一种综合判别电力系统失步的新方法

张洪喜, 沈 军, 赵青春,朱晓彤

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)



一种综合判别电力系统失步的新方法

张洪喜, 沈 军, 赵青春,朱晓彤

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

本文通过对电力系统异步运行状态特征的研究，提出一种失步保护综合判别新方法。该方法由三部分元件组成，分别为失步起动诊断元件、失步区域判断元件和失步跳闸时机选择元件。失步起动诊断元件利用系统两侧的功角差和功角滑差判断电力系统是否开始发生失步，并以正序电压和正序电流作为辅助判断条件以增加可靠性。失步区域判断元件利用区域继电器原理判断失步解列的区域。失步跳闸时机选择元件通过Ucos原理统计失步次数，并利用功角差作为辅助判据来选择最佳跳闸时机。当3个元件同时动作时，失步保护动作将系统解列。该方法准确可靠且不受系统运行方式影响。通过RTDS仿真实验，验证了该方法的可靠性。

失步保护；滑差dδ/dt；区域继电器；Ucos原理；RTDS仿真实验

0 引言

失步解列作为保证电力系统安全稳定运行的重要措施，是保证整个电网不致完全崩溃的最后一道防线[1,2]。随着大区电网互联的发展，电网的结构越来越复杂，给系统的稳定运行带来严重挑战[3,4]。需要研究一种能够准确检测系统失步运行且不受系统运行方式影响的失步保护方法[5,6]。

利用电流幅值包络线周期性变化检测异步状态的解列装置，结构简单，易于实现，但其随运行方式的变化需要改变定值[7]；利用失步断面两侧电势相量的相角差检测失步的解列装置，可实现失步的预测功能，但在短路时电压阻抗角也可能发生急剧变化，需采取措施避免误判[7]；利用相位角原理[8]的失步保护方法在发生复杂转换性故障时存在误判风险。

本文提出一种失步保护综合判别新方法。该方法由失步起动诊断元件、失步区域判断元件和失步跳闸时机选择元件三部分组成。失步起动诊断元件判断电力系统是否开始发生失步。失步区域判断元件判断失步解列的区域。失步跳闸时机选择元件选择最佳跳闸时机。当上述3个元件同时动作时，失步保护动作将系统解列。该方法综合考虑了系统失步时的变化规律和特征，有效提高了失步保护判别的准确性和可靠性。

1 失步起动诊断元件

1.1 滑差计算方法

电力系统失步时，可将所有机组分为两个机群，用两机等值系统进行分析[9]。简单两机等值系统接线如图1所示。用简单电动势来表示等值发电机，两侧的系统阻抗分别为ZM和ZN,线路阻抗为ZLine。

图1 简单两机等值系统Fig.1 Equivalent two-machine power system

图1所示的等值双机系统模型，在分析时采用下列假设条件：

(2) 系统与线路的阻抗角相等且固定不变，阻抗角为90°。

(1)

令：

(2)

根据正、反方向阻抗末端电压计算两侧的电压相角差，如式(3)所示:

Δδ=δFed-δRev

(3)

再利用电压相角差随时间的变化率计算出电压两端的滑差dδ/dt。

1.2 失步起动诊断元件逻辑

当系统开始发生失步时，系统两侧的相角被逐渐拉开，滑差也逐渐增大。经过一定时间后，相角差Δδ将大于设定的门槛值δdefault。滑差dδ/dt也将大于设定的门槛值Kdefault。利用这些特征进行失步起动的判别。同时，当系统发生失步时，正序电压和电流的幅值也会发生周期性的变化。为了增加失步起动诊断元件的可靠性，特增加正序电压和电流作为辅助判别条件。动作逻辑如图2所示，其中：Udefault,Idefault,δdefault和Kdefault分别为电压、电流、相角差和滑差的门槛值。

图2 失步起动诊断元件逻辑Fig.2 Start logic of detection of OOS

当系统失步时，失步的周期有长有短。为了提高失步诊断元件的灵敏度，滑差的门槛值以长周期(经验值为3 s)为标准并保留一定裕度。在程序实施时，这些门槛值均在程序内部固定，无需用户整定，以便减轻运行人员的定值整定负担。

2 失步区域判断元件

运行中的系统必需在适当的位置设置解列点。当系统发生失步时，能够有计划地将系统迅速而合理地解列为供需尽可能平衡而各自保持同步运行的2个或几个部分，防止系统长时间不能拉入同步而造成系统频率和电压崩溃，导致事故扩大[9]。

图3 区域继电器动作特性Fig.3 Characteristics of regional distance relay

本文采用区域阻抗继电器原理来判断失步发生的区域。由正、反方向阻抗定值ZFwd和ZRev以及线路正序灵敏角θ为直径的区域阻抗继电器在阻抗平面动作特性如图3所示。由区域阻抗继电器确定的阻抗圆内部是动作区，当测量阻抗Zm穿过阻抗圆时，失步区域判断元件动作。

3 失步跳闸时机选择元件

3.1 基于Ucos失步次数统计原理

系统在失步状态下，电压最低点称为失步中心[10-12]。在一次失步周期中，对于等值两机系统，在某一时刻，失步中心电压过零点[13,14]。

EN=cos(ωt)

(4)

EM=cos[(ω+Δω)t+α]

(5)

两机等值系统的相量如图4所示，其功角为：δ=Δωt+α。

图4 两机等值系统向量Fig.4 Vector diagram of equivalent system

Uscv=Ucosφ=cosδ/2=cos(Δωt+α)/2

(6)

当系统失步运行时，Δω≠0，失步中心电压呈周期性变化，失步周期为360°。即：

Uscv=cos(Δωt+α)/2

(7)

(1) 若Δω>0，即加速失步，δ的变化趋势为0°→360°(0°)→360°，失步中心电压Uscv的变化曲线如图5(a)所示；

(2) 若Δω<0，即减速失步，δ的变化趋势为360°→0°(360°)→0°,振荡中心电压Uscv的变化曲线如图5(b)所示。

图5 失步中心电压变化曲线Fig.5 Curve of oscillating center voltage

根据图5中失步中心电压的变化研究适用于失步次数统计的方法。

3.2 失步跳闸时机选择逻辑

由式(6)可知，失步中心电压与功角δ之间存在确定的函数，因此可以利用失步中心电压的变化反映功角的变化。如图5所示，作为状态量的功角是连续变化的，因此在失步时失步中心电压也是连续变化的，且过零点。当系统失步时，利用这一特征统计失步发生的次数：

(1) 当失步中心电压从正值过零点变为负值时记为一次加速失步；

(2) 当失步中心电压从负值经过零点变为正值时记为一次减速失步。

失步起动诊断元件动作后，开始分别统计加速失步和减速失步次数。

如果失步保护在系统两侧功角较大时跳闸解列，对开关的拉弧能力冲击较大。为了避免这种情况的发生，特增加系统两侧功角差小于整定值作为辅助判断条件。即当失步次数大于整定值Nset且系统两侧功角差小于整定值δset时，失步跳闸时机选择元件动作。其逻辑如图6所示。

图6 跳闸时机选择元件逻辑Fig.6 Logic of selection of OOS

综上，当失步起动诊断元件、失步区域判断元件和失步跳闸时机选择元件同时动作时，失步保护动作将系统解列。失步保护动作逻辑如图7所示。

图7 失步保护动作逻辑Fig.7 Trip logic of out-of-step

4 RTDS仿真分析

4.1 仿真系统介绍

为了考核本文提出的失步保护方法在系统失步时的动作行为，搭建如图8所示的RTDS实验仿真系统[15-17]。

图8 三机两区域系统Fig.8 Three-terminal equivalent system

该系统为简单三机两区系统。系统电压为275 kV，工作频率为50 Hz。线路MS与SN的参数相同且长度均为50 km，其参数如表1所示。

表1 仿真模型线路参数Table 1 Line parameter of simulation module Ω·km-1

失步保护装置安装在M侧。实验时，将M侧发电机机端电压控制在50 Hz，通过改变S侧、N侧发电机机端电压的输出频率，模拟失步发生在Ⅰ区或Ⅱ区。

重点考察本失步保护的失步起动诊断功能、失步保护区域判断功能和失步跳闸时机选择功能。失步保护装置中正、反方向阻抗定值按照被保护线路的全长整定，并留一定裕度；失步次数Nset整定为2；系统两侧功角差定值δset整定为60°。

4.2 仿真结果分析

仿真结果如图9—11所示，图中GA1VA-GA1VC表示三相电压；GA1IA-GA1IC表示三相电流；78.OOS_St表示失步保护起动信号；78.OOS_Op表示失步保护动作信号。图9—10表明，当失步中心位于被保护线路时，无论是加速失步还是减速失步，无论失步周期的长短，失步保护装置均能正确诊断出系统发生了失步，且在设定的跳闸时间条件下(Nset=2，δset<60°)动作跳闸，将系统解列。

图11表明，当失步中心不在区域距离继电器范围内时，失步保护可靠不动作，保证下级线路的失步保护优先动作。

图9 失步保护动作波形 (I区失步、加速失步、周期1.5 s)Fig.9 Operation wave of OOS (Area I,Acceleration OOS, 1.5 Seconds)

图10 失步保护动作波形 (Ⅰ区失步、减速失步、周期0.5 s)Fig.10 Operation wave of OOS (Area I,Deceleration OOS, 0.5 Seconds)

图11 失步保护不动作波形 (Ⅱ区失步，区域继电器范围之外)Fig.11 No operation wave of OOS (Area II, Out of Regional Distance Relay)

通过上述仿真分析，证明本文提出的失步保护方法能正确判断系统是否发生失步，准确判断失步发生的区域，并能够在最佳时间跳闸将系统解列，以保证系统安全稳定运行[17,18]。

该方法已经在海外版失步保护装置中得到实施。并在韩国、巴西等多个国家和地区得到应用，目前运行情况良好。

5 结语

本文提出了一种综合判断电力系统失步的方法。该方法统筹考虑了系统发生失步时的有效特征，提高了基于单侧量判断系统失步的可靠性。同时该方法不受系统运行方式影响，定值整定简单，有效降低运维人员的工作量。最后通过RTDS仿真实验，验证了该方法的正确性。该方法已经在海外多个国家和地区得到工程应用，效果良好。

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(编辑 刘晓燕)

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

张洪喜

张洪喜(1983—)，男，河南鲁山人，工程师，从事电力系统继电保护的研究和开发工作(E-mail: zhanghx@nrec.com)；

沈 军(1975—)，男，江苏南通人，高级工程师，从事电力系统继电保护的研究和开发工作；

赵青春(1980—)，男，湖北武汉人，高级工程师，从事电力系统继电保护的研究和管理工作；

朱晓彤(1976—)，男，江苏常州人，高级工程师，从事电力系统继电保护的研究和管理工作。