（电力系统及其自动化专业论文）大型互联电力系统失步解列分析与研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ha n d a n a l y s i so no u t - o f s t e p s e p a r a t i o no fl a r g e - s c a l el n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e m m a j o r ：e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e ：x i a o p e n gl e i s u p e r v i s i o n ：p r o f e s s o rl i x i a oy a o l e c t ur e rl i x i a o 、r a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 丝学型绷锄 l a r g e - s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m sh a v eb e c o m et h et r e n do fp o w e rs y s t e m s d e v e l o p m e n to v e rs t a t e so rw i d e ，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yp r o b l e m sa l s oc o m eu pi n c r e a s i n g l y o u t 。o f - s t e ps e p a r a t i o ne m e r g e n c yc o n t r o lf o rp r e v e n t i n ga c c i d e n t st oe x p a n du pt ow i d e s p r e a d b l a c k o u ti nc o m p l e xf a u l ts i t u a t i o n s ( i e ，b r e a k i n go f fo u t - o f - s t e ps t a t e ，p r e v e n t i n gv o l t a g ea n d f r e q u e n c yc o l l a p s ea n d s oo n ) i st h et h i r dl i n eo fd e f i a n c e ，a n di sp l a y i n gt h e v e r yi m p o r t a n tr o l e i np o w e rs y s t e m sa th o m e i ti sa ne f f e c t i v em e a s u r et os p l i tt h ep o w e r s y s t e mt os e v e r a ls m a l l i s l a n d sa ta p p r o p r i a t et i m ea n dp r o p e rs p o t st oe n s u r et h es 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 e p r i n c i p l eo ft h eo u t - o f - s t e ps e p a r a t i o ne q u i p m e n ts h o u l dh a v et h ef u n c t i o ns u c ha se x a c t l y s t a r t - u p p i n gt h eo u t - o f - s t e ps e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，e x a c t l yc a l c u l a t i n gt h eo u t o f - s t e pp e r i o da n d c a p t u r i n go u t - o f - s t e pc e n t e r , a n ds h o u l df a s ta n da c c u r a t e l yc a p t u r et h eo u t - o f - s t e ps e c t i o n ，a n d s h o u l di m p l e m e n tt h er a t i o n a la n dd e s i g n e ds e p a r a t i o n , w h a tf o ri s t op r e v e n ta c c i d e n t st o e x p a n du pt ow i d e s p r e a db l a c k o u ta n de n s u r et h es t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e m t h em i n et a s ko ft h i s p a p e ri s s u c ha s ：t h ec h a n g es t a t eo fe a c he l e c t r i c a ld a t af o r a s y n c h r o n o u so p e r a t i o na r ea n a l y z e db a s e do ne q u i v a l e n tt w o m a c h i o np o w e rs y s t e m ，w h i c h a r es i m u l a t e db ym a t l a b p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a tt h es a m et i m et h ec h a n g es t a t eo fe a c h e l e c t r i c a ld a t af o ra s y n c h r o n o u so p e r a t i o na r ea n a l y z e db a s e do ne q u i v a l e n tt h r e e m a c h i o n p o w e rs y s t e m ；c e n t e ro fo u t o f - s t e p ，o s c i l l a t i o nc e n t e ra n dt h e i rd r i f ta r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d f o ra s y n c h r o n o u so p e r a t i o nt i e - l i n eb a s e do nt h et h e o r i e sf o u n d a t i o no ft h es e c o n dc h a p t e r , a n d o u t o f - s t e pc r i t e r i o ni sa f f o r d ；t h en e wo u t - o f - s t e ps e p a r a t i o nc r i t e r i o ni sp r o p o s e d ，w h i c hi st h e w e i g h t e dm a x i m u mo fo s c i l l a t i o nc u r r e n ta si n i t i a lc r i t e r i o na n dt h ev o l t a g ep h a s ed i f f e r e n c eo f a n g l eb a s e do i lp m ua sm a i nc r i t e r i o n ，i m p r o v i n gt h es e c u r i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h e o u t 。o f - s t e ps e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，a n dt h ef e a s i b i l i t yi sp r o v e db ye m l u a t i n gt h et e s t i n gs y s t e m 1 西安理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：o s c i l l a t i o nc e n t e r , s p l i tc r i t e r i o n ，g e n e r a t o rr o t o ra n g l e ，p m u i i 独创一性声i 明 ：秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，f 论文中不包含其他人的研究成果。j ，与我_ 同工作的同志对本文所研究的王 (。 作和成果的任何贡献均已：在论文中作了明确的说明并已致谢_ 1 本论文及其相关资料若有不实之处- 由本人承担_ 切相关责任 论文作者签名? 盔逦望遣 6 3 年毒月，尹自 学位论文使用授权声明 本刈翟燮堡：茬导师的指导下刨作完成毕业论文本人已通过论文的答辩! 并已经在西安理工大学申请博圭硕士学位专一本人作为学位论文著作权拥有者j 同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，。即：一1 ) b 获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子舨学位论文，i 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文矿、呵以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) j 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、， 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权嚣安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后并适用本授权说明) 论文作考签名，塞圣塑熊导师签名：一丝型勃旃f 月徊日 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及其意义 随着电力系统的发展，西电东送、南北互调、大区联网的实现，电网的结构更加复杂 化，我国正在逐步形成全国互联的大型电力系统n 1 。互联可以带来相应的联网效益，例如 可以合理的开发与利用能源、节省投资、降低运行费用、减少系统的备用容量、增加供电 的安全性和可靠性等等；但是，也使得电网事故恶化的风险急剧增大，即局部电网某些个 别问题，特别是发生断路故障等情况时，其影响范围将会波及邻近的广大区域，可能会诱 发恶性的连锁反应，最终会造成系统的大面积停电的重大系统事故 2 - 3 3 。同时，随着我国 电力工业管理体制从垂直一体化管理向市场化管理转型，电力系统将逐步实行厂网分家、 竞价上网，建立合理的电力市场发展方向，这使得电力系统的运行条件和潮流分布更加灵 活，区域间的交换功率大大增加，这必然使电力系统的稳定问题面临新的挑战m 1 。 电力系统正常运行时，各电气量均在规定的范围内，电网可能处于暂态稳定运行。如 果系统受到大的扰动后不能够再次建立新的稳定运行状态，则各发电机群转子间发生相应 运动，相对角度不断变化，进而系统的电流、电压、功率都不断振荡，以至整个系统不能 继续同步运行，则系统在这种运行方式下不能保证暂态稳定，即系统发生异步运行t 5 l 。失 步解列装置就是在系统发生异步运行时，在适当的时间、适合的位置，解列系统为几个小 的子系统，保证在更容易恢复原有运行方式、失去负荷最小的情况下使各个子系统安全稳 定的运行，防止系统大面积停电事故。 近年来，世界各国大面积停电事故频频发生，造成了巨大的经济损失，同时造成严重 的社会混乱。特别是2 0 0 3 年，国际范围内连续发生若干起大停电事故，引起了国际社会 的广泛关注，也引起了我国政府部门、电力行业有关单位和企业的高度关注1 。如下是 近几十年国际国内发生的几起大的停电事故： 1 国际大停电事故： 1 9 9 3 年1 1 月0 5 日，希腊首都雅典及周边地区几个小时全面停电，4 0 0 万人生活受 到影响： 1 9 9 6 年0 7 月0 2 日、0 8 月1 0 日，美国西部电力系统连续两次发生大面积停电事故， 7 月0 2 日停电事故中部分地区停电长达3 小时；8 月1 0 日事故发生在下午3 时4 8 分到次 日全部用户才恢复供电； 1 9 9 8 年0 1 月，菲律宾吕宋岛大停电，3 5 0 0 多万人受影响，同年加拿大由于雨水使 线路断线，东部3 0 0 万人超过一星期失去电力供应，美国东部也因气候反常，线路结冰折 断，导致大面积断电，事故给缅因州中部1 9 万人、纽约州北部1 0 万人，及新罕布什尔州 2 万人生活带来影响； 1 9 9 8 年1 2 月0 8 日，建筑工人作业失误导致旧金山半岛大约1 2 5 平方公里地区断电 西安理工大学硕士学位论文 7 小时，影响9 4 万人； 1 9 9 9 年0 7 月0 6 日，美国纽约市持续3 天创纪录高温导致线路故障，停电1 9 小时； 2 0 0 3 年0 8 月1 4 日，“美加大停电事故 是由于局部的小范围的故障引起的，由于 没有及时采取相应的措施而引起的系统崩溃的恶性事故，造成美国6 个州和加拿大2 省大 面积的停电，酿成了有史以来最大规模的停电灾难。1 0 0 多个发电厂，包括2 2 个核电厂， 几十条高压输电线雪崩似得停运，系统失去了6 1 8 g w 负荷，扰乱5 0 0 0 万人的生活，停 电长达2 9 小时，经济损失高达3 0 0 亿美元； 2 0 0 3 年0 8 月2 8 日，伦敦电网也是由于相继故障而持续停电3 4 分，6 0 的地铁停 运，5 0 万人被困； 2 0 0 3 年0 9 月2 8 日，意大利电网发生故障，不到半小时就使全国范围停电，停电时 间持续2 0 多个小时，造成民航、铁路等的中断，并给居民的生活造成了严重的影响； 2 0 0 3 年0 9 月2 3 日，瑞典南部和丹麦东部( 负荷中心) 地区发生大停电事故，5 0 0 万 人受到影响，损失负荷1 8 0 0 m w ； 2 0 0 3 年1 2 月2 0 日，加利福尼亚旧金山市发生大面积停电，使包括市中心在内的1 2 万用户停电； 2 0 0 3 年0 8 月2 8 日，伦敦中心及其东南部地区突然停电，使多达约5 0 万人受到此 次停电事故的影响； 2 0 0 3 年0 9 月0 1 日，马来西亚5 个州发生大面积停电，时间持续数小时，对停电范 围的用户造成了很大影响； 2 0 0 3 年0 9 月2 3 日，瑞典丹麦发生大面积停电，造成数百万人无电可用长达3 小 时； 2 0 0 5 年0 8 月2 4 日，“莫斯科大停电”，先后涉及2 5 个城市，停电时间持续2 9 小时， 导致整个莫斯科市陷入瘫痪。 2 国内大停电事故： 1 9 7 2 年武汉发生大停电是较大的一次灾变，当时国家经济命脉之一的武汉钢铁厂险 些全部报废； 1 9 9 0 年0 9 月2 0 日，我国广东发生大停电事故，导致广东北部电网崩溃，广州、佛 山、清远、肇庆、韶关五个城市部分或全部停电，3 小时后系统才基本恢复正常； 2 0 0 0 年1 1 月0 8 日，蒙西电网与华北电网解列大事故，蒙西电网与华北电网解列是 由于万全变侧保护人员工作时，误将5 0 0 k v 丰万线万全变侧开关捅跳所致，事故带来的 设备损害和经济损失较大； 2 0 0 2 年0 4 月1 6 日，兴安电网遭遇暴风雪袭击而致电网瓦解，与东北电网解列； 2 0 0 5 年0 8 月2 2 日，石河子周边地区局部气候异常，随后引发事故，造成石河子 1 1 0 k v ，3 5k v 电网不同程度解列，电网负荷从3 2 2 m w 降至2 7 0 m w ； 2 0 0 6 年0 1 月3 0 日，西北电网3 0 0 k v 南( 郊) 柞( 水) i 线因杆塔浮冰，线路故障跳闸， 2 第一章绪论 最终导致安康地区电网与主网解列。 纵观国内外电力系统重大事故的产生，几乎都是由系统失去稳定而扩大，因无预定对 策，进而发展为灾难性后果的们。总结如上大停电事故可知，保证电力系统安全稳定运 行、防止大面积停电事故是现代电力系统所面临的一项迫切而重大的任务。研究保护装置 的误动和拒动( 尤其在系统失步振荡时) ，失步解列、低频减载、低压减载、高频切机等紧 急控制装置配置不完善；要有明确的解列点来隔离故障区，系统保护装置的决策表匹配误 差太大或失配：系统解列后的功率不平衡导致大量机组退出运行，进一步发展成全停电； 研究低压和低频减载装置的整定方法和紧急控制装置间的协调和配合1 1 1 ) 。 长期的运行实践经验证实，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。因此，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，快速地使系统恢复正常。将振荡联络线两侧系统解列，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。然而，不合理的解列控制，只能给系统带来更大的混乱，使系统四分五裂，最终避 免不了全系统停电，这在国内外大停电事故中不止一次出现过的情况。因此，针对现有电 力系统向大区互联巨型电网发展的新阶段，研究一种适用于大区互联电网间快速、可靠的 失步解列判据，具有非常重要的意义。 1 2 国内外失步解列判据的研究现状 电力系统即使采取了各种提高系统稳定性的措施，仍不可能绝对保证系统稳定而不被 破坏，由于系统稳定性破坏后的异步状态可能引起严重后果，因此当系统稳定性被破坏时 必须采取相应措施消除电力系统在异步状态下运行。通常将消除系统异步运行的控制策略 作为稳定控制的后备，是减轻失步造成的后果和防止系统大面积停电的重要措施。国内外 大停电事故的教训告诉我们，互联系统失稳后，应按功率尽可能平衡的原则有序解列，这 样既可以避免大面积停电，又有利于系统的快速恢复。在电力系统中适当地点将系统分解 成两个或几个子系统，使由频率不等而发生振荡的两部分系统失去联系，因而也就消除了 振荡，避免事故在全系统的进一步扩大。 现在国内外工程实际应用中，一般采用装设在预设解列点的失步解列装置完成对电力 系统失步的监测和解列，使失步现象终止，防止事故的扩大。 1 2 1 间接反映功角的失步解列判据 1 2 1 1 阻抗型失步解列判据“2 。h 1 目前国内外大多数解列装置都是基于阻抗原理的，其应用最为广泛。常见的阻抗型失 步解列判据有透镜型、同心圆型、圆遮挡型及双遮挡型等，它们的核心都是构造内、外两 3 西安理工大学硕士学位论文 个及两个以上阻抗元件，用于区分短路故障、同步故障和失步故障。 这类解列装置的优点在于结构简单、易于实现，能反应各种原因的振荡，但其局限性 有以下几点： ( 1 ) 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，能够有效判断出 系统失步，但是难以直接捕捉出失步中心的位置，其原理决定了它只有装在系统失步中心 所在的线路上，其动态特性才比较理想，而实际系统发生失步振荡的情况干差万别，失步 中心并不固定，装置对系统运行方式变化的适应性较差： ( 2 ) 装置整定值的确定比较困难，且方向性不好确定，特别是在环网中很难将系统等 值为两机系统： ( 3 ) 容易受系统运行方式和网络结构的变化影响，没有预测功能，不利于提前采取措 施。 1 2 i 2 电流型失步解列判据n 盯 系统振荡时实测电流有效值为k ，振荡前负荷电流有效值为厶，由振荡引起的电流 变化量为，即有址= k 一厶，的变化幅度( 即的峰值与谷值之差) 虬和频率鲈反 映了振荡的剧烈程度和速度，解列的动作判据可表示为： f 鸲 叱 ( 1 1 ) 1 6 f 厶 。 式中，虬为振荡幅值整定值；厶为振荡频率整定值。 此类失步解列判据能直接反映系统振荡或摆动的三相电流变化量的幅度和频率来检 测系统振荡或摆动的动作判据，能克制电压判据、阻抗判据及频率判据存在的不足，可以 灵敏的判别出各种振荡和摆动，由于仅检测联络线中的三相电流，使其动作特性独立于振 荡中心的位置；但随着运行方式的变化需要改变定值，否则难以躲过同步振荡；振荡周期 很短时，不易获得选择性，不能反映电流的方向，也不能反映电压与电流的相位关系，对 振荡和摆动的判断受到限制。 此类失步解列判据适合于判断两系统联络线之间发生的振荡，在现场中有一定的应 用。反映瞬时振荡电流波形的判据灵敏度较高，能在最短的时间内分辨出振荡、故障和振 荡中故障。该判据由于应用条件较为严格，所以不适合单独使用，可以作为辅助判据来使 用。 1 2 1 3 电压型失步解列判据m 删 当系统发生失步运行时，振荡中心处的电压为： = 毛c o s 丢c o s ( p ( 1 2 ) 其中，k 为装置安装处内侧等值系统的内电势，为解列装置安装处的测量电压， 缈为测量阻抗角。由上式可知，振荡中心的电压u ，与功角万有单值对应的关系，因此利 4 第一章绪论 用u ，的变化来进行失步判断：将其变化范围划定为若干区域，当u ，依次按顺序经过设定 区域时，判定系统发生了失步。 u c o s 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，通过接入联络线的电压、电流计算出u c o s q ，然后通过系统失步振荡过程中u c o s o 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具有能够准确判断出系统失步 的作用，因此可以捕捉失步中心出现的时刻，但难以捕捉到失步中心的位置。 1 2 1 4 相角9 失步解列判据n 螂 该类判据利用测量电压u 和测量电流，之间的夹角0 与功角万的关系来检测振荡。9 与功角艿的关系可以表示为： 1 乙 锄磋两2 z z ( 1 3 ) 其中，z 二为测量点到振荡中心的阻抗，z 为系统总阻抗的等值阻抗。 去磊+ 乙 令：历= 车二一 去磊一z 硼 整理得： 9 ：觥t a l l 竺墅童 1 + m c o s 万 j a |l i hh v x i 坠入 7 ( 1 4 ) 图卜1 口角分区示意图 f i g1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fo p e r a t i o na n g l e 曰 表示护角的四个象限分为六个区域，如图卜1 所示。 利用夹角秒检测系统振荡的原理如下：当振荡中心在正方向，正常运行在，区( 送端) 时，若有秒的变化轨迹为，一口一肌一，认为经历了一个振荡周期；正常运行在区( 受 端) 时，若有目的变化轨迹为一脚一i i - i ，也认为经历了一个振荡周期。当振荡中心在 5 西安理工大学硕士学位论文 反方向，正常运行在，区( 送端) 时，若有矽的变化轨迹为j v ivi v ，认为经历了一个 振荡周期；正常运行在，y 区( 受端) 时，若有目的变化轨迹为i v v v i i ，也认为经历了 一个振荡周期。当振荡中心在装置安装处附近，测量电压u 必须很低；正常运行在，区时， 9 的变化轨迹为，一一，作为一个振荡周期；正常运行在，y 区时，0 的变化轨迹为 i v v 一，y ，作为一个振荡周期。 反映u 、，夹角口的判据较好的反映了振荡的规律，动作可靠，但对于大规模的复杂 网络，当系统发生振荡时可能会改变潮流的方向，从而造成装置误动或拒动。南瑞公司生 产的 y 系列装置就是基于该类原理的，在国内有较广泛的应用。 1 2 2 反映能量原理的失步解列判据 1 2 2 1 有功功率型失步解列判据2 利用振荡时有功功率是否过零点( 即潮流方向是否改变) 可清晰的区分同步振荡和异 步振荡。同步振荡指的是当发电机输入输出功率变化或系统发生故障时，功角万将随之 变化，但由于机组转动部分的惯性，万不能立即达到新的稳态值，需要经过若干次在新的 万值附近振荡之后，才能稳定在新的万下运行，这一过程即同步振荡，亦即发电机仍保持 在同步运行状态下的振荡。异步振荡指的是发电机或系统因某种原因受到较大的扰动，其 功角万在0 - - 一3 6 0 0 之间周期性地变化，发电机与电网失去同步运行的状态，在异步振荡时， 发电机一会工作在发电机状态，一会工作在电动机状态陇1 。设系统发生同步振荡或异步 振荡时实测功率为最，振荡之前负荷有功功率为，引起的变化量为廿，则有 a p = 只一只，a p 的变化幅度( 即p 的峰值与谷值之差) 反映了振荡或摆动的剧烈程度， 动作判据为： a p m 叱( 15 ) i 鲈 吮 u 。7 其中，峨为有功功率变化量的整定值；吮为振荡频率整定值。 基于有功功率变化量的判据原理简单，可较好的地解决安装点距振荡中心较远时灵敏 度不高的问题，适合安装在小电源与大系统的联络线上；可以区分摆动与振荡，且动作特 性不受运行方式和负荷的影响，但对于送电侧和初始相角瓯较小时的灵敏度不够。 1 2 2 2 无功功率型失步解列判据“蝴1 利用周期无功积分寻找失步解列断面的方法，虽然该方法需要经历一次振荡周期方能 够确定失步中心( 断面) 位置，但是该方法较全面地反映了失步断面联络线的电气量共性， 故该方法较能适应大区互联系统失步解列的要求，这种失步解列判据不能得到复杂互联系 统间联络线另一侧上电气量的变化特征，且难以做到准确判断失步中心是否真正落在哪条 联络线上。系统失步后，周期积分无功总是倾向于流入失步中心所在的断面之中。 6 第一章绪论 1 2 2 3 等面积定则型失步解列判据2 卜剐 基于等面积定则的判据根据系统受扰动前后状态量的变化情况，分别计算出系统功率 的加速面积和减速面，通过对两者的大小比较来进行系统是否会发生失稳的判断。这种判 据有预测作用且预测速度快，理论上在故障的极限切除时刻就可以做出预测，这种方法多 用于发电机失步保护之中，但该方法不能处理静态失稳问题。当计及调速器、重合闸等作 用时，用等面积处理十分复杂。该方法需要得到发电机或等值发电机的功角，由于在系统 受扰后机组的暂态参数难以得到，因此功角很难准确计算得到，这是该方法推广应用的“瓶 颈”所在。 1 2 2 4 李雅普诺夫直接法失步解列判据汹1 基于李雅普诺夫直接法的失步解列判据从能量角度出发，通过构造李雅普诺夫函数 v ( x ) ，利用实测数据对v ( x ) 进行计算，并将计算结果与李雅普诺夫稳定判据的条件相比 较，来判断系统是否稳定。它运用于单机一无穷大系统，主要完成在系统遭受故障回路切 除时的稳定预测。 1 2 3 直接测量功角的失步解列判据n 利用g p s 时间信号进行同步相位测量的方法，在线路两端的每个变电站均安装一个 通过对同步采样信号进行计算来获得其幅值和相位信息的同步相量测量装置( p m t r ) ，并接 收对侧同步相位测量值，计算两系统相量的相位差，若计算值超过了整定值，则发出跳闸 允许命令。 1 3 本文的主要工作 目前电力系统在发生失步运行时，为防止系统运行状况进一步恶化，进而大面积停电， 需要系统保护第三道防线起作用，即失步解列控制解列系统为几个子系统。失步解列控制 主要依靠解列装置来完成的，失步解列装置的核心技术就是完善的失步判据、不同安装点 间失步解列装置动作的配合方法以及防止各种情况下误动的闭锁措施。对于现今系统互联 已成为大区互联或全国互联来说，基于本地量的传统失步解列装置不能从全网的角度对失 步运行进行分析，难以满足快速、准确、可靠的要求。同步相量测量装置p m u 的应用普 遍化、技术的相对成熟化以及价格的下浮，为电力系统能够广泛应用创造了条件1 3 2 | 0p m u 装置可以将全网同一时刻失步解列断面上的各个电气量进行准确的捕捉，利用单个电气量 或多个电气量的组合的变化情况对大区电网的失步情况进行分析判断，能够好的解决上述 的问题。 本文所做的工作有： ( 1 ) 在等值两机系统下，基于等频差对异步运行时系统各个电气量的变化规律进行了 深入的分析，给出联络线各个参数对电气量的影响，用m a t l a b 做了相应的仿真，并给 7 西安理工大学硕士学位论文 出等值三机系统条件下异步运行时各个电气量的变化规律； ( 2 ) 在第二章的理论基础上，用两种不同的方法分析了异步运行下联络线上振荡中心 与失步中心及其漂移，并用m a t l a b 给出仿真，得出失步中心是否落在机组内外部的失 步判据； ( 3 ) 基于同步相量测量装置p m u 解列装置的控制方式，给出失步解列装置的配置与 协调方案，提出了应用加权振荡电流最大值作为大区互联电网间发生失步振荡时的启动判 据，利用基于p m u 的电压相角差作为主判据的新的失步解列判据，提高了解列装置动作 的安全可靠性，并且对所提出的判据进行了仿真，证明了文中所提出的判据的可行性。 第二章大型互联电网失步过程分析 2 大型互联电网失步过程分析 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 都按同一角速度变化，即发电机组的机械转矩与电磁转矩之间达到平衡状态。当传输线路 的传输功率过大超出静态稳定极限，或者当系统因无功严重不足而引起电压降低，或者当 发生短路时由于故障切除太慢以及非同期重合闸，系统之间的平衡一旦被破坏，两组或多 组机群的转子之间就会有相对运动，导致发电机组的机械转矩和电磁转矩之间出现差值， 一部分机群相对于其余各机群发生异步运行，系统的频率不再是常数，两系统或多系统之 间的等值功角将不断拉大，其它的系统状态量也会出现不同于正常运行状态时的现象和特 征m 1 。对大区互联电网来说，各区内是由若干发电机及负荷组成，电气联系十分紧密， 而大区电网之间仅通过若干联络线进行联系，因此系统发生故障引起大区电网间失步时， 通常表现为同区之间内保持同步运行，而大区电网之间异步运行。因此，当大区互联电网 之间发生失步运行时，把保持同步运行的区内电网假定为一个等值机组，也就是说将大区 互联的系统看作等值两机或等值多机系统。 文献【3 4 】与【3 5 】都给出等值两机系统下异步运行时各个电气量的表达式及最大最 小值，但只给出结论，没有分析系统各个参数对各个电气量的影响；且现有研究失步解列 文章中对等值两机系统与等值三机系统模型的建立没有统一的标准，仅依据研究的需要而 建立自身的模型。本章的研究重点是：建立适合本文研究需要的等值两机系统与等值三机 系统模型，推导失步运行状态下各个电气量的表达式，依据等频差原则应用m a t l a b 仿 真软件仿真各个电气量的变化状况，并分析系统中各个参数对各个电气量的影响。 2 2 等值两机系统异步运行分析 国内外研究表明，当多机的电力系统失步成两组同调机群，总可以根据失步断面将系 统等值成单机无穷大或等值两机系统进行研究| m , a a l 。当系统失步时，其各点电压和电流的 频率已不再是一个与额定值相差不远的常数，而是随时间和空间的改变而变化；当频率不 是常数时，感抗和电容也就不是常数；此外由于电压和电流幅值的变化范围很大，系统元 件的非线性也应考虑。失步运行的初期阶段，研究的时间比较短，则失步振荡可认为为一 稳态运行过程，为简化分析，特作如下假设啊删： 在计算时段内各个系统的频率保持不变； 用一个幅值固定的、有效阻抗后的简单电动势源来表示等值发电机； 系统阻抗角和线路阻抗角相等，并将系统阻抗归算到联络线阻抗中，即联络线两端 电压就是忘，和应 联络线全线均匀，即等值阻抗z r 埘的阻抗角全线相同； 9 西安理工大学硕士学位论文 在频率实际可变化的范围内，认为z 二的值恒定不变； 两侧电源的初相角为零。 基于此假设，如图2 1 所示，建立一个等值两机系统模型，两等值发电机电动势忘，和 瓦即为联络线两端( m 点和点) 的端电压：发电机内部阻抗2 0 和2 归算到线路上，即 线路整体等值阻抗乙有三部分组成，分别为2 0 、乙与之，且等值阻抗均匀分布于线路 上；规定联络线上电流方向从m 点流向点。 2 2 1 功角的变化 图2 1 等值两机系统 f i g2 - 1e q u i v a l e n tt w o - m a c h i o np o w e rs y s t e m 在同步运行状态下，等值两机系统的电动势向量是按同步角速度变化的，任一时刻两 电势向量的夹角保持不变；当系统出现大扰动时，如果处理不当，等值机组之间的稳定性 被破坏进入异步运行状态，频率变化不再相同，即系统出现转差，功角周期性变化。设等 值两机的电动势向量分别为： 擘= 詈叩脚， ( 2 1 ) 【厶= e j w u 、7 则两电动势向量之间的夹角为： 8 ( 0 = a r g ( 等) = f ( - w u ) d t = f 础 ( 2 2 ) 在很短的时f s - j f 且- j 隔内，假定吼与为恒定值，a m 亦为一恒定值即为等频差，贝j j8 ( t ) 关于t 为线性关系，则式( 2 3 ) 可以表示为： 万( f ) = 刃t( 2 3 ) 图2 2 所示，其中图形自下而上表示转差a m 分别为2 x r a d s 、4 ，r r a d s 、6 x r a d s 、 8 x r a d s 、l o x r a d s ，即频差矽分别为1 h z 、2 h z 、3 h z 、4 h z 、5 h z 时，鲈( a w ) 与8 ( t ) 成线性关系下万( r ) 的变化规律。由图可以看出，当率差为1 h z 时，电动势向量夹角( 功角) 的周期l s ；当频率差为2 h z 时，电动势向量夹角( 功角) 的周期o 5 s ；依次得当频率差为5 h z 时，电动势向量夹角的周期0 2 s 。 得出结论：等值两机电动势向量频差( 转差) 越大，功角( 电动势向量夹角) 的周期越短， 失步过程就越短，失步断面越难以捕捉，对失步解列装置要求也就越高( 电力系统从同步 稳定运行状态进入异步非稳定运行状态时，在系统内部就包含有两个或多个频率的子系 统，各个子系统内部运行同步，通过联络线与其它子系统相联。两个子系统在所有联络线 i o 第二章大型互联电网失步过程分析 上就会形成一个面，这个面就称为失步断面) 。 ：强 1 一一 ? 一。r r 一一广一一t 广、 ： 一，j ：一 t ；+ ：二； 一 ? j ，：毒一”r 一三j 二仟一 二：喜二手一寸f 了 i 图2 - 2 功角( 电动势相角差) 变化轨迹 f i g 2 - 2t r a j e c t o r yo fg e n e r a t o rr o t o ra n g l e ( e l e c t r o m o t i v ef o r c ep h a s ea n g l ed i f f e r e n c e ) 实际电力系统运行中，由于调速器的调节作用，使得原动机试图恢复正常转速，结果 发电机的电动势频率下降；而电力系统由于有功储备的作用，以及用户负荷的变化，使其 频率有所回升，故此异步运行时频差也不是常数，而是在一定范围内变化，但在较短的时 间内，频差还是可以认为是相等的，即其变化并不影响如上图得出的结论。 2 2 2 电流在异步运行时的变化 系统异步运行时，联络线上流过振荡电流，为研究电流幅值的变化，故此采用瞬时值 表示线路电流和母线电压，等值两机系统的电势和连络线的电流表示如下： ， e n i e n s i n a r t c t e u = s i n w u t ( 2 4 ) 【f = ，s i n a r t 取等值两机系统端为参考点，、万分别为n 端电动势、m 端电动势和电 流的瞬时频率。 失步运行中，在任一瞬间，有： a e = s i n a r u t 一日s i n a r n t = z 钾j r s i n ( a r t + o , q ) ( 2 5 ) 其中z 钾= z 0 + 磊+ 乙，整理上式 = 令z 豫i s i n ( a r t + f f e q 、) = e 惦s i n ( a r u 一口n 七巧n 、) t e n s i n a r g o t z 钾，s i n ( a r t + ) = e m s i n ( a r 一a r j ) t c o s a r t + c o s ( a r m a r | c ) t s i n a r g o t 一e n s i n a r t = s i n ( n r u a r ) t 。c o s a r a t t - 【“一。c o s ( a r , 一吼) 小s i n a r n t = 2 s i n 2 ( 一) f + c o s ( z m 一吼) ，一日】2 s i 慨卜伽协孝锲瑞， - - ，一d ，u j i w ，一- j ” 西安理工太学硕士学住论不 = 0 一v + e l 一2e qe uc o s ( 巩一日v i 矗n ( 唧l - a r c t “孝芒舞票岛， j 乙，s i n t 口t = q e 。m + e 1 一2e ne mc o s ( 一日q v m n c 一一一m 瓦警摹篡；i j 岛， 即2 h i n a r t ：墨生笠二乏箬竺墅l 旦旦s i n ( r 一口)( 2 固 其中，t = 苦r 。；一m i e 瓦 s i n 面( w u 而- 2 n ) t 由上式可以得出振荡电流的幅值可表示为： j：!二!尘二!：鱼：!堕生二垫!：en、|+k,2-2k,oos(wu-mn)t271 z qz q 图2 - 3 、2 4 、2 - 5 为振荡电流变化情况，设定角速度差值口为2 ，r r a d s ，即频率差 值v 为1 h z ，振荡电流在t = 0 9 ，曰= 2g ( 5 0 + d 的条件下变化情况- 对频率差值 为2 h z 、3 h z 、4 h z ，振荡电流在七i = 0 9 ，。i = 2f ( 5 0 + 2 ) 、缸= 2 口( 5 0 + 3 ) 、 = 2f ( 5 0 + 4 ) 的条件下变化情况，以及t = 0 8 、t = 1 0 、屯= 1 1 、t = 1 2 的情况也 做了分析与仿真。 由如下仿真可得出结论：口。反映的是振荡电流的周期，其周期与正常情况下电流的 周期接近，且随周期的变化幅值也周期性变化，形成振荡电流包络线：t 放映的是振荡 电流与振荡电流包络线的幅值，且随丘的增大而相应增大。 5 墨 图2 - 3 稳定额率条件f 振荡电流变化( 频差为1 ) l f i 9 2 3 0 s c i l l a t i o n c u r r e n t c h a n g eu n d e r s t a b i l i z e df r e q u e n c y c o n d i t i o n ( f r e q u e n c y d i f f e r e n c e 弱t+。ujjirijiu“j一一嘴黼一hi一6； 1一j 第二章走型王联电网失事过程分析 图2 4 稳定频率条件下振荡电流变化( 频差为1 ) 2 f i 9 2 0 0 s c i l l a t i o n c u r r c n t c h a n g e u n d e rs t a b i l i z e d f r e q u e n c y c o n d i t i o n ( f r e q u e n c y d i f f e r e n c en 2 1 5 r 一一一- j + 寸j i j ：一i l 25 卜卉菌 r 1 ：r 1 占；r 图2 - 5 稳定频率条件下振荡电流变化( 额差为1 ) 3 f i 9 2 - 5 0 s c i l l a t i o n c u r r e n t c h a n g eu n d e rs t a b i l i z e d f r e q u e n c y c o n d i t i o n ( f r e q u e n c y d i f f e r e n c e1 ) 3 图2 * 稳定频宰条件下振荡电流幅值变化( 频差为i 】i “8 2 o s c “”“。絮f r 叫e q 岫u e 4 n 篙“d 8 i “f i g c e i - e 帅n o 出e i ；“1 “。e d 7 ”9 u e ”c y 。n m 6 0 n (c y) 弱r一 r一o一，i 习 西安理工走擘砸士学位论文 图2 7 稳定频率条件下振荡电流幅值变化【颡差为i 犯 f i 9 2 7 0 s c i l l a t i o n c u r r e n t a m p l i t u d e c h a n g eu n d e r s t a b i l i z g d f r e q u e n c y c o n d i t i o n ( f r e q u e n c y d i f f e m n c e l ) 2 i ： 藤 一 l 口 ，二 一_蠢 g， 一 。t 。j1 f 1 f 1 图2 - 8 稳定频率条件下振荡电流幅值变化( 频差为l 挣 f i g2 - 8 0 s c i l l a t i o n c u r r e n t a m p l i t u d e c h a n g e u n d e r s t a b