電力系統功角失穩自動切機搜索方法研究

司大軍

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，昆明 650011）

0 前言

在電力系統機電暫態仿真分析過程中，會出現因故障而造成電力系統功角暫態失穩（以下簡稱“功角失穩”）的情況[1-2]。對于功角失穩，可以在故障后及時切除部分發電機組（以下簡稱“切機”）恢復電力系統穩定性[3]。目前，尋找恢復電力系統穩定的切機措施往往需要計算分析人員觀察發電機功角曲線，根據故障位置大概判斷失穩機組所在區域，找到失穩機組，并憑借經驗（一般切除“遠端”機組有利于提高暫態穩定性，有利于解決功角失穩問題）在失穩機組中找到解決功角失穩問題需要切除的機組群。在進行這項工作中存在以下問題：一是失穩機組所在區域是計算分析人員大概判斷，并不精確；二是在找需要切除的機組群過程中，切除哪些機組主要依靠經驗判斷，主觀因素對尋找切除機組群影響很大，往往離最優切機結果較遠；三是在尋找解決功角問題的切除機組群過程中需要不斷“試錯”，逐個地增加或減小切除機組群，尋求穩定切機的邊界，計算工作量大，需要投入大量人力資源。

本文根據電力系統暫態穩定基本原理，通過識別失穩斷面，準確找到失穩機組，再根據發電機機端電壓的相角大小判斷失穩機組電氣距離的遠近，優先切除遠端機組，力圖最少切除機組使得電力系統恢復穩定。形成了一套電力系統功角穩定自動切機搜索方法。

1 功角失穩自動切機搜索原理

功角失穩通常表現為兩個機群的功角差不斷增大，可以等值為圖1所示的雙機系統。其中等值發電機G1表示送端系統，等值發電機G2與負荷表示受端系統。當系統聯絡線路（L2）發生故障且保護動作切除后，發電機G1與G2的功角差將增大。當功角差達到一定數值（如：180°）后，G1與G2將無法同步運行，而出現失步振蕩，即出現發電機功角失穩。失步振蕩將產生一個振蕩中心，振蕩中心將位于送端與受端系統的聯絡元件（如圖1中的L1）上。在電力系統仿真中，可以通過觀測系統中最大發電機功角差來判斷是否功角穩定，可以通過觀測元件兩側電壓角度差是否達到180°來判斷該元件是否處于振蕩中心，從而找到振蕩中心支路。在故障后，及時切除部分送端機組，減小送端過剩功率，可恢復電力系統穩定。那么切除哪些送端機組更有利于功角穩定是一個需要研究的問題。

切機的目的是減小送、受端機組的功角差，因此切除在暫態過程中功角差最大的機組將更有利于功角穩定。因此，可以將送端機組按發電機功角進行從大到小排序，并順序逐一切除，直到系統恢復穩定，就能夠得到針對功角失穩切機的極小組合。大規模電力系統仿真中機組眾多（多達上萬臺），不可能輸出所有機組的功角。經過分析，發電機端電壓的相角與發電機功角有較好的一致性。為簡化切機優化順序的確定，擬采故障前（潮流計算）發電機端電壓相角代替功角。

圖1 兩機等值系統示意圖

由以上分析可以得到功角失穩自動切機搜索基本原理為：在電力系統仿真中出現功角失穩后，找出振蕩中心所在支路，將所有振蕩中心支路視為一個斷面，并根據斷面潮流方向，將系統分為送端與受端兩個子系統。讀取送端子系統所有發電節點電壓相角、有功出力等信息，并將發電節點按電壓相角從大到小排序，相角大的機組（發電節點）將優先切除。此后以一定步長逐漸增加被切除機量，直到系統恢復穩定為止。

2 自動切機的實現方法

這里將以中國電科院開發的PSD-BPA軟件為例說明功角失穩自動切機的實現方法。PSDBPA軟件主要有潮流計算與穩定計算兩大功能。進行電力系統穩定計算時需要準備潮流計算文件與穩定計算文件。其中，潮流計算文件包含：發電機節點、負荷節點、線路、變壓器等電力系統網絡信息；穩定計算文件包含：發電機轉動慣量、發電機暫態與次暫態電抗及相關時間常數、機組勵磁系統模型與參數、機組調速系統模型與參數、直流輸電控制系統參數，故障設置等暫態計算相關參數與設置。在進行暫態穩定仿真時，需要先進行潮流計算，得到收斂、正確的基礎潮流，再基于基礎潮流進行故障的暫態穩定仿真。PSD-BPA暫態穩定仿真能夠輸出機組最大功角差（用于判斷功角穩定），功角失穩后能夠輸出振蕩中心支路。自動切機的實現具體方法如下：

步驟1：在進行完暫態穩定仿真后，從PSD-BPA仿真結果讀取暫態穩定過程中最大功角差，當最大功角差大于360°認為功角失穩。

步驟2：由于出現功角失穩，必然伴隨電力系統失步振蕩，也必然出現振蕩中心支路。從PSD-BPA暫態仿真失穩的計算結果中讀取振蕩中心所在支路，并將振蕩中心所在支路視為斷面（即斷開所有斷面支路后系統將分為兩個子系統）。

步驟3：斷開振蕩中心支路，電力系統將會分為兩個子系統，一個子系統向另外一個子系統輸送功率。可按照振蕩中心支路潮流方向，送出功率的系統稱為送端系統，接受功率的系統稱為受端系統。

步驟4：找到并讀取送端系統所有發電節點相角、發電出力等數據。

步驟5：將送端發電節點按相角從大到小進行排序，形成可切發電節點（發電機組）列表，用Pi表示各發電節點的有功出力，下標i為自然數1…N，N為發電節點個數。所有可切機組容量令切機步長Pstep=min(Pi)，即Pstep為可切機組中出力最小的機組。令切機量Pt=Pstep。

步驟6：從可切發電機組列表中從前至后選取K個發電節點，使得即找到了切機容量Pt對應的K個發電節點（發電機組）。

步驟7：在PSD-BPA穩定計算文件中，加入切除K個發電節點（發電機組）的故障卡（LS卡），并再次進行暫態穩定仿真。

步驟8：讀取暫態穩定仿真結果，判斷是否存在功角穩定，若功角失穩，則令Pt=Pt+Pstep，增加切機量，轉入步驟5；若功角穩定則進行下一步。

記錄Pt以及對應的K個發電節點（發電機組）并輸出。

步驟10：結束。

3 自動切機搜索軟件

基于以上原理與方法，開發了基于PSDBPA的功角失穩自動切機搜索軟件。并在云南電網分析研究中進行了應用，現將應用情況介紹如下。

云南某局部電網結構與潮流如圖2所示，500 kV太安變與黃坪變存在220 kV電磁環網。通過PSD-BPA軟件計算，當500 kV太安-黃坪N-2后，大量潮流轉移到220 kV電網，造成了功角失穩。自動切機搜索軟件讀取到振蕩中心位于220 kV麗江～羊龍潭雙回線路，并根據220 kV麗江～羊龍潭雙回線路潮流確定了送端系統及其機組，送端機組共5 667 MW。

圖2 云南某局部電網結構與潮流

切機步長選擇為送端機組總容量的12.5%，即495 MW。第1次切機為495 MW，按超過495 MW且最接近的原則，將切除“龍開口1G”、“龍開口2G”機組，切除后功角依然失穩，通過3次切機搜索，切除龍開口電站5臺機組與魯地拉電站1臺機組后系統功角穩定。

4 結束語

1）提出了一種基于機端電壓相角的功角失穩自動切機搜索方法。對功角失穩機理進行了分析，根據發電機節點功角（相角）越大電氣距離越遠的規律，提出了利用機端電壓相角對送端電網機組進行排序，優先切除相角最大機組的自動切機搜索方法。

2）開發了基于PDS-BPA針對功角失穩的自動切機搜索軟件，通過大量的仿真與測試，所開發的穩定切機自動搜索軟件能夠適應復雜的應用場景，具有廣泛的適應性。