交流输电断面近区失步解列装置适应性研究

刘瑞彩，常东旭，郭琦，朱益华，朱煜昆，武明康，毛李帆

(1.海南电网有限责任公司，海口570203；2. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663；3. 广东省 新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广州510663；4.中国南方电网公司电网仿真重点实验室，广州510663)

0 引言

广西-广东交流输电断面(以下简称“两广断面”)是南方电网主网最为重要的交流输电断面，由北通道桂林-贤令山双回、中通道贺州-罗洞双回、梧州-卧龙-罗洞+梧州-罗洞双回以及南通道茂名-蝶岭双回共9回500 kV线路构成。由于潮流分布不均衡，两广断面长期压极限送电，安全稳定问题突出[1 - 2]。近年来，随着广东电网火电机组“上大压小”以及改扩建工程的实施，两广断面近区的调顺电厂、乌石湾电厂、阳西电厂和博贺电厂等陆续投产并通过500 kV线路直接接入主网。这些电厂装机容量巨大，如阳西电厂单机容量达到1 240 MW，并网机组或线路发生严重故障时，易导致电厂对主网失步，需要快速解列以避免影响主网稳定；同时随着昆柳龙直流、海南联网二通道等工程的建设和投产，都对两广断面的潮流分布和稳定特性产生了较大影响[3 - 4]，对作为电网最后一道防线的失步解列装置提出了新的要求。

两广断面各回联络线双侧均配置了就地和广域的失步解列装置，两广断面近区的500 kV及220 kV电厂也都配置了失步解列装置[5 - 8]。一方面，为适应网架结构和运行方式的变化，需要重新校核失步解列判据和动作逻辑的适应性，特别是部分厂家新研发的装置或者旧型号装置更新换代后，没有经过严格的动态模拟试验，在某些特殊运行方式或故障冲击下可能存在不正确动作的现象，影响系统的安全稳定运行[9 - 10]；另一方面需要研究两广断面联络线与电厂的失步解列装置协调配合的策略，即当电厂对主网失步时应快速解列，避免振荡中心转移到主网内部，引起两广断面解列；同时若主网发生失步且振荡中心落在两广断面上，应通过振荡周期和区域继电器的整定配合避免电厂失步解列装置误动作，扩大事故范围，影响解列后系统稳定的快速恢复[11 - 12]。

本文从两广断面近区实际的失步解列装置配置出发，基于RTDS实时仿真系统，建立了以博贺电厂近区网架为基础的等值系统模型，结合其等效双机系统模型，近似定量计算了振荡中心位置和失步最小测量电压，以实现对失步解列功能逻辑的精确测试；基于该等值模型模拟可能导致系统失步的典型故障，对各种型号的失步解列装置进行遍历校核，并结合理论分析，对仿真试验中发现的问题提出具体的改进措施，提高了装置判据设计的可靠性；之后建立详细的全网一次系统模型，研究两广断面联络线和近区电厂失步解列装置的配合关系，提出了相应的协调优化建议。本文提出的相关改进措施已在现场实施。

1 两广断面近区失步解列装置配置

两广断面联络线及近区电厂配置的失步解列装置普遍采用了基于Ucosφ和相位角原理的失步判据。Ucosφ反映线路两侧功角的变化规律，可根据其轨迹逐级穿越7个不同区域判断失步；相位角原理根据失步后失步安装点相角变化的规律判断失步；装置均设置了区域继电器，当失步安装点测量的最小电压满足低电压定值时，失步解列动作[13]。以上两种判据简单可靠，定值整定不依赖于系统运行方式和网架结构，因此得到了广泛应用。

两广断面近区电厂包括中通道的500 kV的富川电厂、博贺电厂和220 kV云浮电厂、云浮C厂和定能电厂等；南通道的500 kV调顺电厂、乌石湾电厂和阳西电厂等。上述电厂安装的失步解列装置型号较多，包括Ucosφ原理的RCS- 993、PCS- 993型号；也包括相位角原理的UFV- 2F及GFWK-F等型号；失步解列装置一般动作于分轮切除机组(有部分电厂为解列线路)，低电压定值一般整定为0.5Un(Un为失步解列装置安装点的线路额定电压)。

两广断面联络线双侧大都配置了失步解列装置，失步解列装置采用了基于Ucosφ原理的PCS- 993型失步解列子站装置，具备就地失步解列和远方失步解列功能。两广断面在茂名站配置了失步解列控制主站，能够对两广断面的失步解列装置进行统一管理，实现广域失步解列[8]。目前广域失步解列系统处于试运行状态，仅就地失步装置投出口，动作于解列联络线。两广断面联络线的失步振荡周期一般整定为2次，低电压定值整定为0.5Un(罗洞站为0.65Un)。两广断面近区失步解列装置配置如图1所示。

图1 两广断面近区失步解列装置配置示意图Fig.1 Configuration diagram of out-of-step separation devices near Guangxi-Guangdong section

近年来，两广断面各厂站的失步解列装置陆续更换了新型号的失步解列装置，同时两广断面的稳定特性也发生了较大的变化，需要开展详细的动态实时仿真试验，研究校核失步解列装置的可靠性以及装置的协调配合策略等。

2 失步解列装置可靠性校核

以博贺电厂近区网架结构为基础，建立起可进行简单定量分析的等值系统模型，以考察各种型号失步解列装置判据的可靠性。

2.1 等值模型与等效双机系统

以博贺电厂接入卧龙变的500 kV网架为基础，建立等值系统模型如图2所示。发电机额定容量为2×1 000 MW；广西电网在梧州侧等值为发电机，广东电网在罗洞侧等值为无穷大电源，卧龙的220 kV网络等值为负荷。通过图2设置的故障点，遍历校核安装在电厂出线侧(图中D1点)和系统侧(图中D2点)的失步解列装置在各种常规故障及组合故障下的动作行为。本次试验将RCS- 993、PCS- 993及GFWK-F等型号装置串联同步开展试验，以准确比较两广断面近区电厂各种型号失步解列装置动作的一致性。电厂各装置配置了2轮动作切机，失步1轮振荡次数Ns1设置为2次，失步2轮振荡次数Ns2设置为4次，每轮动作切1台机；低电压定值设置为0.5Un；装置不判失步方向，即振荡中心位于失步解列装置的正反方向均可动作。

为了能够简单定量计算失步振荡中心和失步安装点最小电压，将上述等值系统模型等效为双机系统模型，根据实际参数折算的等效阻抗ZM(失步安装点本侧阻抗，包含发电机及变压器阻抗等)、ZL1、ZL2(2段线路的阻抗)和ZN(系统侧等效阻抗)的标幺值如图2所示。

图2 等值系统模型Fig.2 Equivalent system model

(1)

(2)

(3)

(4)

通过图2所示的等效阻抗，由式(3)和(4)可近似定量计算可能的开机方式和故障形式导致系统失步时D1测量点对应的振荡中心位置和最小电压如表1所示。本模型能保证振荡中心落在电厂或L1、L2线路上，且测量点最小点电压均满足小于0.5Un，可实现对失步解列装置动作特性的精确校核。

基于上述试验模型，模拟L1、L2各个故障点(图2中的k11、k12、k13、k14、k21、k22、k23、k24)的单相永久故障、相间短路故障以及三相短路故障等单一故障以及L3、L4、L53回线路N-2等组合故障，校核失步解列装置安装在D1点(电厂侧)和D2点(系统侧)的动作特性。试验结果表明：若失步解列装置安装在D1点，各型号装置均能够正确判断电厂对系统失步，并按照整定的振荡周期和低电压定值正确动作出口；若失步解列装置安装在D2点，由于失步振荡中心均落在电厂出线上(如表1计算结果)，各型号的装置均能根据低电压定值设置可靠不动作，验证了失步解列装置区域继电器配合的有效性。

表1 振荡中心和最小电压的近似定量计算结果Tab.1 Approximate quantitative calculation results of oscillation center and minimum voltagep.u.

但在进一步开展L1、L2单线主保护拒动和L1、L2线路组合故障导致系统失步时，发现了部分型号装置失步判据存在缺陷。本文对试验中发现的问题进行了研究，提出了具体的改进措施。

2.2 故障过程中闭锁失步判据的可靠性校核

失步解列装置一般采用零序电压、电流和故障低电压等闭锁判据来躲过近区故障，其中零序电流和零序电压闭锁判据用于躲过不对称故障，低电压闭锁判据用于躲过三相对称故障。试验发现，在线路单相或三相故障保护切除时间大于0.5 s时，部分型号失步解列装置不能正确躲过故障，在故障清除后不满足振荡周期定值就会动作出口切机。

典型仿真算例如下：失步解列安装点D1，电厂开机2×1 000 MW，L1线k13单相接地故障，由于故障点位于线路保护死区，由失灵保护0.5 s跳开L1三相线路；故障后系统失步。试验中发现某采用相位角原理的失步解列装置，L2线在故障清除后的第1个振荡周期就失步动作1轮，而其他失步解列装置均可正确按整定的振荡周期定值动作在第2个振荡周期失步动作第1轮，失步解列动作录波如图3所示。

根据相位角判据的原理，装置相位角通过θ= arctan(Q/P)计算得到，按照图4所示将4个象限划分为6个区[11]，以失步安装D1点为例，说明如下。

振荡中心在正方向：相位角θ依次穿过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，认为经历了1个振荡周期；

图3 单相故障保护拒动时失步解列动作录波Fig.3 Out-of step action waves when single phase fault relay fails to operate

图4 相位角原理失步轨迹示意图Fig.4 Out-of-step trajectory diagram of phase angle principle

振荡中心在反方向：相位角θ依次穿过Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区，认为经历了1个振荡周期；

振荡中心在失步安装点附近：测量电压小于20%Un，且相位角θ在Ⅰ区跳变到Ⅳ区，再回到Ⅰ区，作为1个振荡周期。

根据上述原理，故障过程中，装置软件的零序电压和零序电流延时(原始设计为5 s)闭锁失步判断、故障中的角度判别未完全闭锁；在故障清除的瞬间，由于系统电压很低(低于20%Un)的门槛，且相位角在0 °和180 °之间跳变，满足相位角判据中振荡中心落在失步安装点的特征(满足低电压同时θ在Ⅰ区和Ⅳ区跳变)，使得装置多计算了1个振荡周期，因而比整定周期提前动作。

由此，该异常的主要原因在于零序闭锁判据失效，误将故障恢复过程计入失步穿区计数。装置厂家对零序及低电压闭锁判据进行了修改，在零序闭锁判据满足时立即闭锁失步判断并清除所有失步穿区标志，等到三相电压平衡时立即开放失步判断。经对线路单相或三相故障时主保护拒动且切除延时大于0.5 s的所有故障形式进行了遍历校核，确认了上述修改的有效性。

同时，根据本次试验录波，L2线失步初始阶段，振荡中心首先落在安装点附近；切除1台机组后，由于ZM阻抗数值变大，振荡中心向电厂侧偏移，落在失步安装点的反方向，验证了由式(3)评估振荡中心位置方法的正确性。

2.3 振荡中心在安装点附近时装置适应性校核

当振荡中心落在失步装置安装点附近时，失步解列测量的电压较低，基于相位角原理的失步解列装置通过功率计算的相位角不准确；同时低电压闭锁逻辑可能导致某些相位角分区失步穿越计数被清0，使得装置对失步振荡轨迹刻画不准确。

图5 N-1.5故障时失步解列动作录波Fig.5 Out-of step action waves in case of fault N-1.5

为了解决上述问题，参考文献[16 - 17]，根据三相短路故障和失步振荡时失步安装点测量的包络线电压最大值Umax和振荡过程中有功功率变化量ΔP的不同特征，设置低电压闭锁的解锁条件如式(5)所示。

(5)

式中：Un为额定电压；P0为线路失步前有功功率。当同时满足上述2个条件时，重新开放相位角计算和穿区逻辑的判别。以上判据可有效区分三相短路故障产生的低电压和振荡中心附近产生的低电压，达到三相故障时可靠闭锁、失步振荡时正常开放失步判断的效果，如图5中所示的优化后的动作曲线。

经上述修改后，对L1、L2线路多个故障点的进行交叉组合故障仿真验证，失步解列装置均能够正确动作，确认了上述修改的有效性。

3 两广断面近区失步解列装置的协调配合

文献[13 - 15]表明多个失步解列装置在安装点距离较近时，可能会同时检测到系统失步振荡，因此需深入研究两广断面近区失步解列装置的协调配合问题。

本文基于RTDS系统建立了南方电网2020年典型运行方式全网全电磁暂态模型，2020年新投产的昆柳龙、禄高肇两回直流分别按昆北双低阀送广东2 500 MW、禄劝送肇庆3 000 MW运行，其它直流均按额定功率运行；牛从直流接入实际控制保护装置，其它直流系统采用全数字模型，构建了南方电网的全景仿真试验系统[18 - 20]。两广断面近区失步解列装置按照图1实际配置，其中配置了实际失步解列装置的电厂失步动作设置为2轮，每轮切1台机；部分未配置实际装置的220 kV电厂采用失步解列数字模型[8]，根据功角是否摆开180 °和振荡周期次数模拟实际装置动作解列电厂出线。

3.1 电厂对主网失步时装置动作特性

在500 kV博贺、阳西、富川、调顺和乌石湾电厂满发状态下模拟电厂2回出线“N-1.5故障”等组合故障时，电厂对主网失步，电厂侧失步解列装置均能够正确动作，快速切除机组或解列电厂出线；两广断面失步解列装置仅启动，没有动作出口；其他电厂失步解列装置未启动；电厂解列后，两广断面联络线的振荡迅速平息，电厂对主网失步时动作录波如图6所示。

图6 电厂对主网失步时动作录波Fig.6 Action waves when the power plant is out-of-step with the main network

3.2 两广断面失步时装置动作特性

基于本文设置的系统运行方式，若发生多回直流交叉跨越故障、两广断面近区线路或母线三相障主保护拒动时，可能导致两广断面失步。经大量仿真试验结果表明：

1)若两广断面失步解列系统各通道仅投本地失步解列功能且均整定为2周波解列时，两广断面各通道解列较慢，位于中通道附近的博贺电厂、定能电厂等电厂满足失步特征(如图7中黑实线所示的电厂出线功角)，上述电厂的失步解列装置动作，扩大了事故范围，影响了系统稳定的恢复；

图7 两广断面失步时动作录波Fig.7 Action waves when Guangxi-Guangdong section is out-of-step

2)若两广断面广域失步解列原则为“投1周期4取2解列[8]”(各通道整定为1周波解列，4个通道中2个通道判出失步，则解列所有通道)，则两广断面快速解列，近区电厂失步解列装置仅启动、不动作；两广断面解列且低频低压切负荷后，广东电网仍可保持稳定运行。如图7所示，广域失步解列动作后系统能快速恢复稳定(监视量为从西换流站电压)，且电厂失步解列装置能够可靠不动作。

综上，基于目前的失步解列装置配置和定值整定，在发生电厂对主网失步时，两广断面近区失步解列装置能够正确配合解列电厂机组或出线，平息振荡；在两广断面失步时，在目前仅投就地失步解列装置的解列方式下，可能会导致近区部分电厂失步解列装置误动作，不利于解列后系统稳定恢复；而采用目前处于试运行状态的广域失步解列系统可有效避免上述问题，建议有条件时尽快将两广断面广域失步解列系统投入正式运行。

4 结语

本文针对两广断面近区网架和失步解列配置，基于RTDS系统建立了等值电网模型和全网详细模型，对两广断面近区失步解列装置的解列判据、闭锁逻辑和协调配合措施进行了全面校核。针对发现的问题，提出了相应的改进措施和优化建议，并在实际系统中应用，保障了南方电网主网的可靠运行。本文提出的振荡中心位置和测量点最小电压的近似定量计算方法，可以为后续开展失步解列装置的精确动态校核提供参考。