吳琛，謝一工，李玲芳，張杰，黃偉

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

云南水電富集區(qū)電力送出動態(tài)穩(wěn)定及防控體系

吳琛，謝一工，李玲芳，張杰，黃偉

(云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011)

云南省大規(guī)模的水電每年通過±800 kV直流和500 kV交流輸電線路向廣東省遠距離輸送，云南相當規(guī)模的小水電群，通過35 kV、110 kV低電壓等級線路逐級、遠距離向主網(wǎng)外送電力。在這樣的長距離、大功率的輸電模式下，動態(tài)穩(wěn)定性較差。自2003年以來云南發(fā)生了多次低頻振蕩，其強相關機組既涉及大水電機群，又涉及各小水電富集地區(qū)的小電機群。云南電網(wǎng)致力于機網(wǎng)協(xié)調(diào)、在線監(jiān)測、振蕩源辨識和定位、振蕩解列等技術研究，建立了基于三道防線的動態(tài)穩(wěn)定綜合預防和控制體系，切實提高了電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性，最大限度增送了云南西部水電，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

動態(tài)穩(wěn)定；低頻振蕩；機網(wǎng)協(xié)調(diào)；在線監(jiān)測；振蕩解列；綜合防控

0 前言

截止2013年末，云南全口徑水電裝機已達占4 410萬千瓦，約占可開發(fā)量的60%，占全省總裝機容量的73%。其中80%在金沙江、瀾滄江，除此之外滇西部德宏州、怒江州，南部文山州小水電裝機達到或超過了1 000 MW，滇西南部的臨滄市、保山市，滇南部紅河州小水電裝機容量也都超過了500 MW。上述各州 (市)小水電除了能滿足本地區(qū)用電需求外，在來水豐富的汛期6～9月份還需要通過電網(wǎng)將富余水電送到昆明、曲靖等負荷中心，參與全省電力電量平衡。在滿足省內(nèi)用電需求的基礎上，云南豐富的水電資源向廣東輸送，送電規(guī)模越來越大，2013年云電送粵實際最大電力達1 278萬千瓦，年輸送電量超過600億千瓦，預計 “十三五”送電規(guī)模還將繼續(xù)增大。

這樣的聯(lián)網(wǎng)模式和外送格局下的動態(tài)穩(wěn)定問題十分突出，如果不采取適當措施，很容易引發(fā)低頻振蕩，2003年南網(wǎng)羅馬線、天廣、廣東至香港聯(lián)絡線均發(fā)生過多次低頻振蕩，2006～2008年，云南西部電網(wǎng)、南部文山電網(wǎng)發(fā)生過多次弱阻尼低頻振蕩事件，均引發(fā)了南方電網(wǎng)范圍的低頻振蕩，進一步凸顯出云南大量小水電群的規(guī)模效應給電網(wǎng)安全和電力供應帶來了風險，動態(tài)穩(wěn)定性問題成為制約南方電網(wǎng)主網(wǎng)和云南電網(wǎng)內(nèi)各地區(qū)網(wǎng)安全及送電極限的主導因素。

為有效防止水電富集地區(qū)低頻振蕩給電網(wǎng)帶來災難性的后果，近年來云南電網(wǎng)開展了機網(wǎng)協(xié)調(diào)、低頻振蕩在線監(jiān)測、振蕩源辨識和定位等技術研究，建立并形成基于三道防線的動態(tài)穩(wěn)定綜合防控體系和控制系統(tǒng)，在保障電網(wǎng)運行安全的前提下，最大限度減少水電汛期窩電。

1 電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性問題簡述

動態(tài)穩(wěn)定[1]是指電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長過程的運行穩(wěn)定性的能力。按照動態(tài)電力系統(tǒng)的相關理論研究[2-3]，對一個互聯(lián)系統(tǒng)來說，有N臺發(fā)電機的電力系統(tǒng) (包括互聯(lián)電力系統(tǒng))，有N-1個機電振蕩模式，歸納其特點可分為2類[4]：一類主要表現(xiàn)為1臺 (或1個發(fā)電廠的)發(fā)電機對系統(tǒng)中其它發(fā)電機的振蕩，或主要表現(xiàn)為1臺 (或1個發(fā)電廠的)發(fā)電機相對另外少數(shù)幾臺發(fā)電機的振蕩，稱之為地區(qū)性振蕩模式 (local mode)，頻率一般在0.5～2.0 Hz之間；另一類主要表現(xiàn)為一個區(qū)域內(nèi)的某發(fā)電機群相對另一個區(qū)域內(nèi)的某發(fā)電機群的振蕩，或表現(xiàn)為一個區(qū)域內(nèi)的所有發(fā)電機相對另一個區(qū)域內(nèi)的所有發(fā)電機間的振蕩，稱之為區(qū)域間振蕩模式或聯(lián)絡線振蕩模式 (inter-area mode or tie-line mode)，頻率一般在0.1～1.0 Hz之間。

從電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，只有系統(tǒng)中所有的機電振蕩模式都穩(wěn)定，系統(tǒng)才是動態(tài)穩(wěn)定的。判定一個振蕩模式穩(wěn)定性的判據(jù)是它的阻尼比，一個振蕩模式的阻尼比為正時，它是穩(wěn)定的，阻尼比為負時，它是不穩(wěn)定的，阻尼比為0時，它是臨界的。對于電力系統(tǒng)而言，當一個振蕩模式的阻尼比接近0的正數(shù)時 (目前南方電網(wǎng)采用值為小于0.03)，稱為弱阻尼或極弱阻尼。隨著跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)工程的實施，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的弱阻尼動態(tài)穩(wěn)定問題越來越突出，表現(xiàn)為聯(lián)絡線功率低頻振蕩。

對于低頻振蕩的機理存在多種解釋，其中之一是1969年Demello提出的負阻尼機理[5]，即采用考慮發(fā)電機暫態(tài)電勢E′q變化的飛利普斯-海佛容 (Phillips-Heffrom)模型 (單機—無限大母線系統(tǒng))分析電力系統(tǒng)低頻振蕩發(fā)生的原因。簡單來講，發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生一種電磁力矩，該力矩可以被分解成阻尼力矩分量和同步力矩分量，與發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化同方向的分量是正阻尼力矩分量，與發(fā)電機組轉(zhuǎn)速變化反方向的分量是負阻尼力矩分量；與發(fā)電機組功角變化同方向的分量是正同步力矩分量，與發(fā)電機組功角變化反方向的分量是負同步力矩分量；在一定的電力系統(tǒng)運行條件下 (例如遠距離、重負荷等)，自動電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的阻尼力矩分量與轉(zhuǎn)速變化反方向，因而是負阻尼力矩分量；當自動電壓調(diào)節(jié)器的負阻尼分量超過發(fā)電機的固有正阻尼分量時，就會發(fā)生低頻振蕩。

電力系統(tǒng)除了負阻尼機理的低頻振蕩外，還存在強迫性振蕩[6-7]，持續(xù)周期性擾動引起的強迫性低頻振蕩由于其產(chǎn)生原因多樣、傳播迅速、擴散范圍廣，在其振蕩頻率模式與電網(wǎng)振蕩頻率模式相近時，其共振特性也可能產(chǎn)生較大倍數(shù)的功率放大特點，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定的潛在威脅。

2 云南電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性特點

云南的動穩(wěn)問題主要特點為：長距離、弱聯(lián)系的輸電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下，存在若干與快速勵磁系統(tǒng)有關的復雜負阻尼或弱阻尼區(qū)域間振蕩模式或地區(qū)振蕩模式，既涉及大水電，又涉及各小水電富集地區(qū)機群，正常工況下易發(fā)生低頻增幅振蕩，且由于這些弱阻尼模式的振蕩頻率比較接近，相互間還存在誘發(fā)共振的可能性。2003年以來，云南發(fā)生了多次動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，表現(xiàn)為外送聯(lián)絡線功率低頻振蕩。

2.1 云南低頻振蕩實例

從實例可以看出，某一個地區(qū)振蕩模式的不穩(wěn)定可能影響局部，也有可能影響全局，而區(qū)域間振蕩模式，尤其是一個區(qū)域內(nèi)的所有發(fā)電機，相對另一個區(qū)域內(nèi)的所有發(fā)電機振蕩的區(qū)域間振蕩模式不穩(wěn)定，是影響全局的。如果振蕩得不到及時控制或平息，隨著功率振蕩幅度的增大，極端情況可能成為電網(wǎng)穩(wěn)定破壞及大面積停電的導火索。

2.2 云南電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的客觀條件

1)云南電網(wǎng)是大規(guī)模、長距離輸電網(wǎng)絡的送端。云南水電占總裝機的73%，由于水電站分布受地理因素限制，一般都分布在河流落差大的峽谷地段，遠離城市負荷中心。大規(guī)模的水電從云南最偏遠的西部，向東穿越整個云南省近千公里，再通過交直流輸電線路大功率、長距離向廣東輸送，兩省間東西跨度2 000公里。目前的水電已開發(fā)量約占可開發(fā)量的60%，隨著后續(xù)水電的繼續(xù)開發(fā)，云南作為南方電網(wǎng)的送端，廣東作為南方電網(wǎng)的受端的長距離輸電的格局將長期存在，且送電需求大，主要送電通道潮流重。

2)云南大規(guī)模水電機組的勵磁系統(tǒng)均為自并勵快速勵磁系統(tǒng)。由于快速勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)的增加，產(chǎn)生的負阻尼作用，在這樣的大功率、長距離的輸電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和送電模式下，容易發(fā)生低頻振蕩。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化和送受兩端電網(wǎng)規(guī)模的增大，近年來云南與廣東、云南與貴州的低頻振蕩的頻率均呈逐年降低的趨勢。云南內(nèi)部若干阻尼較弱的地區(qū)振蕩頻率 (振蕩頻率為0.54～1.23 Hz左右)相對變化不大，這些地區(qū)振蕩模式與小水電集中的地區(qū)電網(wǎng)強相關，為防范低頻振蕩對電網(wǎng)的危害，云南電網(wǎng)采取了一系列有效綜合防控措施。

3 提高動態(tài)穩(wěn)定性的綜合防控體系

3.1 降低關鍵斷面送電潮流

如前所述，各區(qū)域間聯(lián)絡線有功潮流、互聯(lián)的各區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與有功潮流的大小和方向?qū)ψ枘岬挠绊懘?，通過電網(wǎng)頻域和時域動態(tài)穩(wěn)定分析，掌握主要送電通道聯(lián)絡線潮流變化對電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響，運行中降低其有功潮流，控制在某一值以內(nèi)，是保障電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定運行的重要措施。

這一措施具有抑制低頻振蕩見效快的特點，在電網(wǎng)運行中普遍應用，特別是發(fā)現(xiàn)某一聯(lián)絡線發(fā)生低頻振蕩，調(diào)度控制的首要措施就是降低該線路的潮流。但此措施的缺點也顯而易見，長期降低線路功率必然導致電廠窩電、電網(wǎng)送電通道輕載，設備利用率低。

3.2 在發(fā)電機上配置PSS[8]

由于快速勵磁的負阻尼作用是影響區(qū)域間、地區(qū)間振蕩模式阻尼最重要的因素，通過電網(wǎng)小擾動頻域分析，掌握電網(wǎng)弱阻尼振蕩模式及其強相關發(fā)電機，在這些發(fā)電機上配置PSS并合理選擇其參數(shù)，使PSS提供的正阻尼能等于或大于電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的負阻尼，是消除產(chǎn)生負阻尼振蕩模式負阻尼的根本措施。

這一措施對于同時提高前述2類機電振蕩模式的穩(wěn)定性具有非常好的效果，特別是發(fā)電機組已普遍使用微機型勵磁調(diào)節(jié)器的情況下，PSS的功能是由軟件實現(xiàn)的，可以做到發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器在投入運行時，PSS也同時在投入運行狀態(tài)，使用效率高。

由于云南電網(wǎng)區(qū)域間振蕩模式和地區(qū)振蕩模式復雜，涉及的強相關機組非常多，對云南電網(wǎng)而言，不是一臺或幾臺機組配置PSS就能解決問題，需要在大量機組上都配置PSS。相應的，云南電網(wǎng)采用由點及面、由大電到小電的策略，持續(xù)完善機組的PSS功能。首先在與云廣、云貴區(qū)域間振蕩模式強相關的漫灣、大朝山等大型發(fā)電機上配置并投運了PSS，然后集中對與地區(qū)電網(wǎng)弱阻尼振蕩模式強相關的總裝機容量25 MW及以上發(fā)電廠機組配置并投運了PSS，并要求所有新投產(chǎn)的機組均配置 PSS，在商業(yè)化運行前完成PSS功能試驗，具備PSS功能并隨機組投運。截止2013年，云南電網(wǎng)內(nèi)110 kV及以上所有水電和火電機組共366臺 (容量41 523.2 MW)均經(jīng)PSS功能試驗后隨機組運行而投運，并嚴格執(zhí)行PSS功能退出則機組退運的管理要求，其中水電占比為70%。

3.3 構(gòu)建低頻振蕩安全預警及輔助決策系統(tǒng)

云南電網(wǎng)低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng) (WAMS)實時同步測量電網(wǎng)的狀態(tài)信息 (100幀/秒)，并通過光纖將數(shù)據(jù)匯集到云南中調(diào)主站，根據(jù)PMU實測的反映電網(wǎng)動態(tài)過程的發(fā)電機相對功角、線路功率和母線電壓相角等信息，基于EEAC理論[9-10]，利用Prony等算法，識別振蕩模式和振蕩模型強相關機組，計算機組參與因子，辨識振蕩主體及振蕩中心的大致區(qū)域，并提供調(diào)度員快速處理的輔助決策措施，達到對低頻振蕩的準實時控制的目的，實現(xiàn)低頻振蕩安全預警、在線分析和輔助決策。

3.4 構(gòu)建廣域閉環(huán)振蕩解列控制系統(tǒng)

雖然云南電網(wǎng)已十分重視機組PSS試驗和WAMS在線監(jiān)測工作，但云南電網(wǎng)動態(tài)還存在以下安全隱患：

1)云南小電眾多，目前大約有1 550多座電站、3 300多臺機組，裝機容量約8 600 MW，分布在云南16個地區(qū)的125個縣市，云南局部地區(qū)電網(wǎng)汛期向主網(wǎng)送電需求大，但地、縣調(diào)層面對動穩(wěn)問題的認知能力還有待提高，潮流調(diào)控不當存在弱阻尼模式的風險仍然存在；

2)南方電網(wǎng)近年來還發(fā)生過多起強迫性振蕩[7]，云南小電普遍設備簡陋、運行水平不高，因勵磁等系統(tǒng)異常引發(fā)強迫式機組功率振蕩的風險較大，且與地區(qū)弱阻尼振蕩模式共存，影響電網(wǎng)的運行安全；對于強迫振蕩引發(fā)的低頻振蕩最有效的處理措施是迅速找到并切除擾動源；

3)受制于通信條件和數(shù)據(jù)量巨大等問題的制約，WAMS在線監(jiān)測系統(tǒng)的PMU布點還無法延伸到110 kV電壓等級，一旦發(fā)生低頻振蕩，WAMS系統(tǒng)提供給調(diào)度員的輔助決策措施的針對性有局限，且人為干預開環(huán)控制時間長。

從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的角度，還應布置一道安全穩(wěn)定控制防線，在電網(wǎng)發(fā)生振蕩時，在造成大范圍的危害前，自動快速切除振蕩源，實現(xiàn)振蕩源與電網(wǎng)的隔離，消除低頻振蕩帶來的危害。

圖1 云南振蕩解列閉環(huán)控制系統(tǒng)配置示意圖

云南振蕩解列閉環(huán)控制系統(tǒng)由1個主站 (滇西電源外送通道匯集點)、2個PMU監(jiān)測站 (主網(wǎng)及云電外送通道主要匯集點)、4個執(zhí)行站 (滇西部六地州地區(qū)中小水電外送分支匯集點)組成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，研發(fā)了基于廣域信息的振蕩穩(wěn)定控制裝置[11]，系統(tǒng)配置示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)的控制策略為：應用基于主導振蕩模式追蹤的多電壓等級電網(wǎng)低頻振蕩源定位技術[12-13]，當發(fā)生云南西部地區(qū)原因引發(fā)的低頻振蕩時，在對電網(wǎng)造成大范圍的危害前，采取針對性穩(wěn)控措施主動切除振蕩源，實現(xiàn)振蕩源與電網(wǎng)的隔離，消除低頻振蕩危害。

4 結(jié)束語

基于機網(wǎng)協(xié)調(diào)、在線監(jiān)測和安全預警、振蕩解列閉環(huán)控制的三道防線，形成了云南電網(wǎng)防范動穩(wěn)問題的綜合體系。這些提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的綜合治理措施在云南電網(wǎng)的成功應用，取得了顯著效果。

[1] DL 755-2001.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則 [S].2001.

[2] 倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] KUNDURP，Power system stability and control[M]，NewYork，NY，USA：McGraw-Hill Inc，1994.

[4] 朱方，趙紅光，劉增煌，等.大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響 [J].中國電機工程學報，2007，27 (1)：1-7.

[5] DEMELLO F，Concepts of synchronous machine stability as affected by excitation control[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1969(04).

[6] 楊東俊，丁堅勇，周宏，等.基于WAMS量測數(shù)據(jù)的低頻振蕩機理分析 [J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(23)：24-28.

[7] 蘇寅生.南方電網(wǎng)近年來的功率振蕩事件分析 [J].南方電網(wǎng)技術，2013，7(1)：54-57.

[8] 方思立，朱方.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應用 [M].北京：中國電力出版社，1996.

[9] 薛禹勝，郝思鵬，劉俊勇.關于低頻振蕩分析方法的評述[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(3)：1-8.

[10] 郝思鵬，薛禹勝，張曉明，等.基于EEAC理論分析低頻振蕩 [J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(4)：11-15.

[11] 任祖怡，白楊，竇乘國，等.基于波形檢測原理的低頻振蕩監(jiān)控裝置 [J].電力設備，2008，9(8).

[12] 黃偉，李文云，吳小辰，等.基于廣域量測的云南小水電群振蕩解列原理及判據(jù) [J].南方電網(wǎng)技術，2010，4 (21)：99-103.

[13] 黃偉，李文云，韓偉強，等.云南小水電群振蕩解列系統(tǒng)實時仿真試驗分析 [J].電網(wǎng)技術，2010，34 Supplement2：199-201.

Research on the Dynamic Stability of Rich Hydropower Region in Yunnan Power Systems and the Corresponding Comprehensive Preventive-Control System

WU Chen，XIE Yigong，LI Lingfang，ZHANG Jie，HUANG Wei
(Yunnan Power Dispatching and Control Center，Kunming 650011，China)

Every year，a large amount of hydropower is transmission from Yunnan to Guangdong through±800 kV DC and 500 kV AC.Meanwhile，many small-scale hydropower plants also provide electrical power service to the loads far away from them through 35 kV and 110 kV power grids.In such a long distance，large power transmission mode，the dynamic stability is poorer.Since 2003，several low-frequency oscillations have been detected in Yunnan，and the Strong correlation factors involve large hydropower groups and small hydropowergroups.We studied the technical measures such as generator-grid coordination，on-line monitoring，identification and location of oscillation sources and power system islanding，And nowa comprehensive prevention and control system based on the“three defensive lines”had been building.With the improvement of dynamic stability，the transmission of hydropower increased well also.It’s good to the social and economic benefits.

dynamic stability；low-frequency oscillations；generator-grid coordination；on-line monitoring；oscillation islanding；comprehensiveprevention and control

TM74

B

1006-7345(2014)06-0022-04

2014-05-20

吳琛 (1974)，女，碩士，高級工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制和電網(wǎng)調(diào)度運行研究工作 (email)elfwu＠21cn.com。

謝一工 (1972)，男，碩士，高級工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制和電網(wǎng)調(diào)度運行工作。

李玲芳 (1974)，女，碩士，高級工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制和電網(wǎng)調(diào)度運行。