基于分裂前后同调局部电网相对功角差的分裂时间实时决策方法

《International Journal of Electrical Power & Energy Systems》：Real-time decision-making method for the splitting time based on relative power angle differences between coherent local power grids before and after splitting

　　

提出了一种表征暂态稳定裕度（transient stability margin, TSM）随分裂时刻变化趋势的指标。提出的实时决策（real-time decision-making, RTDM）方法利用分裂后平衡点处的功角定位分裂后功角曲线的对称中心。证明了该方法对分裂前非相干局部电网的适用性。

随着气候变化减缓策略的推进，大量电力电子设备接入电网，其固有的低惯性和弱阻尼特性削弱了电网承受扰动的能力，例如2025年极端天气导致西伊比利亚电网可再生能源机组脱网，进而引发全国性停电。作为电力系统第三道防线的关键环节，控制解列是防止故障扩大、保障大电网安全稳定运行的重要措施。现有关于控制解列策略的研究可分为三个顺序决策步骤：是否解列、何处解列以及何时解列。其中，确定最优分裂时间以最大化暂态稳定裕度（transient stability margin, TSM）是直接决定解列后孤岛能否平稳过渡、确保系统安全的关键因素。然而，当前的分裂时间决策方法普遍假设分裂时间对同调局部电网分裂前的暂态稳定影响甚微，并主要关注分裂前内部存在显著相对运动的非相干局部电网。这导致两个问题：一是分裂边界搜索已考虑同调性约束，确保非同调机组不会置于同一孤岛，但现有实时决策方法依赖分裂前机组群间的相对动能差异，其直接应用于分裂前同调局部电网的适用性需进一步验证；二是针对同调局部电网，虽已有仿真揭示可行分裂时间区间，但缺乏理论机制及实用决策方法，难以直接工程应用。

针对上述问题，研究人员开展了以下研究：首先，分析了同调局部电网暂态稳定演化特性，揭示了分裂时刻主要通过改变等效功角在功角曲线上的位置影响暂态稳定，而非直接依赖相对角速度。其次，通过数学推导证明，非理想同调状态在暂态过程中无法自发演变为理想同调状态，从而为分裂时间影响分析奠定了稳定对象基础。在此基础上，将同调局部电网分为发散型同调和收敛型同调两类，分别分析了不同分裂时间下加速面积与最大减速面积的变化规律，并提出了表征暂态稳定裕度随分裂时间变化趋势的指标α(t)（由符号函数、相对角速度和等效功角偏差计算）。进而，基于该指标构建了实时决策（real-time decision-making, RTDM）方法，利用分裂后平衡点功角定位功角曲线的对称中心，通过α(t)的符号变化序列识别暂态稳定裕度的局部极大值点。最后，通过IEEE 39节点系统和IEEE 118节点系统仿真验证了方法的有效性。该研究为解决同调局部电网的分裂时间实时决策提供了理论依据和实用方法，对提升电网安全稳定运行水平具有重要意义。论文发表在《International Journal of Electrical Power》。

研究人员为开展研究用到以下几个主要关键的技术方法：基于互补群惯量中心（complementary-cluster center-of-inertia, CCCOI）变换的等效单机系统建模方法，将局部电网等值为单机无穷大系统，推导其转子运动方程；暂态稳定裕度趋势指标α(t)的定义方法，结合符号函数、相对角速度及等效功角与平衡点功角偏差；基于分裂后平衡点功角定位对称中心的方法，通过快速潮流计算（如固定雅可比矩阵法）获取分裂后稳态功角，实现功角曲线重构；以及利用广域测量系统（Wide-Area Measurement System, WAMS）实时数据（功角、角速度）进行实时决策的趋势判断策略。

研究结果如下：

**A. IEEE 39-Bus System**
*1) Simulation Scenario 1*：在Bus 11施加三相短路故障（0.2s发生，2s清除），并叠加正弦负荷波动。分裂边界由Bus32–Bus33、Bus14–Bus15和Bus10–Bus38构成。通过仿真不同分裂时间并添加35dB和45dB噪声，观察到α(t)在2s–2.3s间小于0，指示延迟分裂有益，仿真结果证实暂态稳定裕度μ在该区间逐渐增大；在2.4s–2.6s间α(t)大于0，指示提前分裂有益，μ逐渐减小。极限场景下最大相对功角小于10°，系统近似理想同调，μ变化幅度较小。验证了所提方法在理想同调及非理想同调情况下的有效性。
*2) Simulation Scenario 2*：在Bus 22施加三相短路故障（0.2s发生，2.61s清除），并叠加正弦负荷波动。分裂边界由Bus16–Bus21和Bus16–Bus24构成。α(t)在2.7s–3.3s间大于0，指示提前分裂有益，μ逐渐减小；在3.5s–3.9s间α(t)小于0，指示延迟分裂有益，μ逐渐增大。3.3s–3.5s期间α(t)单调变化无局部极值，符合理论预期。验证了方法对非理想同调场景的适用性。

**B. IEEE 118-Bus System**
*1) Simulation Scenario 1*：在Bus 17施加三相短路故障（0s发生，0.71s清除）。分裂边界由Bus17–Bus18、Bus18–Bus104、Bus18–Bus105和Bus109–Bus110构成。α(t)在0.75s–0.95s间小于0，延迟分裂有益，μ逐渐增大；在1s–1.05s间大于0，提前分裂有益，μ逐渐减小。噪声影响有限。
*2) Simulation Scenario 2*：在Bus 17施加三相短路故障（0s发生，0.68s清除），同时在Bus 105施加A相单相短路故障（0s发生，0.68s清除）。分裂边界与场景1相同。α(t)在0.7s–0.9s间小于0，延迟分裂有益，μ逐渐增大；在0.95s–1.05s间大于0，提前分裂有益，μ逐渐减小。结果进一步验证了方法在不同故障类型下的鲁棒性。

**总结讨论部分**：研究人员指出，所提方法在同调局部电网中能够准确识别暂态稳定裕度的局部极大值，且对一般测量噪声不敏感。但该方法基于分裂前后主导机组群不变的前提，对于机组群内非同调性较大的情况，其评估本质上是近似估计，未来可结合人工智能技术提高主导机组群在线识别精度。此外，该方法更适用于同步发电机主导系统，对于可再生能源主导电网，需进一步研究基于其主导动态特性的状态变量、分组准则及决策方法。

**研究结论部分**：本文提出了一种针对同调局部电网的分裂时间决策方法。IEEE 39节点和IEEE 118节点系统仿真结果表明：(1) 对于理想同调电网，不同分裂时间对暂态稳定影响近似相同；对于非理想同调电网，影响显著不同。(2) 相对角速度对暂态稳定影响较小，但在同调电网中，不同分裂时间的影响仍主要由分裂前后同调局部电网的相对功角差主导。(3) 在多个场景中，所提暂态稳定裕度指标能够准确识别同调局部电网暂态稳定裕度的局部最大值，表明其鲁棒性。后续工作将关注同调局部电网内发电机单元相对关系不明确的情形，旨在开发精确的领先和滞后机组群识别方法，以增强本研究的实用价值。此外，所提方法更适用于同步发电机主导系统，对于可再生能源主导电网，将基于其主导动态特性进一步研究合适的状态变量、分组准则和决策方法。