失步解列裝置應(yīng)用淺析

(陡河發(fā)電廠(chǎng)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(yùn)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(huì)發(fā)生大面積停電。

近年來(lái)，世界各國(guó)大面積停電事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)造成嚴(yán)重的社會(huì)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(gè)國(guó)家，美國(guó)東北部8個(gè)周、加拿大2個(gè)??；最多損失61800 MW 負(fù)荷，263座電廠(chǎng)531臺(tái)發(fā)電機(jī)停運(yùn)(包括10座核電站19臺(tái)核電機(jī)組)；停電范圍9300多平方英里 ，受影響區(qū)域的人口達(dá)5000萬(wàn)；經(jīng)濟(jì)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(diǎn)是系統(tǒng)一點(diǎn)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(wèn)題是從失步斷面斷開(kāi)失步機(jī)群間的電氣聯(lián)系，消除系統(tǒng)間的振蕩。然后通過(guò)切機(jī)、減載等措施實(shí)現(xiàn)解列后電氣孤島的穩(wěn)定運(yùn)行。最后當(dāng)條件允許時(shí)，再逐步恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)和同步穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)二號(hào)站實(shí)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(bǔ)償計(jì)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(shí)際上是通過(guò)有功功率的方向改變?nèi)ヅ袛嗍Р健Ｍㄟ^(guò)在系統(tǒng)異步運(yùn)行中無(wú)功功率對(duì)正負(fù)一側(cè)的偏向去判斷失步中心的位置，該判據(jù)沒(méi)有方向性，缺少限制動(dòng)作條件判斷。當(dāng)系統(tǒng)受擾發(fā)生振蕩的過(guò)程中，同調(diào)機(jī)群間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)同樣會(huì)受到負(fù)荷潮流、同調(diào)機(jī)群?jiǎn)柟情g隙波動(dòng)等影響而發(fā)生有功過(guò)零的現(xiàn)象，這容易使得該判據(jù)誤判、裝置動(dòng)作跳閘口；且當(dāng)系統(tǒng)失步較快，在電磁暫態(tài)過(guò)渡的過(guò)程中進(jìn)入異步運(yùn)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(xiàn)由于也會(huì)發(fā)生有功功率過(guò)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(jì)制造的失步解列裝置會(huì)誤判將同調(diào)機(jī)群間的非失步斷面聯(lián)絡(luò)線(xiàn)斷開(kāi)，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(guò)測(cè)點(diǎn)的電壓(U)、電流(I)計(jì)算，得出阻抗(Z)變化的軌跡，按阻抗變化的規(guī)律實(shí)現(xiàn)失步解列判斷。該判據(jù)直接反映了失步的兩個(gè)系統(tǒng)功角變化，但是只能安裝在振蕩線(xiàn)路上，其動(dòng)態(tài)特性才比較理想。實(shí)際電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩的具體情形千差萬(wàn)別，振蕩中心還會(huì)發(fā)生變化；而且隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，系統(tǒng)振蕩中心也會(huì)發(fā)生變化，該判拒無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3 視在阻抗角失步判據(jù)

系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，測(cè)點(diǎn)電壓(U)、電流(I)的阻抗角(ф)會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，根據(jù)該變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)失步解列判據(jù)。在系統(tǒng)振蕩過(guò)程中，當(dāng)解列裝置安裝于聯(lián)絡(luò)線(xiàn)一端，由母線(xiàn)向線(xiàn)路側(cè)視入時(shí)，視在阻抗角的變化規(guī)律。該判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行方式，但是阻抗角計(jì)算如式(1)所示。

ф=arctan(Q/P)

(1)

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

2.4 阻抗補(bǔ)償計(jì)算失步判據(jù)

該判據(jù)通過(guò)補(bǔ)償計(jì)算互聯(lián)的兩個(gè)系統(tǒng)之間阻抗，算出兩側(cè)系統(tǒng)內(nèi)電動(dòng)相角差來(lái)判斷失步。該方法原理簡(jiǎn)單，但補(bǔ)償范圍要包括失步中心，否則會(huì)發(fā)生誤判。該判據(jù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但輸電系統(tǒng)接線(xiàn)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差，且在線(xiàn)路中間帶有大量負(fù)荷的情況下，實(shí)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(xiàn)上電壓幅值最低點(diǎn)的電壓幅值變化特征。通過(guò)接入聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的電壓、電流計(jì)算出ucosφ，然后可通過(guò)系統(tǒng)失步振蕩過(guò)程中ucosφ軌跡穿過(guò)的區(qū)域去判斷系統(tǒng)的失步情況，實(shí)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(cè)量點(diǎn)最低電壓對(duì)保護(hù)范圍進(jìn)行限定，簡(jiǎn)述如下。

電力系統(tǒng)失步時(shí)，一般可以將所有機(jī)組分為兩個(gè)機(jī)群，用兩機(jī)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(jiàn)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(shí)振蕩中心的電壓也是連續(xù)變化的，且過(guò)零；在短路故障及故障切除時(shí)振蕩中心電壓是不連續(xù)變化且有突變的；在同步振蕩時(shí)，振蕩中心電壓是連續(xù)變化的，但不過(guò)零。因此可以通過(guò)振蕩中心的電壓變化來(lái)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(gè)區(qū)，當(dāng)振蕩中心電壓按照一定規(guī)律變化，穿過(guò)相應(yīng)的區(qū)域時(shí)，判為失步。

圖1 振蕩過(guò)程安裝點(diǎn)及振蕩中心電壓變化軌跡圖

同時(shí)，電力系統(tǒng)振蕩時(shí)，測(cè)量點(diǎn)電壓也隨振蕩過(guò)程呈現(xiàn)周期性變化。振蕩過(guò)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(shí)，裝置安裝處母線(xiàn)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(diǎn)，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(shí)際裝置中有兩個(gè)定值，一個(gè)是基于ucosφ原理的失步繼電器的振蕩周期定值，另一個(gè)是利用測(cè)量點(diǎn)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(yùn)行方式，整定方便，能夠捕捉到失步中心出現(xiàn)的時(shí)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(cè)點(diǎn)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(shí)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(shí)際應(yīng)用分析

4.1 一次系統(tǒng)概括

陡河發(fā)電廠(chǎng)陡河2#站220kV母線(xiàn)采用雙母線(xiàn)帶旁路主接線(xiàn)型式，站內(nèi)接有4臺(tái)200MW機(jī)組，2臺(tái)起備變，220kV出線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路保護(hù)一：北京四方公司CSC-103BL型縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)；

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

旁路保護(hù)：北京四方公司CSC-103BL型縱聯(lián)電流差動(dòng)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(zhǎng)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(jì)算分析的結(jié)果，在一些適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)裝設(shè)失步解列裝置，如網(wǎng)省間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)、長(zhǎng)距離大容量送電線(xiàn)路、高低壓電磁環(huán)網(wǎng)低壓側(cè)等。220kV及以上電壓等級(jí)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路和電廠(chǎng)(機(jī)組)并網(wǎng)線(xiàn)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(xiàn)每條線(xiàn)兩側(cè)各配置一套。電廠(chǎng)(機(jī)組)并網(wǎng)線(xiàn)路為雙回較短線(xiàn)路，且失穩(wěn)特性主要影響電廠(chǎng)安全時(shí)，可僅在電廠(chǎng)每條出線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)及旁路的電流和電壓量，當(dāng)電廠(chǎng)與系統(tǒng)發(fā)生失步時(shí)，由裝置動(dòng)作跳開(kāi)陡常三回線(xiàn)及旁路，將電廠(chǎng)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(yàn)時(shí)，宜整屏(柜)退出。兩套裝置采用相互獨(dú)立的輸入、輸出回路，裝置電源獨(dú)立。兩套裝置的跳閘回路與斷路器的兩個(gè)跳閘線(xiàn)圈分別一一對(duì)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(duì)應(yīng)。即：第一套裝置的輸入電流、輸入電壓、輸入的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)應(yīng)取自線(xiàn)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(duì)應(yīng)線(xiàn)路保護(hù)相同的CT次級(jí)，電流回路宜串接于線(xiàn)路保護(hù)之后。每套裝置宜采用與對(duì)應(yīng)線(xiàn)路保護(hù)相同的PT次級(jí)。應(yīng)接入母線(xiàn)PT切換后的三相電壓。失步解列裝置的動(dòng)作、告警等重要信息以硬接點(diǎn)方式接入監(jiān)控系統(tǒng)。

二號(hào)站原來(lái)配置有安全自動(dòng)裝置，穩(wěn)定控制主機(jī)A柜線(xiàn)路電流、電壓從北京四方公司的CSC縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)柜接；穩(wěn)定控制主機(jī)B柜線(xiàn)路電流、電壓從南瑞繼保公司的RCS縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)柜接；旁路代路時(shí),主機(jī)A柜電流從旁路CSC縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)柜接。主機(jī)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(dòng)保護(hù)柜接。失步解列裝置需要采集的陡常三回線(xiàn)及旁路的電流可以考慮從電廠(chǎng)內(nèi)穩(wěn)定控制主機(jī)柜轉(zhuǎn)接，電壓可以考慮從線(xiàn)路及旁路電流差動(dòng)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(duì)陡河發(fā)電廠(chǎng)二號(hào)站一次系統(tǒng)狀況，將失步解列原理與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(dòng)作，達(dá)到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免事故擴(kuò)大。

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