[科普中国]-大电网失步解列控制

简介

电力系统长期的运行实践表明，不论对系统稳定性的要求如何严格，措施如何完善，总可能因一些事先不可预料的偶然因素的叠加，导致稳定破坏事故的发生，如若处理不当，将会造成巨大的经济损失。为了避免可能或已经失步的互联电网演化为不受控的崩溃。有必要在合适的断面和时机将系统解列成各自分别保持同步运行的分区电网。解列控制可分为由电网故障场景检测驱动的预测性解列控制和由失步振荡轨迹检测驱动的反馈性解列控制，后者又称失步解列2。

传统失步解列控制通常取某一固定的断面割集为作为解列点，即通过离线分析计算，在潜在的失步振荡断面配置解列装置，基于量测信息判断系统是否发生失步振荡，以及振荡中心是否落在预设断面上，然后确定是否执行解列控制。工程上应用较多的解列判据包括基于相位角的失步解列判据和基于。COSIp判别方式的解列判据等。对于复杂的互联大电网，运行方式多变，不同故障导致的失稳模式也不尽相同。若故障导致的失步振荡情况和离线分析场景不一致时，预设的解列控制策略存在失配的风险。且由于缺乏全局的实测信息，难以应对振荡中心迁移对解列控制动作可靠性的影响，难以实现多个解列点控制动作的实时协调 近年来，随着广域量测系统(wide areameasurement system WAMS)在电力系统广泛应用，基于广域信息的解列控制技术获得广泛的研究并有解列控制系统投入运行。也有学者将基于全局信息动态地确定解列地点和解列动作时序的控制方式称为主动解列。笔者认为，将其定义为自适应解列更为合适，“主动解列”容易与由故障场驱动的前馈性解列控制相混淆。

失步解列控制的关键要素1)失步振荡现象的识别。

根据实测信息源的不同，系统失步识别可分为基于广域信息和基于就地信息两类。前者通过广域范围内发电机组功角或电网母线电压相位角的轨迹信息来识别失步振荡，后者主要利用装置安装处的电压电流间相位差、视在阻抗等电气量的变化规律，表征系统功角的变化情况，识别系统失步振荡。

2)解列断面的选择。

解列断面的选择方法主要有两种，一是在易于解列但不是振荡中心所在的断面进行解列，解列后形成大网拉小网的局面，通过采取其它措施促使其再同步，这方面的研究和实际应用主要集中在前苏联电力系统。另一种最常用的方法是在振荡中心处将失步机群解列，将解列断面选择问题转化为振荡中心定位问题，简称为解列断面实时选择，目前，国内的解列控制多采用该方法。

为提高解列控制的适应性，还可以采用基于在线分析计算与决策的解列断面选择技术，即根据实测的系统运行工况，在解列断面的优化目标中考虑解列控制对后续电网稳定性的影响，根据选定的优化目标在线搜索最优解列断面，可简称为解列断面在线搜索。

3)解列装置的协调配合。

基于就地信息的解列装置具有不依赖于通信的优点，但难以精确定位振荡中心的位置，在复杂系统中其解列判据的参数整定往往难以兼顾可靠性、安全性和适应性，特别是多个安装距离较近的解列装置，在复杂振荡模式下存在无序动作的风险。应通过解列装置之间的协调配合防止单个解列装置的误动作和多个解列装置的无序动作，实现极端紧急状态下阻止系统崩溃的目的。

失步振荡现象的识别基于相位角的失步判据随着系统振荡两机群功角差的摆开，就地测量的电压和电流之间相位角跟随功角差正向渐增或负向渐减而变化。如果振荡中心两侧等值电势相等，相位角等于功角差的一半。该判据正是利用在解列装置安装处所测量到的这一变化规律，来判断系统失步。

该判据除了可识别系统失步外，还能根据相位角穿越规律，判断振荡中心相对于装置安装处的方向。但当振荡中心两侧的等值电压幅值差别比较大时，装设在等值电压较高一侧的解列装置，存在不能有效识别系统失步的风险。通过采取在线路两侧变电站均配置解列装置的方式，可有效解决该问题。

基于ucosrp的失步判据系统发生失步振荡时，振荡中心处的电压将出现周期性的变化，在功角摆开到1800时，振荡中心电压为零。该判据通过监测装置安装点的电压和相位角，计算出ucosrp值来反映失步过程中振荡中心电压变化的特征，通过。cosrp的变化轨迹判断系统是否失步。该判据反应了失步振荡中心电压变化规律，物理意义相对清晰。但距离较近的多个解列装置，在系统失步时，可能同时检测到失步振荡，因此必须注意装置之间的协调配合问题。

基于视在阻抗轨迹的失步判据当系统失步时，保护安装处的电流和电压的周期性变化，可通过装置检测到的视在阻抗来集中体现。该判据根据视在阻抗轨迹是否进入整定区域来识别系统是否失步，常见的阻抗型失步解列判据有透镜型、同心圆型、圆遮挡型及双遮挡型等，其核心都是构造内、外2个及2个以上阻抗元件，用于区分短路故障、同步振荡和失步振荡。

该判据的原理决定了只有处在失步振荡中心所在线路上的装置，才具有比较理想的动作特性，判据的可靠性容易受到运行方式和网架结构变化的影响。

基于广域信息的失步判据该类判据根据失步振荡的定义，通过检测机组功角(电压相位)差信息，通过判断机组功角(电压相位)差摆开超过180。来判断系统失步。其中基于变电站母线电压相位差的失步判据在东京解列控制系统和法国Syclopes失步防御系统获得了工程应用。

该类判据对广域量测的信息量要求较低，却仍面临着基于广域信息的各类判据的共性问题，即信息采集系统的可靠性、时滞及不确定性。此外，在失步振荡过程中，如果振荡中心恰好落在变电站母线上，则线路两侧母线电压相位差存在突变现象。由于在系统虽无振荡但电网发生短路故障时，电压相位角也可能发生急剧变化，判据必须对这些现象进行可靠甄别。

基于系统失稳充要条件判断的失步判据该类判据不再以功角摆开180。作为系统失步的标准，立足于用测量信息实时地构造判断系统失稳的充要条件。采用PMU(powexmanagement unit)实测数据1，利用李雅普洛夫准则来判断系统是否失稳，并触发解列控制。但对于复杂的大电网，存在无法找到严格的李雅普洛夫函数的困难。基于等面积法则判断系统稳定性并触发解列的方法在美国Florida-Georgia联络线解列控制中的应用，该系统针对该电网的典型2机系统特征，利用线路两侧功角差的变化与机械功率的关系，给出了根据功角差历史曲线计算机械功率的方法。 在动态捕捉DsP的基础上，增加了P-s轨迹穿越DsP时斜率和功角的辅助判据，以期减小将系统滑步判为系统失步的风险。然而，该类判据基于集中计算和控制的理念，对广域信息传输的实时性和可靠性要求极高。

基于响应轨迹凹凸性的解列判据基于振荡过程中P-Q-e的变化规律，通过检测失步振荡临界特征点，确定系统是否失步。利用功角差及其二阶导数大于等于设定阀值时，判断系统即将失步。挤日用失步振荡过程中有功功率随着功角摆开的周期变化，提出了利用功角加速变大且有功趋势变化减小的原则来识别判断系统即将失步的方法。

基于响应轨迹凹凸性的解列判据，本质是一种基于理想两群振荡模式下系统动态时序外延的预测方法，因为群内非同调因素及失稳模式的时变性都有可能使得预测时的假设不再成立，该类判据的可靠性还有待深入研究。

大电网失步解列控制需求随着互联电网的发展，电网结构呈现网格化特征，系统稳定特征的时变性也越来越强，大量直流、风电、串补等FACTS元件的投运，也增加了电网稳定特征的复杂性，对失步解列控制提出了更高要求。

对于复杂的交直流混联大电网，很多场景下，系统失稳现象往往呈现群内非理想同调的两群振模式，如果解列不及时，可能会演化为多群振荡，或解列操作后在同调性差的机群中再出现相继失稳。多篇 中基于实际电网的研究表明，即使同调性良好的两群失稳模式下，解列后的分区电网也存在暂态失稳的风险2

为适应交直流混联大电网的控制需求，失步解列控制研究需重点关注以下几个方面:

1)适应多频振荡场景的失步解列控制技术。

对于多频率失步振荡，存在主导模式的更迭。如果依次解列所有失步断面，将大幅度破坏网架结构，增加解列后分区电网的不可控性。如何通过对解列控制时刻和不同断面解列时序的优化，来减少解列控制动作的数目，减小电网紧急状态下全过程的控制代价，是一个值得关注的问题。

2)应对振荡中心迁移的失步解列控制技术。

目前，无论是基于就地信息的解列控制还是基于广域信息的解列控制研究，多关注单一、非时变的失稳模式，缺乏考虑振荡中心迁移对解列控制的影响。应对振荡中心迁移的大电网优化解列控制的研究刚刚起步

3)兼顾解列后分区电网稳定性的解列策略。

作为系统保护的一种控制措施，解列控制应考虑解列后分区电网的安全稳定运行。目前广泛应用的基于就地信息失步解列控制技术，无法考虑解列后孤网的稳定性，特别是暂态稳定性。在基于广域信息的解列控制方面，由于缺乏解列操作对分区电稳定性影响机理的深入研究，对解列后分区电网稳定性的识别方法及其优化控制策略的研究还比较缺乏。

展望解列控制的理想目标是，通过实时、全面和主动地监视系统动态，根据全局信息识别失稳模式，确定振荡中心，制定全网优化的控制策略。随着通信技术的发展和相量测量可靠性的提高，利用实测全局信息进行系统稳定性的判断和控制势在必行，基于广域信息的解列控制技术将是未来大电网解列控制的一个重要研究方向。为了增强解列控制的可靠性和安全性，融合就地信息和广域信息的自适应解列控制系统在复杂大电网中的应用研究值得进一步深化。为了实现上述目标，以下几个方向还有待突破:

1)不同扰动因素导致振荡中心迁移的机理，振荡中心的实时动态跟踪技术，以及应对振荡中心迁移的解列策略。

2)多频振荡失步的机理及适应时变振荡模式的失步解列控制技术。

3)解列操作对分区电网暂态稳定性的影响机理，解列后分区电网的稳定性预测方法及其相继失稳防御技术。