电力系统失步解列研究综述

1、2 0 1 1年5月西安邮电学院学报第1 6 卷第3期 journalofxlan universityofpostsandtelecommunications电力系统失步解列研究综述范瑾(西安邮电学院电子工程学院，陕西西安 7 10 12 1)摘要：综述电力系统失步解列研究现状，寻求未來发展方向。针对被动解列，通过分析其配置方法和装置原理,发 掘其中存在的不足；针对主动解列，总结有关研究的热点所在及其垠新进展。指出基于全局信息的失步模式判别和失步解列控制系统是今后的研究重点。关键词：失稳模式；解列装置；运行方式；失步解列中图分类号：m 7 7 3文献标识码：电力系统正常运行时，系统中的发电机

2、保持同 步运行，即发电机的转子都以相同的速度旋转。当 系统遭受大的扰动后，发电机转速将出现差异，可能 不能保持同步运行。此时为保持系统的稳定性，需 要采取相关措施使得系统中的发电机保持和同的转 速。如果仍无法保持发电机转速相同，则系统中的 发电机之间将会发生失步振荡，导致系统人面积停 电。为了避免这种悄况的出现，应对失步的电力系 统实施解列。电力系统失步解列是指当电力系统失 步后，选择合适的解列地点，将不同转速的发电机分 割在不同的电力孤岛中，使得同一-个孤岛中的发电 机之间保持相同转速。因而各个电力孤岛仍能独立 运行，防止事故在系统屮的进一步扩大l1目前实际工程中，一般是在电力系统某一典型

3、运行力式下，通过人量离线仿真或者根据运行经验， 找出儿种典型的失稳模式，根据这些失稳模式，确泄 若干相应的失步解列断面并安装解列装置。当系统 发生失步时，解列装置根据局部量测的电气量判断 失步振荡屮心是否落在解列装置所在线路，并根据 整定值判断是否动作以及何时动作门 法一般称为被动解列。被动解列方案虽然为电力系统的安全稳定运行文章編号：007 3 2 6 4 ( 0 1 1 ) 30 0 5 60 5据h前的信息釆集条件，整合分散动作的失步解列装逬，依据实时判别的失稳模式，构成自适应的主动 解列控制系统8 .3jo本文首先概述了目前实际系统中的被动解列配置方法，及日前国内外常用解列装置的原理，

4、然后介 绍了主动解列的概念，详细阐述了主动解列所取得 的进展。1被动解列的配置方法电力系统失步振荡时，系统两侧等效电动势间 的功角6在0。一 3 6 0。范围内作周期性变化,从而使 系统屮各点的电压、线路电流、功率大小和方向等电 气量呈现周期性变化继电保护和安全自动装置技术规程中规定：当电力系统稳定破坏出现失步状态时，应根据系统的具体情况采取消除失步振荡的控制措施>5o消除失步振荡的一个冇效扌ff施是失步解列。被动解列的关键是解列装置的有效性和解列装 置安装地点的选择。解列装置安装地点选择取决于 电力系统运行人员的经验和电网的拓扑结构。解列7解列存在的不足，有研究者指出：解列控制作为一种

5、针对系统的保护，其设计应当从系统的角度出发，根装置的有效性取决于解列装置判断系统是否恢步的原理的有效性。2 被动解列装置原理解列装置是根据系统失步过程中一个或多个电m a 1 ： rccyfsna o m©收稿日期：0 101 i 2 2作者简介：范( 9 8 3 )，女，助教，硕士，研究方向：电磁场,a12 02 o这种解列方提供了有力保障，但仍存在一些不足3。针对目前气量变化特征來甄别系统失步的。解列装置的失步（p失步解列判据，视在阻抗解列角判据，电流型和电压 型解列判据等。下面简要介绍这儿种典型的失步解 列判据。2 . 基于视在阻抗轨迹的失步解列判据最为电力工作者熟悉的解列装宜

6、是利用失步时 装2!量测到视在阻抗变化轨迹來实现的，该判据在 世界范闱内得到了广泛的应用。以图1所示的双侧电源系统为例，分析系统视 在阻抗变化规律。图1两机等值系统示童图设系统量测等效电动势榊和辔的幅值相等， 相角差为6,等效电源之间的阻抗为牛魁=fe +犠换+ 獵裁，其中臘犒为辅侧系统的等值阻抗，犖为犖侧系 统的等值阻抗，换为联络线路的阻抗。在解列装置 安装的线路上，接入同名相电压与相电流的阻抗元 件，在系统振荡时感受阻抗为撞1懈2221置量测的线路相电流，亦即为继电器安装处的视在 阻抗。当系统失步时，保护装置安装处的电流、电压 发半变化，反应在装置端子上的视在阻抗随z变化。 失步解列装置根

7、据视在阻抗轨迹是否进入整定的动 作区域來判断是否失步.«o2. 基于撞c o s的失步解列判据当系统发生失步振荡时，系统振荡中心电压杭 与功角§之间存在确定的函数关系，可以利用振荡 屮心电压变化反映功角的变化。仍以图1两机系统 为例，并假设系统等值阻抗角为9 0。由文献7 可知（）2其中幢为解列装置处电压，为电压与电流相角差。中线路阻抗角不是9 0,为了保证基于憧c o s判别失 步的准确性,可对角度进行补偿l.7jo2.基于视在阻抗角原理的失步解列判据同样地，当系统振荡时，解列装置的测量电压横 和测量电流凋z间的夹角（p和功角§ z间存在一定 的函数关系。仍以图

8、1为例，与§之间的关系可以 表示为狀.s n-§（）8a緞解列装置安装处到振荡中心的阻抗。当功角6在0 3 6 0内变化时，也在一定范围 内变化，它们随测量点位于振荡11心的不同位置和 处丁功率送受端的不同位置而有不同的变化u 3 o基于以上3种失步解列原理的失步解列装置都 是通过间接反映功角&來判别系统是否失步。当检 测到振荡中心落在解列装置所在线路上时，解列装 置动作。2 .电流型解列判据设系统振荡时实测电流冇效值为棘枷谿，振荡前负 荷电流有效值为轿栋，由振荡引起的电流变化量为 牺，则有韬=舲携樹（）嘲的变化幅度（即a魁的峰、谷差值）魁和频率a狗 反映了振荡的剧

9、烈程度和速度，解列的动作判据可 表示为（） （） 式中魁翊猱为摆动幅度整定值；狗劝猱为摆动频率整定 值18。2电压型解列判据由式（）可得振荡屮心电压关于时间的导数d fvn°结合式（）和式（），认为满足以下条件时系统 作为状态量的功角是连续变化的，因此在发生 失步振荡解猱憶确険有：阻抗型失步解列判据，c 0 s轨迹iiia衞 a瞼腸5a和 a独浙652仃1 ii沁727振荡时橫c 0 s也是连续变化的，且过零；在短路故障 及故障切除时幢c o s是不连续变化的；同步摇摆时憧c o sq连续变化但不过零点。因此，可以基于量测 憧c o s(p区分失步振荡、短路故障和同步振荡。上述分析是

10、假定线路阻抗角为9 0,但实际系统(3()2 . 国外失步解列装置研究现状国外电力系统也广泛应用失步解列，并对失步 解列原理进行了广泛研究。文献9 介绍了 r”rd o t型失步检测原理，基 于该原理的失步解列装逬已应用于实际，并在美国 其中狀=彳鬼2丨犍翩i , m为阻抗角的余角，删为 太平洋电网中正常运行多年而无误动作2刀。加拿大安大略水电局和曼尼拖巴水电局间联络 线的狎/ 解列装置通过测虽装置所在线路上潮 流和母线电压相位角的突变量来判断系统失稳文献2介绍了一种口本生产的失步解列装 置。该装置的失步判断原理是通过通信系统比较远 端和装置所在母线电压相位差。当相位差大于 1 8 0。时，认

11、为系统失稳，装置出口动作。3 主动解列研究进展情况虽然当前的被动解列方案为电力系统的安全稳 定运行提供了有力保障，但市于缺乏全系统的动态 信息，解列的地点和时机难于随系统的失步模式和 运行方式变化，当有多个解列点时难以全网配合。 而各分散安装的低压、低周减载装宜测量安装点的 频率、电压及其变化率，依据木地信息做出是否动作 的判別，不同地点装置间没有动作配合，或通过整定 值配合，难以从全系统的角度进行肓效配合。近儿年的电网事故也暴露出解列存在一些不 足。如：振荡中心转移至主网内部，预设的解列点装 置不能动作；解列装置在振荡中心处解列，不能保证 解列后各孤岛不平衡功率尽可能小；固定的解列断 而难以

12、适应失步模式的变化"j随着广域动态信息系统的发展，使用广域信息 解决被动失步解列存在的问题，发展口适应主动解 列控制系统成为可能。概括起来，主动解列研究应 包括以下4个部分。()系统失步模式的实时快速识别应研究遭受故障失稳后系统失稳模式的快速识 别方法。目前，系统失步模式的识别方法主要有慢同调 法、流形变换法、在线预测实时匹配等。文献0 提供了慢同调理论用于主动解列的理 论皋础，将慢同调理论用于电力系统发电机分群。 慢同调理论用于电力系统分群是基于如下两条 假设：假设1发电机分群与系统受扰动的人小无关；电机分群信息在这儿个区域附近搜索合适的解列地 点，进而实施解列。慢同调理论固然在一

13、定程度上揭示了电力系统 的特征。虽然在仿真中表明了该理论的有效性，然 而，慢同调理论本质上是对电力系统做了线性化处 理，而电力系统在发生大扰动时呈现强非线性特征。 因此慢同调理论用于主动解列的严格性冇待进一步 研究。文献4提出了基于止规型理论用于预测系统 失稳模式，并在i e e e 3 9节点系统上验证了该理论 的可行性。止规型理论是基于对电力系统模型进行 分析计算而得到发电机组分群信息的，而电力系统 模型并不一定与实际运行中的电力系统完全一致， 这就造成了基于正规型理论得到的失稳模式可能与 实际失稳模式不符的情况。随着全球定位系统在电力系统屮的应用，基于 广域量测系统的测量得到了越來越多的

14、重视，可以 通过pmu直接量测得到各发电机的功角，从而直 接得到发电机组的分群信息°这样得到的发电机分 群是系统实际的发电机分群悄况，从而更可信。o合适解列断面的快速搜索当系统的失步模式确定后，一个关键的问题是 如何迅速找到既能将火步的系统解开乂使解列后的 孤岛内不平衡功率较小的解列地点进行解列。系统 假设2发电机分群与发电机组使用的模 型无关。该文认为电力系统存在固有的薄弱结构，使得 系统内发电机分成若干组，当系统发生大扰动而失 稳时，失稳只在这若干组z间发生。因此可预先确 定薄弱结构区域，当发生失稳故障时，根据具体的发解列地点搜索问题属于图分割问题的一种，在数学 上属于完全非多项

15、式算法(on determinitcpoly n o m i 1 comp 1 t e , n p c o m p 1 te)问题。若系统线 路数为2肌条，对于系统某一失稳模式，其解列地点 搜索空间达玄讥随着系统规模增人，解列地点搜索 空间呈几何级数增长。因此，解列地点的快速搜索 一个重要问题是如何根据电力系统特点合理冇效地 减小搜索空间。将电力系统网络化简可以有效减少解列地点搜 索所耗费的时间。文献5根据“就近原则，设计一 种网络化简方法。该方法可极大程度地简化系统规 模，排除人量的非可行解列策略，加快搜索校验，从 血为解决大规模系统的解列问题提供可能。该文通 过在i e e e 6 8节点

16、系统和中国东北系统上进行测 试，证明该方法的冇效性和可行性。文献口提出了 基于调度分区简化电力系统网络的方法。根据国内 电力系统分层、分区调度的特点，该文提出了基于调 度分区的解列算法。基于分区调度和机组同调分群 的思想将系统分为若干个子区域，将系统失稳看作 一个或几个子区域对系统的剩余部分失稳。这样，n s ia ee只需搜索失稳部分与剩余部分z间的联络线，即可 得到解列割集。因此，搜索空间小，计算速度快，可 以满足在线应用要求。该方法的缺点是实际系统中 町能发生子区域内部发电机组z间失稳，从而这种 情况下该方法失效。文献1 提出了有向二元决策图o b d d ）法。 该方法先通过网络化简和

17、分区方法将系统转化为 一个3 0个节点以内的图模型。基于此图模型，利用 obdd搜索方法寻找满足和关约朿的解列点。该方 法在理论上可以搜索到最合适的解列地点。其缺点 是该方法受系统规模限制，若电力系统简化网络不 能控制在3 0个节点以内，则方法难以应用于工程 实际。文献3提出了一种电力系统失步解列点的实 时搜索方法。该方法不需要对原始网络等值化简， 也没冇在故障前寻找系统的弱联接区域，可适用于 人型的电力系统解列面搜索。方法首先基于图论和 系统运行方式，将系统用有向加权无损图表示；随后 基于潮流追踪算法确定负荷对发电机的功率汲取信 息，以发电机节点为中心，将原系统划分为与发电机 节点数相等的区

18、域；在分区图上，基于失稳系统的发 电机分群信息，确定初始的解列断而；最厉，将初始 解列断而在原始图中按不平衡功率最小原则反复进 行改善，得到最终的解列断面。该方法的不足z处 是基于潮流追踪确泄系统分区的可行性冇待进一步 论证。（）解列装置执行解列操作命令一旦找到合适的解列点，还需要选择什么时候 开始解列过程以及按照什么样的顺序逐个断开指主 线路。目前关于此问题的研究仍处于空白状态，文 献屮一般都假设认为解列装置接受到动作指令后同 时动作。（）解列后各孤岛内的电压和频率控制解列后，虽然孤岛屮的发电机组是同调的。但 是孤岛内的发电负荷并不平衡，需要进行功率平衡 控制。若（）的结果辅有各孤岛不平衡功

19、率信息，将 为解列后的孤岛进行频率紧急控制提供帮助。4 结论首先对被动解列配置方法和被动解列装宜进行 了阐述。指出被动解列装置都是基于本地虽测虽进 行失步判定，而非基于系统全局信息，因此难以满足 失步解列作为针对全系统安全进行控制的不足。随着电力系统的发展，研发更迅速有效的失步解列策略和装置成为各国电力系统稳定控制的巫要 目标；随若广域星测系统(wams)在电力系统屮的 逐步应用，基于广域实时信息的主动解列得到了日 益广泛的关注。在今后的工作中，应着重基于全局 信息的失步檎式判别和基于金局信息的失步解列控 制系统的研究。4张保会，尹项根.电力系统继电保护m 北京：中国电力出版社.0 0 5:0

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23、phasemehodbasedonobdd i eeetransacinsonpowersysems, 2003,18h u a n, sunka, dazhon 咅 zheng, e a. a()：1 5 5 61 6 6 5 3汪成根，张保会，郝治国，等.一种电力系统失步解列面的实时搜索方法中国电机工程学报，0 10, 0()：6 01西安邮电学院学报2 i护和安全h动装買技术规程m.北京：中国标准山版社.0 0 6 .06崔家佩，孟庆炎，陈永芳，等.电力系统继电保护与安全自涮装置整定ife im1 *北京：中国电力出版社，9 9 3：14 7 04 7 5.7 宗洪良，址祖祕 和玉1平,

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25、.tpewepsyscm s'ablfyandcontom bengj chi ae*ecrcpowe rpres s» 2 0 0 2 2 i o hf, s h u *1 o i. , a y a a w a h .n f e a. deveopment ofaniprovednfu! puninhiispeedoperatngcur5rentdferenta reayfortansmisonlneprotcin 2 / proceedngs o f 2 0 0 1 ieee deveopment ipower sysempjotcin?o?r7nce, am s e r d a m： 22 0 0 1 ： 11514 .3 孙光辉，吴小辰，曾勇刚，等.电网惋三道瘢存在的问皈解决对策.南方电网技术，0 0 8,()：1 1 .卩4李颖辉，张保会，于广亮，等.应用临界失稳模式预测判断电力系统码列面的新方法年耳龟