電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)跳閘判據(jù)研究

梁文武，趙永生

( 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

電力系統(tǒng)需要進(jìn)行穩(wěn)定控制的大擾動主要是線路或系統(tǒng)元件的跳閘。線路或系統(tǒng)元件被切除的原因很多，如線路繼電保護(hù)、遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)、失靈保護(hù)動作和斷路器偷跳，線路可能單側(cè)跳閘(本側(cè)或?qū)?cè))，也可能兩側(cè)同時跳閘〔1-2〕，因此如何可靠地判斷系統(tǒng)元件或線路的跳閘是進(jìn)行電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的關(guān)鍵問題之一。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置對設(shè)備跳閘的誤判(拒判)可能造成安全穩(wěn)定控制策略誤動(拒動)的嚴(yán)重后果，因此對設(shè)備跳閘判據(jù)的可靠性要求較高。在目前的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置中廣泛應(yīng)用的判據(jù)為:僅采用電氣量的無故障跳閘判據(jù)。該判據(jù)原理簡單，現(xiàn)場實現(xiàn)容易。但是該無故障跳閘判據(jù)在現(xiàn)場應(yīng)用中也發(fā)生過多起誤判和拒判的情況，主要是由于軟件編程錯誤、定值整定不合理、潮流轉(zhuǎn)移后線路輕載、故障后電流互感器的二次殘流等原因引起。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備跳閘等大擾動后，其潮流將轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)中其他支路，引起全網(wǎng)潮流的重新分配，此時如果系統(tǒng)中某條支路潮流恰好出現(xiàn)輕載，其電氣量變化過程與發(fā)生斷路器偷跳等故障時電氣量變化過程相似，傳統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置會將該線路判為無故障跳閘，進(jìn)而有可能引起安全穩(wěn)定控制策略誤動。

本文結(jié)合傳統(tǒng)的無故障跳閘判據(jù)與電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移的特點，提出了一種能夠避免因潮流轉(zhuǎn)移引起無故障跳閘誤判的新型綜合跳閘判據(jù)。

1 傳統(tǒng)無故障跳閘判據(jù)

目前電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置中基于單側(cè)電氣量進(jìn)行判斷的典型無故障跳閘判據(jù)如圖1 所示，其動作條件:

①突變量啟動元件啟動;

②啟動前200 ms 線路功率P-0.2s大于投運功率定值Ps1;

③跳閘后線路功率Pt小于事故后功率定值Ps2;

④至少兩相電流I 小于投運電流定值Is1;

⑤相鄰20 ms (1 個周波時間間隔)電流變化量ΔI 滿足門檻(UN為額定電壓，| ΔI|dt為浮動門檻，α，β 為系數(shù))。

當(dāng)上述5 個條件均滿足后開始計時，如果在延時ts1內(nèi)條件①—④繼續(xù)滿足則判斷設(shè)備無故障跳閘，其中條件④能夠防止TV 斷線引起的誤判，條件⑤能夠區(qū)別設(shè)備跳閘和系統(tǒng)振蕩等電氣量變化相對緩慢的過程〔3〕。

圖1 一種典型無故障跳閘判據(jù)

2 潮流轉(zhuǎn)移的識別

如果電網(wǎng)在基態(tài)下發(fā)生單一支路開斷，潮流轉(zhuǎn)移分布系數(shù)如下式所示為〔4〕:

式中 k 和m 表示被切除支路兩端節(jié)點的編號;i和j 表示正常支路兩端節(jié)點的編號;xkm與xij分別表示支路km 與支路ij 的電抗值，Xik，Xim，Xjk，Xjm，Xkk，Xmm，Xkm表示基態(tài)下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電抗矩陣中的元素。

假設(shè)系統(tǒng)中支路i 開斷后支路k 發(fā)生過載，根據(jù)式(2)可以估算出故障后支路k 的潮流:

分布系數(shù)法的精度較高，利用潮流轉(zhuǎn)移分布系數(shù)能夠迅速估算由支路開斷引起的其他支路潮流的變化量，多重支路開斷的分布系數(shù)可以直接由單支路開斷的分布系數(shù)推導(dǎo)，并不會增加太多的計算量。

如果系統(tǒng)中沒有發(fā)生其他故障，各支路潮流的變化僅僅由于支路i 開斷引起，那么各支路的實際測量潮流與上式所估算的潮流比較接近，而如果某支路同時發(fā)生了故障，則會在此基礎(chǔ)上疊加故障潮流分量，因此可以通過比較支路實測潮流與估算潮流的誤差建立轉(zhuǎn)移潮流的識別判據(jù)，誤差比較可以采用絕對誤差與相對誤差等形式，根據(jù)實際情況選擇。

3 新型綜合跳閘判據(jù)

新型綜合跳閘判據(jù)由主站——區(qū)域中心站——子站構(gòu)成的分層區(qū)域集中形式的廣域保護(hù)結(jié)構(gòu)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 分層區(qū)域集中式廣域保護(hù)結(jié)構(gòu)

新型綜合跳閘判據(jù)邏輯如圖3 所示，圖3 中虛線框外部分由廣域保護(hù)子站實現(xiàn)，虛線框內(nèi)部分由廣域保護(hù)主站實現(xiàn)，潮流轉(zhuǎn)移后輕載線路的無故障跳閘閉鎖邏輯由主站完成并發(fā)送給子站，圖3 中ε表示支路實測潮流與估算潮流之間的絕對誤差門檻值。

圖3 綜合跳閘判據(jù)

電力系統(tǒng)保護(hù)裝置能比較準(zhǔn)確地反映設(shè)備短路等故障，但不能反映斷路器偷跳等保護(hù)動作之外引起的跳閘。

故障跳閘判據(jù)直接利用廣域保護(hù)的故障定位信息(如果是傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制裝置則引入保護(hù)裝置的動作信號)并結(jié)合電氣量進(jìn)行判斷，具有速度快的特點;無故障跳閘判據(jù)在傳統(tǒng)判據(jù)的基礎(chǔ)上引入潮流轉(zhuǎn)移閉鎖邏輯，能夠避免將潮流轉(zhuǎn)移后恰好出現(xiàn)輕載的線路誤判為跳閘，提高判據(jù)的可靠性。因此僅基于電氣量判斷的無故障跳閘判據(jù)不能取消，新型綜合跳閘判據(jù)由故障跳閘判據(jù)和無故障跳閘判據(jù)2 部分共同構(gòu)成。

故障跳閘判據(jù)在裝置啟動并接收到設(shè)備保護(hù)動作信號后，只要檢測到故障設(shè)備的電流小于投運電流Is1，則立即判定該設(shè)備發(fā)生故障跳閘并向主站發(fā)出該設(shè)備被切除消息，該判據(jù)在檢測到電氣量迅速減小后不必增加額外的延時來躲潮流轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)振蕩等現(xiàn)象，相比無故障跳閘判據(jù)加快了跳閘判別速度，有利于潮流轉(zhuǎn)移的識別和對其他設(shè)備無故障跳閘判據(jù)的閉鎖。

由于潮流轉(zhuǎn)移現(xiàn)象造成的線路潮流方向的改變使得線路潮流存在過零點的時間非常短，一般延時10～20 ms 即能夠躲過零點而不發(fā)生誤判，因此可以在裝置啟動后40 ms 內(nèi)不作無故障跳閘判斷，即可靠躲過潮流轉(zhuǎn)移造成的短時潮流過0，而判據(jù)的判斷時間到達(dá)t1后將不再進(jìn)行無故障跳閘判斷。

如果系統(tǒng)中某條支路在潮流轉(zhuǎn)移發(fā)生后恰好出現(xiàn)輕載(其潮流小于事故后功率定值Ps2)，其電氣量變化過程與線路發(fā)生無故障跳閘基本相同，因此傳統(tǒng)無故障跳閘判據(jù)會發(fā)生誤判，這時應(yīng)當(dāng)閉鎖無故障跳閘判據(jù)，閉鎖原理為:當(dāng)廣域保護(hù)主站接收到設(shè)備i 被切除信息，立即根據(jù)式(2)估算潮流轉(zhuǎn)移后其余支路潮流，如果發(fā)現(xiàn)支路k 實測潮流小于事故后功率定值Ps2，且實測潮流與估算潮流滿足轉(zhuǎn)移潮流識別條件，則立即向相關(guān)子站發(fā)送閉鎖線路k 的無故障跳閘判據(jù)命令，但無故障跳閘判據(jù)閉鎖的實現(xiàn)需要注意2 種情況:

1)線路i 發(fā)生故障跳閘(保護(hù)動作)，潮流轉(zhuǎn)移后線路k 的潮流接近0，由于線路i 的故障跳閘判據(jù)判斷速度非?？?，且線路k 的無故障跳閘判據(jù)有躲潮流轉(zhuǎn)移時間40 ms 和條件確認(rèn)延時ts1，可以利用這個時間差來估算潮流轉(zhuǎn)移對支路k 的影響并立即閉鎖線路k 的無故障跳閘判據(jù)。

2)線路i 發(fā)生無故障跳閘(保護(hù)未動作)，潮流轉(zhuǎn)移后線路k 的潮流接近0，從線路i 判斷出無故障跳閘時間到線路k 誤判為無故障跳閘的時間差幾乎只等于潮流轉(zhuǎn)移過程的瞬間，這種情況可能來不及進(jìn)行潮流轉(zhuǎn)移的判斷與實現(xiàn)無故障跳閘判據(jù)閉鎖，可以采取方案為:當(dāng)主站接收到第1 條線路發(fā)生無故障跳閘后，在一段時間內(nèi)稍增加其他線路無故障跳閘確認(rèn)延時ts1，以便主站有充分的時間識別潮流轉(zhuǎn)移并閉鎖線路k 的無故障跳閘判據(jù)。

4 小結(jié)

針對傳統(tǒng)無故障跳閘判據(jù)在現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的問題，結(jié)合潮流轉(zhuǎn)移的特點，以分層區(qū)域集中形式的廣域保護(hù)結(jié)構(gòu)為例，提出了一種能夠防止因潮流轉(zhuǎn)移引起傳統(tǒng)無故障跳閘判據(jù)誤動的新型綜合跳閘判據(jù)，其轉(zhuǎn)移潮流的識別功能由位于調(diào)度中心的廣域保護(hù)主站實現(xiàn)，而設(shè)備跳閘的判斷由廣域保護(hù)子站完成。提出的新型綜合判據(jù)解決了潮流轉(zhuǎn)移后輕載支路誤判的問題，提高了設(shè)備跳閘判據(jù)的可靠性和設(shè)備發(fā)生故障后判據(jù)的快速性。

〔1〕DL/T723—2000 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2001.

〔2〕DL755—2001 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2001.

〔3〕蔡敏，孫光輝，吳小辰，等. 穩(wěn)定控制所用交流設(shè)備跳閘判據(jù)的分析及應(yīng)用〔J〕. 電力系統(tǒng)自動化. 2007，31 (8):46-51.

〔4〕吳際舜. 電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析〔M〕. 上海:上海交通大學(xué)出版社，1984.