第4章 电力系统广域安全控制与保护

1、第4章电力系统广域安全控制与保护4.1 电力系统的广域系统扰动4.1.1 基本概念电力系统广域扰动主要有两类：一是电压崩溃，二是功角失稳。在广域扰动过程中，可能是电压稳定问题或者是功角稳定问题，也可能是二者的混合。但是，在大多数情况下，系统停电常常是由于电压不稳定一起的，最后造成系统功角稳定问题。所谓“电压崩溃”【Taylor】，是指电力系统在给定运行条件下，当遭受到扰动后，如果系统的平衡点低于系统所允许的运行极限，则称系统在经历一个电压崩溃过程。电压崩溃可能会扩展到整个电力系统，也可能会被限制在系统的某一区域。由于在输电线路断开或者系统处于低压运行情况下，输电系统的传输能力减小，会导致发电机发出的功率不能完全被传输到系统的负荷端。如果没有及时采取适当的控制措施，维持系统发电与负荷的平衡，则会导致系统发电机失去同步，造成系统运行不稳定。下面的例子说明了在系统崩溃过程期间，超高压输电线路由电压崩溃问题转换为功角稳定问题。图41 4.2 电力系统广域保护系统4.2.1 传统的局部控制保护系统1 低频切负荷当系统的发电容量不能够满足负荷需求时，系统的运行频率就会下降，因此，必须采取快速的控制

2、措施进行维护系统发电与负荷平衡。如果没有快速的反应措施，发电机单元的低频继电器动作会切除发动机，造成发电与负荷的更大不平衡。传统上，可以通过切负荷能够恢复系统发电与负荷平衡。传统的切负荷方案是由位于主要馈线上的低频继电器组成的。当频率下降到预定的门槛时，临界的馈线将被从系统中切除。如果频率继续下降，下一阶段的切负荷方案将被启动。通常，低频减载系统有五个频率档位，如59.2，59，58.8，58.6Hz。理想地，所有的低频切负荷的方案都应具有相同的动作特性，以致于当系统频率低于所设定的门槛时，电力系统所有满足条件的低频继电器能够同时动作。2 低压甩负荷如图42给出了一个低压减载分方案：图42当三相电压下降到低于额定电压87时（低压继电器接点272），低压切负荷方案将切掉断路器所带负荷；该方案是在系统三相平衡的运行条件下才能动作条件，低压继电器271与开口三角形PT相连，以检测是否存在零序电压。该方案只有在没有零序电压存在的情况下启动。另外，瞬时过流继电器50用以检测馈线是否发生路故障。在馈线故障期间，电压切负荷继电器不应动作。如果系统出现三相低电压条件，而且没有零序电压出现，同时馈线没有

3、故障出现，低电压切负荷装置的定时器启动，进行一定的延时（如1秒）后，上述条件仍存在，则切除该馈线负荷。该方案动作采样具有不同的延时继电器，将时间错开进行切负荷以减小当负荷被切掉时对系统电压造成的冲击。4.2.2 传统的广域保护系统电力系统的广域保护系统WAPS的设计是用于检测系统非正常运行条件，采取事先规划的校正控制措施以减小大面积停电，提高系统的传输能力。典型的广域保护动作方案包括自动切机和切负荷。为了提高系统的可靠性，WAPS系统可以通过利用新的监视、保护以及通信技术来实现。广域保护系统的基本要求：l 冗余度当系统任一个设备故障时，不应造成WAPS系统的失效。当进行测试或检修时，大多数的系统设备应该能够从系统的校正控制方案中退出，而保证其余系统仍保持正常运行。l 安全性WAPS系统为了保证系统的安全性，其控制器采用冗余配置，一般为2/3控制输出来保证控制的安全性。当系统的潮流超越定值，或者系统某一元件失去时，应要采用手动或自动控制措施；另外，可以使用附加信号（如潮流变化率及电流监测设备等），对校正控制过程中的跳闸信号（如系统解列信号）进行监视。l 通信信道WAPS需要快速和冗余信道

4、。信道应能满足要求：从扰动发生到系统完成校正控制动作后的时间，大约在100200ms之间。尤其，用于系统功角稳定控制时。l 要求具有高精度和快速的测量仪表WAPS应具有高精度和快速的测量仪表，这是因为在大多数情况下，校正控制依赖于联络线路的潮流以及潮流方向。另外，WAPS设计需要当地测量量，如电压、电流、功率以及频率等，以监控远WPAPS无功支持要求。l 同步测量：这是非常重要的一个要求，快速、精确的广域同步相量信息，可以提高处理和实现WAPS的保护与控制算法。我们看BPA的广域保护系统在以下三个方面的应用。1 低压切负荷系统如图43所示温哥华岛的电力系统图43 针对三个区域设计了低电压切负荷方案。该方案监视三个区域的低电压水平，同时也监视区域3的四台同步调相机的无功输出。通过四台同步调相机的总的输出来启动或退出广域低压切负荷方案，原理如图44。图44 当同步调相器输出接近额定容量时低电压切负荷方案该方案是在当同步调相机的输出接近其额定输出容量时才进行启动。如果系统发生扰动，同步调相机将无法为系统提供无功功率。如果在区域1和区域3，或者区域2和区域3的电压低于最小额定电压的97，并且持

5、续10秒（t1），而负荷Block2和Block3在低电压持续2s和4s后，分阶段进行切除。2 发生两个突发扰动WAPS文献【】提出了一个发生两突发扰动的校正保护方案以阻止系统在系统电压崩溃点附近运行。在该研究描述中，电力系统由三个区域组成：区域1为重负荷集中区域；区域2为重发电集中区域；区域3为轻负荷区域。如图45。图45 研究的三区域电力系统区域1和区域2由三条输电线路连接，区域2和区域3由两条输电线路连接。当从区域2到区域1的输电功率大于1100MW时，该系统的校正控制方案启动，其动作原理如图46所示。图46 WAPS原理在上述条件下，如果区域2到区域1的输电线路有两条断开，该方案将以实时方式（小于1秒）切除区域2中多余的发电容量，以避免系统发生崩溃。3 美国西部电网的WAPS图47 美国西部电网的WAPS的广域控制方案4.2.3 基于同步相量测量的广域控制与保护系统传统的WAPS是基于电力系统如何反应某些系统配置和负荷水平的研究。要进行模型系统每一个负荷和每种配置是不可能的。通常，将这些模型分组为典型的负载和系统配置，以致于WAPS能够在一个适当范围内进行处理。因此，WAPS只

6、考虑系统最严重的情况，常常比实际情况的需要采取更过的校正措施。由于实际上系统的负载是在不断变化的，所以，WAPS使用的是实际系统的近似模型。一个实际的WAPS并不针对预先设定的某一条件，而仅仅是大概地采取一些最必要的控制措施以维持系统稳定。这样的广域保护系统可以最小化停电事故的发生，增强系统的可靠性，并且可以提高系统传输极限。BPA开发了基于反应的WAPS，该系统使用同步相量测量数据作为输入，如图48所示。图48 基于同步相量输入数据的WAPS控制在变电站的PMU实时传送同步相量数据给数据集中处理中心（PDC），然后PDC将处理的混合数据送给能够分析电力系统的稳定性的广域控制系统（WACS）控制器。如果系统摇摆接近它的稳定极限，广域系统控制器进行适当的控制，以避免系统发生崩溃。目前，BPA开发了该系统的两套方案，而且正在考虑第三种控制方法。第一种方法是快速的暂态监测算法，该算法可以减少发电输出，维护系统的同步稳定。这种方法利用了高精度的同步相量测量信息，而且从测量系统到控制动作结束的反应时间小于1秒；第二种方法是一个通过投切电容器来补偿系统发电机输出无功功率的电压支持系统。同时，该方法

7、利用电压和电流相量来监视无功潮流，通常比第一种方法动作速度慢，其动作时间在15秒之间。第三种方法是基于相角和频率测量进行的一个广域保护控制方法。1 第一方法：快速稳定性控制快速的稳定控制方法是通过进行检测NWSW联络线上电压的大波动来实现的。比如，这些电压大波动可能会导致BPA输电区域外的输电被切掉。如果联络线上的负载太高，就会影响联络线功率的传输，难以保持区域之间的同步运行，系统将会被解列。通过监视联络线的电压波动，计算母线10的电压相量加权平均值，将计算值送给电压时间累计器。当累计值超过预先设定的门槛时，控制器对变电站的控制装置发出控制信号，将电容器投切到联络线上。这些控制方法能够优化两区域的潮流，维持两区域间的同步。NWSW联络线上振荡模式大约为1/3HZ，即3秒/周波。振荡频率随阻尼的增加而下降。例如，在1996年一次解列事故中，联络线的低频振荡频率为0.22Hz。当系统发生突发扰动时，比如切除一台发电机，系统振荡达到最大峰值大约需要1.5秒的时间。理想的校正控制需要在系统振荡达到峰值之前进行动作，如0.75秒。BPA基于同步相量信息进行了大量的测试研究，如果以每秒30报文的通

8、信速率，控制过程大约在50至150妙之间。其控制时间主要取决于数据通信和PMU数据处理，BPA控制系统的通信的最大延时为60ms；另一个必须考虑的是控制决策时间，即从发送控制命令到命令执行完成的时间。例如，进行一次跳闸控制需要的时间，传输跳闸命令大约为一个周波（或小于一个周波），断路器断开时间典型为两个周波，因此，整个延时大约为170ms（不包括控制算法）。在控制算法中，电压时间累加器的门槛值可以设置比系统反应时间稍微长一些，以避免误动，提高控制安全性。2 第二方法：电压支持系统电压支持系统主要是进行监视联络线北部的下哥伦比亚河流区域的五个大发电厂的有功MW和无功MVAR输出。我们能够从发电机输出进行在线估计联络线的功率，并通过在控制中心的模糊逻辑控制器进行电抗器和电容器的投切。3 第三方法：相角和频率测量如果系统失去大量的负荷或发电容量，系统会出现强烈的局部频率变化。联络线上的相角将随着传输功率在发电机之间的重新配合，而发生改变。随着区域逐渐稳定在一个新的负荷平衡点，系统的功率也会出现波动。混合检测快速频率变化以及精确相角测量的控制措施，能够提供一个快速控制信号以减小广域系统扰动的影

9、响。故障、开关动作以及数据误差都会造成局部频率的明显、大幅度的变化。广域控制器必须能够监视相关站点的频率数据，以及保证测量精度进行连续的采样。一旦频率触发器被启动，控制器应进行比较频率以及相角的相应变化。如果这些变化越过互联区域稳定所预定的条件时，广域控制器应该发出适当的控制命令（如发电机退出或电容器投切）进行调整。4.2.4 自适应低频切负荷当低频条件持续一定时间时，传统的低频减载装置将切除预先设定要切除的馈线负荷。由于系统不知道到底有多少负荷被切除的信息，有时会出现过切负荷。理想的是低频切负荷系统只切除能够使系统恢复以及优化功率传输所需的负荷。我们要求低频切负荷方案要能够适应系统的运行条件。该方案可以结合系统存在的保护、控制以及自动继电器进行设计，并且要利用继电器的可编程性、数学计算能力以及能够与其它的智能能装置和系统进行通信的能力。该方案如图所示：图49 可优化供电系统自适应低频切负荷方案图中，为系统要切除的负荷，和馈线负荷信息。同时，负荷切除的顺序要按照所设定负荷的优先级进行切除，先切除非重要的负荷，然后，再切除重要负荷。自适应低频切负荷的原理如图410所示。图410 自适应低频减载原理4.2.5 预防电压崩溃切负荷在预防电力系统电压崩溃时，切负荷是作为最后的手段。前面提到的电压切负荷方法，其缺点之一只要电压幅值低于所选定的门槛值，切负荷继电器就以固定的时间间隔切除相应的馈线负荷，并且所选定的门槛值与负荷的类型没有任何关系。电压崩溃过程是一个动态现象，该动态过程与许多因素有关，也依赖于负荷的类型。象动态负荷（如感应电动机、热静态负荷（thermostatic loads）以及有载调压变压器变化都需要从系统获得更多的无功功率。一个理想的切负荷方法是应该能够识别哪些控制需要更多无功功率的负荷。在切除这类负荷时，要尽可能的不要影响系统其

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