“兩渡”直流投產(chǎn)后南方電網(wǎng)振蕩中心特性分析

常寶立，涂　亮，方勝文，俞秋陽，柳勇軍

(1. 南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京　211100；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院, 廣東廣州　510080)

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“兩渡”直流投產(chǎn)后南方電網(wǎng)振蕩中心特性分析

常寶立1，涂亮2，方勝文1，俞秋陽1，柳勇軍2

(1. 南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211100；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院, 廣東廣州510080)

0引言

“兩渡”直流投產(chǎn)后，南方電網(wǎng)形成“八交八直”西電東送大通道，直流送電容量占比陡增至72%，系統(tǒng)強(qiáng)直弱交特性更加突出，交直流相互影響問題更加嚴(yán)重；溪洛渡直流(簡稱：牛從直流)、糯扎渡直流(簡稱：普僑直流)、云廣直流(簡稱：楚穗直流)長期滿負(fù)荷運行，直流雙回(雙極)閉鎖后一旦穩(wěn)控拒動將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)失步。為防止南方電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障失去同步時系統(tǒng)因整體崩潰、瓦解而造成大面積停電，目前南方電網(wǎng)500kV主網(wǎng)在主要送受電斷面均配置了失步解列裝置[1-3]，主要采用ucosφ或相位角判別原理[1,4]，裝置根據(jù)測量點電壓值及振蕩周期決定是否解列相關(guān)線路。

為了準(zhǔn)確把握“兩渡”直流投運后電網(wǎng)的失步特征并采取適當(dāng)?shù)慕饬写胧乐故鹿蕯U(kuò)大，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定[5-7]，本文對“兩渡”直流投產(chǎn)的2014年，在豐大極限、豐大計劃和豐小方式下，對云南送出的楚穗直流、普僑直流、牛從直流雙回(雙極)閉鎖穩(wěn)控拒動后南方電網(wǎng)的失穩(wěn)模式、失穩(wěn)過程中失步解列裝置的動作行為等進(jìn)行了分析，同時對牛從直流所在的滇東北地區(qū)在嚴(yán)重故障下的振蕩中心特性也進(jìn)行了分析，根據(jù)分析的結(jié)果，建議對現(xiàn)有失步解列裝置的運行配置和定值進(jìn)行修訂，在永豐—多樂斷面上加裝失步解列裝置。

計算中，失步振蕩中心采用相角差原理進(jìn)行判別，通過線路兩側(cè)電壓相量之間的角度差變化軌跡判別失步和振蕩中心的位置[8]；裝置的動作行為根據(jù)其判別原理和定值判別裝置是否動作；計算中考慮了高周切機(jī)、低頻/低壓減載等安全自動裝置的作用。

1系統(tǒng)失步特性分析

電力系統(tǒng)實際運行中，振蕩主要發(fā)生在多個同調(diào)機(jī)群之間或失步機(jī)組與主系統(tǒng)間的電氣連線上。

兩機(jī)等值系統(tǒng)接線如圖1所示，在任一振蕩角度下，失步斷面聯(lián)絡(luò)線上總有一點的電壓幅值最低，該點稱為此振蕩角的振蕩中心。大區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)失步時兩側(cè)等值電勢幅值比約為1，但兩側(cè)等值電勢的不等關(guān)系并不確定，兩側(cè)等值電勢幅值的不等會造成振蕩中心隨兩側(cè)相角差的變化而飄移。兩側(cè)等值電勢幅值變化范圍較小時，振蕩中心只會在一個比較小的范圍內(nèi)做周期性的漂移；如兩側(cè)等值電勢幅值變化范圍較大，則振蕩中心會出現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)移。

圖1　兩機(jī)等值系統(tǒng)

假設(shè)振蕩中心的位置位于EM與EN的阻抗中點，取聯(lián)絡(luò)線上的兩端母線1和母線2，其電壓分別為U1和U2。EM到U1的阻抗與U1到EN的阻抗之比為a，a取不同的數(shù)值代表母線1距離振蕩中心的距離不同，a為0～1.0時，振蕩中心位于聯(lián)絡(luò)線上，a>1.0時，振蕩中心位于聯(lián)絡(luò)線外。母線1和母線2的相角差θ的軌跡如圖2和圖3所示。

圖2　振蕩中心位于區(qū)內(nèi)θ變化曲線

圖3　振蕩中心位于區(qū)外θ變化曲線

振蕩中心位于聯(lián)絡(luò)線內(nèi)時，兩側(cè)母線之間的相角差穿越180°在0～360°區(qū)間內(nèi)周期性變化，距離振蕩中心越近時相角差變化軌跡在穿越180°時的速率越大。

當(dāng)振蕩中心位于聯(lián)絡(luò)線外時，兩側(cè)母線電壓相角差在±90°區(qū)間內(nèi)波動。

根據(jù)上述分析，暫態(tài)仿真時輸出線路兩側(cè)母線的相角，通過計算線路兩側(cè)母線的相角差，根據(jù)相角差是否在0～360°內(nèi)周期性變化，即可判斷振蕩中心是否位于當(dāng)前線路，出現(xiàn)0～360°變化的個數(shù)代表振蕩中心為該線路的周期數(shù)。

2失步解列裝置配置簡介

南方電網(wǎng)500kV主網(wǎng)的廣東與廣西斷面、天生橋出口斷面、云南出口斷面、貴州與天生橋斷面、貴州與廣西斷面，以及海南與主網(wǎng)斷面均配置了失步解列裝置，裝置配置情況如表1所示。

表1　2014南方電網(wǎng)失步解列裝置一覽

表中：來賓站、蝶嶺站、羅平站、崇左站、福山站和港城站采用了相位角原理的失步解列裝置，其他站采用了ucosφ原理的失步解列裝置，同時在港城站配置了高頻/低頻解列裝置。天生橋出口斷面和貴州與廣西斷面的裝置整定周期比其他斷面長一個周期為3周。失步解列裝置分布如圖4所示。

圖4　2014南方電網(wǎng)失步解列裝置分布

3“兩渡”投產(chǎn)對南方電網(wǎng)主網(wǎng)區(qū)域間振蕩中心特性的影響分析

“兩渡”直流的送端為云南電網(wǎng)，受端為廣東電網(wǎng)，對此在豐大極限、豐大計劃和豐小方式下分析云南送出的楚穗直流、普僑直流和牛從直流閉鎖穩(wěn)控拒動后系統(tǒng)的失步情況。

3.1楚穗直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動

楚穗直流雙極閉鎖后，需采取穩(wěn)控措施切除小灣、金安橋機(jī)組，如穩(wěn)控拒動將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。具體分析如下：

豐大極限方式：故障后兩廣斷面失穩(wěn)，振蕩中心位于桂山線(山花線)、賀羅線、梧羅線(來梧線)和玉茂線(茂碟線)；兩廣斷面的失步解列裝置均能動作。另外，港城高頻解列滿足解列條件解列海南電網(wǎng)，其解列時間將早于兩廣斷面。

豐大計劃方式：故障后相關(guān)聯(lián)絡(luò)線上兩側(cè)母線的相角差曲線如文后附錄A所示，從曲線中可以看出，故障后首先出現(xiàn)兩廣斷面失穩(wěn)，第一個周期的振蕩中心位于山花線、賀羅線、梧羅線和玉茂線，但從第二個周期開始，振蕩中心轉(zhuǎn)移至天青斷面的黎桂線(施黎線)、山河線(青山線)、天平線、永南線(百永線)和崇南線。振蕩中心轉(zhuǎn)移情況如圖5所示(圖中的數(shù)字代表第幾個振蕩周期)。

由于振蕩中心在兩廣斷面僅持續(xù)一個周期，而裝置整定為兩個周期，所以兩廣斷面的失步解列裝置均無法動作。在到達(dá)第4個振蕩周期時，由其他斷面的裝置將系統(tǒng)解列，裝置動作情況如表2所示。

圖5　振蕩中心位置分布

斷面名稱地點定值能否動作兩廣斷面羅洞變電站0.65Un,2周否梧州變電站0.5Un,2周否來賓變電站0.5Un,2周否茂名變電站0.5Un,2周否玉林變電站0.6Un,2周否賀州變電站0.5Un,2周否賢令山變電站0.5Un,2周否蝶嶺變電站0.5Un,2周否天生橋出口斷面平果變電站百色變電站0.5Un,3周能0.5Un,3周能0.5Un,3周能云南出口斷面羅平變電站硯山變電站崇左變電站0.5Un,2周否0.5Un,2周否0.6Un,2周否0.5Un,2周能貴州與天生橋斷面興仁換流站0.5Un,2周否天生橋二級站0.5Un,2周否貴州與廣西斷面青巖變電站0.6Un,3周能獨山變電站0.6Un,3周能黎平變電站0.5Un,3周能

從表中可以看出，在裝置動作的廠站中除崇左站外，其他站整定的周期為3個周期，所以存在系統(tǒng)解列時刻不一致，以及解列時間過長的問題，不利于解列后系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以，建議將貴州與廣西斷面、天生橋出口斷面的裝置整定為2個周期。

豐小方式：故障后云南與主網(wǎng)失穩(wěn)，振蕩中心位于云南出口斷面的羅馬線、羅百線，以及崇左線(崇南線)，云南斷面的失步解列裝置均能動作。

3.2普僑直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動

普僑直流雙極閉鎖后，需采取穩(wěn)控措施切除糯扎渡機(jī)組，如穩(wěn)控拒動將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。具體分析如下：

豐大極限方式和豐大計劃方式：故障后兩廣斷面失穩(wěn)，振蕩中心位于桂山線、賀羅線、來梧線和玉茂線；兩廣斷面的失步解列裝置除蝶嶺站外均能動作。蝶嶺站由于母線電壓過高且不滿足穿區(qū)特性，裝置無法動作，判別曲線如圖6所示。

圖6　蝶嶺站判別曲線

由于目前的失步解列配置方案中，玉林—茂名—蝶嶺通道上只有蝶嶺站設(shè)為“投跳閘”，從而將導(dǎo)致兩廣斷面無法完全解列。所以，建議將茂名站改為“投跳閘”，蝶嶺站改為“投信號”；或?qū)蓚€站都改為“投跳閘”，解列線路都設(shè)為茂蝶線。

豐小方式：故障后云南與主網(wǎng)失穩(wěn)，振蕩中心位于云南出口斷面的羅馬線、羅百線，以及崇左線(崇南線)，云南斷面的失步解列裝置均能動作。

3.3牛從直流四極閉鎖穩(wěn)控拒動

牛從直流四極閉鎖后，需采取穩(wěn)控措施切除溪洛渡機(jī)組，如穩(wěn)控拒動將導(dǎo)致系統(tǒng)失步。其中，滇東北地區(qū)的機(jī)組首先與主網(wǎng)失步，振蕩中心位于永豐斷面(500kV永豐—多樂+220kV永豐—迆車)，如在永豐站加裝該斷面的失步解列裝置(ucosφ原理或相位角原理，2個周期)，裝置均能動作。具體分析如下。

豐大極限方式：首先滇東北機(jī)組與主網(wǎng)失穩(wěn)后，然后又出現(xiàn)兩廣斷面失穩(wěn)，振蕩中心位于桂山線(山花線)、賀羅線、來梧線(梧羅線)和玉茂線(茂碟線)；兩廣斷面的失步解列裝置均能動作。另外，港城高頻解列滿足解列條件解列海南電網(wǎng)，其解列時間將早于兩廣斷面。

豐大計劃方式：僅出現(xiàn)滇東北機(jī)組與主網(wǎng)失穩(wěn)。

豐小方式：首先滇東北機(jī)組與主網(wǎng)失穩(wěn)后，如不解列永豐斷面，則又將出現(xiàn)云南與主網(wǎng)失穩(wěn)，振蕩中心位于云南出口斷面；如解列永豐斷面，則主網(wǎng)不再出現(xiàn)失步。

4“兩渡”投產(chǎn)對地區(qū)電網(wǎng)振蕩中心特性的影響分析

“兩渡”直流投產(chǎn)后，直流送端近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，特別是與主網(wǎng)電氣聯(lián)系較弱的滇東北地區(qū)，在牛從直流工程投入運行后，部分情況下可能出現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)對主網(wǎng)系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)的風(fēng)險，滇東北地區(qū)220kV及以上的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　滇東北地區(qū)接線圖

牛從直流四極閉鎖穩(wěn)控拒動以及溪洛渡電廠送出線故障穩(wěn)控拒動時，將導(dǎo)致滇東北地區(qū)與主網(wǎng)失步。在豐大極限及相應(yīng)的檢修方式下，系統(tǒng)的失步特性分析如下。

4.1牛從直流四極閉鎖穩(wěn)控拒動

正常方式以及500kV溪換線(溪洛渡電廠—牛寨換流站)檢修方式下，故障后振蕩中心出現(xiàn)在永豐斷面，解列該斷面后，振蕩中心仍將出現(xiàn)在兩廣斷面，兩廣斷面的失步解列裝置能夠動作。

在500kV永多線(永豐—多樂)檢修、甘永線(甘頂—永豐)檢修方式下，故障后振蕩中心出現(xiàn)在永豐斷面，如解列該斷面，主網(wǎng)將不再失步；如未解列將導(dǎo)致兩廣斷面失穩(wěn)。

在500kV溪甘線(甘頂—溪洛渡電廠)檢修方式下，振蕩中心位于甘頂斷面(500kV甘頂—永豐線+220kV大關(guān)—西衙門)，此時永豐斷面的失步解列裝置滿足動作條件，可解列永豐斷面，解列后主網(wǎng)將不再失步；如未解列將導(dǎo)致兩廣斷面失穩(wěn)。

4.2溪洛渡電廠送出線故障穩(wěn)控拒動

考慮溪換線N-2和溪換+溪甘N-2兩種故障形式，故障后穩(wěn)控拒動，未切除溪洛渡機(jī)組以及回降牛從直流功率。將導(dǎo)致溪洛渡機(jī)組及滇東北機(jī)組與主網(wǎng)失步，各故障下系統(tǒng)的振蕩特性如表3所示。

表3　溪洛渡電廠出線故障分析結(jié)果

振蕩中心一般位于甘永線、永多線、甘換線等線路上，未出現(xiàn)在溪洛渡電廠送出線上。故障后甘頂和永豐等站均可判出系統(tǒng)失步，由于溪洛渡電廠母線電壓較高(高于0.8p.u.)，難以判出系統(tǒng)失步。經(jīng)綜合考慮，建議在永豐站加裝失步解列裝置，解列永豐斷面。

5結(jié)語

“兩渡”直流投產(chǎn)后南方電網(wǎng)主網(wǎng)失步特性變得更加復(fù)雜。對于導(dǎo)致主網(wǎng)失步的嚴(yán)重故障，目前主網(wǎng)所配置的失步解列裝置，布點位置能夠滿足系統(tǒng)要求，但整定的定值及裝置運行設(shè)置存在不足，將增加系統(tǒng)運行的風(fēng)險，對此建議如下：

① 普僑直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動情況下，蝶嶺站母線電壓偏高且不滿足穿區(qū)特性，裝置無法動作。建議將茂名站的失步解列裝置由“投信號”改為“投跳閘”，蝶嶺站改為“投信號”；或?qū)蓚€站都改為“投跳閘”，解列線路都設(shè)為茂蝶線。

② 在豐大計劃方式下，楚穗直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動后，存在振蕩中心由兩廣斷面轉(zhuǎn)移至天青斷面的情況。目前貴州與廣西斷面、天生橋出口斷面失步解列裝置周期設(shè)定為3周，故障發(fā)生到裝置出口解列時間過長，對解列后系統(tǒng)穩(wěn)定不利，建議改為2周。

另外，對于牛從直流所在的滇東北地區(qū)，牛從直流四極閉鎖穩(wěn)控拒動以及溪洛渡電廠送出線故障穩(wěn)控拒動時，振蕩中心出現(xiàn)在滇東北地區(qū)的永豐、甘永等斷面，建議在永豐斷面加裝失步解列裝置。

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常寶立(1981— )，男，工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制研究和相關(guān)軟件開發(fā)工作，E-mail:ChangBL@nrec.com;

涂亮(1982— )，男，工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制研究工作;

方勝文(1986— )，男，碩士，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制研究和相關(guān)軟件開發(fā)工作。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

附錄A

豐大計劃方式下楚穗直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒，相關(guān)聯(lián)絡(luò)線上的兩側(cè)相角差曲線如下：

Characteristic Analysis of Oscillation Center for China Southern Power Gridon Commissioning of “Liang Du” HVDC ProjectCHANG Baoli1, TU Liang2, FANG Shengwen1, YU Qiuyang1, LIU Yongjun2

(1.NARI Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211100, China;2. Electric Power Research Institute,

China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

摘要：本文基于“兩渡”直流投產(chǎn)的2014年南方電網(wǎng)運行方式，分析了“兩渡”直流及“云廣”直流閉鎖穩(wěn)控拒動后，電網(wǎng)失穩(wěn)過程中振蕩中心的系統(tǒng)特性，以及目前配置的失步解列裝置動作情況，同時對溪洛渡直流所在的滇東北地區(qū)也進(jìn)行了分析。根據(jù)分析的結(jié)果，建議對現(xiàn)有失步解列裝置的運行配置和定值進(jìn)行修訂，同時在永豐—多樂斷面上加裝失步解列裝置。

關(guān)鍵詞：“兩渡”直流；南方電網(wǎng)；振蕩中心；特性分析；失步解列

Abstract：Based on 2014 operation mode on commissioning of “Liang Du” HVDC project, the system characteristic of oscillation center and the action status of the out-of-step devices are studied after analyzing the non-action of blocking equipment and stability control system for “Liang Du” and “Yun Guang” HVDC project. At the same time, the Northeast Area of Yunnan province for “Xi Luo Du” HVDC project is also studied. According to analysis results, it is suggested to revise the configuration and value of the current out-of-step system, and add out-of-step devices at YongFeng-DuoLe section.

Keywords：“Liang Du” HVDC Project; China Southern Power Grid; oscillation center; characteristic analysis; out-of-step

作者簡介：

收稿日期：2014-12-03

中圖分類號：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2322(2016)01-0047-07