郭 裊，祖光鑫,2

(1．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院， 哈爾濱150030，2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006)

基于ADPSS電磁暫態(tài)仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過電壓問題研究

郭 裊1，祖光鑫1,2

(1．國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司科學(xué)研究院， 哈爾濱150030，2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006)

簡述了電網(wǎng)恢復(fù)初期過電壓的成因及危害，確定了黑龍江電網(wǎng)黑啟動路徑?；谌珨?shù)字實時仿真系統(tǒng)搭建黑龍江電網(wǎng)黑啟動路徑的電磁暫態(tài)仿真模型，在電磁環(huán)境下對該系統(tǒng)進行驗證，給出了電網(wǎng)恢復(fù)過程中電廠220kV母線過電壓情況。仿真結(jié)果證明了該建模方法的可行性，對黑龍江電網(wǎng)黑啟動方案的制訂具有意義。

電網(wǎng)恢復(fù)； ADPSS； 仿真

社會經(jīng)濟的高速發(fā)展不僅要求電網(wǎng)有較高的供電安全可靠性，還應(yīng)有較快的電網(wǎng)事故恢復(fù)能力[1-4]。電網(wǎng)供電能力恢復(fù)首先啟動具有自啟動能力的發(fā)電機組，通過方案路線逐步啟動附近的發(fā)電機組，不斷擴大系統(tǒng)發(fā)輸配電恢復(fù)范圍，實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的恢復(fù)。在最短時間內(nèi)通過穩(wěn)定、可靠地啟動供電能力恢復(fù)電源，建立分區(qū)供電能力恢復(fù)目標(biāo)網(wǎng)架及主網(wǎng)架，可逐步有序恢復(fù)負荷，最大限度減少電網(wǎng)大停電的影響和損失。本文依據(jù)《黑龍江電網(wǎng)黑啟動總體方案》中制定的電網(wǎng)供電能力恢復(fù)方案，對黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)路徑進行ADPSS電磁暫態(tài)建模，利用電磁暫態(tài)仿真技術(shù)對黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期路徑中各母線電壓進行仿真，并對黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過電壓問題進行分析。

1 電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過電壓問題研究

1.1 電網(wǎng)供電能力恢復(fù)中過電壓的成因及危害

電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期主要需考慮三種過電壓問題：操作過電壓、工頻過電壓和諧振過電壓。操作過電壓與工頻過電壓的疊加可能導(dǎo)致瞬時過高電壓的出現(xiàn)，甚至造成系統(tǒng)設(shè)備的嚴重損壞。工頻過電壓會導(dǎo)致發(fā)電機欠勵磁，甚至自勵磁和不穩(wěn)定，同樣還會導(dǎo)致過勵磁，產(chǎn)生諧波畸變和變壓器過熱等問題。諧振過電壓會引起繼電保護動作，甚至造成避雷器的損壞和系統(tǒng)故障等[5-10]。

1.2 系統(tǒng)過電壓的允許水平

1)工頻過電壓。110～220 kV系統(tǒng)允許承受的工頻過電壓一般不宜超過1.3 p.u.；330～500 kV系統(tǒng)線路斷路器的變電站側(cè)允許承受的工頻過電壓一般不宜超過1.3 p.u.；330～500 kV系統(tǒng)線路斷路器的線路側(cè)允許承受的工頻過電壓一般不宜超過1.4 p.u.。

2)操作過電壓。110～220 kV及以下系統(tǒng)相對地的操作過電壓允許小于3.0 p.u.；330 kV系統(tǒng)小于2.2 p.u.；500kV系統(tǒng)小于2.0 p.u.。

2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期過程

2.1 黑龍江電網(wǎng)網(wǎng)架

黑龍江電網(wǎng)對外通過兩回500 kV線路與蒙東電網(wǎng)相聯(lián)，通過四回500 kV線路與吉林電網(wǎng)相聯(lián)，通過500 kV黑河換流站與俄羅斯電網(wǎng)直流背靠背互聯(lián)。2016年黑龍江省內(nèi)500 kV電網(wǎng)圍繞中部地區(qū)形成環(huán)網(wǎng)，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)向東西部延伸，能夠滿足地區(qū)送受電需求?，F(xiàn)階段電網(wǎng)不存在暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流超標(biāo)問題，個別元件N-1方式下有熱穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題。常規(guī)電源裝機容量遠大于供電需求，風(fēng)電最大出力達到最大負荷的34.1%，東部電網(wǎng)電力送出受阻問題加重，供熱期電網(wǎng)調(diào)峰和棄風(fēng)問題日益突出。

在黑龍江電網(wǎng)中，牡丹江電網(wǎng)的鏡泊湖水電機組具有自啟動能力，所以選擇牡丹江電網(wǎng)鏡泊湖水電廠(以下簡稱鏡老廠)作為供電能力恢復(fù)啟動電源。牡丹江地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，鏡老廠配置了35 kW柴油發(fā)電機一臺，柴油發(fā)電機啟動后帶鏡老廠400 V廠用電，從而啟動機組。

2.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)初期路徑

依據(jù)《黑龍江電網(wǎng)黑啟動總體方案》中制定的電網(wǎng)供電能力恢復(fù)方案，黑龍江省供電能力恢復(fù)路徑如圖2所示：(鏡泊湖廠)柴油發(fā)電機→400 V廠用母線→鏡泊湖老廠#2機組→11 kV母線→鏡泊湖廠#1主變→220 kV鏡聯(lián)線→鏡泊湖廠220 kV母線→220 kV鏡海線→林海變220 kV母線→林青甲線→青梅變220 kV母線→牡青甲線→牡二廠A廠220 kV母線→牡二廠#7主變→牡二廠#7高廠變→牡二廠#7機組廠用電部分→牡二廠#7機組。

圖1 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)啟動路徑及附近電網(wǎng)圖

圖2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)啟動示意圖

3 基于ADPSS仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程建模

3.1 ADPSS電磁暫態(tài)仿真簡介

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(Advanced Digital Power System Simulator, ADPSS)是利用機群的多節(jié)點結(jié)構(gòu)結(jié)合高速本地通訊網(wǎng)絡(luò)，并利用網(wǎng)絡(luò)并行計算技術(shù)對所需計算任務(wù)進行分解處理，可以與調(diào)度自動化系統(tǒng)相連取得在線數(shù)據(jù)進行仿真，可接入繼電保護、安全自動裝置、FACTS控制裝置以及直流輸電控制裝置等實際物理裝置進行閉環(huán)仿真試驗[5-10]。

3.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程建模

基于ADPSS仿真系統(tǒng)，建立如圖3所示的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)電磁暫態(tài)仿真模型。

根據(jù)確定的供電能力恢復(fù)路徑，鏡老廠作為啟動電源，逐次合閘分段空載線路，當(dāng)遇到容性過電壓過高時，適當(dāng)合閘部分負載，供電能力恢復(fù)期間動態(tài)調(diào)節(jié)有功無功出力，保持過電壓水平在可承受范圍內(nèi)。當(dāng)啟動電網(wǎng)初步穩(wěn)定后，合閘啟動幾百公里外的火電機組并網(wǎng)，并網(wǎng)時會有一定的暫態(tài)響應(yīng)，用電磁暫態(tài)仿真可以清晰分析其復(fù)雜的暫態(tài)響應(yīng)特性。

圖3 供電能力恢復(fù)路徑電磁暫態(tài)仿真框圖

在仿真建模過程中，水電廠模型的建立最為關(guān)鍵，本文對鏡老廠啟動機組的子模塊分別搭建。圖4(a)為鏡老廠勵磁調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，圖4(b)為鏡老廠調(diào)速器傳遞函數(shù)，圖4(c)為鏡老廠電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS傳遞函數(shù)。

圖4 鏡老廠啟動機組子模塊

4 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過電壓問題仿真分析

4.1 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程仿真結(jié)果

從鏡老廠到牡二廠#7機組的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程電網(wǎng)動作如下：

1)4 s時，閉合開關(guān)投入鏡聯(lián)線；

2)10 s時，閉合開關(guān)投入鏡泊湖至牡二A廠220 kV線路；

3)35 s時, 黑牡二A廠正式并網(wǎng)運行；

4)55 s及65 s時,投入220 kV青梅變負荷，啟動黑牡二B廠發(fā)電機組；

5)70 s時，合并開關(guān)投入牡二A廠至牡二B廠220 kV線路；

6)100 s時,投入黑牡二B廠#9發(fā)電機組；

7)150 s時，投入黑牡二B廠#8發(fā)電機組。

通過ADPSS仿真分析，可以得到黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程初期鏡老廠220 kV母線A相電壓，如圖5所示。

圖5 鏡老廠220kV母線A相電壓

4.2 黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程過電壓問題分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果對恢復(fù)過程中的過電壓問題進行逐一分析，可明顯看出，在t=4 s時電壓有突變現(xiàn)象，即出現(xiàn)了過電壓，該過電壓是斷路器操作引起的空載線路合閘過電壓和給空載線路充電產(chǎn)生電容效應(yīng)引起的工頻過電壓綜合作用的結(jié)果。該操作過電壓未超過220 kV線路操作過電壓標(biāo)準(zhǔn)3.0 p.u.，因此過電壓水平在可控范圍內(nèi)。

由于11 s及時投入負載，抑制了過電壓的升高，220 kV鏡泊湖、青梅變母線三相過電壓水平未超過2.0 p.u.，遠低于220 kV標(biāo)準(zhǔn)所要求的3.0 p.u.操作過電壓水平，擾動控制在合理范圍內(nèi)。

在100 s牡二B廠 G8和G9機組投入時，供電能力恢復(fù)過程中的系統(tǒng)相比之前已經(jīng)相對強大。G8和G9的投入，系統(tǒng)雖然也存在一定的沖擊，但較為緩和，而且調(diào)整時間大大縮短，很快系統(tǒng)就恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。操作過電壓也在1.5 p.u.以下，滿足220 kV線路3.0 p.u.以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

本文對電網(wǎng)供電能力恢復(fù)過程中可能出現(xiàn)的過過電壓問題的成因及危害進行了分析，在負荷中心選擇具有自啟動能力的水電機組作為啟動電源，確定了電網(wǎng)黑啟動路徑，建立了基于ADPSS全數(shù)字實時仿真的黑龍江電網(wǎng)供電能力恢復(fù)系統(tǒng)模型。對恢復(fù)過程中的過電壓進行仿真計算，并對電壓波形中的所有過電壓問題進行了分析，結(jié)果表明：在電網(wǎng)發(fā)生全停事故后，利用該黑啟動路徑進行電網(wǎng)恢復(fù)，恢復(fù)過程中過電壓水平均在可控范圍內(nèi)。

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(編輯 侯世春)

Study on overvoltage of power supply capacity of Heilongjiang power grid during restoration based on ADPSS electromagnetic transient simulation

GUO Niao1, ZU Guangxin1,2

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150006, China)

The cause and its harm caused by overvoltage are briefly described in the initial stage of the power grid restoration and the black start path of Heilongjiang power grid is determined. The electromagnetic transient simulation model of black start path in Heilongjiang power grid is built based on all-digital and real-time simulation system. Under the electromagnetic environment, the verification of the system is taken and the overvoltage status of 220kV bus of power plant is provided during the power grid restoration. The simulation results prove the feasibility of the proposed modeling method, which is significant for the development of black start scheme for Heilongjiang power grid.

power grid restoration; ADPSS; simulation

2016-12-09。

郭 裊(1980—)，女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析工作。

TM721

A

2095-6843(2017)02-0110-04