新型电力系统安全稳定标准体系研究

建立符合我国电力系统发展现状和趋势的安全稳定标准体系是构建新型电力系统的重要保证。该文梳理了现行电力系统安全稳定相关标准,提出了系统级、专业通用级、专业级3个层级构成的新型电力系统稳定标准体系。首先分析了作为纲领性、基础性的系统级标准现状及其与新型电力系统发展的适应性,然后针对规划设计、仿真分析、网源协调、调度运行、保护控制这五大与电力系统安全稳定密切相关的专业领域,梳理了代表性的专业通用级标准,并且依据新型电力系统的发展而产生的新变化与新形势,对于各领域的专业级标准发展方向提出了建议。最后,对于当前电网实际运行中面临的供应保障难度大、安全稳定风险突出两大问题,提出了亟需开展的标准化工作。研究结果对安全稳定各专业领域在开展工作时提供良好的标准化方向依据。

考虑惯量充裕度与频率变化率的互联电网在线频率安全分析

新能源装机占比的快速提高显著降低了系统惯量水平,在线评估电网的频率安全裕度可有效指导系统安全运行。首先在分析系统惯量组成的基础上,提出了考虑负荷特性与外受电水平的电网惯量计算方法,得到了电网惯量充裕度指标与频率变化率(rate of change of frequency,RoCoF)指标。然后基于惯量充裕度指标与RoCoF,分析了故障冲击、外受电水平和马达惯量对系统频率安全的影响,提出了区域电网互供能力分析方法。其次通过仿真验证了指标的准确性,检验了等效惯量和电源出力均具有置换特点。最后提出了电网惯量充裕度在线评估流程及安全运行域分析方法,为指导电网安全运行提供了决策依据。

电力系统运行及安全监控仿真系统的研究与开发

针对许多新的安全监控技术,如动态安全评估预警、安全稳定控制、广域控制保护等缺少实验室研究和测试手段的现状,提出运行及安全监控仿真试验方法并研发出仿真系统,该系统能够实时模拟大规模电网的运行,从而为各种新的安全监控技术的研究试验提供类似于真实电力系统环境的仿真试验平台。该仿真系统已成功应用于国家电网仿真中心,应用结果表明,该系统具有高度的集成性和开放性,可为新安全监控技术的研究和测试提供有效的技术手段。

大规模电力系统仿真用新能源场站模型结构及建模方法研究(三):电磁暂态模型

在对含新能源接入的电力系统进行仿真分析时,往往需对新能源场站进行等值建模,其中电磁暂态模型的应用场景可分为大扰动和小扰动2类电网问题,目前在适用于2类场景的等值建模方面缺乏系统性论述。该文以风电场作为重点研究对象,首先在阐述大扰动的等值原则和方法的基础上,从理论上分析功率水平对直驱风机(direct drive permanent magnet synchronous generator,PMSG)、光伏(photovoltaic,PV)和双馈风机(doubly fed induction generator,DFIG)频域阻抗特性的影响,从而明确按风速/光照度、功率或风机转速进行等值的合理性。其次,从多频段稳定问题需求出发,研究汇流线路阻抗及机组扩容方式对等值精度的影响;在此基础上,总结兼顾大扰动和小扰动场景的值建模方法,提出1~4机新能源场站模型结构,分析等值机台数对于等值精度的影响。最后,针对不同扰动场景进行时域仿真分析,验证所提等值建模方法的有效性。

大规模电力系统仿真用新能源场站模型结构及建模方法研究(二):机电暂态模型

机电暂态仿真是大规模电力系统仿真分析的主要工具,合理的场站分群等值是研究大规模新能源电力系统安全稳定分析的基础。该文首先分析新能源场站在大扰动下的动态特性,并将其划分为3个时段,对比分析目前新能源场站单机倍乘模型的不适应性。然后,分别从新能源场站的功率分布和电压分布特性分析大扰动的3个时段过程中对等值建模误差的影响。基于功率和电压分布特性的误差分析,提出新能源场站等值模型结构,并给出等值原则及模型参数聚合方法。最后,通过实际新能源场站仿真和大电网算例,验证所提模型的有效性和适应性。

大规模电力系统仿真用新能源场站模型结构及建模方法研究(一):模型结构

建立准确的新能源场站模型是研究大规模新能源接入对电网影响的基础。该文首先从大规模新能源接入对系统功角稳定性、频率稳定性、电压稳定性、和电力电子多频段振荡角度出发,论述大规模电力系统仿真对新能源场站模型的需求,并总结出新能源场站等值模型需求表。然后,通过仿真验证新能源场站模型对大规模电力系统仿真的关键影响因素,在某些工况下,新能源场站内的拓扑结构、集电线路阻抗、发电单元功率分布的影响不可忽略。最后,综述现有新能源场站等值方面相关文献,通过需求分析、场站为单位的建模体系,提出统一结构的新能源场站等值模型。

计及区间预测信息的含风电电力系统有功多时间尺度协调调度优化方法

间歇性、集群式的风电并入大电网将会增加输电断面功率越限风险,将点预测信息纳入含风电的电力系统调度将不可避免出现“过调度”和“欠调度”。为此,该文提出计及区间预测信息的含风电电力系统有功多时间尺度协调调度优化方法。首先,利用点模型及其预测误差分布构建风电功率区间预测模型;其次,建立具有区间预测信息的风电场有功功率动态分群策略;再次,构建风电集群和自动发电控制(automatic generation control,AGC)机组与非AGC机组等多时间尺度协调的调度策略,通过滚动优化和反馈校正环节协调日前-日内以及实时调度;最后,采用实际风电集群有功功率数据和改进的IEEE-118节点标准测试系统验证所提方法的有效性。研究表明,所提方法不仅可以合理协调风电集群内各个风电场输出功率,还可以协调风电集群功率和AGC机组与非AGC之间的输出功率,有效解决了调度指令与实际输出功率不协调问题。

提升新能源高占比送端电网接入能力的特高压直流落点方案及措施研究

对提高新能源高占比送端电网接入能力的特高压直流落点方案及措施开展了研究,并以清洁能源资源丰富的陕西电网为实际算例,基于“十四五”期间陕西电网规划新增数条特高压直流输电,并且陕北送端电网交流网架也得到了加强,从电力电量平衡、潮流和电压分布、短路电流、安全稳定、资源分布、接入条件和工程量等多方面对新增特高压直流的落点方案进行了综合技术经济比较,提出了工程建设时序等相关建议。针对特高压直流配套新能源比例较高的接入难题,提出了提升新能源接入能力的具体措施。

受调峰和安全稳定约束的华东电网新能源承载规模研究

随着“十四五”新能源布局向中东部倾斜,中东部的新能源发展速度高于西部、北部地区,对受端电网新能源承载能力的研究变得越来越迫切。文中针对华东受端电网,提出了一种评估新能源承载规模上限的方法。该方法依托中国电科院研发的生产模拟软件,统筹直流规模、弃电率、交流断面限制、储能应用等因素,在满足电力电量平衡、调峰平衡等约束前提,优化求解各类电源开发规模,求得受调峰约束的新能源发展上限;依托综合仿真试验研究系统(Power system department-bonneville power administration,PSD-BPA),兼顾直流规模、直流功率敏感性,在满足单一直流功率缺额不触发低频减载、第一级安全稳定标准等约束条件,利用时序仿真法求得受频率稳定、电压稳定约束的新能源发展上限;通过比较论证,提出制约华东电网新能源规划发展的主要影响因素、承载规模和应对措施。

美丽山二回直流工程投运后巴西电网安全稳定问题研究

为支撑巴西美丽山二回直流工程顺利建设和电网安全运行,需要充分研究美丽山二回直流投运后巴西电网的安全稳定特性和稳定控制措施。首先介绍了巴西电网及美丽山直流工程概况,接着对比了巴西电网安全稳定研究与国内研究差异,然后研究了美丽山二回直流投运后巴西电网面临的换流站出线故障引发孤网运行、南北交流通道故障引发过载、直流闭锁故障引发同步失稳和电压崩溃、多直流同时及连锁换相失败等安全稳定问题和所需的控制措施。研究结果表明,通过采取切机、直流功率提升/回降等单一或组合控制措施,在严重交直流故障下可以保证系统安全稳定运行。研究成果可为美丽山二回直流工程的建设和运行提供重要的技术支撑和参考依据。

适应新型电力系统的继电保护综合评价方法

我国新型电力系统安全可靠运行高度依赖第一道防线的继电保护设备,综合评判继电保护运行水平具有重要意义。针对继电保护构造复杂、运行状态影响因素多以及不同评价指标权重确定难题,该文在充分借鉴现有运行评价指标的基础上,提出了装备水平、运行状态、维修性、保障性和专业管理规范性5方面评价要素,并基于构型理论掌握了不同要素间的关系,通过支持向量机剔除了冗余指标,得出继电保护综合评价体系。在主观赋权与客观赋权结果基础上,应用样本评价结果序列的正态分布拟合优度,提出了对加法合成、乘法合成的组合系数进行优化的方法,使主、客观信息达到统一。继电保护综合评价指标体系的构建以及指标权重的科学计算为继电保护运行管理提供重要参考依据。

电力多元转换(Power-to-X):技术路径、应用与挑战

碳中和目标驱动下,新能源装机比重迅速提升,但其随机性与波动性将给电力系统消纳和安全运行带来巨大挑战。电力多元转换(Power-to-X)可以将可再生能源发电转换为其他各类绿色燃料,利用化学能实现对电能的吸收、储存和运输,为电力系统电能储存和利用提供了新思路;同时,通过电力多元转换,也加强了各种能源形式的耦合,降低了不同领域的碳排放,对推进我国绿色低碳转型具有重要意义。该文着重介绍了Power-to-X涉及的各个关键环节,包括电解制储氢、碳捕集以及绿氢转换的技术发展现状;重点比较了4类典型Power-to-X路径——电转甲烷、电转甲醇、电转醚类和电转氨的技术流程;此外,该文针对当前国内外Power-to-X实施情况,具体介绍了各类示范项目的应用进展;进一步地,该文从能效、碳源以及制氢技术等方面出发,剖析了Power-to-X发展面临的主要问题与挑战;最后,针对当前问题,该文提出了相应应对措施,并对Power-to-X的未来发展进行了展望。

基于生成对抗网络与度量学习的数据驱动频率安全评估

随着大容量远距离高压直流输电工程的建设和大规模可再生能源的接入,电力系统的频率安全面临严峻挑战。为了对频率安全进行快速准确的在线评估,提出一种基于度量学习与生成对抗网络技术的数据驱动频率安全评估模型。首先,选取关键频率安全指标作为模型输出,并构建输入特征集。然后,使用改进的基于Wasserstein距离度量的生成对抗网络(Wasserstein generative adversarial network, WGAN)学习电力系统历史运行场景分布信息,生成覆盖系统典型运行方式的运行场景以构建训练样本集。计及电力系统复杂运行方式下单个机器学习模型对频率安全评估的不适用性,基于核回归度量学习(metric learning for kernel regression, MLKR)算法构建由多个子模型构成的频率安全组合评估模型。最后使用简化的山东电网算例,验证了所提方法的有效性。

新能源孤岛柔直送出系统耗能电阻优化配置研究

在新能源孤岛经柔直送出系统中,通过投入等容量分组交流耗能电阻可实现故障穿越期间系统盈余功率的消纳。当单组耗能电阻功率过大时,会对系统造成严重冲击。因此,提出了一种基于进制转换的非等容量交流耗能电阻优化配置方法及其投切策略。首先,分析了等容量分组交流耗能电阻的动作特性。然后,为柔直系统配置单组容量各不相同但总容量与柔直系统容量相等的多组交流耗能电阻,并对不同容量的耗能电阻进行组合,以获得不同的耗能功率。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建并网模型进行验证。仿真结果表明,采用该方法及投切策略提高了耗能电阻的投切精度,降低了对系统的冲击,缩短了故障恢复时间,实现了对故障穿越期间盈余功率的精准消纳。

基于改进聚类算法的电力系统运行方式识别方法

对于电力系统计算分析,运行方式选取的准确性和合理性是决定计算质量的关键。随着“双碳”目标的提出,清洁能源接入比例将逐步提高,传统的人工选取方法不再适用,如何结合生产模拟得到的运行方式样本集自动提取典型运行方式是双碳目标下新型电力系统规划工作亟待解决的科学技术问题。本文首先提出双碳目标下电力系统运行方式提取需求分析;接着提出了基于K-means++算法和改进聚类有效性指标的自动方式提取算法;随后设计了基于人工和自动算法结合的方式提取模式;最后基于西北电网实际数据开展算例分析,从方式特征和安全性校核两方面与人工选取的运行方式对比体现本文算法的有效性和合理性,验证了本文算法在提升科学规划水平方面的贡献。

基于电力系统全数字实时仿真装置的大电网机电暂态–电磁暂态混合仿真

对高压直流输电和柔性交流输电系统设备的准确仿真需建立详细的电磁暂态模型,而大电网中建立所有设备的电磁暂态模型来进行计算是不现实的,针对该问题,采用了3个典型算例,详细介绍了应用电力系统全数字实时仿真装置的混合仿真功能进行大规模电网仿真的过程。将大电网分为电磁暂态子网和机电暂态子网,其中大电网局部或某些关注的设备作为电磁暂态子网,其余网络作为机电暂态子网,电磁暂态子网中的设备用详细的电磁暂态模型描述。将混合仿真计算结果与传统的机电暂态仿真结果相比较,验证了混合仿真的准确性。

基于响应的电力系统安全稳定综合防御技术

针对电力系统安全稳定措施存在的失效风险,提出将基于响应的电力系统安全稳定控制技术融入电力系统安全稳定"三道防线",作为应对小概率意外事故的关键技术,重点研究了响应控制技术定位与配合原则、各类稳定问题的判别和控制技术。为解决响应切机控制存在的潜在问题,提出切机与解列控制协调配合方法,将解列控制用于防止系统失稳破坏。最后利用仿真算例在各种故障场景下验证该防御体系的全面性、可靠性、有效性。

国家电网220 kV及以上交流保护十年运行分析

介绍了国家电网公司近10年来(2006—2015)在继电保护领域取得的成果,综合分析了国家电网公司220 k V及以上电压等级交流系统继电保护装置的装备和运行情况,详细介绍了装置微机化率、双重化率、国产化率的发展情况,对近10年来继电保护装置动作情况、不正确动作原因以及采用"常规互感器+合并单元"方式的智能变电站220 k V及以上电压等级继电保护装置在2014年各类型线路故障中的动作时间进行了深入分析。选取了由于保护装置原理缺陷、通道、运维等方面问题造成的5次典型性保护不正确事件进行分析。在此基础上,针对继电保护装置的生产制造、基建调试、运行维护以及智能变电站等方面提出了有效建议,并展望了"十三五"期间保护装置就地化、小型化、智能化运维体系等继电保护关键技术。

大型交直流混联电网安全运行面临的问题与挑战

交直流混联电网是电网发展的新形态,具有脆弱性、可控性、连锁故障等特点。保证我国已经建成的大型交直流混联电网优质、高效、安全、可靠运行是重大而紧迫的国家需求。该文针对大型交直流混联电网安全运行所面临的问题,分析了混联电网的结构特点和特性,凝练了亟待解决的两大科学问题和一项关键技术,从混联电网运行稳定特性分析及控制技术、混联电网故障特性分析与保护技术、混联电网仿真技术3个方面,分别剖析所存在的具体问题,给出了对这些问题的初步分析和解决思路,同时给出了可能的解决方案,为大型交直流混联电网安全运行研究指明方向。最后的仿真案例直观展示了这些问题的复杂性和解决问题的迫切性。

±500kV架空线柔性直流电网操作过电压研究

首先介绍了±500 k V架空线柔性直流电网的结构、主要设备的详细参数以及计算所采用的典型故障类型及保护动作时序;其次研究了影响柔性直流电网操作过电压水平的各种关键因素。直流断路器方面,其MOV的额定电压选择为550 k V,从而使直流断路器断口过电压基本处于1.6 pu的水平;直流电网结构方面,"C"字型链式结构下阀底及中性线操作过电压水平较高,而"O"字型结构下直流极线等位置操作过电压水平相对较高,"O-C"字型结构下各处的操作过电压都比较低;直流限流电抗(平抗)的取值会影响直流阀顶或者极母线区域的操作过电压,但是主要功能还是抑制直流故障电流。最后针对±500 k V架空线柔性直流电网的典型故障进行了仿真,总结了柔性直流电网操作过电压水平的初步计算结果,并基于此给出了±500 k V架空线柔性直流电网的换流站设备保护水平的推荐值。