基于執行可控孤島解列防止迫近的大面積停電研究

邵紅博　劉永民　劉萬勛　苗福豐　王圓圓

摘 要：隨著分布式新能源的大量接入及商業利益的驅使，輸配電網長期處于重載運行狀態，大面積停電事件席卷全球各個國家。通常情況下，當電力系統廣泛采用的三道防線（預防控制、緊急控制和糾正控制）失效時，大停電事故就會迫近發生。由此，可控孤島解列被提出，作為最后訴諸的方案來阻止迫近的大范圍停電事故。基于此，本文主要探討可控孤島解列方案，并研究何時執行可控孤島解列這個關鍵性問題。此外，由于級聯斷路是發生大停電事故的本質特征，為了能在復雜的電力系統動態仿真環境中模擬級聯斷路現象，也對電力系統網架和發電機保護系統進行建模。

關鍵詞：大停電事故;級聯斷路;可控孤島解列

中圖分類號：TM712文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0139-04

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目前，三道防線方案[1]已經被廣泛應用于電力系統中，以防止系統停電事故發生。然而，在級聯斷路前期階段，線路脫網速度比較緩慢，預防控制偶爾會因為二次保護系統的誤動或者拒動而失效。在級聯斷路后期，線路脫網速度較快，緊急控制往往會由于復雜電網線路之間或者線路與發電機之間的保護缺少整合和協調配合而失效。在系統振蕩階段，由于低壓切負荷、低頻切負荷以及失步保護效果不佳，糾正控制起到的作用也較小。當三道防線所有的控制措施都用盡且無效時，迫近的大停電事故就會到來。例如，2003年的美國東北部大停電及意大利大停電。在這種情況下，可控孤島解列被提出，當其他常規方法失效時，作為最后訴諸的方案來阻止大范圍停電事故的發生[2-4]。

1 可控孤島解列

1.1 選擇適當的時間執行可控孤島解列

在適當的時間執行可控孤島解列至關重要，因為需要對潛在的誤撤銷和誤警報進行處理。誤撤銷是指孤島解列過晚，存在潛在不穩定性的電網系統仍然被允許運行，本可以恢復到穩定運行狀態，卻導致不可控的級聯斷路，從而引發大停電事故。誤警報是指孤島解列過早，原本就處在穩定運行狀態的系統過早地被解列成幾部分，導致不必要的系統擾動和經濟損失。因此，為了降低大停電事故的風險和經濟損失，找到系統由擾動進化為大停電早期可以識別的信號至關重要。在之前的研究中，基于對電力系統仿真數據的訓練決策樹來決定何時解列，但決策樹方法不靈活，只能針對特定訓練過的系統，且需要根據電網的變化而不斷更新。另外，基于歷史大停電事故提取的數據來決定新發生的級聯斷路是否會發生不可控的大停電事故，然而用基于概率論的方法在實時的電網運行中決定大停電事故仍存在較大風險。

1.2 優化孤島解列方案

另外一個關鍵問題是在電網網架的什么位置優化孤島解列方案，確保在解列后新組成的孤島中基本實現電力供需平衡。由于孤島解列對系統來說是相當大的一個擾動，還需要評估解列本身對系統和其他孤島造成的穩定問題。圖論的方法和潮流跟蹤的方法在優化孤島解列方案中被提出，用于識別劃分孤島，確保孤島在解列前后能夠穩定運行。

1.3 解列后持續維持孤島內供電的可靠性

系統解列后，可以預見，新形成的孤島的安全裕度非常小，需要實施相應的控制措施以維持島內電力平衡，如切負荷或者減發電出力。這些預防性的控制方法要在解列孤島之前就有預案，以能及時準確地響應孤島解列后給系統帶來的擾動。

致整個系統的擾動，造成多條線路過負荷。隨后，線路14—15、9—39、3—18、17—27、16—24、1—2、4—5和14—15均過載并且相繼被保護動作而脫網。

圖4呈現出在級聯斷路過程中線路潮流的變化情況，對于在同一傳輸通道上的相鄰線路，一條線路脫網，其線路潮流將被轉移到相鄰線路，繼而造成其他線路過負荷并相繼脫網，直到不可控大停電發生。圖5展現了線路脫網對電壓崩潰的影響。多條傳輸線路的脫網意味著系統上的無功功率無法傳輸到大負荷地區，加上就地無功補償如果不能滿足當地大負荷，電壓將降低直至電壓失穩而崩潰。圖6是線路26—29被距離保護切掉時線路上電壓和電流的變化。從圖6可以看出，電流的增大和電壓的下降導致距離保護測量到高電流低電壓信號，進入到距離保護動作的整定值，繼而繼續加快級聯斷路過程。

4 結語

建模仿真了系統線路和發電機的保護設備，研究級聯斷路在大停電過程中的演化過程，探索大停電過程中可控孤島解列的方案以阻止迫近的大停電事故。接下來，需要進一步研究找到級聯斷路過程中的系統指示信號，表明系統崩潰之前的不可逆節點，隨之觸發可控孤島解列方案，進一步回答何時解列這一關鍵問題。

參考文獻：

[1] Xue Y. Towards Space-time Cooperative Defence Framework against Blackouts in China[C]// Power Engineering Society General Meeting. IEEE，2007.

[2] Senroy N， Heydt G T. A Conceptual Framework for the Controlled Islanding of Interconnected Power Systems[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2015（2）：1005-1006.

[3] Senroy N， Heydt G T，Vittal V. Decision Tree Assisted Controlled Islanding[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2006（4）：1790-1797.

[4] Mei K， Rovnyak S M. Response-based Decision Trees to Trigger One-shot Stabilizing Control[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2004（1）：531-537.