（检测技术与自动化装置专业论文）电力系统自动解列低周减载装置的研究.pdf

电力系统自动解列低周减载装置的研究 摘要 当互联电力系统问发生振荡时，如果没有有效的方法来进行识 别和控制，将会导致事故的蔓延，最终造成大面积停电事故的发生。 失步解列作为保证系统安全运行的重要措施，是防止电网崩溃的重 要手段之一。当主系统发生稳定性破坏后，关键问题在于如何能合 理而快速地平息振荡，快速地使系统恢复正常。将系统在适当的地 点解列可以有效地将失步系统分开，从而保证各子系统的稳定运行。 本文通过对电力系统的失步振荡过程进行分析，在分析各种已 有的失步解列判据的基础上，提出了本装置的解列判据，使多种判 据复用，充分发挥各个判据的优点，尽量避免其缺点，互为补充。 本装置适用于自备发电机组的中小企业。它采用性价比较高 a t m e g a l 6 l 单片机为核心，并采用双c p u 冗余系统保证系统能稳 定可靠运行。它能检测电网的频率、电压、联网电流方向等参数并 进行综合判断，来实现对失步电网的解列控制。对参数的采集采用 软件滤波方法，并实现解列、三轮减载及闭锁保护、密码保护等功 能。能排除电网短路、采样断路等异常情况而产生的误动作，确保 重要设备的正常运行，减少损失。设计时充分考虑装置的可靠性、 适应性、开放性和可扩展性，以适应不同功能的要求和电网发展的 需要。 关键词：电力系统失步振荡解列低频减载单片机 t h es t u d yo fa u t o m a tics e p a r a tl0 na n dl o w f r e q u e n c y s e p a r a tl0 nd e v i c einp o w e rs y s t e m a b s t r a c t w h e no s c i l l a t i o no c c u r si ni n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m s ，i ft h e r ea r e n oe f f e c t i v em e a s u r e st oi d e n t i f ya n dc o n t r o l ，t h eo s c i l l a t i o nw i l ls p r e a d a n dr e s u l ti nb l a c k o u t a sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht oe n s u r et h es a f e t ya n d s t a b l eo p e r a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，o u t o f - s t e ps e p a r a t i o ni so n eo f i m p o r t a n tm e a n s t op r e v e n te l e c t r i cn e t w o r kc o l l a p s e w h e nt h es t a b i l i t yo f t h em a j o rs y s t e mi sd e s t r o y e d t h ek e yt ot h i sp r o b l e mi sh o wt op r e v e n tt h e o s c i l l a t i o n sr a t i o n a l i t ya n dq u i c k l y ，a n dh o wt or e s t o r a t i o nr a p i d t y i ti sa n e f f e c t i v em e a s u r et o s p l i tt h es y s t e m a tp r o p e rs p o t st oe n s u r et h e s t a b i l i z a t i o no fe a c hs u b s y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s e st ot h ea s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o ni np o w e rs y s t e m ， b ys y s t e m a t i cr e s e a r c h e so nt h ee x i s t i n go u t - o f - s t e pc r i t e r i a o fp o w e r s y s t e m ，i ti n t r o d u c e s t h eo u t - o f - s t e pc r i t e r i ao ft h i sd e v i c e i tm a k e ss e v e r a l c r i t e r i aw o r kr e u s a b l e ，s oi tf o l l yt a k e sa d v a n t a g eo fe v e r yc r i t e r i a ，s ot h a t t h ed e f e e tc a nb ea v o i d e d t h i sd e v i c ec a nb ea p p l i e dt os m a l la n dm e d i u m s i z e de n t e r p r i s e s w h i c hh a sp o w e rg e n e r a t i n gs e tf o ri t s e l f , a n dh i g hc o s t p e r f o r m a n c es i n g l e c h i pa t m e g a l 6 l i su s e da st h ec o r ei nt h i sd e v i c e ，a n di tu s er e d u n d a n t i l s y s t e mw h i c hh a st w oc p u t oe n s u r et h es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e m i tc a n c h e c k o u tt h ef r e q u e n c y ，v o l t a g ea n dt h ep o w e rf l o wd i r e c t i o no ft h e i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m s ，a n dm a k eac o m p r e h e n s i v ej u d g m e n t st o r e a l i z et h ec o n t r o lt ot h eo u t - o f - s t e ps e p a r a t i o ns y s t e m i tu s e st h em e t h o d o fs o f t w a r ef i l t e r i n gi nt h ec o l l e c t i o no fp a r a m e t e r ，a n dh a st h ef u n c t i o n so f a u t o - d i s c o n n e c t i o n ，t h r e eg r a d el o a dr e d u c t i o n s ；i ta l s oh a st h ef u n c t i o n so f b l o c k i n gp r o t e c t i o na n d s e c r e tc o d ep r o t e c t i o na n ds oo n i tc a ne x c l u d et h e f a l s ea c t i o nb e c a u s eo ft h ea b n o r m a lc o n d i t i o no ft h es y s t e ms u c ha ss h o r t c i r c u i ta n do p e nc i r c u i t ，s oi tc a ne n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ed e v i c e a n dr e d u c et h el o s s w h e ni t i s d e s i g n e d ，t h er e l i a b i l i t y ，a d a p t a b i l i t y ， o p e n i n ga n de x t e n s i b i l i t yo ft h i sd e v i c ea r ef u l lc o n s i d e r e dt oa d a p t d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ht h ef u n c t i o n sa n dt h er e q u i r e m e n to fp o w e r s y s t e md e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；a s y n c h r o n o u s o s c i l l a t i o n ； u n d e rf r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ( u f l s ) ；o u t o f - s t e ps e p a r a t i o n ； s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：译硼 沙曰年6 月洳f 1 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提f ，学校可以公伟论文的部分或全部内容。 请选择发布时| l h j ： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：陬砷坎导师签名：参谤劲7 年6 月加r 广西夫掣嘎士掌位论文电力j o 晓自动瑚e 列僚0 届减载袭，：的研究 第一章绪论 1 1 课题的提出及其意义 随着电力工业的发展，电力系统的规模日益扩大，电力系统进入了高电压、 大机组、大电网时代，目前我国电网正逐渐由省间互联进入到跨大区互联和全 国联网的新阶段。大电网具有明显的优越性，例如可以合理的开发与利用能源， 节省投资，降低运行费用，减少系统的备用容虽，增加供电的安全性和可靠性 等等【l 。但是电网互联在带来显著经济效益的同时，也对电力系统的可靠性及 运行管理水平提出更高的要求。大电力系统发生事故，特别是发生稳定破坏事 故和不可控的恶性连锁反应时，将引起大面积和长时间的停电灾难，从而造成 巨大的经济损失。 纵观国内外重大系统事故的产生，几乎都是由系统失去稳定而扩大，因无 预定对策，而后发展为灾难性后果的。失步解列作为保证系统安全运行的重要 措施，是防止电网崩溃的重要手段之一陆4 】。长期的运行实践证实，不管对系统 稳定性的要求如何严格，措施如何完善，总可能出现各种不可预计的各种偶然 因素的叠加，产生稳定破坏事故。而过分提高对系统稳定性的要求，需要大量 的投资。当主系统发生稳定破坏后，关键问题在于如何能合理而快速地平息振 荡，和快速地使系统恢复正常。将振荡的两侧系统解列，可以平息振荡，在失 去同步的系统中实现合理的解列，可以有效地防止事故的蔓延。以免系统大停 电事故的发生【4 。但是，不合理的解列，只能给系统带来更大的混乱，把系统 搞得四分五裂，这是国内外都不只一次出现过的情况。 电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动分为三类：第一类为常见的普 通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行与正常供电：第二类故障 为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保证稳定运行， 但允许损失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此 类故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损 失( 6 l 。电力系统安全自动装置一般可分为两大类：第一类是为了维持电力系统稳 定性不被破坏的自动装置，例如快速继电保护、同步电机的自动励磁调节和继 电强励、电气制动、快速重合闸、发电厂快速减出力( 对气轮机组实现快速压 广西大掌硕士掌位能文电力系统自动解列低眉藏载蓑j l 的研究 出力和切除某些水轮机组) 以及必要的联锁切负荷等等。第二类是当电力系统 失去稳定后或当电力系统频率过度降低或当电力系统电压过度降低时，防止事 故继续扩大的自动装置，将失去同步的电力系统在预定的解列点解列、按频率 自动减负荷以及按电压降低自动减负荷等等。 电力系统长期的运行实践表明，不论对稳定性的要求如何严格，措施如何完 善，总可能因一些事先不可预料的偶然因素的叠加，产生稳定破坏事故的发生， 如果处理不当，最终将会以巨大的经济损失为代价。当系统的稳定性遭到破坏 时，快速的将失去稳定的两个系统在适当的地点进行解列，可以有效地将故障 限定在有限的区域内，从而保证大系统的稳定运行，最大程度上减小经济损失。 广西利用余热发电的中小企业比较多，例如：糖厂自备汽轮发电机组等， 但是他们的发电机的容量一般较小，所以需要跟外部电网连接作为补充。外部 电网出现故障导致电网失稳时，如果企业发电机还跟电网连在一起，将直接被 拖死，造成巨大的损失，需要解列装置迅速动作，保证局部电网的正常运行。 所以解列减载装置在广西具有很大的市场。本课题所研制的自动解列低周减载 装置，就是主要应用于广西糖厂等自备汽轮发电机组的中小企业，其解列减载 系统示意图如图1 1 。 外电同引入 减载 器 出线柜 出线柜2 衾酱景羞互感器框 图1 1 中小企业解列减载系统示意图 f i g 1 1 t h es y s t e mf i g u r eo f s e p a r a t i o na n dl o w - f r e q u e n c yl o a dr e d u c t i o n o f s m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e s 广西大掣口囊士掌位荫汶 电力系统自动解捌低属减载蓑，：的研究 一般情况下，企业自备发电机组的容量一般不是太大，需要跟外电网联接， 让外电网带动自己的部分负载，才能保证小电网的负载都能正常工作。正常情 况下，潮流方向是从外电网流入企业小电网。当外电网出现故障时，如果不及 时切断外电网与小电网之问的连接时，小电网在瞬时就能被拖垮陷入瘫痪状态， 所以要及时把外电网与小电网之间的连接切断，迅速解列，解列地点如图l l 所标。解列之后，小电网因为负载过重也会不稳定，所以要及时进行减载，保 证重要符合能正常工作，减载地点如图1 一l 所标。 1 2 我国失步解列装置研究的难点阳胴 我国电网中广泛装设有振荡解列装置，这主要是我国电网的基本国情决定 的，这是因为： ( 1 ) 我国的电网建设落后于电源建设，主网架结构薄弱，稳定水平不高，稳 定储备不足，系统阻尼弱，很容易引起系统失步振荡。 ( 2 ) 由于我国的地域辽阔，水火电分布不均匀，系统运行方式变化大，安全 稳定控制装置不可能完全预测和解决系统内所有类型的失稳模式，因此，在电 力系统中装设振荡解列装置是保证系统不致瓦解的重要措施。 ( 3 ) 继电保护、安全自动装置还存在拒动、误动的可能性，失步解列装置是 建立起的第三道防线，作为电力系统的后备保护。 国内外电力工作者近年来也不断地提出一些新原理以更好地解决系统失步 解列问题，以减少电力系统大停电事故的发生。在大电网中实现合理的解列难 点在于： ( 1 ) 准确地判断出系统同步摇摆是否会导致失去同步。振荡解列装置的关键 性闯题就是如何正确区分同步摇摆和失步，或者预测系统的振荡是否会导致失 步。 ( 2 ) 正确判断系统振荡中心的位置。系统的振荡中心在失步过程中是不断变 化的，即使两侧电势的幅值相等时振荡中心也是在不断变化。 ( 3 ) 电力系统中各个失步解列装置之间的参数整定和协调问题。当在系统中 装有多个振荡解列装置时，它们之间的相互配合就成为重要的问题，如果它们 之问不能协调作业，出现乱解列的情况将会加速系统走向崩溃。 电力习臼毙自动解列低属减载蓑j ：的研究 1 3 国内外研究情况综述 目前大量应用于电力系统的失步解列原理主要有阻抗轨迹失步解列判据、 u o o s d p 轨迹失步解列判据、视在阻抗角失步解列判据、周期无功积分值判据、 相角测量技术失步解列判据。 1 3 1 双阻抗型失步判据 在监视点装设阻抗继电器，设定两个灵敏性不同的阻抗继电器，根据阻抗变 化速度来区剐短路情况和异步运行，利用失步振荡时装置安装点的阻抗值的变 化规律进行失步判断。根据阻抗变化轨迹区分同步振荡和异步振荡，这是国内 外较为普遍的一种方法哺一。双阻抗型的失步保护有很多形式，比如圆形、透镜 型、直线型、矩形等，它们的核心都是构造内、外两个及两个以上阻抗继电器， 用于区分短路故障、同步振荡和失步振荡l l 。短路故障时测量阻抗将瞬时穿入 两个阻抗元件，同步振荡的测量阻抗不可能到达阻抗平面的i i ，i i i 象限，只有在 失步振荡时，测量阻抗才会以一定的时间间隔依次穿过两个相邻阻抗元件。该 方法的原理比较简单，没有预测失步功能川，不利于提前采取措施。以s b j - 1 a 型失步解列装置为例，其失步解列的判别元件是采用新型阻抗循序判别方式的 失步继电器，在阻抗平面上按阻抗角分为6 个阻抗圆区域，当系统失步振荡时， 测量阻抗依失步性质( 加速失步或减速失步) ，其轨迹依次通过这6 个区域( 正 向或反向) ，据此判断是否失步。此外，s b j 1 a 型失步解列装置还装有专门的区 域测量元件，用于与相邻的解列装置或其它稳定控制措施相配合，使解列范围 明确。 1 3 2 视在阻抗角失步解列判据 利用装置安装处采集到的视在阻抗角随相对功角的正向渐增或负向渐减的 变化规律，来判断系统的失步特征，并进行解列【1 ”。文献【1 l 】介绍了系统失步振 荡过程中，当解列装置安装于联络线一端，由母线向线路侧视入时，视在阻抗 角的变化规律。该判据的优点是能够判断出失步中心的位置方向，能够适应复 杂的电网结构和多变的运行方式，且整定方便。但是由于目前国内外的失步解 列装置基本是基于妒= a r e t a n ( q p ) 计算出视在阻抗角。因此，该判据实际上是通 过有功功率的方向改变去判断失步；通过在系统异步运行中无功功率对正负一 侧的偏向去判断失步中心的位置【l2 1 。但是，当系统受到扰动发生失步振荡的过 4 广西，叫錾司| ：e 掌位论文 ；力系统自动嘲l 列低用减载蓑j ：的研究 程中，同调机群问的联络线同样会受到负荷潮流、同调机群问功角间隙波动等 影响而发生有功过零的现象，这容易使该判据发生误判、装置动作跳闸等【”】： 且当系统失步较快时，该判据易于误判振荡周期次数【l l 】。 目前国内外基于等值两机系统推导的、基于视在阻抗角变化的失步解列原 理，实际上反映了失步断面有功功率周期性过零的性质，而非失步断面联络线 由于也会发生此现象，因此基于视在阻抗变化规律的失步解列装置会误判将同 调机群问的非失步断面联络线断开【”】。 1 3 3u o o s q p 失步解列判据 u c o s 伊失步解列判据主要反映了失步断面联络线上电压幅值最低点的电压 幅值变化特征，它主要利用装置安装处采集到的电压、电流计算得到振荡中心 的电压，根据振荡中心电压的变化规律来区分失步振荡和同步振荡以及断路故 障等i l ，可通过系统失步振荡过程中u c o s q ，轨迹穿过的区域去判断系统的失步 情况，实施解列。该判据能够反映系统失步过程中的最低电压的变化而能够准 确判断出系统是否失步，判据方法简单能够自动适应系统的各种运行方式和系 统结构的变化。 1 3 4 同步相量测量技术失步判据 它的基本原理是在线路两端各装一套全球卫星定位系统( g p s ) 和一套同步 相量测量单元( p m u ) ，g p s 每隔一定时间发送一个脉冲给同步相量测量单元， 同步相量测量单元产生一个频率为5 0 h z 的同相的正弦信号作参考相量，可求出 线路两端电压和电流幅值和相对于该参考相量的相角差，从而求出两系统的相 角差。根据此相角差的变化判断系统是否发生振荡以及确定振荡的类型1 5 1 。它 可以准确地判断出系统失步振荡情况，动作范围明确，容易实现多个解列装置 的配合。国内外有关文献表明，p m u 的通信延时在5 个周波左右【1 6 1 。因此，相 角信息用于监视系统的动态行为是可行的，但目前还有较多的技术问题没有解 决，且它的设备复杂、成本高 7 1 ，所以要用于电力系统实时暂态稳定分析与控制 中，还有待技术水平的进一步提高。 1 3 5 传统大型系统解列方案的选取 由于实际电网拓扑的复杂性，因此在同一电网内一般设有多个解列点，其位 5 f - 西，v 擎硕士掌位论文 电力幕藏自动解列低周减载幕j ：的研究 置通过离线计算来确定，这些失步解列装置的动作必须要从全网的角度去协调。 当系统失步后尽侠解列失步的断面，当几个点都处于失步断面上时，就出现了 装置动作的协调问题。目前解列装置的协调配合方法都是就地的，主要有以下 几种方法【2 8 l ： ( 1 ) 对于同一站，双回线采用二取二或二取一出口逻辑； ( 2 ) 对于不同的站，通过测量处的测量阻抗或是测量电压来确定不同站的保 护区域。 、 ( 3 ) 当振荡中心位于正方向并且本装置处于振荡中心附近时，优先解列该线 路，并在动作的同时闭锁其他线路， ( 4 ) 当区域选择无法保证选择性要求的时候。则利用检测的失步振荡周期的 次数来取得装置之间的选择性，类似于线路保护中的一、二段延时配合。 但是，对于复杂的互联电力系统而言，这种解列装置的协调方案，往往难以 达到快速、准确解列的要求，从而造成事故范围的扩大。 1 3 6 电网振荡解列判据的发展趋势 目前国内外电力系统中，还没有一种很完善的解列控制装置，不合理的解 列引起的事故蔓延情况仍在发生。研究电网解列判据应注意的问题： l 、不同情况下选择不同的判据，多种判据复用，互为补充。目前还没有一 种判据可以对系统的振荡做出全面的描述。系统从扰动，到摆动，再到失步振 荡是一个复杂的过程，各种参数在不同阶段特性也不同，各种判据又各有利弊， 因此，应失各个判据扬长避短，互为补充。 2 、在研究新型电网振荡解列盘局式，应着重研究只与系统振荡程度相关、 与正常负荷和运动方式无关、反映各电气量变化量( 变化率) 的判据。以求获 得更好的动作特性。 振荡解列判据今后的发展趋势如下1 4 】： ( 1 ) 研究基于本地量失步判断的新算法 对系统在合适的地点解列需要对全系统结构和失稳模式做出正确的判断， 需要电网的各种参数信息，各个解列装置才能协调工作，这需要可靠的通讯手 段。因此在通讯系统还未完善时，避免系统可能的大面积停电，应积极开展基 于本地量的振荡解列装置的研究。 ( 2 ) 利用g p s 技术和现代电力系统通信技术，研制基于同步相量测量技术 6 电力系统自动解剜低眉减载蓑，l 的研究 的自适应失步解列装置。 近年来，随着计算机技术和通信技术的发展，柔性输电技术、智能控制、 基于g p s 的新一代动态安全监测系统己经成为现代电力系统中三项具有变革性 影响的前沿课题【4 j 。g p s 的出现为电力系统的大范围控制提供了一个新的思路 和手段。美、日、法等国家都在研制基于同步相量量测技术的失步解列装置， 这类装置具有预测作用和一定的自适应能力，能满足系统运行方式的变化，精 度较高，是今后一个新的发展方向【1 6 - 2 3 1 。 ( 3 ) 利用人工智能研究振荡解列新算法 智能控制技术在电力系统中的应用已逐渐成为人们的研究热点，主要包括 专家系统、模糊集理论、人工神经网络、模拟进化优化方法及其它智能方法等。 人工神经网络技术和模糊集理论的研究有了很大进展，目前国内外正在积极开 展利用神经网络和模糊控制进行电力系统稳定控制的研究。 ( 4 ) 多机系统振荡解列新判据 目前大多数电网解列判据都是基于双机模型或者单机无穷大模型，而电网 规模越来越大，结构越来越复杂，现有的判据已不能满足要求，应研究基于多 机振荡模型的振荡解列新盘局。 1 4 本论文的主要工作 本文研究对象为基于a t m e g a l 6 l 单片机的电网自动解列低周减载装置，主 要应用于广西糖厂等自备汽轮发电机组的中小企业，容量相对较小。 目前电网的失步控制主要是依靠解列装置来完成，失步解列装置的核心技术 是：完善的失步判据，不同安装点解列装置动作的配合方法，防止各种情况下 误动作的闭锁措旌。本文主要研究失步解列判据、算法，装置的硬件设计、软 件实现等问题，对其它问题略为探讨。 由于目前还没有一种判据可以对系统的振荡做出全面的描述。系统从受到扰 动，到摆动，再到失步振荡是一个复杂的过程，各种参数在不同的阶段呈现不 同的特性，各种判据又各有利弊。因此本文所做的工作如下： ( 1 ) 在分析各种已有的失步解列判据的基础上，融合各种判据，充分发挥各 个判据的优点，尽量避免其缺点，多种判据复用，互为补充，使之适合于工程 中的实际应用。并且着重研究只与系统振荡程度相关、与正常负荷和运行方式 7 广西，“鼻司【士掌位论文 电力系统自动解列低周减载蓑，：的研究 无关、反映各电气量变化量( 变化率) 的判据，以求获得更好的动作特性。由于解 列装置不要求瞬时出口，因而有充足的时间进行各种计算，使得多判据复用成 为可能。 ( 2 ) 采用a t m e g a l 6 l 单片机为核心，检测电网的频率、电压、联网电流方向 等参数并进行综合判断，来实现对失步电网的解列控制。设计时充分考虑装置 的可靠性、适应性、开放性和可扩展性，以适应不同功能的要求和电网发展的 需要。 ( 3 ) c 语言功能丰富、表达能力强，使用灵活方便、应用面广、目标程序效 率高、可移植性好。c 语言既具有一般高级语言的函数功能和结构化特点，又具 有汇编语言面向硬件设计的优势。因此本文选用c 语言作为程序设计的语言， 对参数的采集采用软件滤波方法，并实现解列、三轮减载及闭锁保护、密码保 护等功能。 8 ，智j 矗螺士掌位论文 电力秉筑自动解捌宵：一减载蓑置的研究 第二章电力系统失步过程分析 2 1 引言 电力系统同步运行时，所有发电机的电动势都具有相同的频率，其所有的系 统状态量都是按同一角速度旋转。当系统的稳定性遭到破坏时，一部分系统相 对于其余系统发生异步运行，系统的频率不再是常数，两个系统的等值功角将 不断的拉大，其他的系统状态量也会出现不同于正常运行时的现象和特征。本 章利用运行变量的瞬时值，分析系统在异步运行状态下电压电流随转差等的变 化情况，为以后问题的分析及失步振荡解列判据的提前打下基础。 对于我国电力系统，由于电网结构一般比较薄弱，重视防止全网性大停电事 故，尤为重要【5 批2 卯。在规划电网结构时，应实现合理的分层分区原则；运行 中的电力系统必须在适当地点设置解列点，并装设自动解列装置。当系统发生 稳定破坏时，能够有计划地将系统迅速而合理地解列为供需尽可能平衡而各自 保持同步运行的两个或几个部分，防止系统长时间不能拉入同步或造成系统频 率和电压崩溃，扩大事故脚】。 2 2 电力系统失步原因分析 2 2 1 电力系统失步的特点 在正常运行方式下，并列运行的发电机组是同步工作的，所有发电机的电 动势都有相同的频率。当并列运行的稳定性被破坏时，或与发电厂相连的线路 与电力系统非同步运行时，一台发电机组对电力系统或互联的一个电网对另一 个电网就会产生异步运行。发电机向外输送的有功功率将里周期性的变化，因 此该台发电机的转速增加，而受端系统则由于功率缺额导致频率下降，两者电 动势向量产生一定的频差，输电线上各点电压按频差周期性的变化，在振荡中 心处当功角占= 1 8 0 。时电压值为零。各元件内的电流按频差周期性的变化，而其 有功功率以双倍频差呈周期性变化嘲。 9 广西，“弗硬士学位论文 电力蓉统自动解剜低一减藏蓑，：的研究 2 2 2 电力系统失步的原因 系统内所有并列运行的发电机组是同步工作的，此时，发电机组的机械转 矩和电磁转矩之间达到平衡状态。当输电线路中的传输功率过大超过静稳极限， 或者当系统因无功功率严重不足而引起系统电压降低，或者当发生短路时由于 故障切除太慢以及采用非同期重合闸时，并列运行的系统中都有可能发生失步 现象【2 7 】，此时系统的稳定性遭到破坏时，系统之间的平衡被破坏，失步的两群 机组的转子之间一直有相对运动，导致发电机组的机械转矩和电磁转矩直接出 现差值，从而使系统的功率、电流和电压都不断的振荡。以简单的等值两机系 统，分析功角同传输功率之间的关系哪l ，如图2 一l 所示： 图2 1等值两机系统模型 f i g 2 1e q u i v a l e n tm o d e lf o rt w o - m a c h i n ep o w e rs y s t e m 假设电动势瓦和e 之间的角度为占，其中：瓦为送端电源，e 为受端电 源，该系统的等值电抗为： x = x m + xl + x m 她、) 线路上传输的功率为： p ：兰丝：兰s i n 8 ( 2 2 ) 爿z 系统正常运行时，其两端的等值电势e 卅和e ，线路的阻抗砭固定不变， 此时有功功率p 同功角艿是正弦关系，如图2 2 所示： 图2 2 p j 变化曲线 f i g 2 2 c u r v e o fp - 8 1 0 电力蓉筑自动解，n 低属减就蓑，l 的研究 由式( 2 - 2 ) 和图2 - 2 可知，当不考虑机组自动调节及p s s 等功能时，在功 角万为0 。一9 0 0 时，机组的电磁功率随功角占的增大而增大，在万为9 0 。时机组 电磁功率发出最大，当功角占超过9 0 。时，电磁功率随功角占的增大而减小。若 不计原动机调速器的作用时，假设此时原动机的机械功率为界不变，忽略电阻 损耗以及机组的摩擦、风阻等损耗，可以认为机组发出的电磁功率：p o = 只， 正常情况下，机组运行在稳定的平衡点磊。 当线路发生故障时，根据发电机励磁回路磁链守恒的原理，在故障瞬间等 值电动势是不变的。本来在故障发生以后，等值电动势是要衰减的，但是考虑 到一方面其衰减很慢，另一方面励磁调节器特别是其中的强行励磁装置的作用， 因此可以近似的认为等值电动势是不变的。但在故障期间，发送端和接受端电 源之间的等效电抗将会发生变化，这时其等值网络需要在原来的正序网络的故 障点处接一个附加电抗( 玩) ，利用这个正序增广网络即可计算出线路发生故 障时线路上的电流及线路上传输的功率。附加电抗的大小可以根据故障的类型 由故障点的等值负序和零序电抗计算而得。对于不同的故障，其故障线路的等 值电路如图2 3 所示： 图2 3故障时系统等值电路图 f i g 2 3e q u i v a l e n tt w o - m a c h i n ep o w e rs y s t e ma tf a u l t 这时系统的联系电抗可由上图的星型网络化为三角形网络，得： n ：“+ 墨+ 瓦+ x m ( x l + x u ) ( 2 3 ) 耳a 这个电抗总是大于正常运行时的电抗的。所以故障情况下的发电机的输出 功率为： p ：e m e ，s i n j ( 2 - 4 ) 彳z 电力膏0 晓自动解罗重但；周减载蓑j l 的研究 i 故障1 i 旷 谂 f 滁 鼎 图2 4故障前后系统的尸一万变化曲线 f i g 2 4 c u r v e o fp - 8a r o u n d f a u l t 由于故障切除时间比较短，因此假定忽略故障后调速器的作用，即认为等 值发电机的机械功率始终保持不变。则在故障后，由于机械功率大于输出功率， 因而会导致发电机转子加速，使得两侧功角逐渐拉大；故障切除后，随着功角 的逐渐拉大，电磁功率逐渐增大，使转子的速度受到制动，速度逐渐减小。若 在皖时，满足加速面积4 小于减速面积4 ，即机械功率小于电磁功率，则转子 会减小到同步转速以下，从而使功角逐渐变小，系统会在平衡点瓯往复振荡， 并由子系统存在阻尼的原因，导致振荡的逐渐衰减，最终运行于新的稳定运行 点；相反，若在皖时，满足加速面积4 大于减速面积4 ，则在玩之前，转子的 速度仍然大于同步转速，使运行点越过最，而当运行点越过h 点时，又会由于 转子上的机械功率大于传输的电磁功率而导致转子的加速，从而导致系统失步。 2 3 异步运行状态的特性 2 3 1 等值双机系统异步运行状态 还是以图2 1 所示等值两机系统对电网异步运行状态情况进行分析。 两等值机之间的综合阻抗等于各个元件的阻抗和，为简化计算，作如下假设： ( 1 ) 在计算时各个系统的频率保持不变； ( 2 ) 两等值机电势保持不变； ( 3 ) 忽略网络电阻，在频率的实际变化范围内，认为电抗不随频率变化； ( 4 ) 不考虑中间负荷的影响； ( 5 ) 系统中阻抗角都相等，均为妒0 。 l 、电流的变化规律 1 2 厂。酉大学壤士掌位论文电力秉筑自动解，l 低眉越载蓑j l 的研究 系统异步运行时，联络线上流过振荡电流，为研究电流幅值包络线的变化， 采用瞬时值表示线路电流和母线电压，两等值机的电势和联络线的电流表示如 下： r = 瓦s i n c o | = e s i n m 2 t ( 2 - 5 ) l f = 厶s i n o b 3 t 式中，q 、哆、吐分别为送、受端电动势和电流的瞬时角频率，在任一时 刻，有： a e = e m - e = e 。s i n r o i t - e ，s i n t 0 2 t = x e 1 s i n ( m 3 t - - 等) ( 2 - 6 ) 上式整理得： ，s i n 他，：堡笺二! 垦：墨竺! 坚竺二竺旦 。 爿 ( 2 7 ) 痂脚+ 争a r c 州孝嚣蓑0 知， 由上式可知振荡电流的幅值可表示为： ，：堡堡二! 刍：墨：! ! 塑竺二竺旦( 2 8 ) ，= ：二- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 z 一 ， j 艺 由式( 2 8 ) 可以看出，振荡电流幅值的包络线是转差的周期函数，在功角 达到1 8 0 o 时，达至l j 最大值半，在功角达至! | o o 时，：达至| j 最，j 、值学。 2 、电压的变化规律口4 1 在图3 1 中，联络线上任意一点的电压瞬时值可表示为： 巳= c n + 七( p 。一) ( 2 9 ) 萁寺k = x l | x 将式( 2 5 ) 代入式( 2 9 ) ，经过整理可求得联络线上任意一点的振荡电压瞬 时值： 巳= y s i n ( d 0 2 t + a ) ( 2 - 1 0 ) 其中，y = | i 2 乜+ ( 1 - k y e + 2 k o 一七) 已e c 0 “q 一吃) f ( 2 - 1 1 ) 由上式可知，振荡电压幅值的包络线是随转差周期变化的，它的振荡周期与 振荡电流的振荡周期相同，振荡电压幅值在一个振荡周期中最大值和最小值分 别为： y - 西大掌硕士掌位论文电力j t 筑自动解列低眉减载蓑j l 的研究 型尝：陋+ ( 1 一后) e 】 型盥：+【_je一(1一ji)e】y- 取母线上m 点进行研究，并假设母线到振荡中心之间的阻抗为z 0 ，则对图 口= 岛。粤一z 脚】= 毫睦一妻】+ 或睦+ 乏声 ( 2 m ) 【丢+ 孕】s i n 8 铲一暖每 q 。4 谚= 鲁+ 争= 兰+ ( 2 1 5 ) 式中为系统阻抗角的余角。 亡+ 兰2 1 s i n 8 嘲母一毒杀 ( 2 - 1 6 ) 令z = 蝥，则式( 2 1 6 ) 可变为： 二i z z z 0 t 4 电力系统自动解列低肩减藏墓l 的研究 肚一曩霹1 丐面 【i i + z z - 罢- s i n 8 ( 2 1 7 ) 2 戤诳五蕊c o s 82 l + ， q 由式( 2 - 1 7 ) 可知，母线处阻抗角0 是功角艿的函数，万改变时，口也会随 2 3 2 等值三机系统异步运行状态 由于多机系统间的失步振荡极其复杂，在实际情况中，我们很难将失步系统 等效为等值双机模型。简单的等值三机系统模型如图2 5 ，为了便于分析计算， 所作假设同等值双机系统。 f i g 2 5 l 、电流变化规律 如等值双机系统， 图2 5 等值三机系统模型 e q u i v a l e n tm o d e lf o rt h r e e - m a c h i n ep o w e rs y s t e m 采用瞬时值表示母线电压： 厂e t 2 岛s i n c o l t e 2 = 巨s i n c a e t ( 2 一1 8 ) l 巳= 易s i n a l 3 t 根据基尔霍夫定律可得： 白一e 2 = 2 ( z j + z j 2 + 2 j ) 一之3 z j 屹一e 3 = 1 。2 3 ( z j + z 2 3 + z j ) 一2 z j ( 2 1 9 ) ( z 2 + z 2 3 + z 3 ) + ( 2 2 0 ) z 2 ，消元得： 铲等祭蒹黼 ( 2 1 8 ) 代入得： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 广西大学司n b 掌位论文电力j 湛自动解列低眉减载蓑j l 的研究 t ，：! 圣刍垒型垡重二! 刍墨! ! 塑竺二竺笙! ! 竺! 竺! 二鱼! ! “ 鱼：苎! ：兰坚垒，z 嚣+ 2 2 ) 一乏 ( 2 2 1 ) + 型穹告攀等告譬掣：+ 毫 ( z l + 互2 + 乞x z 2 + z 2 ，+ z 2 ) 一乏 “ 同理可得到k 。由( 2 - 2 1 ) 可以看出，振荡电流可看作两个分向量的矢量和， ，和采这两个分向量的包络线幅值分别是等值机a 与等值机b 和等值机b 与等 值机c 之间转差的周期函数。 简单三机环状系统的分析方法同上，同样可得到，振荡电流可看作三个分向 量的矢量和，这三个分向量的包络线幅值分别是等值机a 与等值机b 、等值机b 与等值机c 和等值机a 与等值机c 之间转差的周期函数。由此可得出结论：振 荡电流并不是一个确定的关于等值电源的电势和转差的函数，而是由相联系的 两两等值电源之间转差函数的矢量之和 埘。 2 、电压变化规律 假设e l 距离测量点m 的阻抗为z ，则： ( ，：= 巨一2 z 二 ( 2 2 2 ) 其中， ，如式( 2 2 1 ) ，代入得： 以= ( 1 - k ) e , + ( 1 一z ) 皂e 2 + k l e 3 ( 2 - 2 3 ) 式中，| i ：! 互互2 圣2 刍，l ： 互 。 z zz 2 + z 2 3 + z 3 由式( 2 - 2 3 ) 可知，电压包络线的幅值与测量点的位置有关。 1 6 g - 西大掌硕士掌位论文 电力系兢自动搠：列低减载蓑置的研究 第三章电力系统失步解列装置的研究现状 3 1 概述 电力系统安全自动保护装置的保护对象是整个电力系统，其作用是当电力 系统遭受到扰动后通过这种装置的自动作用维持系统的稳定运行或将系统解列 成几部分运行，并尽快并网恢复负荷【“2 9 。系统安全自动装置从保证电力系统安 全稳定运行的作用来看包括相当广泛的内容，如切机控制、励磁控制、按频率 减负荷控制、解列控制等。这些装置基本上由三部分组成：测量比较部件，运 算及控制部件，执行部件0 0 ! ，逻辑框图如图3 一l 。他们的共同点是检测系统的 扰动，在一系列运算的基础上判断或预测系统的不稳定，从而采取不同的措施。 被测电气 参数 图3 1逻辑框图 f i g 3 1l o g i cb l o c kd i a g r a m 跳闸或发 出信号 3 2 失步解列装置的分类 根据装置动作的原理可分为间接反映功角、直接测量功角或转速和基于能 量原理的失步预测。 3 2 1 间接反映功角的判据 在一定的假设条件下，由于视在阻抗、振荡中心电压、电流电压变化率等 和功角存在定的函数关系，因此可以通过这些电量的变化来间接反映功角的 变化，如果加入一定比例的变化率，就具有预测功能。 l 、电压型解列判据f 8 3 1 ，3 2 l 在简单双机系统中，假定两侧的电势相等，则振荡中心电压可表示为： u ：e c o s 生( 3 - 1 ) 。 2 广西大掌司n b 掌位论文 电力曩茂自动解列囊泪减载蓑j l 的研究 生生：一三删n 互掣( 3 - 2 ) d lj zj zd l 该方案的动作方程为： u - + k d u z a( 3 3 ) 讲 其中，k 为比例系数；a 为整定值，与动态极限角有关。 2 、利用电压和电流变化率的判据【3 3 】 文献【3 3 】介绍了利用k = d 】【哆么】的变化来反映功角变化的失步预测 方案，在简单的双机系统中，假定两侧电势相等，系统内任一点o 的电压为： u = 如一j 哇之一z 知) 意g = 意s e 妒 ，：e a - e f z z ( 3 _ 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 其中，z z 为发电