失步解列裝置應(yīng)用淺析

(陡河發(fā)電廠繼電保護(hù)室，河北 唐山 063000)

1 引言

大型互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基本要求，大電網(wǎng)中最嚴(yán)重的事故是穩(wěn)定性破壞，即系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩，如處理不當(dāng)便會發(fā)生大面積停電。

近年來，世界各國大面積停電事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時造成嚴(yán)重的社會混亂，尤其是2003年8月14日的“美加大停電”， 為電力工業(yè)歷史上是空前最嚴(yán)重的事故，波及到兩個國家，美國東北部8個周、加拿大2個?。蛔疃鄵p失61800 MW 負(fù)荷，263座電廠531臺發(fā)電機停運(包括10座核電站19臺核電機組)；停電范圍9300多平方英里 ，受影響區(qū)域的人口達(dá)5000萬；經(jīng)濟損失40～200億美元。

分析這些重大事故的原因，其中非常重要的一點是系統(tǒng)一點的故障被放大后，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，造成了全面故障而癱瘓。

當(dāng)電力系統(tǒng)失步后，首先要解決的問題是從失步斷面斷開失步機群間的電氣聯(lián)系，消除系統(tǒng)間的振蕩。然后通過切機、減載等措施實現(xiàn)解列后電氣孤島的穩(wěn)定運行。最后當(dāng)條件允許時，再逐步恢復(fù)整個系統(tǒng)的互聯(lián)和同步穩(wěn)定運行。

電網(wǎng)的失步解列控制，主要根據(jù)失步判據(jù)，本文介紹了幾種電力系統(tǒng)失步解列判據(jù)，著重分析了基于ucosφ的判據(jù)方式，根據(jù)失步解列配置原則及陡河發(fā)電廠二號站實際情況研究失步解列裝置配置方案。

2 電力系統(tǒng)失步解列及其判據(jù)

目前電網(wǎng)解列裝置使用的失步判據(jù)主要有五種：有功潮流變化失步判據(jù)、視在阻抗軌跡失步判據(jù)、視在阻抗角失步判據(jù)、阻抗補償計算失步判據(jù)、ucosφ判據(jù)。

2.1 有功潮流變化失步判據(jù)

該判據(jù)實際上是通過有功功率的方向改變?nèi)ヅ袛嗍Р健Ｍㄟ^在系統(tǒng)異步運行中無功功率對正負(fù)一側(cè)的偏向去判斷失步中心的位置，該判據(jù)沒有方向性，缺少限制動作條件判斷。當(dāng)系統(tǒng)受擾發(fā)生振蕩的過程中，同調(diào)機群間的聯(lián)絡(luò)線同樣會受到負(fù)荷潮流、同調(diào)機群問功角間隙波動等影響而發(fā)生有功過零的現(xiàn)象，這容易使得該判據(jù)誤判、裝置動作跳閘口；且當(dāng)系統(tǒng)失步較快，在電磁暫態(tài)過渡的過程中進(jìn)入異步運行狀態(tài)，該判據(jù)易于誤判振蕩周期次數(shù)。而非失步斷面聯(lián)絡(luò)線由于也會發(fā)生有功功率過零的現(xiàn)象，基于視在阻抗軌跡和視在阻抗角變化規(guī)律設(shè)計制造的失步解列裝置會誤判將同調(diào)機群間的非失步斷面聯(lián)絡(luò)線斷開，這是非常有害的。

2.2 視在阻抗軌跡失步判據(jù)

阻抗軌跡失步判據(jù)，通過測點的電壓(U)、電流(I)計算，得出阻抗(Z)變化的軌跡，按阻抗變化的規(guī)律實現(xiàn)失步解列判斷。該判據(jù)直接反映了失步的兩個系統(tǒng)功角變化，但是只能安裝在振蕩線路上，其動態(tài)特性才比較理想。實際電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩的具體情形千差萬別，振蕩中心還會發(fā)生變化；而且隨著系統(tǒng)運行方式的改變，系統(tǒng)振蕩中心也會發(fā)生變化，該判拒無法動態(tài)適應(yīng)系統(tǒng)的運行。

2.3 視在阻抗角失步判據(jù)

系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，測點電壓(U)、電流(I)的阻抗角(ф)會發(fā)生規(guī)律性變化，根據(jù)該變化規(guī)律實現(xiàn)失步解列判據(jù)。在系統(tǒng)振蕩過程中，當(dāng)解列裝置安裝于聯(lián)絡(luò)線一端，由母線向線路側(cè)視入時，視在阻抗角的變化規(guī)律。該判據(jù)的優(yōu)點是能夠判斷出失步中心的位置方向，能可靠地區(qū)分異步振蕩和同步振蕩，能適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和多變的運行方式，但是阻抗角計算如式(1)所示。

ф=arctan(Q/P)

(1)

從上式可見，該判據(jù)實際上與有功潮流變化失步判據(jù)是一致，同樣存在問題。

2.4 阻抗補償計算失步判據(jù)

該判據(jù)通過補償計算互聯(lián)的兩個系統(tǒng)之間阻抗，算出兩側(cè)系統(tǒng)內(nèi)電動相角差來判斷失步。該方法原理簡單，但補償范圍要包括失步中心，否則會發(fā)生誤判。該判據(jù)實現(xiàn)簡單，但輸電系統(tǒng)接線發(fā)生變化時，會產(chǎn)生誤差，且在線路中間帶有大量負(fù)荷的情況下，實現(xiàn)變得十分復(fù)雜。

2.5 ucosφ判據(jù)

用ucosφ的軌跡判別系統(tǒng)失步狀態(tài)。該判據(jù)反映了失步斷面聯(lián)絡(luò)線上電壓幅值最低點的電壓幅值變化特征。通過接入聯(lián)絡(luò)線的電壓、電流計算出ucosφ，然后可通過系統(tǒng)失步振蕩過程中ucosφ軌跡穿過的區(qū)域去判斷系統(tǒng)的失步情況，實施解列。

3 基于ucosφ的判別原理

基于ucosφ原理的裝置使用ucos進(jìn)行失步周期判別，使用測量點最低電壓對保護(hù)范圍進(jìn)行限定，簡述如下。

電力系統(tǒng)失步時，一般可以將所有機組分為兩個機群，用兩機等值系統(tǒng)分析其特性。振蕩中心電壓與兩等值系統(tǒng)功角δ之間存在確定的函數(shù)，參見圖1，因此可以利用振蕩中心電壓ucosφ的變化反應(yīng)功角的變化。作為狀態(tài)量的功角是連續(xù)變化的，因此在失步振蕩時振蕩中心的電壓也是連續(xù)變化的，且過零；在短路故障及故障切除時振蕩中心電壓是不連續(xù)變化且有突變的；在同步振蕩時，振蕩中心電壓是連續(xù)變化的，但不過零。因此可以通過振蕩中心的電壓變化來區(qū)分失步振蕩、短路故障和同步振蕩。在振蕩中心電壓ucosφ的變化平面上，可將其變化范圍分為7個區(qū)，當(dāng)振蕩中心電壓按照一定規(guī)律變化，穿過相應(yīng)的區(qū)域時，判為失步。

圖1 振蕩過程安裝點及振蕩中心電壓變化軌跡圖

同時，電力系統(tǒng)振蕩時，測量點電壓也隨振蕩過程呈現(xiàn)周期性變化。振蕩過程中，隨著兩端等值系統(tǒng)的夾角不斷增大，當(dāng)增大到180度時，裝置安裝處母線電壓最小，而這一最小值由裝置安裝處到振蕩中心的距離決定，距離振蕩中心越近，電壓最小值也越小(振蕩中心電壓最小值為零)。利用這一特點，可以知道振蕩中心距離裝置安裝處的遠(yuǎn)近，從而確定解列裝置的保護(hù)范圍。

因此實際裝置中有兩個定值，一個是基于ucosφ原理的失步繼電器的振蕩周期定值，另一個是利用測量點電壓最小值進(jìn)行保護(hù)范圍限定的區(qū)域繼電器的電壓定值。

該判據(jù)能夠適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和多變的運行方式，整定方便，能夠捕捉到失步中心出現(xiàn)的時刻，但電壓和電流的相位角與系統(tǒng)的功角之間的關(guān)系復(fù)雜，兩者之間的關(guān)系與測點位置和振蕩中心的遠(yuǎn)近有關(guān)，難以捕捉到失步中心的位置，當(dāng)裝置安裝在振蕩中心附近時較難與故障區(qū)分，需要其他輔助條件才能區(qū)分故障和振蕩。

4 失步解列控制實際應(yīng)用分析

4.1 一次系統(tǒng)概括

陡河發(fā)電廠陡河2#站220kV母線采用雙母線帶旁路主接線型式，站內(nèi)接有4臺200MW機組，2臺起備變，220kV出線3回，全部接至常莊220kV變電站。

4.2 系統(tǒng)繼電保護(hù)配置現(xiàn)狀

陡河2#站220kV線路配置有雙套保護(hù)，220kV旁路配置單套保護(hù)，具體配置如下：

線路保護(hù)一：北京四方公司CSC-103BL型縱聯(lián)電流差動保護(hù)；

線路保護(hù)二：南瑞繼保公司RCS-931AM型縱聯(lián)電流差動保護(hù)；

旁路保護(hù)：北京四方公司CSC-103BL型縱聯(lián)電流差動保護(hù)。

4.3 失步解列裝置配置原則

為盡量縮小事故影響范圍，防止發(fā)生長期大面積停電的事故，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和安全穩(wěn)定計算分析的結(jié)果，在一些適當(dāng)?shù)牡攸c裝設(shè)失步解列裝置，如網(wǎng)省間聯(lián)絡(luò)線、長距離大容量送電線路、高低壓電磁環(huán)網(wǎng)低壓側(cè)等。220kV及以上電壓等級聯(lián)絡(luò)線路和電廠(機組)并網(wǎng)線路的失步解列裝置應(yīng)按雙重化配置，一般500kV、220kV聯(lián)絡(luò)線每條線兩側(cè)各配置一套。電廠(機組)并網(wǎng)線路為雙回較短線路，且失穩(wěn)特性主要影響電廠安全時，可僅在電廠每條出線側(cè)各配置一套失步解列裝置。

4.4 失步解列裝置配置方案

由于陡河2#站三回220kV出線均接到常莊220kV變電站，失步解列裝置考慮采用斷面解列配置方案。具體如下：

在陡河2#站配置雙套失步解列裝置。每套裝置均接入陡常三回線及旁路的電流和電壓量，當(dāng)電廠與系統(tǒng)發(fā)生失步時，由裝置動作跳開陡常三回線及旁路，將電廠與系統(tǒng)解列。

每套失步解列裝置分別組在各自的屏(柜)內(nèi)，裝置退出、消缺或試驗時，宜整屏(柜)退出。兩套裝置采用相互獨立的輸入、輸出回路，裝置電源獨立。兩套裝置的跳閘回路與斷路器的兩個跳閘線圈分別一一對應(yīng)。兩套裝置的相關(guān)回路與相聯(lián)系的兩套主保護(hù)相關(guān)回路一一對應(yīng)。即：第一套裝置的輸入電流、輸入電壓、輸入的保護(hù)動作信號應(yīng)取自線路的第一套主保護(hù)；第二套裝置同上。每套裝置電流回路宜采用與對應(yīng)線路保護(hù)相同的CT次級，電流回路宜串接于線路保護(hù)之后。每套裝置宜采用與對應(yīng)線路保護(hù)相同的PT次級。應(yīng)接入母線PT切換后的三相電壓。失步解列裝置的動作、告警等重要信息以硬接點方式接入監(jiān)控系統(tǒng)。

二號站原來配置有安全自動裝置，穩(wěn)定控制主機A柜線路電流、電壓從北京四方公司的CSC縱聯(lián)電流差動保護(hù)柜接；穩(wěn)定控制主機B柜線路電流、電壓從南瑞繼保公司的RCS縱聯(lián)電流差動保護(hù)柜接；旁路代路時,主機A柜電流從旁路CSC縱聯(lián)電流差動保護(hù)柜接。主機B柜電流從旁路斷路器端子箱接,電壓亦從旁路CSC縱聯(lián)電流差動保護(hù)柜接。失步解列裝置需要采集的陡常三回線及旁路的電流可以考慮從電廠內(nèi)穩(wěn)定控制主機柜轉(zhuǎn)接，電壓可以考慮從線路及旁路電流差動保護(hù)柜轉(zhuǎn)接。

5 小結(jié)

本文在闡述失步的危害性及失步解列判據(jù)原理的基礎(chǔ)上，針對陡河發(fā)電廠二號站一次系統(tǒng)狀況，將失步解列原理與現(xiàn)場實際情況結(jié)合，提出失步解列裝置的相關(guān)可行性配置方案，以保證失步保護(hù)可靠、迅速動作，達(dá)到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，避免事故擴大。

[1]宗洪良，孫光輝，劉志，等.大型電力系統(tǒng)失步解列裝置的協(xié)調(diào)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(22)：72-75.

[2]高鵬，王建全，甘德強，等.電力系統(tǒng)失步解列綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(19)：90-96.

[3]高鵬，楊梅強，任祖怡.一種捕捉失步中心的新方法[J].江蘇電力工程，2006，25(3)：7-10.

[4]宗洪良，任祖怡，鄭玉平，等.基于ucosφ的失步解列裝置[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(9)：83-85.

[5]RCS-993E失步解列裝置技術(shù)和使用說明書[Z].南京南瑞繼保電氣有限公司.

[6]陳西穎，李衛(wèi)星，郭志忠.電力系統(tǒng)失步解列研究[J].繼電器，4．16，2006，34(8):30-34.

[7]高鵬，王建全，周文平.視在阻抗角失步解列判據(jù)的改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動化，12．25，2004，28(24)：36-40.

[8]宗洪良，任祖怡，鄭玉平，等.基于Ucosφ的失步解列裝置[J].電力系統(tǒng)自動化，10．10，2003，27(19)：83-85.