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，是保障整個電網的最后一道防線[1-2]。隨著大區(qū)電網互聯(lián)的發(fā)展，電網的結構越來越復雜，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來嚴重挑戰(zhàn)[3]。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，電網的安全會受到嚴重威脅[4]。目前防止因事故擴大造成全網崩潰的最基本方法是從失步斷面將失步系統(tǒng)解列[5]。

目前國內外的失步解列方案基本上是基于聯(lián)絡線一側的電氣量進行判斷，這種失步解列方案不能得到聯(lián)絡線另一側電氣量的變化特征，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，當系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是三相故障、轉化性故障等復雜故障時，存在誤判風險[8-9]。

隨著光纖通信系統(tǒng)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的廣泛應用，光纖差動保護以其獨特優(yōu)勢普遍應用于輸電線路保護中[10]。光纖差動保護將對側電流、電壓等電氣量傳輸?shù)奖緜?，為開發(fā)基于兩側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電氣量的失步保護判別新方法。該方法利用線路兩側的電壓量計算兩側角差和滑差，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險[15]。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運行的情況，當系統(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 基于兩側量的失步原理

任何復雜系統(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，保護裝置之間通過光纖或復用設備傳輸電壓、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，能保證兩側電氣量始終在同一時間斷面上進行計算[16]，為基于雙側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電流傳輸?shù)奖緜龋M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系進行區(qū)內外故障判別。差動電流和制動電流的計算公式如下：

當系統(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。當發(fā)生區(qū)內故障時，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)

差動保護將對側電壓傳輸?shù)奖緜?，用作差動保護的輔助判據(jù)。因此，可以借助線路兩側的電壓量進行失步判別。設兩側電壓相量分別為Um和Un，其表達式為：

利用對稱分量法，將三相電壓轉換為序分量，兩側正序電壓表達式為：

進而計算兩側正序電壓相量的相角差及滑差，分別為：

當系統(tǒng)發(fā)生失步時，系統(tǒng)兩側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。

將相位角復平面上劃分出幾個相鄰的連續(xù)角度區(qū)域，當測得的相角差連續(xù)穿越上述幾個連續(xù)的角度區(qū)域且在各個角度區(qū)域范圍內的停留時間滿足設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

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

當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+。

當振蕩中心位于保護安裝處的反方向時，角差變化軌跡為：

當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。當衰減時間常數(shù)較小時，兩側的角差變化較快，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險。為了解決這一問題，增加差動電流判別條件。當系統(tǒng)正常運行，或者發(fā)生失步時，差動裝置兩側的電流為穿越性電流，差動電流較小。當發(fā)生區(qū)內故障時，差動電流將變大。利用這一特征作為失步輔助判據(jù)?；趦蓚攘康氖Р奖Ｗo判別邏輯如圖3 所示。

圖3 基于兩側量的失步判別邏輯

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

當區(qū)內發(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，當且僅當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計算。包括采用健全相進行兩側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，結合差動保護功能特點，提出了基于兩側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 側發(fā)電機機端頻率控制在50 Hz，通過改變N 側電源輸出頻率，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開關進行控制。通過故障點F1 和F2 模擬區(qū)內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 仿真結果分析

由于篇幅限制，本文僅提供3 種典型情況下仿真結果。

失步保護功能測試。固定M 側電源頻率為50 Hz，改變N 側電源頻率，模擬系統(tǒng)失步狀態(tài)。測試結果如表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)調整為200 ms，分別模擬區(qū)內外單相、兩相和三相故障。測試結果如表3 所示。

由表3 可知，當系統(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應用于東南亞某國實際電網中，運行情況良好。

4 結語

本文根據(jù)電力系統(tǒng)失步運行的特征，并結合線路差動保護的特點，提出了一種基于兩側電氣量的失步保護判別新方法。該判別方法利用線路兩側的電壓量計算兩側角差和滑差，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險。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運行的情況，當系統(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。