具有主动解列功能基于系统响应检测的安全稳定控制方法

1、具有主动解列功能基于系统响应检测的安全稳定控制方法刘福锁1、杨卫东1、黄志龙2、徐泰山1、曹路2、姚海成11.国网电力科学研究/南京南瑞集团，江苏省南京市 210003；2. 华东电力调度中心，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：传统的安全稳定控制方案都基于特定的故障和系统运行方式，对于一些不可预料的故障导致电网动态失稳过程中，将无能为力。而失步解列要到电网失步一个或多个周期以后才能将失步机群解列，执行时机较晚。本文在探讨主动解列的基础上，提出了基于系统响应、通过捕捉系统增幅振荡采取切机或主动解列措施来抑制系统振荡的稳定控制方法。分别给出了基于就地信息和广域信息的控制判据，并用数字仿真验证了判据的有效

6、性。关键词：主动解列；基于系统响应的安全稳定控制；就地信息；广域信息引言传统安全稳定控制方法的特征是控制策略的制定必须针对特定的故障和运行方式。当系统发生故障时，根据故障类型和当前电网运行方式，选定控制措施及控制量1。随着电网规模的日益扩大，系统的失步形态可能变得非常复杂，除了可能存在多个不同的失稳模式外，还可能使得在电网建设初期通常存在的暂态失稳模式发展到多摆失稳和因阻尼不足或当系统遭受大扰动而引起的动态失稳2-3。在一些难以预料的故障扰动下，电网出现增幅振荡过程时，传统的安全稳定控制方法将束手无策。研究国内外大停电的经验教训4-5可知，往往先是由偶然事件诱发一系列相继故障，并最终导致系统经

7、多摆振荡后失步。失步解列作为防止系统崩溃的最后一道防线，在我国电网中获得了广泛的应用6-7。但失步解列一般要到电网已经失步几个周期后才采取控制措施，执行时机较晚。由于电网的强非线性，各种因素都可能影响系统的动态特性，基于时序外延的预测方法即使能可靠的预测系统失步，但是与真正发生失步时刻相比，其所提前的时间也是有限的8。本文在分析传统方法欠缺的基础上，提出一种能防御系统动态失稳的，基于系统响应检测的安全稳定控制方法，该方法通过对电气量检测判断系统是否发生增幅振荡，通过在送端采取切机抑制电网的增幅振荡或者触发主动解列命令，将发生增幅振荡的机群解列。主动解列探讨1.1主动解列定义及其特点传统解列控制

8、的特点是通过离线计算预先决定解列地点和解列装置动作条件，根据就地量测信息决定装置动作时间，各装置分散缺乏协调。部分学者9将传统的解列方式称为被动解列，将具有自适应能力的解列方式称为主动解列。自适应解列方式的特点是利用高速通讯手段整合分散的解列装置构成解列控制系统，通过适时、全面、主动地监控系统状态，在发生大扰动时及时发现失步机群，动态确定解列地点和解列动作时序。这种分类方法将传统的解列控制理解为被动解列控制，而将自适应解列控制等同于主动解列。随着理论界以及工程实际对快速解列必要性认识的深入，笔者认为这种分类方法值得商榷，可能使人误认自适应解列就是主动解列。所谓主动与被动解列应该从解列时刻上来区

9、分。而区分的分界点就是系统发生失步的时刻，在失步之前将电网解列，称为主动解列，在系统失步后采取的解列措施称为被动解列。主动解列实质上是一种前馈控制，它包括连锁解列和预测性失步解列以及在紧急控制中采取的解列措施等。而被动解列是在检测系统失步后采取的措施，属于反馈性控制。1.2主动解列必要性分析由于控制技术以及对电力系统认识的限制，目前实际应用的解列装置多为基于本地量量测的被动解列，但这无法掩盖在某些情况下，主动解列的确能以较小代价取得较优控制结果的事实。从广义上讲，解列控制也可和切机、切负荷以及直流功率紧急调制等并列作为紧急控制措施，即检测到某个会导致系统失稳的故障形态，就执行解列控制。通过离线

10、数字仿真，也不难验证，在某些情况下，执行主动解列控制可减少切机或切负荷量。因此，有必要研究主动解列的实施条件及其控制方法。随着我国电网的日益发展壮大，在单一的N-1或N-2故障下，导致系统首摆便发生暂态失稳的现象已越来越少见，取而代之的则更多地是在某些相继故障下，系统发生动态多摆失稳。国内外的很多大停电事故也表明，简单的N-1故障一般很难使系统失稳。通常是一些偶然事故的叠加，导致电网在动态过程中失去稳定和最终的崩溃。在系统发生动态失稳过程中，从事故发生到电网崩溃，一般都经历较长时间，如果仍采用传统的失步解列判据，往往要花费很长时间，才能判出系统已经失步。若能采取主动解列措施或其他控制措施，则能

11、有效减小因电压、功率等剧烈振荡对电网产生的冲击，并有可能避免大停电事故的发生。在系统必然失步的情况下，同时属于解列控制的主动解列效果通常优于基于传统失步解列判断原理的被动解列，事实上，由于各种因素都可能影响受扰系统的动态特性，使得任何基于时序外延的预测方法即便能可靠地预测系统失步，但所能缩短的解列时间通常也十分有限。因此，尽量缩短解列所需的动作时间，必须依赖于符合稳定机理的预测失步解列判据的研究10，且该研究本身也是一项极其艰巨的复杂课题。2基于响应检测的安控方法分析国内外大电网事故的发展过程可知，大区电网通常在一些级联故障或者一些偶然因素叠加下，在动态振荡过程中失去稳定。在系统动态失稳时，往

12、往是由于机组之间发生增幅振荡直至失步，最后导致电网崩溃。依据上述特点，本文研究了基于系统响应检测的安控方法：通过检测机组功角差或输电断面功率来捕捉增幅振荡的趋势，触发切机或采取主动解列控制措施抑制系统增幅振荡。基于系统响应检测的安全稳定控制方法，不必检测系统到底发生了什么故障，因而能有效克服传统安控方法的不足，而且该方法不涉及对系统工况的检测和匹配，对不同运行方式具有良好的适应性。采用该方法，可给出类似于安控所执行的操作，但触发其动作的信号，却来自于对系统内关键机组或线路响应的检测，且该检测结果与故障和系统的运行工况无关，因此非常符合第三道防线的设计理念。3判据描述3.1基于就地信息的控制判据

13、当系统发生增幅振荡时，振荡中心所在断面上电气量将发生周期性增幅振荡。通过监视断面有功功率振荡情况，判断系统是否发生了增幅振荡。定义：振荡幅度PZD=（PMAX -PMIN） （1）综合振幅PAV（k）=PZD（k）+PZD（k-1）+PZD（k-l） （2）其中，PMAX为振荡过程中一个摆次的有功功率最大值；PMIN是与之相邻的有功功率最小值；PZD（k）为第k摆次功率振荡幅度，在功率增幅振荡时，PZD通常是一个不断增大的值；l为综合因子，综合振幅PAV（k）等于第k摆振幅与k摆之前l摆振幅之和。另外，定义V（k）为第k摆振荡过程中变电站母线最低电压值；VSET为电压动作定值；PSET为功率动

14、作定值。如果满足 （3）判断系统发生增幅振荡，触发主动解列或切机命令。3.2基于广域信息的控制判据在断面两侧选择具有代表性的机组（可通过详细的稳定分析得到该信息）配置PMU，将机组的实时功角传送到控制中心进行简单计算就可以得到两群机组间的功角差，进而通过跟踪功角差值轨迹的变化情况，判断系统是否发生增幅振荡。定义：综合峰值AV1（k）=MAX（k）+MAX（k-1）+MAX（k-l） （4）综合谷值AV2（k）=MIN（k）+MIN（k-1）+MIN（k-l） （5）其中MAX（k）为功角差第k摆的峰值；MIN（k）为功角差第k摆的谷值；l为综合因子，表示综合峰值等于功角差第k摆的峰值和k摆之前

15、l摆功角差的峰值之和；综合谷值等于功角差第k摆的谷值和k摆之前l摆功角差的谷值之和。另外，定义SET为功角差动作定值。如果满足 （6）或者 （7）判断系统发生增幅振荡，结合电网实际情况触发主动解列或切机命令。4仿真验证以2008年华东电网福建外送功率较大的典型方式为例，验证本文所研究控制判据的正确性。在该方式下，福建-浙江断面的丽水-连江双回线相继故障导致福建机群相对华东主网振荡，系统动态失稳，华东机组摇摆曲线如图1所示。丽水-连江双回线相继故障导致福建机群相对华东主网机组的增幅振荡过程中，福建-浙江断面两侧典型机组后石和秦山电厂发电机组功角差的变化轨迹如图2所示。每摆的峰值和谷值如表1所示。

16、为了降低检测噪声以及某摆不规则摆动的影响，建议取综合因子l=3。由式（4）和式（5）计算可得表2所示的综合峰值和综合谷值。可见，如果SET整定为100，基于相角测量主动解列判据能在10.57秒准确判断出系统发生增幅振荡，可在系统失步前，触发主动解列命令。相比之下，传统失步解列装置至少要在20秒后才能判断出系统失步并触发解列命令。其次，也可以在满足判据时，触发切除送端机组或者降低机组出力的指令来抑制系统的增幅振荡，即使不能完全使系统振荡平息，对系统的增幅振荡，也有很好的抑制作用。图1 丽水-连江双回线发生相继故障后华东电网机组的功角摇摆曲线Fig.1 Generator angle swing

17、curves of East China power system图2 丽水-连江双回线相继故障下后石和秦山机组的功角差轨迹Fig.2 Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators表1 后石和秦山机组功角差各摆的峰值和谷值Table 1 Peak and valley of the Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators摆次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 后石和秦山机组功角综合峰值和综合谷值Table 2 Integrated Peak and valley of the Relative angle swing curves between HOUSHI and QINSHAN generators摆次12345678AV1（k）/251.4252.5286.6312338.6332.4AV2（k）/-120.8-140.6-182.6-235-300.8-348.4不难证明，利用线路功率增幅振荡来判断系统发生增幅振荡方法的正确性，其详细过程与基

19、于广域信息的方法类似，不再赘述。5本判据的适应性由于是基于系统的实际动态响应，本文所提出判据在判断过程中，相当于考虑了系统内所有扰动、控制措施等一系列因素的影响，并未对系统做任何假设，因而具有很好的适应性。（1）该判据通过捕捉系统内是否发生了增幅振荡现象来判断系统是否将发生失步，而不对系统是否失步做机理性判别，因而避免了由于参数假设等原因造成的局限性，并通过一些辅助判据（如功角摆开须达一定角度、振荡幅度、增加采样点等）避免了当系统内出现小幅度振荡时而可能发生的误判。（2）本文所提判据是基于大量的系统分析，针对系统内特定的受控断面（通常是电网薄弱环节）而提出的。即便由于某些不可预想的原因导致系统

20、的运行特性相对复杂6（如电网内某些断面母线电压可能在多点同时均明显下降），并出现多机群振荡模式时，对于依据本文判据安装了解列装置的特定断面来说，只要其两侧机组仍发生了增幅振荡，且有相对摆开的趋势，则不会影响基于本文原理解列装置对该增幅振荡现象的捕捉，并可以在最短的时间内将其正确解列。（3）传统的失步解列判据一般是根据对系统失步时典型特性的深入分析，大多针对典型两机系统所开发，存在一定的局限性。本文所提出解列策略虽然也需要经过离线或在线的详细分析，但由于其基于系统的实际动态响应，因而能解决当系统出现增幅振荡时，传统失步解列判据对系统是否发生失步进行判断时原理上的缺陷。但须指出的是，本文所研究判据

21、并不能完全取代传统的失步解列判据。6结语传统的紧急控制都是基于故障检测的。当由于严重故障而导致系统动态失稳，或出现不明原因振荡时，传统安控方法将无能为力。本文提出了一种基于系统响应的集成了切机控制和主动解列功能的安全稳定控制方法，并分别给出了基于就地信息和基于广域信息切机或者触发主动解列控制判据，最后利用实际电网数据进行数字仿真验证了控制判据的有效性。基于系统响应检测的安全稳定控制方法可以弥补传统方法只能针对指定故障的不足，当系统发生增幅振荡时，触发控制措施抑制系统振荡。切机控制即使不能完全使系统振荡平息，对系统增幅振荡也能有很好的抑制作用，并可为系统调度人员争取时间来平息系统振荡。参 考 文

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