动的轨迹进行快速预测，这是对电力系统暂态稳定性进行快速识别的基础。在该系统中，发电机功角预测模块包括多种预测技术，如：自回归预测技术、多项式预测技术、三角函数预测技术、灰色模型的预测技术等。同时，在预测的基础上，对发电机功角预测曲线进行了实时刷新和展示，使得电力系统中相关的工作人员可以根据预测曲线，直观地观察、分析出预测效果。另一方面，在该系统中，发电机功角的多种预测技术、模型阶数、数据创、预测窗时长等因素均可根据具体情况进行设定，并且在预测的过程中，根据不同的需求，选择不同的功角预测与暂稳判别技术[7]。

基于响应的暂稳判别模块：在六盘水电网RTDS实时仿真系统中，则主要采用了角速度门槛值判别技术、最大功角差判别技术、同调群间隙角判别技术和电压轨迹积分判别技术。

其中，角速度门槛值判别技术主要是因电力系统中各个观测发电机受绕后的功角为输入数据，利用差分运算的方式得到其角速度，并对系统惯量中心的角速度进行计算，当其结果超过预设门槛值的时候，则可以判定整个系统出现暂态失稳;最大功角差判别技术则是以发电机受到后的功角为输入数据，当功角值最大的发电机与功角最小组发电机之间的差大于预设门槛后，则可判定系统暂态失稳;同调群间隙角判别技术则以受绕后功角为数据数据，当两群惯量中心公交差大于预设门槛，则可判定系统出现暂态失稳;电压轨迹积分判别技术则是以母线三相电压幅值作为输入数据，当电网系统中当前时刻电压积分值超过预设门槛时，则可判定为暂态失稳。

紧急切机控制模块：该模块主要是针对电网系统出现失稳之后，而采取的紧急控制策略。该模块主要是对大量的故障进行仿真分析，并针对电网系统运行过程中出现的不同故障，选择不同的紧急控制方案。

可视化展示模块：该模块主要是为了相关工作人员对电网系统暂稳判别的结果进行统一查看，并为后期的相关研究、整理做基础。可视化展示模块，利用曲线、报表的形式，对该系统中各个判别技术的计算进行进行了详细、直观的呈现。

4 结束语

综上所述，伴随着社会的进一步发展，对电力系统运行的安全性、稳定性要求也越来越高。在这种情况下，以广域响应为基础的电力系统暂态稳定控制技术开始得到重视和应用，对于提高电网系统稳定运行具有重要的意义。但该技术仍属于一种前瞻性研究，在应用的过程中，还必须要对其他影响因素进行综合考虑。

参考文献：

[1]赵晋泉，邓晖，吴小辰，徐光虎，金小明，张勇.基于广域响应的电力系统暂态稳定控制技术评述[J].电力系统保护与控制，2016，

44（05）：1-9.

[2]赵晋泉，章玉杰，张盼，金小明，付超，李鸿鑫.基于广域响应的大电网暂态稳定判别技术仿真软件的开发与应用[J].电力自动化设备，2016，36（07）：150-155.

[3]赵晋泉，章玉杰，洪潮，金小明，付超，张盼.基于广域响应的大电网暂态稳定判别原型系统[J].南方电网技术，2016，10（07）：6-12.

[4]顾卓远.基于响应的电力系统暂态稳定控制技术研究[D].中国电力科学研究院，2014.

[5]吴为.基于响应的电力系统暂态稳定性实时判别与控制技术的研究[D].中国电力科学研究院，2014.

[6]黄弘扬.交直流电力系统暂态稳定分析與控制问题研究[D].浙江大学，2014.

[7]朱家卯，邓建林，郎张帅子.基于响应的电力系统暂态稳定控制技术探讨[J].科技展望，2016，26（06）：116.

作者简介：张倩（1984-），女，陕西潼关人，学士，讲师，研究方向：电力系统及其自动化等。