基于同步相量測量的廣域失步解列系統

夏彥輝 李小騰

（1. 南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153；2. 國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安 710054）

當電力系統失去同步，為防止因事故擴大造成全網崩潰，最基本的方法是在失步斷面將系統解列，解列后通過低頻低壓減載和高周切機裝置動作，使系統恢復穩定。失步解列是防御大面積停電的最后一道屏障，已經廣泛應用于國內外電力系統。

當前工程實際應用的失步解列裝置基于就地信息進行失步判斷，裝置動作的可靠性、同時性和快速性受到很大的制約，極大影響了解列后系統的穩定恢復能力，最嚴重時系統將無法正常解列或解列后的各子系統均無法恢復穩定，導致全網性系統崩潰[1]。同步相量測量裝置（PMU）的廣泛應用和通信技術的發展，為實現基于廣域測量信息的失步解列系統創造了條件[2-7]。

首先總結一下失步解列裝置原理的發展過程和現狀。

1）在20世紀50至70年代我國電網建立初期，失步解列裝置由繼電保護專業人員負責，很自然地想到利用測量阻抗的軌跡變化來判斷失步，通過檢測阻抗穿越多個阻抗圓（或阻抗矩形）判斷失步，對于相對簡單的電網，這一判據基本滿足失步解列的需要，所以一直沿用到20世紀90年代初。

2）20世紀90年代以來，我國電力系統發展突飛猛進，大規模、遠距離輸電，跨區交直流混聯等新情況不斷涌現，阻抗原理的判據由于整定計算復雜、運行管理難度較大、對電網發展變化適應性差，不能很好滿足電力系統的需要。在此背景下，我國在20世紀90年代中期提出了利用電壓與電流之間相位角判斷失步的判據，2002年又提出了振蕩中心電壓 ucosφ 判斷失步的判據，這兩種判據解決了阻抗原理存在的一些問題，很快得到了廣泛應用。

3）前蘇聯在20世紀80年代采用了聯絡線兩側電壓比相的原理判斷失步，限于當時的通信技術條件，他們采用將本側電壓、電流加到阻抗模擬網絡的輸入端，在輸出端得到對側母線的電壓相量，然后進行比相。日本電力公司在20世紀90年代也采用了電壓比相的方法判斷失步，并采用微波作為數據傳送通道。

4）目前電網更加復雜，簡單、分散的解列裝置已難以適應系統的需求，同時光纖通信技術的發展和普及、線路光纖縱差保護的廣泛采用、同步采樣技術的成熟以及PMU裝置的廣泛應用，為電壓比相原理失步判據的實現創造了有利的條件。

目前工程實踐中多采用以下3種失步判據[8]：

1）基于測量阻抗變化軌跡的失步判據。在電力系統運行方式復雜多變的形勢下，基于該判據的裝置定值整定困難，因此在實際使用中逐步被以下介紹的采用相位角、ucosφ 判別原理的裝置所取代。

3）基于ucosφ 變化規律的失步判據。該方法利用監測點采集到的電氣量計算得到 ucosφ 來表示振蕩中心的電壓[9]。

總之，目前工程實際采用的失步解列裝置基于就地電氣量進行失步判斷，沒有結合復雜互聯電力系統的廣域電氣量信息，難以準確定位振蕩中心。國家標準《GB/T 26399—2011電力系統安全穩定控制技術導則》將振蕩中心兩側母線電壓相量之間的相角差從正常運行角度逐步增加并超過 180°定義為該系統已失去同步。因此，判斷電力系統失去同步，最直觀的判據是失步振蕩中心兩側母線電壓的相角差越過180°。隨著時間同步技術的成熟和通信技術的發展，可靠地計算相角差成為可能，在此基礎上，將電力系統中大量安裝的PMU裝置通過通信構建成廣域失步解列系統是研究大規模電力系統失步解列的重要技術路線。

廣域失步解列系統利用不同信息子站采集的廣域信息，設計合理的斷面失步解列控制策略，選擇合適的解列地點，系統能夠自動捕捉失步過程中由于相繼開斷而發生轉移的振蕩中心，協調不同的解列斷面，確保失步斷面的有效解列，為解列后的電網快速恢復穩定創造條件，可縮小嚴重故障情況下的停電范圍。

本文提出了基于廣域測量信息進行失步判別的基本原理及其實現方案，通過在大電網上的仿真，驗證了廣域失步解列系統的可行性，體現了其相對于基于就地量判據的失步解列裝置的優越性。

1 相角差基本原理

在電力系統實際運行中，失步振蕩中心主要落在失步機組與主電網之間或跨區互聯電網之間的輸電線路、變壓器上。用圖1所示的兩機等值電力系統來分析失步振蕩的過程。

圖1 兩機等值電力系統示意圖

在任一振蕩角下，失步斷面上始終存在一個位置的電壓幅值最小，該點就是在該振蕩角下的振蕩中心。大規模電力系統失步振蕩兩側等值電勢的幅值比值并不固定，將使得振蕩中心隨著兩側電勢相角差的變化而移動。但兩側等值電勢幅值變化范圍一般不會很大，因此振蕩中心只會在一個比較小的范圍內做周期性的漂移。

在下文中設置如下假定：

（1）兩機等值系統的阻抗角為90°。

（2）兩個等值發電機的電勢分別為 EM和 EN，且幅值相等。

以EN為參考向量，設其相位角為0°，幅值為1標么，EM的初始相位角為δ0，則兩個等值發電機的功角差為

式中，Δω 為兩側系統轉速差，假設其恒定。

圖2 失步振蕩期間線路不同點的電壓軌跡

圖2所示振蕩中心電壓為Uc，U1與EN的夾角為θ1，U2與 EN的夾角為θ2，設 EM到 U1的阻抗與U1到 EN的阻抗之比為a1，EM到 U2的阻抗與 U2到EN的阻抗之比為a2。

線路上某點電壓 Ux與 EN之間夾角θ 的表達式為式（2）。若0 ≤ a≤1

若令Δω =1（即失步振蕩的周期為 2π），δ0=0（即初始時刻EM和EN同相位），a取值介于0～1之間，則模擬θ 的軌跡如圖3所示，縱坐標為弧度0～2π，下同。可見，因為振蕩中心在U1點和EN之間，即振蕩中心在區內，所以相角差θ 在0～2π 擺開。且a取值介于0～1之間時，θ 在同一時刻到達π。

圖3 δ0＝0時，振蕩期間線路θ1變化曲線

若令Δω =1，δ0=0.5（即初始時刻EM和EN存在相位差），a取值介于0～1之間，則模擬θ 的軌跡如圖4所示，可見a取值不同時，θ 仍然在同一時刻到達π。因此，為使離振蕩中心近（a值接近1）的監測點的θ 先到達π（先判出失步），可利用θ-θ0進行失步判斷。

圖4 δ0＝0.5時，振蕩期間線路θ1變化曲線

令Δθ =1，δ0=0，a=2，模擬θ2的軌跡如圖 5所示。

圖5 振蕩期間線路θ2變化曲線

以上分析表明，若振蕩中心在區內，則兩側母線電壓相角差將穿越π 在 0～π～2π 區間內周期性變化；若振蕩中心在區外，則兩側母線電壓相角差不會穿越π，而是在-π/2～π/2區間內反復振蕩。

2 原理的實現

相角差失步判據原理是通過兩母線電壓向量之間的角度差變化軌跡來判別失步的。

需要說明的是，有研究提出依據相角差及其變化率預測電力系統即將失去同步，進而在相角差越過180°之前就解列。相關研究表明提前解列對降低事故損失的作用并不大，且存在較大的誤判失步的風險，例如繼電保護或穩控裝置的動作使得系統振蕩不再繼續惡化[10]。

在兩側相角差達到180°時，兩側等值發電機的電勢相位正好相反，流過開關的電流最大，如果此時解列，開斷電流最大，那么對電網造成的沖擊也最大。比較合適的解列時刻應該選取在兩側相角差達到0°時，此時開關的開斷電流最小，對電網造成的沖擊也最小。因此，建議將θ 從 360°突變為 0°的時刻作為解列時刻。對于500kV及以上電網要求在1～2個周期盡快解列，對于220kV及以下電網可選擇2～3個周期解列。

3 原理的驗證

下面以南方電網直流受端交流母線短路后開關拒動故障、造成兩回直流同時雙極閉鎖為例，驗證基于廣域測量信息的失步判據原理的可行性。南方電網聯網斷面如圖6所示。

圖6 南方電網聯網斷面示意圖

賀州對羅洞、青巖對羅洞的角度差變化曲線如圖7所示，可見賀州對羅洞、青巖對羅洞都可以判出失步，且振蕩中心落在賀州與羅洞之間，失步解列計算結果見表1。

圖7 賀州—羅洞、青巖—羅洞的角度差曲線

如上文所述，為使離振蕩中心較近的“母線對”先判出失步，可在“母線對”角度差的基礎上減去其初始值，即去除初始角度差的因素，減去初始值后的角度差變化曲線如圖8所示，此時賀州對羅洞可以先判出失步，失步解列計算結果見表2。

表1 利用兩側相角差進行失步判斷結果

圖8 賀州—羅洞、青巖—羅洞的θ-θ0曲線

表2 利用θ-θ0進行失步判斷結果

由表2可以看出，振蕩中心可能落在廣東電網內部線路（茂名—江門），同一失步斷面上的不同線路判出失步的時刻最長相差了0.11s。該情況下，基于就地量判據的失步解列裝置難以協調配合，甚至無法正確解列，這就體現了廣域失步解列系統的優勢。

4 結論

本文介紹了一種基于廣域測量信息的失步判別原理及其實現方案，仿真計算結果表明該判據能夠準確地確定振蕩中心的位置，其理論簡單明確且具有方向性，不受電網運行方式的影響，在運行中不需改變定值來適應系統運行方式的變化。

時間同步技術、通信技術的發展為基于 PMU構建廣域失步解列系統的工程實用化創造了條件。廣域失步解列系統可以提高失步解列控制的可靠性、快速性和同時性，減少大停電事故的發生概率，避免因大停電事故而造成的嚴重社會影響和巨大經濟損失，因此具有廣闊的發展前景。

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