失步解列装置信号检测点及解列断面的选取

孟祥侠,罗远翔

（1.华北科技学院,北京 101601;2.东北电力大学,吉林 吉林 132012）

由于网架结构不合理、继电保护不正确动作、稳控装置拒动或控制量不足、断路器失灵等种种原因,电网稳定遭破坏的事故往往难以避免。失步解列作为防止系统崩溃的最后一道防线,在我国电网中得到了广泛的应用[1-3]。但传统的失步解列方法大多用于双电源间或可以化为两等价系统间的情况[4-5],对于多机系统振荡,不只是找解列判据不易,更为困难的是,找不到应当在何处解列才能终止振荡。

本文通过分析单机无穷大系统扰动过程中[6-8]支路相角差的变化特点,提出基于支路两端相角差作为失步解列原理的判据,对于复杂的多机系统,借助于网络参数和结构[9-12],对失步解列装置的检测点以及解列断面的选取进行了探索性的分析。

1 系统失稳时支路相角差变化特点及失步判据

1.1 系统失稳时支路相角差变化特点

为了分析方便,假定系统失稳呈现为两群振荡,此时可将其近似等值为单机无穷大系统。对图1（a）所示的等值单机无穷大系统,假定EG和US幅值相等且为1;假定全系统阻抗角相等。

若忽略网络中各支路的电阻,当系统发生扰动而使发电机与无穷大母线两端角度拉开的过程中,各节点电压向量及支路两端相角差的变化如图1 （b）所示。其中,大圆P1为振荡中心电压变化轨迹,小圆P2为节点3电压变化轨迹。

图1 单机无穷大系统各节点电压及支路相角差变化

现以处于振荡中心的支路2-3及远离振荡中心的支路3-S为例,当系统发生扰动而使发电机与无穷大母线两端角度拉开的过程中,各支路两端相角差的变化规律不同。其中包含振荡中心的支路2-3两端相角差变化幅度最大,并且在变化过程中始终单调增加,当系统失稳时,此支路两端角度超过180°且趋于无界;而远离振荡中心的支路3-S两端相角差变化幅度小,而且不是单调增加,而是先增加后减小,在切点A处达到最大值,也即相角差始终在有界的范围内变化,其最大值不超过90°。由此可以得出支路相角差的变化特点。

当扰动发生而使发电机与无穷大母线两端角度拉开的过程中,离振荡中心越近的支路,其两端角度越晚达到最大值,也即离振荡中心越近的支路,其单位长度被拉开的角度越大。

当逐渐恶化系统的稳定性而使系统失稳时,包含振荡中心的支路相角差就会超过180°且趋于无界,即系统失稳时表现为在此支路“撕裂”,此支路构成的割集即为“临界割集”或“失步断面”。而此时所有不包含振荡中心的支路相角差已由最大值开始下降,且其最大值均不超过90°。

1.2 失步判据

由支路相角差的变化特点可知,在系统失稳时,只有失步断面所包含的支路相角差超过180°且趋于无界,而所有不构成失步断面的支路相角差均在有界的范围内变化,因此可以利用支路两端相角差作为失步原理的判据。

2 多机系统网络中失步检测点的确定

图2 三个子系统间的等值电路

当系统发生扰动使各支路相角差逐渐增大的过程中,假定传输有功仍为Pab=Pcb,则sinδab/sinδbc=Xab/Xbc,意味着a、b之间拉开的总角度始终较b、c大,并且Δδab＞Δδcb。由此可以预测,当系统失稳时,临界割集将发生在脆弱环节ab之中;又由以上的分析可知,临界割集可能发生的区域往往局限于群间联络线的中部或其附近的某一范围,因此,当故障进一步增加时,在结构上处于脆弱割集ab中间部位的支路2-3拉开的角度就会超过180°且趋于无界,即系统失稳表现为在此支路“撕裂”,此支路构成的割集即为“临界割集”或“失步断面”。

虽然电力系统的暂态稳定性与网络参数、故障类型、故障位置、发电机的转动惯量以及初始潮流等多种因素有关,但是,网络参数对系统的暂态稳定性起较强的支配作用,系统失稳沿网络中哪个割集“撕裂”与网络参数和结构有较强的相关性。因此,可以先对网络结构脆弱的环节进行识别,然后将脆弱环节的两侧近似等值为单机无穷大系统或两机系统,再结合单机无穷大系统失稳时各支路相角差的变化特点,即可确定失步解列装置信号检测点的部位。

仍以图1所示的单机无穷大系统为例,在结构上位于联络线中部、电抗参数较大的支路2-3容易成为振荡中心所落之部位,即容易成为系统失稳时的失步断面,因此,失步解列装置应尽可能在此部位检测信号;相反,在结构上远离振荡中心的支路G-1,不易成为系统失稳时的失步断面,就没有必要在此部位检测信号。

3 系统失稳时解列断面的选取

能否确实避免由系统事故发展为电网大停电,关键在于有无预计与能否善于处理。实现有计划的解列,以终止振荡,必须满足两个基本条件。首先是解列后的各子系统能够分别保持同步运行,否则,解列后还要解列。其次是在解列后的各子系统中,功率应尽量平衡。因此,解列断面的选取不应仅以终止振荡为原则,还应保证尽量增强解列后子系统的自恢复能力。

研究表明,系统失稳所呈现出的失步断面不一定是潮流最小的断面,因此,失步断面不一定是最佳的解列断面。但是,考虑到系统解列主要以终止振荡为原则,因此解列断面从宏观上应在相互摇摆的群间联络线构成的断面或割集中选择。对于复杂的多机系统,不管失稳呈现为两群还是多群,都可以在失稳的群间联络线所对应的多个割集中选取潮流较小、构成割集的支路数较少的断面进行解列。此方案可借助于局部的广域信息系统来实现。

4 仿真分析

以New England 10机系统为算例,时域仿真采用中国电科院研制的综合程序（PSASP）。在给定的潮流方式下,30号发电机出口发生三相瞬时性故障,故障切除时间为0.31 s时,系统呈现为（39）、（30,31,32,33,34,35,36,37,38）两群失稳,其临界割集为{1-2,8-9}。为了不失一般性,表1给出了不同故障位置系统呈现出的失稳模式,由表1可以发现,尽管大部分的故障并未发生在支路1-2、8-9或26-28、26-29构成的临界割集或其附近的割集上,但都导致系统在此两个割集处“撕裂”。之所以在网络中有“系统在此处发生故障,而在彼此的割集被撕裂”,并导致系统失稳的现象产生,在一定程度上是受网络结构和参数的制约。分析系统的网络参数,在机群{39}与其剩余机群、机群{38}与其剩余机群之间联系相对较弱,而割集{1-2、8-9}和{26 -28、26-29}在结构上又分别处在{39}与其剩余机群、{38}与其剩余机群之间联络线的中部,容易成为振荡中心所落之部位,因而在系统受到扰动后,最易在此两个环节失稳。因此,失步解列装置应在最易导致系统失稳的临界割集{1-2、8-9}和{26-28,26-29}处或其附近检测信号,如图3所示。

为了确定最佳的解列断面,在39号机与系统的其余部分之间所对应的多个割集中,分别以割集{1-2,8-9}、{1-2,5-8,7-8}、{1-2,5 -8,6-7}为解列断面,对解列后子系统的自恢复能力进行分析、比较。表2给出了39号机失稳时不同割集解列后转子角频率变化情况以及正常运行时割集所应传输的有功功率,其方向为由机群（30,31,32,33,34,35,36,37,38）指向机群（39）,解列时间均为2 s。由表2看出,在割集{1-2,8-9}处解列,解列后子系统的自恢复能力最强,其原因是由于割集{1-2,8-9}的潮流最小,为1.05,对解列后的子系统（39）来说,相当于功率缺额为1.05,对解列后的子系统（30, 31,32,33,34,35,36,37,38）,相当于功率过剩为1.05。在割集{1-2,5-8,7-8}处解列次之,而在割集{1-2,5-8,6-7}处解列,解列后子系统的自恢复能力最差,其原因是由于割集{1-2,5-8,6-7}的潮流最大,为8.62。因此,在割集{1-2,8-9}处解列,解列后子系统的自恢复能力最强,解列断面应选在割集{1 -2,8-9}处,如图3所示。

表1 不同故障位置的失稳模式

表2 39号机失稳时不同割集解列后转子角频率变化情况以及正常运行时割集传输的功率

而在38号机与系统剩余机群之间所对应的多个割集中,分别以割集{17-27,25-26}、{26 -28,26-29}和{26-29,28-29}为解列断面,表3给出了38号机失稳时不同割集解列后各子系统转子角频率变化情况以及正常运行时割集所应传输的有功功率,其传输方向为由机群（38）指向机群（30,31,32,33,34,35,36,37, 39）,解列时间均为2 s。由表3可以看出,在割集{17-27,25-26}处解列,解列后子系统的自恢复能力最强,其原因是由于割集{17-27,25-26}的潮流最小,为0.91（其方向为指向38号机系统）。而在割集{26-29,28-29}处解列,解列后子系统的自恢复能力最差,其原因是此割集承担的潮流最大,为5.39。因此,最佳解列断面应选在割集{17-27,25-26}处,如图3所示。

表3 38号机失稳时不同割集解列后转子角频率变化情况以及正常运行时割集传输的功率

图3 解列装置信号检测点及解列断面的选取

5 结论

根据单机无穷大系统失稳时各支路相角差的变化特点,提出基于支路两端相角差作为失步解列原理的判据,并得出如下结论。

a.失步解列装置应尽可能在网络结构脆弱、最易导致系统失步的临界割集或其附近检测信号。

b.解列断面应在失稳的群间联络线对应的多个割集中选取潮流较小、构成割集的支路数较少的断面进行解列。这样既起到了终止振荡的作用,又保证了尽可能增强解列后子系统的自恢复能力。

[1] 袁季修.试论防止电力系统大面积停电的紧急控制——电力系统安全稳定运行的第三道防线[J].电网技术,1999, 23（4）：1-4.

[2] 张保会.加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力[J].中国电机工程学报,2004,24（7）：1-6.

[3] 张保会,郝治国,Zhiqian BO.智能电网继电保护研究的进展（三）——保护功能的发展[J].电力自动化设备, 2010,30（3）：3-6.

[4] 电力自动化研究院稳定技术所,南瑞集团公司稳定技术分公司.UFV-2F型失步解列及频率电压紧急控制装置技术及使用说明书[R].2000.

[5] 宗洪良,任祖怡,郑玉平,等.基于ucosφ的失步解列装置[J].电力系统自动化,2003,27（19）：83-85.

[6] 穆 钢,蔡国伟,胡 哲,等.机网结合的暂态稳定评价方法——关键割集组法[J].清华大学学报.1997,37 （7）：97-101.

[7] 蔡国伟,孟祥侠,刘 涛.电力系统振荡中心的暂态能量解析[J].电网技术,2005,29（8）：30-34.

[8] 蔡国伟,孟祥侠,李晓峰,等.基于网络结构及暂态能量的失步解列方案的研究[J].中国电力.2006,39（12）：7-10.

[9] A.R.Bergen,D.J.Hill.A Structure Preserving Model For Power System Stability Analysis.IEEE Trans on PAS.1981, 100（1）：25-35.

[10] 王雨蓬,马昭彦.电力系统的动态分割[J].中国电机工程学报,2001,21（12）：45-49.

[11] 赵金利,张群华,余贻鑫,等.输电网网架结构的谱聚类分析算法[J].电力系统及其自动化学报,2009,21（4）：8-11.

[12] 魏震波,刘俊勇,朱国俊,等.基于可靠性加权拓扑模型下的电网脆弱性评估模型[J].电工技术学报,2010,25 （8）：131-137.