李静宇 周明

摘 要： 针对采用柔性直流方法评估含特/超高压直流的弱送端电网安全无法抵抗系统潮流转移以及系统功能失衡的动态波动问题，安全稳定评估性能差，提出基于弹性映射的弱送端电网安全品质评估方法。设计了含特/超高压直流的弱送端电网三道防线安全稳定控制流程，分析弱送端电网弹性力学空间映射、弱送端电网交流支路映射模型以及交流支路的映射弹性势能的内容，将弱送端电网当成一条“源?网?荷”弹性支路，将广义弹性系数作为弱送端电网安全性能快速量化评估判据，管理人员对广义弹性系数曲线实施检测，则可完成弱送端电网安全状态的在线评估。实验结果说明，所提方法能够实现弱送端电网安全品质的准确评估，确保电网的稳定运行。

关键词： 含特/超高压直流； 弱送端； 电网安全品质； 广义弹性系数； 评价； 评估性能

中图分类号： TN915.853?34； TM721 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0095?05

Research on safety quality evaluation of weak transmission terminal

power grid with EHV/UHV direct current

LI Jingyu， ZHOU Ming

（State Key Laboratory of New Energy Power System， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The flexible DC evaluation method is usually used to evaluate the safety of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current， which can′t resist the dynamic fluctuation of system power flow transfer and system function imbalance， and has poor performance for safe and stable evaluation. Therefore， the elastic mapping based safety quality evaluation method of weak transmission terminal power grid is proposed. The three lines of defense safe and stable control process of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current was designed. The elastic mechanics space mapping and AC branch mapping model of the weak transmission terminal power grid， and mapping elastic potential energy of the AC branch are analyzed. The weak transmission terminal power grid is deemed as the source?grid?load elasticity branch， and the generalized elastic coefficient is taken as the fast quantitative evaluation criterion of weak terminal power grid safety performance， so the management personnel can detect the generalized elastic coefficient curve， and complete the security state on?line assessment of weak transmission terminal power grid. The experimental results show that the proposed method can accurately evaluate the security quality of the weak transmission terminal power grid， and ensure the stable operation of the power grid.

Keywords： EHV/UHV direct current； weak transmission terminal； power grid safety quality； generalized elastic coefficient； evaluation； evaluation performance

0 引 言

由于我國大规模交直流互联电力系统不断发展，产生了较多的大规模能源送端电网。为了满足能源转移的需求，直流输电工程电压以及输送容量逐渐提升，输送距离不断增加，对直流送、受端系统以及互联电网的干扰不断提升 [1]。含特/超高压直流的弱送端电网向受端电网传达大功率电能过程中对本地区电网产生电力服务，弱送端电网安全性对总体电力系统具有重要影响作用。以往常采用柔性直流方法评估含特/超高压直流的弱送端电网安全，但该方法无法抵抗系统潮流转移以及系统功能失衡的动态波动问题，不能对弱送端电网的电压情况进行准确分析，安全稳定评估性能差[2]。因此，本文提出基于弹性映射的弱送端电网安全品质评估方法，提高电网安全评估质量，确保复杂电网的顺利运行。

1 弱送端电网稳定控制阶段过程设计

含特/超高压直流的弱送端电网三道防线同安全稳定控制的关系，在控制时为了完成紧急控制可使用电源端以及负荷端的控制措施。本文基于交直流送端电网，如果出现直流闭锁故障时外送功率受到阻碍，则在输电区域通过多个厂站安控装置组成稳定的控制系统，完成电源端采取切机的稳定控制[3]，设计的弱送端电网稳定控制过程图用图1描述。

2 基于弹性映射的弱送端电网安全品质评估方法

对含特/超高压直流的弱送端电网进行三道防线的安全稳定控制后，采用基于弹性映射的弱送端电网安全品质评估方法分析弱送端电网静态安全性，确保电网的顺利运行。

2.1 基于弹性映射的含特/超高压直流的弱送端电网等值

2.1.1 弱送端电网弹性力学空间映射

含特/超高压直流的弱送端电网线路中有用功[PL]传递能量导致节点两端出现差别[δij]，类似于向弹簧施加压力[F]，产生形变[x]。因此弱送端电网支路功角特征可以模仿弹簧形变的过程，该映射过程可表示为：

[F?PLx?δij] （1）

将弱送端电网等效成纵向受力的弹性网络，既保留电网的拓扑结构又突出了电网的功角特征[4]。

2.1.2 弱送端电网交流支路映射模型

忽略弱送端电网中的电阻，将支路两端节点设为[i]，[j]，两端节点电压为[Ui]，[Ui]存在相角差，电网中电抗用[XL]表示，该支路的有用功为：

[PL=UiUjXLsinδij] （2）

当有用功发生变化时，其1阶增量方程表示为：

[ΔPL=UiUjXLcosδijΔδij+UjXLsinδijΔUi+UiXLsinδijΔUj] （3）

弱送端电网的弹性系数[KL]表示为：

[KL=ΔPLΔδij] （4）

即：

[KL=UiUjXLcosδij+UjΔUi+UiΔUjδijXLsinδij] （5）

根据上述公式计算出弱送端电网支路中电网两端的相位角和支路的弹性系数。

2.1.3 弱送端电网支路的映射弹性势能

弹性势能的表达式为：

[EL=Fdx] （6）

根据映射作用，电网中支路的弹性势能与弹簧的弹性势能可以类比[5]，得到弱送端电网支路L的弹性势能：

[EL=PLdδij] （7）

将式（2）代入式（7）中得出：

[EL=PLtanδij2] （8）

又因为弱送端电网线路和弹簧的弹性系数也存在映射关系，则线路[L]的映射弹性系数为：

[KL=dPLdδij] （9）

对式（2）进行变换，可得到：

[PL=KLtanδij] （10）

若[δij]的值非常小，也可将弱送端电网支路映射弹性势能表示为：

[EL=P2L2KL] （11）

弱送端电网支路传输的全部能量为：

[Wij=Im（IijdUij）=ImPL+jQLUijjejδij（ejδijdUij+jUijejδijdδij）=ImPLUijdUij-QLdδij+jPLdδij+QLUijdUij=PLδij+QLUijdUij]

式中：[Wij]用于描述该弱送端电网传输能量总和；[Iij]为该支路的电流；[Uij]为节点两端的电压差；[Uij]和[δij]为弱送端电网支路两端的电压差幅值和相角。

假设弱送端电网中有用功在输送过程中没有损失[6]，对式（12）进行简化，可得：

[Wij=Im（IijdUij）=PLδij+QLUijdUij=PLδij] （13）

对于方向相同的支路，弱送端电网中输出的总弹性势能为：

[ELΣ=i=1nPtopitanθtopi2-j=1nPbotjtanθbotj2] （14）

式中：[Ptopi]和[θtopi]分别表示弱送端電网中对应节点的有功和相位；[Pbotj]和[θbotj]分别表示负荷母线对应的有功负荷和相位。

2.2 弱送端电网等值模型和安全品质判断依据

2.2.1 弱送端电网等值模型

将所有发电机的顶点视作顶端节点，将含特/超高压直流的弱送端网络视为弹性网络，因为弹性网络中每条支路中都受到一个纵向的作用力，用“源”表示弱送端电网中的发电机，“网”表示电网线路，“荷”表示电网中所有负荷节点。因此也将含特/超高压直流的弱电网络等同为“源?网?荷”模型[7]。

根据广域测量系统能够求出导入节点的功率和相位角，由式（14）计算出大电网映射的总弹性势能：

[ELΣ=2arctanELΣPLΣbot] （15）

再利用式（8）求出含特/高压直流的弱送端电网的等效电网相位差：

[δeq=2arctanELΣPLΣbot] （16）

与式（4）进行类比，得到等效弱送端电网的静态安全广义弹性系数：

[Kbs=ΔPbotΔδeq] （17）

2.2.2 弱送端电网安全品质评价

弹性系统的稳定性是相对平衡状态来定义的，若某时刻的平衡状态发生小幅度变化时，弹性系统能自动恢复到原来的状态，平衡状态变化较大，弹性系统则不会恢复到原来的状态[8]。只要弱送端电网支路弹簧的弹性系数大于零，说明该弱送端电网处于安全运行模式。若该弱送端电网中的每条支路都处于安全运行模式，则说明该电网是安全的。

因此可以得出含特/超高压直流的弱送端电网静态安全的评判标准：弱送端电网受到小幅度干扰后，不存在动态的失衡问题。弱送端电网的静态安全评价与弹力系统的静态安全评价类似，由此，將弱送端电网映射到弹力系统，将各支路当作弹簧支路，证明弹簧支路大于零，就能得出弱送端电网中支路的稳定安全状态[9]。

[Kbs]可以等效为电网中支路的弹性系数，由上文分析得到弱送端电网静态安全功角的稳定判断依据为：

[Kbs=ΔPLΔδeq=1XL（UiUjcosδij+ΔUjUiΔδijsinδij）>0] （18）

综上所述，含特/超高压直流的弱送端电网的等效支路“源?网?荷”的静态安全评价流程，如图2所示。

3 实验分析

3.1 某地区电网中的应用分析

实验以某地区为实例，采用本文提出的基于弹性映射的弱送端电网安全品质进行仿真实验，该地区存在210台发电机、1 300个节点，其中600个负荷节点，1 780条支路，支路中等效电网总的势能为[ELΣ]（单位：pu），相位差为[δeq]，广义弹性系数[Kbs]均可由本文方法的公式计算得出。该地区电网的基本信息用表1描述。

实验将BPA作为仿真平台，采用本文方法分析该区域弱送端电网的安全品质，该区域全网机组响应方式设置提升步长是0.243。多台发电机通过提升原始功率输出自身负荷比例[10]，对该地区弱送端电网中各节点等效参数实施跟踪，获取本文方法的运算结果，用表2描述。

为了更好地表达出弹性系数曲线随负荷提升而形成的波动趋势，实验获取该地区的等效电网广义弹性系数曲线，如图3所示。分析图中的[Kbs]，通过该曲线的波动趋势完成该地区弱送端电网安全性的准确检测。分析图3可得，随着该地区电网负荷的逐渐增加，等效电网广义弹性系数曲线[Kbs]逐渐降低直至为0，该情况达到电压崩溃点，说明该地区弱送端电网处于静态安全的状态下，广义弹性系数始终高于0，如果电网处于稳定极限时，广义弹性系数会靠近0，说明采用本文方法评估弱电端电网安全品质是可行的。

3.2 呼辽直流安全稳定分析

实验采用本文方法对呼辽直流安全稳定进行分析，在含特/超高压直流运行状态下，伊敏电厂一、二期工程 500 kV母线同伊敏三期母线相联，呼辽直流弱送端电网的电力向辽宁电网以及主网输送。实验检测的中直流弱送端电网呼辽直流双极的运行功率是3 000 MW。实验检测伊冯[N?2]故障以及伊换[N?2]故障发生时本文方法控制下电网运行的稳定情况。

3.2.1 伊冯[N?2]故障分析

当伊冯双回线路外送功率为2 100 MW时，实验检测获取伊冯线发生[N?2]故障后，联切伊敏一、二期4台机组，在本文方法的控制下，弱送端电网孤岛系统可保持稳定，频率偏差合格，如图4所示。

3.2.2 伊换[N?2]故障分析

当伊敏三期至换流站双回线潮流功率是800 MW，伊冯断面外送功率为2 500 MW时，实验检测当伊换线产生[N?2]故障后，通过本文方法实施安全控制后，可确保送端孤岛系统的稳定性，使得直流负极功率以及正极功率波动保持稳定，如图5所示。

4 结 论

本文提出基于弹性映射的弱送端电网安全品质评估方法，将弱送端电网看成一条“源?网?荷”弹性支路，管理人员对弱送端电网广义弹性系数曲线实施检测，实现电网安全状态的在线评估。

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