基于WAMS 錄波數據的華中電網低頻振蕩事件仿真復現分析

黨 杰，董明齊，李 勇，徐友平，曾 正

(1. 華中電網有限公司，湖北 武漢430077;2. 浙江大學，浙江 杭州310027)

0 引言

低頻振蕩頻率較低、周期較長、波及面較廣，給電力系統帶來了較大的危害。近年來，由于低頻振蕩事件的頻發性和重復性引起了國內外學者的廣泛關注［1～8］。

現有的較多分析軟件對低頻振蕩問題的計算分析都采用了基于線性系統小干擾穩定理論的特征值分析法。應當指出，傳統的小干擾穩定分析方法只是基于單一的擾動，而電網中擾動是無時不在并且呈現出某種關聯現象的，伴隨一個擾動的產生、傳播、消散(或發散)過程，系統中又可能引發新的擾動，并且針對擾動所采取的控制措施，對電網來說也是一種新的擾動［9］。因此在對大電網的分析研究中，僅僅考慮單一擾動是不能全面反映電網實際運行特性的。另外，傳統的小干擾穩定分析方法基于精確模型，其基本思想是非線性系統的局部線性化，而電力系統是復雜的時變非線性系統，擾動發生后，系統的運行狀態將發生變化，偏離原來的穩態平衡點。如果仍按照擾動前平衡點處的局部線性化矩陣來分析系統受擾后的動態響應，其分析結果可能會與實際情況存在較大差異。

基于WAMS 實測數據的低頻振蕩分析方法不受模型近似性、參數準確性等因素的局限，且不受限于擾動類型和數量，對發生在統計時間范圍內的所有滿足啟動要求的振蕩事件都予以記錄，直接利用實測數據分析系統的固有振蕩模式，對由多重擾動引起的或特殊運行方式下的低頻振蕩分析尤為有利。

本文從分析華中電網“6.17”金竹山事件的發生和發展過程入手，對比了小干擾穩定分析方法和基于WAMS 實測數據進行的時域仿真方法的分析結果，并提出利用奇異熵矩陣束方法對實際振蕩信號進行模態辨識，仿真結果驗證了所提出的方法在分析由多重擾動原因引起的低頻振蕩現象方面的有效性和可行性。

1 事件概述

(1)6 月17 日金竹山B 廠(如圖1 所示，以下簡稱金B 廠)正進行3 號發變組的并網投產工作，11 時35 分左右，已完成該機組的發電機短路、發變組短路、發變組空載零起升壓至額定值、同期核相試驗、假同期試驗，并同時測定勵磁系統參數及保護裝置的檢查試驗，準備進行并網帶負荷試驗。正進行3 號發變組自動準同期并列時，3 號機出口630 開關B 相發生爆炸。

圖1 金竹山B 廠周邊220 kV 網絡結構示意圖Fig．1 220 kV power grid nearby Jinzhushan B power plant

(2)經過7.6 s，由于故障電流幅值和持續時間均達到金銻Ⅲ，Ⅳ線銻都側零序Ⅳ段整定值，故220 kV 金銻Ⅲ，Ⅳ線零序保護動作跳閘切除故障金B 廠3 號機與系統隔離，金B 廠220 kV 母線失壓。

(3)11 時35 分43 秒至11 時35 分50 秒，華中500 kV 主網大范圍功率波動且呈現出多個振蕩模式。其中，湖南電網、鄂湘聯絡線、鄂豫聯絡線及鄂渝聯絡線的主導振蕩模式基本相同，頻率為0.47 ～0.49 Hz;鄂贛聯絡線功率波動的主導振蕩頻率為0.58 Hz;特高壓及其周邊系統的主導振蕩模式的頻率為0.18 Hz。

(4)由于系統阻尼較強，在擾動源消除后，低頻振蕩現象得到抑制，振蕩很快自動平息，電網自動迅速恢復平穩運行。

分析整個事件的過程可知，此次導致華中主網大范圍功率振蕩的起因是金B 廠3 號機組出口630 開關B 相爆炸，這對于特高壓聯網后的華中電網來說屬于一個“小擾動”，這一“小擾動”的發生并沒有直接導致系統產生功率振蕩，而是這一重的“小擾動”誘發了后面的保護動作，即“220 kV 金銻Ⅲ，Ⅳ線零序保護動作”，金銻Ⅲ，Ⅳ線跳閘，這雖然是針對小擾動采取的安穩措施，但對于系統來說，安穩措施也相當于一種擾動，系統正是在經歷了這兩重擾動以后，發生了功率振蕩現象。因此，這也是一次以“小擾動”為起點，時域上連續經歷一個擾動序列后才導致系統發生低頻振蕩的實例。

2 事件初步分析及仿真復現原則

2.1 事件初步分析

金B 廠630 開關B 相導通后造成系統不對稱運行，由于升壓變高壓側中性點接地，存在零序通路，且事故最終造成金銻Ⅲ，Ⅳ線零序Ⅳ段保護動作，故可初步判斷，此次故障性質為接地故障。分析故障點近區電壓可知，由于故障點附近瞬間電壓跌落75%，因此認為此次故障性質并非金屬性接地，應可等效為B 相經阻抗接地的短路故障。

綜上所述，從電網角度看，金B 廠630 開關B 相爆炸到220 kV 金銻Ⅲ，Ⅳ線跳閘的全過程可等效為金B 廠630 開關B 相經一個時變阻抗的單相接地短路故障。

2.2 仿真復現原則

本次仿真采用時域仿真和頻域仿真兩種方法。對于頻域仿真，主要是通過小干擾穩定計算進行振蕩模式的分析。對于時域仿真，主要是利用電力系統分析綜合程序 (PSASP 6.28)并基于WAMS 實測數據進行振蕩情況的復現，在時域仿真過程中，除了保證省間聯絡線、重要線路的振蕩趨勢及幅度與實際情況的一致性外，在故障等效模擬的過程中還主要考慮了以下因素:一是對金銻線全過程錄波圖的分析，金銻線B 相電流的包絡線在故障前3 s 先后呈現4 次由大到小的變化過程，而后的4.6 s 波形較為平穩。據此可初步分析，金B 廠630 開關爆炸后B 相接地阻抗在7.6 s的過程中是不斷變化的;二是對群聯變WAMS 錄波圖的分析，由于與金B 廠直接相連的銻都變無WAMS 實測數據，故以故障點近區群聯變的WAMS 實測數據為依據，對金B 廠630 開關爆炸后B 相接地阻抗進行設置。

3 仿真分析及結果

3.1 頻域仿真

為分析當前運行方式下系統的固有特性，尋找系統的主導振蕩模式，特進行小干擾穩定計算。WAMS 實測的華中電網各省間斷面聯絡線有功功率主導振蕩模式如表1 所示。

表1 省間聯絡線主導振蕩模式WAMS 實測結果Tab．1 Critical oscillation modes of WAMS measured results for tie-lines

表2 系統主導振蕩模式小干擾穩定計算結果Tab．2 Critical oscillation modes of small signal stability calculation results

由小干擾穩定計算得到川渝對河南、江西對系統、湖南對江西3 個振蕩模式，頻率分別為0.44 Hz，0.58 Hz，0.68 Hz;僅江西對系統的振蕩模式 (頻率為0.58 Hz，阻尼為0.19)與WAMS 實測振蕩模式(頻率為0.58 Hz，阻尼為0.1)接近，WAMS 實測的其他省間聯絡線振蕩模式在頻域仿真計算中并未發現。

3.2 時域仿真

事件發生前，特高壓聯絡線、省間聯絡線潮流如圖2 所示。仿真負荷、500 kV 層面開機及湖南220 kV 層面開機均按照2009 年6 月17 日11:34的EMS 數據予以仿真，500 kV 主變下網功率采用分區控制原則，500 kV 廠站平均壓差小于5 kV。

圖2 特高壓及省間聯絡線穩態運行狀態下交換功率示意圖Fig．2 Power exchange for UHV and tie-lines among provinces in steady state

仿真得到的故障點近區電壓、電流變化幅值及趨勢與WAMS 錄波情況基本吻合;仿真得到的省間聯絡線功率波動趨勢和振蕩幅值均與WAMS錄波情況接近。省間聯絡線功率波動幅度如表3所示。

表3 仿真曲線與WAMS 實測曲線振蕩幅度比對Tab．3 Amplitude comparison between simulation results and measured results

3.3 基于奇異熵矩陣束方法的振蕩信號模態辨識

基于辨識的振蕩模態識別方法能夠從振蕩信號中提取所需要的模態信息。現有的辨識方法有Prony 算法、基于Hilbert-Huang 變換［10］的方法和矩陣束方法。傳統的Prony 算法利用復指數函數對信號進行強行擬合得到模態信息，會產生大量的虛假模態，同時對噪聲敏感;基于HHT 的模態識別能夠提取出信號的瞬時模態信息，但是所需的算法復雜度很高且可能出現漏辨識現象。如傳統的Prony 分析工具就不能很好擬合不同時間段多重擾動下的暫態響應曲線，對于諸如本次“6.17”金竹山事件的仿真曲線擬合效果就不太理想。因此，在本次仿真研究中，利用對傳統矩陣束方法進行改進后的奇異熵矩陣束方法對實際振蕩信號進行模態辨識。

用奇異熵矩陣束方法對3.2 節中仿真得到的省間聯絡線有功功率曲線進行辨識，具體結果見表4。

表4 省間聯絡線主導振蕩模式與WAMS 實測結果比對Tab．4 Comparison between simulation results and measured results of critical oscillation modes for tie-lines

由表4 可知，采用奇異熵矩陣束方法對時域仿真曲線振蕩模態進行辨識，其結果與WAMS 實測結果基本吻合，仿真結果驗證了該方法是有效、可信的。

3.4 仿真結果概述

由小干擾穩定計算得到了鄂贛聯絡線的主導振蕩模式，但未發現其他省間聯絡線的振蕩模式;時域仿真計算可以復現故障過程中500 kV 電網和故障近區220 kV 電網的基本變化趨勢，各省間500 kV 聯絡線及重要斷面的功率波動幅值及主導振蕩頻率與WAMS 實測值基本吻合;對于本次金B 廠開關爆炸事件，時域仿真分析方法能更準確、有效地反映電網的實際特性。

4 結論

(1)基于WAMS 實測數據的低頻振蕩分析方法是以特征值分析法為代表的傳統低頻振蕩分析方法的有效補充和驗證，能夠較為準確、及時、全面地反映實際電網的振蕩特性。

(2)WAMS 系統的使用在分析華中電網各種類型的擾動和故障、認知電網特性及規律等方面發揮了重要作用。

(3)在當前互聯電網規模不斷擴大、電網特性更為復雜的形式下，建議進一步加強WAMS 系統高級應用功能開發，加強WAMS 的信息共享、數據挖掘，提高WAMS 系統在線監測功能和分析功能。

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