異步聯(lián)網(wǎng)后南方電網(wǎng)區(qū)域間失步振蕩特性及應(yīng)對措施

許琴，邱建，張仕鵬，龐學躍，徐光虎，張建新

(1.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州 510623)

隨著魯西背靠背和永富直流工程的投產(chǎn)，云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)實現(xiàn)了異步互聯(lián)[1]，云南電網(wǎng)交流送出斷面上可能出現(xiàn)的失步振蕩也不復存在，區(qū)域間斷面失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)換為貴廣斷面失穩(wěn)、兩廣斷面失穩(wěn)、海南電網(wǎng)失穩(wěn)及多機群失穩(wěn)[2]。

目前南方電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)在主要送受電斷面配置了失步解列裝置，均是利用Ucosφ原理或相位角判別原理就地進行失步判別，通過定值整定，在一定程度上實現(xiàn)解列控制配合[3-5]。但這種配置能否適應(yīng)異步聯(lián)網(wǎng)后失步特性的變化，目前尚無相關(guān)深入研究。另一方面，業(yè)界認為針對這種多通道受電斷面的失步特性，綜合利用多種失步判據(jù)，結(jié)合可靠通信技術(shù)構(gòu)建失步解列系統(tǒng)，是解決復雜斷面失步判別與解列問題的很好思路[6-16]。文獻[6-12]提出基于廣域測量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)，在線廣域監(jiān)測電力系統(tǒng)各種失步振蕩模式，建立全網(wǎng)及區(qū)域失步控制中心，對各種可能的失步振蕩模式進行后備式緊急控制，確保準確切除失步機群；文獻[13-14]提出利用相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)實測機組受擾軌跡捕捉動態(tài)鞍點觸發(fā)解列控制；文獻[15-16]提出綜合解列系統(tǒng)的配置方案，即綜合解列系統(tǒng)的主控站設(shè)在電網(wǎng)的調(diào)度通信中心(或大型樞紐變電站)，子控制站設(shè)在各聯(lián)絡(luò)斷面上，主子站采用2M通道通信；文獻[6-14]提出的方法均是基于WAMS信息進行的，優(yōu)勢是可以實現(xiàn)較大范圍的失步識別，但算法復雜，對主站計算能力、時間同步、通信速度等的要求較高，在現(xiàn)階段工程實施中需要充分評估和解決可靠性問題。

為此，本文首先研究異步聯(lián)網(wǎng)后主網(wǎng)的失步振蕩特性，然后針對當前解列裝置配置方案的不足，提出一種基于就地解列裝置，利用遠方通信構(gòu)建的廣域失步解列系統(tǒng)。該系統(tǒng)仍采用就地解列裝置進行失步判別，然后將判別結(jié)果及相關(guān)信息發(fā)送給控制主站，再由主站綜合各判別結(jié)果及相關(guān)信息，根據(jù)預先的失步控制策略實現(xiàn)解列。該系統(tǒng)的優(yōu)勢是充分利用就地失步解列裝置的成熟判別原理，控制主站策略邏輯簡單，對于預先能夠確定解列點的多斷面、多通道區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)較為實用，工程可實施性高。同時，研究了低壓減載、解列點選擇、解列時刻對受電斷面振蕩特性和解列后區(qū)域電網(wǎng)恢復的影響，用于指導廣域失步解列控制系統(tǒng)控制策略的制訂。

1 分析方法及網(wǎng)架介紹

考慮到實際電網(wǎng)尤其是大型互聯(lián)電網(wǎng)失步振蕩過程中運行狀態(tài)變化的復雜性，難以應(yīng)用數(shù)學解析方法，因此采用中國電力科學研究院BPA程序開展時域仿真分析。以云南異步聯(lián)網(wǎng)后2019年南方電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，重點研究多回直流組合故障、交流故障主保護拒動或開關(guān)拒動等嚴重故障情況下，區(qū)域間斷面的失步振蕩特性，根據(jù)線路兩側(cè)的相位差曲線[17]來分析振蕩中心的位置，根據(jù)Ucosφ軌跡穿區(qū)特性[18-19]來分析失步解列裝置的動作情況。

南方電網(wǎng)形成“八交十直”的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[20-22]，500 kV主網(wǎng)架由貴州電網(wǎng)、云南電網(wǎng)、天生橋電廠、廣西電網(wǎng)及廣東電網(wǎng)組成，如圖1所示。其中，兩廣斷面交流通道由8回500 kV線路構(gòu)成(由北至南分別為桂林—賢令山雙回、賀州—羅洞雙回、梧州—羅洞單回、梧州—臥龍單回、玉林—茂名雙回)；貴廣斷面交流通道由5回500 kV線路構(gòu)成(由北至南分別為黎平—桂林雙回、獨山—河池雙回、天生橋—金州單回)；直流通道包括云南—廣東直流5回(楚穗、普僑、牛從雙回、滇西北)，云南—廣西直流1回(金中)、貴州—廣東直流2回(高肇、興安)、天廣直流和三峽直流。

圖1 南方電網(wǎng)500 kV交流主網(wǎng)架示意圖Fig.1 Schematic diagram of CSG 500 kV main gird

在嚴重故障下，多通道多斷面存在振蕩中心遷移、兩廣斷面選擇性、斷面部分通道解列不開及斷面協(xié)調(diào)性的風險，影響因素主要有各通道阻抗值、受端電壓支撐能力、故障位置等。

2 區(qū)域間斷面失步振蕩特性

本文通過對多回直流組合故障、交流故障主保護拒動或開關(guān)拒動等嚴重故障情況下的主網(wǎng)失步振蕩特性進行分析，總結(jié)出南方電網(wǎng)區(qū)域間斷面失穩(wěn)模式主要為貴廣斷面、兩廣斷面失穩(wěn)模式，且振蕩中心較易落于在兩廣斷面，同時呈現(xiàn)出振蕩中心遷移[23-26]、兩廣斷面選擇性、斷面部分通道解列不開及斷面協(xié)調(diào)性等特性。

2.1 振蕩中心遷移

以500 kV臥龍母線三相故障主保護拒動為例，柳賀線和賀羅線兩側(cè)相位差曲線如圖2所示。由圖2可以清楚判斷出第1周期賀羅線兩側(cè)的相位差發(fā)生0°～360°的周期變化，振蕩中心在賀羅線上，但隨后第2周期轉(zhuǎn)移到柳賀線上。

圖2 柳賀線和賀羅線的相位差曲線Fig.2 Phase angle difference curves of Liudong-Hezhou line and Hezhou-Luodong line

兩端等值電勢不等是振蕩中心遷移的主要原因，振蕩中心的位置會隨著等值功角差的變化而改變。而常規(guī)就地失步解列方式主要是基于大量的離線計算，在固定位置安裝失步解列裝置，當振蕩中心遷移到線路之外時，會造成解列控制裝置失去作用。

2.2 兩廣斷面選擇性

以“高肇+興安”直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動為例。仿真計算表明，故障后振蕩中心在兩廣斷面附近線路上(桂林—賢令山雙回、玉林—茂名雙回、柳州—賀州雙回、來賓—梧州雙回)。兩廣斷面及貴廣斷面各通道解列裝置動作情況見表1。

表1 “高肇+興安”直流雙極閉鎖穩(wěn)控拒動兩廣、貴廣斷面各通道裝置動作情況Tab.1 Action situation of each channel splitting device in Guangdong-Guangxi and Guizhou-Guangxi section

由表1可知，兩廣斷面所有通道及貴廣斷面黎桂通道、山河通道的解列裝置第1周期、第2周期均能判出，且黎桂通道、山河通道判出時間與兩廣斷面相近。經(jīng)分析，若按1周期和2周期解列兩廣斷面后，均可以使廣東、廣西、貴州、海南保持系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖3所示。存在的問題是，解列兩廣斷面是最優(yōu)解列方案且振蕩中心也在兩廣斷面，但貴廣斷面黎桂通道桂林站、山河通道河池站也能判出失步。如何實現(xiàn)只解列振蕩中心所在的兩廣斷面，避免多斷面同時解列成為亟待解決的問題。

圖3 解列兩廣斷面后廣東、廣西、貴州及海南電壓恢復曲線Fig.3 Guangdong, Guangxi, Guizhou, Hainan voltage recovery curves after out-of step splitting

2.3 斷面部分通道解列不開

以500 kV安順—青巖線路青巖側(cè)三相短路故障主保護拒動、相間后備保護1.1 s(參考南方電網(wǎng)提供的相間距離Ⅱ段動作時間)動作為例。兩廣斷面及貴廣斷面各通道解列裝置動作情況見表2。由表2可知，兩廣斷面若按2周期解列，則存在梧羅通道就地解列裝置不能動作的問題。圖4給出了兩廣斷面未完全解列和完全解列方案下振蕩中心附近線路的有功功率曲線。由圖4可知，未完全解列會導致兩廣斷面剩余線路及附近的線路仍然持續(xù)振蕩，極大影響了解列后廣東電網(wǎng)的穩(wěn)定恢復能力。

圖4 兩廣斷面未完全解列及完全解列情況下斷面附近線路的有功功率曲線Fig.4 Active power curve of the line near the section under the conditions of incomplete splitting and complete splitting

表2 安順—青巖線路三相短路青巖側(cè)主保護拒動兩廣、貴廣斷面各通道裝置動作情況Tab.2 Action situation of each channel splitting device in Guangdong-Guangxi and Guizhou-Guangxi section

2.4 斷面協(xié)調(diào)性

仍以500 kV安順—青巖線路青巖側(cè)三相短路故障主保護拒動、相間后備保護1.1 s動作為例。仿真表明，故障后振蕩中心在兩廣斷面附近線路(桂林—賢令山雙回、玉林—茂名雙回、柳州—賀州雙回、來賓—梧州雙回)和貴廣斷面(獨山—河池雙回、黎平—桂林雙回、天二—平果)上，且兩廣斷面及貴廣斷面各通道解列裝置按1周期整定，均能解列開(見表2)。對各種解列方案進行分析，得出結(jié)論如下：若按解列兩廣斷面，解列后廣東、海南保持穩(wěn)定，廣西電壓失穩(wěn)，貴州電壓在0.6Un～0.8Un(Un為無故障前的電壓)之間波動；若解列貴廣斷面，貴州、廣東電壓恢復到正常范圍內(nèi)，但持續(xù)振蕩，廣西、海南電壓失穩(wěn)；若同時解列兩廣斷面和貴廣斷面，廣東、海南能保持系統(tǒng)穩(wěn)定，廣西電壓失穩(wěn)，貴州電壓恢復到正常范圍內(nèi)，但持續(xù)振蕩(如圖5所示)。綜合考慮解列后各分區(qū)的穩(wěn)定性同時原則上不宜解列成太多分區(qū)，建議采取優(yōu)先解列兩廣斷面。存在的問題是：振蕩中心在兩廣斷面及貴廣斷面通道上，且2個斷面就地失步解列裝置均能判出，如何協(xié)調(diào)貴廣斷面與兩廣斷面就地失步解列裝置實現(xiàn)解列兩廣斷面。

圖5 廣東、廣西、貴州、海南母線電壓曲線Fig.5 Bus voltage curves of Guangdong, Guangxi, Guizhou and Hainan provinces

3 區(qū)域間斷面失步解列的應(yīng)對措施

針對區(qū)域間斷面存在的振蕩中心遷移、兩廣斷面選擇性、斷面部分通道解列不開及斷面協(xié)調(diào)性等特性，導致就地失步解列裝置不能完全解列或多斷面同時解列的問題，提出基于就地解列裝置，利用遠方通信構(gòu)建的廣域失步解列控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主站和子站構(gòu)成，子站分布在電網(wǎng)失步斷面的各個關(guān)鍵廠站。主站綜合各子站的上送信息，按照指定的控制策略，給出最終判別結(jié)果，觸發(fā)解列命令；子站和主站裝置間通過光纖通道實現(xiàn)通信。具體應(yīng)對措施如下：

a) 針對振蕩中心遷移問題，通過分析振蕩中心特性，發(fā)現(xiàn)區(qū)域間斷面振蕩中心一般會在聯(lián)絡(luò)斷面的前段、后段發(fā)生遷移，為此提出：將子站部署在斷面每個通道兩側(cè)，且每個子站就地采集所有線路的電流、電壓量，可實現(xiàn)振蕩中心所在斷面及斷面前段、后段線路的采集；同時原則上以每個通道任一側(cè)子站的任一回線路判出失步。

b) 針對兩廣斷面選擇性問題，建議主站綜合利用多端電壓相角差及各子站測量阻抗角信息，實現(xiàn)振蕩中心的精確定位或采取周期配合，同時進行兩廣斷面解列后閉鎖貴廣斷面。

c) 針對斷面部分通道解列不開的問題，建議主站采用檢測到斷面內(nèi)一定數(shù)量(可整定)的通道判別失步，即可判別該斷面失步，例如兩廣斷面中4個通道中有2個通道判別出失步，主站即發(fā)命令同時解列4個通道，這樣在保證可靠的基礎(chǔ)上有效解決了不同時動作或部分通道不能動作的問題。

d) 針對貴廣、兩廣斷面協(xié)調(diào)性，優(yōu)先解列兩廣斷面的問題，建議各子站將通道線路的失步信息上送給主站，主站通過周期配合或采取兩廣斷面解列后閉鎖貴廣斷面的措施，實現(xiàn)貴廣、兩廣斷面的協(xié)調(diào)。

4 廣域失步解列控制系統(tǒng)架構(gòu)

廣域失步解列控制系統(tǒng)由主站和子站組成。選取兩廣、貴廣斷面各通道兩側(cè)站點作為子站(共12個子站)，設(shè)置1個主站，主站部署在500 kV茂名站，子站分別部署在廣東500 kV茂名站、羅洞站、蝶嶺站、賢令山站，廣西500 kV賀州站、梧州站、桂林站、河池站，貴州500 kV黎平站、獨山站、興仁換流站、天二廠站，如圖6所示。各子站與主站通過復用2 M光纖通道互聯(lián)通信。為實現(xiàn)快速、可靠解列，避免故障范圍進一步擴大，各子站仍采用就地失步解列裝置的成熟判別原理進行判別，周期定值整定為1周期，相對于現(xiàn)有的就地失步解列裝置的2周期定值，能夠?qū)崿F(xiàn)更快解列；控制主站綜合各子站的判別結(jié)果及相關(guān)信息，根據(jù)預先的協(xié)調(diào)失步控制策略實現(xiàn)解列，策略邏輯簡單，主站與子站均采用點對點2 M光纖通道通信，通道延時在毫秒級以下。

圖6 廣域失步解列控制系統(tǒng)裝置布點圖Fig.6 Layout diagram of wide-area out-of-step splitting control system

5 振蕩特性及解列后電網(wǎng)恢復的影響因素分析

5.1 低壓減載對振蕩特性的影響

以500 kV花都—北郊線路花都側(cè)三相短路故障主保護拒動、相間后備保護0.4 s動作為例。若不考慮解列后低壓減載裝置動作，振蕩中心由廣東內(nèi)部慢慢轉(zhuǎn)移到兩廣斷面上，兩廣斷面2 s后才開始振蕩；若考慮低壓減載裝置正確動作，兩廣斷面未振蕩，主網(wǎng)穩(wěn)定，如圖7所示。由仿真計算結(jié)論可知，低壓減載裝置的正確動作，可有效避免局部電網(wǎng)失穩(wěn)延伸至區(qū)域間斷面的失步振蕩。

圖7 兩廣斷面各通道兩側(cè)相位差曲線Fig.7 Phase angle difference curve of each channel on Guangdong and guangxi section

5.2 解列的時刻對電網(wǎng)恢復的影響

以500 kV臥龍母線三相故障主保護拒動為例。故障后采用1周期(1.74 s)或2周期(2.56 s)解列兩廣斷面，送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)低頻減載、低壓減載和高頻切機量見表3。由表3可知，采用2周期解列，廣東、廣西、貴州的低頻低壓減載量增多，且廣西高頻切機量也增多；因此，越早解列電網(wǎng)，損失的負荷量越少。

表3 采用1周期或2周期判據(jù)解列南方主網(wǎng)其他第3道防線措施量Tab.3 Other measures of the third line of defense in southern main grid after splitting using one-cycle or two-cycle criterion

5.3 解列點的選擇對電網(wǎng)恢復的影響

以逢宜—來賓線路三相短路來賓側(cè)拒動0.7 s相間后備保護動作為例。分別按解列兩廣斷面的玉茂線和茂蝶線進行對比分析，圖8所示為2種解列方案海南福山站的電壓頻率偏差。由圖8可知，采取解列玉茂線時，海南電壓恢復穩(wěn)定；采取解列茂蝶線時，解列后海南電網(wǎng)與廣西電網(wǎng)屬于同步網(wǎng)，海南電壓頻率波動±1 Hz。由仿真計算結(jié)論可知，解列點的選擇宜將區(qū)域電網(wǎng)留在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)堅強及機組同調(diào)性好的電網(wǎng)。

圖8 解列茂蝶和玉茂線海南福山站電壓的頻率偏差Fig.8 Voltage frequency deviations of Hainan Fushan station under splitting Maoming-Dieling and Yulin-Maoming line

6 結(jié)論

本文以南方電網(wǎng)為研究對象，分析了區(qū)域間斷面的失步振蕩特性以及低壓減載、解列時刻、解列點的選擇對振蕩特性及解列后電網(wǎng)恢復的影響。得出結(jié)論如下：

a)兩廣、貴廣斷面存在振蕩中心遷移、兩廣斷面選擇性、斷面部分通道解列不開及貴廣、兩廣斷面協(xié)調(diào)性等問題，會導致斷面不能完全解列或多斷面同時解列。針對該類問題，提出建設(shè)基于就地解列裝置，利用遠方通信構(gòu)建的廣域失步解列系統(tǒng)；同時給出了南方電網(wǎng)廣域失步解列控制系統(tǒng)架構(gòu)及相應(yīng)的應(yīng)對策略。

b)低壓減載、解列時刻、解列點的選擇均會對電網(wǎng)振蕩特性及解列后電網(wǎng)恢復產(chǎn)生影響。在制訂廣域失步解列控制系統(tǒng)的控制策略時，應(yīng)將這些影響因素納入考慮。