（电力系统及其自动化专业论文）电力系统稳定控制第三道防线的研究.pdf

浙江大学硕r 上学位论文 a b s t r a c t t h e e m e r g e n c y c o n t r o lf o rp r e v e n t i n gw i d e s p r e a db l a c k o u t ，i e ，t h et h i r dl i n eo f d e f e n c e ( i e ，b r e a k i n go f f o 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 df r e q u e n c yc o l l a p s e ) ， u n d e re x t r e m e l ys e v e r ed i s t u r b a n c eo f p o w e r s y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e d 0 1 3 - t h es u m m a r i z a t i o no f p r e v i o u sw o r k a n a l y s i so nt h eo u t - o f - s t e po p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m sa n ds t u d yo nt h el o a df r e q u e n c yr e g u l a t i o nf a c t o rh a v em a d e i n c h a p t e r3 ，am e t h o dt h a ti td o p e so u tt h ei n t e g r a lv a l u eo f r e a c f i v ep o w e ri no n ep e r i o d o f o u t - o f - s t e pc e n t e ra n dc o m p a r e sw i t ht h ev a l u eo f t h et w oe n d si sp r o p o s e df o r c a p t u r i n gt h ei n t e r f a c eo f o u t o f - s t e pb yc o o p e r a t i o n i nc h a p t e r4 ，i t st e s t i f i e dt h a t uc o sph a st h ea b i l i t yt or e f l e c tt h el o w e s tv o l t a g em a g n i t u d ei nt h ei n t e r f a c et i el i n e s o f o u t - o f - s t e pi nt h ep o w e rs y s t e m a na d v a n t a g e o u ss y s t e ms e p a r a t i o na c t i v a t i o n c r i t e r i o na n dan e w o u t o f - s t e ps p l i t t i n gd e v i c eb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e c n r v e o fu c o s pa r e p r o p o s e d ，a l s oa d i s c u s s i o na b o u t t h e m e t h o d o f d i s t i n g u i s h i n g t h ef a u l ta n dt h ep o w e rs w i n g sb a s e do nu e o s 伊i sm a d e i nc h a p t e r5 ，an e wm e t h o d o f o p t i m i z i n gt h eu n d e r f r e q u n c yl o a ds h e d d i n g ( u f l s ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h em a i n i d e ai st h a to nt h eb a s i so f t h eo n l i n em e a s u r e m e n to f t h el o a df r e q u e n c yr e g u l a t i o n f a c t o r , t h el o a dw i t hs m a l l e rf r e q u e n c yr e g u l a t i o nf a c t o ri sc u to f f e a r l i e rt h a nt h o s e w i t hl a g e rf r e q u e n c yr e g u l a t i o nf a c t o ri nt h eb a s i cl o a ds h e d d i n gb u to t h e r w i s ei nt h e r e s t o r i n gl o a ds h e d d i n g t h e r e f o r et h ep o w e rb a l a n c ew i l lb ea c h i e v e dm o r eq u i c k l y i nt h et r a n s i e n tp r o c e s s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；s y s t e ms e p a r a t i o n ；r e a c t i v ep o w e r ；u n d e r f r e q u e n c y l o a ds h e d d i n g ( u f l s ) ；l o a db e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ； 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 3 视在阻抗角失步解列判据 视在阻抗角也琴霾 垂氅幽亘旦罾嚣孥任哉聚壹箪善辑妊器箭醵弱v 舀 芳爵科雄鸨留硐潲；。；缮堪i 97 尹静稚劈貅韶g 菅可能由短? 踟妯酾艇群琵甜若 荆辫彭藉；囊崭剥薹名目笔艄甄雕j 葺防峨嘲曼鸶骥矽奠爨。班戴强戮强鬃銎 墨錾荩看也较太考陡首蘸兰系统；印简单辖蠢蟊并羹韶型魁滢竺而磁喜粤务瓢 琳 鞘翼s 于各个元件的阻抗和，为简化计算作如下假设： 1 ) 在计算时段各个系统的频率保持不变： 2 ) 两等值机电势保持不变，发电机使用e 恒定模型； 3 ) 忽略网络电阻，并且电抗不随频率变化； 4 ) 不考虑中间负荷的影响； 5 ) 两侧电源电势的初相角为零； g 1 g 2g 3 图2 2 等值三机系统 f i g 2 2e q l l i v a l e mt h r e e - m a c h i o np o w e rs ”t e m 2 3 1 电流在多频异步运行时的变化 为研究电压电流幅值的包络线的变化，通常采用瞬时值表示线路电流和母线 电压，三个等值机的电势和联络线的电流可表示为： q = 巨s i nw l fp 2 = 岛s i n 7巳= 马s i n 嵋f 其中，三等值机的瞬时角频率分别为： = 2 石石= 2 万五 w 3 = 2 万正 由基尔霍夫定律可建方程式： p l 一乞= 2 ( z l + z 1 2 + z 2 ) 一，z 2( 2 5 ) 1r x 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 5 利用同步相量测量技术判断失步 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 ) 和一套同步装 置，g p s 每隔一定时间发送一个脉冲给同步装置，同步装置产生一个频率为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相对于该参考相量的 相角差，从而求出线路两端的相角差，根据相角差的变化情况即可判断系统是否 发生失步振荡。应用这一原理可以准确地判断出系统失步振荡情况，动作范围明 确，很易实现多个解列装置的配合。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。“。 1 2 2 低频减载方案的综述 多种多样功率短缺事故是现代联合动力系统的特点“。在有功功率出现严重 不平衡使系统频率下降时，可能出现的频率崩溃过程延续时间约为几十秒，甚至 只有几秒钟。在这样短的时间内，要运行人员做出明确的决策是很困难的“。自 动低频减载装置( u f l s ) 在系统发生严重功率缺额时，迅速断开一定的负荷，使系 统达到频率高于某一允许值的功率平衡，防止系统频率崩溃。低频减载在1 9 世 纪4 0 年代被前苏联首次提出并应用，在世界范围内取得了显著的效果，至今仍 是频率紧急控制的主要手段。低频减载装置一般包括快速动作用于制止频率下降 的基本级和在频率长时间下降或“停滞”时用于恢复频率到一定值的特殊级( 或 恢复级) ；另有一种是基本级的整定就是应当使频率恢复至接近正常水平，特殊 轮的作用是作为基本级的后备级，保证系统频率可靠恢复至接近正常水平。基于 近5 0 年以来切负荷的研究，可将低频减载方案大致分为三类：传统法、半适应 法、适应法、以及计算辅助算法“5 。叫。 1 2 2 1 传统法 传统法设定简单，不需要复杂的继电器，因而应用最为广泛。当系统频率低 于整定值时，传统法设定的继电器切除一部分负荷。如果频率继续下降，说明切 负荷量不足，当频率又低于第二步整定值时，继电器再次动作，并重复如上步骤， 直到频率恢复。传统法中继电器的整定是离线的，基于操作人员的运行经验和系 9 浙江大学硕士学位论文 统仿真。 传统法的整定没有固定的公式，针对同一个系统可以有不同的整定方法，其 动作效果，需要通过仿真和实验测试来比较。 后备段通常是由运行人员手动拉闸，各电业局有本地区一次拉闸顺序表，其 动作时间与切负荷量通常因地区而异，不能一概而论。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现事故的点，再提出时延和切负荷 的方案。实践证明大多数情况下，传统法整定的切负荷装置工作正常，运行良好。 但是这种离线整定的方法往往是根据系统最严重故障下的频率绝对值情况来整 定，虽然可以有效的阻止频率下降，但没有考虑到运行时具体情况，以及事故等 级的不同，往往会过量切除负荷，或者无选择的切负荷，引起不必要的经济损失。 另外根据传统法整定减负荷装置切负荷必须等到频率降低到整定值以下才 动作，可能会错过最佳切除时间，也会导致对继电器正确动作的依赖，在伴随低 电压等其他故障时，继电器可能由于电压或电流低于正常工作值，而被闭锁，无 法动作“。 1 2 2 2 半适应法 半适应法的原理是当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率 。根据频率变化率的值决定具体的切负荷量2 “”：。也就是说，半适应法测 ， 量频率通过某一频率点的速度，这一速度越高，切除的负荷就越多。 通常，频率变化率( r o c o f ) 的测量点选择频率下降、继电器动作的第一点， 其后继电器动作的整定与传统法相同。 通过频率变化率可以得知系统功率缺额，从而决定减载量，所以频率变化率 的测量尤为重要。由于系统紧急情况时频率的波动使得传统继电器很难快速、准 确的测量r 0 c o f 。近年来，出现了基于微处理器的智能继电器，采用智能软件控 制硬件在过频、低频的情况下有选择的切负荷。实践证明比传统继电器有更好的 特性。 半适应法在切负荷的第一步监测了r 0 c o f ，虽然切负荷量比传统法有改善， 但优势不明显。在严重故障时，动作曲线与传统法基本相同，没有明显改善。原 因在于，严重故障功率缺额较大，通常需要动作一步以上，半适应法只是在第一 浙江大学硕士学位论文 可以离线使用，作为训练工具来训练操作员在紧急情况下如何做出正确反应。 应用在电力系统低频减载方面的专家系统主要是通过对数据采集系统的采 集信息分析，采用一定算法，如遗传算法、神经网络、模糊理论等，在故障情况 下，决定最优减负荷方案，主要是针对切负荷点和切负荷量的确定“。 1 2 3 存在的问题和研究方向 原有的解列存在的问题：解列后孤立系统为保持频率和电压的稳定性更多的 牺牲负荷或电源，甚至造成孤立系统内部电源的再次失步；难于解开未预计的失 步模式，致使失步蔓延，局部失稳发展成互联系统失稳。 为了保证解列后的局部系统内尽可能功率平衡并使解列后的局部系统内部 不再失步，应该实时捕捉失步模式和最小潮流的失步断面、探索新的失步预测算 法，做好解列预案；选择潮流较小、断路器个数较少的断面处执行解列。 ( 1 ) 快速识别失步机组模式的理论：研究电力系统运动方程的流型变换理论， 根据平衡点处变换矩阵和特征向量的性质，直接计算机组摇摆轨迹，快速获得系 统的失步模式。 ( 2 ) 失步中心的自动捕捉与解列面的自适应确定：研究系统的失步模式与失 步断面中实测电气量间的关系，及由实测量确定失步及失步断面； ( 3 ) 最小割集、最小流的研究：选择潮流较小、解列后功率尽可能平衡的断 面跳开断路器，减小停电负荷、缩短恢复时间“。 尽管到目前为止，多机振荡原理尚未有充分的研究，但随着电力系统的发展， 电网互联已成为趋势，规模将越来越大，结构将越来越复杂。在这种情况下，开 展对大规模复杂电力系统的多机振荡模型的研究必然是大势所趋。从理论上可以 寻求和确定在多频率异步运行方式下保证再同步的条件。为了求得此条件，可以 使全部平均互转差趋于零值。但是目前这种条件的实际运用是不可能的，因为测 量平均互转差是一项十分复杂的任务，因此，在发生多频率异步运行方式时，通 常要解列联合电力系统，解列时使联合电力系统电气上相连的保留部分不具有两 个以上的不同频率。电力系统发生多频振荡，可基于机组同调分群和区域功率平 衡解列系统，实现电力系统的多电气孤岛稳定同步运行，然后再逐步实现整个系 统的同步运行，如此可避免全网崩溃后再实施“黑启动”，可相对较快且低代价 浙江大学硕士学位论文 态失稳时，有功功率启动判据不能判别出的缺陷。 4 ) 在分析多机系统中的电压、电流等电气量在多频异步状态下的变化情况 的基础上，提出了利用u c o s 妒轨迹缓慢过零时的变化性质判别大区联络线上的多 频失步的情况，并进行了仿真验证。讨论了在电力系统中，u c o s 妒常用作继保装 置振荡闭锁的判据，其轨迹特征是基于等值电势幅值相等的等值两机系统推导而 来，而实际系统的等值电势幅值是不等的。因此，当利用“c o s 来区别振荡和故 障时，应用电压等电气量来辅助判别，以防止由于两侧等值电势幅值不等丽带来 的误判。 5 ) 本文通过对负荷频率调节效应、基本级和恢复级协调减载策略的研究， 提出了在低频减载基本级动作阶段，采取“刚性强优先减载”的策略，而在低频 减载恢复级动作阶段，采取“刚性弱优先减载”的策略。该方案能减少系统有功 缺额，使系统频率能更快地恢复，从而提高了系统的安全稳定性。同时可增强低 频减载装置的适应性，并实现对减载量的准确控制。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电力系统异步运行分析 电力系统同步运行的特点是所有发电机的电动势都有相同的频率，他们的向 量都是按同一角速度旋转。在并列运行稳定破坏时，一个系统相对于其他系统产 生异步运行。在异步运行过程中，系统的频率不再是常数，两个系统的功角差不 断变化，运行参量也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。 2 2 两机等值系统异步分析 电力系统失步时，一般可将所有机组分为两个机群，用两机等值系统分析其 特性。考虑图2 1 所示的简单两机系统，两等值机之问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 ) 在计算时段各个系统的频率保持不变： 2 ) 两等值机电势保持不变，发电机使用e 恒定模型； 3 ) 忽略网络电阻，并且电抗不随频率变化； 4 ) 不考虑中间负荷的影响； 5 ) 两侧电源电势的初相角为零； 图2 1 等值双机系统 f i g 2 1e q u i v a l e mt w o _ m a c l 】i o np o w e rs y s t e m 2 2 1 功角及转差的变化 在稳定运行方式下，两等值机的电势向量是按同步角速度旋转的，任意两电 浙江大学硕士学位论文 势向量的夹角保持不变，当出现大扰动，稳定被破坏进入多频异步运行时，任意 量分别为：巨= 即“。岛= 岛p ”两向量之间的夹角为： j ( f ) = a r g 粤) = f ( w l w 2 ) 击= f w 西( 2 1 )廿2由式 醋海i 挺萄高尚h ；犊辑鬟绿猫若檬菥熵i 繇孺饼证系巍一崩溃羞? 型氢曦i - 寥 夏蓟县莹然硐二 麦；薹? 薹望蠹篓嚣蠹蒜鐾萄曩囊篓羹 享善强延世i 撰矬孳荃夏里藉j 话驰鹃醵鞋视两狷奠静鹾旦奠璧碧越；盟竖 荜甚蟛摧譬蟛墨簖醵挝“鳟；f f ；舔始芝涌j 差a ；詈| ；女蛙l ，- i 蓦测j 型舀 霪l 虿| 耋蠡| t 臻舛 苤二z g 雾薹 攀辅邑器副誊兰管翱醚丽 爱f 简藩鸶斛手蓖蜀矧 糕 电网快速保护及预防控制； 第二道防线，稳定控制；第三道防线，就是在主系统发生稳定破坏时的电压及频 率紧急控制，有计划、合理地实施解列的自动装置或手动方案，以及解列后为防 止小系统崩溃而设置的低频减载装置，以维持整个电网的稳定运行。1 。 1 2 国内外研究现况综述 电力系统即使采取了各种提高稳定的措施，仍不可能绝对保证稳定不致破 坏，由于稳定破坏后的异步状态可能引起严重后果，因此当稳定被破坏时必须采 取措施消除电力系统的异步状态。通常将消除异步状态的控制作为稳定控制的后 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j ”。国际大停电事 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，避 免大面积停电，并有利快速恢复。失步解列作为保证系统安全运行的重要措施， 是保证整个电网不致完全崩溃的最后一道防线。在电力系统中的适当地点将系统 浙江大学硕上学位论文 s i n 卜抄；藿纛鋈 疆弼貅孵靛箱崔钠馨露篥出垒 。戮囊震霪壤纛鬻 | ，一薹； 薹辐l ! 涝刊廊涫，镯篷群赫莘歪笛黑矬蝥量搿瑙渍强麓璎暇；熟骂飘 孑i i i i 台= 鲋剐前荆剥鬻：峨掣勘涮在蓁4 桴j 掣赢下宿睛喜萋i 霉二 篓。差黑架蠢萋曩冀薹鬟纛羹 阻捎多i ；# j 现相浦墅罐猛兽姑璎港疆跫瑶渤带前； 豫。蠢琶塞i 暮一i i i 圭? ； 勃熬平 面上依阻抗角分为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 l 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。 这类解列装置的不足在于： ( 1) 该原理是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。但是，该原理虽然能够有效判出系统失步，但是其本身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千差万别，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) 装置的整定值的确定比较困难，特别是在环网中很难将系统等值为两机 系统。 4 2 1 2 u c o s p 失步解列判据 u co s p 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”1 。通过接入联络线的电压、电流计算出u c o s 9 , ，然后可通过系统 浙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章预测失步中心无功的研究 将大量电能远距离送往负荷中心是电力系统发展的重要内容。从电能自我平 衡的区域网络逐步发展为国家互联电力系统和跨国跨地区的互联电力系统将是 全世界范围的大趋势。但是，近年来，国内外电力大事故时有发生。特别是2 0 0 3 年发生在北美的“8 1 4 ”大停电事故，引起了电力系统工作者的广泛关注。在西 电东送，南北互联的条件下，我国将形成全国联网的巨型电力系统，如果出现重 大事故，其规模和造成的损失有可能大幅度增加。”：。失步解列作为保证系统安全 运行的重要措施，是保证整个电网不致完全崩溃的最后一道防线。在电力系统中 的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失步振荡的两 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：】。 随着我过电力系统的发展，大区互联的实现，电网的结构越来越复杂。电力 系统失步后已很难简单地在一点将系统解列成独立的子系统，需要多台装置的彼 此配合协调，寻找合适的解列断面进行解列。文献 i l 提出了一种基于无功功率 捕捉失步断面的方法。它基于在一个失步周期内对双端或多端瞬时无功功率的积 分，光纤互( 纵) 联比较积分值，不仅可以准确地判断出失步中心所在一组联络线 且可以预测失步中心的移动方向，以便解列装置之间的协调。文献中依据电压和 无功的强耦合关系，认为失步联络线上，单周期综合无功积分值的过零点即为失 步中心。但是，本文迸一步研究发现失步中心并不是单周期综合无功的过零点， 所以简单地通过联络线两端单周期综合无功值相异判失步的方法会出现误判，本 文提出预测失步中心处的周期综合无功值，再通过两端、多端比较判断失步联络 线，并仿真进行了说明。 3 2 失步断面联络线的电气特征 研究发现，系统发生失步多是从两机失步振荡开始，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双机系统 模型进行研究“。如图3 1 所以的等值两机系统，采用下列等值条件： 浙江大学硕士学位论文 1 ) 假定全系统阻抗角相同 2 ) 在频率实际变化的范围内，认为乏值恒定不变 图3 1 在联络线两侧分别日b 置解列装置的等值双机系统 f i g 3 1 e q u i v a l e n tt w o m a e h i o np o w e rs y s t e mw i t ht w os e p a r a t i o nd e v i c e sa tt w oe n d s 电力系统失步振荡时，等值电势幅值实际是不相等的，取电势e ：为参考电 势，e l 的幅值是的屯倍，两系统间的功角差为占，则 扇= 屯或e f ( 3 1 ) 两系统间的等值电势差为 岛= 毫一反= 丘- ( 七。e 筘一1 ) ( 3 2 ) 联络线的电流为 ，= 昙俐渺酬矿叫) ( 3 - 3 ) 对等值两机系统，设z l 表示装置安装点到m 侧等值电源中性点的阻抗，用 k = z 1 磊，表示它在网络中的位置。当占= 聆石( n 奇数) 时，联络线上电压幅值 为零的那一点定义为失步中，l , ( c e n t e ro fo u t o f - s t e p ) 。在单次振荡中，它是一个 特殊的振荡中心。对等值两机系统，当女= 屯( 1 + 屯) 时，测量点的电压幅值恰好 为零。”。 定义潮流正方向为从m 到n ，装置安装点的视在功率为： s=p+jq=8ni(3-4) 解式( 3 - 4 ) 可得： p = 罢l 【霹c 。8 一t c o s ( + 硼一t _ ( 1 2 恕c o s 占+ ) ，c 0 8 ( 3 - 5 ) q ： ； 【女；s i n 够。一k e s i n - + 6 ) 卜( + 1 一。s i n 9 ( 3 - 6 ) k e k2 kc o s 6 ) s i n g 。 q = 号t 【女；s i n 够。一s6 ) 卜( + 1 一。 浙江入学硕士学位论文 在两端等值电势实际可变化的范围内，无论测量点处于联络线的哪段位置， 在一个振荡周期中有功功率都会过零两次。因此，可利用有功过零去计算失步振 荡次数。单周期无功积分就是基于有功前两次过零期间，对瞬时无功进行积分累 加。 现在令k e l 进行分析，对于k e l 时，无功功率单周期积分值 在失步解列断面联络线上的分布轨迹图。由式( 3 8 ) 和上图可知，无功功率单周 期积分值在联络线上呈单调分布，因此也可以利用单周期无功功率积分值与失步 中心处的周期综合无功预测值的差值去确定装置的动作范围。 2 s 浙江人学硕士学位论文 3 5 1 等值四机系统模型仿真研究 b 0 1 0 l 图3 4 等值四机系统图 f i g 3 4e q u i v a l e n tf o u r - m a c h i n ep o w e rs y s t e m 等值四机模型及其联络线潮流参考方向如图3 4 所示，其中4 台等值机组考 虑励磁和调速器系统依次选用新英格兰模型中等值机组l 4 的参数。双回线参 数考虑线路损耗和分布电容的影响选用新英格兰仿真模型结点1 和结点2 之间的 联络线参数。l o 耐上。嘲初始大小分别为2 0 0 + j 5 0 m v a 、6 0 0 + j 1 5 0 m v a 、 8 0 0 + j 2 0 0 m v a 和8 0 0 + j 1 5 0 m v a ，负荷在仿真过程中按恒阻抗负荷处理。每条联络 线的两端分别有无功积分器。在o 0 2 s 时，联络线l 0 2 0 4 发生三相短路事故，经 过8 0 m s 后保护动作切除该联络线，系统出现失步振荡。 两次仿真中联络线l 0 1 0 2 1 、l 0 1 0 2 2 、l 0 2 0 4 、l 0 3 0 4 均取l o o i ( 1 1 1 试验1 ：联络线l 0 2 0 3 长度取1 0 0 k m ，g 3 、g 4 相对于g 1 、g 2 失步。 试验2 ：联络线l 0 2 0 3 长度取7 5 k m ，g l 相对于g 2 、g 3 、g 4 失步。 表3 1 四机系统单周期无功功率的积分计算结果 1 h b l e3 1c a k u 晰o n v a l u e o f r e a c v e p o w e r i n o n ep e r 沁d o f f o u r t n a c h j n e p o w e rs y s t e m 序号试验1试验2 b 0 1 至b 0 2 送端周期综合无功值( m v a r ) 7 1 2 47 4 9 8 b 0 l 至b 0 2 受端周期综合无功值( m v a r ) 3 5 7 62 9 3 6 b 0 2 至b 0 3 送端周期综合无功值( m v a r ) 3 5 3 12 9 1 ，8 b 0 2 至b 0 3 受端周期综合无功值( m v a r )1 7 6 t 81 5 7 6 浙江大学硕上学位论文 b 0 3 至b 0 4 送端周期综合无功值( m v ”) 一1 7 2 11 5 4 1 b 0 3 至b 0 4 受端周期综合无功值( m v a r ) 2 7 5 ，92 1 4 2 预测失步中心单周期综合无功值( m v ”) 2 7 3 53 2 6 3 判断结果失步中心落在b 0 2 和 失步中心落在b 0 1 和 b 0 3 之间 b 0 2 之间 检验l ：通过跟踪联络线采样点的电压幅值得到的失步中心位于b 0 2 至b 0 3 之间，距b 0 3 约6 0 l ( i ，与表3 1 结果一致： 检验2 ：通过跟踪联络线采样点的电压幅值得到的失步中心位于b 0 1 至b 0 2 之间，距b 0 2 约l o k m ，与表3 1 结果一致。 可以看出，通过联络线两端的周期综合无功积分值异号判失步的方法试验2 会得出失步联络线为l 0 2 0 3 的误判，但是通过预测失步中心处单周期综合无功 值，并结合( 3 1 2 ) ( 3 1 4 ) 式，可以可靠的判断失步中心所落在的联络线。 3 5 2 新英格兰1 0 机模型仿真研究 新英格兰十机组模型如图3 5 所示，故障前，系统各发电机出力和各节点负 荷大小分列于表3 2 和表3 3 中。 表3 2 各发电机出力 发电机名 出力( m w )发电机名 出力( m w ) g i 9 0 0 + j 7 4 9 2 g 6 6 5 0 + j 2 1 1 1 2 g 2 9 4 3 + j 9 7 1 ig 7 5 6 0 + j 3 5 0 4 4 g 3 6 5 0 + j 2 0 5 7 4 g 8 5 4 0 十j 1 5 0 6 5 g 4 6 3 2 + j 1 0 8 9 4 g 9 8 3 0 + j 2 2 6 6 g 5 5 0 8 + 1 6 6 9 9g 1 0 1 0 0 0 + i 8 7 8 8 表3 3 各节点负荷大小 t a b l e3 3t h el o a do f e a c hb u s 2 9 浙江大学硕土学位论文 f 联络线：母线名( 首)首端周期综合无功值 末端周期综合无功值预测失步中心周期综 一母线名( 末) ( m v a r )( m v a r )合无功值( m v a r ) l 0 2 0 l3 8 2 43 9 4 43 6 7 6 l 2 6 2 72 5 6 11 5 9 23 0 1 4 l 2 7 1 7一1 6 5 83 4 1 13 7 4 6 l 2 6 2 9一1 3 5 41 2 8 77 4 8 l 2 8 2 9一1 5 7 8一1 4 3 28 6 7 从表3 4 中可以看出，通过联络线两端的周期综合无功积分值并与预测失步 中心周期综合无功值比较判失步的方法，可确定失步的联络线割集为l 0 2 0 1 和 l 2 6 - 2 7 ，这与仿真结论机组g 1 、g 8 、g 9 相对于其他机组发生失步振荡的判 断一致，而通过联络线两端的周期综合无功积分值异号判失步的方法只能判定联 络线l 0 2 一0 1 失步。 3 5 2 2 检验 首先，由式( 3 8 ) 司知裹3 4 的卑条联络线各个综合无功僵近似呈线性关系， 据此可推测：联络线l 0 2 0 1 上失步中心的位置为距离首端b 0 2 约 罢鲨 三；凳：4 4 4 线长处；联络线l 2 6 2 7 上失步中心的位置为距离首端 3 8 2 4 一r 一3 9 4 4 1 b 2 6 约嚣糍= 9 3 7 线长处。 然后，在有功过零的联络线上分别在2 0 等分处取采样点，跟踪采样点电压， 结论如下： 联络线l 0 2 一0 1 上，从首端b 0 2 开始，第9 个采样点电压幅值达到最低零， 即失步中心位于联络线上，距离首端8 0 2 约云2 4 5 线长处，与推测结果4 4 4 8 0 一致。 联络线l 2 6 2 7 上，从首端b 0 6 开始，第1 8 个采样点电压幅值达到最低， 即失步中心位于联络线上，距离首端b 2 6 约焉= 9 0 线长处，与推测结果9 3 7 一致。 联络线l 2 7 1 7 、l 2 6 2 9 、l 2 8 2 9 均没有发现采样点电压幅值达到零点。 3 2 浙江大学硕士学位论文 从仿真结论和检验结果可以得出，通过预测失步中心处的周期综合无功值， 将联络线两端的周期综合无功积分值与失步中心的周期综合无功预测值的比较 判定失步中心的位置，具有良好的选择性。例如，对属于平行输电断面上的不同 联络线，可靠的区分是否为失步中心所在的联络线。例如，仿真试验中联络线 l 2 6 2 7 和联络线l 2 7 一1 7 ，由于失步中心很靠近节点b 2 7 ，但积分装置仍能判断 失步中心落在l 2 6 2 7 联络线上，这避免了切除节点b 2 7 可能带有的负载。 3 6 小结 国内目前失步解列装置之间的配合方法，对于复杂的互联电力系统，往往难 以达到快速、准确解列的要求。“。本文提出预测失步中心处的周期综合无功值， 改进了基于失步断面联络线的无功功率特征去捕捉失步系统解列断面的方法，但 本文的预测只是根据等值两机系统提出的，而对于不能看成两机系统考虑的复杂 系统，应该大力开展在线等值技术的研究与应用，以期待能够实现区域集中紧急 控制，通过光纤通信，自动寻找到失步断面并实施解列，从而可有效消除系统间 的异步振荡。 浙江大学硕士学位论文 e m = 屯c o s ( ( c o + a a o t + 口) ( 4 _ 2 ) 图4 1 为图2 。l 所示等值系统的相量图。两系统之间的功角为：万= a m t + c t 。 由4 1 ( a ) 可知当振荡中心落在联络线之间时，u c o s q ，即为振荡中心的电压，由 于测量u c o s ( p 是反映振荡中心电压u c 的标量。 在电力系统工程中通常利用u c o s 伊去计算振荡角的振荡中心的电压。当考虑 线路损耗时，可参照线路阻抗对电流向量进行角度补偿，这样计算出的u c o s t p 仍 垂直于等值电势差向量。u c o s p 仍不大于系统中任一点的电压幅值。 啭。警 图4 1 向量图 f i 9 4 i p h a s o rd i a g r a m 为便于研究，忽略线路损耗，不考虑电流向量的角度补偿。如图4 1 ( a ) 所 示，在系统失步过程中，u c o sc p 向量可代表系统中实际的某一点电压向量时，该 点实质上是此刻系统中电压最低的那一点( 振荡角的振荡中心) 。但如图4 1 ( b ) 所示，u c o s ( p 此时不能代表系统中的实际某点电压向量，没有实际的物理意义， u c o s ( p 不能表示振荡角的振荡中心电压向量。这种情况可能会出现在当万在0 。或 3 6 0 。附近的时刻，此时系统中电压最低的那一点是幅值较低的等值电势。因此， 当考虑两侧等值电势幅值不等时，实际u c o s p 的表达式为 “c o s q ，：万鲁熹( 4 - 3 ) “ 2 面毒乏茜面严 证明：图2 1 所示是一个等值双机系统模型。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；假设系统阻抗角和线路阻抗角相等，用 表示，并将系统等值阻抗归算到联络线阻抗中，即联络线两端电压就是瓦和磊； 浙江大学硕上学位论义 证毕。 图4 2 受端侧的“c o s 舻的轨迹变化图 f i g 4 2c u r v eo fu c o s q ，i nt h er e c e i v i n ge n d 系统失步运行时，送端侧系统的频率高于受端侧系统的频率。现考虑当女。 1 时，u c o s 6 p 的变化特征，对t 1 时的情况，由对称性可直接得出。图4 2 和图 4 3 所示分别是装置位于受端和送端，当妇= 1 1 ，且以相对较低幅值的等值电势 ( 毋) 为基准值时，u c o s p 在一个失步振荡周期中的变化轨迹图。 图4 3 送端侧的u c o s t p 的轨迹变化图 f i g 4 3c u r v eo f 甜c 0 5 口i nt h es e n d i n ge n d 以上介绍了u c o s l ( o 在系统失步振荡过程中的轨迹变化特征，笔者认为该特征 浙江大学硕十学位论文 可用于对一些大区电网失步解列控制的研究分析。目前“c o s 妒主要用于失步解列 和振荡闭锁，以下将基于“c o s 妒变化轨迹特征，对在此两方面的进一步应用略作 探讨。 4 3 等值三机多频异步运行时扰c o s 伊的变化特征 简单三机系统发生三频失步振荡，如图2 4 所示链状等值三机系统接线图。 图4 4 为图2 4 所示等值系统的相量图。对于三机系统链状系统，可以证明系 统在三频运行状态下，u c o s 妒仍然能够反映联络线上振荡中心电压的大小。 各个等值发电机电压相量为 e l = 巨p 朋 电压瞬时值 e i = 巨s i nw l t 图4 4 向量图 f i 9 4 4 p h a s o rd i a g r a m 巨= 易p 肌忘= b p 朋 e 2 = 最s i n w 2 t e 3 = 与s i nw 3 t 设等值电动势g 1 距离装置安装点m 之间的阻抗为z 0 u m = e 、一1 1 2 z m ，= 半( 五一丘) + i z 2 t 最一雹) 其中： = ( z l + z 1 2 + z 2 ) ( z 2 + z 2 3 + z 3 ) 一z 2 2 浙江大学硕士学位论文 图t 5 系统振荡时l 丢 c o s 矿) 1 变化轨迹图“ f i g 4 5c u r v e s 训丢( 帅s 删心ns y s t e m s o u m s t e p 图4 5 所示是k e = 1 1 ，且以较低幅值的等值电势为基准值时，iu c o s 妒i 和 i c o s 缈) 在两个振荡周期中的变化轨迹图。由图4 5 可知，当考虑两侧等值 讲 电势幅值不等时，在一个振荡周期中。当万在0 9 或3 6 0 。附近时刻l u c o s 妒l 会突降 到一个很低的值。这种现象使得此时， d ( u c o s o ) l 出现较高的数值。对照式( 4 - 8 ) 可见，此时会被误判为在一定滑差下检测出万坑，认为系统发生失步振荡。而 原应为躲过失步中心出现的时间段她现在很有可能在角度摆开较小时间就开始 延时闭锁，此时的延时长度为她+ 觚。并且这种现象易于在系统受扰时，闭锁 同调机群间电气连线上的继保装置。因此，在实际工程之中，要采取措施加以屏 蔽，以免误认为是在一定滑差下功角已经摆开了一定角度。这可通过i 导 c o s 伊) l 口l 的交化幅度和速度，或者基于电压幅值等电气量作为辅助判别措施。在角度尚未 摆开到一定度数且系统没有发生故障时，线路中的电压幅值与电压额定值相差不 大。 国内也有采用基于uc o s 妒去判别振荡角度，然后取一定延时开放保护去躲过 失步中心落在保护范围中，从而防止误动。如图4 3 和图4 4 所示，当考虑两侧 等值电势不等时，当系统受扰，角度摆开不大的时刻，或者当系统发生失步振荡 且失步振荡解列装置的动作振荡周期次数整定值为2 次或更多次的时候，在当功 角差为3 6 0 。或者0 。左右的时刻，u c o s f a 会出现较小值，装置会将此刻误认为是出 4 1 浙江人学硕十学位论文 现失步中心的时间段，而延时闭锁保护装置。这时，保护闭锁的时间就会相对较 长。笔者认为，该误判可根据u c o s 妒变化的速度或者通过本地采集的其他电气量 的变化加以区别屏蔽。譬如，可通过装置测量到的电压幅值将之屏蔽。 4 5 基于“c o s 伊的失步解列装置启动判据 由振荡角的振荡中心电压表达式( 4 3 ) 知，此时“c o s 妒表示的振荡角的振荡中 心电压与j 之间存在确定的函数关系；且无论装置安装于何处，u c o s t p 均能够反 映系统中电压幅值最低值。故u c o s 尹的变化可反映占的变化，反映系统的振荡情 况。在等值双机系统功角差占达到1 8 0 。之前，随着占的增加，i u c o s f a l 逐渐变小。 因此可利用该特征作为装置的启动判据，式( 4 1 0 ) 和式( 4 1 1 ) 是该判据的表达式， 其中“。是大于零的启动门槛整定值。如果装置所在侧系统频率大于对侧系统频 率，则本侧为送端；反之为受端。如果式( 4 一l o ) 成立，说明装置安装在送端；如 果式( 4 1 1 ) 成立，说明装置安装在受端。 懈0 8 引j 虮。鬈4 - l o ) io u c o s q ， ( b ) 眦吣训) 出 0 搜、4 - 1 1 ) 【一r u c o s ( a 0( b ) 当功率缓慢增加而出现静态失稳时，传统的有功突变量启动判据易于失效。 该判据可避免该不足。目前，应用有功功率过零启动判据也可以弥补有功突变量 启动判据的缺陷。但是，有功过零发生在两端功角差大约为1 8 0 。的时刻，而通过 i u c o s 妒l 可实现在两端功角差未达到1 8 0 。之前启动装置。 4 6 基于u c o s f a 的失步判据 由前面的分析可以看出，振荡中心电压与功角万之间存在确定的函数关系， 因此可以反映利用振荡中心电压“c o s 妒的变化反映功角的变化。作为状态量的功 角是连续变化的，且过零；在短路故障及故障切除时振荡中心电压是不连续变化 4 2 浙江大学硕士学位论文 e 迸 ￥ 氆 8 0 t s 图4 8 机组1 的功角摇摆图 f i 9 4 8r o t o ra n g l eg w i n gc u r v eo f m a c h i i l e 一1 图4 9 c o s 妒的轨迹变化图 f i g t 4 9t h ec u r v e so f “口c o s p 图4 1 0 为跟踪采样点b 的电压波动过程，比较图4