電力系統振蕩對距離保護影響的仿真分析

紀靜，梁毅

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

0 引言

距離保護由于其穩定性好、靈敏度高等優點，被廣泛應用于輸電線路繼電保護中。當電力系統中出現輸電線路輸送功率超過極限值造成靜態穩定破壞，或者電網發生短路故障，切除大容量的發電、輸電或變電設備，負荷瞬間發生較大突變等造成電力系統暫態穩定破壞時，都將引起電力系統振蕩[1]。此時，有可能造成距離保護的誤動。因為振蕩時由于功角的周期性變化，系統中各點的電壓、線路電流、功率大小和方向以及距離保護的測量阻抗均會呈現周期性的變化[2]，從而造成保護誤動。振蕩現象自電網建設以來就沒有得到真正解決，雖然這不是故障，但其帶來的危害有時會比短路更為嚴重。

本文通過仿真分析研究電力系統振蕩對線路距離保護的影響，并對振蕩閉鎖以及振蕩過程再故障的解決方案進行建模仿真。

1 電力系統振蕩時的電氣量特點

■ 1.1 振蕩的概念

電力系統振蕩是指發生在電力系統或發電廠間、功率角出現在0～360°之間大幅度周期性擺動的現象。電力系統振蕩屬于系統的不正常運行，因而一般輸電線路上都會配備有自動調節恢復裝置，當振蕩發生時能夠自行調節、穩定振蕩。但振蕩可能會造成保護誤動，切除重要的輸電線路，造成嚴重后果[3]。

■ 1.2 電力系統振蕩時電壓、電流的特點

圖1所示是一個簡單雙側電源電力系統，設系統兩側的等效電動勢和幅值相等，相角差為δ，兩側電源間總阻抗為Z∑=ZM+ZN+ZL，ZM、ZN分別為M、N兩側系統的等值阻抗，ZL為輸電線路阻抗。

圖1 簡單雙側電源電力系統

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

圖2 系統振蕩時的電壓和電流

■ 1.3 電力系統振蕩時測量阻抗的特點

當電力系統振蕩時，從母線M處測得的測量阻抗為[4]：

由式(1)可得，當系統振蕩時，保護安裝處M的測量阻抗由兩部分構成：和。為振蕩中心到保護安裝處的線路阻抗，只與振蕩中心到保護安裝處的相對位置有關；而第二部分垂直于ZΣ，并隨著δ的變化而變化，即測量阻抗也呈周期性變化。

2 電力系統振蕩及距離保護的仿真分析

本文以圖3所示系統為例進行振蕩對距離保護的影響分析。系統兩側電源分別為EM、EN，電壓等級為10kV。輸電線路設為三段，分別為AB、BC、CD，每一段輸電線路兩側都設置有距離保護。輸電線路的單位正序阻抗為：Z1=0.21+j0.31Ω/km。

圖3 雙側電源系統距離保護算例

為便于分析計算，三段距離保護都選用方向圓特性阻抗繼電器。

阻抗繼電器有兩種接線方式：0°接線方式和帶零序補償的接線方式[5]，發生相間短路時用0°接線方式，發生相地短路時用帶零序補償的接線方式，本文將兩種接線方式相配合，即可實現完整的距離保護。

為了模擬系統振蕩，在圖3所示系統中設置電源EM的頻率fM為50Hz，EN的頻率fN為55Hz。測量母線A處的電流，如圖4所示。當系統發生振蕩時，測量保護1處的測量阻抗變化情況，如圖5所示。

圖4 電力系統發生振蕩時母線A處的電流波形

圖5 系統振蕩時測量阻抗的變化波形

由圖4可見：系統振蕩時，電流幅值發生了周期性變化。由圖5可見：系統振蕩時，測量阻抗出現很大的周期性波動，從而可能在某個時刻低于整定阻抗，進入保護動作區，造成保護誤動。

圖6是系統振蕩時阻抗繼電器的動作信號波形，1表示繼電器動作，可見，阻抗繼電器出現了周期性地動作和返回，即距離保護出現誤動。

圖6 振蕩時阻抗繼電器的動作信號波形

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，系統振蕩會導致距離保護誤動，因此，實際系統應增加振蕩閉鎖措施。由于在電力系統發生短路時，測量阻抗Zm由負荷阻抗ZL突變為短路阻抗Zk，變化速度很快；而在振蕩時，測量阻抗Zm由負荷阻抗ZL慢慢變成振蕩中心到保護安裝處的線路阻抗，其速率與δ的變化速率一致[4]。因此，本文利用測量阻抗變化速率的不同構成振蕩閉鎖元件。

增加振蕩閉鎖元件以后，仿真結果如圖7所示。在系統發生振蕩期間，即使阻抗繼電器的動作條件能夠滿足，振蕩閉鎖元件判斷出這并不是故障，即不開放保護，因此，保護不會誤動。

圖7 電力系統振蕩時繼電器的動作信號波形

■ 3.2 振蕩過程再故障的解決方案

當振蕩過程再故障時，繼電保護系統應能準確識別出故障狀態，并可靠動作。假設再故障為不對稱短路時，可用以下判據作為重新開放保護的條件[4]：

當系統正常運行時，沒有負序和零序電流，式(2)不會成立；當系統發生振蕩時，由于三相對稱，式(2)也不會成立；當系統在振蕩過程中發生不對稱故障時，總會存在負序電流，甚至是零序電流，式(2)被滿足，從而再次開放保護。

式中，φ為電流落后于電壓的相角；p.u.為標幺值。

Ucosφ為電壓相量在電流相量方向上的投影，是一個標量。當發生三相短路時，若忽略系統阻抗和輸電線路中的電阻，則Ucosφ近似等于故障點處的電弧電壓Uarc，其值一般不超過額定電壓UN的6%，且與故障距離無關，基本不隨時間的變化而變化，式(3)一直滿足。在系統發生振蕩時，Ucosφ近似等于振蕩中心的電壓，當φ變化到180°時，該電壓值會很小，可能滿足式(3)，而當φ變化到其他角度時，該電壓值就會很大，式(3)不滿足。這便是式(3)所表現出的振蕩與三相短路的差異。

■ 3.3 振蕩過程再故障的仿真分析

（1）不對稱短路的仿真分析

基于振蕩過程再故障的解決方案，建立不對稱短路的故障判定元件仿真模型，保持系統振蕩狀態不變，假設線路AB首端（距離母線A處2km）在0.5s發生AB兩相短路，m取0.5。仿真波形如圖8、圖9所示。

圖8 振蕩時再發生不對稱故障時的仿真結果

圖9 振蕩過程中再發生不對稱故障時繼電器的動作信號波形

由上圖可以看到，振蕩過程中再發生不對稱短路時，只要故障不切除，式(5)就會一直滿足，因此繼電器動作信號始終為1，保護能夠重新開放，及時切除故障。

（2）三相對稱短路的仿真分析

在距離保護模型基礎上增加三相對稱短路的故障判別元件后，假設兩側電動勢頻率為fM=50Hz，fN=51Hz，當系統發生振蕩時，式(3)的仿真結果如圖10所示，可以看出，Ucosφ數值變化幅度非常大，式(3)只會在很短的時間內滿足，該時間低于0.1s。

圖10 系統振蕩時式Ucosφ數值的仿真結果

保持系統振蕩狀態，在線路AB首端設置三相對稱短路，得到Ucosφ數值的仿真結果如圖11所示。由圖可見：式(3)能夠一直被滿足，直至故障切除。

圖11 振蕩過程中發生三相對稱故障時式Ucosφ數值的仿真結果

基于以上分析，將延時模塊設置為0.1s。仿真得到繼電器的動作信號如圖12所示。由圖可見：當振蕩過程中再發生三相對稱故障時，故障發生0.1s后，式(3)還滿足，則重新開放保護，保護裝置動作，將故障切除。

圖12 振蕩過程中發生三相對稱故障時繼電器的動作信號波形

4 總結

隨著電力系統規模的不斷發展，網絡結構愈加復雜，發生振蕩等不正常運行的情況越來越多，因此，研究振蕩過程保護閉鎖方案以及再故障的判別方案具有重要意義。本文建立距離保護仿真模型，通過改變電源頻率模擬電力系統振蕩過程，仿真分析了振蕩過程中繼電器的動作信號，仿真結果表明：利用阻抗變化率快慢區別系統是故障還是振蕩，原理簡單，易于實現，且準確可靠；而振蕩過程中再發生不對稱或者對稱短路時，本文采用的判別方案也能夠準確識別并開放保護，及時將故障切除，確保距離保護的可靠性。