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第44卷第10期2016年5月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlv01.44NO.10May16,2016D0I:10.7667/PSPC151512基于暂态能量的电力系统切机控制措施王佳丽17刘涤尘,廖清芬,岑炳成,李顺,齐晓曼(1.武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072;2.国网上海电力科学研究院,上海200437)摘要:为了实现更准确有效的电力系统紧急控制,提出了一种考虑惯性时问常数变化的切机量计算方法,并在加速机群进行分配。该方法基于系统等值二机系统的暂态过程能量进行求解,所需数据均可通过广域测量得到,不需要依赖电力系统的具体模型和参数,可以实现对电力系统的实时控制,计算量小,方便灵活。同时考虑了在切机过程中系统的惯性时间常数的变化,使得切机控制更加准确。通过对新英格兰10机39节点算例的仿真分析,验证了该控制方案的有效性。关键词:暂态稳定;切机;惯性时问常数;实时控制GeneratortrippingstrategybasedontransientenergyofpowersystemWANGJiali,LIUDichen,LIAOQingfen,CENBingcheng,LIShun,QIXiaoman2(1.SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.StateGridElectricPowerResearchInstitute,SMEPC,Shanghai200437,China)Abstract:Inordertoachieveamoreaccuratepowersystememergencycontrolmeasures,thispaperproposesamethodforcalculatingtheamountofgenerationtrippingconsidersinertiatimeconstantchangeandallocatesinacceleratinggenerators.Themethodisbasedontheequivalentrelativekineticenergyinthedouble-machinesystem,itdoesnotdependonthespecif—icmodelandpowersystemparameters,canachieverealtimecontrolofthepowersystem,andneedsasmallamountofcalculation,whichisconvenientandflexible.Takingthechangeofsysteminertiatimeconstantintoaccountintheprocessofgenerationtripping,amoreaccurategenerationtrippingmeasureisachieved.SimulationontheNewEngland10・-generator39--bussystemverifiestheeffectivenessandacertainpracticalengineeringvalueoftheproposedscheme.Keywords:transiemstability;generationtripping;inertiatimeconstant;realtimecontrol0引言我国幅员辽阔,受到资源分布、环境因素和经济差异的制约,电网结构凸显出跨区互联、远距离、大容量输电、交直流相结合等特征,电网的规模越大,电网的稳定问题也愈加严峻[1-31。电力系统的失稳事故可能引起工业和居民断电,甚至可能使电力系统崩溃,给我国经济造成重大损失,需及时采取各种控制措施使其恢复稳定[4-51。系统发生安全稳定问题后,需要及时采取合适的紧急控制措施,其中一个重要的暂态稳定控制措施是切机措施【6J。切机控制策略的制定包含切机地“基金项目:国家电网公司项目多区域安控系统协调及在线”诊断、辅助决策技术研发应用点的选择、切机时刻和切机量的求取三个方面。其中合理而有效的切机量是保证系统恢复稳定的重要因素,同时快速准确计算出切机量也是实现紧急控制的快速性必不可少的条件,系统故障后的切机量化方法研究一直是人们的关注点。近年来,广域测量系统迅速发展,为切机控制策略提供了技术条件[8_9】。文献[10】以改进支路能量函数法为理论基础,求取并网系统故障后所需切机量。文献[11】通过分析暂态能量函数,根据故障后的稳定裕度来确定所需的切机量。但是能量函数法难以区分系统中发电机内部和发电机间的能量,因此利用能量函数法来求取的切机量,难免其中包含一些实际对暂态稳定无贡献的能量,造成不必要的过切¨J。文献[14]根据扩展等面积法求得的稳定裕度定义了切机的代价,以此确定最合适的切机控制策略,但是存在着电力系统保护与控稍难以确定积分起止条件以及积分路径等问题。文献[15]将系统等效为二机系统,通过计算未消纳的加速能量,进而得到系统所需切机量。不受系统运行方式的束缚,使用方便灵活,但是推导过程中并没有考虑切机导致的系统惯性时间常数的变化对切机量的影响,从而影响控制效果。广域测量系统(WideAreaMeasurementSystem,WAMS)已经成为我国电力调度自动化系统十分重’要的组成部分【JoJ。广域测量系统得到的数据完全来源于相量测量单元(PhasorMeasurementUnit,PMU)的真实数据,可以反映系统真实的动态行为【1引。本文基于WAMS测量得到的数据,在前人研究的基础上,考虑了系统惯性时间常数对系统所需切机量影响,说明在切机过程中可能伴随着系统惯性时间常数的改变,从而导致实际所需切机量的变化,并在此基础上,说明了基于系统等值二机系统的暂态能量,进而提出了考虑系统惯性时间常数的切机决策方案,为了与文献【151进行对比,同样采用基于转速差一功角差相平面轨迹判断系统功角稳定的方法对系统进行实时监测,作为紧急控制的启动条件,并在新英格兰10机39节点的算例中进行仿真,说明了本文方法的有效性和更优越的控制效果。1系统惯性时间常数惯性时间常数的物理意义如下:原动机将额定转矩加到空载的发电机转子上,静止的转子加速到额定转速所需的时间。惯性时间常数越小,在转子上施加相同的转矩,转子的运动速度变化越快。电力系统惯性时间常数是对暂态稳定有很大影响的重要的系统运行参数。以二机系统为例,如图1,发电机的动态方程可表示为式(1)和式(2)。E。‘E图1二机系统示意图Fig.1Twomachinesystemdiagram024=(Pm一)/(1)_(Pm:)/(2)式中,、、M1、、em、尸m2、和:分别为两台机的功角、发电机的惯性时间常数、原动机输入机械功率的标幺值、发电机输出电磁功率的标幺僖式(3),式(4)司以表不二台发电机的电磁功率。1:EGll+EE2G12cos2+…E1E2B12sin42【jJE, ̄8∞乏1s+in繁2一(4),,一式中:E1、E2为两台发电机内电势;Gl、、Gl:为发电机的白电导和转移电导;Bx,为发电机间的转移电纳;:=一。在实际电力系统中,电阻值相对于电抗非常小,即c1:远小于:。令Gl:=0,式(3),式(4)可简化为1=q+巨蜀sin42(5)2=G22一EIE2B12sin2(6)在初始运行情况下,:,原动机机械功率与发电机电磁功率保持平衡,即Pm=。;em=2o。式(1)减去式(5)并考虑(5)和式(6)可得d:一尸m一G1尸m:一G21(7)E1E2Blzsinz(亩+玄)式(7)可以改写为式(8),即将两机系统转化为单机系统形式。:em一(8)出。Pm=一;=巨・912sinz(亩+索)。系统参数在故障后发生变化,由GI、G2、:变成、、,故障切除时刻,系统的相对功角由从增大到;系统网络各参数在故障被切除后变成、、,为此时系统的相对功角(作为积分的终点)。则故障后的系统在整个暂态过程中积蓄的能量为=壤一壤d6+壤一壤d6=Pm(一)十(一)+巨(+1)(c。s一‘B12cos6 ̄+B2cos6 ̄一Bcos, ̄o)直接法暂态稳定的相关理论指出,系统暂态稳定能力与暂态过程中积蓄的能量有直接关系[20],可王佳丽,等基于暂态能量的电力系统切机控制措施.3.以由式(9)看出,暂态能量R值与发电机惯性时间常数有关,会随之发生变化,说明系统的暂态稳定水平会受到机组惯量的影响,而在实际切机过程中,甘‘是整台发电机退出运行的,此时系统的惯量会随着一机组的退出运行而发生改变,进而使系统在发生暂态事故时所需的切机量随之发生变化。2考虑惯性时间常数的基于暂态能量的切机量2.1多机系统的暂态能量一个具有n台发电机的系统,其中第i台发电机的动态方程表示如下:=尸m一(10)式中:为第i台机的惯性时间常数;,分别表示它的机械功率和电磁功率。多机系统故障后若发生功角稳定问题,在开始的一段时间内,失稳通常都表现为二机群形式的功角摆开。不论尸m,的复杂程度,也不论各机的运行状态,将n台机分割为两个非空的互补机群,有”且仅有,=2一2种不同的情况,它们满足如下关系:…SuA={l,2,,)nA=≠S(11)≠A设受扰后功角超前的机群为机群S,剩余机群称为机群,它们都有对应的惯量中心。把机系统映射到两机系统。∑f=/1:/2其中:∑f={:薹(13)∑I=定义,,为S,A群等值后对应的转子角,,为S,A群的等值惯性时间常数,,为S,A群的等值机械输入功率,,为S,A群的等值电磁功率。由此,可把式(10)系统的运动方程变换为二【=一。此时,Aco=一,A6=一。转化为单机系统形式(采用标幺值表示):△l=ACO△1:一()M=MMsM=∑K=I(,16)IUJPm:(。一尸ma)=(。一)将式(16)代入式(15),得dAco=(击Pm一1Zpr ̄)一(击击)(17)dA.△对等值后的单机系统功角曲线进行分析,功角曲线如图2所示。已经过的减速面积::积ilI:、Il04功角图2等值单机系统功角曲线Fig.2Power-anglecurveofsinglemachinesystem从to一,系统经历了正向加速和正向减速过程,若系统此时还未充分消纳加速能量,根据式(18)可推导出在时刻系统剩余的加速能量为(为了方△便,在本文后均用代替,CO代替Aco)=S(Pm—PmPe)d ̄=(M=ma=一=I(^)d=d0f181』Max]co=2M]‰一式中,时刻为故障时刻,由式(15)可以看出,在时,o=o,因此COo=0。故山=÷(19)2.2考虑惯性时间常数变化的切机量初始状态为稳定运行的系统,假设在某一时刻.4一电力系统保护与控制发生较严重的故障,在时刻故障被清除,在故障后若采取切机控制措施,使系统能够恢复稳定运行。切机时刻为tu,to<<,切机量为APm,系统恢复稳定,则满足‘—R璧PmP)(Pm一+(2。)(一一)=0若要使实施控制后系统恢复稳定,需要使减速面积的增加量为Rc=吉M一(--Pm ̄8(21)则可知《IAPmd8=IAPmd6=Ro(22)求得切机功率后,根据加速进群中各机组的输出功率情况,再进行分配切机量。3紧急控制方案3.1暂稳辨识方法为跟文献[15]进行对比,采用基于相轨迹的失稳判断方法。在一相平面,如果系统稳定,相平面上发电机的运动轨迹将从第四象限越过横轴回到第一象限,然后进入回摆过程,功角不会趋于无穷大;若系统不稳定,则轨迹将会在第一象限的某点向远处开始进行发散,功角越来越大。由于电力系统时一般存在一定的安全裕度,所以故障发生后系统一般首先会经历一段时间的减速阶段,而系统失稳则是由于减速能力不足,导致系统再次进入加速阶段,即轨“”迹会出现一个下凸点,这标志着系统将失去稳定。若曲线在某点处的二阶导数等于零,则曲线上时’嵩蔓霉挝程饷延时设在在该处出现拐点.d2ca_0.当d82t<。时,曲线时间内为常数,则“”’…’一~~。d一。一APm(23)式中,AP表示等效单机系统需要减少的机械功率,m对应于原系统,需要在加速机群中进行切机措施【2lJ,并且实际系统中,实施切机措施时通常是按照功率切除整台发电机,这时候,系统的等效惯性时间常数不可避免会发生改变,同时也将对所需切机量产生不可忽视的影响。切机后的电磁功率和功角可利用历史测量值,采用文献[22]所述方法分别预测进行预测得到。在计算出对应等值系统的总切机量后,由于切机量在加速机群中按机组出力情况进行分配,故每台机组的切机比例相同,假设每台机组均由不同数目的相同发电机组成,则认为每台机组减少的惯性时间常数相同,根据式(13),加速机群的惯性时间常数减少相同的比例,设为,可以列出如下方程组:D一~MB七MsP,:二二‘^+(1一)A(24)APm=Pm一口:二墨由式(24)可得切机功率为MsCPm。czs。一一“其中,C=一一APm。在该区间为凹函数;当d2(_o>。时,曲线在该区间为凸函数引。系统失稳,则轨迹会由凹函数转变为凸函数,实时监测do)/d6',若其有增大的趋势,则判断系统失稳,以此作为系统紧急控制的启动条件。图3分别为暂态失稳和暂态稳定时的相平面运动轨迹。娅功角『(。图3暂态失稳及稳定的一缈相平面Fig.3一O)phaseplaneoftransientstabilityandinstabilitysituation∞∞∞∞∞们加O加们鲫王佳丽,等基于暂态能量的电力系统切机控制措施=I尼()一(f一1)>04算例分析4.1算例选择为了验证本文提出的暂态稳定控制措施,在新英格兰10机39节点系统上进行仿真验证,新英格兰系统接线图如图4所示,参见文献[271。采用仿真软件PSASP,得到发电机的功角、角速度、机械功率和电磁功率随时间变化的数据,视为WAMS采集的数据进行仿真。4.2故障一故障设置为:0.1S时母线26.27之间中点发生三相短路,0.3S切除故障。此时系统的功角曲线,一相平面轨迹,do)/d6曲线及等值单机系统的功角曲线如图5所示。图4新英格兰39节点系统Fig.4NewEngland39-bussystemt/s(a】系统功角曲线功角/(。)∞(b)一耕目平面轨迹功角。)(c)dco/d6动运轨迹一6一电力系统保护与控制功角)(d等值系统功率曲线图5故障情况1下相关曲线Fig.5CorrelationcurveunderfaultCase1当故障在0-3S清除时,从图5(a1功角曲线可以看出,39号机组是滞后群,其余机组为超前群,系统功角分二群摆开,最终会失去稳定。进行双机等值,从图5(b)可以看出,系统在相平面上的运动轨迹在某点处开始发散,出现凹凸的变换,同样表明系统在该故障下失去稳定。实时监视系统的运行状态,如图5(c),相平面上的运动轨迹dog/d8在0.36S开始有增大趋势,说明此时因功角差增大而增大的电磁功率已经不能使系统保持稳定,因此决定采取切机措施。假设各个控制环节的延时时间共为0.1S,则实际切机发生在在0.46S。对系统进行等值,如图5(d)所示,进行计算得,=1.91l0rad,8m=2.5609rad,:2.5839rad/s。根据本文计—算切机量得AP=733MW,在加速机群3138中按出力进行分配,切机比例为14.67%,图6所示为切机后的系统功角曲线,系统恢复功角稳定,显示本文的切机控制方案控制有效。图6故障一切机后的功角曲线Fig.6Poweranglecurveaftergenerationtrippingunderfault14.3故障二设置故障为:17和母线27之间线路在0.05S时发生三相短路故障,O.25S断开线路切除故障。图7为该故障下相关曲线。g-,娌t/sfa)系统功角曲线功角/(。)fb)一相平面轨迹tlsfcdco/d6动运轨迹功角/r)(d)等值系统功率曲线图7故障情况二的相关曲线Fig.7CorrelationcurveunderfaultCase2如柏如加¨m0如如王佳丽,等基于暂态能量的电力系统切机控制措施一7一由图7(a)可以看出系统在该故障下失去稳定,其中加速机群为发电机30.38。根据图7(b)判断在0.34s时系统等效的d/d6出现了增大的趋势,故以此时刻作为判定系统可能失稳的时刻,采取切机措施。考虑控制的总延时,设为0.1s,故实际切机发生在0.44s。求得=1.8607rad,=2.3037rad,=3.2632rad/s。按文献[15]的方法求得切机量为—AP=1900Mw,在加速发电机群3138实施切机措施,切机比例为37.38%,切机后机组的功角曲线如图8所示,可知系统在控制后仍然处于功角失稳的状态,该控制措施并不能使系统恢复同步运行,还可能错失最佳控制时机。图8故障二切机后的功角曲线Fig.8Poweranglecurveaftergenerationtrippingunderfault2采取本文的控制措施,计算得切机量为△尸=2200MW,在加速机群31.38中按出力分配切机量,切机百分比为43.7%,图9所示为实施控制后的系统功角曲线,表明此时控制措施可以使系统恢复同步运行。t图9故障二切机后的功角曲线Fig.9Poweranglecurveaftergenerationtrippingunderfault24.4仿真结果分析由故障一的仿真结果可知,通过本文的紧急控制措施,可以有效使即将发生失稳的系统恢复稳定。通过故障二可以看出,由于在切机过程中系统的惯性时问常数不可避免会发生改变,而直接对系统的暂态过程造成影响,所以考虑惯性时间常数变化对切机量的影响是必要的,在某些情况下,未考虑惯性时间常数变化求取的切机量会较实际所需切机量偏小,从而不能达到很好的控制效果,并且可能不能通过一次控制保障系统稳定,从而失去最佳的控制时机。值得说明的是,由于每台机组分配的切机量不一定是单台发电机的倍数,故可能机组内实际切除发电机数量多于理论计算量,但是这种偏差切机功率占总切机量比例较小,仍较未考虑惯性时间常数变化的切机控制有较大的优势。本文暂态稳定控制方案所需数据为发电机功角、角速度、功率等实时的数据,WAMS测得的数据具有实时性和广域性,可以完成这些数据的在线辨识功能[2引。目前,国内主要电网中已经有超过1000套同步相量测量装置投入运行。WAMS主站得到的实时动态数据由高速通信网络以毫秒级的时间间隔上传,可以达到系统暂态稳定控制对实时…性的要求【3。在发生故障后,可以滚动地读取WAMS数据对系统进行监测和控制。5结论为了更好地应对电力系统安全稳定事故,本文提出了一种针对电力系统暂态稳定的实时切机方案。利用转速差一功角差相平面轨迹趋势实时判断系统暂态稳定性,并作为启动后续紧急控制的条件;将多机系统进行单机等值,根据不平衡能量计算所需的切机量,该方案同时考虑了切机过程中惯性时间常数变化对系统暂态过程的影响,使切机量更加准确,从而达到更安全有效的控制效果。此方案本质上属于反馈控制,可以对传统的安全稳定控制系统进行补充,但本文未考虑切机对等值发电机暂态电抗的影响,这将是后续研究的关注点。通过算例验证,该方案可以对暂态功角失稳进行有效的控制。参考文献[1]宫璇.多重扰动下大电网低频振荡预警体系的研究【D】.武汉:武汉大学,2013.GONGXuan.Studyonearlywarningsystemof’powergridSlow-frequencyoscillationwithmultipledisturbances[D].Wuhan:WuhanUniversity,2013.E23周晖,付娅,韩盟,等.基于粒子群算法的含大规模风电互联系统的负荷频率控制[J].电力系统保护与控制,2014,42(10):1-7.ZHOUHui,FUYa,HANMeng,eta1.Loadfrequencycontrolofpowersystemswithlargescaleofwindpowerintegratedbasedonparticleswarmalgorithm[J].Power咖㈣㈣㈣㈣㈣㈣o098765432.8一电力系统保护与控制—SystemProtectionandControl,2014,42(10):17.[3]吴焯军,赵淳,张伟忠,等.直流输电线路雷害现状与—分析[J].高压电器,2014,5O(5):134139.WUZhuojun,ZHAOChun,ZHANGWeizhong,eta1.analysisonlightningdamageofDCtransmissionlinesin—China[J].HighVoltageApparatus,2014,50(5):134139.[4]范文涛,薛禹胜.电力系统紧急控制[J].继电器,1998,26(3):1-5.FANWentao,XUEYusheng.Powersystememergencycontrol[J].Relay,1998,26(3):1-5.[5]杨剑梅,苟霖,马青,等.配电网故障研判搜索定位系统研究【J].电网与清洁能源,2015,31(8):5963.YANGJianmei,GOULin,MAQing,eta1.Researchondistributionnetworkfaultanalysisandsearchorientationsystem[J].PowerSystemandCleanEnergy,2015,31(8):—5963.[6]魏群,梅生伟,张雪敏.先进控制理论在电力系统中的应用综述及展望[J].电力系统保护与控制,2013,—4l(12):143153.WEIWei,MEIShengwei,ZHANGXuemin.Reviewofadvancedcontroltheoryandapplicationinpowersystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2013,—41(12):143153.[7]任伟,房大中,陈家荣,等.大电网暂态稳定紧急控制下切机量快速估计算法[J】.电网技术,2008,32(19):10.15.RENWei,FANGDazhong,CHENJiarong,eta1.Afastalgorithmtoestimategenerationcapacity 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