交流輸電斷面近區(qū)失步解列裝置適應性研究

劉瑞彩，常東旭，郭琦，朱益華，朱煜昆，武明康，毛李帆

(1.海南電網(wǎng)有限責任公司，?？?70203；2. 直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學研究院)，廣州510663；3. 廣東省 新能源電力系統(tǒng)智能運行與控制企業(yè)重點實驗室，廣州510663；4.中國南方電網(wǎng)公司電網(wǎng)仿真重點實驗室，廣州510663)

0 引言

廣西-廣東交流輸電斷面(以下簡稱“兩廣斷面”)是南方電網(wǎng)主網(wǎng)最為重要的交流輸電斷面，由北通道桂林-賢令山雙回、中通道賀州-羅洞雙回、梧州-臥龍-羅洞+梧州-羅洞雙回以及南通道茂名-蝶嶺雙回共9回500 kV線路構成。由于潮流分布不均衡，兩廣斷面長期壓極限送電，安全穩(wěn)定問題突出[1 - 2]。近年來，隨著廣東電網(wǎng)火電機組“上大壓小”以及改擴建工程的實施，兩廣斷面近區(qū)的調順電廠、烏石灣電廠、陽西電廠和博賀電廠等陸續(xù)投產并通過500 kV線路直接接入主網(wǎng)。這些電廠裝機容量巨大，如陽西電廠單機容量達到1 240 MW，并網(wǎng)機組或線路發(fā)生嚴重故障時，易導致電廠對主網(wǎng)失步，需要快速解列以避免影響主網(wǎng)穩(wěn)定；同時隨著昆柳龍直流、海南聯(lián)網(wǎng)二通道等工程的建設和投產，都對兩廣斷面的潮流分布和穩(wěn)定特性產生了較大影響[3 - 4]，對作為電網(wǎng)最后一道防線的失步解列裝置提出了新的要求。

兩廣斷面各回聯(lián)絡線雙側均配置了就地和廣域的失步解列裝置，兩廣斷面近區(qū)的500 kV及220 kV電廠也都配置了失步解列裝置[5 - 8]。一方面，為適應網(wǎng)架結構和運行方式的變化，需要重新校核失步解列判據(jù)和動作邏輯的適應性，特別是部分廠家新研發(fā)的裝置或者舊型號裝置更新?lián)Q代后，沒有經(jīng)過嚴格的動態(tài)模擬試驗，在某些特殊運行方式或故障沖擊下可能存在不正確動作的現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[9 - 10]；另一方面需要研究兩廣斷面聯(lián)絡線與電廠的失步解列裝置協(xié)調配合的策略，即當電廠對主網(wǎng)失步時應快速解列，避免振蕩中心轉移到主網(wǎng)內部，引起兩廣斷面解列；同時若主網(wǎng)發(fā)生失步且振蕩中心落在兩廣斷面上，應通過振蕩周期和區(qū)域繼電器的整定配合避免電廠失步解列裝置誤動作，擴大事故范圍，影響解列后系統(tǒng)穩(wěn)定的快速恢復[11 - 12]。

本文從兩廣斷面近區(qū)實際的失步解列裝置配置出發(fā)，基于RTDS實時仿真系統(tǒng)，建立了以博賀電廠近區(qū)網(wǎng)架為基礎的等值系統(tǒng)模型，結合其等效雙機系統(tǒng)模型，近似定量計算了振蕩中心位置和失步最小測量電壓，以實現(xiàn)對失步解列功能邏輯的精確測試；基于該等值模型模擬可能導致系統(tǒng)失步的典型故障，對各種型號的失步解列裝置進行遍歷校核，并結合理論分析，對仿真試驗中發(fā)現(xiàn)的問題提出具體的改進措施，提高了裝置判據(jù)設計的可靠性；之后建立詳細的全網(wǎng)一次系統(tǒng)模型，研究兩廣斷面聯(lián)絡線和近區(qū)電廠失步解列裝置的配合關系，提出了相應的協(xié)調優(yōu)化建議。本文提出的相關改進措施已在現(xiàn)場實施。

1 兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置配置

兩廣斷面聯(lián)絡線及近區(qū)電廠配置的失步解列裝置普遍采用了基于Ucosφ和相位角原理的失步判據(jù)。Ucosφ反映線路兩側功角的變化規(guī)律，可根據(jù)其軌跡逐級穿越7個不同區(qū)域判斷失步；相位角原理根據(jù)失步后失步安裝點相角變化的規(guī)律判斷失步；裝置均設置了區(qū)域繼電器，當失步安裝點測量的最小電壓滿足低電壓定值時，失步解列動作[13]。以上兩種判據(jù)簡單可靠，定值整定不依賴于系統(tǒng)運行方式和網(wǎng)架結構，因此得到了廣泛應用。

兩廣斷面近區(qū)電廠包括中通道的500 kV的富川電廠、博賀電廠和220 kV云浮電廠、云浮C廠和定能電廠等；南通道的500 kV調順電廠、烏石灣電廠和陽西電廠等。上述電廠安裝的失步解列裝置型號較多，包括Ucosφ原理的RCS- 993、PCS- 993型號；也包括相位角原理的UFV- 2F及GFWK-F等型號；失步解列裝置一般動作于分輪切除機組(有部分電廠為解列線路)，低電壓定值一般整定為0.5Un(Un為失步解列裝置安裝點的線路額定電壓)。

兩廣斷面聯(lián)絡線雙側大都配置了失步解列裝置，失步解列裝置采用了基于Ucosφ原理的PCS- 993型失步解列子站裝置，具備就地失步解列和遠方失步解列功能。兩廣斷面在茂名站配置了失步解列控制主站，能夠對兩廣斷面的失步解列裝置進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)廣域失步解列[8]。目前廣域失步解列系統(tǒng)處于試運行狀態(tài)，僅就地失步裝置投出口，動作于解列聯(lián)絡線。兩廣斷面聯(lián)絡線的失步振蕩周期一般整定為2次，低電壓定值整定為0.5Un(羅洞站為0.65Un)。兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置配置如圖1所示。

圖1 兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置配置示意圖Fig.1 Configuration diagram of out-of-step separation devices near Guangxi-Guangdong section

近年來，兩廣斷面各廠站的失步解列裝置陸續(xù)更換了新型號的失步解列裝置，同時兩廣斷面的穩(wěn)定特性也發(fā)生了較大的變化，需要開展詳細的動態(tài)實時仿真試驗，研究校核失步解列裝置的可靠性以及裝置的協(xié)調配合策略等。

2 失步解列裝置可靠性校核

以博賀電廠近區(qū)網(wǎng)架結構為基礎，建立起可進行簡單定量分析的等值系統(tǒng)模型，以考察各種型號失步解列裝置判據(jù)的可靠性。

2.1 等值模型與等效雙機系統(tǒng)

以博賀電廠接入臥龍變的500 kV網(wǎng)架為基礎，建立等值系統(tǒng)模型如圖2所示。發(fā)電機額定容量為2×1 000 MW；廣西電網(wǎng)在梧州側等值為發(fā)電機，廣東電網(wǎng)在羅洞側等值為無窮大電源，臥龍的220 kV網(wǎng)絡等值為負荷。通過圖2設置的故障點，遍歷校核安裝在電廠出線側(圖中D1點)和系統(tǒng)側(圖中D2點)的失步解列裝置在各種常規(guī)故障及組合故障下的動作行為。本次試驗將RCS- 993、PCS- 993及GFWK-F等型號裝置串聯(lián)同步開展試驗，以準確比較兩廣斷面近區(qū)電廠各種型號失步解列裝置動作的一致性。電廠各裝置配置了2輪動作切機，失步1輪振蕩次數(shù)Ns1設置為2次，失步2輪振蕩次數(shù)Ns2設置為4次，每輪動作切1臺機；低電壓定值設置為0.5Un；裝置不判失步方向，即振蕩中心位于失步解列裝置的正反方向均可動作。

為了能夠簡單定量計算失步振蕩中心和失步安裝點最小電壓，將上述等值系統(tǒng)模型等效為雙機系統(tǒng)模型，根據(jù)實際參數(shù)折算的等效阻抗ZM(失步安裝點本側阻抗，包含發(fā)電機及變壓器阻抗等)、ZL1、ZL2(2段線路的阻抗)和ZN(系統(tǒng)側等效阻抗)的標幺值如圖2所示。

圖2 等值系統(tǒng)模型Fig.2 Equivalent system model

(1)

(2)

(3)

(4)

通過圖2所示的等效阻抗，由式(3)和(4)可近似定量計算可能的開機方式和故障形式導致系統(tǒng)失步時D1測量點對應的振蕩中心位置和最小電壓如表1所示。本模型能保證振蕩中心落在電廠或L1、L2線路上，且測量點最小點電壓均滿足小于0.5Un，可實現(xiàn)對失步解列裝置動作特性的精確校核。

基于上述試驗模型，模擬L1、L2各個故障點(圖2中的k11、k12、k13、k14、k21、k22、k23、k24)的單相永久故障、相間短路故障以及三相短路故障等單一故障以及L3、L4、L53回線路N-2等組合故障，校核失步解列裝置安裝在D1點(電廠側)和D2點(系統(tǒng)側)的動作特性。試驗結果表明：若失步解列裝置安裝在D1點，各型號裝置均能夠正確判斷電廠對系統(tǒng)失步，并按照整定的振蕩周期和低電壓定值正確動作出口；若失步解列裝置安裝在D2點，由于失步振蕩中心均落在電廠出線上(如表1計算結果)，各型號的裝置均能根據(jù)低電壓定值設置可靠不動作，驗證了失步解列裝置區(qū)域繼電器配合的有效性。

表1 振蕩中心和最小電壓的近似定量計算結果Tab.1 Approximate quantitative calculation results of oscillation center and minimum voltagep.u.

但在進一步開展L1、L2單線主保護拒動和L1、L2線路組合故障導致系統(tǒng)失步時，發(fā)現(xiàn)了部分型號裝置失步判據(jù)存在缺陷。本文對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行了研究，提出了具體的改進措施。

2.2 故障過程中閉鎖失步判據(jù)的可靠性校核

失步解列裝置一般采用零序電壓、電流和故障低電壓等閉鎖判據(jù)來躲過近區(qū)故障，其中零序電流和零序電壓閉鎖判據(jù)用于躲過不對稱故障，低電壓閉鎖判據(jù)用于躲過三相對稱故障。試驗發(fā)現(xiàn)，在線路單相或三相故障保護切除時間大于0.5 s時，部分型號失步解列裝置不能正確躲過故障，在故障清除后不滿足振蕩周期定值就會動作出口切機。

典型仿真算例如下：失步解列安裝點D1，電廠開機2×1 000 MW，L1線k13單相接地故障，由于故障點位于線路保護死區(qū)，由失靈保護0.5 s跳開L1三相線路；故障后系統(tǒng)失步。試驗中發(fā)現(xiàn)某采用相位角原理的失步解列裝置，L2線在故障清除后的第1個振蕩周期就失步動作1輪，而其他失步解列裝置均可正確按整定的振蕩周期定值動作在第2個振蕩周期失步動作第1輪，失步解列動作錄波如圖3所示。

根據(jù)相位角判據(jù)的原理，裝置相位角通過θ= arctan(Q/P)計算得到，按照圖4所示將4個象限劃分為6個區(qū)[11]，以失步安裝D1點為例，說明如下。

振蕩中心在正方向：相位角θ依次穿過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，認為經(jīng)歷了1個振蕩周期；

圖3 單相故障保護拒動時失步解列動作錄波Fig.3 Out-of step action waves when single phase fault relay fails to operate

圖4 相位角原理失步軌跡示意圖Fig.4 Out-of-step trajectory diagram of phase angle principle

振蕩中心在反方向：相位角θ依次穿過Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)，認為經(jīng)歷了1個振蕩周期；

振蕩中心在失步安裝點附近：測量電壓小于20%Un，且相位角θ在Ⅰ區(qū)跳變到Ⅳ區(qū)，再回到Ⅰ區(qū)，作為1個振蕩周期。

根據(jù)上述原理，故障過程中，裝置軟件的零序電壓和零序電流延時(原始設計為5 s)閉鎖失步判斷、故障中的角度判別未完全閉鎖；在故障清除的瞬間，由于系統(tǒng)電壓很低(低于20%Un)的門檻，且相位角在0 °和180 °之間跳變，滿足相位角判據(jù)中振蕩中心落在失步安裝點的特征(滿足低電壓同時θ在Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)跳變)，使得裝置多計算了1個振蕩周期，因而比整定周期提前動作。

由此，該異常的主要原因在于零序閉鎖判據(jù)失效，誤將故障恢復過程計入失步穿區(qū)計數(shù)。裝置廠家對零序及低電壓閉鎖判據(jù)進行了修改，在零序閉鎖判據(jù)滿足時立即閉鎖失步判斷并清除所有失步穿區(qū)標志，等到三相電壓平衡時立即開放失步判斷。經(jīng)對線路單相或三相故障時主保護拒動且切除延時大于0.5 s的所有故障形式進行了遍歷校核，確認了上述修改的有效性。

同時，根據(jù)本次試驗錄波，L2線失步初始階段，振蕩中心首先落在安裝點附近；切除1臺機組后，由于ZM阻抗數(shù)值變大，振蕩中心向電廠側偏移，落在失步安裝點的反方向，驗證了由式(3)評估振蕩中心位置方法的正確性。

2.3 振蕩中心在安裝點附近時裝置適應性校核

當振蕩中心落在失步裝置安裝點附近時，失步解列測量的電壓較低，基于相位角原理的失步解列裝置通過功率計算的相位角不準確；同時低電壓閉鎖邏輯可能導致某些相位角分區(qū)失步穿越計數(shù)被清0，使得裝置對失步振蕩軌跡刻畫不準確。

圖5 N-1.5故障時失步解列動作錄波Fig.5 Out-of step action waves in case of fault N-1.5

為了解決上述問題，參考文獻[16 - 17]，根據(jù)三相短路故障和失步振蕩時失步安裝點測量的包絡線電壓最大值Umax和振蕩過程中有功功率變化量ΔP的不同特征，設置低電壓閉鎖的解鎖條件如式(5)所示。

(5)

式中：Un為額定電壓；P0為線路失步前有功功率。當同時滿足上述2個條件時，重新開放相位角計算和穿區(qū)邏輯的判別。以上判據(jù)可有效區(qū)分三相短路故障產生的低電壓和振蕩中心附近產生的低電壓，達到三相故障時可靠閉鎖、失步振蕩時正常開放失步判斷的效果，如圖5中所示的優(yōu)化后的動作曲線。

經(jīng)上述修改后，對L1、L2線路多個故障點的進行交叉組合故障仿真驗證，失步解列裝置均能夠正確動作，確認了上述修改的有效性。

3 兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置的協(xié)調配合

文獻[13 - 15]表明多個失步解列裝置在安裝點距離較近時，可能會同時檢測到系統(tǒng)失步振蕩，因此需深入研究兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置的協(xié)調配合問題。

本文基于RTDS系統(tǒng)建立了南方電網(wǎng)2020年典型運行方式全網(wǎng)全電磁暫態(tài)模型，2020年新投產的昆柳龍、祿高肇兩回直流分別按昆北雙低閥送廣東2 500 MW、祿勸送肇慶3 000 MW運行，其它直流均按額定功率運行；牛從直流接入實際控制保護裝置，其它直流系統(tǒng)采用全數(shù)字模型，構建了南方電網(wǎng)的全景仿真試驗系統(tǒng)[18 - 20]。兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置按照圖1實際配置，其中配置了實際失步解列裝置的電廠失步動作設置為2輪，每輪切1臺機；部分未配置實際裝置的220 kV電廠采用失步解列數(shù)字模型[8]，根據(jù)功角是否擺開180 °和振蕩周期次數(shù)模擬實際裝置動作解列電廠出線。

3.1 電廠對主網(wǎng)失步時裝置動作特性

在500 kV博賀、陽西、富川、調順和烏石灣電廠滿發(fā)狀態(tài)下模擬電廠2回出線“N-1.5故障”等組合故障時，電廠對主網(wǎng)失步，電廠側失步解列裝置均能夠正確動作，快速切除機組或解列電廠出線；兩廣斷面失步解列裝置僅啟動，沒有動作出口；其他電廠失步解列裝置未啟動；電廠解列后，兩廣斷面聯(lián)絡線的振蕩迅速平息，電廠對主網(wǎng)失步時動作錄波如圖6所示。

圖6 電廠對主網(wǎng)失步時動作錄波Fig.6 Action waves when the power plant is out-of-step with the main network

3.2 兩廣斷面失步時裝置動作特性

基于本文設置的系統(tǒng)運行方式，若發(fā)生多回直流交叉跨越故障、兩廣斷面近區(qū)線路或母線三相障主保護拒動時，可能導致兩廣斷面失步。經(jīng)大量仿真試驗結果表明：

1)若兩廣斷面失步解列系統(tǒng)各通道僅投本地失步解列功能且均整定為2周波解列時，兩廣斷面各通道解列較慢，位于中通道附近的博賀電廠、定能電廠等電廠滿足失步特征(如圖7中黑實線所示的電廠出線功角)，上述電廠的失步解列裝置動作，擴大了事故范圍，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定的恢復；

圖7 兩廣斷面失步時動作錄波Fig.7 Action waves when Guangxi-Guangdong section is out-of-step

2)若兩廣斷面廣域失步解列原則為“投1周期4取2解列[8]”(各通道整定為1周波解列，4個通道中2個通道判出失步，則解列所有通道)，則兩廣斷面快速解列，近區(qū)電廠失步解列裝置僅啟動、不動作；兩廣斷面解列且低頻低壓切負荷后，廣東電網(wǎng)仍可保持穩(wěn)定運行。如圖7所示，廣域失步解列動作后系統(tǒng)能快速恢復穩(wěn)定(監(jiān)視量為從西換流站電壓)，且電廠失步解列裝置能夠可靠不動作。

綜上，基于目前的失步解列裝置配置和定值整定，在發(fā)生電廠對主網(wǎng)失步時，兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置能夠正確配合解列電廠機組或出線，平息振蕩；在兩廣斷面失步時，在目前僅投就地失步解列裝置的解列方式下，可能會導致近區(qū)部分電廠失步解列裝置誤動作，不利于解列后系統(tǒng)穩(wěn)定恢復；而采用目前處于試運行狀態(tài)的廣域失步解列系統(tǒng)可有效避免上述問題，建議有條件時盡快將兩廣斷面廣域失步解列系統(tǒng)投入正式運行。

4 結語

本文針對兩廣斷面近區(qū)網(wǎng)架和失步解列配置，基于RTDS系統(tǒng)建立了等值電網(wǎng)模型和全網(wǎng)詳細模型，對兩廣斷面近區(qū)失步解列裝置的解列判據(jù)、閉鎖邏輯和協(xié)調配合措施進行了全面校核。針對發(fā)現(xiàn)的問題，提出了相應的改進措施和優(yōu)化建議，并在實際系統(tǒng)中應用，保障了南方電網(wǎng)主網(wǎng)的可靠運行。本文提出的振蕩中心位置和測量點最小電壓的近似定量計算方法，可以為后續(xù)開展失步解列裝置的精確動態(tài)校核提供參考。