CN102200564B - 一种基于功角计算的电力系统振荡识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于系统两侧等效电势之间功角计算的振荡识别方法，所述方法包括：电力系统全相运行、非全相运行时的振荡识别。考虑到系统全相运行或者非全相运行时，可以通过计算振荡中心电压和系统等效电势大小，从而获得基于两侧等效电势之间功角大小的振荡识别。本发明能在电力系统非全相运行时计算出功角，采用本发明后，继电保护装置动作的可靠性和速动性都得到了提高，十分有利于快速、可靠地区别振荡和短路故障，有利于电力系统的稳定和安全、有利于提高供电的可靠性。

Description

一种基于功角计算的电力系统振荡识别方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，具体地涉及一种振荡识别方法。

技术背景

在电力系统及其自动化的领域中，正确识别电力系统振荡与故障，在振荡中快速检测出故障以切除故障区段，是有待改善的重要问题之一。

对于振荡过程中发生的对称短路故障，常用U_mcosφ_L估测振荡中心电压的方法构成对称故障判别元件（U_m是保护安装处的测量电压，φ_L是保护安装处测量电压U_m和测量电流I_m之间的夹角）。这种识别方法延时比较长（通常为150ms），且由于估测原因，可能造成较大误差。对于振荡过程中发生的不对称短路故障，常用正，负，零三序电流之间的幅值和相位关系来构成故障判别元件。这种识别方法的缺陷在于：两侧电源功角较大时，发生区内故障，在某些不对称短路故障情况下保护开放的延时可能过长（有可能会超过1s）。随着电力系统的快速发展和网架结构的日益复杂，经过较长时间的延时再切除故障，也是电网所不能允许的。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提出了一种基于功角计算的电力系统振荡识别方法。本发明具体采用以下技术方案：

1、一种基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）采集保护安装处的测量电压、测量电流以及它们之间的夹角；线路故障后的正、负序网的故障分量；非全相运行的条件下还应采集运行时保护安装处的负序电压和负序电流。

（2）应用下述公式（1）计算两侧等效电势的功角δ；

——保护安装处的测量电压和测量电流；

——故障分量的正序电压、正序电流，

反映了背后的系统等值阻抗；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角，其值约在65°～90°范围，对于具体输电线路为已知参数；

（3）当δ≤80°（失稳的边界判据）时，允许距离保护以较快的速度跳闸；

（4）当δ＞80°时，距离保护再应用式（2）来确定是振荡，还是故障。

式中，DR_SET（τ）——在τ时间间隔中计算得到的电阻变化率；

——输电线路的阻抗角，其值约在65°～90°范围，对于具体的输电线路，其值为已知；

τ——求电阻变化率的时间计算间隔；

T_Zmax——电力系统最大的振荡周期，约为1.5秒；

Z_∑——双电源系统之间的全部阻抗之和。

当（2）式成立时，判断为电力系统发生了故障，否则认为产生了电力系统振荡。

系统全相运行过程中，若发生对称故障，则Z_S由下述公式（3）确定；全相运行过程中，若发生不对称故障，则Z_S由下述公式（4）确定；非全相运行的过程中，Z_S由下述公式（5）确定；双电源系统的等效综合阻抗由下式（6）确定：

$Z_S=Z_1=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1}---\left(3\right)$

$Z_S=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_2}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(4\right)$

$Z_S=Z_2=-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(5\right)$

式中，

——对称故障后正序网络的电压故障分量和电流故障分量；

——不对称故障后负序网络的电压故障分量和电流故障分量；

——非全相运行时保护安装处的负序电压和负序电流；

U_m、

——保护安装处的测量电压和测量电流；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角。

本发明使用过程中所需的数据均为已知数据，或为可测量的电气量。采集时间在20ms以内，故使用本发明技术方案后，可以在系统全相运行故障时迅速识别故障和振荡；在系统非全相运行时，故障前就可计算功角大小，十分有利于快速、可靠地区别振荡和短路故障，有利于电力系统的稳定和安全、有利于提高供电的可靠性。

附图说明

图1是基于功角计算的振荡识别方法中振荡识别流程图；

图2是基于功角计算的振荡识别方法中双电源系统等效示意图；

图3是基于功角计算的振荡识别方法中双电源系统电气量相量图；

图4是基于功角计算的振荡识别方法中非全相运行序网图；

图5是基于功角计算的振荡识别方法中非全相运行等效序网图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明所要求保护的技术方案进行详细说明。

基于功角计算的振荡识别基本原理如下：

系统振荡时，两侧电势会摆开δ角度，δ角度不太大时（通常以80°作为是否失稳的边界判据），可以加快距离保护的动作速度，此时，即使系统处于振荡的状态，那么，也不会对距离保护产生太大的影响，类似于系统处在过负荷状态；δ角度较大时（大于80°），继电保护应该迅速进行振荡与故障的识别，如果判定是振荡，应当闭锁距离保护，防止误动。通过已知数据和短时间内可采集的电气量计算出δ值，可以对全相和非全相运行时的电力系统进行振荡与短路故障的识别。

本发明采用如下技术方案：

一种基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：

（1）采集保护安装处的测量电压、测量电流以及它们之间的夹角；线路故障后的正、负序网的故障分量；非全相运行的条件下还应采集运行时保护安装处的负序电压和负序电流。

（2）应用下述公式（1）计算两侧等效电势的功角δ；

（3）当δ≤80°（失稳的边界判据）时，允许距离保护以较快的速度跳闸；

（4）当δ＞80°时，距离保护应用式（2）来确定是振荡，还是故障。

式中，U_m——保护安装处的测量电压；

——保护安装处的测量电流；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角；

Z_∑——双电源系统的等效综合阻抗；

DR_SET（τ）——在τ时间间隔中计算得到的电阻变化率；

τ——求电阻变化率的时间计算间隔；

T_Zmax——电力系统最大的振荡周期，约为1.5秒。

图1是基于功角计算的振荡识别方法中振荡识别流程图；下面根据说明书附图对上述技术方案进一步详细说明。

图2为双电源系统等效示意图。在分析振荡影响的过程中，仍然采用两个典型的假设：1）两侧电势的模值相等；2）各元件的阻抗角相等。

图3为双电源系统电气量相量图。由图3可以知道，振荡中心电压的大小为：

负荷阻抗角为可测量的电气量，线路阻抗角为已知量。所以，采集保护安装处的测量电压U_m，即可获得振荡中心电压的准确值。由图2的电路关系，可得：

${\stackrel{\·}{E}}_S={\stackrel{\·}{U}}_m+Z_S{\stackrel{\·}{I}}_m---\left(4\right)$

式（4）中，

为负荷状态的测量值，Z_S——等效电势的等效阻抗。只有Z_S为未知数，求解Z_S，在全相和非全相运行时有不同的方法。

系统全相运行过程中，若发生对称故障，故障后，恰好继电保护需要判断是否跳闸，容易获得正序网络的电压和电流的故障分量

则Z_S由下述公式（5）确定；

全相运行过程中，若发生不对称故障，故障后，会出现负序分量，继电保护容易获得负序网络的电压和电流的故障分量

则Z_S由下述公式（6）确定；

非全相运行的过程中，此时，即使系统没有发生短路，也可以依据负序网络计算出系统阻抗。如果非全相运行时，测量到的负序分量很小，那么，可以说明功角较小，因此，对保护的影响也较小。将非全相运行时的复合序网图画出，如图4所示，于是，在分析振荡时，可以将图4等效为图5的双电源网络。图4示出了本线路非全相的负荷序网，即使非全相发生在其他线路，那么，复合序网图的差异不大，分析的结论也基本上与图4一致。非全相运行情况下的Z_S由下述公式（7）确定。

$Z_S=Z_1=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1}---\left(5\right)$

$Z_S=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_2}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(6\right)$

$Z_S=Z_2=-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(7\right)$

式中，——对称故障后正序网络的电压故障分量和电流故障分量；

——不对称故障后负序网络的电压故障分量和电流故障分量；

——非全相运行时保护安装处的负序电压；

——非全相运行时保护安装处的负序电流。

求解出Z_S，即被求解出来。由图2可知：

$\mathrm{\δ}=2{\cos }^{-1}\left(\frac{U_{\mathrm{OSC}}}{E_S}\right)$

将计算出的功角δ代入下式（8），可计算出系统的综合阻抗：

式中，U_m——保护安装处的测量电压大小；

——保护安装处的测量电流；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角。

计算出的δ值若当小于80°（失稳的边界判据）时，允许距离保护以较快的速度跳闸；当δ＞80°时，距离保护再应用式（2）来确定是振荡，还是故障。当满足式（2）时，判定为电力系统发生了故障，而不是振荡。

本发明利用功角计算结果，在全相和非全相的运行条件下都能有效地识别电力系统是否处于振荡状态；在判断为振荡情况下，还可以确认是否又发生了故障。该方案十分有利于快速、可靠地识别振荡和短路故障，有利于电力系统的稳定和安全、有利于提高供电的可靠性。

为了说明和描述的目的，已经提供了本发明优选实施例的前面的描述。它不是详尽的或者限制本发明为揭露的精确的形式。按照上面的教导许多修改和变化是可能的。本发明的范围不是由这个详细的描述限定,而是由所附的权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于功角计算的电力系统振荡识别方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）采集保护安装处的测量电压、测量电流以及它们之间的夹角，采集线路故障后正、负序的故障分量，非全相运行的条件下还应采集运行时的负序电压和负序电流；

（2）应用下述公式（1）计算系统两侧等效电势的功角δ：

$\mathrm{\δ}={2\cos }^{-1}\left(\frac{U_{\mathrm{OSC}}}{E_S}\right)---\left(1\right)$

其中，U_OSC——振荡中心电压大小；E_S——系统两侧等效电势电压大小；

（3）当δ≤80°时，允许距离保护快速跳闸；

（4）当δ>80°时，距离保护应用式（2）来确定是振荡，还是故障；

当（2）式成立时，判断为电力系统发生了故障，否则认为产生了电力系统振荡：

式中，DR_SET（τ）——在τ时间间隔中计算得到的电阻变化率；

——线路阻抗角，其值约在65°~90°范围，对于具体输电线路为已知参数；

τ——求电阻变化率的时间计算间隔；

T_Zmax——电力系统最大的振荡周期，约为1.5秒；

Z_∑——双电源系统之间的全部阻抗之和。

2.根据权利要求1所述的基于功角计算的电力系统振荡识别方法，其特征在于，振荡中心电压U_OSC优选由下述公式（3）确定：

式中，U_m——保护安装处的测量电压大小；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角。

3.根据权利要求1所述的基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，所述系统两侧等效电势的相量值

的优选由下述公式（4）确定：

${\stackrel{\·}{E}}_S={\stackrel{\·}{U}}_m+Z_S{\stackrel{\·}{I}}_m---\left(4\right)$

式中，——保护安装处的测量电压、测量电流；

Z_S——保护安装处背后的系统等效阻抗。

4.根据权利要求3所述的基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，系统全相运行的过程中，若发生对称故障，则Z_S由下述公式（5）确定：

$Z_S=Z_1=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1}---\left(5\right)$

式中，Z₁——保护安装处背后的等效正序阻抗；

——故障分量的正序电压、正序电流；

全相运行过程中，若发生不对称故障，则Z_S由下述公式（6）确定：

$Z_S=-\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_2}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(6\right)$

式中，

——故障分量的负序电压、负序电流。

5.根据权利要求3所述的基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，系统非全相运行的过程中发生不对称故障，则Z_S由下述公式（7）确定：

$Z_S=Z_2=-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{I}}_2}---\left(7\right)$

式中，Z₂——保护安装处背后的等效负序阻抗；

——非全相运行时保护安装处的负序电压、负序电流。

6.根据权利要求1所述的基于功角计算的振荡识别方法，其特征在于，双电源系统之间的全部阻抗之和Z_∑优选由下述公式（8）确定：

式中，U_m——保护安装处的测量电压；

I_m——保护安装处的测量电流；

——负荷阻抗角，即保护安装处的测量电压与测量电流之间的夹角；

——线路阻抗角。

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