失步解列裝置信號檢測點及解列斷面的選取

孟祥俠,羅遠翔

（1.華北科技學院,北京 101601;2.東北電力大學,吉林 吉林 132012）

由于網架結構不合理、繼電保護不正確動作、穩控裝置拒動或控制量不足、斷路器失靈等種種原因,電網穩定遭破壞的事故往往難以避免。失步解列作為防止系統崩潰的最后一道防線,在我國電網中得到了廣泛的應用[1-3]。但傳統的失步解列方法大多用于雙電源間或可以化為兩等價系統間的情況[4-5],對于多機系統振蕩,不只是找解列判據不易,更為困難的是,找不到應當在何處解列才能終止振蕩。

本文通過分析單機無窮大系統擾動過程中[6-8]支路相角差的變化特點,提出基于支路兩端相角差作為失步解列原理的判據,對于復雜的多機系統,借助于網絡參數和結構[9-12],對失步解列裝置的檢測點以及解列斷面的選取進行了探索性的分析。

1 系統失穩時支路相角差變化特點及失步判據

1.1 系統失穩時支路相角差變化特點

為了分析方便,假定系統失穩呈現為兩群振蕩,此時可將其近似等值為單機無窮大系統。對圖1（a）所示的等值單機無窮大系統,假定EG和US幅值相等且為1;假定全系統阻抗角相等。

若忽略網絡中各支路的電阻,當系統發生擾動而使發電機與無窮大母線兩端角度拉開的過程中,各節點電壓向量及支路兩端相角差的變化如圖1 （b）所示。其中,大圓P1為振蕩中心電壓變化軌跡,小圓P2為節點3電壓變化軌跡。

圖1 單機無窮大系統各節點電壓及支路相角差變化

現以處于振蕩中心的支路2-3及遠離振蕩中心的支路3-S為例,當系統發生擾動而使發電機與無窮大母線兩端角度拉開的過程中,各支路兩端相角差的變化規律不同。其中包含振蕩中心的支路2-3兩端相角差變化幅度最大,并且在變化過程中始終單調增加,當系統失穩時,此支路兩端角度超過180°且趨于無界;而遠離振蕩中心的支路3-S兩端相角差變化幅度小,而且不是單調增加,而是先增加后減小,在切點A處達到最大值,也即相角差始終在有界的范圍內變化,其最大值不超過90°。由此可以得出支路相角差的變化特點。

當擾動發生而使發電機與無窮大母線兩端角度拉開的過程中,離振蕩中心越近的支路,其兩端角度越晚達到最大值,也即離振蕩中心越近的支路,其單位長度被拉開的角度越大。

當逐漸惡化系統的穩定性而使系統失穩時,包含振蕩中心的支路相角差就會超過180°且趨于無界,即系統失穩時表現為在此支路“撕裂”,此支路構成的割集即為“臨界割集”或“失步斷面”。而此時所有不包含振蕩中心的支路相角差已由最大值開始下降,且其最大值均不超過90°。

1.2 失步判據

由支路相角差的變化特點可知,在系統失穩時,只有失步斷面所包含的支路相角差超過180°且趨于無界,而所有不構成失步斷面的支路相角差均在有界的范圍內變化,因此可以利用支路兩端相角差作為失步原理的判據。

2 多機系統網絡中失步檢測點的確定

圖2 三個子系統間的等值電路

當系統發生擾動使各支路相角差逐漸增大的過程中,假定傳輸有功仍為Pab=Pcb,則sinδab/sinδbc=Xab/Xbc,意味著a、b之間拉開的總角度始終較b、c大,并且Δδab＞Δδcb。由此可以預測,當系統失穩時,臨界割集將發生在脆弱環節ab之中;又由以上的分析可知,臨界割集可能發生的區域往往局限于群間聯絡線的中部或其附近的某一范圍,因此,當故障進一步增加時,在結構上處于脆弱割集ab中間部位的支路2-3拉開的角度就會超過180°且趨于無界,即系統失穩表現為在此支路“撕裂”,此支路構成的割集即為“臨界割集”或“失步斷面”。

雖然電力系統的暫態穩定性與網絡參數、故障類型、故障位置、發電機的轉動慣量以及初始潮流等多種因素有關,但是,網絡參數對系統的暫態穩定性起較強的支配作用,系統失穩沿網絡中哪個割集“撕裂”與網絡參數和結構有較強的相關性。因此,可以先對網絡結構脆弱的環節進行識別,然后將脆弱環節的兩側近似等值為單機無窮大系統或兩機系統,再結合單機無窮大系統失穩時各支路相角差的變化特點,即可確定失步解列裝置信號檢測點的部位。

仍以圖1所示的單機無窮大系統為例,在結構上位于聯絡線中部、電抗參數較大的支路2-3容易成為振蕩中心所落之部位,即容易成為系統失穩時的失步斷面,因此,失步解列裝置應盡可能在此部位檢測信號;相反,在結構上遠離振蕩中心的支路G-1,不易成為系統失穩時的失步斷面,就沒有必要在此部位檢測信號。

3 系統失穩時解列斷面的選取

能否確實避免由系統事故發展為電網大停電,關鍵在于有無預計與能否善于處理。實現有計劃的解列,以終止振蕩,必須滿足兩個基本條件。首先是解列后的各子系統能夠分別保持同步運行,否則,解列后還要解列。其次是在解列后的各子系統中,功率應盡量平衡。因此,解列斷面的選取不應僅以終止振蕩為原則,還應保證盡量增強解列后子系統的自恢復能力。

研究表明,系統失穩所呈現出的失步斷面不一定是潮流最小的斷面,因此,失步斷面不一定是最佳的解列斷面。但是,考慮到系統解列主要以終止振蕩為原則,因此解列斷面從宏觀上應在相互搖擺的群間聯絡線構成的斷面或割集中選擇。對于復雜的多機系統,不管失穩呈現為兩群還是多群,都可以在失穩的群間聯絡線所對應的多個割集中選取潮流較小、構成割集的支路數較少的斷面進行解列。此方案可借助于局部的廣域信息系統來實現。

4 仿真分析

以New England 10機系統為算例,時域仿真采用中國電科院研制的綜合程序（PSASP）。在給定的潮流方式下,30號發電機出口發生三相瞬時性故障,故障切除時間為0.31 s時,系統呈現為（39）、（30,31,32,33,34,35,36,37,38）兩群失穩,其臨界割集為{1-2,8-9}。為了不失一般性,表1給出了不同故障位置系統呈現出的失穩模式,由表1可以發現,盡管大部分的故障并未發生在支路1-2、8-9或26-28、26-29構成的臨界割集或其附近的割集上,但都導致系統在此兩個割集處“撕裂”。之所以在網絡中有“系統在此處發生故障,而在彼此的割集被撕裂”,并導致系統失穩的現象產生,在一定程度上是受網絡結構和參數的制約。分析系統的網絡參數,在機群{39}與其剩余機群、機群{38}與其剩余機群之間聯系相對較弱,而割集{1-2、8-9}和{26 -28、26-29}在結構上又分別處在{39}與其剩余機群、{38}與其剩余機群之間聯絡線的中部,容易成為振蕩中心所落之部位,因而在系統受到擾動后,最易在此兩個環節失穩。因此,失步解列裝置應在最易導致系統失穩的臨界割集{1-2、8-9}和{26-28,26-29}處或其附近檢測信號,如圖3所示。

為了確定最佳的解列斷面,在39號機與系統的其余部分之間所對應的多個割集中,分別以割集{1-2,8-9}、{1-2,5-8,7-8}、{1-2,5 -8,6-7}為解列斷面,對解列后子系統的自恢復能力進行分析、比較。表2給出了39號機失穩時不同割集解列后轉子角頻率變化情況以及正常運行時割集所應傳輸的有功功率,其方向為由機群（30,31,32,33,34,35,36,37,38）指向機群（39）,解列時間均為2 s。由表2看出,在割集{1-2,8-9}處解列,解列后子系統的自恢復能力最強,其原因是由于割集{1-2,8-9}的潮流最小,為1.05,對解列后的子系統（39）來說,相當于功率缺額為1.05,對解列后的子系統（30, 31,32,33,34,35,36,37,38）,相當于功率過剩為1.05。在割集{1-2,5-8,7-8}處解列次之,而在割集{1-2,5-8,6-7}處解列,解列后子系統的自恢復能力最差,其原因是由于割集{1-2,5-8,6-7}的潮流最大,為8.62。因此,在割集{1-2,8-9}處解列,解列后子系統的自恢復能力最強,解列斷面應選在割集{1 -2,8-9}處,如圖3所示。

表1 不同故障位置的失穩模式

表2 39號機失穩時不同割集解列后轉子角頻率變化情況以及正常運行時割集傳輸的功率

而在38號機與系統剩余機群之間所對應的多個割集中,分別以割集{17-27,25-26}、{26 -28,26-29}和{26-29,28-29}為解列斷面,表3給出了38號機失穩時不同割集解列后各子系統轉子角頻率變化情況以及正常運行時割集所應傳輸的有功功率,其傳輸方向為由機群（38）指向機群（30,31,32,33,34,35,36,37, 39）,解列時間均為2 s。由表3可以看出,在割集{17-27,25-26}處解列,解列后子系統的自恢復能力最強,其原因是由于割集{17-27,25-26}的潮流最小,為0.91（其方向為指向38號機系統）。而在割集{26-29,28-29}處解列,解列后子系統的自恢復能力最差,其原因是此割集承擔的潮流最大,為5.39。因此,最佳解列斷面應選在割集{17-27,25-26}處,如圖3所示。

表3 38號機失穩時不同割集解列后轉子角頻率變化情況以及正常運行時割集傳輸的功率

圖3 解列裝置信號檢測點及解列斷面的選取

5 結論

根據單機無窮大系統失穩時各支路相角差的變化特點,提出基于支路兩端相角差作為失步解列原理的判據,并得出如下結論。

a.失步解列裝置應盡可能在網絡結構脆弱、最易導致系統失步的臨界割集或其附近檢測信號。

b.解列斷面應在失穩的群間聯絡線對應的多個割集中選取潮流較小、構成割集的支路數較少的斷面進行解列。這樣既起到了終止振蕩的作用,又保證了盡可能增強解列后子系統的自恢復能力。

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