失步解列装置应用浅析

(陡河发电厂继电保护室，河北 唐山 063000)

1 引言

大型互联网的稳定运行是现代电力系统的基本要求，大电网中最严重的事故是稳定性破坏，即系统发生失步振荡，如处理不当便会发生大面积停电。

近年来，世界各国大面积停电事故频频发生，造成了巨大的经济损失，同时造成严重的社会混乱，尤其是2003年8月14日的“美加大停电”， 为电力工业历史上是空前最严重的事故，波及到两个国家，美国东北部8个周、加拿大2个省；最多损失61800 MW 负荷，263座电厂531台发电机停运(包括10座核电站19台核电机组)；停电范围9300多平方英里 ，受影响区域的人口达5000万；经济损失40～200亿美元。

分析这些重大事故的原因，其中非常重要的一点是系统一点的故障被放大后，电力系统稳定性被破坏，造成了全面故障而瘫痪。

当电力系统失步后，首先要解决的问题是从失步断面断开失步机群间的电气联系，消除系统间的振荡。然后通过切机、减载等措施实现解列后电气孤岛的稳定运行。最后当条件允许时，再逐步恢复整个系统的互联和同步稳定运行。

电网的失步解列控制，主要根据失步判据，本文介绍了几种电力系统失步解列判据，着重分析了基于ucosφ的判据方式，根据失步解列配置原则及陡河发电厂二号站实际情况研究失步解列装置配置方案。

2 电力系统失步解列及其判据

目前电网解列装置使用的失步判据主要有五种：有功潮流变化失步判据、视在阻抗轨迹失步判据、视在阻抗角失步判据、阻抗补偿计算失步判据、ucosφ判据。

2.1 有功潮流变化失步判据

该判据实际上是通过有功功率的方向改变去判断失步。通过在系统异步运行中无功功率对正负一侧的偏向去判断失步中心的位置，该判据没有方向性，缺少限制动作条件判断。当系统受扰发生振荡的过程中，同调机群间的联络线同样会受到负荷潮流、同调机群问功角间隙波动等影响而发生有功过零的现象，这容易使得该判据误判、装置动作跳闸口；且当系统失步较快，在电磁暂态过渡的过程中进入异步运行状态，该判据易于误判振荡周期次数。而非失步断面联络线由于也会发生有功功率过零的现象，基于视在阻抗轨迹和视在阻抗角变化规律设计制造的失步解列装置会误判将同调机群间的非失步断面联络线断开，这是非常有害的。

2.2 视在阻抗轨迹失步判据

阻抗轨迹失步判据，通过测点的电压(U)、电流(I)计算，得出阻抗(Z)变化的轨迹，按阻抗变化的规律实现失步解列判断。该判据直接反映了失步的两个系统功角变化，但是只能安装在振荡线路上，其动态特性才比较理想。实际电力系统发生振荡的具体情形千差万别，振荡中心还会发生变化；而且随着系统运行方式的改变，系统振荡中心也会发生变化，该判拒无法动态适应系统的运行。

2.3 视在阻抗角失步判据

系统发生振荡时，测点电压(U)、电流(I)的阻抗角(ф)会发生规律性变化，根据该变化规律实现失步解列判据。在系统振荡过程中，当解列装置安装于联络线一端，由母线向线路侧视入时，视在阻抗角的变化规律。该判据的优点是能够判断出失步中心的位置方向，能可靠地区分异步振荡和同步振荡，能适应复杂的电网结构和多变的运行方式，但是阻抗角计算如式(1)所示。

ф=arctan(Q/P)

(1)

从上式可见，该判据实际上与有功潮流变化失步判据是一致，同样存在问题。

2.4 阻抗补偿计算失步判据

该判据通过补偿计算互联的两个系统之间阻抗，算出两侧系统内电动相角差来判断失步。该方法原理简单，但补偿范围要包括失步中心，否则会发生误判。该判据实现简单，但输电系统接线发生变化时，会产生误差，且在线路中间带有大量负荷的情况下，实现变得十分复杂。

2.5 ucosφ判据

用ucosφ的轨迹判别系统失步状态。该判据反映了失步断面联络线上电压幅值最低点的电压幅值变化特征。通过接入联络线的电压、电流计算出ucosφ，然后可通过系统失步振荡过程中ucosφ轨迹穿过的区域去判断系统的失步情况，实施解列。

3 基于ucosφ的判别原理

基于ucosφ原理的装置使用ucos进行失步周期判别，使用测量点最低电压对保护范围进行限定，简述如下。

电力系统失步时，一般可以将所有机组分为两个机群，用两机等值系统分析其特性。振荡中心电压与两等值系统功角δ之间存在确定的函数，参见图1，因此可以利用振荡中心电压ucosφ的变化反应功角的变化。作为状态量的功角是连续变化的，因此在失步振荡时振荡中心的电压也是连续变化的，且过零；在短路故障及故障切除时振荡中心电压是不连续变化且有突变的；在同步振荡时，振荡中心电压是连续变化的，但不过零。因此可以通过振荡中心的电压变化来区分失步振荡、短路故障和同步振荡。在振荡中心电压ucosφ的变化平面上，可将其变化范围分为7个区，当振荡中心电压按照一定规律变化，穿过相应的区域时，判为失步。

图1 振荡过程安装点及振荡中心电压变化轨迹图

同时，电力系统振荡时，测量点电压也随振荡过程呈现周期性变化。振荡过程中，随着两端等值系统的夹角不断增大，当增大到180度时，装置安装处母线电压最小，而这一最小值由装置安装处到振荡中心的距离决定，距离振荡中心越近，电压最小值也越小(振荡中心电压最小值为零)。利用这一特点，可以知道振荡中心距离装置安装处的远近，从而确定解列装置的保护范围。

因此实际装置中有两个定值，一个是基于ucosφ原理的失步继电器的振荡周期定值，另一个是利用测量点电压最小值进行保护范围限定的区域继电器的电压定值。

该判据能够适应复杂的电网结构和多变的运行方式，整定方便，能够捕捉到失步中心出现的时刻，但电压和电流的相位角与系统的功角之间的关系复杂，两者之间的关系与测点位置和振荡中心的远近有关，难以捕捉到失步中心的位置，当装置安装在振荡中心附近时较难与故障区分，需要其他辅助条件才能区分故障和振荡。

4 失步解列控制实际应用分析

4.1 一次系统概括

陡河发电厂陡河2#站220kV母线采用双母线带旁路主接线型式，站内接有4台200MW机组，2台起备变，220kV出线3回，全部接至常庄220kV变电站。

4.2 系统继电保护配置现状

陡河2#站220kV线路配置有双套保护，220kV旁路配置单套保护，具体配置如下：

线路保护一：北京四方公司CSC-103BL型纵联电流差动保护；

线路保护二：南瑞继保公司RCS-931AM型纵联电流差动保护；

旁路保护：北京四方公司CSC-103BL型纵联电流差动保护。

4.3 失步解列装置配置原则

为尽量缩小事故影响范围，防止发生长期大面积停电的事故，应根据电网结构和安全稳定计算分析的结果，在一些适当的地点装设失步解列装置，如网省间联络线、长距离大容量送电线路、高低压电磁环网低压侧等。220kV及以上电压等级联络线路和电厂(机组)并网线路的失步解列装置应按双重化配置，一般500kV、220kV联络线每条线两侧各配置一套。电厂(机组)并网线路为双回较短线路，且失稳特性主要影响电厂安全时，可仅在电厂每条出线侧各配置一套失步解列装置。

4.4 失步解列装置配置方案

由于陡河2#站三回220kV出线均接到常庄220kV变电站，失步解列装置考虑采用断面解列配置方案。具体如下：

在陡河2#站配置双套失步解列装置。每套装置均接入陡常三回线及旁路的电流和电压量，当电厂与系统发生失步时，由装置动作跳开陡常三回线及旁路，将电厂与系统解列。

每套失步解列装置分别组在各自的屏(柜)内，装置退出、消缺或试验时，宜整屏(柜)退出。两套装置采用相互独立的输入、输出回路，装置电源独立。两套装置的跳闸回路与断路器的两个跳闸线圈分别一一对应。两套装置的相关回路与相联系的两套主保护相关回路一一对应。即：第一套装置的输入电流、输入电压、输入的保护动作信号应取自线路的第一套主保护；第二套装置同上。每套装置电流回路宜采用与对应线路保护相同的CT次级，电流回路宜串接于线路保护之后。每套装置宜采用与对应线路保护相同的PT次级。应接入母线PT切换后的三相电压。失步解列装置的动作、告警等重要信息以硬接点方式接入监控系统。

二号站原来配置有安全自动装置，稳定控制主机A柜线路电流、电压从北京四方公司的CSC纵联电流差动保护柜接；稳定控制主机B柜线路电流、电压从南瑞继保公司的RCS纵联电流差动保护柜接；旁路代路时,主机A柜电流从旁路CSC纵联电流差动保护柜接。主机B柜电流从旁路断路器端子箱接,电压亦从旁路CSC纵联电流差动保护柜接。失步解列装置需要采集的陡常三回线及旁路的电流可以考虑从电厂内稳定控制主机柜转接，电压可以考虑从线路及旁路电流差动保护柜转接。

5 小结

本文在阐述失步的危害性及失步解列判据原理的基础上，针对陡河发电厂二号站一次系统状况，将失步解列原理与现场实际情况结合，提出失步解列装置的相关可行性配置方案，以保证失步保护可靠、迅速动作，达到电网的稳定运行，避免事故扩大。

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