基于波形回放的失步解列裝置動作行為評估方法研究

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

在多重嚴重故障沖擊下，電力系統可能發生失步振蕩，一旦發生失步振蕩電網面臨全面崩潰風險。為防止電網崩潰需要配置失步解列裝置，捕捉失步振蕩特征將電網解列為多個子系統，并確保各子系統能夠維持各自同步運行［1-4］。

目前大區互聯電網的失步解列裝置主要采用UCosφ失步判據，在大區互聯斷面配置多套失步解列裝置［5-6］。當系統發生失步振蕩時，失步解列裝置的動作行為將直接關系到大電網的安全穩定，因此評估電網發生嚴重故障時失步解列裝置的動作行為是十分必要的［7-10］，其中包括了對失步判據可靠性和整定定值合理性的評估工作。

目前對失步解列裝置動作行為評估方法主要是使用BPA 和PSASP 等電力系統機電暫態仿真程序進行時域仿真，并輸出失步判據所需的電壓、電流等物理量的有效值曲線，經過二次加工后形成UCosφ曲線進行人工判斷，或者使用RTDS 等數模仿真系統接入實際的失步解列裝置，進行在環實驗［11-15］。

以上兩種方法各有優缺點，人工判斷方法簡單但準確性差，數模仿真方法準確性高但實施復雜。本文研究基于波形回放技術的失步解列裝置動作行為評估方法，為相關工作提供一種簡單可靠的技術手段。

1 總體方案設計

電力系統發生多重嚴重故障時的動態響應行為通常使用機電暫態時域仿真程序進行模擬。失步振蕩過程是典型的機電暫態過程，因此目前業界通常借助BPA或PSASP等仿真工具進行失步振蕩的分析研究。

UCosφ失步判據在我國電網中應用廣泛。電網發生失步后解列點的設置位置是否合理，UCosφ失步判據能否在裝置安裝處準確捕捉到失步振蕩特征，失步解列的定值設置是否能夠保證失步解列裝置正確動作，都需要采用測量點的三相電流、電壓瞬時值作為輸入量，并結合UCosφ失步判據算法邏輯以及失步解列裝置定值進行評估。本文設計的評估方法如圖1所示。

圖1 評估方法設計方案Fig.1 Design scheme of evaluation method

其中BPA 和PSASP 的計算結果文件作為波形數據源。機電暫態時域仿真程序BPA 和PSASP 的計算結果文件中輸出的是三相電壓、三相電流的有效值，而模擬真實失步解列裝置的動作行為需要使用瞬時值作為輸入。因此為了滿足波形回放的前提條件需要從機電暫態時域仿真程序BPA 和PSASP 的計算結果文件中提取出測量點三相電壓、三相電流有效值數據并將其轉化為三相瞬時值數據。

本文研究的評估方法并不需要接入真實的失步解列裝置，而是利用軟件模擬的UCosφ失步解列虛擬裝置來實現動作行為評估。虛擬裝置主要實現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域判別算法。

UCosφ失步解列虛擬裝置根據回放的測量點三相電壓、電流瞬時值波形，利用UCosφ失步判別原理進行分析，并結合失步解列整定值得出失步判別結果和是否需要解列的動作指令。

本文提出的設計方案雖然目前僅實現了UCosφ失步判據，但其架構具備可擴展性。目前我國電網中除采用UCosφ失步判據以外，還經常使用循序阻抗失步判據和相位角失步判據［16-17］。只需在本方案的虛擬裝置模塊中對這兩種判據進行算法模擬，即可通過波形回放方法對采用這兩種判據的失步解列裝置的動作行為進行評估。以此類推，其他原理的失步解列裝置均可以采用本方案實現動作行為的評估。

2 失步判據模擬方法

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與解列控制邏輯一致性，才能真實準確地反映失步解列裝置的動作行為。相關工作主要體現在以下3方面。

2.1 UCosφ失步判別方法

以圖2兩機系統為例，采用下列假設條件：1）兩側等值電勢EM和EN幅值相等；

圖2 兩機等值系統Fig.2 Equivalent two-machine power system

2）系統等值阻抗角為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關系：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，在正常運行期間，當裝置安裝處電流方向為正時，UCosφ的數值近似等于1，反之則為-1。失步期間振蕩中心電壓連續變化，并且過零。

2.2 UCosφ失步振蕩周期判別模擬方法

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

圖4是使用軟件模塊模擬UCosφ判據進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 個區，當振蕩中心電壓按照0-1-2-3-4-5-6-0 或者0-6-5-4-3-2-1-0 依次穿區變化時，軟件模擬的UCosφ失步判據判為系統出現并經歷一個失步振蕩周期，振蕩周期計數器累加一。該判斷邏輯和實現方法與實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UCosφ軌跡運行特征的跟蹤和識別，失步解列裝置模擬軟件可以完成對失步振蕩周期的判別和計數，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，失步判據模擬軟件模中使用相同的判斷方法，捕捉一個失步振蕩周期中測量點的電壓最低值，并與實際失步解列裝置的低電壓定值進行比較，以確定失步振蕩中心是否在該裝置的保護范圍內。如果滿足，則UCosφ失步解列裝置滿足失步振蕩中心在保護范圍內的判別條件。

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

通過上述方法，可以模擬電網中發生預想故障情況下，某處實際安裝的UCosφ失步解列裝置中失步判據中的保護范圍的判別結果。

3 失步解列裝置動作行為模擬

在模擬UCosφ失步判據的基礎上，本文實現了基于波形回放的UCosφ失步解列裝置動作行為模擬方法，利用BPA 或PSASP 機電暫態時域仿真程序的仿真輸出數據，結合UCosφ失步判據模擬和解列整定定值，模擬實際失步解列裝置的動作行為，對失步解列裝置的動作情況進行校核和評估。

圖6是本文實現的失步解列裝置動作行為模擬方法邏輯框圖。當根據UCosφ失步判據識別出一個失步振蕩周期后，判據模擬模塊中的失步周期計數器累加1，當計數值大于等于失步解列裝置周期整定值時，若最近一個失步振蕩周期內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作于解列，反之則不動作。

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

無論UCosφ失步解列裝置動作還是不動作，在波形回放結束后，均輸出整個回放過程中UCosφ失步判據算法和解列控制邏輯的判斷中間過程，包括UCosφ軌跡的穿區記錄、失步振蕩周期計數器的變化過程、測量點在各個失步振蕩周期內的最低電壓記錄信息等。

結合以上中間過程記錄和最終動作結果，可以評估實際UCosφ失步解列裝置的布點方案的合理性，定值整定的適應性，以及最終動作結果的正確性。其主要判斷的依據是根據波形回放后虛擬裝置動作結果，判斷當前布點的各個失步解列裝置是否能夠將失步斷面完整和快速地同時解開，使電網分裂為幾個各種保持同步運行的子系統。

4 結語

UCosφ失步解列裝置在我國大區互聯電網中應用較為廣泛。本文提出并實現了一種基于波形回放的UCosφ失步解列裝置動作行為模擬方法，能夠利用BPA 或PSASP 機電暫態時域仿真程序的仿真輸出數據，進行波形回放，并模擬實際失步解列裝置的失步判別過程和解列動作行為。本文所設計的方案具有通用性和創新性，可適用于不同失步判別原理的解列裝置動作行為的模擬和評估，為失步解列裝置的布點研究、定值整定、動作效果評估等工作提供了一種合理可行的實用方法，具有良好的應用前景。