基于广域支路响应的电压失稳主动解列控制

　　摘要：电力系统已呈现出加速电力电子化发展的趋势，局部区域电压失稳诱发邻近电网连锁反应的风险加剧。本文首先针对电压稳定分析的典型系统，解析了电压失稳过程中节点电压幅值与相位的时空分布规律;其次，以简化支路暂态输电能力sBTTC定量评估指数为特征参量，研究连接于不同两端节点的支路响应差异，在此基础上，提出基于层次聚类的失稳区域互连支路识别和割集搜索方法，以及主动解列控制策略。最后，面向存在电压失稳问题的交直流混联电网实际场景，大扰动仿真结果验证割集搜索的准确性，以及主动解列控制限制电压失稳波及范围和降低连锁反应风险的有效性。

　　关键词：广域支路响应;电压稳定;支路暂态输电能力;层次聚类;主动解列

　　0引言

　　近年来，随着风电光伏等新能源电源并网容量快速增长、特高压直流输电工程投运数量逐渐增加，以及电动汽车和空调等变频负荷大量接入，电力系统呈现出显著的电力电子化发展趋势[12]。基于电力电子变流器并网的源网荷设备耐受电压扰动的能力弱，若故障后局部区域电压持续大幅低于额定运行状态，则邻近电网中的新能源电源将易出现低压脱网、特高压直流则存在因连续换相失败而闭锁等连锁反应风险，进而扩大故障波及范围威胁大电网稳定运行[36]。 电压失稳是交直流混联电网机电暂态范畴内种失稳形态之一，是电网电压持续大幅低于额定运行状态的极端表现形式[7]。多年来，与电压稳定相关的问题始终是电力系统领域关注的热点和重点，在已开展的研究中，从时间尺度上可划分为静态电压稳定、暂态电压稳定和中长期电压稳定。

　　智能电网论文： 智能电网背景下的配电运维一体化建设分析

　　围绕静态电压稳定，文献[8]求解稳定域的高阶表达式，并进行了详细误差分析;文献[9]提出一种基于强化学习理论的静态电压稳定裕度评估方法;文献[10]通过引入新型节点以及一维边界条件，提出计算静态电压稳定鞍结分岔点的直接算法;文献[11]引入图论理论，提出一种基于电压控制区的主导节点电压校正方法。面向中长期电压稳定，文献[12]综合分析发电机过励磁限制器、有载调压变压器以及负荷功率对稳定性的影响;文献[13]基于计及发电机动态的多端口等值网络，导出可辨识负荷功率最大值点的电压稳定性指标，对中长期电压崩溃起到有效的预警作用;文献[14]研究了考虑发电机过励磁限制的电压稳定特性及防御优化方法。

　　暂态电压稳定具有发生、发展速度快的特点，是电压稳定研究的重要分支，对其研究主要涉及失稳机理、评估方法和稳定控制等方面。针对失稳机理，文献[15]基于微分代数系统稳定性研究新能源并网系统的暂态电压稳定机理;文献[16]明确了基于感应电动机网荷互馈特性的暂态电压失稳机理;文献[1718]研究具有风电等可再生能源系统的暂态电压稳定特性以及关键影响参数。文献[1920]研究常规直流、柔性直流与交流电网混联系统的电压稳定机理;围绕评估方法，文献[21]提出基于部分节点功率电流变化关系判别暂态电压稳定性的方法;文献[22]使用故障后各节点电压序列信息，基于极限学习机建立自适应分层暂态电压稳定评估体系;文献[23]提出一种可用于二元表描述的暂态电压稳定裕度指标。

　　面向稳定控制，文献[2425]研究提升暂态电压支撑能力的发电机与静止无功补偿器协调控制策略，以及同步调相机暂态响应性能;文献[26]通过有功速降使直流逆变站呈现出无功源特性，进而提升受端电网暂态电压稳定水平;文献[2728]分别研究应对电压失稳的紧急切负荷控制和低压减载方案。解列控制作为电网失稳时阻断连锁反应的有效措施，一直以来相关研究多聚焦于功角失稳场景[29]。

　　电压持续偏低易引发电力电子装备连锁反应进而扩大故障波及范围、加剧故障损失，因此在电力系统电力电子化发展背景下，开展电压失稳主动解列控制研究，具有重要的理论意义和现实需求。面向基于响应的稳定控制技术发展方向3031]，本文首先针对典型的机组—负荷功率传输系统，揭示电压失稳过程中节点电压幅值与相位时空分布规律;以简化支路暂态输电能力指数作为特征参量，通过广域支路层次聚类实现了连接电压失稳区域的支路识别及解列割集定位;在此基础上，提出了失稳区域主动解列控制策略;针对交直流混联电网实际场景的仿真结果，验证了广域支路聚类识别的准确性以及主动解列控制限制电压失稳波及范围和降低连锁反应风险的有效性。

　　1典型系统节点电压幅值与相位分布

　　1.1电压稳定分析的典型系统模型

　　电压稳定分析中连接机组与负荷的典型功率传输系统模型。为机组与负荷间不计电阻的支路总电抗，为量测节点位置系数取值范围0~1，>0和>0为负荷有功与无功功率，为支路电流。此外，s2、28、8r和s3、37、7r以及s4、46、6r为连接等相邻节点的支路段。

　　受端电网出现电压失稳主要存在两种场景，一种是有功潮流增大主导的电压失稳，例如并联直流输电或交流输电支路故障开断，有功潮流转移至剩余交流支路导致受端电网电压降低直至失稳;另一种是无功需求增大主导的电压失稳，例如短路故障冲击后，直流逆变站和感应电动机无功需求增大、容性补偿装置受低电压影响无功输出减小，两者共同作用导致受端电网电压降低直至失稳。为此，以下将考察负荷有功和无功两种不同主导增长模式下节点电压幅值和相位的分布特征。

　　1.2节点电压幅值与相位分布特征评述

　　综合上述对应两种典型负荷功率增长模式下的电压失稳场景，可以看出，节点电压幅值与相位在空间分布上具有以下两个明显特征。1)广域节点电压的幅值高低具有可划分性。电压趋于失稳时，网络中节点电压依据其幅值差异，存在远离失稳中心的高压区域、失稳中心周边的低压区域，以及两区域交界的中压区域，具备可分类划分特征。2)相邻节点电压的相位偏差呈现近一致性。功角失稳过程中存在相邻节点的电压相位偏差趋于无界的特征，与此不同，电压失稳过程中相邻节点的相位偏差相当且均较小，尤其在无功需求增长导致的电压失稳场景中。节点电压存在的上述两个空间分布特征，使得基于响应信息将连接于不同两端节点的支路进行聚类区分成为可能。

　　2基于响应的sBTTC指数及支路特征

　　2.1简化支路暂态输电能力指数及其变化趋势

　　电压失稳过程中，空间位置不同的节点其电压幅值存在显著差异，受此影响，连接于不同两端节点的支路其响应特征也将存在区别。以广域量测系统(wideareameasurementsystem，WAMS)测得的节点电压幅值与相位的受扰响应为信息源，文献[33]定义了一种支路暂态输电能力指数，在此基础上，不考虑通常恒定的支路导纳影响，则支路简化支路暂态输电能力(simplifiedbranchtransienttransmissioncapability，sBTTC)指数如式(8)所示。

　　2.2复杂互连大电网支路特征分析

　　复杂大电网电压能否维持稳定，取决于动态无功的综合最大供给能力能否满足综合需求。当电网遭受大扰动或状态持续恶化导致运行电压降低偏离额定运行值时，受静止电容器补偿无功和输电线路充电无功减少，以及过励磁导致发电机强励退出等因素影响，电网动态无功的综合最大供给能力sAmax呈连续或阶跃式减小，与此同时，受感应电动机、直流逆变站等动态元件的无功电压正反馈作用机制影响，动态无功的综合需求dA快速增大。

　　最大供给与需求之间的差值即无功裕度下降，当越过临界电压cA后供需失衡电压失稳，提升最大供给能力至sAmax或降低需求至dA可改变临界电压至cA从而缓解失稳风险。复杂大电网通常具有网状拓扑结构，各局部电网之间经多个支路相互连接。从空间上看，电压失稳始发于动态无功支撑能力相对薄弱、供需易于失衡的局部电网如电网，在电压幅值梯度的作用下，互连支路无功增大拉低邻近电网电压如电网，进而呈现出以失稳区域为中心向周边区域辐射蔓延的特征。若电网动态无功供给充裕，可供给因互连支路而增大的无功需求，即如图所示sBmaxdB，则电网仍可维持电压稳定。

　　3电压失稳主动解列控制

　　聚类算法根据某种相似性度量标准将研究对象划分为一定数量的类簇，其中属于同一簇的样本具有最大相似性，而属于不同簇的样本则相似性较小。为实现电压失稳主动解列割集的自动决策，本文采用最小sBTTC指数差值度量支路簇间相似性，利用凝聚式层次聚类算法(agglomerativenesting，GNES)[3435]，识别连接高压区域和低压区域的支路簇。

　　4仿真验证

　　4.1省级电网内部局部区域电压失稳

　　4.1.1浙江南部电网电压失稳

　　某水平年，浙江南部局部交流电网结构，丹溪、宁海、回浦以及塘岭等500kV电站供电的220kV电网之间无直接电气联系，即不存在500kV/220kV电磁环网。因电网负荷较重，需通过莲都—瓯海和丹溪—回浦、宁海—回浦条支路回500kV线路从主网大量受电，故障冲击后存在电压失稳问题。

　　5结论

　　电力系统电力电子化发展背景下，局部电网电压失稳引发邻近电网连锁反应风险加剧，实施主动解列控制隔离失稳区域对保障电网安全具有重要意义。本文提出了一种基于广域支路响应的电压失稳主动解列控制方法，相关结论如下。1)电压失稳区域呈局部性特征，广域节点的电压幅值大小具有明显的空间分布差别，连接于不同两端节点的支路其暂态响应则具备差异特征。2)基于节点电压幅值与相位响应信息构建的简化支路暂态输电能力sBTTC指数，可作为两端节点均位于高压稳定区域、低压失稳区域，以及分别位于高低压区域的支路簇聚类特征量。3)采用凝聚式层次聚类算法，取聚类数为或，可有效识别具有中值sBTTC指数的连接电压失稳区域的支路簇。4)结合基于支路簇的解列割集搜索以及表征电网稳定水平的关键支路sBTTC大小，实施主动解列控制，可有效隔离失稳区域，降低电网连锁反应风险。

　　参考文献

　　[1]袁小明，程时杰，胡家兵.电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J].中国电机工程学报，2016，36(19)：51455154.YUANXiaoming，CHENGShijie，HUJiabing.Multitimescalevoltageandpowerangledynamicsinpowerelectronicsdominatedlargepowersystems[J].roceedingsoftheCSEE，2016，36(19)：51455154(inChinese).

　　[2]康重庆，姚良忠.高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架[J].电力系统自动化，2017，41(9)：11.

　　作者：郑超，孙华东，曲仝

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