CN101889377A - 设置电力系统中失步状态的自由检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定失步状态的方法和电力系统内的解列实例。本方法不需要用户设置并且确保了可恢复电力振荡与滑极之间的可靠区分，滑极指示了不可恢复的电力振荡并且有必要进行系统解列。如果需要，本方法还允许以用户选择的系统角度来跳闸。然后，在基于本发明的标准检测到失步状态之后系统可以安全解列时，利用计算出的角度来确定控制以预期角度来跳闸的振荡电流的幅值。

Description

设置电力系统中失步状态的自由检测的方法
技术领域
本发明涉及一种确定失步状态的方法和一种在电力系统内以一种预期的系统角度来确定电力系统解列(separation)的方法。
现有技术
保护继电器被用于检测电力系统中的故障和异常状态。失步状态是那些异常状态的一种，在这种状态下电力系统不得不解列从而保护各个孤岛的健康。这些异常的状态会导致电力系统变得不稳定，而这种不稳定会引起电压跌落或中断。
为了能够采取补救措施，首先必须确定电力系统什么时候变得不稳定。为了达到这个目的，在传统上，失步保护是利用阻抗防护罩(impedance blinder)来测量所测阻抗的轨迹横穿两个防护罩所花费的时间而实现的。这种方法需要非常详细的系统研究且通常只能检测经过相对侧的防护罩之后的状态。这种方法也没有给出系统角度改变的任何指示，因此无助于提供合适的时间(角度)来解列该系统。
另一种已知的方法是结合阻抗改变率和多边形特征，利用振荡阻抗的有功部分(active part)的极性来区别可恢复振荡和滑极。
还有另一种已知的方法是利用可预测失步跳闸功率的高改变率和在进入和离开多边形特征时正序电阻的有功部分的极性改变。
还有另一种已知的方法，其具有一种技术，该技术利用了必须进行设置的启动多边形(starting polygon)。该算法利用了基于速度估计和阻抗轨迹的形状分析的“空间矢量估计”。在振荡状态下，阻抗矢量描绘出一个椭圆形轨迹。通过分析带有所估计中心的这个椭圆，我们也可以区分稳定和不稳定的振荡。轨迹形状和振荡速度的任何改变都可以被发现，使得可以检测到高达7Hz的滑动频率。
这些方法的缺点是由以下原因造成的：所有这些方法都需要对失步检测方法进行全面的系统研究才能取得成功，都需要设置一些所取决的参数并且设定正确地运行算法，而且还要在这些设置的限制之内。因此，这些方法没有一个是完全自由设置的并且无助于以最优化的角度来解列系统。
因此，需要更精确地获知系统什么时候会失步从而能够以最优的角度将系统解列为孤岛(island)，以避免系统的崩溃和中断，同时也在解列过程中显著地减少了断路器的中断职责。
本发明的一个目的是提供一种确定失步状态的方法，其不需要用户设定且确保了对可恢复电力振荡和滑极的可靠区分，滑极表明不可恢复的电力振荡且需要进行系统解列。
本发明的另一个目的是提供一种方法，如果希望，该方法也允许以用户选择的系统角度来跳闸。
本发明的应用是普遍的，且不依赖于主要负载电流和网络配置的水平。
发明内容
本发明的要点是：叠加的正序电流(ΔI)的极性改变与正序电阻(ΔR)的极性改变相比总是稳定系统状况所特有的并且在失步状态下尤其不同。全部测量都是本地的。
在可恢复电力振荡的情况下，ΔI极性改变与ΔR极性改变是一致的，然而在滑极状态中，ΔI改变符号而ΔR没有改变其极性。
根据本发明的方法包括以下步骤：
测量电力系统的电流和电压；
计算叠加的正序电流和叠加的正序电阻；
确定叠加的正序电流(ΔI)的极性改变；
确定叠加的正序电阻(ΔR)的极性改变；
对叠加的正序电流的(ΔI)极性改变和正序电阻(ΔR)的极性改变进行比较；
当ΔI的极性改变随着ΔR的极性改变而改变时，确定为可恢复的振荡；
当ΔI的极性发生改变而ΔR的极性保持不变时，确定为滑极，其表明不可恢复的振荡；
基于滑极检测来计算跳闸的准确瞬时值(Itripping)，其对应于不稳定电力系统的两端之间的期望角度。
本发明允许以有利的角度自由设置失步检测和进行系统分离从而保护主要设备。
根据本发明的另一个方面，根据以下公式来确定以期望角度θ来控制跳闸的振荡电流的幅值：
Itripping＝Imaxsin(θ/2)，
其中：
θ是在240°和270°之间选择的期望系统分离角度，
Imax＝记录的最大振荡电流。
附图说明
通过参照以下附图作为非限制性示例的以下说明，本发明的其他特征和优点将变得明了，图中：
图1以阻抗平面(R[电阻]为x-轴，X[电抗]为y-轴)的形式，表示了下面两个波形(振荡电流(y-轴)对时间(x-轴))的阻抗轨迹；
图2示出了带有A，B，C三个标记的振荡电流对时间的关系，其中A代表振荡开始之前的电流，B代表振荡电流达到最大值时的点，C代表振荡电流最小值；
图3描绘了振荡电流幅值(如图2所示)，其是针对一个振荡周期内振荡系统两端的内部电压之间不同的角度差而绘制的。X-轴代表角度，Y轴代表电流幅值；
图4表示了最初在可恢复模式下振荡(该图的左半部分)然后在并联线路故障排除之后以不可恢复模式振荡的系统的电流对时间的曲线，该曲线上叠加了同样对时间的ΔI(正序)和ΔR(正序)；
图5示出了本发明的测量和鉴别逻辑模块。
具体实施方式
从图1可以看出，随着振荡的进行，ΔI的正号与ΔR的负号相一致，反之也是这样。在振荡电流达到其峰值(图1中标记为P)之后，不论振荡的性质如何ΔI极性都将从正变负。在该点检测ΔR极性。
参照图1，参考1表示ΔR将在振动的开始处的点。如果ΔR的极性从负变为正，则是个可恢复的振荡，由代表可恢复振荡的ΔR轨迹的箭头2示出。然而，如果ΔR极性保持为负，则是个不可恢复的振荡，由代表不可恢复振荡的ΔR轨迹的箭头3示出。
如图1中所示，可恢复振荡的振荡电流轨迹通常是对称的(上升部分的时长等于下落部分的时长)。在达到振荡峰值电流之后，ΔI和ΔR的极性改变会不一致。图1中的不可恢复振荡轨迹给出了典型的滑极状态。在ΔI改变极性的时间点记录最大振荡电流并且将其用作两个等效源之间的最大相移的指示。在滑极状态被检测到的时间点，两个源之间的相移等于180度。存储这个峰幅值并用于从数学上计算两个源之间的精确角度。利用这个计算出的角度来确定在基于本发明的标准进行失步状态检测之后系统可以安全解列的最早时间点，然后可以发出跳闸命令。
图2示出了由负载状态发展成滑极状态的过程中振荡电流的走势。只有不对称电流轨迹的第一部分特性是有用的且被考虑。相电流从负载状态(点A)开始，逐渐趋近最大值(点B)并加速到最小值(点C)。
图3示出了两个端点之间的不同角度的振荡电流幅值，从负载电流(点A：源内部电压为40度)开始，然后朝着最大电流(B：180度的源)移动，并返回最小点(C：0度的源)。然后，计算振荡电流的半径而且这个圆证实了振荡电流轨迹是个真正的圆。
图4示出了针对电力振荡状态绘制在振荡电流旁边的叠加量，该振荡状态在并联传输线路故障排除之后发展成为滑极。
图4基本上是最初以可恢复模式振荡(该图的左半部分)，接着在并联线路故障排除之后以不可恢复模式振荡的系统的电流对时间的曲线。该曲线上叠加了同样对时间的ΔI(正序)和ΔR(正序)。
图5给出了电力系统中用于监视稳定性和检测失步状态的装置的检测和鉴别逻辑模块。
该逻辑模块包括：
测量电力系统(power)的电流和电压的装置，
计算叠加的正序电流和叠加的正序电阻的装置，
确定叠加的正序电流(ΔI)的极性改变的装置，
确定叠加的正序电阻(ΔR)的极性改变的装置，
对叠加的正序电流(ΔI)的极性改变与正序电阻(ΔR)的极性改变进行比较的装置，
当ΔI的极性改变随着ΔR的极性改变而不断改变时，确定为可恢复振荡的装置，
当ΔI的极性不断改变其符号而ΔR的极性保持不变时，确定为滑极的装置，滑极指示了不可恢复的振荡，
基于滑极检测来计算跳闸的准确瞬时值(Itripping)的装置，该准确瞬时值对应于不稳定电力系统两个端点之间的期望角度，
将该状态指示给继电器OOS报警/跳闸逻辑模块的装置，
在检测到滑极状态并且确定了解列角度时发出跳闸命令以便对系统进行解列的装置，
基于滑极状态的确定，以安全的系统角度开始跳闸的装置。
上述装置是一种电力系统保护设备，通常被称为保护继电器。
电流和电压输入被用来计算叠加的正序电流和叠加的正序电阻。
正序电流、正序电压和期望跳闸角度是需要输入给该逻辑模块的。
随着振荡的进行，ΔI的正号与ΔR的负号相一致，反之亦然。在峰电流处，无论振荡特性如何，ΔI的极性都会从正变为负，在该点检查ΔR的极性，如果ΔR的极性从负变为正，则是可恢复的振荡。然而，如果ΔR的极性保持为负，则是不可恢复的振荡。在ΔI改变极性的点记录最大振荡电流并且将其用作两个等效源之间的最大相移的指示。在检测到滑极状态的时间点，两个源之间的相移等于180度。这个峰幅值被存储并用来从数学上计算两个源之间的精确角度。然后利用这个计算出的角度来确定在基于本发明的标准进行失步状态检测之后系统可以安全解列的最早时间点，并且可以发出跳闸命令。电力系统必须以有利的角度解列从而使分成的系统稳定。一些运行实际要求两个源之间的角度(θ)在至少240度并接近360度的时候失步跳闸。然而，另外一些实际情况则要求在270度时跳闸。总之，当电压失相时，绝不允许失步跳闸。
在本发明的优选实施方式中，振荡电流以矢量形式来加以确定：
I＝(Vs-Vr)/ZT
其中：
Vs是发送端的Ph-N电压，
Vr是接收端的Ph-N电压，
ZT是总线路阻抗Zs+Zline+Zr，
其中：Zs是发送端的源阻抗，
Zline是线路阻抗，
Zr是接收端的源阻抗。
当振荡电流为零时，Vs和Vr是同相的。
当振荡电流为最大值时，Vs和Vr相差180度。
通过在滑极过程中监视振荡电流改变行为并记录最大振荡电流，能够以期望角度θ来计算精确跳闸点。
优选的是，控制跳闸的电流的幅值是如下确定的：
Itripping＝Imaxsin(θ/2)，
其中：
θ是期望的系统解列角度。

Claims (3)

1.一种基于包含在振荡电流内的与远端电压角度有关的信息来确定失步跳闸角度的方法，其特征在于包括以下步骤：
测量电力系统的电流和电压；
计算叠加的正序电流和叠加的正序电阻；
确定叠加的正序电流ΔI的极性改变；
确定叠加的正序电阻ΔR的极性改变；
对叠加的正序电流ΔI的极性改变与正序电阻ΔR的极性改变进行比较；
当ΔI的极性改变随着ΔR的极性改变而改变时，确定为可恢复的振荡；
当ΔI的极性发生改变而ΔR的极性保持不变时，确定为指示了不可恢复的振荡的滑极；
基于滑极检测来计算跳闸的准确瞬时值Itripping，该准确瞬时值对应于不稳定电力系统的两端之间的期望角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制以期望角度θ来跳闸的振荡电流的幅值由公式Itripping＝Imaxsin(θ/2)来确定，
其中：
θ是选自240°到270°之间的期望的系统解列角度。
3.一种基于包含在振荡电流内的与远端电压角度有关的信息来确定失步跳闸角度的设备，其特征在于包括：
测量电力系统的电流和电压的装置；
计算叠加的正序电流和叠加的正序电阻的装置；
确定叠加的正序电流ΔI的极性改变的装置；
确定叠加的正序电阻ΔR的极性改变的装置；
对叠加的正序电流ΔI的极性改变与正序电阻ΔR的极性改变进行比较的装置；
当ΔI的极性改变随着ΔR的极性改变而持续改变时，确定为可恢复的振荡的装置；
当ΔI的极性持续改变其符号而ΔR的极性保持不变时，确定为指示了不可恢复的振荡的滑极的装置；
基于滑极检测来计算跳闸的准确瞬时值Itripping的装置，该准确瞬时值对应于不稳定电力系统的两个端点之间的期望角度；
将该状态指示给继电器OOS报警/跳闸逻辑模块的装置；
在检测到滑极状态并且确定了解列角度时发出跳闸命令以对系统进行解列的装置；
当确定为滑极状态时以安全的系统角度开始跳闸的装置。
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