夏彥輝 李小騰

（1. 南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153；2. 國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710054）

當(dāng)電力系統(tǒng)失去同步，為防止因事故擴(kuò)大造成全網(wǎng)崩潰，最基本的方法是在失步斷面將系統(tǒng)解列，解列后通過低頻低壓減載和高周切機(jī)裝置動(dòng)作，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。失步解列是防御大面積停電的最后一道屏障，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電力系統(tǒng)。

當(dāng)前工程實(shí)際應(yīng)用的失步解列裝置基于就地信息進(jìn)行失步判斷，裝置動(dòng)作的可靠性、同時(shí)性和快速性受到很大的制約，極大影響了解列后系統(tǒng)的穩(wěn)定恢復(fù)能力，最嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將無法正常解列或解列后的各子系統(tǒng)均無法恢復(fù)穩(wěn)定，導(dǎo)致全網(wǎng)性系統(tǒng)崩潰[1]。同步相量測量裝置（PMU）的廣泛應(yīng)用和通信技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)基于廣域測量信息的失步解列系統(tǒng)創(chuàng)造了條件[2-7]。

首先總結(jié)一下失步解列裝置原理的發(fā)展過程和現(xiàn)狀。

1）在20世紀(jì)50至70年代我國電網(wǎng)建立初期，失步解列裝置由繼電保護(hù)專業(yè)人員負(fù)責(zé)，很自然地想到利用測量阻抗的軌跡變化來判斷失步，通過檢測阻抗穿越多個(gè)阻抗圓（或阻抗矩形）判斷失步，對于相對簡單的電網(wǎng)，這一判據(jù)基本滿足失步解列的需要，所以一直沿用到20世紀(jì)90年代初。

2）20世紀(jì)90年代以來，我國電力系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸電，跨區(qū)交直流混聯(lián)等新情況不斷涌現(xiàn)，阻抗原理的判據(jù)由于整定計(jì)算復(fù)雜、運(yùn)行管理難度較大、對電網(wǎng)發(fā)展變化適應(yīng)性差，不能很好滿足電力系統(tǒng)的需要。在此背景下，我國在20世紀(jì)90年代中期提出了利用電壓與電流之間相位角判斷失步的判據(jù)，2002年又提出了振蕩中心電壓 ucosφ 判斷失步的判據(jù)，這兩種判據(jù)解決了阻抗原理存在的一些問題，很快得到了廣泛應(yīng)用。

3）前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代采用了聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電壓比相的原理判斷失步，限于當(dāng)時(shí)的通信技術(shù)條件，他們采用將本側(cè)電壓、電流加到阻抗模擬網(wǎng)絡(luò)的輸入端，在輸出端得到對側(cè)母線的電壓相量，然后進(jìn)行比相。日本電力公司在20世紀(jì)90年代也采用了電壓比相的方法判斷失步，并采用微波作為數(shù)據(jù)傳送通道。

4）目前電網(wǎng)更加復(fù)雜，簡單、分散的解列裝置已難以適應(yīng)系統(tǒng)的需求，同時(shí)光纖通信技術(shù)的發(fā)展和普及、線路光纖縱差保護(hù)的廣泛采用、同步采樣技術(shù)的成熟以及PMU裝置的廣泛應(yīng)用，為電壓比相原理失步判據(jù)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利的條件。

目前工程實(shí)踐中多采用以下3種失步判據(jù)[8]：

1）基于測量阻抗變化軌跡的失步判據(jù)。在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變的形勢下，基于該判據(jù)的裝置定值整定困難，因此在實(shí)際使用中逐步被以下介紹的采用相位角、ucosφ 判別原理的裝置所取代。

3）基于ucosφ 變化規(guī)律的失步判據(jù)。該方法利用監(jiān)測點(diǎn)采集到的電氣量計(jì)算得到 ucosφ 來表示振蕩中心的電壓[9]。

總之，目前工程實(shí)際采用的失步解列裝置基于就地電氣量進(jìn)行失步判斷，沒有結(jié)合復(fù)雜互聯(lián)電力系統(tǒng)的廣域電氣量信息，難以準(zhǔn)確定位振蕩中心。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 26399—2011電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》將振蕩中心兩側(cè)母線電壓相量之間的相角差從正常運(yùn)行角度逐步增加并超過 180°定義為該系統(tǒng)已失去同步。因此，判斷電力系統(tǒng)失去同步，最直觀的判據(jù)是失步振蕩中心兩側(cè)母線電壓的相角差越過180°。隨著時(shí)間同步技術(shù)的成熟和通信技術(shù)的發(fā)展，可靠地計(jì)算相角差成為可能，在此基礎(chǔ)上，將電力系統(tǒng)中大量安裝的PMU裝置通過通信構(gòu)建成廣域失步解列系統(tǒng)是研究大規(guī)模電力系統(tǒng)失步解列的重要技術(shù)路線。

廣域失步解列系統(tǒng)利用不同信息子站采集的廣域信息，設(shè)計(jì)合理的斷面失步解列控制策略，選擇合適的解列地點(diǎn)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)捕捉失步過程中由于相繼開斷而發(fā)生轉(zhuǎn)移的振蕩中心，協(xié)調(diào)不同的解列斷面，確保失步斷面的有效解列，為解列后的電網(wǎng)快速恢復(fù)穩(wěn)定創(chuàng)造條件，可縮小嚴(yán)重故障情況下的停電范圍。

本文提出了基于廣域測量信息進(jìn)行失步判別的基本原理及其實(shí)現(xiàn)方案，通過在大電網(wǎng)上的仿真，驗(yàn)證了廣域失步解列系統(tǒng)的可行性，體現(xiàn)了其相對于基于就地量判據(jù)的失步解列裝置的優(yōu)越性。

1 相角差基本原理

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，失步振蕩中心主要落在失步機(jī)組與主電網(wǎng)之間或跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)之間的輸電線路、變壓器上。用圖1所示的兩機(jī)等值電力系統(tǒng)來分析失步振蕩的過程。

圖1 兩機(jī)等值電力系統(tǒng)示意圖

在任一振蕩角下，失步斷面上始終存在一個(gè)位置的電壓幅值最小，該點(diǎn)就是在該振蕩角下的振蕩中心。大規(guī)模電力系統(tǒng)失步振蕩兩側(cè)等值電勢的幅值比值并不固定，將使得振蕩中心隨著兩側(cè)電勢相角差的變化而移動(dòng)。但兩側(cè)等值電勢幅值變化范圍一般不會很大，因此振蕩中心只會在一個(gè)比較小的范圍內(nèi)做周期性的漂移。

在下文中設(shè)置如下假定：

（1）兩機(jī)等值系統(tǒng)的阻抗角為90°。

（2）兩個(gè)等值發(fā)電機(jī)的電勢分別為 EM和 EN，且幅值相等。

以EN為參考向量，設(shè)其相位角為0°，幅值為1標(biāo)么，EM的初始相位角為δ0，則兩個(gè)等值發(fā)電機(jī)的功角差為

式中，Δω 為兩側(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速差，假設(shè)其恒定。

圖2 失步振蕩期間線路不同點(diǎn)的電壓軌跡

圖2所示振蕩中心電壓為Uc，U1與EN的夾角為θ1，U2與 EN的夾角為θ2，設(shè) EM到 U1的阻抗與U1到 EN的阻抗之比為a1，EM到 U2的阻抗與 U2到EN的阻抗之比為a2。

線路上某點(diǎn)電壓 Ux與 EN之間夾角θ 的表達(dá)式為式（2）。若0 ≤ a≤1

若令Δω =1（即失步振蕩的周期為 2π），δ0=0（即初始時(shí)刻EM和EN同相位），a取值介于0～1之間，則模擬θ 的軌跡如圖3所示，縱坐標(biāo)為弧度0～2π，下同。可見，因?yàn)檎袷幹行脑赨1點(diǎn)和EN之間，即振蕩中心在區(qū)內(nèi)，所以相角差θ 在0～2π 擺開。且a取值介于0～1之間時(shí)，θ 在同一時(shí)刻到達(dá)π。

圖3 δ0＝0時(shí)，振蕩期間線路θ1變化曲線

若令Δω =1，δ0=0.5（即初始時(shí)刻EM和EN存在相位差），a取值介于0～1之間，則模擬θ 的軌跡如圖4所示，可見a取值不同時(shí)，θ 仍然在同一時(shí)刻到達(dá)π。因此，為使離振蕩中心近（a值接近1）的監(jiān)測點(diǎn)的θ 先到達(dá)π（先判出失步），可利用θ-θ0進(jìn)行失步判斷。

圖4 δ0＝0.5時(shí)，振蕩期間線路θ1變化曲線

令Δθ =1，δ0=0，a=2，模擬θ2的軌跡如圖 5所示。

圖5 振蕩期間線路θ2變化曲線

以上分析表明，若振蕩中心在區(qū)內(nèi)，則兩側(cè)母線電壓相角差將穿越π 在 0～π～2π 區(qū)間內(nèi)周期性變化；若振蕩中心在區(qū)外，則兩側(cè)母線電壓相角差不會穿越π，而是在-π/2～π/2區(qū)間內(nèi)反復(fù)振蕩。

2 原理的實(shí)現(xiàn)

相角差失步判據(jù)原理是通過兩母線電壓向量之間的角度差變化軌跡來判別失步的。

需要說明的是，有研究提出依據(jù)相角差及其變化率預(yù)測電力系統(tǒng)即將失去同步，進(jìn)而在相角差越過180°之前就解列。相關(guān)研究表明提前解列對降低事故損失的作用并不大，且存在較大的誤判失步的風(fēng)險(xiǎn)，例如繼電保護(hù)或穩(wěn)控裝置的動(dòng)作使得系統(tǒng)振蕩不再繼續(xù)惡化[10]。

在兩側(cè)相角差達(dá)到180°時(shí)，兩側(cè)等值發(fā)電機(jī)的電勢相位正好相反，流過開關(guān)的電流最大，如果此時(shí)解列，開斷電流最大，那么對電網(wǎng)造成的沖擊也最大。比較合適的解列時(shí)刻應(yīng)該選取在兩側(cè)相角差達(dá)到0°時(shí)，此時(shí)開關(guān)的開斷電流最小，對電網(wǎng)造成的沖擊也最小。因此，建議將θ 從 360°突變?yōu)?0°的時(shí)刻作為解列時(shí)刻。對于500kV及以上電網(wǎng)要求在1～2個(gè)周期盡快解列，對于220kV及以下電網(wǎng)可選擇2～3個(gè)周期解列。

3 原理的驗(yàn)證

下面以南方電網(wǎng)直流受端交流母線短路后開關(guān)拒動(dòng)故障、造成兩回直流同時(shí)雙極閉鎖為例，驗(yàn)證基于廣域測量信息的失步判據(jù)原理的可行性。南方電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)斷面如圖6所示。

圖6 南方電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)斷面示意圖

賀州對羅洞、青巖對羅洞的角度差變化曲線如圖7所示，可見賀州對羅洞、青巖對羅洞都可以判出失步，且振蕩中心落在賀州與羅洞之間，失步解列計(jì)算結(jié)果見表1。

圖7 賀州—羅洞、青巖—羅洞的角度差曲線

如上文所述，為使離振蕩中心較近的“母線對”先判出失步，可在“母線對”角度差的基礎(chǔ)上減去其初始值，即去除初始角度差的因素，減去初始值后的角度差變化曲線如圖8所示，此時(shí)賀州對羅洞可以先判出失步，失步解列計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 利用兩側(cè)相角差進(jìn)行失步判斷結(jié)果

圖8 賀州—羅洞、青巖—羅洞的θ-θ0曲線

表2 利用θ-θ0進(jìn)行失步判斷結(jié)果

由表2可以看出，振蕩中心可能落在廣東電網(wǎng)內(nèi)部線路（茂名—江門），同一失步斷面上的不同線路判出失步的時(shí)刻最長相差了0.11s。該情況下，基于就地量判據(jù)的失步解列裝置難以協(xié)調(diào)配合，甚至無法正確解列，這就體現(xiàn)了廣域失步解列系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于廣域測量信息的失步判別原理及其實(shí)現(xiàn)方案，仿真計(jì)算結(jié)果表明該判據(jù)能夠準(zhǔn)確地確定振蕩中心的位置，其理論簡單明確且具有方向性，不受電網(wǎng)運(yùn)行方式的影響，在運(yùn)行中不需改變定值來適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。

時(shí)間同步技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展為基于 PMU構(gòu)建廣域失步解列系統(tǒng)的工程實(shí)用化創(chuàng)造了條件。廣域失步解列系統(tǒng)可以提高失步解列控制的可靠性、快速性和同時(shí)性，減少大停電事故的發(fā)生概率，避免因大停電事故而造成的嚴(yán)重社會影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

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