本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù):
振蕩中心的準(zhǔn)確定位和追蹤是電力系統(tǒng)振蕩研究的重要方面,能夠?yàn)楸Wo(hù)振蕩閉鎖及再開放方案的構(gòu)建以及電力系統(tǒng)解列控制策略的制定提供重要的參考依據(jù)。
傳統(tǒng)的基于本地電氣量的振蕩識(shí)別方案受到本地信息的束縛,未考慮到線路對側(cè)的電氣量特征,在振蕩中心定位與追蹤方面存在諸多缺陷:基于無功電壓的識(shí)別判據(jù)能夠確定振蕩中心出現(xiàn)的時(shí)刻,卻無法對振蕩中心的位置進(jìn)行定位;基于補(bǔ)償原理的識(shí)別判據(jù)具有一定的自適應(yīng)性,但在線路兩側(cè)電壓幅值不等時(shí)該類判據(jù)無法準(zhǔn)確定位振蕩中心;基于視在阻抗角的借助保護(hù)安裝處電壓和測量電流的夾角判斷系統(tǒng)是否處于振蕩狀態(tài),該類判據(jù)不受振蕩周期變化的影響,但容易在線路潮流方向相反時(shí)發(fā)生誤判。上述方案也能應(yīng)用于保護(hù)振蕩閉鎖,但大都存在整定困難,難以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響。而且現(xiàn)有基于廣域信息的振蕩識(shí)別和保護(hù)振蕩方案較少。
近年來,隨著高速廣域網(wǎng)技術(shù)和廣域測量技術(shù)的飛速發(fā)展,WAMS(Wide Area Measurement System)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)電氣相量的同步獲取,量測量的刷新頻率和通信延時(shí)可滿足保護(hù)振蕩閉鎖和振蕩中心追蹤的需求。
因此希望有一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)及其控制方法可以克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)及其控制方法來克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng),所述振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)包括順序連接的信息采集與處理模塊,保護(hù)振蕩閉鎖模塊與保護(hù)再開放模塊;
所述信息采集與處理模塊用于獲取保護(hù)安裝處電流、電壓與測量阻抗的信息,并將其發(fā)送至保護(hù)振蕩閉鎖模塊;
所述保護(hù)振蕩閉鎖模塊用于追蹤計(jì)算振蕩中心的位置函數(shù),判別系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)開放;
所述保護(hù)再開放模塊用于判別系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)閉鎖。
本發(fā)明還提供一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)的控制方法,包括以下步驟:
(1)利用線路本側(cè)電壓、電流相量及對側(cè)的電壓幅值,獲取振蕩中心位置函數(shù)α和電氣距離系數(shù);
(2)實(shí)時(shí)追蹤電力系統(tǒng)振蕩中心,根據(jù)振蕩中心電氣距離系數(shù)的特點(diǎn),構(gòu)造距離保護(hù)振蕩閉鎖判據(jù)、保護(hù)再開放判據(jù)及其輔助判據(jù)。
優(yōu)選地,所述步驟(1)中的所述振蕩中心位置函數(shù)α定義為振蕩中心到M點(diǎn)的距離占線路全長的比例,可以表示為:
式中,和分別為測量電壓與振蕩中心電壓間相角差,ke為線路兩側(cè)測量電壓幅值之比,即
優(yōu)選地,所述步驟(1)中所述的電氣距離系數(shù)定義為保護(hù)安裝處到振蕩中心的電壓與等值機(jī)內(nèi)電勢點(diǎn)到振蕩中心的電壓之比,線路兩側(cè)的電氣距離系數(shù)可以表示為:
式中,線路兩側(cè)系統(tǒng)阻抗分別為Zm和Zn,被保護(hù)線路阻抗為ZL。Um與Im分別為M側(cè)的測量電流與測量電壓。
優(yōu)選地,所述步驟(2)中所述振蕩閉鎖判據(jù)為:
式中,δ為系統(tǒng)等效電勢夾角,δset取為90°,工程中電力系統(tǒng)振蕩周期一般為0.2s~1.5s,取最短振蕩周期為0.2s,此時(shí)系統(tǒng)功角變化率為|Δδ/Δt|=10πrad/s,因此δ′set可取為10πrad/s,可靠系數(shù)為Krel=1.2。
優(yōu)選地,所述步驟(2)中所述保護(hù)再開放判據(jù)為:
|Δk1/Δt|≥k′set
式中,Δt為采樣時(shí)間間隔,考慮到一定的裕度和可靠性,k′set取為突變前k1變化率的10倍,即k′set=50|Δk1(t-1)/Δt|。
優(yōu)選地,所述步驟(2)中所述保護(hù)再開放的輔助判據(jù)為:
k1(n)-k1(n-k)≥0.02
式中,k1(n)為檢測到突變的k1的值,k1(n-k)為突變前k個(gè)采樣點(diǎn)的值,為了滿足快速性和可靠性,可以按照半個(gè)周波內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)取值。因本文采用的采樣頻率為2kHz,取k=20。
本發(fā)明提出一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)及其控制方法,通過本發(fā)明的蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)及其控制方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算線路兩側(cè)系統(tǒng)功角,在功角較小時(shí)快速開放保護(hù),可有效減少距離保護(hù)被盲目閉鎖的時(shí)間;可實(shí)時(shí)追蹤振蕩中心位置,并在系統(tǒng)振蕩再故障時(shí)快速開放保護(hù),提升了保護(hù)動(dòng)作性能;不受系統(tǒng)兩側(cè)等效電動(dòng)勢幅值不等及保護(hù)背側(cè)阻抗變化的影響,能夠適應(yīng)不同的振蕩模式。
附圖說明
圖1是一種振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是電力系統(tǒng)振蕩的等效分析模型。
圖3是系統(tǒng)振蕩時(shí)M側(cè)測量電壓移動(dòng)軌跡圖。
圖4是系統(tǒng)中電壓電流相量。
圖5是系統(tǒng)經(jīng)弧光電阻或金屬性接地發(fā)生三相短路時(shí)的相量圖。
圖6是功角未擺開振蕩中心落在線路外時(shí)的相量分析圖。
圖7是振蕩中心軌跡跟隨變化曲線圖。
圖8是系統(tǒng)振蕩識(shí)別流程圖。
圖9是距離保護(hù)振蕩閉鎖再開放策略流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中,自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的,旨在用于解釋本發(fā)明,而不能理解為對本發(fā)明的限制?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
在本發(fā)明一寬泛實(shí)施例中:所述振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)包括順序連接的信息采集與處理模塊,保護(hù)振蕩閉鎖模塊與保護(hù)再開放模塊;所述信息采集與處理模塊用于獲取保護(hù)安裝處電流、電壓與測量阻抗的信息,并將其發(fā)送至保護(hù)振蕩閉鎖模塊;所述保護(hù)振蕩閉鎖模塊用于追蹤計(jì)算振蕩中心的位置函數(shù),判別系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)開放;所述保護(hù)再開放模塊用于判別系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)閉鎖。
在本發(fā)明另一寬泛實(shí)施例中:振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)的控制方法,包括以下步驟:
(1)利用線路本側(cè)電壓、電流相量及對側(cè)的電壓幅值,獲取振蕩中心位置函數(shù)α和電氣距離系數(shù);
(2)實(shí)時(shí)追蹤電力系統(tǒng)振蕩中心,根據(jù)振蕩中心電氣距離系數(shù)的特點(diǎn),構(gòu)造距離保護(hù)振蕩閉鎖判據(jù)、保護(hù)再開放判據(jù)及其輔助判據(jù)。
如圖1所示,所述振蕩中心追蹤與保護(hù)閉鎖系統(tǒng)包括順序連接的信息采集與處理模塊1,保護(hù)振蕩閉鎖模塊2與保護(hù)再開放模塊3。
所述信息采集與處理模塊1用于獲取保護(hù)安裝處電流、電壓與測量阻抗的信息,并將其發(fā)送至保護(hù)振蕩閉鎖模塊;
所述保護(hù)振蕩閉鎖模塊2用于追蹤計(jì)算振蕩中心的位置函數(shù),判別系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)開放;
所述保護(hù)再開放模塊3用于判別系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將保護(hù)閉鎖,否則保護(hù)持續(xù)閉鎖。
如圖2所示,和分別表示線路兩側(cè)系統(tǒng)等效電勢,且兩者幅值大小相等。線路兩側(cè)系統(tǒng)阻抗分別為Zm和Zn。被保護(hù)線路阻抗為ZL,系統(tǒng)全阻抗定義為Z∑=ZM+ZL+ZN。設(shè)系統(tǒng)上下級(jí)元件阻抗角相等,均為被保護(hù)線路阻抗角為線路M側(cè)保護(hù)安裝處測量電流。
如圖3所示,和分別表示M側(cè)和N側(cè)的測量電壓,表示M側(cè)測量電壓與電流間夾角。當(dāng)系統(tǒng)中各元件阻抗角基本相同時(shí),各點(diǎn)的電壓相量的端點(diǎn)均落在圖中相量上。過O點(diǎn)對做垂線,與之間的夾角為C點(diǎn)為線路電壓最低點(diǎn),故相量即為振蕩中心電壓,振蕩中心位于處,其電壓為若M側(cè)保護(hù)背側(cè)阻抗ZM是系統(tǒng)全阻抗Z∑的1/4,則M側(cè)測量電壓相量的端點(diǎn)將落在相量靠近M側(cè)的1/4處,據(jù)此可在圖3中描繪出相量的移動(dòng)軌跡。當(dāng)兩側(cè)電動(dòng)勢夾角在0°~360°間變化時(shí),的端點(diǎn)將在圓弧上移動(dòng),即無論系統(tǒng)兩側(cè)電動(dòng)勢間夾角如何變化,的端點(diǎn)均落在相量靠近M側(cè)的1/4處,由此可推出圖中線段SM、MN、NC的長度之間的關(guān)系為SM:MN:NR=ZM:ZL:ZN。
如圖4所示,當(dāng)系統(tǒng)兩側(cè)等效電動(dòng)勢幅值大小不等時(shí),系統(tǒng)中電壓電流相量在系統(tǒng)中元件阻抗角基本相同的情況下,系統(tǒng)中各電壓相量的端點(diǎn)落在相量上,且的端點(diǎn)落在相量靠近M側(cè)的1/4處。與圖3不同的是,振蕩中心電壓相量將向電動(dòng)勢幅值較小的一側(cè)偏移,不再位于系統(tǒng)全阻抗的中點(diǎn)處。圖4中和分別為測量電壓與振蕩中心電壓間相角差,δ1和δ2分別為等效電勢與振蕩中心電壓間相角差。線路兩側(cè)電壓間相角差系統(tǒng)等效電勢夾角δ=δ1+δ2。下面通過分析求解δ以及振蕩中心的位置。
圖4存在如下三角函數(shù)關(guān)系:
式中,ke為線路兩側(cè)測量電壓幅值之比,即k1、k2分別為M側(cè)和N側(cè)保護(hù)安裝處到振蕩中心的電壓降與等值機(jī)內(nèi)電勢點(diǎn)到振蕩中心電壓降的幅值之比,即
聯(lián)立式(1)中四個(gè)方程,在M側(cè)測量電壓電流間夾角已知的情況下,可得N側(cè)測量電壓與振蕩中心電壓間的相角差為:
定義振蕩中心到M點(diǎn)的距離占線路全長的比例為振蕩中心位置函數(shù)α,由圖3及式(1)中第一個(gè)方程可知:
定義保護(hù)安裝處到振蕩中心的電壓與等值機(jī)內(nèi)電勢點(diǎn)到振蕩中心的電壓之比為電氣距離系數(shù),線路兩側(cè)的電氣距離系數(shù)分別為:
由式(4)和式(5)可以看出,該系數(shù)本質(zhì)上是振蕩中心到母線的電氣距離與振蕩中心到系統(tǒng)等值機(jī)內(nèi)電勢點(diǎn)的電氣距離之比。將式(2)、式(4)及式(5)代入式(1)中的第三個(gè)和第四個(gè)方程可得:
在M側(cè)保護(hù)安裝處的測量電壓和測量電流之間的夾角可測的情況下,式(6)和式(7)中的變量均已知(ke可借助線路兩側(cè)測量電壓的幅值計(jì)算得到),因此,圖3中線路兩側(cè)電壓間的相角差為:
同時(shí),系統(tǒng)等效電勢夾角為:
式中:
系統(tǒng)經(jīng)弧光電阻或金屬性接地發(fā)生三相短路時(shí)的相量圖如圖5所示,故障點(diǎn)位于線路MN的F點(diǎn)。此時(shí),對于故障通路有:
式中:為弧光電阻的壓降;Zf為M側(cè)保護(hù)安裝處到故障所在位置的線路阻抗。
當(dāng)發(fā)生經(jīng)電弧電阻接地的三相短路時(shí),電弧電阻上的壓降最大不超過可忽略助增電流對接地點(diǎn)電壓的影響,因此圖中和故障點(diǎn)電流近似同相位。根據(jù)圖5計(jì)算與式(4)和(5)具有相同形式的電氣距離系數(shù):
式中,β為故障點(diǎn)到M側(cè)保護(hù)安裝處占線路全長的比例,該比例取決于故障點(diǎn)在線路MN的位置。
以線路M側(cè)為例,對比式(11)和式(4)可以看出,在系統(tǒng)振蕩期間發(fā)生三相經(jīng)電弧電阻或金屬性接地故障時(shí),振蕩中心電氣比例系數(shù)將發(fā)生突變。若系統(tǒng)僅發(fā)生振蕩,振蕩中心位于線路中點(diǎn)處,此時(shí)若振蕩中在距M側(cè)0.2倍線路全長處發(fā)生三相故障,則k1將突變?yōu)椴⒈3植蛔冎敝凉收锨谐?。根?jù)該特性可以構(gòu)造對稱故障情況下,振蕩閉鎖開放策略。
由式(6)、式(7)和式(9)可以精確計(jì)算出系統(tǒng)兩側(cè)功角,考慮到系統(tǒng)振蕩時(shí)兩側(cè)功角呈現(xiàn)慢變特性,而故障時(shí)功角將發(fā)生突變,構(gòu)造振蕩識(shí)別判據(jù)如下:
計(jì)及系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限以及振蕩中再故障時(shí)系統(tǒng)功角間的配合,并考慮一定的裕度,可將式(13)中δset取為90°。工程中電力系統(tǒng)振蕩周期一般為0.2s~1.5s,取最短振蕩周期為0.2s,此時(shí)系統(tǒng)功角變化率為|Δδ/Δt|=10πrad/s,因此δ′set可取為10πrad/s,可靠系數(shù)為Krel=1.2。
當(dāng)計(jì)算出的系統(tǒng)功角大于門檻值時(shí),閉鎖本線路保護(hù),以避免振蕩中相鄰線路發(fā)生短路導(dǎo)致本保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)計(jì)算出的系統(tǒng)功角小于門檻值時(shí),立即開放本線路及相鄰線路的距離保護(hù),可有效減少系統(tǒng)振蕩初期功角尚未擺開時(shí)距離保護(hù)被不合理閉鎖的時(shí)間,并能夠有效提升振蕩閉鎖期間發(fā)生故障時(shí)保護(hù)再開放的性能。
根據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算得到的系統(tǒng)兩側(cè)等效電動(dòng)勢相角差具有以下特點(diǎn):
1、求取該夾角時(shí),不但需要獲取保護(hù)安裝處的測量電壓電流間夾角以及線路兩側(cè)測量電壓幅值之比,還需要已知兩側(cè)保護(hù)背側(cè)阻抗??紤]到保護(hù)背側(cè)阻抗受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響,難以在正常運(yùn)行時(shí)測量,故在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),根據(jù)疊加原理可得M側(cè)測量電壓電流突變量間存在關(guān)系:進(jìn)而求取M側(cè)保護(hù)背側(cè)阻抗為:
式中,和分別為測量電壓電流突變量的正序分量,采用同樣方法可得N側(cè)保護(hù)背側(cè)阻抗。
2、如圖3所示,線路兩側(cè)電壓分別與相量間的夾角θ1和θ2均為銳角。通過前面的分析可知相量與相量相等,故可得式(6)和式(7)成立的條件為:
如圖6所示,當(dāng)系統(tǒng)功角未擺開時(shí),若兩側(cè)電壓幅值不等,振蕩中心可能落在線路MN之外。
這種情況下,式(6)和式(7)將有較大的誤差,計(jì)算得到的系統(tǒng)功角可能較大。為了避免誤判,將式(15)和(16)作為振蕩閉鎖的輔助判據(jù)。當(dāng)式(15)和(16)同時(shí)成立時(shí),通過式(6)和式(7)能夠精確反應(yīng)系統(tǒng)兩側(cè)功角,不受系統(tǒng)兩側(cè)電壓幅值不相等的影響。當(dāng)式(15)和(16)不同時(shí)成立,且計(jì)算出的功角較大時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)功角尚未擺開,此時(shí)可以開放保護(hù)。需要說明的是,如果線路兩側(cè)保護(hù)背側(cè)阻抗過大也可能造成振蕩中心位于線路MN之外,或位于保護(hù)背側(cè)或位于相鄰線路上,此時(shí)快速開放保護(hù)并不會(huì)引起距離保護(hù)的誤動(dòng)作。
下面分析線路兩側(cè)電壓幅值不相等對于振蕩中心位置的影響。振蕩中心位置函數(shù)α隨變化的曲線如圖7所示,圖中給出了線路兩側(cè)電壓幅值比ke由上至下在0.8-1.2范圍內(nèi)變化時(shí),振蕩中心的變化軌跡。在ke=1.2時(shí),系統(tǒng)功角較小,此時(shí)振蕩中心位于線路MN上靠近M的一側(cè),也印證了前文提到的振蕩中心將向線路電壓幅值較小的一側(cè)偏移的情況。而后隨著系統(tǒng)功角擺開,振蕩中心逐漸向電壓幅值較大的一側(cè)偏移。ke<1時(shí)振蕩中心位置的變化趨勢正好與之相反,ke=1時(shí)振蕩中心位于線路中點(diǎn)處。
如圖8所示,通過線路兩側(cè)保護(hù)安裝處測量電壓和電流計(jì)算它們之間的夾角以及底角θ1、θ2,并將線路兩側(cè)電壓幅值比ke代入式(9)計(jì)算系統(tǒng)功角δ,若式(13)、式(15)和式(16)同時(shí)成立,則判別系統(tǒng)發(fā)生了振蕩,將保護(hù)閉鎖,并追蹤計(jì)算振蕩中心的位置函數(shù),否則保護(hù)持續(xù)開放。
傳統(tǒng)距離保護(hù)振蕩閉鎖方案:在零序、負(fù)序啟動(dòng)元件動(dòng)作之后短時(shí)開放保護(hù)160ms,之后一直將距離保護(hù)I段和II段閉鎖,振蕩中再發(fā)生故障時(shí)重新開放,但重新開放的策略十分繁瑣,尤其對于振蕩中再發(fā)生金屬接地故障的情況,開放判據(jù)亦需150ms才能動(dòng)作,極大地降低了距離保護(hù)的動(dòng)作性能。在采用圖7所示的振蕩識(shí)別及閉鎖方案后,線路的距離保護(hù)I段和II段如果動(dòng)作,首先檢測振蕩閉鎖標(biāo)志位是否為0,若為0則直接開放保護(hù)。若為1則根據(jù)式(4)計(jì)算線路保護(hù)安裝處電氣比例系數(shù),通過前面的分析可知,此時(shí)系統(tǒng)功角差較大,電氣比例系數(shù)的值基本不變;若發(fā)生故障,其值會(huì)發(fā)生突變,構(gòu)造開放判據(jù)如下:
|Δk1/Δt|≥k′set (17)
式中,Δt為采樣時(shí)間間隔,考慮到一定的裕度和可靠性,k′set取為突變前k1變化率的10倍,即k′set=50|Δk1(t-1)/Δt|。
同時(shí),易知突變后電氣比例系數(shù)與僅振蕩無故障時(shí)電氣比例系數(shù)因故障位置一般與振蕩中心所在位置不同,存在一定的差值,由此可以構(gòu)造輔助判據(jù)如下:
k1(n)-k1(n-k)≥0.02 (18)
式中,k1(n)為檢測到突變的k1的值,k1(n-k)為突變前k個(gè)采樣點(diǎn)的值,為了滿足快速性和可靠性,可以按照半個(gè)周波內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)取值。因本文采用的采樣頻率為2kHz,取k=20。通過式(17)和式(18)的相互配合,能夠在振蕩中再故障情況下快速可靠開放保護(hù)。
如圖9所示,在振蕩閉鎖期間,若計(jì)算出的k1滿足式(17),隨后滿足式(18),則判斷為故障,否則保護(hù)持續(xù)閉鎖。
最后需要指出的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而非對其限制。盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改,或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而這些修改或者替換,并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。