基于兩側(cè)電氣量的失步保護(hù)判別新方法

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(yùn)行的重要措施，是保障整個(gè)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(lái)越復(fù)雜，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)的安全會(huì)受到嚴(yán)重威脅[4]。目前防止因事故擴(kuò)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(guó)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(jìn)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(zhǔn)確判斷失步，且難以準(zhǔn)確判斷失步中心位置[6-7]。同時(shí)，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(shí)，存在誤判風(fēng)險(xiǎn)[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(dòng)保護(hù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)普遍應(yīng)用于輸電線路保護(hù)中[10]。光纖差動(dòng)保護(hù)將對(duì)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(hù)提供可能[11-12]。

海外多數(shù)國(guó)家或地區(qū)的電力用戶對(duì)三道防線意識(shí)淡薄。往往要求將失步保護(hù)集成于線路保護(hù)裝置中，通過(guò)線路保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)失步解列。因此，提供一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠的失步保護(hù)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(hù)判別新方法。該方法利用線路兩側(cè)的電壓量計(jì)算兩側(cè)角差和滑差，根據(jù)角差和滑差變化規(guī)律進(jìn)行判別[13-14]。同時(shí)增加差動(dòng)電流進(jìn)行輔助判別，避免系統(tǒng)發(fā)生故障尤其是三相故障時(shí)誤判風(fēng)險(xiǎn)[15]。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運(yùn)行的情況，當(dāng)系統(tǒng)非全相時(shí)采用健全相進(jìn)行失步判別。該方法在現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)裝置基礎(chǔ)上實(shí)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(jiǎn)單兩機(jī)系統(tǒng)，以簡(jiǎn)單兩機(jī)等值系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。線路差動(dòng)保護(hù)裝置安裝在線路兩側(cè)，保護(hù)裝置之間通過(guò)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(jiǎn)單兩機(jī)等值系統(tǒng)

差動(dòng)保護(hù)采用基于收發(fā)路由延時(shí)一致的乒乓原理來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。該方法不依賴外部對(duì)時(shí)源，能保證兩側(cè)電氣量始終在同一時(shí)間斷面上進(jìn)行計(jì)算[16]，為基于雙側(cè)量的失步保護(hù)判別提供有利條件。

1.1 差動(dòng)保護(hù)原理

差動(dòng)保護(hù)基本原理是將對(duì)側(cè)電流傳輸?shù)奖緜?cè)，進(jìn)而計(jì)算出差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，利用差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的關(guān)系進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障判別。差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的計(jì)算公式如下：

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

式中：IPkp為差動(dòng)啟動(dòng)門檻。

當(dāng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作方程滿足時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，將斷路器跳開。

1.2 失步保護(hù)判據(jù)

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

利用對(duì)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(dá)式為：

進(jìn)而計(jì)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(shí)，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(jìn)行失步判別。

將相位角復(fù)平面上劃分出幾個(gè)相鄰的連續(xù)角度區(qū)域，當(dāng)測(cè)得的相角差連續(xù)穿越上述幾個(gè)連續(xù)的角度區(qū)域且在各個(gè)角度區(qū)域范圍內(nèi)的停留時(shí)間滿足設(shè)定的門檻時(shí)認(rèn)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(shí)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(hù)安裝處的正方向時(shí)，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(hù)安裝處的反方向時(shí)，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(xiàn)[15]，線路的衰減時(shí)間常數(shù)隨著電壓等級(jí)的升高而變大。當(dāng)衰減時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，兩側(cè)的角差變化較快，不會(huì)發(fā)生類似失步角差相位角穿越的現(xiàn)象。當(dāng)衰減時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，在線路發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)，可能發(fā)生類似于失步角差穿越的現(xiàn)象，失步保護(hù)存在誤判風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這一問(wèn)題，增加差動(dòng)電流判別條件。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，或者發(fā)生失步時(shí)，差動(dòng)裝置兩側(cè)的電流為穿越性電流，差動(dòng)電流較小。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，差動(dòng)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(hù)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(shí)，失步統(tǒng)計(jì)次數(shù)大于設(shè)定值Nset，滑差大于設(shè)定門檻Kset，同時(shí)兩側(cè)角差小于設(shè)定值δset且差動(dòng)電流小于差流啟動(dòng)定值時(shí)判為失步。

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

2 非全相運(yùn)行時(shí)失步判據(jù)

2.1 非全相狀態(tài)識(shí)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(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)系統(tǒng)處于非全相運(yùn)行狀態(tài)[18]。非全相運(yùn)行的系統(tǒng)更易失穩(wěn)，失步保護(hù)不能退出運(yùn)行。

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

圖4 某相退出運(yùn)行判別邏輯

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

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

2.2 非全相失步判別

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

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

圖5 失步保護(hù)判別流程

綜上，根據(jù)系統(tǒng)失步的特征，結(jié)合差動(dòng)保護(hù)功能特點(diǎn)，提出了基于兩側(cè)電氣量的失步保護(hù)判別新方法。為了考察該方法的正確性，利用RTDS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3 RTDS 仿真測(cè)試

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

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

圖6 RTDS 仿真模型

該系統(tǒng)電壓等級(jí)為500 kV，系統(tǒng)額定頻率為50 Hz，線路長(zhǎng)度為102 km，負(fù)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(guò)RTDS 搭建邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將M 側(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率控制在50 Hz，通過(guò)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(yùn)行通過(guò)線路兩側(cè)開關(guān)進(jìn)行控制。通過(guò)故障點(diǎn)F1 和F2 模擬區(qū)內(nèi)外不同位置不同類型的故障。

差動(dòng)保護(hù)安裝位置如圖6 所示。差動(dòng)保護(hù)裝置之間采用光纖直連，失步保護(hù)集成在差動(dòng)保護(hù)裝置中。重點(diǎn)考察系統(tǒng)全相和非全相運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)生失步或故障時(shí)，失步保護(hù)的動(dòng)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(hù)功能測(cè)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(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 系統(tǒng)失步時(shí)失步判別情況

由表2 可知，無(wú)論是正向失步還是反向失步，且無(wú)論失步周期的長(zhǎng)短，失步保護(hù)均能正確動(dòng)作，將系統(tǒng)解列。

系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，失步保護(hù)動(dòng)作行為測(cè)試。為了測(cè)試三相故障時(shí)失步保護(hù)是否會(huì)誤判，將系統(tǒng)時(shí)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(cè)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(shí)，失步保護(hù)不會(huì)誤判。

表3 故障狀態(tài)下失步保護(hù)判別情況

系統(tǒng)非全相運(yùn)行時(shí)，失步保護(hù)動(dòng)作行為測(cè)試。分別模擬A 相、B 相和C 相三種非全相運(yùn)行情況。測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 非全相運(yùn)行時(shí)失步保護(hù)判別情況

由表4 可知，在系統(tǒng)全相運(yùn)行時(shí)，失步保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)非全相運(yùn)行再失步時(shí)，失步保護(hù)能可靠動(dòng)作。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，證明本文提出的失步保護(hù)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(shí)不誤判；且在系統(tǒng)非全相運(yùn)行時(shí)也能夠正確動(dòng)作。該失步保護(hù)判別方法已經(jīng)應(yīng)用于東南亞某國(guó)實(shí)際電網(wǎng)中，運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)電力系統(tǒng)失步運(yùn)行的特征，并結(jié)合線路差動(dòng)保護(hù)的特點(diǎn)，提出了一種基于兩側(cè)電氣量的失步保護(hù)判別新方法。該判別方法利用線路兩側(cè)的電壓量計(jì)算兩側(cè)角差和滑差，根據(jù)角差和滑差變化規(guī)律進(jìn)行判別。同時(shí)增加了差動(dòng)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(shí)誤判風(fēng)險(xiǎn)。該方法還考慮了系統(tǒng)非全相運(yùn)行的情況，當(dāng)系統(tǒng)非全相時(shí)采用健全相進(jìn)行失步判別。該方法在現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上實(shí)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(yùn)行方式影響，定值整定簡(jiǎn)單。通過(guò)RTDS 仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的正確性。