張洪喜，徐曉春，謝 華,戴光武，徐海洋，卜立之

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

失步解列作為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要措施，是保障整個電網(wǎng)的最后一道防線[1-2]。隨著大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來嚴重挑戰(zhàn)[3]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)的安全會受到嚴重威脅[4]。目前防止因事故擴大造成全網(wǎng)崩潰的最基本方法是從失步斷面將失步系統(tǒng)解列[5]。

目前國內(nèi)外的失步解列方案基本上是基于聯(lián)絡(luò)線一側(cè)的電氣量進行判斷，這種失步解列方案不能得到聯(lián)絡(luò)線另一側(cè)電氣量的變化特征，難以做到準確判斷失步，且難以準確判斷失步中心位置[6-7]。同時，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是三相故障、轉(zhuǎn)化性故障等復(fù)雜故障時，存在誤判風(fēng)險[8-9]。

隨著光纖通信系統(tǒng)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，光纖差動保護以其獨特優(yōu)勢普遍應(yīng)用于輸電線路保護中[10]。光纖差動保護將對側(cè)電流、電壓等電氣量傳輸?shù)奖緜?cè)，為開發(fā)基于兩側(cè)電氣量的失步保護提供可能[11-12]。

海外多數(shù)國家或地區(qū)的電力用戶對三道防線意識淡薄。往往要求將失步保護集成于線路保護裝置中，通過線路保護來實現(xiàn)系統(tǒng)失步解列。因此，提供一種簡單、經(jīng)濟和可靠的失步保護功能尤為重要。

本文提出一種基于兩側(cè)電氣量的失步保護判別新方法。該方法利用線路兩側(cè)的電壓量計算兩側(cè)角差和滑差，根據(jù)角差和滑差變化規(guī)律進行判別[13-14]。同時增加差動電流進行輔助判別，避免系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是三相故障時誤判風(fēng)險[15]。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運行的情況，當(dāng)系統(tǒng)非全相時采用健全相進行失步判別。該方法在現(xiàn)有差動保護裝置基礎(chǔ)上實現(xiàn)，不增加額外成本，不額外消耗通道資源。

1 基于兩側(cè)量的失步原理

任何復(fù)雜系統(tǒng)均可等值為簡單兩機系統(tǒng)，以簡單兩機等值系統(tǒng)為例進行分析。線路差動保護裝置安裝在線路兩側(cè)，保護裝置之間通過光纖或復(fù)用設(shè)備傳輸電壓、電流等電氣量。如圖1 所示。

圖1 簡單兩機等值系統(tǒng)

差動保護采用基于收發(fā)路由延時一致的乒乓原理來實現(xiàn)同步。該方法不依賴外部對時源，能保證兩側(cè)電氣量始終在同一時間斷面上進行計算[16]，為基于雙側(cè)量的失步保護判別提供有利條件。

1.1 差動保護原理

差動保護基本原理是將對側(cè)電流傳輸?shù)奖緜?cè)，進而計算出差動電流和制動電流，利用差動電流和制動電流的關(guān)系進行區(qū)內(nèi)外故障判別。差動電流和制動電流的計算公式如下：

當(dāng)系統(tǒng)正常運行或區(qū)外發(fā)生故障時，差動電流較小，幾乎為零。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，差動電流變大。差動保護動作方程如下[16]：

式中：IPkp為差動啟動門檻。

當(dāng)差動保護動作方程滿足時，差動保護動作，將斷路器跳開。

1.2 失步保護判據(jù)

差動保護將對側(cè)電壓傳輸?shù)奖緜?cè)，用作差動保護的輔助判據(jù)。因此，可以借助線路兩側(cè)的電壓量進行失步判別。設(shè)兩側(cè)電壓相量分別為Um和Un，其表達式為：

利用對稱分量法，將三相電壓轉(zhuǎn)換為序分量，兩側(cè)正序電壓表達式為：

進而計算兩側(cè)正序電壓相量的相角差及滑差，分別為：

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失步時，系統(tǒng)兩側(cè)正序電壓的相角被逐漸拉開，滑差也將變大，根據(jù)這一特征進行失步判別。

將相位角復(fù)平面上劃分出幾個相鄰的連續(xù)角度區(qū)域，當(dāng)測得的相角差連續(xù)穿越上述幾個連續(xù)的角度區(qū)域且在各個角度區(qū)域范圍內(nèi)的停留時間滿足設(shè)定的門檻時認為是一次有效的失步相位角穿越[17]如圖2 所示。

圖2 失步時角差變化軌跡

假設(shè)母線指向線路為正方向。當(dāng)振蕩中心位于保護安裝處的正方向時，角差變化軌跡為：

當(dāng)角差變化軌跡按照上述順序變化一周記為一次正向失步，失步次數(shù)記為Ncounter+。

當(dāng)振蕩中心位于保護安裝處的反方向時，角差變化軌跡為：

當(dāng)角差變化軌跡按照上述順序變化一周記為一次反向失步，失步次數(shù)記為Ncounter-。

根據(jù)文獻[15]，線路的衰減時間常數(shù)隨著電壓等級的升高而變大。當(dāng)衰減時間常數(shù)較小時，兩側(cè)的角差變化較快，不會發(fā)生類似失步角差相位角穿越的現(xiàn)象。當(dāng)衰減時間常數(shù)較大時，在線路發(fā)生三相對稱故障時，過渡過程較長，可能發(fā)生類似于失步角差穿越的現(xiàn)象，失步保護存在誤判風(fēng)險。為了解決這一問題，增加差動電流判別條件。當(dāng)系統(tǒng)正常運行，或者發(fā)生失步時，差動裝置兩側(cè)的電流為穿越性電流，差動電流較小。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，差動電流將變大。利用這一特征作為失步輔助判據(jù)?；趦蓚?cè)量的失步保護判別邏輯如圖3 所示。

圖3 基于兩側(cè)量的失步判別邏輯

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失步時，失步統(tǒng)計次數(shù)大于設(shè)定值Nset，滑差大于設(shè)定門檻Kset，同時兩側(cè)角差小于設(shè)定值δset且差動電流小于差流啟動定值時判為失步。

當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，差動電流將大于差動啟動定值。此時失步保護邏輯中差流條件不再滿足，失步保護將被閉鎖。因此，該方法對系統(tǒng)故障具有天然的免疫力。

2 非全相運行時失步判據(jù)

2.1 非全相狀態(tài)識別

在某些特殊情況下，允許系統(tǒng)在某一相跳開后繼續(xù)運行一段時間，此時系統(tǒng)處于非全相運行狀態(tài)[18]。非全相運行的系統(tǒng)更易失穩(wěn)，失步保護不能退出運行。

當(dāng)系統(tǒng)處于非全相運行時，退出運行相的電流和電壓不能真實反映實際情況，會影響失步保護的邏輯判別。某相退出運行的判別邏輯如圖4所示。

圖4 某相退出運行判別邏輯

根據(jù)圖4，當(dāng)三相中某相的差動電流和制動電流均小于0.06In，同時該相的開關(guān)位置處于分位，且零、負序電流之和大于m 倍正序電流時，判為該相退出運行。

采用上述邏輯分對A，B 和C 三相進行判別，當(dāng)且僅當(dāng)其中一相退出運行時，則系統(tǒng)處于非全相運行狀態(tài)。此時，失步保護自動采用健全相進行邏輯計算和判別。

2.2 非全相失步判別

當(dāng)系統(tǒng)處于非全相運行時，退出運行相的電流和電壓均不再參與失步保護邏輯的相關(guān)計算。包括采用健全相進行兩側(cè)正序電壓計算和采用健全相進行失步用差動電流計算。

根據(jù)系統(tǒng)全相和非全相運行兩種運行工況，形成完整的失步保護判別邏輯。失步保護判別流程如圖5 所示。

圖5 失步保護判別流程

綜上，根據(jù)系統(tǒng)失步的特征，結(jié)合差動保護功能特點，提出了基于兩側(cè)電氣量的失步保護判別新方法。為了考察該方法的正確性，利用RTDS進行仿真實驗。

3 RTDS 仿真測試

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

為了驗證本文提出的失步保護方法在實際系統(tǒng)中的效果，采用東南亞某國實際電網(wǎng)參數(shù)，搭建如圖6 所示的RTDS 試驗仿真模型[19-20]。

圖6 RTDS 仿真模型

該系統(tǒng)電壓等級為500 kV，系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，線路長度為102 km，負荷ZLoad為（1 141+j181）Ω。其他參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真模型參數(shù)

系統(tǒng)兩側(cè)的電源輸出頻率可以通過RTDS 搭建邏輯實現(xiàn)自動控制。實驗時，將M 側(cè)發(fā)電機機端頻率控制在50 Hz，通過改變N 側(cè)電源輸出頻率，模擬系統(tǒng)發(fā)生失步。系統(tǒng)的非全相運行通過線路兩側(cè)開關(guān)進行控制。通過故障點F1 和F2 模擬區(qū)內(nèi)外不同位置不同類型的故障。

差動保護安裝位置如圖6 所示。差動保護裝置之間采用光纖直連，失步保護集成在差動保護裝置中。重點考察系統(tǒng)全相和非全相運行狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)生失步或故障時，失步保護的動作行為。

3.2 仿真結(jié)果分析

由于篇幅限制，本文僅提供3 種典型情況下仿真結(jié)果。

失步保護功能測試。固定M 側(cè)電源頻率為50 Hz，改變N 側(cè)電源頻率，模擬系統(tǒng)失步狀態(tài)。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 系統(tǒng)失步時失步判別情況

由表2 可知，無論是正向失步還是反向失步，且無論失步周期的長短，失步保護均能正確動作，將系統(tǒng)解列。

系統(tǒng)發(fā)生故障時，失步保護動作行為測試。為了測試三相故障時失步保護是否會誤判，將系統(tǒng)時間常數(shù)調(diào)整為200 ms，分別模擬區(qū)內(nèi)外單相、兩相和三相故障。測試結(jié)果如表3 所示。

由表3 可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，尤其是發(fā)生三相故障時，失步保護不會誤判。

表3 故障狀態(tài)下失步保護判別情況

系統(tǒng)非全相運行時，失步保護動作行為測試。分別模擬A 相、B 相和C 相三種非全相運行情況。測試結(jié)果如表4 所示。

表4 非全相運行時失步保護判別情況

由表4 可知，在系統(tǒng)全相運行時，失步保護不會誤動。當(dāng)系統(tǒng)非全相運行再失步時，失步保護能可靠動作。

通過以上實驗，證明本文提出的失步保護方法能夠正確判斷系統(tǒng)是否發(fā)生失步；在系統(tǒng)發(fā)生三相故障時不誤判；且在系統(tǒng)非全相運行時也能夠正確動作。該失步保護判別方法已經(jīng)應(yīng)用于東南亞某國實際電網(wǎng)中，運行情況良好。

4 結(jié)語

本文根據(jù)電力系統(tǒng)失步運行的特征，并結(jié)合線路差動保護的特點，提出了一種基于兩側(cè)電氣量的失步保護判別新方法。該判別方法利用線路兩側(cè)的電壓量計算兩側(cè)角差和滑差，根據(jù)角差和滑差變化規(guī)律進行判別。同時增加了差動電流作為輔助判據(jù)，避免系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是三相故障時誤判風(fēng)險。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運行的情況，當(dāng)系統(tǒng)非全相時采用健全相進行失步判別。該方法在現(xiàn)有差動保護裝置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，不增加額外成本，不額外消耗通道資源，便于工程應(yīng)用。該方法不受系統(tǒng)運行方式影響，定值整定簡單。通過RTDS 仿真實驗，驗證了該方法的正確性。