T/CES 219-2023 电力系统长期动态电压故障筛选和控制决策技术规范

电力系统长期动态电压故障筛选和控制决策技术规范详细总结

本总结基于团体标准《电力系统长期动态电压故障筛选和控制决策技术规范》（T/CES 219-2023），由中国电工技术学会发布。该标准规定了电力系统在长期动态过程中电压故障的筛选方法、控制决策要求及系统架构，旨在提升电力系统电压稳定性，防止电压崩溃。适用于110kV及以上系统，其他电压等级可参照执行。以下是详细内容总结，结构按标准章节组织，确保全面覆盖技术细节。

1. ​​范围​​

该标准规定了电力系统长期动态电压故障筛选和控制的技术要求、基础条件、方法判据、控制措施及系统设计。主要适用于110kV及以上电力系统，其他电压等级可参照执行。核心目标是通过筛选潜在故障并制定控制决策，确保系统在扰动后维持电压稳定。

2. ​​规范性引用文件​​

标准引用了多项关键文件，包括：

• GB/T 19963.1-2021（风电场接入技术）
• GB/T 19964-2012（光伏电站接入技术）
• GB/T 26399（安全稳定控制技术导则）
• GB/T 36547-2018（电化学储能系统接入技术）
• GB/T 36995-2018（风电机组电压穿越测试）
• GB 38755-2019（电力系统安全稳定导则）
• GB/T 40581-2021（安全稳定计算规范）
• GB/T 40615-2021（电压稳定评价导则）
  这些文件为故障筛选和控制提供了技术依据。

3. ​​术语和定义​​

定义了12个关键术语，确保术语统一：

• ​​电压稳定​​：系统受扰动后保持或恢复允许电压范围的能力（源自GB 38755-2019）。
• ​​静态电压稳定​​：小扰动后母线保持稳定电压的能力。
• ​​暂态电压稳定​​：大扰动后母线保持稳定电压的能力。
• ​​长期电压稳定​​：大扰动后长期过程中母线保持稳定电压的能力（源自GB/T 40615-2021）。
• ​​机电暂态过程​​：发电机电磁转矩变化引起的转子运动过程（数十秒内）。
• ​​长期动态过程​​：慢速变化过程（数十秒至数十分钟），受励磁限制、负荷控制等影响。
• ​​电压崩溃​​：电压不稳定导致负荷电流增加、电压持续下降的过程。
• ​​新能源场站​​：风电场或光伏电站的集中接入设备（如变压器、储能）。
• ​​电化学储能系统​​：以电池为核心的储能系统（如变流器、变压器）。
• ​​多馈入直流短路比（MSCR）​​：衡量直流系统交流强度的指标。
• ​​新能源多场站短路比（MRSCR）​​：评价新能源接入强度的指标。
• ​​N-1原则​​：单一元件故障后系统保持稳定运行的要求（源自GB 38755-2019）。

4. ​​总体要求​​

系统电压稳定故障筛选应包括：

• 建立预想故障集。
• 进行静态、暂态和长期电压稳定故障筛选。
• 针对严重故障制定控制决策，确保电压稳定。
• 建立长期动态电压故障筛选和控制系统。
  核心是识别潜在风险并实施预防性控制。

5. ​​预想故障集​​

预想故障集是筛选基础，需包括：

• ​​静态筛选故障集​​：无故障断开线路或变压器后的系统方式。
• ​​暂态和长期筛选故障集​​：遵循GB 38755-2019，选定大扰动类型。
• ​​直流输电故障​​：如单换流器闭锁、单极闭锁、双极闭锁、功率突降、再启动或换相失败。
• ​​新能源场站故障​​：如单个场站脱网或大规模脱网。
  故障集需覆盖常见扰动场景，以全面评估风险。

6. ​​静态电压稳定故障筛选​​

• ​​区域负荷有功功率裕度（K_{vp}）​​：
  计算公式：K_{vp} = \frac{P_{\max} - P}{P} \times 100\%，其中 P_{\max} 为临界有功功率（MW），P 为初始有功功率（MW）。
  要求：正常或检修方式下裕度 > 8%，N-1故障后 > 5%。受电比例高地区需调高裕度。
• ​​区域负荷无功功率裕度（K_{vq}）​​：
  计算公式：K_{vq} = \frac{Q_{\max} - Q}{Q} \times 100\%，其中 Q_{\max} 为临界无功功率（Mvar），Q 为初始无功功率（Mvar）。
  要求：正常或检修方式下裕度 > 8%，N-1故障后 > 5%。受电比例高地区需调高裕度。
• ​​多馈入直流短路比（MSCR）​​：
  评价指标：强系统（>3）、中系统（2~3）、弱系统（<2）。
• ​​新能源多场站短路比（MRSCR）​​：
  评价指标：强系统（>3）、弱系统（2~3）、极弱系统（<2）。
  计算参考GB/T 40581-2021和GB/T 40615-2021。

• 明确仿真模型：包括分区划分、发电机模型（PV节点）、负荷模型（恒功率或ZIP模型）、负荷增长方式（如恒定功率因数或有功不变无功增长）。
• 筛选流程：对预想故障集计算裕度和短路比，筛选长期电压稳定待筛选故障集。
• ​​筛选标准​​：包括故障后潮流不收敛、有功或无功裕度 < 5%、MSCR ≤ 3、MRSCR ≤ 3。
  裕度和短路比反映系统无功储备和强度。

7. ​​暂态电压稳定故障筛选​​

• ​​暂态电压稳定判据​​：大扰动后10s内负荷母线电压恢复至0.80(pu)以上。
• ​​风电场电压穿越要求​​：
  • 低电压穿越：并网点电压跌落时，风电机组不脱网（曲线1及以上区域）。
  • 高电压穿越：并网点电压升高时，风电机组不脱网（曲线2及以下区域）。
    

  若不满足要求，允许切出。

• ​​光伏发电站低电压穿越要求​​：
  • 电压跌至0时，不脱网运行0.15s；跌至曲线1以下可切出。
    
• ​​电化学储能系统电压穿越要求​​：
  • 低电压穿越：并网点电压在曲线1及以上时不脱网。
  • 高电压穿越：并网点电压在曲线2及以下时不脱网。
    

  若不满足，允许断开连接。

• ​​仿真模型要求​​：
  • 使用机电暂态仿真程序（必要时用机电-电磁混合仿真）。
  • 发电机模型：隐极机用5/6阶模型，凸极机用5阶模型。
  • 励磁系统：基于实测参数选用标准模型。
  • 负荷模型：ZIP与异步电动机组合或详细模型。
  • 直流输电：准稳态或电磁暂态模型。
  • 新能源场站：场站级建模（如风电场等值模型）。
  • 灵活设备：如SVG、UPFC用机电暂态模型。
  • 保护装置：模拟切机、切负荷等动作时间。
• ​​筛选流程​​：对预想故障集仿真，基于判据和电压穿越要求筛选。
• ​​筛选标准​​：
  • ​​长期电压稳定待筛选故障​​：电压满足暂态判据但未恢复至0.90(pu)、发电机过励、或新能源/储能电压穿越不满足。
  • ​​暂态电压严重故障​​：电压不满足暂态判据（10s内未恢复至0.80(pu)）。
    重点评估扰动后快速响应能力。

8. ​​长期电压稳定故障筛选​​

• ​​长期电压稳定判据​​：大扰动后长期过程中负荷母线电压保持或恢复至0.90(pu)以上。

• ​​仿真模型要求​​：
  • 使用长期动态仿真程序，计及慢速控制（如励磁限制、有载调压变压器、AGC/AVC）和负荷恢复特性。
  • 考虑人为干预和保护误动等不确定性。
• ​​筛选流程​​：对长期待筛选故障集仿真，基于判据和电压穿越要求筛选。
• ​​筛选标准​​：
  • 电压不满足长期判据。
  • 风电场、光伏或储能电压穿越不满足要求。
    核心是识别慢动态导致的电压失稳风险。

9. ​​控制决策​​

防止扰动后无功短缺或过剩，避免电压崩溃或设备损伤，确保电压在允许范围内。

• ​​增发无功​​：发电机强励、投入电容补偿。
• ​​降低无功需求​​：切除并联电抗器、切负荷。
• ​​减少无功源​​：切除并联电容器。
  措施需针对扰动类型灵活配置。

• ​​优化模型​​：以最小控制代价为目标，目标函数 J = \min\{\Delta u^{T} R \Delta u\}，其中 R 为权重矩阵，\Delta u 为控制变量变化量。
• ​​约束条件​​：

  \left\{  
  \begin{array}{l}  
  U_{t, i}^{\min} - U_{t, i} \leqslant \frac{\partial U_{t, i}}{\partial u^{T}} \Delta u \leqslant U_{t, i}^{\max} - U_{t, i} \\  
  \Delta u^{\min} \leqslant \Delta u \leqslant \Delta u^{\max} \\  
  u^{\min} \leqslant \Delta u + u \leqslant u^{\max}  
  \end{array}  
  \right.  

  其中 U_{t,i} 为节点电压，\frac{\partial U_{t, i}}{\partial u^{T}} 为轨迹灵敏度（通过仿真差值计算）。

• ​​实施步骤​​：
  1. 针对暂态和长期严重故障集，选择灵敏度高的控制变量（如发电机强励）。
  2. 建立二次规划模型，优化控制变量使电压恢复。
  3. 若一次优化不足，迭代计算至满足要求。
  4. 新能源接入弱电网时，以最小控制量优先。
     方法强调高效性和可行性。

10. ​​故障筛选和控制决策系统功能架构​​

• ​​系统架构​​：如图4所示，包括仿真数据生成、预想故障集生成、静态/暂态/长期故障筛选、控制决策计算。

   

• ​​关键功能​​：
  • ​​仿真数据生成​​：整合多源数据（接线、方式、模型参数），确保实时性和准确性。
  • ​​预想故障集生成​​：基于第5章流程。
  • ​​筛选模块​​：按第6-8章执行静态、暂态和长期筛选。
  • ​​控制决策模块​​：按第9章计算优化措施。
• ​​数据要求​​：涵盖发电机、直流、新能源、保护装置等详细模型，支持在线和离线数据融合。

结论

本技术规范为电力系统长期动态电压稳定提供了完整框架：

• ​​核心价值​​：通过分层筛选（静态、暂态、长期）和优化控制，预防电压崩溃，提升系统韧性。
• ​​创新点​​：整合新能源电压穿越要求、短路比指标和轨迹灵敏度优化，适应高比例新能源场景。
• ​​应用建议​​：实施时需结合实时数据，强化仿真模型精度，并在弱电网中优先最小控制策略。
  该标准首次发布，标志着电力系统稳定控制技术的重大进展，适用于规划、运行和应急管理场景。