交直流混联系统电压稳定在线评估体系
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随着大电网广域测量/监视系统(WAMS)的不
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唐晓骏等：交直流混联系统电压稳定在线评估体系
Vol. 38 Noຫໍສະໝຸດ Baidu 5
断建设和完善，基于 WAMS 强大的在线同步测量 能力和高速通信网络，使得实现全局性的电压稳定 在线监测成为可能[15]。文献[16]根据实时测量的电 气量信息，提出了一种根据定义的节点电压稳定性 指标，该指标能快速估计节点电压稳定性，但是未 实时跟踪负荷模型参数的变化；文献[17]利用局部 同步相量测量信息就地进行实时在线参数辨识，考 虑充电电容影响的外部等值系统以及时变的静态 负荷模型，在此基础上建立相应的电压稳定指标； 文献[18]提出静态电压稳定指标 Lvsi，其参数可由 WAMS 实时测量，其推导是基于时间断面，反映的 是系统各支路和整体在同一时间断面上的电压稳 定水平以及相对稳定裕度，对于 WAMS 技术在电 压监测领域的应用具有一定的指导意义，但在指标 定义上还存在一定的偏差性。相对于在线获取等值 系统戴维南等值阻抗而言，获取线路实时功率、母 线实时电压等信息更为容易，且对于生产运行人员 来说，更为直观和易于理解。
电网技术
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平。近年来，基于戴维南等值的快速评估方法得到 快速发展。文献[21]基于节点的戴维南等值电路， 通过多项式拟合研究节点电压-电流 V-I 关系，从而 根据 V-I 平面上 V 轴和 I 轴所围的最大面积得到系 统的运行极限；文献[22-24]进一步将戴维南等值方 法引入故障后暂态电压稳定评估，提出了基于时域 仿真、基于全微分的戴维南等值跟踪算法，同时指 出当负荷不满足恒定功率因数变化特性时，将负荷 节点等效阻抗与该节点的网络戴维南等值阻抗相 等作为电压稳定的临界条件是无效的，大大推进了 基于戴维南等值方法的应用。但是，为准确获取戴 维南等值参数需要进行大量计算，难以满足在线快 速计算的需求。
0 引言
随着电网规模和输电容量不断扩大，新型 FACTS 技术逐步推广应用，使得电网运行控制状态 日趋复杂，许多新的稳定性问题也随之而来[1]。国 内外电网发生的数起典型的电压崩溃性事故给了 我们深刻的警示。20 世纪 50 年代苏联学者马尔科 维奇提出了第一个电压稳定判据，开创了电压稳定 研究领域的先河。特别是国外电网多次因电压失稳 或电压崩溃导致大量负荷损失甚至大面积停电发 生后，电压稳定已成为电力届关注的焦点[2-4]，但到 目前为止，无论理论研究还是实践研究，对电压稳 定问题认识的深度和取得的成果还远不能与功角 稳定研究成果相比拟。
本文通过对现状电网、过渡期电网和规划目标 电网的仿真计算，结合大量工程经验，提出暂态电 压失稳事故的分类，可以梳理出不同电压失稳事故 的特点，为有针对性地提出评估方法和防控策略奠
定基础。 依据故障是否有短路冲击、是否造成大范围潮
流转移、是否有交直流耦合问题等特征，交直流混 联系统电压失稳事故可大致分为 3 类：
ABSTRACT: Based on lots of simulation on the voltage stability of existing and planned AC/DC hybrid power grids, a classification method of voltage instability is given; in allusion to the large-scale power flow transferring without the shock of short-circuit fault, an voltage class based on-line voltage stability evaluation index, in which the impacts of active and reactive power flows are taken into account, is put forward. Simulation results of power grids show that the proposed index not only can evaluate static voltage stability level under slow growth of load effectively, but also can evaluate transient voltage stability level under blocking failure of DC system effectively. On this basis, an on-line voltage stability evaluation system for AC/DC hybrid power grid is proposed, and according to the particularity of different faults different voltage stability differentiation methods are adopted, thus the scale of on-line computation is obviously downsized and the calculation is speeded up.
1）发生直流单级闭锁、受端机组无故障跳闸 以及可能引起大范围潮流转移的线路/变压器无故 障跳闸等故障；此类故障下电网无短路冲击，大量 潮流转移至交流系统输送，导致受端电网或中间支 撑通道电压显著降低，发生电压失稳，一般情况下 故障后母线电压悬浮于某一较低数值；依据工程实 用暂态电压稳定判据[20]，故障后负荷母线电压低至 0.8 pu 及以下即认为发生电压失稳。
2）交流系统发生短路故障，引起局部范围内 潮流转移，进而引起局部电压失稳问题；此类故障 下电网有短路冲击，失稳的主要原因为 220 kV 电 网电压无功支撑能力不足，一般情况下电压失稳范 围可以限定在局部 220 kV 或 500 kV 电网内，影响 范围有限，相邻的其他 500 kV 母线不发生电压失 稳，也不会引起直流系统持续换相失败进而闭锁； 依据局部电网电压无功支撑能力的强弱，故障后可 能出现局部地区母线电压悬浮于某一较低数值或 局部电压崩溃。
唐晓骏 1，程振龙 2，张鑫 1，李再华 1，李晶 1，罗红梅 1，邱丽萍 1
（1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．华北电力大学 电气与电子工程学院，河北省 保定市 071003）
An On-Line Voltage Stability Evaluation System for AD/DC Hybrid Power System
3）交流系统发生短路故障，进而引起直流系 统持续换相失败，进而导致直流闭锁，引发连锁性 故障；此类故障下电网有短路冲击，且短路故障不 仅对局部 220 kV 电网而且对直流落点近区 500 kV 电网电压无功支撑能力造成严重削弱，此类故障较 2)中的故障明显严重，影响范围较大。因为在逆变 侧熄弧角低于最小熄弧角时才会引起直流系统换 相失败，从逆变站交流母线电压的直观上看，一般 只有在 500 kV 母线电压低于 0.5~0.6 pu 的情况下才 有可能引起直流换相失败。故障后直流逆变站附近 500 kV 母线电压迅速跌落至 0.5~0.6 pu 以下，而近 区 220 kV 母线电压跌落水平则受 220 kV 电网电压 无功支撑能力约束，既可能低电压悬浮于某一较低 数值，也可能随 500 kV 母线电压跌落而发生电压 崩溃。
通过对暂态电压失稳事故的分类，依据其故障 特征和失稳特征，可针对性地研究其在线稳定判 据，为紧急控制措施的制定和执行提供基础。
2 电压稳定评估指标
目前对暂态电压稳定的判断主要采用时域仿 真法，详细考虑各种元件的动态模型进行离线或在 线仿真模拟，依据仿真结果判断系统电压稳定水
第 38 卷 第 5 期
1 电压失稳事故分类及特点
我国电网目前已形成华北—华中交流互联电 网，华东电网孤网运行，通过直流系统与华北—华 中电网相联。依据规划，未来我国电网将逐步形成 特高压交直流混联电网，通过特高压直流、交流系 统向华东电网供电[19]。相较于静态电压稳定问题， 暂态电压稳定问题需要考虑各种元件的动态响应 特性，因此更为复杂。目前的研究对象多为典型的 暂态电压失稳事故(即交流系统故障后受端电网因 无功支撑能力不足而无法维持电压)，而对于交直流 混联电网来说，其电压失稳特性更为复杂多变，各 种失稳事故的特点往往各不相同，一种方法往往难 以通用于各种电压失稳情况。
静态电压稳定主要研究负荷缓慢增长过程中 系统的电压稳定水平，依据的基本理论是潮流多解 和可行解域理论，以电力网络的潮流极限作为静态 电压稳定极限，目前已发展起连续潮流法[5]、能量 函数法[6]、非线性规划法[7]、概率分析法[8]等诸多方 法，取得了较好的理论效果和实际应用效果。与静 态电压稳定问题相比，动态电压稳定问题主要研究 故障等动态过程中系统的电压稳定水平，较前者更 为复杂。依据研究的时间范畴，还将电压稳定分为 暂态电压稳定、中期电压稳定和长期电压稳定[9]， 各时间阶段研究中需要考虑的元件模型各有侧重。 动态电压稳定问题的研究目前已发展起时域仿真 法[10]、能量函数法[11-12]、非线性动力学方法[13-14] 等，大大推进了对暂态电压稳定的认识和理解，但 是也面临着计算量大、部分所需参数难以获取等问 题，目前尚缺乏统一公认的指标，影响了其在实际 电网中的推广应用。
TANG Xiaojun1, CHENG Zhenlong2, ZHANG Xin1, LI Zaihua1, LI Jing1, LUO Hongmei1, QIU Liping1
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)
关键词：电压稳定；在线评估指标；在线评估体系；交直流 混联电网 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.05.008
基金项目：国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG001-2013)。 Project Supported by State Grid Corporation of Large Power System Major Funded Projects(SGCC-MPLG001-2013).
本文首先通过对实际电网或规划电网电压稳 定问题的仿真计算，梳理电压失稳的现象和特点， 提出交直流混联电网电压失稳问题的分类方法；通 过对现有电压稳定评估指标优缺点的评估对比，提 出分电压等级的综合考虑有功、无功潮流影响的电 压稳定在线评估指标，实际电网数据仿真验证所提 指标的有效性；在此基础上，提出交直流混联电网 电压稳定在线评估体系，可作为构建在线紧急控制 系统的技术参考。
第 38 卷 第 5 期 2014 年 5 月
文章编号：1000-3673（2014）05-1175-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 72 文献标志码：A
Vol. 38 No. 5 May 2014
学科代码：470·40
交直流混联系统电压稳定在线评估体系
KEY WORDS: voltage stability; on-line evaluation index; on-line evaluation system; AC/DC hybrid power system
摘要：在对现状/规划交直流混联电网电压稳定问题大量仿 真计算的基础上，提出了电压失稳问题的分类方法；针对无 短路冲击的大范围潮流转移问题，提出了分电压等级的综合 考虑有功、无功潮流影响的电压稳定在线评估指标，电网仿 真表明该指标既可有效评估负荷缓慢增长方式下的静态电 压稳定水平，也可有效评估直流闭锁故障下系统的暂态电压 稳定水平；在此基础上，提出了交直流混联电网电压稳定在 线评估体系，依据故障性质不同采用不同的电压稳定判别方 法，显著简化了在线计算规模、提升了计算速度。
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唐晓骏等：交直流混联系统电压稳定在线评估体系
Vol. 38 Noຫໍສະໝຸດ Baidu 5
断建设和完善，基于 WAMS 强大的在线同步测量 能力和高速通信网络，使得实现全局性的电压稳定 在线监测成为可能[15]。文献[16]根据实时测量的电 气量信息，提出了一种根据定义的节点电压稳定性 指标，该指标能快速估计节点电压稳定性，但是未 实时跟踪负荷模型参数的变化；文献[17]利用局部 同步相量测量信息就地进行实时在线参数辨识，考 虑充电电容影响的外部等值系统以及时变的静态 负荷模型，在此基础上建立相应的电压稳定指标； 文献[18]提出静态电压稳定指标 Lvsi，其参数可由 WAMS 实时测量，其推导是基于时间断面，反映的 是系统各支路和整体在同一时间断面上的电压稳 定水平以及相对稳定裕度，对于 WAMS 技术在电 压监测领域的应用具有一定的指导意义，但在指标 定义上还存在一定的偏差性。相对于在线获取等值 系统戴维南等值阻抗而言，获取线路实时功率、母 线实时电压等信息更为容易，且对于生产运行人员 来说，更为直观和易于理解。
电网技术
1177
平。近年来，基于戴维南等值的快速评估方法得到 快速发展。文献[21]基于节点的戴维南等值电路， 通过多项式拟合研究节点电压-电流 V-I 关系，从而 根据 V-I 平面上 V 轴和 I 轴所围的最大面积得到系 统的运行极限；文献[22-24]进一步将戴维南等值方 法引入故障后暂态电压稳定评估，提出了基于时域 仿真、基于全微分的戴维南等值跟踪算法，同时指 出当负荷不满足恒定功率因数变化特性时，将负荷 节点等效阻抗与该节点的网络戴维南等值阻抗相 等作为电压稳定的临界条件是无效的，大大推进了 基于戴维南等值方法的应用。但是，为准确获取戴 维南等值参数需要进行大量计算，难以满足在线快 速计算的需求。
0 引言
随着电网规模和输电容量不断扩大，新型 FACTS 技术逐步推广应用，使得电网运行控制状态 日趋复杂，许多新的稳定性问题也随之而来[1]。国 内外电网发生的数起典型的电压崩溃性事故给了 我们深刻的警示。20 世纪 50 年代苏联学者马尔科 维奇提出了第一个电压稳定判据，开创了电压稳定 研究领域的先河。特别是国外电网多次因电压失稳 或电压崩溃导致大量负荷损失甚至大面积停电发 生后，电压稳定已成为电力届关注的焦点[2-4]，但到 目前为止，无论理论研究还是实践研究，对电压稳 定问题认识的深度和取得的成果还远不能与功角 稳定研究成果相比拟。
本文通过对现状电网、过渡期电网和规划目标 电网的仿真计算，结合大量工程经验，提出暂态电 压失稳事故的分类，可以梳理出不同电压失稳事故 的特点，为有针对性地提出评估方法和防控策略奠
定基础。 依据故障是否有短路冲击、是否造成大范围潮
流转移、是否有交直流耦合问题等特征，交直流混 联系统电压失稳事故可大致分为 3 类：
ABSTRACT: Based on lots of simulation on the voltage stability of existing and planned AC/DC hybrid power grids, a classification method of voltage instability is given; in allusion to the large-scale power flow transferring without the shock of short-circuit fault, an voltage class based on-line voltage stability evaluation index, in which the impacts of active and reactive power flows are taken into account, is put forward. Simulation results of power grids show that the proposed index not only can evaluate static voltage stability level under slow growth of load effectively, but also can evaluate transient voltage stability level under blocking failure of DC system effectively. On this basis, an on-line voltage stability evaluation system for AC/DC hybrid power grid is proposed, and according to the particularity of different faults different voltage stability differentiation methods are adopted, thus the scale of on-line computation is obviously downsized and the calculation is speeded up.
1）发生直流单级闭锁、受端机组无故障跳闸 以及可能引起大范围潮流转移的线路/变压器无故 障跳闸等故障；此类故障下电网无短路冲击，大量 潮流转移至交流系统输送，导致受端电网或中间支 撑通道电压显著降低，发生电压失稳，一般情况下 故障后母线电压悬浮于某一较低数值；依据工程实 用暂态电压稳定判据[20]，故障后负荷母线电压低至 0.8 pu 及以下即认为发生电压失稳。
2）交流系统发生短路故障，引起局部范围内 潮流转移，进而引起局部电压失稳问题；此类故障 下电网有短路冲击，失稳的主要原因为 220 kV 电 网电压无功支撑能力不足，一般情况下电压失稳范 围可以限定在局部 220 kV 或 500 kV 电网内，影响 范围有限，相邻的其他 500 kV 母线不发生电压失 稳，也不会引起直流系统持续换相失败进而闭锁； 依据局部电网电压无功支撑能力的强弱，故障后可 能出现局部地区母线电压悬浮于某一较低数值或 局部电压崩溃。
唐晓骏 1，程振龙 2，张鑫 1，李再华 1，李晶 1，罗红梅 1，邱丽萍 1
（1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．华北电力大学 电气与电子工程学院，河北省 保定市 071003）
An On-Line Voltage Stability Evaluation System for AD/DC Hybrid Power System
3）交流系统发生短路故障，进而引起直流系 统持续换相失败，进而导致直流闭锁，引发连锁性 故障；此类故障下电网有短路冲击，且短路故障不 仅对局部 220 kV 电网而且对直流落点近区 500 kV 电网电压无功支撑能力造成严重削弱，此类故障较 2)中的故障明显严重，影响范围较大。因为在逆变 侧熄弧角低于最小熄弧角时才会引起直流系统换 相失败，从逆变站交流母线电压的直观上看，一般 只有在 500 kV 母线电压低于 0.5~0.6 pu 的情况下才 有可能引起直流换相失败。故障后直流逆变站附近 500 kV 母线电压迅速跌落至 0.5~0.6 pu 以下，而近 区 220 kV 母线电压跌落水平则受 220 kV 电网电压 无功支撑能力约束，既可能低电压悬浮于某一较低 数值，也可能随 500 kV 母线电压跌落而发生电压 崩溃。
通过对暂态电压失稳事故的分类，依据其故障 特征和失稳特征，可针对性地研究其在线稳定判 据，为紧急控制措施的制定和执行提供基础。
2 电压稳定评估指标
目前对暂态电压稳定的判断主要采用时域仿 真法，详细考虑各种元件的动态模型进行离线或在 线仿真模拟，依据仿真结果判断系统电压稳定水
第 38 卷 第 5 期
1 电压失稳事故分类及特点
我国电网目前已形成华北—华中交流互联电 网，华东电网孤网运行，通过直流系统与华北—华 中电网相联。依据规划，未来我国电网将逐步形成 特高压交直流混联电网，通过特高压直流、交流系 统向华东电网供电[19]。相较于静态电压稳定问题， 暂态电压稳定问题需要考虑各种元件的动态响应 特性，因此更为复杂。目前的研究对象多为典型的 暂态电压失稳事故(即交流系统故障后受端电网因 无功支撑能力不足而无法维持电压)，而对于交直流 混联电网来说，其电压失稳特性更为复杂多变，各 种失稳事故的特点往往各不相同，一种方法往往难 以通用于各种电压失稳情况。
静态电压稳定主要研究负荷缓慢增长过程中 系统的电压稳定水平，依据的基本理论是潮流多解 和可行解域理论，以电力网络的潮流极限作为静态 电压稳定极限，目前已发展起连续潮流法[5]、能量 函数法[6]、非线性规划法[7]、概率分析法[8]等诸多方 法，取得了较好的理论效果和实际应用效果。与静 态电压稳定问题相比，动态电压稳定问题主要研究 故障等动态过程中系统的电压稳定水平，较前者更 为复杂。依据研究的时间范畴，还将电压稳定分为 暂态电压稳定、中期电压稳定和长期电压稳定[9]， 各时间阶段研究中需要考虑的元件模型各有侧重。 动态电压稳定问题的研究目前已发展起时域仿真 法[10]、能量函数法[11-12]、非线性动力学方法[13-14] 等，大大推进了对暂态电压稳定的认识和理解，但 是也面临着计算量大、部分所需参数难以获取等问 题，目前尚缺乏统一公认的指标，影响了其在实际 电网中的推广应用。
TANG Xiaojun1, CHENG Zhenlong2, ZHANG Xin1, LI Zaihua1, LI Jing1, LUO Hongmei1, QIU Liping1
(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)
关键词：电压稳定；在线评估指标；在线评估体系；交直流 混联电网 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.05.008
基金项目：国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG001-2013)。 Project Supported by State Grid Corporation of Large Power System Major Funded Projects(SGCC-MPLG001-2013).
本文首先通过对实际电网或规划电网电压稳 定问题的仿真计算，梳理电压失稳的现象和特点， 提出交直流混联电网电压失稳问题的分类方法；通 过对现有电压稳定评估指标优缺点的评估对比，提 出分电压等级的综合考虑有功、无功潮流影响的电 压稳定在线评估指标，实际电网数据仿真验证所提 指标的有效性；在此基础上，提出交直流混联电网 电压稳定在线评估体系，可作为构建在线紧急控制 系统的技术参考。
第 38 卷 第 5 期 2014 年 5 月
文章编号：1000-3673（2014）05-1175-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 72 文献标志码：A
Vol. 38 No. 5 May 2014
学科代码：470·40
交直流混联系统电压稳定在线评估体系
KEY WORDS: voltage stability; on-line evaluation index; on-line evaluation system; AC/DC hybrid power system
摘要：在对现状/规划交直流混联电网电压稳定问题大量仿 真计算的基础上，提出了电压失稳问题的分类方法；针对无 短路冲击的大范围潮流转移问题，提出了分电压等级的综合 考虑有功、无功潮流影响的电压稳定在线评估指标，电网仿 真表明该指标既可有效评估负荷缓慢增长方式下的静态电 压稳定水平，也可有效评估直流闭锁故障下系统的暂态电压 稳定水平；在此基础上，提出了交直流混联电网电压稳定在 线评估体系，依据故障性质不同采用不同的电压稳定判别方 法，显著简化了在线计算规模、提升了计算速度。