李靜宇 周明

摘 要： 針對采用柔性直流方法評估含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)安全無法抵抗系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移以及系統(tǒng)功能失衡的動(dòng)態(tài)波動(dòng)問題，安全穩(wěn)定評估性能差，提出基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評估方法。設(shè)計(jì)了含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)三道防線安全穩(wěn)定控制流程，分析弱送端電網(wǎng)彈性力學(xué)空間映射、弱送端電網(wǎng)交流支路映射模型以及交流支路的映射彈性勢能的內(nèi)容，將弱送端電網(wǎng)當(dāng)成一條“源?網(wǎng)?荷”彈性支路，將廣義彈性系數(shù)作為弱送端電網(wǎng)安全性能快速量化評估判據(jù)，管理人員對廣義彈性系數(shù)曲線實(shí)施檢測，則可完成弱送端電網(wǎng)安全狀態(tài)的在線評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)的準(zhǔn)確評估，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 含特/超高壓直流； 弱送端； 電網(wǎng)安全品質(zhì)； 廣義彈性系數(shù)； 評價(jià)； 評估性能

中圖分類號： TN915.853?34； TM721 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0095?05

Research on safety quality evaluation of weak transmission terminal

power grid with EHV/UHV direct current

LI Jingyu， ZHOU Ming

（State Key Laboratory of New Energy Power System， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The flexible DC evaluation method is usually used to evaluate the safety of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current， which can′t resist the dynamic fluctuation of system power flow transfer and system function imbalance， and has poor performance for safe and stable evaluation. Therefore， the elastic mapping based safety quality evaluation method of weak transmission terminal power grid is proposed. The three lines of defense safe and stable control process of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current was designed. The elastic mechanics space mapping and AC branch mapping model of the weak transmission terminal power grid， and mapping elastic potential energy of the AC branch are analyzed. The weak transmission terminal power grid is deemed as the source?grid?load elasticity branch， and the generalized elastic coefficient is taken as the fast quantitative evaluation criterion of weak terminal power grid safety performance， so the management personnel can detect the generalized elastic coefficient curve， and complete the security state on?line assessment of weak transmission terminal power grid. The experimental results show that the proposed method can accurately evaluate the security quality of the weak transmission terminal power grid， and ensure the stable operation of the power grid.

Keywords： EHV/UHV direct current； weak transmission terminal； power grid safety quality； generalized elastic coefficient； evaluation； evaluation performance

0 引 言

由于我國大規(guī)模交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，產(chǎn)生了較多的大規(guī)模能源送端電網(wǎng)。為了滿足能源轉(zhuǎn)移的需求，直流輸電工程電壓以及輸送容量逐漸提升，輸送距離不斷增加，對直流送、受端系統(tǒng)以及互聯(lián)電網(wǎng)的干擾不斷提升 [1]。含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)向受端電網(wǎng)傳達(dá)大功率電能過程中對本地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生電力服務(wù)，弱送端電網(wǎng)安全性對總體電力系統(tǒng)具有重要影響作用。以往常采用柔性直流方法評估含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)安全，但該方法無法抵抗系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移以及系統(tǒng)功能失衡的動(dòng)態(tài)波動(dòng)問題，不能對弱送端電網(wǎng)的電壓情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，安全穩(wěn)定評估性能差[2]。因此，本文提出基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評估方法，提高電網(wǎng)安全評估質(zhì)量，確保復(fù)雜電網(wǎng)的順利運(yùn)行。

1 弱送端電網(wǎng)穩(wěn)定控制階段過程設(shè)計(jì)

含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)三道防線同安全穩(wěn)定控制的關(guān)系，在控制時(shí)為了完成緊急控制可使用電源端以及負(fù)荷端的控制措施。本文基于交直流送端電網(wǎng)，如果出現(xiàn)直流閉鎖故障時(shí)外送功率受到阻礙，則在輸電區(qū)域通過多個(gè)廠站安控裝置組成穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，完成電源端采取切機(jī)的穩(wěn)定控制[3]，設(shè)計(jì)的弱送端電網(wǎng)穩(wěn)定控制過程圖用圖1描述。

2 基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評估方法

對含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)進(jìn)行三道防線的安全穩(wěn)定控制后，采用基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評估方法分析弱送端電網(wǎng)靜態(tài)安全性，確保電網(wǎng)的順利運(yùn)行。

2.1 基于彈性映射的含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)等值

2.1.1 弱送端電網(wǎng)彈性力學(xué)空間映射

含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)線路中有用功[PL]傳遞能量導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)兩端出現(xiàn)差別[δij]，類似于向彈簧施加壓力[F]，產(chǎn)生形變[x]。因此弱送端電網(wǎng)支路功角特征可以模仿彈簧形變的過程，該映射過程可表示為：

[F?PLx?δij] （1）

將弱送端電網(wǎng)等效成縱向受力的彈性網(wǎng)絡(luò)，既保留電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又突出了電網(wǎng)的功角特征[4]。

2.1.2 弱送端電網(wǎng)交流支路映射模型

忽略弱送端電網(wǎng)中的電阻，將支路兩端節(jié)點(diǎn)設(shè)為[i]，[j]，兩端節(jié)點(diǎn)電壓為[Ui]，[Ui]存在相角差，電網(wǎng)中電抗用[XL]表示，該支路的有用功為：

[PL=UiUjXLsinδij] （2）

當(dāng)有用功發(fā)生變化時(shí)，其1階增量方程表示為：

[ΔPL=UiUjXLcosδijΔδij+UjXLsinδijΔUi+UiXLsinδijΔUj] （3）

弱送端電網(wǎng)的彈性系數(shù)[KL]表示為：

[KL=ΔPLΔδij] （4）

即：

[KL=UiUjXLcosδij+UjΔUi+UiΔUjδijXLsinδij] （5）

根據(jù)上述公式計(jì)算出弱送端電網(wǎng)支路中電網(wǎng)兩端的相位角和支路的彈性系數(shù)。

2.1.3 弱送端電網(wǎng)支路的映射彈性勢能

彈性勢能的表達(dá)式為：

[EL=Fdx] （6）

根據(jù)映射作用，電網(wǎng)中支路的彈性勢能與彈簧的彈性勢能可以類比[5]，得到弱送端電網(wǎng)支路L的彈性勢能：

[EL=PLdδij] （7）

將式（2）代入式（7）中得出：

[EL=PLtanδij2] （8）

又因?yàn)槿跛投穗娋W(wǎng)線路和彈簧的彈性系數(shù)也存在映射關(guān)系，則線路[L]的映射彈性系數(shù)為：

[KL=dPLdδij] （9）

對式（2）進(jìn)行變換，可得到：

[PL=KLtanδij] （10）

若[δij]的值非常小，也可將弱送端電網(wǎng)支路映射彈性勢能表示為：

[EL=P2L2KL] （11）

弱送端電網(wǎng)支路傳輸?shù)娜磕芰繛椋?/p>

[Wij=Im（IijdUij）=ImPL+jQLUijjejδij（ejδijdUij+jUijejδijdδij）=ImPLUijdUij-QLdδij+jPLdδij+QLUijdUij=PLδij+QLUijdUij]

式中：[Wij]用于描述該弱送端電網(wǎng)傳輸能量總和；[Iij]為該支路的電流；[Uij]為節(jié)點(diǎn)兩端的電壓差；[Uij]和[δij]為弱送端電網(wǎng)支路兩端的電壓差幅值和相角。

假設(shè)弱送端電網(wǎng)中有用功在輸送過程中沒有損失[6]，對式（12）進(jìn)行簡化，可得：

[Wij=Im（IijdUij）=PLδij+QLUijdUij=PLδij] （13）

對于方向相同的支路，弱送端電網(wǎng)中輸出的總彈性勢能為：

[ELΣ=i=1nPtopitanθtopi2-j=1nPbotjtanθbotj2] （14）

式中：[Ptopi]和[θtopi]分別表示弱送端電網(wǎng)中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的有功和相位；[Pbotj]和[θbotj]分別表示負(fù)荷母線對應(yīng)的有功負(fù)荷和相位。

2.2 弱送端電網(wǎng)等值模型和安全品質(zhì)判斷依據(jù)

2.2.1 弱送端電網(wǎng)等值模型

將所有發(fā)電機(jī)的頂點(diǎn)視作頂端節(jié)點(diǎn)，將含特/超高壓直流的弱送端網(wǎng)絡(luò)視為彈性網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閺椥跃W(wǎng)絡(luò)中每條支路中都受到一個(gè)縱向的作用力，用“源”表示弱送端電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)，“網(wǎng)”表示電網(wǎng)線路，“荷”表示電網(wǎng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。因此也將含特/超高壓直流的弱電網(wǎng)絡(luò)等同為“源?網(wǎng)?荷”模型[7]。

根據(jù)廣域測量系統(tǒng)能夠求出導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)的功率和相位角，由式（14）計(jì)算出大電網(wǎng)映射的總彈性勢能：

[ELΣ=2arctanELΣPLΣbot] （15）

再利用式（8）求出含特/高壓直流的弱送端電網(wǎng)的等效電網(wǎng)相位差：

[δeq=2arctanELΣPLΣbot] （16）

與式（4）進(jìn)行類比，得到等效弱送端電網(wǎng)的靜態(tài)安全廣義彈性系數(shù)：

[Kbs=ΔPbotΔδeq] （17）

2.2.2 弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評價(jià)

彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相對平衡狀態(tài)來定義的，若某時(shí)刻的平衡狀態(tài)發(fā)生小幅度變化時(shí)，彈性系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，平衡狀態(tài)變化較大，彈性系統(tǒng)則不會恢復(fù)到原來的狀態(tài)[8]。只要弱送端電網(wǎng)支路彈簧的彈性系數(shù)大于零，說明該弱送端電網(wǎng)處于安全運(yùn)行模式。若該弱送端電網(wǎng)中的每條支路都處于安全運(yùn)行模式，則說明該電網(wǎng)是安全的。

因此可以得出含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)靜態(tài)安全的評判標(biāo)準(zhǔn)：弱送端電網(wǎng)受到小幅度干擾后，不存在動(dòng)態(tài)的失衡問題。弱送端電網(wǎng)的靜態(tài)安全評價(jià)與彈力系統(tǒng)的靜態(tài)安全評價(jià)類似，由此，將弱送端電網(wǎng)映射到彈力系統(tǒng)，將各支路當(dāng)作彈簧支路，證明彈簧支路大于零，就能得出弱送端電網(wǎng)中支路的穩(wěn)定安全狀態(tài)[9]。

[Kbs]可以等效為電網(wǎng)中支路的彈性系數(shù)，由上文分析得到弱送端電網(wǎng)靜態(tài)安全功角的穩(wěn)定判斷依據(jù)為：

[Kbs=ΔPLΔδeq=1XL（UiUjcosδij+ΔUjUiΔδijsinδij）>0] （18）

綜上所述，含特/超高壓直流的弱送端電網(wǎng)的等效支路“源?網(wǎng)?荷”的靜態(tài)安全評價(jià)流程，如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 某地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

實(shí)驗(yàn)以某地區(qū)為實(shí)例，采用本文提出的基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該地區(qū)存在210臺發(fā)電機(jī)、1 300個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中600個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，1 780條支路，支路中等效電網(wǎng)總的勢能為[ELΣ]（單位：pu），相位差為[δeq]，廣義彈性系數(shù)[Kbs]均可由本文方法的公式計(jì)算得出。該地區(qū)電網(wǎng)的基本信息用表1描述。

實(shí)驗(yàn)將BPA作為仿真平臺，采用本文方法分析該區(qū)域弱送端電網(wǎng)的安全品質(zhì)，該區(qū)域全網(wǎng)機(jī)組響應(yīng)方式設(shè)置提升步長是0.243。多臺發(fā)電機(jī)通過提升原始功率輸出自身負(fù)荷比例[10]，對該地區(qū)弱送端電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)等效參數(shù)實(shí)施跟蹤，獲取本文方法的運(yùn)算結(jié)果，用表2描述。

為了更好地表達(dá)出彈性系數(shù)曲線隨負(fù)荷提升而形成的波動(dòng)趨勢，實(shí)驗(yàn)獲取該地區(qū)的等效電網(wǎng)廣義彈性系數(shù)曲線，如圖3所示。分析圖中的[Kbs]，通過該曲線的波動(dòng)趨勢完成該地區(qū)弱送端電網(wǎng)安全性的準(zhǔn)確檢測。分析圖3可得，隨著該地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷的逐漸增加，等效電網(wǎng)廣義彈性系數(shù)曲線[Kbs]逐漸降低直至為0，該情況達(dá)到電壓崩潰點(diǎn)，說明該地區(qū)弱送端電網(wǎng)處于靜態(tài)安全的狀態(tài)下，廣義彈性系數(shù)始終高于0，如果電網(wǎng)處于穩(wěn)定極限時(shí)，廣義彈性系數(shù)會靠近0，說明采用本文方法評估弱電端電網(wǎng)安全品質(zhì)是可行的。

3.2 呼遼直流安全穩(wěn)定分析

實(shí)驗(yàn)采用本文方法對呼遼直流安全穩(wěn)定進(jìn)行分析，在含特/超高壓直流運(yùn)行狀態(tài)下，伊敏電廠一、二期工程 500 kV母線同伊敏三期母線相聯(lián)，呼遼直流弱送端電網(wǎng)的電力向遼寧電網(wǎng)以及主網(wǎng)輸送。實(shí)驗(yàn)檢測的中直流弱送端電網(wǎng)呼遼直流雙極的運(yùn)行功率是3 000 MW。實(shí)驗(yàn)檢測伊馮[N?2]故障以及伊換[N?2]故障發(fā)生時(shí)本文方法控制下電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定情況。

3.2.1 伊馮[N?2]故障分析

當(dāng)伊馮雙回線路外送功率為2 100 MW時(shí)，實(shí)驗(yàn)檢測獲取伊馮線發(fā)生[N?2]故障后，聯(lián)切伊敏一、二期4臺機(jī)組，在本文方法的控制下，弱送端電網(wǎng)孤島系統(tǒng)可保持穩(wěn)定，頻率偏差合格，如圖4所示。

3.2.2 伊換[N?2]故障分析

當(dāng)伊敏三期至換流站雙回線潮流功率是800 MW，伊馮斷面外送功率為2 500 MW時(shí)，實(shí)驗(yàn)檢測當(dāng)伊換線產(chǎn)生[N?2]故障后，通過本文方法實(shí)施安全控制后，可確保送端孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得直流負(fù)極功率以及正極功率波動(dòng)保持穩(wěn)定，如圖5所示。

4 結(jié) 論

本文提出基于彈性映射的弱送端電網(wǎng)安全品質(zhì)評估方法，將弱送端電網(wǎng)看成一條“源?網(wǎng)?荷”彈性支路，管理人員對弱送端電網(wǎng)廣義彈性系數(shù)曲線實(shí)施檢測，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全狀態(tài)的在線評估。

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