基于波形回放的失步解列裝置動(dòng)作行為評(píng)估方法研究

俞秋陽，常寶立，王新寶

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

在多重嚴(yán)重故障沖擊下，電力系統(tǒng)可能發(fā)生失步振蕩，一旦發(fā)生失步振蕩電網(wǎng)面臨全面崩潰風(fēng)險(xiǎn)。為防止電網(wǎng)崩潰需要配置失步解列裝置，捕捉失步振蕩特征將電網(wǎng)解列為多個(gè)子系統(tǒng)，并確保各子系統(tǒng)能夠維持各自同步運(yùn)行［1-4］。

目前大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的失步解列裝置主要采用UCosφ失步判據(jù)，在大區(qū)互聯(lián)斷面配置多套失步解列裝置［5-6］。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩時(shí)，失步解列裝置的動(dòng)作行為將直接關(guān)系到大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，因此評(píng)估電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)失步解列裝置的動(dòng)作行為是十分必要的［7-10］，其中包括了對(duì)失步判據(jù)可靠性和整定定值合理性的評(píng)估工作。

目前對(duì)失步解列裝置動(dòng)作行為評(píng)估方法主要是使用BPA 和PSASP 等電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序進(jìn)行時(shí)域仿真，并輸出失步判據(jù)所需的電壓、電流等物理量的有效值曲線，經(jīng)過二次加工后形成UCosφ曲線進(jìn)行人工判斷，或者使用RTDS 等數(shù)模仿真系統(tǒng)接入實(shí)際的失步解列裝置，進(jìn)行在環(huán)實(shí)驗(yàn)［11-15］。

以上兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，人工判斷方法簡單但準(zhǔn)確性差，數(shù)模仿真方法準(zhǔn)確性高但實(shí)施復(fù)雜。本文研究基于波形回放技術(shù)的失步解列裝置動(dòng)作行為評(píng)估方法，為相關(guān)工作提供一種簡單可靠的技術(shù)手段。

1 總體方案設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)發(fā)生多重嚴(yán)重故障時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為通常使用機(jī)電暫態(tài)時(shí)域仿真程序進(jìn)行模擬。失步振蕩過程是典型的機(jī)電暫態(tài)過程，因此目前業(yè)界通常借助BPA或PSASP等仿真工具進(jìn)行失步振蕩的分析研究。

UCosφ失步判據(jù)在我國電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。電網(wǎng)發(fā)生失步后解列點(diǎn)的設(shè)置位置是否合理，UCosφ失步判據(jù)能否在裝置安裝處準(zhǔn)確捕捉到失步振蕩特征，失步解列的定值設(shè)置是否能夠保證失步解列裝置正確動(dòng)作，都需要采用測(cè)量點(diǎn)的三相電流、電壓瞬時(shí)值作為輸入量，并結(jié)合UCosφ失步判據(jù)算法邏輯以及失步解列裝置定值進(jìn)行評(píng)估。本文設(shè)計(jì)的評(píng)估方法如圖1所示。

圖1 評(píng)估方法設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of evaluation method

其中BPA 和PSASP 的計(jì)算結(jié)果文件作為波形數(shù)據(jù)源。機(jī)電暫態(tài)時(shí)域仿真程序BPA 和PSASP 的計(jì)算結(jié)果文件中輸出的是三相電壓、三相電流的有效值，而模擬真實(shí)失步解列裝置的動(dòng)作行為需要使用瞬時(shí)值作為輸入。因此為了滿足波形回放的前提條件需要從機(jī)電暫態(tài)時(shí)域仿真程序BPA 和PSASP 的計(jì)算結(jié)果文件中提取出測(cè)量點(diǎn)三相電壓、三相電流有效值數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為三相瞬時(shí)值數(shù)據(jù)。

本文研究的評(píng)估方法并不需要接入真實(shí)的失步解列裝置，而是利用軟件模擬的UCosφ失步解列虛擬裝置來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作行為評(píng)估。虛擬裝置主要實(shí)現(xiàn)UCosφ失步判別算法，包括失步振蕩周期的判別算法和失步振蕩中心的區(qū)域判別算法。

UCosφ失步解列虛擬裝置根據(jù)回放的測(cè)量點(diǎn)三相電壓、電流瞬時(shí)值波形，利用UCosφ失步判別原理進(jìn)行分析，并結(jié)合失步解列整定值得出失步判別結(jié)果和是否需要解列的動(dòng)作指令。

本文提出的設(shè)計(jì)方案雖然目前僅實(shí)現(xiàn)了UCosφ失步判據(jù)，但其架構(gòu)具備可擴(kuò)展性。目前我國電網(wǎng)中除采用UCosφ失步判據(jù)以外，還經(jīng)常使用循序阻抗失步判據(jù)和相位角失步判據(jù)［16-17］。只需在本方案的虛擬裝置模塊中對(duì)這兩種判據(jù)進(jìn)行算法模擬，即可通過波形回放方法對(duì)采用這兩種判據(jù)的失步解列裝置的動(dòng)作行為進(jìn)行評(píng)估。以此類推，其他原理的失步解列裝置均可以采用本方案實(shí)現(xiàn)動(dòng)作行為的評(píng)估。

2 失步判據(jù)模擬方法

用于模擬失步解列裝置失步判別算法和解列控制邏輯的軟件模塊必須與失步解列裝置中的嵌入式程序所使用的失步判據(jù)與解列控制邏輯一致性，才能真實(shí)準(zhǔn)確地反映失步解列裝置的動(dòng)作行為。相關(guān)工作主要體現(xiàn)在以下3方面。

2.1 UCosφ失步判別方法

以圖2兩機(jī)系統(tǒng)為例，采用下列假設(shè)條件：1）兩側(cè)等值電勢(shì)EM和EN幅值相等；

圖2 兩機(jī)等值系統(tǒng)Fig.2 Equivalent two-machine power system

2）系統(tǒng)等值阻抗角為90°；

3）從EM到EN阻抗均勻分布。

如圖3所示失步過程中振蕩中心的電壓Uc與解列裝置安裝處的電壓U以及電壓和電流的夾角φ之間存在確定的函數(shù)關(guān)系：Uc=UCosφ，因此可以利用UCosφ的變化來近似地反映振蕩中心電壓的變化［18-20］。

圖3 振蕩過程安裝點(diǎn)及振蕩中心電壓變化軌跡圖Fig.3 Voltage change track of installation point and oscillation center during oscillation

以母線指向線路為正方向，在正常運(yùn)行期間，當(dāng)裝置安裝處電流方向?yàn)檎龝r(shí)，UCosφ的數(shù)值近似等于1，反之則為-1。失步期間振蕩中心電壓連續(xù)變化，并且過零。

2.2 UCosφ失步振蕩周期判別模擬方法

電網(wǎng)發(fā)生失步振蕩時(shí)失步振蕩中心電壓可以用UCosφ的計(jì)算值來近似代替。失步振蕩過程中UCosφ是連續(xù)變化的，并且過零點(diǎn)。在短路故障及故障切除時(shí)振蕩中心電壓則是不連續(xù)變化，并且發(fā)生突變。在同步振蕩時(shí)，振蕩中心電壓是連續(xù)變化，但不過零點(diǎn)。因此可以通過UCosφ的變化軌跡來區(qū)分失步振蕩、短路故障和同步振蕩。

圖4是使用軟件模塊模擬UCosφ判據(jù)進(jìn)行失步判別的示意圖。在振蕩中心電壓UCosφ的變化平面上，將UCosφ的變化范圍分為7 個(gè)區(qū)，當(dāng)振蕩中心電壓按照0-1-2-3-4-5-6-0 或者0-6-5-4-3-2-1-0 依次穿區(qū)變化時(shí)，軟件模擬的UCosφ失步判據(jù)判為系統(tǒng)出現(xiàn)并經(jīng)歷一個(gè)失步振蕩周期，振蕩周期計(jì)數(shù)器累加一。該判斷邏輯和實(shí)現(xiàn)方法與實(shí)際失步解列裝置中保持一致。

圖4 振蕩過程UCosφ變化軌跡圖Fig.4 Curve of UCosφin out-of-step oscillation process

通過對(duì)UCosφ軌跡運(yùn)行特征的跟蹤和識(shí)別，失步解列裝置模擬軟件可以完成對(duì)失步振蕩周期的判別和計(jì)數(shù)，為解列控制邏輯的模擬提供信息。

2.3 UCosφ失步振蕩中心范圍確定方法

實(shí)際的UCosφ失步解列裝置中使用失步振蕩過程中的最低電壓值來確定裝置保護(hù)的范圍，最低電壓值越接近于0表明裝置安裝處離失步振蕩中心越近。通過設(shè)置合理的最低電壓門檻值來決定是否采取解列措施，可以保證相鄰失步解列裝置的選擇性配合。

如圖5 所示，失步判據(jù)模擬軟件模中使用相同的判斷方法，捕捉一個(gè)失步振蕩周期中測(cè)量點(diǎn)的電壓最低值，并與實(shí)際失步解列裝置的低電壓定值進(jìn)行比較，以確定失步振蕩中心是否在該裝置的保護(hù)范圍內(nèi)。如果滿足，則UCosφ失步解列裝置滿足失步振蕩中心在保護(hù)范圍內(nèi)的判別條件。

圖5 保護(hù)范圍低電壓定值Fig.5 Low voltage setting value of protection range

通過上述方法，可以模擬電網(wǎng)中發(fā)生預(yù)想故障情況下，某處實(shí)際安裝的UCosφ失步解列裝置中失步判據(jù)中的保護(hù)范圍的判別結(jié)果。

3 失步解列裝置動(dòng)作行為模擬

在模擬UCosφ失步判據(jù)的基礎(chǔ)上，本文實(shí)現(xiàn)了基于波形回放的UCosφ失步解列裝置動(dòng)作行為模擬方法，利用BPA 或PSASP 機(jī)電暫態(tài)時(shí)域仿真程序的仿真輸出數(shù)據(jù)，結(jié)合UCosφ失步判據(jù)模擬和解列整定定值，模擬實(shí)際失步解列裝置的動(dòng)作行為，對(duì)失步解列裝置的動(dòng)作情況進(jìn)行校核和評(píng)估。

圖6是本文實(shí)現(xiàn)的失步解列裝置動(dòng)作行為模擬方法邏輯框圖。當(dāng)根據(jù)UCosφ失步判據(jù)識(shí)別出一個(gè)失步振蕩周期后，判據(jù)模擬模塊中的失步周期計(jì)數(shù)器累加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于等于失步解列裝置周期整定值時(shí)，若最近一個(gè)失步振蕩周期內(nèi)的最低電壓低于失步解列裝置的低電壓定值，則判定失步解列裝置動(dòng)作于解列，反之則不動(dòng)作。

圖6 模擬方法邏輯框圖Fig.6 Logic block diagram of simulation method

無論UCosφ失步解列裝置動(dòng)作還是不動(dòng)作，在波形回放結(jié)束后，均輸出整個(gè)回放過程中UCosφ失步判據(jù)算法和解列控制邏輯的判斷中間過程，包括UCosφ軌跡的穿區(qū)記錄、失步振蕩周期計(jì)數(shù)器的變化過程、測(cè)量點(diǎn)在各個(gè)失步振蕩周期內(nèi)的最低電壓記錄信息等。

結(jié)合以上中間過程記錄和最終動(dòng)作結(jié)果，可以評(píng)估實(shí)際UCosφ失步解列裝置的布點(diǎn)方案的合理性，定值整定的適應(yīng)性，以及最終動(dòng)作結(jié)果的正確性。其主要判斷的依據(jù)是根據(jù)波形回放后虛擬裝置動(dòng)作結(jié)果，判斷當(dāng)前布點(diǎn)的各個(gè)失步解列裝置是否能夠?qū)⑹Р綌嗝嫱暾涂焖俚赝瑫r(shí)解開，使電網(wǎng)分裂為幾個(gè)各種保持同步運(yùn)行的子系統(tǒng)。

4 結(jié)語

UCosφ失步解列裝置在我國大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于波形回放的UCosφ失步解列裝置動(dòng)作行為模擬方法，能夠利用BPA 或PSASP 機(jī)電暫態(tài)時(shí)域仿真程序的仿真輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行波形回放，并模擬實(shí)際失步解列裝置的失步判別過程和解列動(dòng)作行為。本文所設(shè)計(jì)的方案具有通用性和創(chuàng)新性，可適用于不同失步判別原理的解列裝置動(dòng)作行為的模擬和評(píng)估，為失步解列裝置的布點(diǎn)研究、定值整定、動(dòng)作效果評(píng)估等工作提供了一種合理可行的實(shí)用方法，具有良好的應(yīng)用前景。