董希建，楊 海，劉 平，李雪明，李德勝，李惠軍

電力系統(tǒng)事故過負(fù)荷的識別及緊急控制

董希建，楊 海，劉 平，李雪明，李德勝，李惠軍

(南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 210003)

電力系統(tǒng)發(fā)生事故過負(fù)荷時，安全穩(wěn)定控制裝置和繼電保護裝置的過負(fù)荷判據(jù)和作用對象均有顯著區(qū)別，從過負(fù)荷判據(jù)和過負(fù)荷動作行為兩方面指出安全穩(wěn)定控制用的過負(fù)荷判據(jù)與線路或變壓器過負(fù)荷判據(jù)的區(qū)別。指出當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故過負(fù)荷時，線路或變壓器的后備保護必須具備選擇性，不能誤動作。針對安全穩(wěn)定控制裝置的過負(fù)荷判據(jù)，從電力系統(tǒng)和判據(jù)設(shè)計兩個方面介紹了過負(fù)荷判據(jù)增加防誤判據(jù)的具體方法。另外，結(jié)合系統(tǒng)運行方式，介紹了切實可行的可以避免控制措施過量的手段。實際運行經(jīng)驗表明，上述方法能有效提高運行可靠性，證明了方法的正確性和有效性。

事故過負(fù)荷；安全穩(wěn)定控制裝置；繼電保護裝置；后備保護；過負(fù)荷判據(jù)；防誤判據(jù)

0 引言

電力系統(tǒng)的過負(fù)荷(也稱作過載)分為正常過負(fù)荷和事故過負(fù)荷兩種。正常過負(fù)荷一般利用設(shè)備的短時過負(fù)荷能力，在設(shè)備允許的時間范圍內(nèi)通過調(diào)整運行方式來消除過載；事故過負(fù)荷時，通過控制措施限制或消除設(shè)備過負(fù)荷，由安全穩(wěn)定控制裝置(簡稱穩(wěn)控裝置)實施切機、切負(fù)荷、提升或回降直流功率等控制措施來限制設(shè)備過負(fù)荷[1]。

大電網(wǎng)間多回聯(lián)絡(luò)線中的一回或多回故障被繼電保護裝置切除、若剩余運行聯(lián)絡(luò)線事故過負(fù)荷而被距離III段誤切除，再次加劇潮流轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致更多的線路過負(fù)荷和被切除，連鎖反應(yīng)的后果就是導(dǎo)致大范圍的停電事故，國內(nèi)外近十年內(nèi)數(shù)次大停電事故，或多或少與過負(fù)荷時后備保護先于自動裝置動作有關(guān)[2]；在國外的一些大停電事故中，保護裝置在事故過負(fù)荷時誤切除線路甚至是導(dǎo)致大停電事故的直接原因。目前，防止后備保護誤動作的研究很多，主要集中在兩個方面：① 從基于就地量測信息的繼電保護原理入手，尋找防止距離Ⅲ段在過負(fù)荷情況下誤動的方法[2-3]；② 基于廣域量測信息，研究、開發(fā)廣域(后備)保護，利用電網(wǎng)多源量測信息實現(xiàn)故障元件的快速識別與隔離，克服傳統(tǒng)后備保護在大范圍潮流轉(zhuǎn)移時易誤動的缺陷，探索從“三道防線”協(xié)調(diào)的角度統(tǒng)籌考慮問題的方向[4-6]。目前，線路距離保護已具有防止事故過負(fù)荷時誤動行之有效的方法；廣域保護的概念和框架則較為寬泛，目前仍以理論研究為主，鮮有實際的工程應(yīng)用，而穩(wěn)控裝置(系統(tǒng))可以被理解為廣域保護的一種或者組成部分，由于具有便于廣域布點、利于策略協(xié)調(diào)等優(yōu)點，在系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

潮流轉(zhuǎn)移引起事故過負(fù)荷時，后備保護應(yīng)該快速閉鎖，而由穩(wěn)控裝置采取相應(yīng)的緊急控制措施消除線路或變壓器等元件的過負(fù)荷。關(guān)于事故過負(fù)荷的緊急控制方法以及防止緊急控制措施失當(dāng)引發(fā)連鎖故障等方面均有論述[7-9]，但都是介紹的算法和算例，未給出工程實現(xiàn)方法和系統(tǒng)控制效果。若在裝置上實現(xiàn)這些算法，需要基于廣域量測信息，受設(shè)備投資與維護成本所限，電網(wǎng)中用于實現(xiàn)過負(fù)荷控制的穩(wěn)控裝置在實用化時，一般基于本地量測信息，單站配置；當(dāng)確需廣域量測信息時，采用主站-子站(執(zhí)行站)式結(jié)構(gòu)，主站與分區(qū)內(nèi)子站(執(zhí)行站)交互有限和必要的相關(guān)信息，實現(xiàn)控制策略協(xié)調(diào)，進而實現(xiàn)過負(fù)荷控制及輔助決策。

一般認(rèn)為，在穩(wěn)控裝置上應(yīng)用的過負(fù)荷判據(jù)是最簡單和可靠的，但結(jié)合多年的系統(tǒng)運行經(jīng)驗，筆者認(rèn)為該判據(jù)仍然有值得探討、研究和改進的空間，無論是動作判據(jù)本身還是防誤判據(jù)。從保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行角度出發(fā)，研究并理清穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷判據(jù)，尋找恰當(dāng)?shù)姆勒`判據(jù)是必要的，這與防止后備保護在事故過負(fù)荷時誤動作同樣重要，二者對于互聯(lián)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行均具有極為重要的意義。

探討穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷判據(jù)和動作行為時，理清第一道防線的繼電保護裝置和第二道防線的穩(wěn)控裝置在過負(fù)荷判據(jù)和動作行為方面的異同是必要的，繼電保護的過負(fù)荷判據(jù)和理念于穩(wěn)控裝置有可借鑒之處。

由于用于解決 110 kV及以下電壓等級的輸電線路事故過負(fù)荷的穩(wěn)控裝置應(yīng)用相對較少，本文主要討論 220 kV及以上電壓等級的輸電線路或變壓器的過負(fù)荷判據(jù)。

1 繼電保護和穩(wěn)控裝置過負(fù)荷判據(jù)的區(qū)別

繼電保護裝置和穩(wěn)控裝置對于過負(fù)荷的識別有本質(zhì)區(qū)別，無論是過負(fù)荷判據(jù)還是判出元件過負(fù)荷之后的控制措施和對象都不一樣。

1.1 繼電保護裝置的過負(fù)荷判據(jù)

線路保護、變壓器保護的過負(fù)荷一般按相電流判別，當(dāng)監(jiān)測到任意相電流大于“相電流過負(fù)荷定值”、且持續(xù)時間大于“相電流過負(fù)荷時間”，即判為過負(fù)荷，邏輯如圖1所示。

1.2 穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷判據(jù)

表征輸電線路載流能力的本質(zhì)是最大允許載流溫度和對地安全凈距，而非載流量[10]，文獻(xiàn)[11]給出了輸電線路載流能力的實用計算方法；文獻(xiàn)[12]則從調(diào)度運行角度給出了一種實用的電網(wǎng)斷面熱穩(wěn)定極限的快速評估方法。由于相對于載流量的瞬變，溫度和弧垂根據(jù)環(huán)境氣象條件等因素的變化過程更為緩慢，工程上以載流量作為過負(fù)荷的判斷對象，即不充分利用熱穩(wěn)定約束與載流量不同步的這段時間。雖然手段和措施趨向保守，但這對設(shè)備的安全運行具有重要意義。

穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷一般設(shè)計為至少兩相電流大于“過載動作電流”、且持續(xù)時間大于“過載動作時間”，判為過負(fù)荷。一些過負(fù)荷判據(jù)還增加有功功率條件，即必須同時滿足電流和有功功率大于“過載動作電流/功率”、且持續(xù)時間大于“過載動作時間”，才判為過負(fù)荷。以電流作為主判斷量的過負(fù)荷判斷邏輯框圖如圖2所示。

圖2 穩(wěn)控裝置過負(fù)荷判據(jù)邏輯框圖Fig. 2 Logic diagram of overload in security and stability control equipment

1.3 繼電保護裝置的過負(fù)荷動作行為

線路保護判出線路過負(fù)荷后，發(fā)告警信號提醒檢查系統(tǒng)負(fù)荷，一般不會跳閘。變壓器保護判出高壓側(cè)過負(fù)荷，啟動風(fēng)冷和閉鎖有載調(diào)壓；中低壓側(cè)判出過負(fù)荷，則告警提醒。

1.4 穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷動作行為

穩(wěn)控裝置判斷元件過負(fù)荷是系統(tǒng)熱穩(wěn)定控制的需要，在判出元件過負(fù)荷后，需要采取切機或切負(fù)荷等控制措施，以限制或消除元件過負(fù)荷。

2 過負(fù)荷時動作選擇性分析

兩個電網(wǎng)通過多回交流線路互聯(lián)，在系統(tǒng)發(fā)生故障、保護裝置切除一回線或多回線的情況下，被切除線路的負(fù)荷會轉(zhuǎn)移到剩余的運行聯(lián)絡(luò)線上，形成事故過負(fù)荷，此時，穩(wěn)控裝置動作，通過切除一定數(shù)量的機組或負(fù)荷，達(dá)到消除剩余聯(lián)絡(luò)線過負(fù)荷目的。在此期間，不允許繼電保護裝置動作，因為繼電保護動作切除過負(fù)荷線路會再次加劇負(fù)荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致更多的線路過負(fù)荷，連鎖反應(yīng)的后果就是導(dǎo)致大范圍的停電事故。

事故過負(fù)荷一般會對距離繼電器產(chǎn)生不良影響，距離III段繼電器在一些情況下會誤動作。目前，通過增加限制條件，在防止距離III段誤動方面已經(jīng)取得了良好的效果。

那么，基于作為線路后備保護的距離III段繼電器在事故過負(fù)荷時可能誤動的事實，作為變壓器后備保護的過流保護在事故過負(fù)荷時是否也存在誤動作的可能性又該如何防止其誤動作呢？

按照文獻(xiàn)[13]的要求，變壓器應(yīng)具備短期急救負(fù)荷運行的能力。比如，并列運行的兩臺變壓器，如果正常運行時負(fù)載率都比較大，當(dāng)其中一臺因故障停運時，負(fù)荷將全部轉(zhuǎn)移到另外一臺，可能會造成運行的變壓器過負(fù)荷。此時，作為變壓器總后備的過流保護不應(yīng)動作，所以過流保護一般應(yīng)經(jīng)復(fù)合電壓閉鎖(復(fù)合電壓指相間電壓低或負(fù)序電壓高)。簡而言之，變壓器的過流保護應(yīng)在短路故障時動作，穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷保護應(yīng)在事故過負(fù)荷期間動作。

3 穩(wěn)控裝置的過負(fù)荷防誤判據(jù)

一般來講，一個準(zhǔn)確可靠的判據(jù)要從系統(tǒng)和設(shè)計兩個方面考慮防誤。系統(tǒng)防誤是指：當(dāng)故障發(fā)生時，能夠準(zhǔn)確的識別出故障；而當(dāng)其他擾動發(fā)生時，通過采取合理的防誤手段，不致誤判。設(shè)計防誤是指：在實現(xiàn)判據(jù)的編程環(huán)節(jié)，針對可預(yù)見的導(dǎo)致誤判的可能性，人為增加防誤手段，防止故障事故未發(fā)生而裝置誤判。

3.1 過負(fù)荷判據(jù)的系統(tǒng)防誤

穩(wěn)定控制用的過負(fù)荷判據(jù)，基于發(fā)生事故過負(fù)荷時的熱穩(wěn)定控制需要，由于事故過負(fù)荷由潮流轉(zhuǎn)移引起，表現(xiàn)為三相都過負(fù)荷，過負(fù)荷判據(jù)應(yīng)設(shè)計為三相或者至少兩相過負(fù)荷，當(dāng)發(fā)生短路故障時，應(yīng)該能夠可靠閉鎖。

非對稱性故障發(fā)生時，電壓或電流會有較大的負(fù)序或零序分量出現(xiàn)，通過零、負(fù)序分量過大閉鎖過負(fù)荷判據(jù)；對稱性故障發(fā)生時，電流較大、可能會滿足“過載動作電流”定值，但一般伴隨著電壓下降，通過低壓閉鎖過負(fù)荷判據(jù)。從而，過負(fù)荷的系統(tǒng)防誤判據(jù)設(shè)計為：系統(tǒng)電壓和電流的零、負(fù)序分量正常并且電壓幅值在合理范圍之內(nèi)，才開放過負(fù)荷判斷。增加系統(tǒng)防誤判據(jù)后的過負(fù)荷判據(jù)邏輯框圖如圖3所示。

圖3 結(jié)合系統(tǒng)防誤的過負(fù)荷判據(jù)框圖Fig. 3 Comprehensive logic diagram of overload

3.2 過負(fù)荷判據(jù)的設(shè)計防誤

如前所述，過負(fù)荷判據(jù)基于過量動作原理，即裝置采樣值大于動作定值、并且持續(xù)的計時時間大于時間定值即動作?？梢韵胂?，如果在軟件運行中出現(xiàn)定值不正常甚至變零的情況，裝置可能誤動作。

基于此，在設(shè)計判據(jù)時就要考慮時間(動作)定值浮空、變零等不穩(wěn)定狀態(tài)(類似情況一般發(fā)生在擦寫Flash定值芯片或者程序初始化期間)時，過負(fù)荷判據(jù)的防誤。

下面從邏輯判斷使用定值和定值存儲(讀取)兩個方面來說明設(shè)計防誤方法。當(dāng)然，在具體應(yīng)用時包含但不限于這兩種防誤方法。

3.2.1 邏輯使用定值時的防誤

目前，電網(wǎng)內(nèi)線路或變壓器的過負(fù)荷定值整定一般有反時限和定時間級差兩種方法。兩個典型電網(wǎng)(電網(wǎng)1：反時限；電網(wǎng)2：定時間級差)的線路過負(fù)荷定值整定方法如表1、表2所示。

表1 電網(wǎng)1過負(fù)荷定值整定方法Table1 Fixed value of overload in power grid 1

表2 電網(wǎng)2過負(fù)荷定值整定方法Table 2 Fixed value of overload in power grid 2

可見，電網(wǎng)1的過負(fù)荷動作定值按輪次遞增，而電網(wǎng)2的過負(fù)荷動作定值各輪相同。下面以過載第1輪動作判據(jù)為例，說明邏輯使用定值時的防誤方法。如前所述，過載第1輪的動作判據(jù)為

同時滿足式(1)、(2)，并且已經(jīng)滿足過載啟動條件，則判為過載第1輪動作。

在設(shè)計判據(jù)時，為防止Idz1突變?yōu)?，可將過載第1輪動作判據(jù)設(shè)計為

同時滿足式(3)~(6)，并且已經(jīng)滿足過載啟動條件，才判為過載第1輪動作。其中，式(3)、(5)為原判據(jù)，增加式(4)、(6)防誤。式(4)中N可取為5，躲過電網(wǎng) 1反時限整定方法的最末一輪的動作定值即可，式(6)中Tratio為裝置計時分辨率，一般可取為0.1 s。

增加式(4)的理由是：若定值 Idz1突變?yōu)?0，即使?jié)M足式(3)、但不會滿足式(4)，采樣值不可能大于等于零的同時又小于零。從而保證極端情況定值變零時裝置的可靠性。

當(dāng)然，裝置應(yīng)該具備監(jiān)視定值異常的功能：對于過載各輪動作定值，若運行中檢測到其明顯小于熱穩(wěn)定極限值時，應(yīng)告警并發(fā)出異常提醒信號。

3.2.2 定值存儲(讀取)的防誤

所謂定值存儲(讀取)的防誤是指：整定定值存儲在Flash的同時轉(zhuǎn)存一份到RAM中，隨存的還有計算得出的CRC校驗碼。程序運行時定期比較兩個CRC碼，若CRC一致，從RAM中讀取、使用定值；若CRC不一致，告警并閉鎖裝置。這種方法避免了直接讀取、使用未經(jīng)校驗定值的情況。

由此可見，電力系統(tǒng)中采用過量動作原理的判據(jù)，如過頻切機和過頻解列、過壓解列等，在設(shè)計和開發(fā)判據(jù)時，都應(yīng)該具備或者增加與3.2.1和3.2.2相當(dāng)?shù)姆勒`性能的設(shè)計防誤手段。

4 系統(tǒng)過負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制

不同于單一元件保護的繼電保護裝置，作為“系統(tǒng)保護”的穩(wěn)控裝置(系統(tǒng))，其采集、掌握的信息(包括多元件的電氣量、系統(tǒng)的運行方式等)比繼電保護裝置更多、更全面。那么，在實施熱穩(wěn)定控制時，就有條件相對系統(tǒng)地制定控制策略，以實現(xiàn)多元件之間的協(xié)調(diào)控制。

控制策略往往需要根據(jù)具體的接線和運行方式制定，不一而足，應(yīng)在具體工程中靈活設(shè)計。僅以從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上形成串聯(lián)關(guān)系的兩回線為例(比如一個半開關(guān)接線在特定運行方式下的同串內(nèi)線路)由于線型及過負(fù)荷承受能力一般一致，為防止事故過負(fù)荷發(fā)生時，兩回線同時判出過負(fù)荷動作，造成負(fù)荷/機組過切。具體實施控制時，當(dāng)判斷出其中一回線過載某1輪動作、實施熱穩(wěn)定控制措施的同時，閉鎖另一回線的該輪過載判斷T秒。當(dāng)然，此方法以過載輪次延時定值級差大于T秒為前提。

5 結(jié)語

配備于穩(wěn)控裝置中的過負(fù)荷控制功能是保證電力系統(tǒng)在遇到事故過負(fù)荷時的穩(wěn)定性而采取的緊急控制手段，其控制措施包括切除機組/負(fù)荷、調(diào)整機組出力或快速提升/回降直流等，涉及的控制對象范圍十分廣泛。因此，過負(fù)荷控制的主判據(jù)必須可靠，必要時須輔以可靠、穩(wěn)定、易于操作的防誤判據(jù)；另外，在一些系統(tǒng)中，甚至需要根據(jù)系統(tǒng)接線方式或運行特點協(xié)調(diào)過負(fù)荷控制的控制策略以防控制措施失當(dāng)。

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Criterion of accident overload and emergency control

DONG Xijian, YANG Hai, LIU Ping, LI Xueming, LI Desheng, LI Huijun
(State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

When accident overload occurs, there are many differences between security and stability control equipment and relay protective equipment. This paper points out the differences in criterion and action of overload, which are used in security and stability control equipment and relay protective equipment. First, it points out that the line or transformer’s backup protection should act rightly when accident overload occurs. Second, it introduces specific ideas in system and design to prevent false judgment. And third, it introduces some methods which can prevent over excess control measures. The practical operation experience proves that these methods can improve the operation reliability. So, the methods are right and effective.

accident overload; security and stability control equipment; relay protective equipment; backup protection; criterion of overload; criterion of preventing mal-operation

2015-10-19；

2015-12-25

董希建(1982-)，男，通信作者，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制；E-mail: dongxijian@ sgepri.sgcc.com.cn

(編輯 姜新麗)

10.7667/PSPC151845

楊 海(1987-)，男，本科，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制。