邱建，常東旭，徐光虎，郭琦，朱益華，張建新，夏尚學(xué)

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2．直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)，廣東 廣州510663；3．中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510663；4.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

南方電網(wǎng)已形成了西電東送“8交11直”運(yùn)行的復(fù)雜大電網(wǎng)，其中8回直流饋入廣東電網(wǎng)，2020年將投產(chǎn)烏東德特高壓多端直流及云貴互聯(lián)通道直流工程，系統(tǒng)特性復(fù)雜，穩(wěn)定問(wèn)題突出[1-3]。多回直流組合故障、交流故障主保護(hù)拒動(dòng)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng)等嚴(yán)重故障均會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)暫態(tài)功角失穩(wěn)，系統(tǒng)的振蕩中心大多位于兩廣交流、貴廣交流等送受電的關(guān)鍵斷面，需要依靠失步解列裝置動(dòng)作來(lái)解列兩廣或貴廣斷面[4-6]，防止大面積停電事故發(fā)生。

現(xiàn)有兩廣和貴廣交流斷面均配置了就地失步解列裝置，廠站間沒(méi)有信息交換。分析表明，受各通道阻抗值、受端電壓支撐能力及故障位置等因素的影響[7-12]，部分嚴(yán)重故障發(fā)生后，即使振蕩中心在兩廣斷面，兩廣及貴廣斷面部分通道均有明顯的振蕩特性，實(shí)際動(dòng)作效果可能也是兩廣及貴廣斷面均有失步解列裝置動(dòng)作的同時(shí)解列兩廣及貴廣斷面，極大地影響了解列后系統(tǒng)的穩(wěn)定恢復(fù)能力；另外，在部分嚴(yán)重故障發(fā)生后，兩廣斷面南部通道的振蕩特性不明顯，失步解列裝置解列較晚或難以解列，導(dǎo)致主網(wǎng)特別是廣西電網(wǎng)電壓無(wú)法恢復(fù)穩(wěn)定[13-14]。

為解決兩廣、貴廣送電通道就地失步解列裝置在快速性、可靠性和選擇性等方面存在局限的問(wèn)題，依托當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)據(jù)采樣技術(shù)及電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于廣域信息的大電網(wǎng)失步解列控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“廣域失步解列系統(tǒng)”)，通過(guò)廣域失步信息采集和集中解列控制，實(shí)現(xiàn)多通道受電斷面解列的同時(shí)性和選擇性[14-18]。由于傳統(tǒng)的靜模試驗(yàn)、潮流及暫態(tài)穩(wěn)定以及人機(jī)界面程序(BPA)數(shù)據(jù)回放難以充分校核廣域失步解列系統(tǒng)控制策略的有效性和可靠性，需要開(kāi)展廣域失步解列系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真研究[19-20]。

本文基于南方電網(wǎng)年度方式實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(real time digital simulator，RTDS)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算模型，構(gòu)建了由RTDS仿真系統(tǒng)和實(shí)際裝置構(gòu)建的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)[19-21]，設(shè)計(jì)直流交叉跨越故障、線路故障主保護(hù)拒動(dòng)和母線三相故障主保護(hù)拒動(dòng)等多種計(jì)算算例，全面開(kāi)展廣域失步解列系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真綜合研究；通過(guò)對(duì)兩廣斷面、貴廣斷面各通道的功角、Ucosφ振蕩曲線、失步解列安裝點(diǎn)電壓建模分析，并與實(shí)際裝置動(dòng)作特性進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證廣域失步解列系統(tǒng)決策的可靠性；通過(guò)全面分析廣域失步系統(tǒng)、就地失步解列裝置以及BPA仿真計(jì)算結(jié)果，比對(duì)解列后的系統(tǒng)穩(wěn)定特性，驗(yàn)證廣域失步解列系統(tǒng)對(duì)改善現(xiàn)有失步解列配置方案缺陷的有效性。

1 廣域失步解列試驗(yàn)系統(tǒng)裝置配置

廣域失步解列系統(tǒng)由控制主站和子站采集執(zhí)行裝置構(gòu)成，共同完成廣域信息采集、遠(yuǎn)方和就地失步解列等功能。其中控制主站裝置的功能為綜合子站上送的失步解列狀態(tài)，按照既定原則和決策發(fā)令解列相應(yīng)的送電斷面；子站采集執(zhí)行裝置采集聯(lián)絡(luò)線電壓和電流的相關(guān)信息，判別聯(lián)絡(luò)線失步信息并上送主站裝置，接收主站裝置發(fā)來(lái)的遠(yuǎn)方解列命令，解列相應(yīng)的送電通道，并具備就地失步解列判別及出口的功能[14]。

南方電網(wǎng)廣域失步解列系統(tǒng)控制主站設(shè)置在茂名站，控制子站包括兩廣斷面的羅洞站、賢令山站、桂林站、蝶嶺站、茂名站、梧州站和賀州站，貴州交流出口斷面的黎平站、獨(dú)山站、河池站、天二站、興仁站等，如圖1所示[13]。

圖1 廣域失步解列系統(tǒng)配置方案

根據(jù)廣域失步解列系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)配置方案和試驗(yàn)實(shí)際情況，并考慮盡可能最大化地驗(yàn)證系統(tǒng)策略和裝置功能，本次RTDS試驗(yàn)兩廣斷面配置了賢令山站、賀州站、梧州站、羅洞站和茂名站5個(gè)子站，貴廣斷面配置了黎平站、獨(dú)山站和天二站3個(gè)子站，分別監(jiān)視和控制兩廣的桂山站、賀羅站、梧龍羅站、玉茂站、茂蝶站和貴廣斷面的黎桂站、山河站、天金站、天平站等送電通道，驗(yàn)證兩廣和貴廣斷面之間的協(xié)同配合與控制，如圖2所示。

圖2 廣域失步解列試驗(yàn)系統(tǒng)裝置配置

根據(jù)試驗(yàn)研究需要，各子站采集執(zhí)行裝置失步解列均依據(jù)Ucosφ原理(其中U為電壓，φ為功角)，即：遠(yuǎn)方失步功能投跳閘，就地失步功能投信號(hào)；振蕩周期均整定為1周波，失步動(dòng)作低電壓范圍整定與現(xiàn)場(chǎng)裝置保持一致。送電通道裝置配置及出口控制見(jiàn)表1[13-14]，其中Un為額定電壓。

表1 送電通道裝置及出口控制配置

茂名主站兩廣斷面廣域失步解列原則整定為“4取2”，即桂山站、賀羅站、梧龍羅站、玉茂站任2個(gè)通道失步動(dòng)作，立即解列兩廣斷面4個(gè)通道；貴廣斷面廣域失步解列原則整定為“3取2”，即黎桂站、山河站、天金站任2個(gè)通道失步動(dòng)作，立即解列貴廣斷面3個(gè)通道；為保證選擇性，投入“兩廣解列閉鎖貴廣”控制字，即兩廣斷面解列后不再解列貴廣斷面。

2 廣域失步解列系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型

2.1 系統(tǒng)模型

本研究中，南方電網(wǎng)系統(tǒng)模型采用2019年度“夏大極限”方式全電磁實(shí)時(shí)仿真模型，覆蓋南方電網(wǎng)12回直流輸電系統(tǒng)以及五省區(qū)交流網(wǎng)架[19-20]。根據(jù)仿真研究需要，新東直流、牛從直流以及金中直流采用實(shí)際控制保護(hù)裝置，其余直流控制采用全數(shù)字模型，直流頻率限制控制(frequency limitation control，F(xiàn)LC)按BPA數(shù)據(jù)給定；發(fā)電機(jī)組采用七階模型，考慮自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置及調(diào)速器的作用，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer，PSS)和一次調(diào)頻按要求投入；系統(tǒng)負(fù)荷模型采用恒阻抗、電流及功率復(fù)合負(fù)荷(constant impedance current and power composite load，ZIP)模型，恒阻抗、恒電流與恒功率的比例為3∶4∶3。

在本系統(tǒng)計(jì)算模型中，2019年度烏石灣電廠和陽(yáng)江核電新增機(jī)組的投產(chǎn)將影響兩廣斷面潮流分布，兩廣南通道潮流變輕，北通道潮流變重，兩廣斷面南部通道振蕩特性不明顯的特點(diǎn)將進(jìn)一步呈現(xiàn)出來(lái)，能夠更好地驗(yàn)證廣域失步解列的動(dòng)作特性。

2.2 Ucos φ計(jì)算模型

參照失步解列裝置Ucosφ的計(jì)算方法[5-6]，考慮到阻抗角補(bǔ)償，將電流相位進(jìn)行滯后8°的修正，失步動(dòng)作電壓Ucosφ的計(jì)算公式可描述為：

(1)

(2)

(3)

式中：Ucos、Usin為聯(lián)絡(luò)線電壓的實(shí)部和虛部；Icos、Isin為聯(lián)絡(luò)線電流的實(shí)部和虛部；|I|為聯(lián)絡(luò)線線電流的幅值；Icos,m、Isin,m為相位修正后的聯(lián)絡(luò)線電流的實(shí)部和虛部。

利用RTDS的Controls->Signal Processing模塊庫(kù)，結(jié)合式(1)—(3)，可以計(jì)算出Ucosφ。聯(lián)絡(luò)線失步振蕩的典型Ucosφ曲線如圖3(b)所示。通過(guò)觀測(cè)Ucosφ的計(jì)算數(shù)值及振蕩曲線，可以對(duì)失步解列裝置動(dòng)作的正確性進(jìn)行判斷，研究故障點(diǎn)設(shè)置對(duì)失步解列判據(jù)的影響等。

2.3 聯(lián)絡(luò)線功角及安裝點(diǎn)電壓計(jì)算模型

仿真模型對(duì)兩廣斷面和貴廣斷面各送電通道的功角及失步安裝點(diǎn)電壓進(jìn)行了建模和仿真，系統(tǒng)發(fā)生失步時(shí)聯(lián)絡(luò)線功角及安裝點(diǎn)電壓典型錄波如圖3所示。

功角監(jiān)視采用了送電通道兩側(cè)母線電壓的實(shí)時(shí)相對(duì)角度，通過(guò)觀察聯(lián)絡(luò)線功角是否穿越180 °，可以判別聯(lián)絡(luò)線是否發(fā)生失步；而裝置安裝點(diǎn)電壓監(jiān)視則采用對(duì)應(yīng)廠站母線電壓的有效值，通過(guò)觀察失步安裝點(diǎn)振蕩過(guò)程中電壓有效值的最小值，可以有效確定失步解列裝置的動(dòng)作范圍。

3 廣域失步解列系統(tǒng)典型算例分析與驗(yàn)證

基于上述仿真模型及試驗(yàn)系統(tǒng)配置，開(kāi)展廣域失步解列23個(gè)算例的分析與驗(yàn)證。算例涵蓋了直流交叉跨越故障、線路故障主保護(hù)拒動(dòng)和母線三相故障主保護(hù)拒動(dòng)等多種故障形式，對(duì)廣域失步解列系統(tǒng)的同時(shí)性、可靠性及選擇性等方面進(jìn)行全面驗(yàn)證，并與分散配置的失步解列裝置動(dòng)作結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，綜合評(píng)估解列后系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。本文選取的典型算例包括：

圖3 失步解列監(jiān)視量模型典型錄波

算例1，高肇直流雙極+興安直流雙極同時(shí)閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)；

算例2，楚穗直流雙極+高肇直流雙極同時(shí)閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)；

算例3，賢令山母線三相故障主保護(hù)拒動(dòng)，1.4 s后備保護(hù)動(dòng)作；

算例4，賀州母線三相故障主保護(hù)拒動(dòng)，1.4 s后備保護(hù)動(dòng)作；

算例5，花都—北郊三相短路花都側(cè)拒動(dòng)，0.4 s后備保護(hù)動(dòng)作；

算例6，柳東—沙塘三相短路柳東側(cè)拒動(dòng)，0.4 s相間后備保護(hù)動(dòng)作。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

典型算例的動(dòng)作時(shí)間和解列后系統(tǒng)穩(wěn)定性比對(duì)見(jiàn)表2、表3。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，廣域失步解列系統(tǒng)的動(dòng)作特性與分散配置的常規(guī)失步解列裝置動(dòng)作特性基本一致，廣域失步解列速度和同步性優(yōu)于分散配置的常規(guī)失步解列；比較解列后的系統(tǒng)穩(wěn)定性，廣域失步解列系統(tǒng)優(yōu)于分散配置的常規(guī)失步解列裝置，兩廣斷面廣域失步解列投“1周波4取2”的方式優(yōu)于投“2周波4取3”的方式。

3.2 廣域失步解列同時(shí)性驗(yàn)證分析

如算例3：賢令山母線三相故障主保護(hù)拒動(dòng)，1.4 s后備保護(hù)動(dòng)作，以廣西來(lái)賓站電壓為觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，廣西電壓穩(wěn)定性比對(duì)波形如圖4所示。

表2 典型算例仿真計(jì)算動(dòng)作時(shí)間比對(duì)

表3 典型算例仿真解列后系統(tǒng)穩(wěn)定性比對(duì)

圖4 算例3來(lái)賓站電壓波形

由圖4可以看出，廣域失步解列系統(tǒng)在快速、同步地解列兩廣斷面后，振蕩很快平息，廣西的電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定，其中“1周波4取2”動(dòng)作方式相較于“2周波4取3”動(dòng)作方式廣西電壓恢復(fù)更快，而分散配置的失步解列裝置由于南部玉茂通道動(dòng)作較慢(3.57 s)，廣西電壓持續(xù)振蕩，最終導(dǎo)致廣西電壓失穩(wěn)。

3.3 廣域失步解列選擇性驗(yàn)證分析

如算例1：高肇直流雙極+興安直流雙極同時(shí)閉鎖穩(wěn)控拒動(dòng)，故障發(fā)生后，振蕩中心落在兩廣斷面上；但是貴廣斷面的黎桂和山河通道也能明顯觀測(cè)到失步振蕩，在僅投入就地失步解列1周波解列時(shí)，黎平站和河池站裝置也能判出失步(慢于兩廣斷面)，從而導(dǎo)致兩廣和貴廣斷面同時(shí)解列，見(jiàn)表4。廣域失步解列系統(tǒng)的“兩廣解列閉鎖貴廣”控制字投入后，只解列兩廣斷面，解列后系統(tǒng)振蕩平息，如圖5中黎桂站和山河站通道的Ucosφ曲線在剛穿越0 °(相當(dāng)于功角穿越180 °)但還未滿足1周波解列條件時(shí)，兩廣斷面已經(jīng)解列，黎桂站和山河站通道的Ucosφ曲線快速恢復(fù)到正常水平，不再解列貴廣斷面，從而保證了失步解列系統(tǒng)的選擇性，有利于系統(tǒng)快速恢復(fù)。

表4 算例1就地失步與廣域失步解列時(shí)間

圖5 貴廣通道Ucos φ曲線

如算例6：柳東-沙塘三相短路柳東側(cè)拒動(dòng)0.4 s相間后備保護(hù)動(dòng)作，故障發(fā)生后兩廣斷面和貴廣斷面同時(shí)發(fā)生振蕩，在廣域失步解列兩廣斷面后，廣西電壓失穩(wěn)，由于貴州與廣西未解列，貴州電網(wǎng)的電壓和頻率波動(dòng)也比較大。本試驗(yàn)研究考慮將廣域失步解列子站裝置的就地解列功能同時(shí)投入，并將就地失步振蕩周期整定為2周波。在該算例中，兩廣斷面解列后閉鎖了貴廣斷面的遠(yuǎn)方解列功能，但之后黎桂站和山河站通道仍能滿足2周波解列條件就地解列，解列后貴州電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行(如圖6所示的貴州電壓曲線)，從而縮小了系統(tǒng)失穩(wěn)的范圍；因此建議在廣域失步解列系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，仍需投入子站的就地解列功能，遠(yuǎn)方和就地的失步振蕩周期整定互相配合，兼顧失步解列動(dòng)作的選擇性和可靠性。

圖6 貴州高坡站電壓曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了基于年度典型運(yùn)行方式、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝置、運(yùn)行定值設(shè)置的試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了與裝置算法一致的聯(lián)絡(luò)線功角、Ucosφ振蕩曲線、裝置安裝點(diǎn)電壓等觀測(cè)量的建模方法；通過(guò)多個(gè)典型故障算例，對(duì)廣域失步解列系統(tǒng)的動(dòng)作特性進(jìn)行了全面仿真和分析，驗(yàn)證了廣域失步解列系統(tǒng)能夠滿足解列快速性、同時(shí)性和選擇性的設(shè)計(jì)要求。相較于傳統(tǒng)的靜模試驗(yàn)和BPA數(shù)據(jù)回放，基于RTDS的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)更能直觀和全方位地校核廣域失步解列系統(tǒng)的動(dòng)作特性。下一步將對(duì)廣域失步解列系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)和相角差判別失步的原理和判據(jù)進(jìn)行深入的實(shí)時(shí)仿真研究和技術(shù)驗(yàn)證，使廣域失步解列系統(tǒng)盡快投入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定構(gòu)筑堅(jiān)實(shí)防線。