基于广域信息的振荡中心实时定位及保护闭锁方法研究

2020-07-08康文博汤卓凡茅伟杰戴人杰李依琳耿继瑜

电力与能源 2020年3期

康文博，汤卓凡，茅伟杰，戴人杰，李依琳，耿继瑜

(1．国网上海市电力公司松江供电公司，上海 210600；2．国网上海市电力公司客户服务中心，上海 200030)

振荡中心的准确定位和追踪是电力系统振荡特性研究的重要内容之一，能够为距离保护的振荡闭锁及再开放方案的构建以及电力系统解列控制策略的制定提供有价值的参考依据[1-3]。

传统的振荡识别方法包括基于测量阻抗变化率的方法[4]、基于测量阻抗变化轨迹的方法[5-6]、基于振荡中心电压的方法[7-8]，以及基于视在阻抗角的方法[9]。基于测量阻抗变化率的方法准确度较高且不受系统运行方式变化影响，但保护再开放所需延时较长。与之类似的是基于测量阻抗变化轨迹的方法，根据测量阻抗对不同定值的阻抗继电器的穿越特性识别振荡，但难以适应系统的不同运行方式。基于振荡中心电压的方法主要利用振荡中心的电压幅值区分振荡和故障，该方法不受系统参数结构或运行方式变化的影响，但在系统两侧等效电动势幅值不等时有可能出现误判。基于视在阻抗角的方法根据保护测量电压与电流的夹角判断振荡，该类判据不受振荡周期变化的影响，但容易在线路潮流反向时发生误判。这些振荡识别方法的判据大多为线路两侧功角的函数，都能间接地反映出两侧系统的功角分离程度，从而捕获振荡中心。但在两侧电压幅值不等、振荡中心发生迁移的情况下，无法准确定位振荡中心，振荡识别方案可能误判。为此，有学者将广域信息引入到振荡识别方案中，利用实时测量的广域信息获取系统的振荡特征，文献[10]提出了基于两侧测量电压相角的振荡识别方案，但无法确定振荡中心在线路上的位置。文献[11-13]利用线路两侧频率差异能够捕捉振荡中心出现时刻，但难以在振荡中心动态迁移的情况下对振荡中心实时追踪。文献[14]利用线路两侧电压相量的关系识别振荡并提出闭锁方案，但振荡中心位于II段范围内时该方案闭锁时间较长，且需同时交互两侧电压幅值和相位信息。文献[15-19]提出了基于广域信息的振荡识别、保护闭锁与再开放方案，并指出实现振荡中心的实时追踪定位对于失步解列具有重要意义。

本文提出一种基于广域信息的振荡中心实时定位及保护闭锁方法。首先，根据本地电压电流相量及广域电压幅值信息，构建基于电压幅值比的振荡中心位置函数，提出振荡中心实时定位方法；在此基础上，引入能够体现振荡与故障差异特征的电气距离系数，据此构造振荡识别判据，并提出相应的保护振荡闭锁与再开放判据。PSCAD仿真验证表明，该方法能够实时定位电力系统振荡中心位置，有效减少距离保护在振荡初期不必要的闭锁时间。

1 振荡与故障的相量平面分析

1.1 振荡的相量平面分析

图1 系统振荡分析模型

图2 M侧测量电压移动轨迹图

图3 系统两侧电动势幅值不等时的电压电流相量图

根据图3可知，振荡中心相对于保护安装处的距离MC与NC同时受两侧等效电动势幅值、保护背侧阻抗及功角的影响，但以保护的角度来看，这三个因素共同作用主要表现为保护安装处的电压相量的变化，因而可以用线路两侧测量电压相量关系表征振荡中心的位置。下面通过分析求解φ、δ以及振荡中心的位置。

图3存在如下三角函数关系：

ke=Un/Um
k1=MC/SCk2=NC/RC

(1)

式中ke——线路两侧测量电压幅值之比；k1，k2——M侧和N侧保护安装处到振荡中心的电压降与等值机内电势点到振荡中心电压降的幅值之比。

(2)

定义振荡中心位置函数表示振荡中心到侧保护安装处的距离与线路全长之比，由图3及式(1)中第一个方程可知：

(3)

由式(3)可知，振荡中心位置是两侧电压幅值比ke及测量电压与振荡中心电压夹角φ1的函数，根据式(3)能实时追踪振荡中心位置。根据图3可知，振荡中心相对于保护安装处的距离MC、NC同时受两侧等效电动势幅值、保护背侧阻抗及功角的影响。但以保护角度来看，这三个因素共同作用主要表现为保护安装处的电压相量的变化，因而可以用线路两侧测量电压相量关系表征振荡中心的位置，如式(3)所示。根据式(3)，振荡中心将向线路电压幅值较小的一侧偏移。

图4为振荡中心轨迹跟随φ1变化的曲线图，自上而下分别为ke在0.8～1.2范围内变化时，振荡中心的变化轨迹。ke>1时，振荡中心位于线路MN上靠近M的一侧；ke<1时，振荡中心位于线路MN上靠近N的一侧；ke=1时，振荡中心位于线路MN的中点处。

图4 振荡中心轨迹跟随变化曲线图

定义保护安装处到振荡中心的电压与等值机内电势点到振荡中心的电压之比为电气距离系数，线路两侧的电气距离系数分别为

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可看出，该系数本质是振荡中心到母线的电气距离与振荡中心到系统等值机内电势点的电气距离之比。将式(2)、式(4)及式(5)代入式(1)中的第3个和第4个方程可得：

(6)

(7)

在M侧保护安装处电压与电流之间的夹角可测的情况下，式(6)和式(7)中的变量均已知，因此，图3中线路两侧电压间的相角差：

(8)

同时，系统等效电势夹角：

(9)

φ1=φui+90°-φline。

1.2 故障的相量平面分析

系统对称性故障的相量图如图5所示，F为故障点。在故障回路中：

(10)

图5 对称性故障相量分析图

(11)

(12)

式中β——故障点到M侧保护安装处占线路全长的比例，该比例取决于故障点的位置。

2 振荡识别及振荡闭锁开放策略

2.1 振荡识别判据

由式(6)、式(7)和式(9)可以计算出线路两侧功角，根据振荡与故障时功角变化的特征差异，构造振荡识别判据：

(13)

当系统功角大于门槛值时，应闭锁本级线路保护，以避免振荡中发生相邻线路短路导致本级保护误动。反之，应立即开放本级线路与相邻线路的距离保护，以减少系统振荡早期功角尚未摆开时距离保护被不合理闭锁的时间。

根据式(13)进行振荡识别计算还需要考虑以下因素。

(14)

N侧保护背侧阻抗可用同样方法求得。

(15)

(16)

如图6所示，在两侧电压幅值不等，且系统振荡初期功角未摆开的情况下，振荡中心可能不在线路MN上。

为了避免误判，需要将式(15)和式(16)作为振荡闭锁的辅助判据。当式(15)和式(16)同时成立，通过式(6)和式(7)能够精确计算系统两侧功角。当式(15)和式(16)不同时成立，且计算出的功角较大时，应开放保护。

图6 振荡初期两侧电压幅值不等的相量分析图

2.2 振荡闭锁开放判据

系统振荡识别流程如图7所示。通过线路两侧保护安装处采样值计算夹角φ1与底角θ1，θ2，并将线路两侧电压幅值比ke代入式(9)计算系统等效电势夹角δ。若式(13)、式 (15)与式(16)同时成立，则将保护闭锁，并追踪计算振荡中心位置函数α，否则保持保护开放。

根据该方案，距离保护I段、II段如果动作，将检测振荡闭锁标志位，若为0则直接开放保护，若为1则根据式(4)计算电气距离系数。

图7 系统振荡识别流程图

若振荡中发生对称性故障，电气距离系数会发生突变，据此构造保护开放判据如下：

(17)

式中 Δt——采样间隔。

k1(n)-k1(n-k)≥0.02

(18)

式中k1(n)——突变时的k1值；k1(n-k)——突变前k个采样点的的k1值，可以按照半个周波内采样点的个数取值。

基于式(17)主判据与式(18)辅助判据，能实现振荡中故障保护的快速可靠开放，见图8。

图8 距离保护再开放动作流程图

3 仿真验证

3.1 仿真系统

利用PSCAD搭建如图9所示双机系统模型，参数如表1所示。

图9 仿真系统

表1 仿真系统参数

3.2 振荡中心实时定位与振荡闭锁仿真

当δ=10°时，系统发生全相振荡，周期为1 s，系统两侧功角曲线如图10所示。

图10 振荡周期为1 s时系统两侧功角计算结果

根据式(13)进行判断的仿真结果见图11和图12，在系统振荡初期，两侧功角的幅度不大，在半个振荡周期左右，功角变化率突然增加，然后迅速下降。据此可以推算系统的振荡周期，在两侧功角尚未摆开时快速开放保护，能有效减少振荡初期保护闭锁时间，本文所述方法保护闭锁的时间约为一个完整的振荡周期振荡周期的1/3。