自适应解列控制系统的研究

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2009特高压输电技术国际会议论文集 1

自适应解列控制系统的研究

汪成根1，张保会1，舒 进1，李 鹏1， Z. Q. BO2

(1 西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049；2 AREVA T&D Automation, Stafford, UK)

摘要:为故障后失去稳定的电力系统确定解列断面以平息系统振荡可以防止系统完全崩溃。本文提出了基于支路势能法判别系统失稳模式的思想，提出了电力系统失步解列面实时搜索的三阶段方法，并探讨了利用目前分散动作的失步继电器构造解列控制系统的方法。对IEEE118节点系统进行了解列面搜索仿真计算，仿真算例验证了本文方法的有效性和快速性。

关键词: 支路势能法；解列控制系统；潮流追踪；自适应解列；解列面

0 引言

目前，电力系统失步解列装置多数固定地安装在系统的主要联络线上，利用联络线本地信息，当联络线两侧的系统失步时跳开联络线。由于缺乏全系统的动态信息，解列的地点和时机难于随系统的失步模式和运行方式而变化，当有多个解列点时难于全网配合。而各分散安装的低压、低周减载装置测量安装点的频率、电压及其变化率，依据本地信息作出是否动作的判别，不同地点装置间没有动作配合，或者通过整定值配合，难于从全系统的角度有效配合。

针对上述问题有研究者指出[1]

：解列控制作为一种针对系统的保护，其设计应当从系统的角度出发，根据目前的信息采集条件，整合分散动作的失步解列装置，依据实时判别的失稳模式，构成自适应的主动解列控制系统。

主动解列控制的一个关键难点是当系统发生大扰动时，如何快速有效判断系统是否失去稳定，是何种失稳模式。

主动解列控制的另一个关键难点是如何根据系统的实际失稳模式，迅速确定系统的合适解列面。 本文提出了一种构建自适应的主动解列控制系统的方案。方案首先根据支路势能法判别系统失去稳定时的失稳模式，得到发电机组的分群信息。在此基础上，根据本文提出的系统解列断面实时搜索三阶段算法，得到系统的合适解列断面。然后通过整合分散动作的失步保护装置构成的解列控制系统，在确定的合适解列断面处将系统解列。

本文结构如下：第1节介绍电力系统主动解列

原则；第2节给出利用支路势能法判别系统失稳模式的思路；第3节提出解列面快速搜索的三阶段方法；第4节给出解列控制系统的构建方法；第5节基于IEEE118系统对本文所提方法进行仿真计算；最后给出本文的结论。

1 电力系统主动解列原则

文献[2]给出了系统主动解列的两个原则： 1）依据系统的失稳模式和发电机的摇摆分群信息确定解列地点，将具有相同摇摆分群情况的发电机分在相同的孤岛中。

2）解列地点的具体确定应参考系统的潮流情况，解列后各孤岛内发电与负荷尽可能平衡。以减少解列后系统切机、切负荷量，减少停电损失。

2 基于支路势能法判别系统的失稳模式

由文献[3]知，多机电力系统在受到大扰动时，系统故障后一般呈现两群失稳模式，且在系统失稳过程中必对应于临界割集所包含的支路的相角差过分增大。表明系统中发电机转子的摇摆曲线所表现的系统失稳可以通过网络中临界割集支路变量的变化来体现。

确定系统的临界割集后，若将临界割集中的支路从系统中移去，则系统将被解列为两个孤岛，文献[3]即是基于这一思想进行主动解列控制。然而，这样的解列可能导致各孤岛中发电和负荷存在严重不平衡。

本文提出了根据临界割集判别系统失稳模式的研究思路。根据得到的失稳模式基于本文提出的解列面快速搜索方法按照主动解列原则寻找系统的合适的解列面。

3 解列面快速搜索的三阶段方法

电力系统解列断面搜索问题属于图分割问题的一种，单纯从图论角度看是NP-complete问题，即

在多项式时间内无法得到确切解[4]

。若G=(V,E)节点

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2 自适应解列控制系统的研究

数为n，边数为m，对于系统某一失稳模式，其解列断面搜索空间达2m。随着系统规模增大，解列断面搜索空间呈几何级数增长。因此，解列断面的快速搜索的一个重要问题是如何根据电力系统特点合

理有效地减小搜索空间[4]

。

本文提出了一种将搜索区域迅速定位到异步机群之间较小范围的解列面实时搜索的三阶段方法。三个阶段分别为：基于潮流追踪的系统分区、初始解列断面的搜寻、最终解列断面的确定。 3.1 基于潮流追踪的系统分区

基于潮流追踪的系统分区具体步骤为：首先通过SCADA或WAMS在线采集系统潮流信息，对数据按处理得到系统有向加权无损图模型，基于潮流追踪算法得到各发电机节点与负荷节点的有功分配关系，将负荷分配到向其供电最多的发电机中，从而形成与发电机节点数目相等的区域，得到以发电机节点为中心的分区图。

基于潮流追踪的分区方法并没有将负荷合并入发电机中，也就是说，解列搜索始终是在开始建立的有向加权无损图上进行，负荷与向其供电最多的发电机最终不一定在同一个孤岛中，分区只是暂时将负荷与某发电机建立一种松弛的依附关系。 由于潮流短时间变化不大，因此潮流可在线每隔一段时间（如10min）采集一次，随后对采集的潮流数据处理后基于潮流追踪进行分区。 3.2 初始解列断面的搜寻

初始解列断面的搜寻任务是基于分区图找到一个满足将异步机群隔离的粗糙解列断面，即该断面满足本文第2节的解列原则1。

对于图G=(V,E)，解列断面实质上是一组边的集合，若将解列断面中的边从电网中断开，则电网被分成k个孤岛。电网的一个解列断面可记为Ecut。

在分区图中，根据实际发电机的分群信息搜寻初始解列断面。注意到此时图中“节点”已全部为发电机区域，只要将不在同一群中发电机所在发电机区域之间的边断开，就完成了初始解列，将电网分割为k个孤岛。 3.3 最终解列断面的确定

初始解列断面虽然能将异步机群隔离，然而按此断面进行解列，往往孤岛内发电和负荷有较大的不平衡。由前文分析知，合理的解列断面只能位于异步机群之间，也就是在初始解列断面附近。因此，可以初始解列断面为基础，以孤岛内发电和负荷尽

可能平衡为目标在初始断面附近进行优化改善，得到最终的解列断面。

由前文分析可知，初始解列断面搜寻和解列断面的最终确定这两个阶段的时间复杂度与网络规模呈线性关系，可实时进行。实时搜索方法流程如图1所示。

图1 失步解列面实时搜索流程图

4 解列控制系统的构建

当系统遭受扰动时，若系统将要失稳，安装在系统中的失步继电器根据线路的本地电气信息分散动作，难以配合。本文提出了利用目前系统中的失步继电器构成解列控制系统的方案，如图2所示。

图2 解列控制系统构成方案

图2中，当线路上继电器检测到线路失稳时，并不立即动作，而是将所在线路失稳信息发送到失稳判断中心，由该中心判断失稳线路是否已构成割集。若失稳线路已够成割集，则系统失稳，由控制中心判断失稳模式，通过快速搜索算法找到合适的解列断面，并发出命令给需要解列线路上的继电器进行解列。否则，各解列继电器不允许独立动作。

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5 仿真算例

为了验证本文方法的有效性，以IEEE118节点系统[5]

为算例进行解列断面搜寻计算。搜索程序在VC++ 6.0环境下编写。

电网总有功发电4374MW，总有功负荷4242 MW，发电机节点19个。该电网有向加权无损模型如图3所示。

图3 IEEE118节点系统图模型

针对该运行方式下的潮流分布状态，建立其相应的分区如图4所示。

图4 IEEE118节点系统分区图

假设在0秒时线路e23-25靠近母线25处发生三

相短路，故障持续时间0.28秒。故障发生后系统各支路相角差如图5所示。

)°(差/

角相路线

时间/(s)

图5 故障发生后系统各支路相角差曲线

由支路势能法知，发电机组表现为两群摇摆失稳模式。电网刚开始失稳时的两群摇摆失稳发电机组如表1所示。

表1 电网发电机分群信息

发电机分群号

发电机节点号 总发电出力(MW)

1 10, 12, 25, 26, 31 1076 2

46, 49, 54, 59, 61, 65, 66, 69, 80, 87, 89, 100, 103, 111

3298

按照搜索方法得到的初始解列面和最终解列面如表2所示。

表2 初始解列断面和最终解列断面

解列面中的边 各孤岛中发电负荷 各孤岛 不平衡 (MW) 不平衡度 初始解列面

e15-33, e34-19, e30-38,

e61.29, -61.29

0.031, 70-24, e24-72 -0.011 e15-33, e34-36, e37-34,

最终解列面

e0.001, 34-43, e30-38, e70-24,

2.07, -2.07 e-0.0004

24-72

最终得到的解列示意图如图6所示。图6中，

左边与右边孤岛发电负荷不平衡分别为：

2.07，-2.07 MW。两孤岛的不平衡度分别为：0.001，-0.0004。

图6 电网解列为两个孤岛

仿真所用计算机性能为Intel Core2 2.20GHz处理器，1G内存。利用编制的C++程序，解列断面搜索时间为12ms，其中潮流追踪分区所用时间为8ms，初始和最终解列断面确定所用时间为4ms。

需要指出的是，解列操作是系统灾变情况下不得以采取的紧急控制措施，解列后各孤岛内运行环境可能相当恶劣，一般还需采取切机、切负荷等控制措施来提高孤岛的运行稳定性。

6 结论

1）提出了基于支路势能法判断发电机分群的思路；

2）通过对电力系统解列特点的分析，提出了失步解列断面的实时搜索方法。该方法不需要预先对

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4 自适应解列控制系统的研究

电力系统进行等值化简，可直接在原始图中进行解列断面的搜索。该方法具有计算复杂度小、计算速度快的优点，仿真算例验证了方法的可行性和有效性；

3）讨论了解列控制系统的构建思路。

参考文献

[1] M. M. Adibi, R. J. Kafka, Sandeep Maram, et al. “On power system

controlled separation”, IEEE Trans on Power System, vol. 21, pp. 1894-1902, Nov. 2006.

[2] Haibo You, Vijay Vittal, Xiaoming Wang. “Slow coherency-based

islanding”. IEEE Trans on Power System, vol. 19, pp. 483-491, Feb. 2004.

[3] K. R. Padiyar, S.Krishna. “Online detection of loss of synchronism

using energy function criterion”. IEEE Trans on Power Delivery, vol. 21, pp. 46-55, Jan. 2006.

[4] Kai Sun, Da-Zhong Zheng, Qiang Lu. “Splitting strategies for

islanding operation of large-scale power systems using OBDD-based methods”. IEEE Trans on Power System, vol. 18, pp. 912-923,May. 2003.

[5] Ieee118cdf.txt [Online]. Available: http://www.ee. washington. edu /

research /pstca/.

作者简介：

汪成根(1981—)，男，博士研究生，研究方向为电力系统安全稳定性紧急控制，wcg1119@；

张保会(1953—)，男，教授，博士生导师，主要从事电力系统继电保护、电力市场环境下的安全可靠性和经济性的统一、安全稳定控制和电力线通信等领域的教学、科研工作，bhzhang@。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uyhq.html