本文摘要：摘要：電力系統已呈現出加速電力電子化發展的趨勢，局部區域電壓失穩誘發鄰近電網連鎖反應的風險加劇。本文首先針對電壓穩定分析的典型系統，解析了電壓失穩過程中節點電壓幅值與相位的時空分布規律;其次，以簡化支路暫態輸電能力sBTTC定量評估指數為特征參
摘要：電力系統已呈現出加速電力電子化發展的趨勢，局部區域電壓失穩誘發鄰近電網連鎖反應的風險加劇。本文首先針對電壓穩定分析的典型系統，解析了電壓失穩過程中節點電壓幅值與相位的時空分布規律;其次，以簡化支路暫態輸電能力sBTTC定量評估指數為特征參量，研究連接于不同兩端節點的支路響應差異，在此基礎上，提出基于層次聚類的失穩區域互連支路識別和割集搜索方法，以及主動解列控制策略。最后，面向存在電壓失穩問題的交直流混聯電網實際場景，大擾動仿真結果驗證割集搜索的準確性，以及主動解列控制限制電壓失穩波及范圍和降低連鎖反應風險的有效性。
關鍵詞：廣域支路響應;電壓穩定;支路暫態輸電能力;層次聚類;主動解列
0引言
近年來，隨著風電光伏等新能源電源并網容量快速增長、特高壓直流輸電工程投運數量逐漸增加，以及電動汽車和空調等變頻負荷大量接入，電力系統呈現出顯著的電力電子化發展趨勢[12]�；陔娏﹄娮幼兞髌鞑⒕W的源網荷設備耐受電壓擾動的能力弱，若故障后局部區域電壓持續大幅低于額定運行狀態，則鄰近電網中的新能源電源將易出現低壓脫網、特高壓直流則存在因連續換相失敗而閉鎖等連鎖反應風險，進而擴大故障波及范圍威脅大電網穩定運行[36]。 電壓失穩是交直流混聯電網機電暫態范疇內種失穩形態之一，是電網電壓持續大幅低于額定運行狀態的極端表現形式[7]。多年來，與電壓穩定相關的問題始終是電力系統領域關注的熱點和重點，在已開展的研究中，從時間尺度上可劃分為靜態電壓穩定、暫態電壓穩定和中長期電壓穩定。
智能電網論文： 智能電網背景下的配電運維一體化建設分析
圍繞靜態電壓穩定，文獻[8]求解穩定域的高階表達式，并進行了詳細誤差分析;文獻[9]提出一種基于強化學習理論的靜態電壓穩定裕度評估方法;文獻[10]通過引入新型節點以及一維邊界條件，提出計算靜態電壓穩定鞍結分岔點的直接算法;文獻[11]引入圖論理論，提出一種基于電壓控制區的主導節點電壓校正方法。面向中長期電壓穩定，文獻[12]綜合分析發電機過勵磁限制器、有載調壓變壓器以及負荷功率對穩定性的影響;文獻[13]基于計及發電機動態的多端口等值網絡，導出可辨識負荷功率最大值點的電壓穩定性指標，對中長期電壓崩潰起到有效的預警作用;文獻[14]研究了考慮發電機過勵磁限制的電壓穩定特性及防御優化方法。
暫態電壓穩定具有發生、發展速度快的特點，是電壓穩定研究的重要分支，對其研究主要涉及失穩機理、評估方法和穩定控制等方面。針對失穩機理，文獻[15]基于微分代數系統穩定性研究新能源并網系統的暫態電壓穩定機理;文獻[16]明確了基于感應電動機網荷互饋特性的暫態電壓失穩機理;文獻[1718]研究具有風電等可再生能源系統的暫態電壓穩定特性以及關鍵影響參數。文獻[1920]研究常規直流、柔性直流與交流電網混聯系統的電壓穩定機理;圍繞評估方法，文獻[21]提出基于部分節點功率電流變化關系判別暫態電壓穩定性的方法;文獻[22]使用故障后各節點電壓序列信息，基于極限學習機建立自適應分層暫態電壓穩定評估體系;文獻[23]提出一種可用于二元表描述的暫態電壓穩定裕度指標。
面向穩定控制，文獻[2425]研究提升暫態電壓支撐能力的發電機與靜止無功補償器協調控制策略，以及同步調相機暫態響應性能;文獻[26]通過有功速降使直流逆變站呈現出無功源特性，進而提升受端電網暫態電壓穩定水平;文獻[2728]分別研究應對電壓失穩的緊急切負荷控制和低壓減載方案。解列控制作為電網失穩時阻斷連鎖反應的有效措施，一直以來相關研究多聚焦于功角失穩場景[29]。
電壓持續偏低易引發電力電子裝備連鎖反應進而擴大故障波及范圍、加劇故障損失，因此在電力系統電力電子化發展背景下，開展電壓失穩主動解列控制研究，具有重要的理論意義和現實需求。面向基于響應的穩定控制技術發展方向3031]，本文首先針對典型的機組—負荷功率傳輸系統，揭示電壓失穩過程中節點電壓幅值與相位時空分布規律;以簡化支路暫態輸電能力指數作為特征參量，通過廣域支路層次聚類實現了連接電壓失穩區域的支路識別及解列割集定位;在此基礎上，提出了失穩區域主動解列控制策略;針對交直流混聯電網實際場景的仿真結果，驗證了廣域支路聚類識別的準確性以及主動解列控制限制電壓失穩波及范圍和降低連鎖反應風險的有效性。
1典型系統節點電壓幅值與相位分布
1.1電壓穩定分析的典型系統模型
電壓穩定分析中連接機組與負荷的典型功率傳輸系統模型。為機組與負荷間不計電阻的支路總電抗，為量測節點位置系數取值范圍0~1，>0和>0為負荷有功與無功功率，為支路電流。此外，s2、28、8r和s3、37、7r以及s4、46、6r為連接等相鄰節點的支路段。
受端電網出現電壓失穩主要存在兩種場景，一種是有功潮流增大主導的電壓失穩，例如并聯直流輸電或交流輸電支路故障開斷，有功潮流轉移至剩余交流支路導致受端電網電壓降低直至失穩;另一種是無功需求增大主導的電壓失穩，例如短路故障沖擊后，直流逆變站和感應電動機無功需求增大、容性補償裝置受低電壓影響無功輸出減小，兩者共同作用導致受端電網電壓降低直至失穩。為此，以下將考察負荷有功和無功兩種不同主導增長模式下節點電壓幅值和相位的分布特征。
1.2節點電壓幅值與相位分布特征評述
綜合上述對應兩種典型負荷功率增長模式下的電壓失穩場景，可以看出，節點電壓幅值與相位在空間分布上具有以下兩個明顯特征。1)廣域節點電壓的幅值高低具有可劃分性。電壓趨于失穩時，網絡中節點電壓依據其幅值差異，存在遠離失穩中心的高壓區域、失穩中心周邊的低壓區域，以及兩區域交界的中壓區域，具備可分類劃分特征。2)相鄰節點電壓的相位偏差呈現近一致性。功角失穩過程中存在相鄰節點的電壓相位偏差趨于無界的特征，與此不同，電壓失穩過程中相鄰節點的相位偏差相當且均較小，尤其在無功需求增長導致的電壓失穩場景中。節點電壓存在的上述兩個空間分布特征，使得基于響應信息將連接于不同兩端節點的支路進行聚類區分成為可能。
2基于響應的sBTTC指數及支路特征
2.1簡化支路暫態輸電能力指數及其變化趨勢
電壓失穩過程中，空間位置不同的節點其電壓幅值存在顯著差異，受此影響，連接于不同兩端節點的支路其響應特征也將存在區別。以廣域量測系統(wideareameasurementsystem，WAMS)測得的節點電壓幅值與相位的受擾響應為信息源，文獻[33]定義了一種支路暫態輸電能力指數，在此基礎上，不考慮通常恒定的支路導納影響，則支路簡化支路暫態輸電能力(simplifiedbranchtransienttransmissioncapability，sBTTC)指數如式(8)所示。
2.2復雜互連大電網支路特征分析
復雜大電網電壓能否維持穩定，取決于動態無功的綜合最大供給能力能否滿足綜合需求。當電網遭受大擾動或狀態持續惡化導致運行電壓降低偏離額定運行值時，受靜止電容器補償無功和輸電線路充電無功減少，以及過勵磁導致發電機強勵退出等因素影響，電網動態無功的綜合最大供給能力sAmax呈連續或階躍式減小，與此同時，受感應電動機、直流逆變站等動態元件的無功電壓正反饋作用機制影響，動態無功的綜合需求dA快速增大。
最大供給與需求之間的差值即無功裕度下降，當越過臨界電壓cA后供需失衡電壓失穩，提升最大供給能力至sAmax或降低需求至dA可改變臨界電壓至cA從而緩解失穩風險。復雜大電網通常具有網狀拓撲結構，各局部電網之間經多個支路相互連接。從空間上看，電壓失穩始發于動態無功支撐能力相對薄弱、供需易于失衡的局部電網如電網，在電壓幅值梯度的作用下，互連支路無功增大拉低鄰近電網電壓如電網，進而呈現出以失穩區域為中心向周邊區域輻射蔓延的特征。若電網動態無功供給充裕，可供給因互連支路而增大的無功需求，即如圖所示sBmaxdB，則電網仍可維持電壓穩定。
3電壓失穩主動解列控制
聚類算法根據某種相似性度量標準將研究對象劃分為一定數量的類簇，其中屬于同一簇的樣本具有最大相似性，而屬于不同簇的樣本則相似性較小。為實現電壓失穩主動解列割集的自動決策，本文采用最小sBTTC指數差值度量支路簇間相似性，利用凝聚式層次聚類算法(agglomerativenesting，GNES)[3435]，識別連接高壓區域和低壓區域的支路簇。
4仿真驗證
4.1省級電網內部局部區域電壓失穩
4.1.1浙江南部電網電壓失穩
某水平年，浙江南部局部交流電網結構，丹溪、寧海、回浦以及塘嶺等500kV電站供電的220kV電網之間無直接電氣聯系，即不存在500kV/220kV電磁環網。因電網負荷較重，需通過蓮都—甌海和丹溪—回浦、寧海—回浦條支路回500kV線路從主網大量受電，故障沖擊后存在電壓失穩問題。
5結論
電力系統電力電子化發展背景下，局部電網電壓失穩引發鄰近電網連鎖反應風險加劇，實施主動解列控制隔離失穩區域對保障電網安全具有重要意義。本文提出了一種基于廣域支路響應的電壓失穩主動解列控制方法，相關結論如下。1)電壓失穩區域呈局部性特征，廣域節點的電壓幅值大小具有明顯的空間分布差別，連接于不同兩端節點的支路其暫態響應則具備差異特征。2)基于節點電壓幅值與相位響應信息構建的簡化支路暫態輸電能力sBTTC指數，可作為兩端節點均位于高壓穩定區域、低壓失穩區域，以及分別位于高低壓區域的支路簇聚類特征量。3)采用凝聚式層次聚類算法，取聚類數為或，可有效識別具有中值sBTTC指數的連接電壓失穩區域的支路簇。4)結合基于支路簇的解列割集搜索以及表征電網穩定水平的關鍵支路sBTTC大小，實施主動解列控制，可有效隔離失穩區域，降低電網連鎖反應風險。
參考文獻
[1]袁小明，程時杰，胡家兵.電力電子化電力系統多尺度電壓功角動態穩定問題[J].中國電機工程學報，2016，36(19)：51455154.YUANXiaoming，CHENGShijie，HUJiabing.Multitimescalevoltageandpowerangledynamicsinpowerelectronicsdominatedlargepowersystems[J].roceedingsoftheCSEE，2016，36(19)：51455154(inChinese).
[2]康重慶，姚良忠.高比例可再生能源電力系統的關鍵科學問題與理論研究框架[J].電力系統自動化，2017，41(9)：11.
作者：鄭超，孫華東，曲仝
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