電力系統(tǒng)振蕩對(duì)距離保護(hù)影響的仿真分析

紀(jì)靜，梁毅

（1.重慶郵電大學(xué)，重慶，400065；2.華為技術(shù)有限公司，廣東深圳，518129）

0 引言

距離保護(hù)由于其穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸電線(xiàn)路繼電保護(hù)中。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)輸電線(xiàn)路輸送功率超過(guò)極限值造成靜態(tài)穩(wěn)定破壞，或者電網(wǎng)發(fā)生短路故障，切除大容量的發(fā)電、輸電或變電設(shè)備，負(fù)荷瞬間發(fā)生較大突變等造成電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞時(shí)，都將引起電力系統(tǒng)振蕩[1]。此時(shí)，有可能造成距離保護(hù)的誤動(dòng)。因?yàn)檎袷帟r(shí)由于功角的周期性變化，系統(tǒng)中各點(diǎn)的電壓、線(xiàn)路電流、功率大小和方向以及距離保護(hù)的測(cè)量阻抗均會(huì)呈現(xiàn)周期性的變化[2]，從而造成保護(hù)誤動(dòng)。振蕩現(xiàn)象自電網(wǎng)建設(shè)以來(lái)就沒(méi)有得到真正解決，雖然這不是故障，但其帶來(lái)的危害有時(shí)會(huì)比短路更為嚴(yán)重。

本文通過(guò)仿真分析研究電力系統(tǒng)振蕩對(duì)線(xiàn)路距離保護(hù)的影響，并對(duì)振蕩閉鎖以及振蕩過(guò)程再故障的解決方案進(jìn)行建模仿真。

1 電力系統(tǒng)振蕩時(shí)的電氣量特點(diǎn)

■ 1.1 振蕩的概念

電力系統(tǒng)振蕩是指發(fā)生在電力系統(tǒng)或發(fā)電廠間、功率角出現(xiàn)在0～360°之間大幅度周期性擺動(dòng)的現(xiàn)象。電力系統(tǒng)振蕩屬于系統(tǒng)的不正常運(yùn)行，因而一般輸電線(xiàn)路上都會(huì)配備有自動(dòng)調(diào)節(jié)恢復(fù)裝置，當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí)能夠自行調(diào)節(jié)、穩(wěn)定振蕩。但振蕩可能會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，切除重要的輸電線(xiàn)路，造成嚴(yán)重后果[3]。

■ 1.2 電力系統(tǒng)振蕩時(shí)電壓、電流的特點(diǎn)

圖1所示是一個(gè)簡(jiǎn)單雙側(cè)電源電力系統(tǒng)，設(shè)系統(tǒng)兩側(cè)的等效電動(dòng)勢(shì)和幅值相等，相角差為δ，兩側(cè)電源間總阻抗為Z∑=ZM+ZN+ZL，ZM、ZN分別為M、N兩側(cè)系統(tǒng)的等值阻抗，ZL為輸電線(xiàn)路阻抗。

圖1 簡(jiǎn)單雙側(cè)電源電力系統(tǒng)

文獻(xiàn)[4]給出了該系統(tǒng)母線(xiàn)M和N的電壓有效值以及線(xiàn)路中電流有效值的變化曲線(xiàn)，如圖2(a)、2(b)所示。由圖可見(jiàn)：電壓和電流有效值呈現(xiàn)周期性變化的特點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)振蕩時(shí)的電壓和電流

■ 1.3 電力系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗的特點(diǎn)

當(dāng)電力系統(tǒng)振蕩時(shí)，從母線(xiàn)M處測(cè)得的測(cè)量阻抗為[4]：

由式(1)可得，當(dāng)系統(tǒng)振蕩時(shí)，保護(hù)安裝處M的測(cè)量阻抗由兩部分構(gòu)成：和。為振蕩中心到保護(hù)安裝處的線(xiàn)路阻抗，只與振蕩中心到保護(hù)安裝處的相對(duì)位置有關(guān)；而第二部分垂直于ZΣ，并隨著δ的變化而變化，即測(cè)量阻抗也呈周期性變化。

2 電力系統(tǒng)振蕩及距離保護(hù)的仿真分析

本文以圖3所示系統(tǒng)為例進(jìn)行振蕩對(duì)距離保護(hù)的影響分析。系統(tǒng)兩側(cè)電源分別為EM、EN，電壓等級(jí)為10kV。輸電線(xiàn)路設(shè)為三段，分別為AB、BC、CD，每一段輸電線(xiàn)路兩側(cè)都設(shè)置有距離保護(hù)。輸電線(xiàn)路的單位正序阻抗為：Z1=0.21+j0.31Ω/km。

圖3 雙側(cè)電源系統(tǒng)距離保護(hù)算例

為便于分析計(jì)算，三段距離保護(hù)都選用方向圓特性阻抗繼電器。

阻抗繼電器有兩種接線(xiàn)方式：0°接線(xiàn)方式和帶零序補(bǔ)償?shù)慕泳€(xiàn)方式[5]，發(fā)生相間短路時(shí)用0°接線(xiàn)方式，發(fā)生相地短路時(shí)用帶零序補(bǔ)償?shù)慕泳€(xiàn)方式，本文將兩種接線(xiàn)方式相配合，即可實(shí)現(xiàn)完整的距離保護(hù)。

為了模擬系統(tǒng)振蕩，在圖3所示系統(tǒng)中設(shè)置電源EM的頻率fM為50Hz，EN的頻率fN為55Hz。測(cè)量母線(xiàn)A處的電流，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，測(cè)量保護(hù)1處的測(cè)量阻抗變化情況，如圖5所示。

圖4 電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)母線(xiàn)A處的電流波形

圖5 系統(tǒng)振蕩時(shí)測(cè)量阻抗的變化波形

由圖4可見(jiàn)：系統(tǒng)振蕩時(shí)，電流幅值發(fā)生了周期性變化。由圖5可見(jiàn)：系統(tǒng)振蕩時(shí)，測(cè)量阻抗出現(xiàn)很大的周期性波動(dòng)，從而可能在某個(gè)時(shí)刻低于整定阻抗，進(jìn)入保護(hù)動(dòng)作區(qū)，造成保護(hù)誤動(dòng)。

圖6是系統(tǒng)振蕩時(shí)阻抗繼電器的動(dòng)作信號(hào)波形，1表示繼電器動(dòng)作，可見(jiàn)，阻抗繼電器出現(xiàn)了周期性地動(dòng)作和返回，即距離保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)。

圖6 振蕩時(shí)阻抗繼電器的動(dòng)作信號(hào)波形

3 振蕩閉鎖措施及再故障的解決方案

■ 3.1 振蕩閉鎖措施

由上文分析可知，系統(tǒng)振蕩會(huì)導(dǎo)致距離保護(hù)誤動(dòng)，因此，實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)增加振蕩閉鎖措施。由于在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，測(cè)量阻抗Zm由負(fù)荷阻抗ZL突變?yōu)槎搪纷杩筞k，變化速度很快；而在振蕩時(shí)，測(cè)量阻抗Zm由負(fù)荷阻抗ZL慢慢變成振蕩中心到保護(hù)安裝處的線(xiàn)路阻抗，其速率與δ的變化速率一致[4]。因此，本文利用測(cè)量阻抗變化速率的不同構(gòu)成振蕩閉鎖元件。

增加振蕩閉鎖元件以后，仿真結(jié)果如圖7所示。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩期間，即使阻抗繼電器的動(dòng)作條件能夠滿(mǎn)足，振蕩閉鎖元件判斷出這并不是故障，即不開(kāi)放保護(hù)，因此，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

圖7 電力系統(tǒng)振蕩時(shí)繼電器的動(dòng)作信號(hào)波形

■ 3.2 振蕩過(guò)程再故障的解決方案

當(dāng)振蕩過(guò)程再故障時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別出故障狀態(tài)，并可靠動(dòng)作。假設(shè)再故障為不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，可用以下判據(jù)作為重新開(kāi)放保護(hù)的條件[4]：

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有負(fù)序和零序電流，式(2)不會(huì)成立；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，由于三相對(duì)稱(chēng)，式(2)也不會(huì)成立；當(dāng)系統(tǒng)在振蕩過(guò)程中發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，總會(huì)存在負(fù)序電流，甚至是零序電流，式(2)被滿(mǎn)足，從而再次開(kāi)放保護(hù)。

式中，φ為電流落后于電壓的相角；p.u.為標(biāo)幺值。

Ucosφ為電壓相量在電流相量方向上的投影，是一個(gè)標(biāo)量。當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，若忽略系統(tǒng)阻抗和輸電線(xiàn)路中的電阻，則Ucosφ近似等于故障點(diǎn)處的電弧電壓Uarc，其值一般不超過(guò)額定電壓UN的6%，且與故障距離無(wú)關(guān)，基本不隨時(shí)間的變化而變化，式(3)一直滿(mǎn)足。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，Ucosφ近似等于振蕩中心的電壓，當(dāng)φ變化到180°時(shí)，該電壓值會(huì)很小，可能滿(mǎn)足式(3)，而當(dāng)φ變化到其他角度時(shí)，該電壓值就會(huì)很大，式(3)不滿(mǎn)足。這便是式(3)所表現(xiàn)出的振蕩與三相短路的差異。

■ 3.3 振蕩過(guò)程再故障的仿真分析

（1）不對(duì)稱(chēng)短路的仿真分析

基于振蕩過(guò)程再故障的解決方案，建立不對(duì)稱(chēng)短路的故障判定元件仿真模型，保持系統(tǒng)振蕩狀態(tài)不變，假設(shè)線(xiàn)路AB首端（距離母線(xiàn)A處2km）在0.5s發(fā)生AB兩相短路，m取0.5。仿真波形如圖8、圖9所示。

圖8 振蕩時(shí)再發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)的仿真結(jié)果

圖9 振蕩過(guò)程中再發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)繼電器的動(dòng)作信號(hào)波形

由上圖可以看到，振蕩過(guò)程中再發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，只要故障不切除，式(5)就會(huì)一直滿(mǎn)足，因此繼電器動(dòng)作信號(hào)始終為1，保護(hù)能夠重新開(kāi)放，及時(shí)切除故障。

（2）三相對(duì)稱(chēng)短路的仿真分析

在距離保護(hù)模型基礎(chǔ)上增加三相對(duì)稱(chēng)短路的故障判別元件后，假設(shè)兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)頻率為fM=50Hz，fN=51Hz，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，式(3)的仿真結(jié)果如圖10所示，可以看出，Ucosφ數(shù)值變化幅度非常大，式(3)只會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足，該時(shí)間低于0.1s。

圖10 系統(tǒng)振蕩時(shí)式Ucosφ數(shù)值的仿真結(jié)果

保持系統(tǒng)振蕩狀態(tài)，在線(xiàn)路AB首端設(shè)置三相對(duì)稱(chēng)短路，得到Ucosφ數(shù)值的仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可見(jiàn)：式(3)能夠一直被滿(mǎn)足，直至故障切除。

圖11 振蕩過(guò)程中發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)故障時(shí)式Ucosφ數(shù)值的仿真結(jié)果

基于以上分析，將延時(shí)模塊設(shè)置為0.1s。仿真得到繼電器的動(dòng)作信號(hào)如圖12所示。由圖可見(jiàn)：當(dāng)振蕩過(guò)程中再發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，故障發(fā)生0.1s后，式(3)還滿(mǎn)足，則重新開(kāi)放保護(hù)，保護(hù)裝置動(dòng)作，將故障切除。

圖12 振蕩過(guò)程中發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)故障時(shí)繼電器的動(dòng)作信號(hào)波形

4 總結(jié)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，發(fā)生振蕩等不正常運(yùn)行的情況越來(lái)越多，因此，研究振蕩過(guò)程保護(hù)閉鎖方案以及再故障的判別方案具有重要意義。本文建立距離保護(hù)仿真模型，通過(guò)改變電源頻率模擬電力系統(tǒng)振蕩過(guò)程，仿真分析了振蕩過(guò)程中繼電器的動(dòng)作信號(hào)，仿真結(jié)果表明：利用阻抗變化率快慢區(qū)別系統(tǒng)是故障還是振蕩，原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且準(zhǔn)確可靠；而振蕩過(guò)程中再發(fā)生不對(duì)稱(chēng)或者對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，本文采用的判別方案也能夠準(zhǔn)確識(shí)別并開(kāi)放保護(hù)，及時(shí)將故障切除，確保距離保護(hù)的可靠性。