張洪喜, 沈 軍, 趙青春,朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

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一種綜合判別電力系統(tǒng)失步的新方法

張洪喜, 沈 軍, 趙青春,朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

本文通過對電力系統(tǒng)異步運行狀態(tài)特征的研究，提出一種失步保護綜合判別新方法。該方法由三部分元件組成，分別為失步起動診斷元件、失步區(qū)域判斷元件和失步跳閘時機選擇元件。失步起動診斷元件利用系統(tǒng)兩側的功角差和功角滑差判斷電力系統(tǒng)是否開始發(fā)生失步，并以正序電壓和正序電流作為輔助判斷條件以增加可靠性。失步區(qū)域判斷元件利用區(qū)域繼電器原理判斷失步解列的區(qū)域。失步跳閘時機選擇元件通過Ucos原理統(tǒng)計失步次數(shù)，并利用功角差作為輔助判據(jù)來選擇最佳跳閘時機。當3個元件同時動作時，失步保護動作將系統(tǒng)解列。該方法準確可靠且不受系統(tǒng)運行方式影響。通過RTDS仿真實驗，驗證了該方法的可靠性。

失步保護；滑差dδ/dt；區(qū)域繼電器；Ucos原理；RTDS仿真實驗

0 引言

失步解列作為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要措施，是保證整個電網(wǎng)不致完全崩潰的最后一道防線[1,2]。隨著大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展，電網(wǎng)的結構越來越復雜，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來嚴重挑戰(zhàn)[3,4]。需要研究一種能夠準確檢測系統(tǒng)失步運行且不受系統(tǒng)運行方式影響的失步保護方法[5,6]。

利用電流幅值包絡線周期性變化檢測異步狀態(tài)的解列裝置，結構簡單，易于實現(xiàn)，但其隨運行方式的變化需要改變定值[7]；利用失步斷面兩側電勢相量的相角差檢測失步的解列裝置，可實現(xiàn)失步的預測功能，但在短路時電壓阻抗角也可能發(fā)生急劇變化，需采取措施避免誤判[7]；利用相位角原理[8]的失步保護方法在發(fā)生復雜轉換性故障時存在誤判風險。

本文提出一種失步保護綜合判別新方法。該方法由失步起動診斷元件、失步區(qū)域判斷元件和失步跳閘時機選擇元件三部分組成。失步起動診斷元件判斷電力系統(tǒng)是否開始發(fā)生失步。失步區(qū)域判斷元件判斷失步解列的區(qū)域。失步跳閘時機選擇元件選擇最佳跳閘時機。當上述3個元件同時動作時，失步保護動作將系統(tǒng)解列。該方法綜合考慮了系統(tǒng)失步時的變化規(guī)律和特征，有效提高了失步保護判別的準確性和可靠性。

1 失步起動診斷元件

1.1 滑差計算方法

電力系統(tǒng)失步時，可將所有機組分為兩個機群，用兩機等值系統(tǒng)進行分析[9]。簡單兩機等值系統(tǒng)接線如圖1所示。用簡單電動勢來表示等值發(fā)電機，兩側的系統(tǒng)阻抗分別為ZM和ZN,線路阻抗為ZLine。

圖1 簡單兩機等值系統(tǒng)Fig.1 Equivalent two-machine power system

圖1所示的等值雙機系統(tǒng)模型，在分析時采用下列假設條件：

(2) 系統(tǒng)與線路的阻抗角相等且固定不變，阻抗角為90°。

(1)

令：

(2)

根據(jù)正、反方向阻抗末端電壓計算兩側的電壓相角差，如式(3)所示:

Δδ=δFed-δRev

(3)

再利用電壓相角差隨時間的變化率計算出電壓兩端的滑差dδ/dt。

1.2 失步起動診斷元件邏輯

當系統(tǒng)開始發(fā)生失步時，系統(tǒng)兩側的相角被逐漸拉開，滑差也逐漸增大。經(jīng)過一定時間后，相角差Δδ將大于設定的門檻值δdefault?；頳δ/dt也將大于設定的門檻值Kdefault。利用這些特征進行失步起動的判別。同時，當系統(tǒng)發(fā)生失步時，正序電壓和電流的幅值也會發(fā)生周期性的變化。為了增加失步起動診斷元件的可靠性，特增加正序電壓和電流作為輔助判別條件。動作邏輯如圖2所示，其中：Udefault,Idefault,δdefault和Kdefault分別為電壓、電流、相角差和滑差的門檻值。

圖2 失步起動診斷元件邏輯Fig.2 Start logic of detection of OOS

當系統(tǒng)失步時，失步的周期有長有短。為了提高失步診斷元件的靈敏度，滑差的門檻值以長周期(經(jīng)驗值為3 s)為標準并保留一定裕度。在程序實施時，這些門檻值均在程序內(nèi)部固定，無需用戶整定，以便減輕運行人員的定值整定負擔。

2 失步區(qū)域判斷元件

運行中的系統(tǒng)必需在適當?shù)奈恢迷O置解列點。當系統(tǒng)發(fā)生失步時，能夠有計劃地將系統(tǒng)迅速而合理地解列為供需盡可能平衡而各自保持同步運行的2個或幾個部分，防止系統(tǒng)長時間不能拉入同步而造成系統(tǒng)頻率和電壓崩潰，導致事故擴大[9]。

圖3 區(qū)域繼電器動作特性Fig.3 Characteristics of regional distance relay

本文采用區(qū)域阻抗繼電器原理來判斷失步發(fā)生的區(qū)域。由正、反方向阻抗定值ZFwd和ZRev以及線路正序靈敏角θ為直徑的區(qū)域阻抗繼電器在阻抗平面動作特性如圖3所示。由區(qū)域阻抗繼電器確定的阻抗圓內(nèi)部是動作區(qū)，當測量阻抗Zm穿過阻抗圓時，失步區(qū)域判斷元件動作。

3 失步跳閘時機選擇元件

3.1 基于Ucos失步次數(shù)統(tǒng)計原理

系統(tǒng)在失步狀態(tài)下，電壓最低點稱為失步中心[10-12]。在一次失步周期中，對于等值兩機系統(tǒng)，在某一時刻，失步中心電壓過零點[13,14]。

EN=cos(ωt)

(4)

EM=cos[(ω+Δω)t+α]

(5)

兩機等值系統(tǒng)的相量如圖4所示，其功角為：δ=Δωt+α。

圖4 兩機等值系統(tǒng)向量Fig.4 Vector diagram of equivalent system

Uscv=Ucosφ=cosδ/2=cos(Δωt+α)/2

(6)

當系統(tǒng)失步運行時，Δω≠0，失步中心電壓呈周期性變化，失步周期為360°。即：

Uscv=cos(Δωt+α)/2

(7)

(1) 若Δω>0，即加速失步，δ的變化趨勢為0°→360°(0°)→360°，失步中心電壓Uscv的變化曲線如圖5(a)所示；

(2) 若Δω<0，即減速失步，δ的變化趨勢為360°→0°(360°)→0°,振蕩中心電壓Uscv的變化曲線如圖5(b)所示。

圖5 失步中心電壓變化曲線Fig.5 Curve of oscillating center voltage

根據(jù)圖5中失步中心電壓的變化研究適用于失步次數(shù)統(tǒng)計的方法。

3.2 失步跳閘時機選擇邏輯

由式(6)可知，失步中心電壓與功角δ之間存在確定的函數(shù)，因此可以利用失步中心電壓的變化反映功角的變化。如圖5所示，作為狀態(tài)量的功角是連續(xù)變化的，因此在失步時失步中心電壓也是連續(xù)變化的，且過零點。當系統(tǒng)失步時，利用這一特征統(tǒng)計失步發(fā)生的次數(shù)：

(1) 當失步中心電壓從正值過零點變?yōu)樨撝禃r記為一次加速失步；

(2) 當失步中心電壓從負值經(jīng)過零點變?yōu)檎禃r記為一次減速失步。

失步起動診斷元件動作后，開始分別統(tǒng)計加速失步和減速失步次數(shù)。

如果失步保護在系統(tǒng)兩側功角較大時跳閘解列，對開關的拉弧能力沖擊較大。為了避免這種情況的發(fā)生，特增加系統(tǒng)兩側功角差小于整定值作為輔助判斷條件。即當失步次數(shù)大于整定值Nset且系統(tǒng)兩側功角差小于整定值δset時，失步跳閘時機選擇元件動作。其邏輯如圖6所示。

圖6 跳閘時機選擇元件邏輯Fig.6 Logic of selection of OOS

綜上，當失步起動診斷元件、失步區(qū)域判斷元件和失步跳閘時機選擇元件同時動作時，失步保護動作將系統(tǒng)解列。失步保護動作邏輯如圖7所示。

圖7 失步保護動作邏輯Fig.7 Trip logic of out-of-step

4 RTDS仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)介紹

為了考核本文提出的失步保護方法在系統(tǒng)失步時的動作行為，搭建如圖8所示的RTDS實驗仿真系統(tǒng)[15-17]。

圖8 三機兩區(qū)域系統(tǒng)Fig.8 Three-terminal equivalent system

該系統(tǒng)為簡單三機兩區(qū)系統(tǒng)。系統(tǒng)電壓為275 kV，工作頻率為50 Hz。線路MS與SN的參數(shù)相同且長度均為50 km，其參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型線路參數(shù)Table 1 Line parameter of simulation module Ω·km-1

失步保護裝置安裝在M側。實驗時，將M側發(fā)電機機端電壓控制在50 Hz，通過改變S側、N側發(fā)電機機端電壓的輸出頻率，模擬失步發(fā)生在Ⅰ區(qū)或Ⅱ區(qū)。

重點考察本失步保護的失步起動診斷功能、失步保護區(qū)域判斷功能和失步跳閘時機選擇功能。失步保護裝置中正、反方向阻抗定值按照被保護線路的全長整定，并留一定裕度；失步次數(shù)Nset整定為2；系統(tǒng)兩側功角差定值δset整定為60°。

4.2 仿真結果分析

仿真結果如圖9—11所示，圖中GA1VA-GA1VC表示三相電壓；GA1IA-GA1IC表示三相電流；78.OOS_St表示失步保護起動信號；78.OOS_Op表示失步保護動作信號。圖9—10表明，當失步中心位于被保護線路時，無論是加速失步還是減速失步，無論失步周期的長短，失步保護裝置均能正確診斷出系統(tǒng)發(fā)生了失步，且在設定的跳閘時間條件下(Nset=2，δset<60°)動作跳閘，將系統(tǒng)解列。

圖11表明，當失步中心不在區(qū)域距離繼電器范圍內(nèi)時，失步保護可靠不動作，保證下級線路的失步保護優(yōu)先動作。

圖9 失步保護動作波形 (I區(qū)失步、加速失步、周期1.5 s)Fig.9 Operation wave of OOS (Area I,Acceleration OOS, 1.5 Seconds)

圖10 失步保護動作波形 (Ⅰ區(qū)失步、減速失步、周期0.5 s)Fig.10 Operation wave of OOS (Area I,Deceleration OOS, 0.5 Seconds)

圖11 失步保護不動作波形 (Ⅱ區(qū)失步，區(qū)域繼電器范圍之外)Fig.11 No operation wave of OOS (Area II, Out of Regional Distance Relay)

通過上述仿真分析，證明本文提出的失步保護方法能正確判斷系統(tǒng)是否發(fā)生失步，準確判斷失步發(fā)生的區(qū)域，并能夠在最佳時間跳閘將系統(tǒng)解列，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[17,18]。

該方法已經(jīng)在海外版失步保護裝置中得到實施。并在韓國、巴西等多個國家和地區(qū)得到應用，目前運行情況良好。

5 結語

本文提出了一種綜合判斷電力系統(tǒng)失步的方法。該方法統(tǒng)籌考慮了系統(tǒng)發(fā)生失步時的有效特征，提高了基于單側量判斷系統(tǒng)失步的可靠性。同時該方法不受系統(tǒng)運行方式影響，定值整定簡單，有效降低運維人員的工作量。最后通過RTDS仿真實驗，驗證了該方法的正確性。該方法已經(jīng)在海外多個國家和地區(qū)得到工程應用，效果良好。

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(編輯 劉曉燕)

A New Method of Synthetic Judging Out-of-step on Power System

ZHANG Hongxi, SHEN Jun, ZHAO Qinchun,ZHU Xiaotong

(NR Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

Based on the study of the characteristics of the asynchronous operating power system, this paper provides a new method of out-of-step protection. This new method consists of three components: out-of-step element diagnostic detection, out-of-step region judgment element and out-of-step trip timing selection element. The first element(out of step diagnostic element) uses differential angle and slip angle between two ends to determine whether power system begins to oscillate. To increase the reliability, the positive sequence voltage and current are used as an auxiliary condition. The second element uses the principle of regional distance relay to judge the oscillation area. The third element uses Ucos principle to count the number of out-of-step, and use differential angle as an auxiliary criterion to select the best opportunity to trip. When these three elements operate at the same time, the out-of-step protection will operate immediately. This new method is accurate and reliable and is not affected by system operation mode, and has been verified on RTDS simulation system.

out-of-step; dδ/dt; regional distance relay ; Ucos method; RTDS simulation

2017-02-09；

2017-03-29

TM77

A

2096-3203(2017)04-0086-05

張洪喜

張洪喜(1983—)，男，河南魯山人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和開發(fā)工作(E-mail: zhanghx@nrec.com)；

沈 軍(1975—)，男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和開發(fā)工作；

趙青春(1980—)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和管理工作；

朱曉彤(1976—)，男，江蘇常州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和管理工作。