CN109713689A - 一种次同步振荡监测控制系统 - Google Patents

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肖仕武
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Abstract

本发明提出了一种次同步振荡监测控制系统。它由监测控制装置、同步相量测量单元(PMU)和监测分析主站三部分构成。监测控制装置通过功率轨迹跟踪的辨识技术，快速准确地识别次同步振荡工况。同时结合火电机组的模态频率特征，以分轮分级的控制策略，在火电机组扭振保护动作前快速平息电网次同步振荡。

Description

一种次同步振荡监测控制系统
技术领域
本发明设计了一种次同步振荡监测控制系统，具体涉及次同步振荡的监测领域。通过功率轨迹跟踪的次同步振荡辨识技术，结合火电机组的模态频率特征，采用分轮分级的控制策略，可有效平息区域电网的次同步振荡。
背景技术
次同步振荡属于系统的振荡失稳，它是由电力系统中一种特殊的机电耦合作用引起的，其最大的危害是，严重的机电耦合作用可能直接导致大型汽轮发电机组转子轴系的严重破坏，造成重大事故，危及电力系统的安全运行。近年来国家电网大规模新能源电源并网与直流送出工程的推进，导致大量电力电子装备应用，在电网中可能会引入间谐波，进一步引起次同步振荡，严重危害电力系统安全。尤其是风力发电系统的结构、并网方式与传统火力发电机组相比均有本质的区别，而且风电场群又是由多种类型风电机组构成，导致大规模风电基地外送的次同步振荡问题变得十分复杂。
当前国内对于大规模新能源区域发生次同步振荡的监测、控制手段还不高，主要体现在：1)同步相量测量单元(PMU)上送广域测量系统(WAMS)的电流、电压等电气量为相量数据，并且上送数据的频率较低(通常小于50Hz)，不满足次同步振荡分析的数据要求。2)基于嵌入式装置的辨识次同步振荡技术仍然缺乏深入研究。比如将次同步振荡与低频振荡同等对待。曾有文章写过没有研究间谐波电流次同步分量和超同步分量并存的计算方法和效果。3)缺乏平息电网次同步振荡的控制策略，仅在火电机组有扭振保护一道防线。一旦次同步振荡造成扭振保护动作后，火电机组被迫停机，将给地区供电的可靠性带来不利影响。规模新能源区域发生次同步振荡的机理仍在探索中，需要历次振荡过程中整个电网的数据来提供支撑。现有的WAMS还不能提供这些数据，也不能进行分析和展示，无法直观地评估次同步振荡的影响范围。
发明内容
当前国内对于大规模新能源区域发生次同步振荡的监测、控制手段还不高，基于上述原因，本发明研究了一种次同步振荡监测控制系统，一方面能及时采取安全有效的控制措施，有效平息该区域的次同步振荡，避免振荡对交、直流电网设备产生不利影响；另一方面能对电网的次同步振荡现象进行准确地监测、分析，直观地展示次同步振荡的传播范围及发展过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所发明的次同步振荡监测控制系统，由监测控制装置、同步相量测量单元(PMU)和监测分析主站三部分构成。监测控制装置通过功率轨迹跟踪的辨识技术，快速准确地识别次同步振荡工况。同时结合火电机组的模态频率特征，以分轮分级的控制策略，在火电机组扭振保护动作前快速平息电网次同步振荡。
本发明的有益效果是，由于次同步振荡监测控制系统，是治理措施中的第二道防线，通过功率轨迹跟踪的次同步振荡辨识技术，结合火电机组的模态频率特征，采用分轮分级的控制策略，可有效平息区域电网的次同步振荡。同时，本系统满足了次同步振荡事故全景分析的需求，实现了全网次同步振荡状态的自动计算和直观展示，提高了次同步振荡事故分析的效率，也丰富了次同步振荡产生及传播机理的研究手段。
附图说明
图1为监测控制系统的架构。
图2为次同步振荡后功率的变化轨迹。
图3为典型风电汇集区域的电网结构图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。
S1:监测控制系统的架构
设计的次同步振荡监测控制系统架构如图1所示，由以下三部分组成：
1)监测控制装置；
2)同步相量测量单元(PMU)；
3)监测分析主站。
监测控制装置完成次同步振荡的辨识及控制功能。当电力系统发生次同步振荡时，监测控制装置采用灵敏、可靠的次同步振荡辨识方法及有效的控制策略，发出告警或者采取解列、切机等控制措施，平息次同步振荡事故。从大规模新能源电网历次的次同步振荡事件看，风电、光伏等新能源站点并网线路的间谐波含量很大，造成次同步振荡的可能性最大，因此建议优先在这些站点部署监测控制装置。
同步相量测量单元负责实时记录电网各厂站各间隔的电流、电压采样值，长时间连续保存各监视支路的采样数据，实时记录次同步振荡事件发展的每个过程。同时接收监测分析主站的召唤命令，及时上送监测分析主站计算、分析所需的连续录波数据。由于PMU在电网各厂站中基本全部部署，所以可以保证观测、分析数据的完整性。
监测分析主站收到监测控制装置的告警或动作信息后，对区域电网相关的同步相量测量单元下发召唤记录数据的命令。待收到所有PMU的数据后，精确统一计算全网各支路次同步振荡的特征频率及间谐波含量，分析次同步振荡的影响范围，直观展示次同步振荡事件的发展过程。监测分析主站在整个区域电网部署一套即可。
S2:次同步振荡的辨识
要实现次同步振荡的监测控制功能，首先必须灵敏、可靠地辨识出次同步振荡特征。从次同步振荡的电气量特征发现，电流和电压都含有次同步分量和超同步分量，仅从电流中提取次同步振荡特征很难保证辨识的灵敏性，而功率代表了电流、电压综合特征，从三相总瞬时功率的变化轨迹可以准确、灵敏地判断次同步振荡是否发生，并且易于在嵌入式装置中实现。三相总瞬时功率P计算方法如下。
式中：Um、Im分别为电压、电流的幅值；θ为电压超前电流的相角。电网稳定正常运行时，各支路三相电流、三相电压以正序对称分布，三相总瞬时功率P为恒定值。但发生次同步振荡后，P不再为恒定值，通过P的变化轨迹(见图2)可以判别出次同步振荡状态，具体的辨识方法如下。
1)|P-P0|＞Pqd，P为当前瞬时值，P0为几秒前的平均功率，Pqd为次同步振荡启动门槛。
2)Pmax_k-Pmin_k＞Pdz，Pmax_k为第k个次同步振荡周期的最大功率，Pmin_k为第k个次同步振荡周期的最小功率，Pdz为辨识次同步振荡的功率振幅门槛。
3)Tmax＞Tk＞Tmin，Tmax为辨识次同步振荡的周期高门槛，Tmin为辨识次同步振荡的周期低门槛。
4)N＞Nset，Nset为辨识次同步振荡的振荡次数定值。
通过设置上述4个条件，可以准确辨识出次同步振荡的功率振幅特征，有效地将次同步振荡与系统潮流转移、短路故障、低频振荡等工况区分开，完美地保证了监测控制性能的可靠性和灵敏性。
S3:次同步振荡的控制
从目前新能源电源并网区域次同步振荡机理的研究成果看，电力电子设备是激发次同步振荡不可忽视的一个因素，但目前电网对于次同步振荡的抑制措施仍仅限于在火电机组侧安装扭振保护，这是不够的。在这些区域应该增设一道控制防线，当控制装置检测到次同步振荡后，优先切除风电、光伏等疑似振荡源，尽量避免火电机组扭振保护动作，从而保证这些区域的火电机组能正常运行。下面举例说明这道防线的控制策略。
图3为一个典型风电汇集区域的电网结构图，图中有2个风电汇集站，每个风电汇集站连接了多个风电场，两个风电汇集站通过级联与220kV变电站C相连，控制装置安装在风电汇集站A和B，具体的控制策略如下。
1)检测各风电场110kV出线、变电站间220kV级联线路的功率振幅特征。
2)计算各监视支路的功率振幅Pmax_k-Pmin_k，在各轮控制对象里分别按功率振幅的大小进行排序。
3)对控制对象进行分轮分级控制，各轮次动作时间逐渐递增，各轮次动作门槛逐渐递增，控制对象范围也逐渐变大。第一轮在风电汇集站内选择功率振幅最大的一个风电场切除。第二轮比较不同汇集站风电场的功率振幅之和，切除功率振幅大的汇集站所有风电场。第三轮切除风电汇集站A和B下属的所有风电场。如果风电场A1为振荡源，那么控制装置会在第一轮切除风电场A1；如果风电场A1～A4都为振荡源，并且每条风电场线路的振幅都不大，不满足第一轮动作条件，但满足第二轮动作条件，则切除风电场A1～A4；如果风电场A1～A4、B1～B3都为振荡源，并且每条风电场线路的振幅都不大，不满足第一轮动作条件，也不满足第二轮动作条件，但满足第三轮动作条件，则切除风电场A1～A4、B1～B3。
4)提取次同步振荡功率的特征频率信息，若次同步振荡功率的特征频率与电网火电机组的模态频率吻合时，结合低动作门槛快速动作，尽可能快速平息电网次同步振荡，避免火电机组的扭振保护动作；若判断出不吻合，则结合高动作门槛延时动作，保证动作的可靠性。
S4:次同步振荡的全景分析方案
次同步振荡机理研究中遇到一个很大的困难就是无法获知整个区域电网各测点在次同步振荡过程中的电气量状态。传统相量测量单元(PMU)的数据质量不满足次同步振荡监测分析的要求，另外传统WAMS主站不具备分析和展示功能，因而无法给调度运行人员处理次同步振荡事故分析提供强有力的技术支持。为满足次同步振荡全景分析的需求，建议同步相量测量单元和监测分析主站需要具备以下功能。
1)同步相量测量单元(建议用PMU)支持长时间的连续录波功能，每分钟按标准COMTRADE格式形成一次连续录波的波形文件，并配置大容量存储介质，保存至少72h连续录波的波形文件。录波的采样率建议在1.2kHz以上。
2)监测分析主站能够通过手动或者条件触发召唤电网所有同步相量测量单元的波形。
3)监测分析主站能够对每个测点的录波数据进行计算分析，得出该测点在次同步振荡过程中的相关特征量，包括振荡频率、幅值等。
4)监测分析主站能够图形展示各测点电流、电压间谐波的含量。
5)监测分析主站能够在电网拓扑图中展示次同步振荡的影响范围。

Claims (3)

1.一种次同步振荡监测控制系统，由监测控制装置、同步相量测量单元(PMU)和监测分析主站三部分构成，其特征是：通过功率轨迹跟踪的辨识技术，快速准确地识别次同步振荡工况，同时结合火电机组的模态频率特征，以分轮分级的控制策略，在火电机组扭振保护动作前快速平息电网次同步振荡。
2.根据权利要求1所述的一种次同步振荡监测控制系统，其特征是：通过功率轨迹跟踪的辨识技术，快速准确地识别次同步振荡工况。
3.根据权利要求1所述的一种次同步振荡监测控制系统，其特征是结合火电机组的模态频率特征，以分轮分级的控制策略，在火电机组扭振保护动作前快速平息电网次同步振荡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114285011A (zh) * 2021-12-22 2022-04-05 南京南瑞继保电气有限公司 一种多频段次/超同步振荡区域统筹切机方法及其系统

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