电力系统失步振荡判别方法

摘要

电力系统失步振荡判别方法，选取电力系统中任意二个测量点，取测量点的正序电压相位作为测量点相位，两个测量点之间的相角差作为比相区间(即两个测量点之间的区间)的相角差，其特征是：在振荡中心所在的区间两侧电压相角差的变化轨迹上，将相角差的变化范围分为7个区，若比相区间相角差变化轨迹满足一定的变化规律，则判定两个测点之间的区域发生失步振荡。本发明摆脱了系统运行方式的影响，可以独立判别系统失步，实用简单。

说明书

技术领域

本发明涉及利用相角差原理进行电力系统失步振荡判别的新方法，应用于安全稳定控制系统中在系统失步时的判别。

背景技术

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。随着国内电网规模的不断发展，大区互联电网陆续出现，电网在失步过程中失步断面的组成更加复杂。

目前大量应用于国内电力系统工程实践中的振荡解列装置原理主要有：视在阻抗轨迹解列判据、轨迹解列判据以及电压与电流之间相位角解列判据，其基本原理分别简述如下：

(1)视在阻抗循序判别原理的失步判据，该方法是通过测量阻抗的变化轨迹，得出相应的失步判据。根据阻抗变化轨迹区分失步振荡、同步振荡以及及短路故障。这种原理从理论上讲直接反应的是两个等值机组之间功角的变化。

(2)判别原理的失步判据，该方法是利用装置安装处采集到的电压和电流计算得到来代表振荡中心的电压，根据振荡中心电压的变化规律来区分失步振荡、同步振荡以及短路故障。该判据能够反映系统失步过程中的最低电压变化，可以比较准确的判断出系统是否失步，并且判据方法简单明确，能够适应系统不同的运行方式和结构变化。

(3)电压与电流直流相位角振荡解列判据，该方法是利用装置安装处采集到的视在阻抗角的变化轨迹判断系统的失步特征。该判据的优点是能够判断出失步中心的位置方向，能可靠地区分异步振荡和同步振荡，适应复杂的电网结构和多变的运行方式，整定方便。

目前的主要失步判别方法的均有以下不足之处：

(1)依赖电流电压等电气量进行判别，对于系统本身的运行方式、潮流大小有一定的依赖作用，有的判别方法的判别结果甚至受到故障的影响，需要修改定值或采取其他辅助措施。在此情况下，如果能尽可能少地依赖电气量，独立判别失步，不受系统故障、运行方式、潮流大小的影响，势必能可靠地保障电力系统稳定，方便实际运行。

(2)对某些大型电力系统，一旦发生失步，其振荡中心同时位于多条联络线上，形成了失步振荡断面，要对这样的系统实施失步解列，采用分散布置的失步解列装置需要的布点较多，且协调配合具有一定的难度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于电压相角差原理的电力系统失步振荡判别方法，尤其对于复杂电网的失步判别，能够准确、快速地判别系统是否失步。

本发明所提供的判别方法如下：电力系统失步振荡判别方法，选取电力系统中任意二个测量点，取测量点的正序电压相位作为测量点相位，任意二个测量点之间的相角差作为比相区间(即二个测量点之间的区间)的相角差，其特征是：将比相区间的相角差的变化范围分为如下7个区：

0区：-60°～60°之间，

1区：60°～90°之间，

2区：90°～135°之间，

3区：135°～180°之间，

4区：180°～225°之间，

5区：225°～270°之间，

6区：270°～300°(-60°)之间，

若该比相区间相角差变化轨迹满足变化规律a或变化规律b，则判定该比相区间内发生失步振荡：

变化规律a：相角差的变化规律为0-1-2-3-4-5-6-0区往复循环；

变化规律b：相角差的变化规律为0-6-5-4-3-2-1-0区往复循环。

(1)数据同步原理介绍

在所有选定测点当中，挑选一个测点作为数据同步的基准，向其他测点发送带时标的数据信息，其他测点接收到基准点的同步数据信息之后，调整本身的数据采集的时刻，保证本测点的采样数据与基准点的采样数据同步。这样即可获得同步的数据，以此为基础计算各个测点的电压相位信息。

(2)相角差原理介绍

电力系统失步时，一般可等效成两个机群来分析，用图1所示两机等值系统来阐述相角差的失步解列判据的基本原理。

在分析中采用下列假设条件：

(a)两等值机电势分别为EM和EN，且假定两等值电势幅值相等。

(b)系统等值阻抗角为90°。

(c)从EM到EN阻抗均匀分布

取EN为参考向量，使其相位角为0°，幅值为1，M侧系统等值电势EM的初始相角设定为δ0，则可得两系统功角为：δ＝Δω*t+δ0

其中Δω为两侧系统转速差，假设其恒定；t为时间变量；δ0定义如上所述。

根据假设条件，振荡中心的位置位于EM与EN的阻抗中点且固定不变，设振荡中心电压为Uc，取联络线上的两点1和2，其电压分别为U1和U2。U1与参考向量EN的夹角为θ1，U2与EN的夹角为θ2，EM到U1的阻抗与U1到EN的阻抗之比为a1，EM到U2的阻抗与U2到EN的阻抗之比为a2。一般的，取联络线上的任意一点作为装置安装处，其电压为U，U与参考向量EN的夹角为θ，EM到U的阻抗与U到EN的阻抗之比为α，夹角θ的表达式为：

若θ≤a≤1，

若a＞1，$\theta =\arctan \left(\frac{\sin \delta }{a+\cos \delta }\right)$

若令Δω＝1(即假设失步振荡的周期为2π)，δ0＝0(即初始时刻EM和EN同相位)，α取值介于0～1之间(即振荡中心在装置安装处与与EN之间)，绘制θ的轨迹如图2所示，纵坐标单位为弧度，范围为0～2π(下同)。可见因为振荡中心处在U1点和EN之间，即振荡中心在区内，因此相角差θ在0～2π摆开。且α取值为0～1区间任意值时，θ在同一时刻到达π。

同样，令Δω＝1，δ0＝0，α＞1，模拟θ2的轨迹如图3所示，α＞1表示振荡中心在装置安装处与EN的区间之外，那么θ2的变化轨迹如下图所示，注意到θ2变化特征是在-π～π区间内反复振荡。

综合以上的理论分析表明，只要振荡中心在区内，那么两侧母线电压相角差将穿越180度在0～180度～360度区间内周期性变化，当比相区间的阻抗越小时，Δθ在穿越180度时的速度越快；如果振荡中心在区外，则两侧母线电压相角差不会穿越180度，而是在-180度～180度之间反复振荡。

(3)本发明的失步判据

由前面的分析可以看出，在振荡过程中，振荡中心两侧的节点电压相角差是连续变化的，且会越过180度，振荡中心一侧的两个节点电压相角差一定不会越过180度。在短路故障及故障切除时区间两侧电压相角差变化很小，且不过180度；在同步振荡时，区间两侧电压相角差是连续变化的，但不过180度，超过180度就是失步振荡。因此可以通过电网各节点电压相角差的变化规律来区分失步振荡、短路故障和同步振荡。

在振荡中心所在的区间两侧电压相角差的变化平面上，将相角差的变化范围分为7个区，如图4所示。

若比相区间相角差变化轨迹满足变化规律a或变化规律b，则可判定，两个测点之间的区域发生失步振荡。

变化规律a：相角差的变化规律为0-1-2-3-4-5-6-0区往复循环；

变化规律b：相角差的变化规律为0-6-5-4-3-2-1-0区往复循环。

本发明的有益效果：

(1)本发明所使用的相角信息，只与相应电压有关，与电压等级、电流大小均无关，因此它摆脱了系统运行方式的影响，可以独立判别系统失步；

(2)本发明所使用的物理概念简洁清晰，使用的电气量最少，应用方便，使用简单；

(3)当系统发生故障时，比相区间的相角差不可能达到180度，失步和故障时的相角差轨迹截然不同，可以可靠地判别系统失步。

本发明首次将电网中不同地点电压相角信息进行综合利用，得到各个比相区间的相角差，依据电力系统失步时的相角差特征，可快速方便简洁地判断出系统是否失步，并可进一步决定解列的时刻，从而更有利于系统的安全稳定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进一步详细说明。

图1两机等值系统图

图2δ0＝0时，振荡期间线路θ1变化曲线图

图3振荡期间线路θ2变化曲线图

图4振荡中心区间两侧相角差变化规律图

具体实施方式

实施的方式如下：

(1)对各个测点数据进行同步；

(2)采集各个测点的正序电压，利用傅立叶变换，计算每个测点正序电压的相角。(3)选取需要进行比相(计算相角差)的区间(两个测点间的范围)，计算各个比相区间的相角差。

(4)进行相角差轨迹判断，将相角差划为七个区：

θ₁＝300°(-60°)  θ₂＝60°          θ₃＝90°        θ₄＝135°

θ₅＝180°(-180°) θ₆＝225°(-135°) θ₇＝270°(-90°)

相角差轨迹满足“图3-4”所示轨迹变化规律的即可判定为失步。

本发明所提供的判别方法已经在RTDS仿真系统中得到有效的验证。