以廣域響應為基礎的電力系統暫態穩定控制技術

摘 要：伴隨著社會的進一步發展，對用電量和用電質量的要求也隨之提升，這就對電力系統的安全、穩定運行提出了更高的要求。但電力系統在運行的過程中，受到多種因素的影響，常出現大型停電事故，給社會生產、人們的生活帶來了嚴重的影響。同時，在大型停電事故的背后，也暴露出我國傳統的電力運行安全控制系統的“三道防線”的失效。在此基礎上，伴隨計算機信息技術的發展，電力系統穩定、安全運行的超級防線——以廣域響應為基礎的電力系統暫態穩定控制技術得到了廣泛的應用。本論文以廣域響應為基礎的電力系統暫態穩定控制技術為研究切入點，并結合相應的應用實例，對其進行了詳細的分析。

關鍵詞：電力系統;暫態穩定;廣域響應;控制技術;可視化評估

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.183

電力是一種重要的能源，是社會生產、社會經濟發展的一項重要保障。電網是電力能源的一個重要環節，具有優化電力資源、提高電力資源配置效率的作用，電網覆蓋率越廣、電網越穩定，越有利于社會生產和社會經濟的發展。但電網在運行的過程中，不可避免地受到多種因素的影響，尤其伴隨著新能源發電、直流輸電、電力電子裝置的出現，給電網穩定和安全運行帶來了更大的挑戰。

1 電力系統穩定與其穩定運行的“三道防線”

1.1 電力系統穩定

電力系統的穩定主要包括電壓穩定和功角穩定兩部分。

電壓穩定：主要是指電力系統按照初始的狀態在運行的過程中，即便是受到了一定的擾動，整個電網的全部母線仍然能夠按照初始的狀態，保持穩定的電力。電網系統的電壓穩定與否，主要取決于電網的負荷需求、電力系統向負荷供電兩者之間而形成的一種保持平衡的能力。在電網運行的過程中，如果伴隨著電流的增大，系統向負荷供電提供的功率也呈現出明顯的上升趨勢時，則電網的電壓會保持在一個穩定的狀態下;反之，如果伴隨著電流的增大，系統向負荷供電提供的功率沒有出現變化，就會導致整個電網的電壓處于失衡的狀態[1]。

功角穩定：主要是指整個電網內部的互聯系統內部的同步發電機，即便在受到了一定程度擾動的沖擊之后，仍然可以保持初始狀態下同步運行的能力。否則，一旦保持同步運行的發動機出現了功角失衡的現象，就會對正在運轉的發動機產生影響，使其轉子之間的相對角度呈現出逐漸擴大現象，從而導致其無法同步運行。如此一來，就會導致整個電網系統中的電壓、功率出現震蕩，進而導致整個電網系統崩潰。

1.2 電力系統穩定運行的“三道防線”

為了進一步確保電力系統穩定、安全運行，我國大型電網全部配置了特定的繼電保護、安全穩定控制系統等，被稱之為電力系統穩定運行的“三道防線”，以確保電力系統在運行的過程中，即便受到擾動還能保證安全、穩定的運行。

第一道防線：由性能良好的繼電保護裝置構成。在電力系統運行過程中，該防線主要負責對出現故障的元件進行快速、精準和可靠的切除，力求將故障控制在最小的范圍之內。

第二道防線：由安全穩定控制裝置構成。該防線在電力系統的運行過程中，主要是通過必須要的切機、切負荷、解列、直流調制等措施，確保整個電力系統的穩定運行。

第三道防線：由自動裝置、調度運行人員構成，其中自動裝置主要包含失步解列、高頻切機、低壓切負荷、低頻切負荷等。該防線主要是在電力系統運行失去穩定之后，盡可能將損失縮小在最小的范圍之內，預防出現大面積停電的現象[2]。

但是，電力系統穩定運行的“三道防線”在應用的過程中，暴露出大量的弊端。如：繼電保護裝置故障，常常是導致電力系統停電的主要原因;安全穩定控制裝置在使用的過程中，受到電力系統仿真計算軟件的仿真能力、仿真精度等影響，存在一定的失效風險;第三道防線在防護過程中，必須要依賴于第二道防線中仿真計算機精準定位。但由于電力系統破壞的形式、地點不同存在一定的變化性，仿真計算機很難精準地將其找出，從而導致第三道防線無法發揮其相應的預防功效[3]。

2 基于廣域響應的電力系統暫態穩定控制技術

近年，隨著信息科技技術的進一步發展，相量測量單元（PMU）在電力系統的穩定、安全運行中得到了廣泛的應用，從而使得構建實施的廣域安全防御控制體系成為可能。在這種背景下，利用廣域量測系統（WAMS）進行暫態穩定控制技術已經成為研究的熱點，并已經開始在電力系統中應用。

具體來說，基于廣域響應的電力系統暫態穩定控制技術，主要包括包括以下五方面：

2.1 廣域動態特征信息提取技術

在電網系統中，廣域測量信息量巨大，且具有明顯的全局性、實時性和連續性的特點。基于廣域響應的電力系統暫態穩定控制技術中，廣域動態特征信息提取技術是基礎和關鍵，只有從海量的測量數據中將影響電網系統安全、穩定運行的信息進行提取，才能對其進行判斷。在具體提取的過程中，必須要充分結合電網系統安全、穩定運行的特點，并以快速安全穩定判斷的相關要求為準則，將必要的影響系統穩定、安全運行的信息數據進行提取。如：功角穩定判斷功率的判定過程中，應對功角特性曲線進行提取;對發電機動能判斷的過程中，應對功角曲線進行提取;對角速度判斷的過程中，要對功角相對軌跡進行提取。

2.2 受擾動軌跡預測技術

在電網系統穩定、安全運行的過程中，通過有效的預測技術，對發電機功角等系統特征受到擾動后軌跡進行快速的預測，是對電網系統暫態穩定性判別的重要途徑。在具體辨別預測的過程中，主要是以電網系統特征以往測量的數據為基礎，并根據歷史數據建立的特定的數學模型，可以對系統特征未來的受繞軌跡進行詳細的計算，并據此作為電力系統失穩判別的依據[4]。

2.3 系統穩定性判別技術

基于廣域為基礎上的電力系統暫態穩定控制技術中的系統穩定判別技術，與以往的“三道防線”技術有所不同，在對系統穩定性進行判別的過程中，更加快速、可靠，并且不再完全依賴于方針計算的安全穩定判別方法。在基于廣域為基礎上的系統穩定判別技術中，要以廣域實時測量信息為基礎，在此基礎上對電力系統的暫態和動態功角穩定、電壓穩定、頻率穩定、振動中心的安全穩定等進行實時判別。在具體判別的過程中，主要是根據不同的安全穩定分析方法，根據有效的安全穩定判據，直接使用實時測量數據，以對整個系統進行穩定性識別。

2.4 系統穩定控制技術

基于廣域為基礎上的電力系統暫態穩定控制技術是建立在準確預測、穩定判別的基礎上。當預測系統即將出現失穩的現象時，可及時采取有效的安全穩定控制措施，以有效保障整個系統的穩定性。通常，基于廣域相應的穩定控制技術中涉及到穩定控制措施的量化分析和穩定措施優化兩方面。在具體實施控制措施的過程中，要切實做好連續監視、判斷、控制，一旦發現控制措施實施的控制量出現不足的現象，或者穩定性質出現改變，必須要對現有的穩定控制措施進行優化，可通過追加穩定控制措施、采取新的控制措施等方式進行。

2.5 失步解列技術

基于廣域為基礎上的電力系統暫態穩定控制過程中，一旦電力系統的功角穩定性遭到破壞，必須要盡快采取相應的控制。否則，就會導致局部故障進行擴大，影響整個系統。因此，必須要通過失步解列技術和高速通信手段，對電網系統中的故障進行實時、主動和準確的控制，從而將故障進行解列成各個故障孤島，將損失降低到最小，最大限度維持電網系統的穩定運行[5-6]。

3 以廣域響應為基礎電力系統暫態穩定控制技術的具體應用

3.1 電力系統暫態穩定控制技術在電網工程中的實際應用

目前，以廣域響應為基礎電力系統暫態穩定控制技術已經在我國貴州六盤水電網中得到了應用。在具體應用的過程中，以2014年豐大極限方式為基礎，搭建了六盤水電網RTDS實時仿真系統，該仿真系統接入機組6臺，220kV母線12條，并通過3塊FNET，利用C37.118規約與原型系統相互連接。

在該RTDS實時仿真系統下，通過相關參數定值的設置，對不同網架結構、不同門檻值設置、不同水火風電處理、非對稱故障情況下的暫穩判別技術的有效性進行了分析，確定了暫穩判別技術的準確性、快速性和可行性，已經成為“以廣域響應為基礎的電力系統暫態穩定控制技術”的示范工程，成功地確保了整個電網的穩定、安全運行。

3.2 電力系統暫態穩定控制系統主要功能模塊分析

在該系統中，主要包含了觀測站點選擇、發電機功角預測、基于響應的暫穩判別、緊急切機控制和可視化展示模塊。

觀測站點選擇模塊：鑒于電力系統廣域信息實時測量的巨大性，在應用該系統的過程中，必須要精準確定電網受繞特征最敏感的點，并對此進行觀測，以實現暫態穩定性的判別。因此，在該系統中，將發電機和母線觀測點設計為選擇模塊，從而使得在具體觀測的過程中，可選擇不同的觀測方案，以實現對暫穩判別技術的準確性和有效性進行分析。

發電機功角預測模塊：該模塊主要是電網系統中發電機功角受擾動的軌跡進行快速預測，這是對電力系統暫態穩定性進行快速識別的基礎。在該系統中，發電機功角預測模塊包括多種預測技術，如：自回歸預測技術、多項式預測技術、三角函數預測技術、灰色模型的預測技術等。同時，在預測的基礎上，對發電機功角預測曲線進行了實時刷新和展示，使得電力系統中相關的工作人員可以根據預測曲線，直觀地觀察、分析出預測效果。另一方面，在該系統中，發電機功角的多種預測技術、模型階數、數據創、預測窗時長等因素均可根據具體情況進行設定，并且在預測的過程中，根據不同的需求，選擇不同的功角預測與暫穩判別技術[7]。

基于響應的暫穩判別模塊：在六盤水電網RTDS實時仿真系統中，則主要采用了角速度門檻值判別技術、最大功角差判別技術、同調群間隙角判別技術和電壓軌跡積分判別技術。

其中，角速度門檻值判別技術主要是因電力系統中各個觀測發電機受繞后的功角為輸入數據，利用差分運算的方式得到其角速度，并對系統慣量中心的角速度進行計算，當其結果超過預設門檻值的時候，則可以判定整個系統出現暫態失穩;最大功角差判別技術則是以發電機受到后的功角為輸入數據，當功角值最大的發電機與功角最小組發電機之間的差大于預設門檻后，則可判定系統暫態失穩;同調群間隙角判別技術則以受繞后功角為數據數據，當兩群慣量中心公交差大于預設門檻，則可判定系統出現暫態失穩;電壓軌跡積分判別技術則是以母線三相電壓幅值作為輸入數據，當電網系統中當前時刻電壓積分值超過預設門檻時，則可判定為暫態失穩。

緊急切機控制模塊：該模塊主要是針對電網系統出現失穩之后，而采取的緊急控制策略。該模塊主要是對大量的故障進行仿真分析，并針對電網系統運行過程中出現的不同故障，選擇不同的緊急控制方案。

可視化展示模塊：該模塊主要是為了相關工作人員對電網系統暫穩判別的結果進行統一查看，并為后期的相關研究、整理做基礎。可視化展示模塊，利用曲線、報表的形式，對該系統中各個判別技術的計算進行進行了詳細、直觀的呈現。

4 結束語

綜上所述，伴隨著社會的進一步發展，對電力系統運行的安全性、穩定性要求也越來越高。在這種情況下，以廣域響應為基礎的電力系統暫態穩定控制技術開始得到重視和應用，對于提高電網系統穩定運行具有重要的意義。但該技術仍屬于一種前瞻性研究，在應用的過程中，還必須要對其他影響因素進行綜合考慮。

參考文獻：

[1]趙晉泉，鄧暉，吳小辰，徐光虎，金小明，張勇.基于廣域響應的電力系統暫態穩定控制技術評述[J].電力系統保護與控制，2016，

44（05）：1-9.

[2]趙晉泉，章玉杰，張盼，金小明，付超，李鴻鑫.基于廣域響應的大電網暫態穩定判別技術仿真軟件的開發與應用[J].電力自動化設備，2016，36（07）：150-155.

[3]趙晉泉，章玉杰，洪潮，金小明，付超，張盼.基于廣域響應的大電網暫態穩定判別原型系統[J].南方電網技術，2016，10（07）：6-12.

[4]顧卓遠.基于響應的電力系統暫態穩定控制技術研究[D].中國電力科學研究院，2014.

[5]吳為.基于響應的電力系統暫態穩定性實時判別與控制技術的研究[D].中國電力科學研究院，2014.

[6]黃弘揚.交直流電力系統暫態穩定分析與控制問題研究[D].浙江大學，2014.

[7]朱家卯，鄧建林，郎張帥子.基于響應的電力系統暫態穩定控制技術探討[J].科技展望，2016，26（06）：116.

作者簡介：張倩（1984-），女，陜西潼關人，學士，講師，研究方向：電力系統及其自動化等。