大型电力系统失步解列装置的协调.doc

大型电力系统失步解列装置的协调摘 要 电力系统稳定破坏的事故国内外时有发生，电网失步时解列失步断面或快速切除送端电厂的部分发电机组是最基本的控制措施。本文介绍了目前国内高压电网解列装置使用的三种失步判据，介绍了不同装置之间的配合方法，指出这些配合方法适用于结构比较简单的系统，而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。作者分析了南方电网四个失步断面的具体情况，指出对于比较复杂的某些断面有关解列装置应借助远方通信进行协调配合，以实现快速、有选择的解列控制。另外对于利用同步相量测量系统（PMU）实现电力系统的解列控制的条件提出了看法，以期今后在这一方面能得到实际应用。 0 前言 电力系统在遭遇严重故障或多重性事故时可能失去同步，如果没有及时采取有效措施，事故将要扩大，甚至出现大面积停电的严重后果。由于种种原因，例如网架结构不合理、继电保护不正确动作、稳控装置拒动或控制量不足、断路器失灵等，电网稳定破坏的事故往往难以避免，因此国内外电网稳定破坏的事故时有发生。失步时解列电网联络线是最基本的失步控制措施。振荡中心如果落在送端电厂的送出线上，快速切除该电厂的部分发电机组一般可以使系统再同步，因此在大型发电厂得到应用，如福建后石电厂（6台600MW机组）、四川二滩电站（6台550MW机组）、阳城发电厂（6台350MW机组）、东北绥中发电厂（2台800MW机组）、内蒙准格尔发电厂（2台350MW机组）等都装设有失步切机装置。 电网的失步控制目前主要靠失步解列装置来完成。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施。失步解列装置的不正确动作都将带来严重的后果。国内电网近年来安装的失步解列装置基本满足了各电网的需要，正确动作多次，对确保各电网的安全稳定运行发挥着重要作用。 随着电力系统的发展，西电东送、南北互供、大区联网的实现，电网的结构更加复杂化，对失步解列装置的要求也越来越高，针对这种情况，作者对大型电力系统的失步解列问题进行了研究，提出了大型电网失步解列装置的协调配合方案，以期解决国内复杂电网内失步解列装置的协调动作问题。 1 目前国内高压电网解列装置使用的失步判据 失步解列装置在国内电网已得到比较普遍应用，除了安装在220kV以上电网的联络线、电厂的送出线以外，在110kV以下低压电网的区间联络线也根据需要装设有失步解列装置，防止系统内出现失步时的事故扩大。目前国内高压电网解列装置使用的失步判据主要有以下三类： （1）测量阻抗的变化规律：在装置安装点测量的阻抗值在失步振荡过程中是变化的，利用测量阻抗的变化轨迹，研制出阻抗循序判别原理的失步判据。使用这种判据的产品有SBJ-1A失步解列装置（集成电路）、RCS-993A失步解列装置（微机），其动作原理见文献xx。 （2）U与I相位角的变化规律：按照在失步过程中失步断面角的变化规律，把的范围划分为6个区（见图1），振荡中心落在安装点的正方向，且处于系统的送端，则角变化过程是；如果处于系统的受端，则角变化过程是。振荡中心落在安装点的反方向，且处于系统的送端，则角变化过程是；如果处于系统的受端，则角变化过程是。振荡中心落在安装点附近，角变化过程是或，为了判断更加充分，增加电压包络线最低值必须小于20%UN的条件。当角满足任一种情况，且检测到电压包络线最低值低于允许定值，则判为失步振荡，并可确定振荡中心的方向。 图1 振荡过程中相位角变化规律 （3）Ucos的变化规律：根据接入的联络线电压、电流量，计算出系统振荡中心点的电压Ucos，将失步过程中Ucos的变化范围划分为六个区域（图2），连续跟踪Ucos的变化轨迹是否满足预定的变化规律，满足就判为失步；使用振荡过程中检测到的最低电压值既做为保护范围的辅助判据，又做为动作的闭锁条件。本判据反应的是系统振荡中心电压的变化规律，物理概念清晰、明确。 图2 2）与（3）两种判据均能自动适应电网结构的变化或运行方式变化，即与系统的运行方式、电网的结构无关，只反应测量线路所在断面是否处于失步状态，失步判断时不需要用户提供定值，这给现场使用提供了方便。 2 目前国内电网失步解列装置的配合方法 根据需要，在同一电网内一般设有多个解列点，这些点安装的失步解列装置的动作就必须从全网角度去进行协调。系统失步后尽快解列失步的断面，这是目前比较一致的观点。这首先要求失步解列装置使用的判据只反应失步断面的失步振荡，在系统失步振荡过程中同调机群内部的摇摆属于同步振荡，装置应可靠不动作；如果有几个点都处于失步断面上，则存在装置动作的协调问题。例如南方电网的贺州站、梧州站、玉林站三站就属于平行输电断面上的站，而梧州站与来宾站、玉林站与茂名站，则属于同一输电线路的不同站。系统失步时这些站的装置都可能同时检测到失步振荡事故，但系统只允许在失步断面解列为两个部分。目前国内电网失步解列装置的协调配合方法都是就地的，主要使用如下几种方法： （1）同一站多回线的动作逻辑： 双回线：采用二取二或二取一出口逻辑；不同方向的线路：解列振荡中心在正方向的线路，如果本站处于振荡中心，则指定优先解列线路，该线动作闭锁其它线。 （2）不同站区域划分： 区域阻抗圆 该区域继电器的动作判据为： (一般取90.) 其在复平面上的动作特性如图3，为一个圆形的阻抗继电器。 采用这种区域元件的好处首先是这种继电器只有在振荡时及BC相间故障和三相故障时才动作。因此，不失步状况下动作的机会极少，与失步继电器、起动继电器一起，可对出口回路可靠地构成三重化，保证了在装置运行过程中不会由于个别器件的损坏而误跳闸。 测量电压的最低值 电力系统振荡时，测量点电压也随振荡过程呈现周期性变化，如图4所示。 图4 振荡过程中母线电压变化规律 振荡过程中，随着EM与EN的夹角的不断增大，母线电压的变化趋势如图中椭圆所示。当EM和EN的夹角增大到180度时，母线电压最小，而这一最小值由装置安装处到振荡中心的距离决定，距离振荡中心越近，电压最小值也越小(振荡中心电压最小值为零)。 利用这一特点，可以知道振荡中心距离装置安装处的远近，从而确定解列装置的保护范围。 （3）失步振荡周期次数 当区域无法保证选择性时，利用检测的失步振荡周期次数来取得装置之间的选择性，类似线路继点保护的动作一、二段延时配合。 对于结构比较简单的系统，上述配合方法一般能够满足要求，而对于类似南方电网这样的复杂电力系统，就难以实现既快速又选择性好的要求。 3 复杂电网失步解列装置的协调动作 大型互联电力系统中失步解列的情况将比较复杂，需要具体分析，采取相应的对策。为了能把问题说清楚，本文以南方电网西电东送500kV网架（图5）为例进行分析。 南方电网西电东送500kV的目前网架由贵州电网、云南电网、天生桥电厂、广西电网及广东电网组成。主要输电线或系统联络线有：贵广交流两回、安天线、罗马线、天广交流三回线、天广直流与贵广直流。系统主要送电断面为：贵州网送出断面A（安天线与青河线），云南送出断面B（目前是罗马线），天生桥送出断面C1（天平线与马百线）、C2（天平线与百南线），送出断面D1（沙贺线、来梧线及玉茂线）、D2（贺罗线、梧罗线及玉茂线）。系统稳定破坏的开始阶段，一般都是两个同调机群之间的失步，根据系统的事故发生的具体地点不同，失步断面可能分别发生在A、B、C、D四个断面，但如果没有及时把电网解列，系统有可能发生复杂的多机群之间的失步振荡。对于大型互联电网，若能在失步的第一、二个周期内快速地把两个失步的部分解开，事故的处理将比较简单，否则事故将可能扩大。以下对这四个失步断面的情况进行分析。 图5 南方西电东送交直流输电系统简图 3.1 贵州送出断面A 贵州送出线路故障，将引起贵州网与南方主网失步，贵州网因功率送出受到限制，频率将升高，南方主网频率将有所下降，失步断面在安天线与青河线。安顺变装设的失步解列装置检测安天线失步事故，青岩变装设的失步解列装置检测青河线的失步事故，在断面A失步时，该两套装置将按设定的一个振荡周期内同时动作，把A断面解开。实际上两站装置在解列的同时还通过稳控装置向另一站发出解列的命令，可靠性是很高的。A断面只有这两个站的配合，以上解列措施是恰当的。 断面A中任一回路跳闸或检修时，振荡中心就落在剩余的回路上，失步时只需要解列该回路。 3.2 云南送出断面B 由于鲁布革电厂部分机组单送马窝换流站，云南网与主网联络线目前就是罗马线。云南送出线路附近故障，将引起云南网与南方主网（含贵州网）失步，云南网因功率送出受到限制，频率将升高，南方主网频率将略有下降，失步断面在罗马线附近。马窝换流站装设的失步解列装置能够检测出B断面的失步事故，该装置将按设定的振荡周期定值（N=1）动作，解列罗马线，把B断面解开。 如果不考虑A断面与B断面同时失步，则两者就不存在互相配合的问题。某些特殊方式下，如果青河线检修，安天线运行，振荡中心可能落在天生桥附近，A断面与B断面（安天线）有可能同时出现失步（或相继失步），若不考虑配合，则会A断面与B断面同时解列，把南方电网解列为三个部分，而这种情况是应该避免的，因此A与B断面安装的解列装置就存在配合问题。配合的方案有两种： （1）A断面装置的解列周期整定为1，B断面装置的解列周期整定为3。A断面解开后如果系统振荡平息，则B断面就能保留继续运行。本方案的缺点是如果只有B断面失步，解列的时间延长；本来是B断面故障引起的事故，却先解列了A断面。 （2）两个断面的解列装置不直接出口跳闸，而是通过该站内的稳控装置判断后，如果是本断面的事故引起的（例如断面有一回线短路或跳闸），就立即出口跳闸，否则经3个振荡周期再出口。这一方案需要修改相应稳控装置的软件。 3.3 天生桥送出断面C1或C2 在安天线检修时，云南网与天厂一起与南方主网失步，由于运行方式的变化，振荡中心可能在C1，也可能在C2。平果站与百色站都装设有失步解列装置，两站装置解列的振荡周期数可整定的一样（例如为2），只要C断面发生失步，两站的装置就会同时解列天平线与马百线，相互之间不需要采取配合措施。 3.4 失步断面D1或D2 这一断面的线路故障如果处理不及时，可能引起云、贵、天、广西部分与广东电网失步，振荡中心在断面D1或D2。由于在来宾变、玉林变、梧州站、茂名变、贺州站五个站都安装有失步解列装置，它们都可能检测到失步振荡，如不加协调配合，则被跳闸的线路会过多，引起事故扩大。 根据目前现场的实际情况，本文提出五个站解列装置的协调方案；贺州站的解列装置的振荡周期数整定为1；梧州站的解列装置的振荡周期数整定为1，动作后解列梧罗线，并把解列信号经本站稳控装置发送到来宾变，由来宾变稳控装置一方面去闭锁的该站的解列装置出口，同时向玉林变发出解列玉茂线的命令，向沙塘变发出解列沙贺线的命令；茂名变的解列装置的振荡周期数也整定为1，并把解列信号经本站稳控装置发送到玉林变，玉林变稳控装置收到该信号后，一方面闭锁该站的解列装置出口，同时向来宾变发出解列来梧线与沙贺线的命令；来宾变（玉林变）稳控装置收到玉林（来宾变）稳控装置的解列命令时需判断梧州站（茂名变）解列装置是否已经动作，如果已经动作，则不需出口跳闸，否则跳开来梧线（玉茂线）。来宾变与玉林变的解列装置的振荡周期数都整定为3，做为D断面解列的后备。 这一方案的特点是既保证在一个周期内断面的四回线同时解列，又保证每个回路只解列一点，并且还有后备解列措施。这一方案利用了已有设备，只需修改稳控装置的软件，不用额外增加设备。 从以上分析南方电网四个解列断面的情况可以看出，不同站之间解列装置在有的断面不需要特意配合（C），有的断面需要适当通过稳控装置进行配合（A、B），个别断面（D）则需要统一协调配合。如果有关站没有稳控装置可以利用，则需加装远方信号传送装置，来实现协调配合。 4 关于利用同步相量测量系统（PMU）实现电力系统的解列 同步相量测量系统（PMU）在国内电网逐步开始应用，国内目前主要用于状态记录和调度中心的监视，离进行稳定控制的目标还较远。由于相量测量系统能准确判断失步振荡中心的位置，进行失步解列应是相角测量系统很有前途的应用方面。为了实现这一目标，要求PMU装置的布点足够多，相邻站的PMU装置能进行快速数据通信（ms级）。当判出两站母线电压的相量差接近180度时，则可判定振荡中心在两站之间，即可发出命令。但目前同步相量测量系统（PMU）的配置方式、通信速率还不能满足用于失步的要求，电网今后在配备同步相量测量系统（PMU）时应考虑失步解列控制的这些要求。 5 结语 本文介绍了国内目前失步解列装置使用的三种判据；介绍了不同装置之间的配合方法，即：同一站多回线的动作逻辑，不同站动作区域的划分，用失步振荡周期的次数取得选择性。指出上述配合方法对于结构比较简单的电网一般能够满足需要，而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。作者分析了南方电网