李凱恩，石定中，張 磊，楊明貴，劉 勇

（云南電網(wǎng)有限責任公司臨滄供電局，云南臨滄 677000）

0 引言

電力系統(tǒng)故障后暫態(tài)過程體現(xiàn)為暫態(tài)功角失穩(wěn)和電壓失穩(wěn)，一旦出現(xiàn)電力系統(tǒng)失穩(wěn)，比如功角失穩(wěn)會從一定程度上導致電壓崩潰，而電壓崩潰會引發(fā)功角失穩(wěn)。通常暫態(tài)功角失穩(wěn)和電壓失穩(wěn)往往相互交織，僅通過電壓和功角無法準確分辨系統(tǒng)故障之后的失穩(wěn)模式。目前研究學者提出多種功角電壓失穩(wěn)的實用判據(jù)和理論判斷。為此本研究從大型變電站變電斷面有功功率的特點著手，詳細闡述了暫態(tài)功角失穩(wěn)和電壓失穩(wěn)模式提出主導系統(tǒng)變量，并進一步提出識別系統(tǒng)主導失穩(wěn)模式的方法，通過仿真分析證明該方法的有效性。

1 電力系統(tǒng)失穩(wěn)后主導系統(tǒng)變量

1.1 變電斷面有功功率

對于一些大型電力系統(tǒng)來說可根據(jù)系統(tǒng)任意變電斷面潮流方向，將該系統(tǒng)作為簡單受送端模型。在其模型中送端系統(tǒng)為A 區(qū)域具有發(fā)電性質(zhì)，受端系統(tǒng)為B 區(qū)域，具有負荷性質(zhì)，結(jié)合送受端系統(tǒng)的特點能夠?qū)⑵涞戎禐閱螜C單負荷。

上述公式忽略電力暫態(tài)中線路參數(shù)的變化，可將電力暫態(tài)中變電斷面電磁功率利用全微分公式進行表示。

根據(jù)上述公式，兩端母線電壓變化量以及電壓相角差變化量即變電斷面功率的變化。

1.2 選取主導系統(tǒng)變量值

電力系統(tǒng)可根據(jù)失穩(wěn)后主導系統(tǒng)變量來區(qū)分功角或電壓穩(wěn)定問題，選擇合適主導系統(tǒng)變量是十分重要的。本質(zhì)上，電力系統(tǒng)是能量傳輸系統(tǒng)，是由變電站、電源、負荷和電網(wǎng)構(gòu)成的，一般主要分析電源側(cè)功角問題以及負荷測電壓問題。根據(jù)方程可知，功角從本質(zhì)上是由于不平衡功率導致的，與線路遙控功率有一定聯(lián)系，而電壓穩(wěn)定主要與系統(tǒng)向負荷供電能力有關(guān)，本質(zhì)上屬于線路有功功率問題?？蓪⑸鲜龉竭M行轉(zhuǎn)換為：

在該公式中，電力系統(tǒng)暫態(tài)中變電斷面有功功率變化量分為：第一與母線電壓相較有關(guān)，能夠作為母線電壓相角差變化量；第二與母線電壓變化程度相關(guān)，可作為母線電壓負值變化量。在擾動之后，電力系統(tǒng)暫態(tài)中兩個變量能夠從一定程度上決定系統(tǒng)之間變電斷面功率變化，進而影響整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此可將上述兩個變量作為主導系統(tǒng)變量，進一步分析電力系統(tǒng)電壓和功角穩(wěn)定相關(guān)問題，并闡述該變量電力系統(tǒng)失穩(wěn)模式之間的關(guān)系。

2 分析電力系統(tǒng)的失穩(wěn)模式

電壓和功角失穩(wěn)可以用ΔPδ、ΔPv表示：當電力系統(tǒng)運行點超過該曲線不平衡點時電力系統(tǒng)會進入功角失穩(wěn)模式，而當電力系統(tǒng)運行點越過曲線中PMax點，這種情況下電力系統(tǒng)會進入電壓失穩(wěn)模式。

2.1 電壓失穩(wěn)模式

一般來說，在電力系統(tǒng)失穩(wěn)過程中電壓和功角失穩(wěn)會同時發(fā)生，這種情況下電力系統(tǒng)運行點會位于電壓和功腳失穩(wěn)區(qū)間范圍內(nèi)。根據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，變電站的配電電磁功率會隨著功角差增加而逐漸降低，負荷功率會隨電壓降低而逐漸降低，對于受送端的電力系統(tǒng)來說，送端系統(tǒng)A 所發(fā)出的電磁功率可用功率Pe表示，受端系統(tǒng)B 實際電磁功率可用P1表示，如果忽略電磁損耗，此時電磁功率與受端系統(tǒng)功率是相等的。當主導失穩(wěn)為電壓失穩(wěn)狀態(tài)時此時根據(jù)電壓穩(wěn)定性概念，系統(tǒng)對負荷供電能力無法滿足實際負荷需求，也就是負荷實際電磁功率低于負荷所需要的功率，則有：

2.2 功角失穩(wěn)模式

當電力系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)時并且電壓和功角同時是處于失穩(wěn)模式，根據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機輸出電磁功率隨功角差的變化以及負荷實際功率隨電壓的變化規(guī)律仍然成立。當主導失穩(wěn)狀態(tài)表現(xiàn)為功角失穩(wěn)模式時，根據(jù)功角穩(wěn)定性可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中存在不平衡轉(zhuǎn)距，進一步可以發(fā)現(xiàn)當受送端電力系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，此時受送端A 等值變電站變電功率應當高于系統(tǒng)A 所配電輸出電磁功率，如果忽略電磁損耗，此時電磁功率與受端系統(tǒng)獲得的功率是相等的。預測未來電力系統(tǒng)會出現(xiàn)功角失穩(wěn)，且目前未出現(xiàn)失穩(wěn)，則上述公式不成立，但采用預測的方式則上述公式是成立的，因此僅需確定電力系統(tǒng)出現(xiàn)功角失穩(wěn)作為主導失穩(wěn)則上述公式成立。

一般電力系統(tǒng)失穩(wěn)為單一失穩(wěn)，也就是系統(tǒng)出現(xiàn)純電壓失穩(wěn)或純功角失穩(wěn)，這種情況下典型電壓失穩(wěn)可以利用無窮大母線接入單負荷進行表示。當處于純電壓失穩(wěn)時，電壓相位角變化可以忽略，進而Δδ 接近0，則：

同時，對于功角失穩(wěn)來說，可以利用單機無窮大母線系統(tǒng)來表示，并且在純功角失穩(wěn)時可忽略母線電壓負值變化量，進而ΔV=0，則：

根據(jù)上述公式可以發(fā)現(xiàn)，本質(zhì)上純電壓失穩(wěn)模式與電壓失穩(wěn)為主導失穩(wěn)具有相同特點。同理，純功角失穩(wěn)與功角失穩(wěn)為主導的失穩(wěn)模式同樣具備相同特征，因此可以將純電壓失穩(wěn)和純功角失穩(wěn)可作為主導失穩(wěn)的兩種極端進行分析。

3 功率全微分的失穩(wěn)模式識別

結(jié)合上述分析，同感變電斷面有功功率全微分方程可獲得變電斷面有功功率變化量包含兩個函數(shù)值。根據(jù)處于不同失穩(wěn)狀態(tài)下具備不同特點來看，當主導失穩(wěn)模式為電壓失穩(wěn)模式，這種情況母線電壓幅值會影響變電斷面功率改變量而出現(xiàn)純電壓失穩(wěn)，此時全部由母線電壓負值分量來決定；對于功角失穩(wěn)這種情況，變電斷面功率改變量主要是與部分母線電壓相角差分量有關(guān)，在處于純功角失穩(wěn)下則全部由母線電壓相角差分量決定，進而可獲得主導失穩(wěn)模式的識別指標S，其中。

以S 作為主導失穩(wěn)模式的識別指標，可以利用變電斷面功率改變量以及分量曲線幾何距離進行表示，當主導模式為功能失穩(wěn)，這種情況下量曲線距離較小具有較高的重合度，在極端條件下兩個曲線會重合，這種情況下也使ΔPδ是導致變電斷面功率改變量發(fā)生變化的主要因素。因此，對于基于主導失穩(wěn)模式識別指標，在進行電力系統(tǒng)失穩(wěn)模式主導識別過程中：當負荷S 介于0～1/2 時，此時主導失穩(wěn)模式為功角失穩(wěn)；當S 介于1/2～1時，此時主導失穩(wěn)模式為電壓失穩(wěn)；當S 等于1/2 時，兩分量相等，處于臨界值無法準確識別系統(tǒng)的主導失穩(wěn)模式，需要進一步分析。在這一過程中主導性識別指標并不是系統(tǒng)穩(wěn)定判斷的能力，需要結(jié)合失穩(wěn)數(shù)據(jù)進行判斷，當系統(tǒng)失去穩(wěn)定時需要利用主導性識別指標進而確定主導性失穩(wěn)模式，能夠為后續(xù)采取緊急措施提供依據(jù)。

4 仿真分析

（1）本研究提出利用功率全微分失穩(wěn)模式主導性識別法。針對該方法實現(xiàn)仿真分析，利用電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真程序中擾動響應數(shù)據(jù)，進一步模擬電力系統(tǒng)實時測量數(shù)據(jù)，以證明該方法的有效性，并使用3 機10 節(jié)電等值系統(tǒng)。該系統(tǒng)的負荷模型為：100%恒阻抗負荷為B7，電動機負荷為B10，在0 s B6位置出現(xiàn)三相短路故障，在經(jīng)過0.005 6 s 之后該故障切除。根據(jù)穩(wěn)定曲線可以發(fā)現(xiàn)，目前該系統(tǒng)出現(xiàn)電壓失穩(wěn)模式，根據(jù)電壓曲線進一步發(fā)現(xiàn)受端區(qū)域的電壓持續(xù)降低，計算主導失穩(wěn)模式識別指標，可以發(fā)現(xiàn)主導失穩(wěn)模式識別指標均大于0.5，證明此時電壓失穩(wěn)為系統(tǒng)的主導失穩(wěn)模式，需要采取切負荷緊急控制措施，在2.58 s 時切除B10 位置的負荷，且根據(jù)電壓和功角曲線可以發(fā)現(xiàn)，通過切負荷措施之后能使電力系統(tǒng)恢復正常運行。

（2）使用IEEE9 節(jié)電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中各負荷均為恒阻抗，在0 s 時線路bus5～7 出現(xiàn)電路故障。結(jié)合曲線可以發(fā)現(xiàn)，此時電壓和功角失穩(wěn)同時存在，如果單從電壓、功角的形式上很難準確判斷目前系統(tǒng)主導失穩(wěn)模式，因此無法采取有效緊急控制措施，進一步計算主導失穩(wěn)模式識別指標S，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S 均低于0.5，證明此時系統(tǒng)功角失穩(wěn)是其主導失穩(wěn)模式，需采取切機措施。0.3 s 時在B2 位置進行發(fā)電機切機，為經(jīng)采取措施之后根據(jù)電壓和工作曲線可以發(fā)現(xiàn)，采取前期措施是有效的，能夠使電力系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

對于電力系統(tǒng)變電站出現(xiàn)故障采取緊急措施時，準確區(qū)分暫態(tài)功角和電壓失穩(wěn)是其前提。在基于變電系統(tǒng)斷面有關(guān)功率特點分析的前提下，能夠利用功率全微分方程提出主導系統(tǒng)變量，該變量能夠用于反映系統(tǒng)失穩(wěn)模式。結(jié)合現(xiàn)有失穩(wěn)判據(jù)，利用提出的系統(tǒng)失穩(wěn)識別模式能為后續(xù)暫態(tài)穩(wěn)定措施提供重要依據(jù)。