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研究背景 新能源大规模接入的受端电网由于本地传统发电机减少，存在无功支撑不足问题，使得电压稳定问题尤为突出。故障将直接改变电网拓扑结构，改变原电网的静态电压稳定域，进一步削弱电源对电压的支撑能力，极易造成故障引起的暂态电压失稳，甚至引发电网大停电事故，将对人民生活及社会稳定造成了严重的影响。特别地，受端电网本地新能源出力不确定，使得上述风险增加。为预防暂态电压失稳问题，需要快速定位高风险故障。 然而，一方面，现有的暂态电压稳定性分析方法主要基于数值积分/时域仿真法，存在计算量大、时空复杂度高的问题，在需要实时调控平衡的实际电网，时效性不足，难以及时定位和跟踪关键故障。 另一方面，现有的定位电网关键元件的相关研究大多基于复杂网络的小世界和无标度特性，但大多未充分考虑电力系统的物理特性，缺乏相关物理意义，难以反映电力系统的本质特征，从而难以精确辨识实际大电网的关键元件。 论文所解决的问题及意义 1、提出了一种反映节点故障对其它节点暂态电压影响程度的指标，可用于高风险关键故障点快速筛选； 2、对于线路故障点，构造了升阶矩阵计算其影响度指标，综合节点故障影响因子，形成了全网高暂态电压失稳风险关键故障点筛选方法； 3、将上述筛选方法应用于改进IEEE 39节点系统与实际受端大系统，将影响度指标与故障下电网平均最低电压及临界切除时间对比，验证了筛选方法的有效性。 研究团队提出的暂态电压影响度指标，能够较为准确地反映新能源接入的受端电网中，节点及线路发生故障对全网的暂态电压影响程度。此外，其集成的快速筛选方法对可能引起电网暂态电压失稳的高风险关键故障点筛选具有快速、有效性，后续可为系统的预防控制和安控策略的制定提供基础，可为相关高风险区域重点巡检工作提供备选方案，具有一定的工程实用性。 论文方法及创新点 1、构建母线故障对暂态电压影响的指标 正常情况下，电网电压由各发电机等效注入电流通过网络阻抗对各点进行互相耦合支撑。母线发生故障时，节点间电气联系和网络拓扑结构的改变，具体表现为节点阻抗矩阵元素值的变化，将导致系统各点处电压的相应变化。而节点在网络中的位置越关键，则其故障对电网电压的影响就越严重。通过节点故障时阻抗矩阵的变化可以反映该故障对于暂态电压的影响程度，进而评价该节点在电网中的关键性。
图1 支路追加法示意图 具体来说，k点处发生三相接地故障时，接地阻抗可视为0，借助于矩阵求逆引理，即可求得该点故障时整体系统节点阻抗矩阵各元素的变化量，如图1所示，此即支路追加法。根据支路追加法求出的总体阻抗偏移矩阵与系统中事先求出的发电机节点各机组等效注入电流相内积得FAC，即该点故障对全网的暂态电压影响程度，简称为影响度指标。 2、拓展至线路故障点对暂态电压影响的指标 鉴于特高压线路较长且母线处通常保护完备，团队注意到还需要对线路中可能的故障点进行评估。团队将线路中故障点作为等效节点，对线路中的等效节点进行需要对原阻抗矩阵进行升阶。如图2所示，反复利用正反支路追加法以增/消支路，可由原始节点阻抗矩阵Z(0)最终得到升阶的节点阻抗矩阵Z(3)。
图2 升阶矩阵的构造 对于升阶的节点阻抗矩阵，可直接将其中的点p作为母线节点，直接使用1的方法求取其影响度指标FAC。不断迭代替换点p在全网中的位置，可对任意位置进行评估。 3、高风险故障点的筛选流程与展示 研究团队结合1的基本方法和2的拓展算法，集成了基于节点阻抗的电网高暂态电压失稳风险关键故障点快速筛选流程，如图3所示：
图3 暂态电压失稳高风险故障点快速筛选流程 将标准IEEE39节点系统的32~36节点发电机替换为典型参数的双馈风机，并不断调整等效节点位置，遍历全网各线路，计算各点的影响度指标，给出节点21至节点16/22的两条线路的指标趋势图，如图4左所示，曲线均呈下凸特征；并根据计算数据得到全网指标热图渲染，如图4右所示，可以看出系统风险较高区域位于节点16附近。
图4 改进IEEE39节点系统影响度指标线路分布与全网渲染 结论 团队针对新能源接入的受端电网中某些关键节点故障将会严重影响暂态电压稳定的问题，提出将各节点发生故障时阻抗矩阵的变化情况作为节点对暂态电压影响程度的评价依据，免去了导纳阵的求逆工作，具体工作如下： 1、提出了反映母线节点故障对电网的暂态电压的影响程度的指标； 2、通过构造升阶矩阵的方法，计算得出了线路故障点对电网的暂态电压影响度指标； 3、结合以上指标，提出了高风险关键故障点的快速筛选方法。 改进IEEE 39与实际受端大电网仿真表明： 1、本方法下，输电线路故障点对电网暂态电压影响度随线路延伸呈现下凸特征，线路指标最高值取于两侧母线较高者； 2、节点影响度指标和全网平均电压一致性较好，和临界切除时间一致性一般； 3、方法计算速度快，能够准确筛选出高风险节点，但不能精确刻画电压下降的过程。
华北电力大学电气与电子工程学院电力系统保护与控制研究所薛安成教授团队长期从事模型和数据驱动的新能源电力系统在线数据修正和模型校核、新型电力系统安全稳定性分析和防控，二次设备隐患评估等研究工作。 团队提出了宽频测量电压相角，功率因素角和无功数据异常检测和修正方法，并应用于卫星攻击检测等应用；提出了基于现场PMU数据的同步发电机及其励磁和调速器、线路、变压器等电力设备参数的抗差辨识方法，有效降低了不良量测的影响；提出了一般动力系统稳定域任意阶多项式近似方法、构造了暂态稳定安全域数学表达，代表作论文被化工行业SCI期刊文章他引；揭示了新型电力系统部分宽频频率振荡的非光滑分叉数学机理；提出了继电保护时变失效率并应用于可靠性评估、检修和更换策略制订。曾获教育部自然科学和技术发明一等奖各1项，北京市教学成果一等奖1项。
杨金洲 硕士研究生，研究方向为新型电力系统动/暂态电压稳定性分析。
薛安成 教授，博士生导师，研究方向为模型和数据驱动的新型电力系统稳定性分析和安全防御、二次设备评估等。 本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“新能源接入的受端电网暂态电压失稳高风险故障快速筛选“。本课题得到国家自然科学基金的项目支持。引用本文 杨金洲, 李业成, 熊鸿韬, 孔贺, 薛安成. 新能源接入的受端电网暂态电压失稳高风险故障快速筛选[J]. 电工技术学报, 2024, 39(21): 6746-6758. Yang Jinzhou, Li Yecheng, Xiong Hongtao, Kong He, Xue Ancheng. A Fast Screening Method for the High-Risk Faults with Transient Voltage Instability in Receiving-End Power Grids Interconnected with New Energy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(21): 6746-6758. |
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