金州区域电源送出安全稳定问题分析及稳控方案

王杰，张裕，李庆生，颜俊，张立平

（1. 中国电力工程顾问集团 中南电力设计院，湖北 武汉 430071；2. 贵州电网公司 电网规划研究中心，贵州 贵阳 550003）

我国资源分布与电力需求呈现逆向分布，需要实现大容量、远距离输电，存在电力系统稳定问题。电力系统稳定中，电源送端的稳定性尤为重要，送端系统稳定问题主要有暂态稳定问题以及送出通道热稳问题，其中以暂态稳定问题最为严重，一旦发生暂态失稳，往往需要采取切机等安全稳定控制措施[1]。

贵州省西部煤炭资源较为丰富，在毕节、六盘水、兴义等地区建设有大量火电机组，是南方电网“西电东送”以及贵州网内电源的重要组成部分。2013—2014年，盘县地区新建盘北电厂2×300 MW机组、“盘县上大压小”2×660 MW机组（原有5台200 MW机组逐步退出运行）等大型火电厂，以上电源均通过金州区域220 kV网络送出[2]。由于送出通道网架较为薄弱，发生故障时稳定问题较为突出。

本文通过PSD-BPA软件完成对金州区域电网的稳定计算，分析了典型链式网架结构下电源送出存在的稳定问题及特点，指出了送出通道电压水平以及电厂开机方式对暂态稳定结果有较大影响，并利用EEAC理论分析解释了其影响机理；按照电力系统三道防线的要求，提出该区域电网需要采取的稳定控制措施和稳定控制系统实施方案。

1 系统概况

根据2013—2014年建设计划，盘北电厂将先投一台机组，盘县电厂投运第一台“上大压小”机组，金州区域电网与六盘水区域电网在盘县电厂开环运行，盘县电厂仍为3号、4号、5号三台小机组并入金州电网。盘北、盘县电厂送出通道主要由红果-香田-长征-兴义以及红果-练池塘-兴义构成。其网架结构如图1所示。

2 金州区域电网的稳定问题

根据文献[3]的研究结论，图1所示网架结构，在全接线及检修方式下送出通道上的故障会导致系统存在以下稳定问题：

1）暂态稳定问题。全接线方式，盘县、盘北电厂若出力较多，发生红果－香田、香田－长征、练池塘－兴义N-1故障，或者红果－练池塘、金州-围山湖N-2故障时，大量潮流将通过仅剩的一个通道送往金州变，均可能导致盘北、盘县电厂机组暂态失稳。

2）送出通道热稳问题。若盘县、盘北电厂出力有所下降，全接线或送出断面线路检修方式，发生红果－练池塘、金州－围山湖N-2故障，或者红果－香田、香田－长征、练池塘－兴义N-1故障，潮流转移将可能导致红练Ⅱ回、练兴线、红香线、香长线、兴龙Ⅰ回等线路过载。

3）区域孤网问题。当红果－香田－长征－兴义以及红果－练池塘－兴义两个通道中一个检修，另一个发生N-1/N-2故障时，将有可能导致盘县、盘北电厂送出近区网络与主网解列，形成局部孤网问题，造成孤网内频率失稳。若金州主变一台检修，一台故障，将造成整个金州区域电网与主网解列，形成区域孤网。

因此，该地区电网稳定问题十分突出，按照GB/T26399—2011《电力系统安全稳定控制技术导则》第二级安全稳定标准的要求，需要采取相应的切机切负荷的安全稳定控制措施，保证电网的安全稳定运行。

3 稳定问题主要特点及影响因素分析

采用中国电科院PSD-BPA软件对金州区域电网稳定问题进行大量仿真计算，主要研究了不同的开机方式、出线电压水平对系统稳定的影响。仿真结果表明，故障后转移功率是出现热稳问题的主要原因，过载程度与转移功率直接相关，呈线性关系。出现热稳问题，按照过载程度切除盘县或盘北电厂适当机组即可消除。而孤网问题主要与故障前运行方式相关。下文主要开展了暂态稳定问题影响因素的研究。

3.1 电厂送出通道电压水平对暂态稳定问题的影响

在一定的开机方式下，保持电厂的有功出力不变，调整机组无功出力，机端电压将发生变化。通过调整电厂送出通道电压水平发现，机组总有功出力相同情况下，送出断面功率也基本相同，不同的电压水平下呈现的暂态稳定性却大不相同。表1给出了盘县、盘北总出力分别为700 MW和800 MW时，在不同电压水平下红练N-2两侧故障的稳定计算结果。由表1仿真结果可见，送出通道电压降低1～3 kV，故障下系统即由稳定变为不稳定，系统稳定特性差异明显。仿真结果表明金州区域电源送出暂态稳定问题对送出通道的电压水平极为敏感，增加电厂机组无功出力，提高送出通道电压水平，有利于故障下系统暂态稳定。

表1 红练N-2故障稳定计算结果表（调整送出通道电压水平）Tab. 1 Calculation results under the fault of Hongguo-Lianchitang N-2（with the voltage level of the sending out passageway adjusted）

3.2 盘县、盘北电厂机组开机台数对暂稳问题的影响

由于盘县、盘北电厂机组总台数较多，一定的电厂总出力情况下有多种开机组合方式。表2给出了盘县盘北总出力分别为700 MW、600 MW和500 MW时，不同开机组合方式下红练N-2两侧故障稳定计算结果。

表2 红练N-2故障稳定计算结果表（调整开机组合方式）Tab.2 Calculation results under the fault of Hongguo-Lianchitang N-2（with the mode of generator combination adjusted）

由表2仿真结果可见，在一定的电厂总出力下，两电厂不同开机组合方式对暂态稳定结果有明显影响。在总出力一定的条件下，增加盘县、盘北电厂开机台数，能提高系统暂态稳定性。

3.3 切机灵敏性分析

金州区域电源送出通道故障发生暂态失稳时，稳控措施为切除电厂机组。在进行稳控系统方案及策略设计时，有必要对盘县电厂以及盘北电厂的机组切机效果进行灵敏性分析[3]。仿真结果表明，在切机优先级上，盘县电厂机组应优先于盘北电厂机组。例如，盘县3号～5号机、盘北1号机均出力200 MW，红练N-2红果侧故障系统失稳，需切除盘县2台机组，而同时切盘县1台机和盘北1台机，虽然总切机量相同，但系统仍无法保持稳定；同样方式下，红练N-2练池塘侧故障，系统也失稳，需切除盘县1台机组，而切除同样出力的盘北1台机组，系统却仍然失稳。由此可见，切除盘县电厂机组效果要好于盘北电厂机组。

4 暂态稳定问题及其控制措施机理

4.1 电源送出通道电压水平对暂稳结果的影响机理

按照EEAC理论，给定互补群可划分为领先群S和余下群A，领先群S一般为受扰严重的机群，金州区域电网中盘县和盘北电厂机组为领先群。则系统首摆稳定裕度公式为：式中，δ为系统的等值初始功角；δs和δa分别为系统中领先群S和余下群A中等值机组的加速度；Pm为机组机械输入功率；Pe为机组电磁输出功率。

发电机有功出力满足以下关系：

式中，E为发电机内电势；U为发电机机端电压；X∑为系统等值阻抗；δ为机组功角。

保持机组有功出力不变，通过提高无功出力来增加机端电压时，E和U都将增加，而系统等值阻抗X∑不变，故机组功角δ将减小[4-5]。

根据式（3），提高盘县盘北电厂机组机端电压，两电厂机组初始功角δ将减小。由于两电厂为领先群内机组，故系统等值初始功角也将减小，由式（1）可知，系统的暂态稳定裕度将增加。

4.2 开机方式对暂稳结果的影响机理

将送端盘县、盘北机组等效为一台等值机组，当送端有功出力不变时，增加电厂机组开机台数，将减小系统等值阻抗，进而降低送端机组等值初始功角，有利于系统暂态稳定。

根据EEAC理论，系统主导映像的等值加速功率Pacc可表示为[6-7]：

式中，MT=Ms+Ma为整个系统的广义总惯量；Ms为领先群的等值广义惯量；Ma为余下群的等值广义惯量；Paccs为领先群的等值加速功率；Pacca为余下群的等值加速功率。由式（4）可知，送端有功出力不变时，增加电厂机组开机台数，Ms和MT都将增加，而Paccs和Pacca可视为基本不变（增开机组的厂用电基本可忽略），所以Pacc将减小，即减小了系统映像的加速功率，有利于系统暂态稳定。

4.3 切机灵敏性的机理

分析两电厂机组参数可知，盘县电厂机组的转动惯量参数为13.1 t·m2，发电机直轴暂态电抗X′d标幺值为0.103 2；而盘北电厂机组的转动惯量参数为18.857 t·m2，发电机直轴暂态电抗X′d标幺值为0.230 5。机组转动惯量越大，转子角变化将越慢，加速面积A越小，暂态稳定性越好；而发电机直轴暂态电抗X′d越小，对暂态稳定性越有利。因此，切除盘县电厂机组效果更好。

在盘县、盘北均开2台机，每台机出力均为200 MW方式下，对切除盘县机组和盘北机组进行了仿真。仿真表明，若采用原始参数，红练N-2故障下系统失稳，切除盘县一台机组，系统保持稳定，而切除盘北电厂一台机组，系统仍然处于失稳状态；当把盘县电厂机组转动惯量参数修改为与盘北电厂一样后，切除盘县一台机组或切除盘北电厂一台机组，系统均可保持稳定。

5 安全稳定控制措施

通过仿真可知，某些检修方式下采用调度预控措施，可避免故障时部分线路的过载问题，即热稳问题，不必采取切负荷措施。例如，兴龙单线检修时，预控兴龙断面负荷，可避免金围N-2故障兴龙单线过载需切安龙变负荷。

为解决金州区域电网存在的其他稳定问题，需要在金州电网配置安全稳定控制系统，具体配置如下：

1）在500 kV金州变配置区域稳控系统主站，主要实现区域孤网切机切负荷、金围N-2暂稳切机、近区环网线路热稳切机等功能。

2）在220 kV练池塘变配置区域稳定控制子站。主要实现局部孤网切机切负荷、电厂送出线路N-1/N-2暂稳切机、电厂送出线路热稳切机等功能。

3）在盘县电厂、盘北电厂配置切机执行站，执行金州主站以及练池塘子站发送来的切机命令。

4）在220 kV红果、香田、兴义、李关、安龙、围山湖等变电站配置切负荷执行站及检测站，执行金州主站以及练池塘子站发送来的切负荷命令，并检测相关线路工况信息。

金州区域稳控系统结构示意如图2所示。

图2 金州区域安稳控制系统结构示意图Fig. 2 Structure of security and stability control system in Jinzhou

在稳控措施及策略制定方面，在一定的外送断面功率下，不同的送出通道电压水平、电厂开机组合方式均会造成暂稳结果不同。通过仿真发现，盘县、盘北电厂外送断面功率小于350 MW时，无论开机方式如何，甚至外送通道电压水平低至223 kV左右，红练N-2两侧故障也不会造成失稳。因此，若金州区域电源外送暂稳控制策略按照最严苛条件考虑，则暂稳断面功率动作门槛值将整定得较低，极易满足动作条件，误切机风险较大。在实际运行中，调度需要控制外送通道电压水平变电站不低于225 kV，电厂侧不低于230 kV；同时，在总开机水平一定的条件下，尽量安排两电厂机组开机台数最大。

为弥补某些方式下调度无法预控（如机组检修造成的开机组合变化），而故障下暂态失稳时稳控装置由于定值设置等方面的原因可能无法动作，实际工程实施中在盘县、盘北电厂加装了失步解列装置。失步解列装置可在系统失步后2到3个振荡周期内，根据动作范围低电压定值解列电厂相关机组，保证系统安全稳定性。

6 结语

贵州金州区域电网是一个以电源送出为主的网络，本文首先利用PSD-BPA开展了金州区域电网的稳定计算。计算结果表明，不同的送出通道电压水平和电厂开机组合方式对暂态稳定影响明显。进而利用EEAC分析了其影响机理，并提出了安全稳定控制措施。仿真结果表明，提出的安全稳定控制措施有效。

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