（电力系统及其自动化专业论文）基于本地电气量的无故障跳闸判据的研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fp o w e rn e t w o r k si nb o t hs c a l ea n dc o m p l e x i t yh a s b e e ni m p o s i n gt h er e q u i r e m e n tf o rs y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y w i t h i n c r e a s i n go ft h ep o w e rf l o wp a s s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dp o w e rl o o p ， t h ee f f e c tt os y s t e ms t a b i l i t yc a u s e db yl i n et r i p p i n gw i t h o u tf a u l tm i g h tb e s t r o n g e ra n ds t r o n g e r b a s e do np o w e rf r e q u e n c yc o m p o n e n t ，t h ec u r r e n t c r i t e r i o n so ft r i p p i n gw i t h o u tf a u l tw i l ls o m e t i m e sm i s j u d g ep o w e rf l o w t r a n s f e r r i n ga sl i n et r i p p i n gw i t h o u tf a u l t m o r ei m p o r t a n c ei sa t t a c h e dt o j u d g i n gt h et r i p p i n gw i t h o u tf a u l ta c c u r a t e l yw i t he a c hp a s s i n gd a y i nt h i st h e s i s ，t h ep r o c e s s e so ft r i p p i n gw it h o u tf a u l ta n dp o w e rf l o w t r a n s f e r r i n ga r es i m u l a t e du s i n gt h em a t l a b s i m u l i n k b yi n v e s t i g a t i n gt h e v a r i a t i o n so ft h et r a n s i e n te l e c t r i c a lc o m p o n e n t s ，t h ec r i t e r i o no ft r i p p i n g w i t h o u tf a u l tb a s e do nt r a n s i e n tc u r r e n ti sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi st h ea p e r i o d i c c o m p o n e n tc r i t e r i o nf o rl i n ew i t h o u ts e r i e sc o m p e n s a t i o na n dt h el o wf r e q u e n c y c o m p o n e n tf o rs e r i e sc o m p e n s a t i o nl i n e s b yt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s i n gt h e t r a n s i e n tc u r r e n td u r i n gt h ep e r t u r b a t i o ni n t e r v a l ，a p e r i o d i cc o m p o n e n ta n dl o w f r e q u e n c yc o m p o n e n ta r ee x p l a i n e da n dq u a n t i f i e d s i m u l a t i o no ns e v e r a lc o m p l e x s y s t e m ss h o w st h a tt h en e wc r i t e r i o nc a nd i s t i n g u i s hb e t w e e nt r i p p i n gw i t h o u t f a u l ta n dp o w e rf l o wt r a n s f e r r i n g t h ep r e c i s ea c q u i s i t i o no fa p e r i o d i cc o m p o n e n ta n dl o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t i st h eb a s e o ft h i sc r i t e r i o n i nt h i st h e s i sf i r i i rw a v ed i g i t a ll o w p a s sf i l t e r i sd e s i g n e d f r o mt h ef i l t e r so u t p u td a t a , t h es t a r t i n gv a l u eo ft h ea p e r i o d i c c o m p o n e n to rt h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n tc a nb eo b t a i n e db yc u r v ef i t t i n g a n d t h ec r i t e r i o no ft r i p p i n gw i t h o u tf a u l ti sp r o g r a m m e du s i n gcl a n g u a g e k e yw o r d s ：t r i p p i n gw i t h o u tf a u l t ；p o w e rf l o wt r a n s f e r r i n g ；s e r i e sc o m p e n s a t i o n ； a p e r i o d i cc o m p o n e n t ：l o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t 国电自动化研究院硕士学位论文 第一章绪论 本章主要介绍了电力系统稳定问题的特点及其对电力系统产生的影响，讨论了无故 障跳闸判据的发展历史及现状，分析了目前存在的主要问题，并简要介绍了本文的主要 工作 1 1 课题的提出及意义1 3 1 安全稳定问题是电力系统的一个重要方面，安全稳定问题研究一直是电力系统研究 的一个重点，人们经过多年的研究己提出了一整套的电力系统稳定分析方法，制定了大 量的提高稳定性的措施并研制开发出了一系列的稳定控制装置。u f ，一2 型系列稳定控 制装置以及f w k 型分布式稳定控制装置基本上很好的满足了现代大电网、大机组、大区 域联网对安全稳定控制的要求。 电力系统安全稳定导则( d l7 5 5 - - 2 0 0 1 ) ( 以下简称导则) 第3 2 1 条规定： 随着电力系统的不断扩大，同级电压的双回、多回或环网线路任一回无故障三相断线不 重合，以及任一回交流联络线无故障断歼不重合，系统应能保持稳定运行和电网的正常 供电；但对于两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路无故障断开，必要时可采用切 机或快速降低发电机组出力的措施。从导则可以看出，无故障跳线对电力系统稳定 的影响不容忽视。 对川电东送通道的陈家桥长寿电磁环网的研究表明，在电磁环网潮流较强的情 况下，单回高一级电压线路电磁环网的无故障跳线比单永故障对系统稳定的影响还要严 重，而且随着线路潮流的加强，无故障跳线对稳定性的影响愈来愈重。 随着三峡工程、西电东送工程与全国联网、电力市场与电能交易、电力环保等新形 势的出现，对电网安全稳定运行与控制的要求也越来越高。2 0 0 3 年1 1 月1 0 日“川电 东送安控系统”误动事故的事后分析表明，由于洪陈一、二线在潮流振荡电流过零点时， 安控装置误判为无故障跳闸。导致了重庆“一级负荷”切除了约6 0 0 m w 并解列了5 0 0 k v 三万线，其经济损失是巨大的。可见，如何准确快速的判出无故障跳线是稳控装置的一 个重要指标。 目电自动化研究院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状综述 无故障跳闸判据在国外的文献资料中少有介绍，在国内，主要存在于两种稳控装置 中，f w k 型分布式稳控装置和r c s - - 9 9 2 a 系列稳控装置，现分别加以介绍并给予简要的 分析。 1 2 1f w k 分布式稳定控制装置4 1 1 2 1 1 相关电气量的测量方法 装置对输入的交流电压、电流的瞬时值进行采样，采样周期为1 6 6 7 m s ，即一个工 频周期采样1 2 点，然后按下面的算法计算出电压、电流有效值，三相平均功率等。 宰电压有效值( ，= 压薹“：k v 宰电流有效值，= 压薹瑶 a ，i 三相平均有功功率p = 击 。+ 乇+ 虬) 姗 1 f - l 1 2 1 2 线路或主变无故障跳闸判据 木突变量启动 掌厶嚣珞( 事故前有功功率大于定值b 。) 宰只b 2( 事故后有功功率低于定值b ：) 事有两相电流js 厶。 ( 事故后电流应小于投运电流l 1 ) 幸l 卅= k k _ ：i a ( 电流有效值的变化量应大于定值如) 宰有两相电压u 2( 三相中有两相电压大于定值：) 奉，岛i ( 确认满足上述条件的延时) 式中：b 。应小于对稳定有影响的输送功率值；b ：应大于零，且大于功率测量的最 2 国电自动化研究院硕士学位论文 大误差值；投运电流应略大于线路的充电电流；一般情况下：约等于d 9 u sl 延时 是为了防止因潮流转移过程中引起误判为设备跳闸。 1 2 1 3 判据分析 此判据优点在于原理简单，易于实现，仅需用到本地电气量 缺点是在系统发生区外扰动后，本线路上的潮流可能会振荡转移，在线路电流过零 点时装置可能会误动作虽然设置了延时来躲过潮流转移过程，但是如果转移后线路输 送功率接近于零，更甚者线路电流接近于零，其稳态电气量的特征就和无故障跳闸不再 有明显区别，则无论延时多长时间，装置都会误判为无故障跳闸。 1 2 2r c s - - 9 9 2 a 型分布式区域安全稳定控制装置璐1 1 2 2 1 相关电气量的测量方法 装置对输入的交流电压，电流的瞬时值进行采样，采样周期为0 8 3 3 m s ，即一个工 频周期采样2 4 点，计算电压、电流有效值，三相平均功率的方法与f w k 型稳控装置相 同。 1 2 2 2 线路或主变无故障跳闸判据 木突变量启动 卑。2 只。( 事故前有功功率大于定值b 。) 母csb 2( 事故后有功功率低于定值b 2 ) 木有两相电流，k( 事故后电流应小于投运电流矗) 木i t s = k 酬( 铡协眺 牛f f s l( 确认满足上述条件的延时) 式中；毛应小于对稳定有影响的输送功率值；马：应大于零，且大于零功率时的最 大漂移值；投运电流l 。应略大于线路的充电电流；延时是为了防止因潮流转移过程中 引起误判为设备跳闸：l 叫。为浮动门槛；口、是系数 国电自动化研究院硕士学位论文 1 2 2 3 判据分析 此判据与f 帐型分布式稳控装置的无故障跳闸判据相比。并无明显变化，因此也不 能解决潮流转移过程中装置可能会出现的误动问题。 1 2 3 基于开关量的无故障跳闸判据 1 2 3 1 判据简介 如图1 1 所示，设站a 、站b 均装有稳控装置，分剐监控断路器的开合情况，并 将提取得到的唧j ( 或者t 盯) 信息相互传送给对方，这样稳控装置就可以准确判断出 断路器的开合情况 7 - - - 一- 通信线路一1 f 专鬲f 飞矿= 蕞_ 。 图l 一1 引入机械节点的判据示意图 1 2 3 2 判据分析 此判据不需要测量电气量信号，简单明了，潮流转移时也不会出现误动现象 缺点是必须线路两端都装有稳控装置，并且相互之间存在正常的通信线路，事实上 这样的条件并不是总是可以满足的经常出现线路只有一端装有稳控装置的情况，这样 的话稳控装置只能对本侧的断路器状态做出正确的判断，而对侧断路器的状态却无从知 晓 1 2 4 其它判据及分析 前面所提的无故障跳闸判据总是这样那样问题，实际上，仅仅以工频量来判断一个 扰动，对扰动过程中的信息的掌握是远远不够的，因此不可避免会出现诸多闯题如果 能对暂态量进行分析，其中的扰动信息充分的多，利用暂态量的特征来形成判据，就有 可能解决这里问题。 目前的暂态量保护的研究主要有两类，即行波保护原理和反映故障高频分量原理， 它们在本质上是一致的，只是从不同角度反映暂态分量的不同侧面，从某种意义上讲， 4 国电自动化研究院硕士学位论文 行波保护仅仅是暂态量保护的一个开端n 1 文献 7 1 8 1 9 1 所提的基于扰动过程中 暂态高频电流的保护方案是其中较为突出的一种但是这些保护所用高频分量受雷电等 干扰影响较大，这种保护判据可靠性有待验证，而且高频信号衰减很快，其本身的捕捉 就不是很容易的事 1 3 本论文的主要工作 论文工作期间，对线路对侧无故障跳闸和潮流转移的两个过程中做了仿真比较，提 出了非周期分量判据和低频分量判据；编写了无故障跳闸c 程序，并利用仿真数据进行 了验证；在u f v 平台上模拟了无故障跳闸过程，初步验证了判据 主要研究工作如下： ( 1 ) 利用m a t l a b 软件分别对线路对侧无故障跳闸和潮流转移过程做了仿真，分 析了本侧电气量的变化，提出非周期分量判据，利用仿真数据对判据进行了 验证 ( 2 ) 进一步针对串补线路的潮流转移及对侧无故障跳闸过程进行了仿真分析，在 此基础上提出了低频分量判据 ( 3 ) 针对非周期分量和低频分量的特点，分别设计了f i r 和i i r 数字低通滤波器； 通过曲线拟和，得到了扰动初始时刻的非周期分量值( 低频分量值) ，计算 出扰动时刻的非周期分量( 低频分量) 相对值，编写出新的无故障跳闸判据 功能程序。 ( 4 ) 在u f v 平台上编写了无故障跳闸硬件程序，通过了u f r t 试验模件无故障 跳选项的测试，能正确的动作出口。 - 5 - 国电自动化研究院硕士学位论文 第二章电力线路暂态过程仿真分析 本章从简单的单机对无穷大系统( 两机系统) 入手，比较线路发生无故障跳闸和潮 流转移的暂态电气量特征，总结出电流非周期分量的不同之处并在复杂电力系统中加以 验证从理论上对潮流转移过程中的暂态电流进行分析，给出非周期分量的存在原因并 加以量化，进而给出了无故障跳闸判据的非周期分量判据利用仿真数据对此判据进行 验证 2 1 运用m a t l a b i s i m u l i n k 进行系统建模与仿真简介仰 姒t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司推出的一套高性能的数值分析和计算软件，它将矩 阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学 及工程问题分析计算和程序设计的工具特别是版本6 推出以后，全面引入了面向对象 编程的概念和方法，使姒t l a b 真正成为了具有全部高级语言功能和特征的新一代软件 开发平台 s i m u l i n k 是m a t h w o r k s 公司开发的另一个著名的动态仿真系统，由于它的很多功 能是基于m a t l a b 的，而且必须是在m a t l a b 环境下运行的，有人也将s i m u l i n k 称为 m a t l a b 的一个工具箱。 s i m u l i n k 是实现动态系统建模和仿真的集成环境，其主要功能是对动态系统进行 仿真和分析，预先模拟实际系统的特征和响应，根据设计及使用的要求，对系统进行修 改和优化，以提高系统性能实现高效开发系统的目标模型的创建与定义、模型的分析 以及修正是使用s i m u l i n k 的三大步骤，图2 一l 给出了典型的s i m u l i n k 工作框图 图2 - - is i m u l i n k 工作框图 s i m u l i n k 提供了大量的系统模块，包括信号、运算、显示和系统等多方面的功能， 6 国电自动化研究院硕士学位论文 可以创建各种类型的仿真系统，实现丰富的仿真功能。用户也可以自己定义自己的模块， 进一步扩展模型的范围和功能，以满足不同的需求为了创建大系统，s i m u l i n k 提供了 系统分层排列的功能，类似与系统的设计，在s i m u l i n k 中可以将系统分为从高级到低 级的几个层次，每层又分为几个部分，每层系统构建完成后，将各层连接起来构成一个 完整的系统 模型创建完成之后，可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性，$ i m u l i n k 内置 的分析工具包括各种算法、系统线性化、寻求平衡点等，仿真结果可以以图形的方式显 示在示波器窗口，以便于用户观察系统的输出结果。s i m u l i n k 可以将输出结果以变量的 形式保存起来，并输入到m a t l a b 中以完成进一步的分析 $ i m u l i n k 可以仿真线性或非线性系统，并能够创建连续时间、离散时间或二者混和 的系统甚至支持多采样频率系统，即不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，可 以仿真较大较复杂的系统 2 2 简单系统暂态过程仿真分析及非周期分量的引入 为了更清楚的反映无故障跳闸与潮流转移电气量变化的区别，本论文在本节系统建 模时采用了一些简化措施，更复杂的模型在后面的仿真验证中考虑。 ( 1 ) 无论线路发生是否无故障跳闸，线路两侧节点的电压一般都不会有明显的变 化，因此考虑线路两侧等值发电机采用无穷大电源模型。 ( 2 ) 不考虑线路串补的影响。 ( 3 ) 不考虑线路并联电容器的影响，由于并联电容在暂态过程中的影响主要表现 在暂态电流中出现高频分量，而这个分量在工程上可以通过抗混叠低通滤波器滤除，不 会对判据造成影响。 ( 4 ) 输电线路采用万型等值电路 简单系统无故障跳闸( 或者潮流转移) 模型如图2 2 所示。由两个电源s o u r c e l 、 s o u r c e 2 分别或共同向负荷l o a d 2 供电，定义b 1 端为线路首端，b 2 端为线路末端，初 始时刻潮流由b 1 侧流向b 2 侧，检测装置装在b 1 侧。通过对b 2 侧断路器b r e a m 、b r e a k 2 的开合操作可以模拟对侧无故障跳闸和潮流转移过程 7 - 雷电自动化研究院硕士学位论文 图2 2 简单输电线路 图2 - - 3 给出了无故障跳闸过程中本地电气量的变化情况，仿真过程中断路器 b r e a k 2 保持断开状态，b r e a m 在0 1 s 断开，仿真时间1 s 。 8 国电自动化研究院硕士学位论文 图2 - - 3 线路无故障跳闸过程电气量变化 图2 4 给出潮流转移过程中本地电气量的变化情况，仿真过程中断路器b r e a m 保 持闭合状态，b r e a k 2 在o 。l s 闭合。仿真时间l s 图2 4 线路潮流转移过程电气量变化 对图2 3 和图2 4 的比较分析可以看出，如果线路末端断路器确实跳开的话，线 9 国电自动化研究院硕士学位论文 路首端的暂态电流中基本不含有非周期分量，忽略高频分量的影响，暂态电流直接由一 个稳态进入到另外一个稳态；而如果线路末端并没有跳开而是仅仅是潮流发生转移的 话，线路首端的暂态电流中明显的包含有非周期分量 究其原因则是潮流转移时由于线路上的电感作用，线路电流不能突变，暂态电流中 就会出现衰减的非周期分量；而线路末端确实跳开的话，由于断路器采用过零点动作， 线路上电流不存在突变问题，也就不会出现非周期分量。这样，非周期分量的有无就成 为判断线路到底是否发生无故障跳闸的重要标准之一 2 3 潮流转移过程中非周期分量的验证 上面的仿真分析对简单电力系统对侧无故障跳闸和潮流转移过程做了比较，引入了 非周期分量，然而电力系统却是极其复杂的，本节就从多个方面对此非周期分量进行验 证，在此过程中依然不考虑线路串补的影响( 带串补线路的暂态分析将在第三章给予介 绍) 2 3 1 考虑线路的分布参数特性对非周期分量的影响 对于长度超过3 0 0 k m 的架空线路和超过l o o k m 的电缆线路，特别是超高压输电线路， 不能不考虑它们的分步参数特性m 1 。为了考虑分布参数的影响，在仿真时将电源端电压 设为5 0 0 k v ，线路改为采用分布参数线路，再做无故障跳闸和潮流转移过程，三相电流 变化如图2 - - 5 所示。可见线路的分布参数对暂态电流的影响主要表现在高频分量，而 对非周期分量则并无明显影响。 - 1 0 国电自动化研究院硕士学位论文 图2 5 分布参数线路三相电流变化 2 3 2 发电机组的动态特性对非周期分量的影响 考虑发电机的动态特性，在潮流转移仿真时，将电源s o u r c e 2 改为发变组模型 其中发电机采用了六绕组模型( d ，q 轴) ，其电磁过渡过程状态方程如下： l y 口= 一j ( 口l 口+ g f 一五d l d i 屹。一心+ + e p 。o 彬d t = e q 叫媚啪 等= _ 一一再x d 一毒x r 睁) ( 2 - 1 ) i r 品- 彬- z = 扣：+ ( _ 田 陋t d e a 一一籀”) 【r = p ：屯+ + ( 彳：一弼) 励磁系统采用了连续旋转直流励磁系统1 2 1 【l 目，其系统传递函数如图2 - - 6 所示。由圪 图2 6 励磁系统传递函数框图 ，_ 合成的发电机极端电压，通过给定的测量环节，与参考电压p 比较，其偏差经电 1 1 国电自动化研究院硕士学位论文 压调节器放大后，输出励磁机励磁电压，以控制励磁机的输出电压，即发电机的励磁电 压以为了励磁机的稳定运行及改善其动态品质，引入励磁系统负反馈环节，即励磁 系统稳定器d a m p i n g ，其一般是一个软反馈环节，又称速度反馈为励磁附加控制 信号，往往是电力系统稳定器p s s 的输出 从图2 7 给出的暂态电流波形可以看出，潮流转移过程中的非周期分量是明显存 在的 图2 7 考虑发电机动态特性的潮流转移电流波形 2 3 3 电力系统负荷的复杂性对非周期分量的影响 m 2 4 多种负荷量缝田 电力系统静态负荷模型一般分为恒定阻抗、恒定电流、恒定功率三种，图2 8 所 1 2 国电自动化研究院硕士学位论文 示系统是华中等值系统的一部分，系统中考虑了多种负荷模型，节点b 7 处负荷是恒定 电流负荷，节点髓处则装有恒定功率负荷，其他的负荷采用恒定阻抗负荷模型测量 装置装在b 4 节点，考察线路b 4 - - b 5 对侧无故障跳闸和潮流转移过程中暂态电流的变 化情况，扰动发生在o 2 s ，得到电流波形如图2 9 所示 图2 9 考虑多种负荷形式后暂态电流比较 为了更好的观察非周期分量，本文采用傅立叶级数展开的方法将非周期分量从暂态 电流中提取出来用一个移动的窗口( 窗口宽度t ( m s ) ) 不断截取实时信号，周期延拓 后用式( 2 2 ) 求出非周期分量。 i o = 跏d r = 专笨 c 2 叫 式中t s 为采样周期。 这样求出的非周期分量因为要用到一个窗口的数据，所以只有在扰动后t i n s 之后 计算出来得结果才是有意义的。为了滤除基波分量，窗口宽度t 的选择必须大于等于 2 0 m s 。而为了尽快的得到非周期分量，窗口宽度t 当然希望越小越好，因此在此窗口 宽度t 取2 0 m s 考虑到断路器的过零点动作时间，提取出的非周期分量3 0 m s 之后才 是可靠的。图2 一l o 给出了无故障跳闸和潮流转移过程中非周期分量波形 一1 3 国电自动化研究院硕士学位论文 图2 1 0 多负荷模型暂态电流非周期分量比较 比较图2 一1 0 给出的两个波形，在无故障跳闸过程中，暂态电流中不含有非周期分 量，而潮流转移时则明显的存在着非周期分量 2 3 4 电力系统结构( 环网) 对非周期分量的影响 翻2 - t l 复杂系统图 - 1 4 - 国电自动化研究院硕士学位论文 为了考察电力系统结构的复杂性对非周期分量的有无是否会有影响，本文建立了一 个环网的三机系统，如图2 一1 1 所示，线路b l b 3 首端装有测量装置 首先模拟本线路末端发生无故障跳闸，测得首端暂态电流波形及非周期分量如图2 - - 1 2 所示，从图中清晰的可以看出暂态电流中不含有非周期分量。 图2 1 2 环网系统无故障跳闸过程中电流及其非周期分量 图2 一1 3 给出了在线路的区外节点b 2 处增加一个发电机后本线路的潮流转移情况， 暂态电流中的非周期分量明显可见 - 1 5 目电自动化研究院硕士学位论文 图2 一1 3 环网系统潮流转移过程中电流及其非周期分量 2 3 5 与现场数据记录的对照分析 2 0 0 3 年1 1 月1 0 日“川电东送安控系统”误动事故中。二滩电厂安控装置i f 呱、 2 f i l ( 同时收到石板箐变电站安控装置切两台机组并执行，由于二滩电厂切两台机，损 失约8 0 0 m w 出力，洪陈一、二线潮流振荡，稳控装置误判为无故障跳闸，按策略表措施 切重庆“一级负荷”，解列三万线，二滩电厂按保留容量切机 t l h -，n 图2 1 4 川电东送系统示意图 图2 一1 5 给出了洪陈线潮流转移过程中的电气量变化，可见电流暂态过程中非周期 分量的存在图2 1 6 则给出了万县无故障跳闸过程的电流录波图，其中1 、2 、3 和9 ， 1 0 、1 1 分别给出了长万一回和三万一回线的无故障跳闸电流波形，明显的，暂态电流 中不含有非周期分量。 1 6 国电自动化研究院硕士学位论文 w l - + a l l l l m 一 图2 一1 5 浃陈一线潮流转移电流交化 片杯健：移 应爿足； 长万一：0 1 1 7 8 4 三万一“i m i , i + 0 l l 三万一一：，0 0 7 6 4 图2 一1 6 万县测得无故障跳电流波形 2 4 非周期分量的定量分析 在上一节的分析中，本文已经得到了在线路的潮流转移过程中哲态电流中包含有非 周期分量的结论，本节在此基础上将介绍非周期分量产生的条件、变化特征，以构成无 故障跳闸的非周期分量判据 为了简化分析，本文在计算中将不考虑原动机调速器和发电机励磁调节器的影响， 不考虑并列运行的发电机电势之间的相位摇摆，也不考虑发电机内部的电磁暂态过程 ( 用发电机的次暂态电势和次暂态电抗来计算) 我们知道，电路暂态过程中出现的各种暂态分量( 自由分量) 具有f e 币s 缸岖耐+ 力 的形式当m = o 时为按指数规律衰减的非周期性暂态分量( 直流分量) ，丽o 时贝l j 为振荡衰减的周期性暂态分量 1 7 国电自动化研究院硕士学位论文 从能量方面看，周期性暂态分量反映了电路中电场和磁场能量的自由交换因此， 仅当电路中含有电感、电容两种储能元件，并且电路中电阻数值适当时( 如在r 、l 、c 串联电路中定 t 压u - i 。| i l | - 孚i 一l i 巫21 i ，1 。一1 ( 2 6 ) 式中，为扰动后稳态电流有效值，为扰动前的电流有效值 定义非周期分量相对值为三相电流非周期分量初始值绝对值的最大值与扰动前后 稳态电流有效值之差的比值，用幻表示即： 幻= l 。| 知一q ( 2 7 ) 则勤应不低于气- - , 居2 * 1 2 。 需要强调指出的是，非周期分量在任何电网的暂态过程中都有，但是随着电压等级 的不同，其衰减的时间常数是不同的一般来说，在低压电网中非周期分量衰减的快些； 而在高压电网中由于系统阻抗中电阻分量比例的下降，非周期分量的衰减就相对慢些 如对于3 3 0 k v 线路，艺一般约为o 0 4 s ( 即暂态过程将持续6 7 个工频周期) ；在5 0 0 k v 7 5 0 k v 线路上可达到0 0 7 5 s 。 2 4 2 线路分布电容的影响 高压长距离输电线路的分布电容影响不可忽略，由于分布电容是沿线均匀分布的， 2 0 国电自动化研究院硕士学位论文 要知道分布电容对暂态过程的影响必须按分布参数进行计算为了简化分析，突出地看 一些最本质的东西，本节简单地将线路用一个等效t 型网络代替，如图2 1 9 所示 9 书 图2 1 9 将线路用t 型网络等效的计算网络 按该图所列写出的微分方程是三阶的，其对应的特征方程是： z , l 2 c p 3 + ( 如厶+ c 如厶) p 2 + 伍l r 2 c + 厶+ 上2 扫+ 焉+ 坞= 0 ( 2 - - 8 ) 此方程有一个实根和一对共轭复根。由实根决定的是非周期分量，和前文所述相同。由 一对共轭复根决定的暂态分量是周期性自e h 分量，它在线路分布电容c 和电感上i 和上2 并联后的等效电路间振荡衰减，由于电容c 较小，振荡频率将高于工频，因此引入的暂 态分量是一个高频分量。众所周知，在求某一回路的自由振荡频率时，若频率越高，忽 略回路的电阻带来的误差越小，忽略电阻后近似地决定此高频分量频率为： =( 2 9 ) 高频分量不是本文研究的重点，在实际应用时也可以通过抗混叠滤波器轻松的滤除 掉，并不会对判据造成影响，在此不做过多的介绍 2 5 非周期分量判据的仿真数据验证 如前文所说，潮流转移过程中，暂态电流中包含有非周期分量，其最大初始值不低 于1 2 倍的扰动前后稳态电流有效值之差；而无故障跳闸过程中则不存在此非周期分 量。因此只要能求出最大非周期分量初始值，从而计算出暂态电流中非周期分量相对值， 就可以准确的判断出线路究竟是否发生了无故障跳闸 一2 l - 圈电自动化研究院硕士学位论文 2 5 1 曲线拟合及非周期分量相对值的计算1 扣1 7 l 实际应用中，由于滤波器的延时作用( 第四章中介绍) ，将无法得到扰动初始时刻 的非周期分量值，而只能得到扰动后几十毫秒后的数据，因此必须要通过对现有的数据 作曲线拟合后反推出扰动初始时刻的非周期分量值 暂态过程中非周期分量可用下面的表达式表示； = c e ( 2 1 0 ) 对( 2 9 ) 式两边取对数可得 l n 如乩c - 丢 ( 2 _ 1 1 ) 令y 乩如、a = m c 肚一丢，则公式变换为 y=a+bt(2-12) 同时滤波后的n 对数据( f o 饥) ，f ) 就变成新的n 对数据( ) ，f 。) ，按照最小二乘原理提出的 拟合准则求出a 值为此，作目标函数 r ( a ，b ) - - z o + n , , - y , ) ( 2 一1 3 ) 分别对a 、b 求偏导，并令其为零，得 署= 2 篓+ 巩训= 。( 2 - - 1 4 ， 篑；2 n - ! ( 彳+ b t 。一眺；0 a b 智、 联立( 2 1 3 ) 、( 2 一1 4 ) 两式求出系数a 得 m f 一c 乃 一= 上l 上l 。= l 生一 ，- l 、o一i i i - 乎 这样就可以求出非周期分量的起始值为 c = e o 2 2 - ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 雷电自动化研究院硕士学位论文 求出三相的e ，q 、c ，得到厶。代入( 2 7 ) 式就可以求出非周期分量相对值白， 并判断是否发生无故障跳闸 m 棚。a b 中可用下面的语句来实现，假设扰动发生在0 1 s ，采集数据时段为扰动 后3 0 m s 至l o o m s i = f i n d ( a n s ( 1 ，：) = o 1 3 ) ： t e m p = a n s ( ：，i ) ； i = f i n d ( t e m p ( i 。：) o 2 ) ： t e m p = t e m p ( ：，i ) ； t = t e m p ( 1 ，：) 一0 1 ： 。x = t e m p ( 2 ，：) ： y = l o g ( x ) ： p = p o l y f i t ( t ，y ，i ) ： c = e x p ( p ( 1 ) ) 2 5 2 非周期分量判据的验证 只 p ，l d m 仿真系统 t ( 姗) ( m w ) ( ) ( a ) ( 舢 无故障跳 3 1 601 0 9 45 2o0 简单 潮流转移 3 1 6- 5 5 1 0 9 4 1 7 01 2 9 41 4 考虑发电机特性的潮 3 1 69 0l 1 0 02 6 01 1 2 21 3 6 流转移 分布参数 无故障跳9 1 001 7 0 03 7 00o 线路潮流转移9 1 01 4 0 1 7 0 0 1 6 0 2 2 0 01 4 3 复杂负荷无故障跳 6 3 201 7 0 05 0oo 系统 潮流转移 6 3 28 61 7 0 02 2 02 2 7 01 3 4 无故障跳 2 4 0o7 8 44 7oo 环网系统 潮流转移 2 4 02 7 8 4 5 9 8 3 0 7 1 6 5 表2 1 非周期分量判据的验证 - 2 3 - 固电自动化研究院硕士学位论文 本文利用上面的仿真系统对此判据进行了验证，如表i 所示其中非周期分量的采 集时段为扰动后3 0 m s l o o m s ，计7 0 m s ( 三个半周波) 的数据；罡扰动前潮流值； ，扰动后潮流稳态值；扰动前稳态电流有效值；i 扰动后稳态电流有 效值；l 。非周期分量初始值绝对值最大值；白非周期分量相对值。 从表中数据可以看到，对于无故障跳闸过程来说，这样求出的暂态电流中的非周期 分量均为零；而潮流转移过程中，暂态电流中非周期分量相对值均大于1 2 。 本章小结 输电线路在发生无故障跳闸时，线路暂态电流中不会存在明显的非周期分量，而在 线路区外扰动致使本线路潮流转移时电流中则明显存在着非周期分量。这一特征不仅存 在于简单的输电系统中，在考虑发电机动态特性、输电线路分布参数、负荷的多样性及 电力系统结构的复杂性时也是正确的 从理论上讲，无故障跳闸过程中，由于断路器的过零点动作，暂态电流很容易从一 个稳态进入另一个稳态。而区外扰动时，本线路电流本应发生变化，却由于线路电感的 作用而无法突变，从而出现了非周期分量，其相对值不低于i 2 。 这样无故障跳闸的非周期分量判据就形成了，仿真系统的数据验证了其正确性 2 4 国电自动化研究院硕士学位论文 第三章串补线路的分析与计算 随着电力负荷的飞速增长，电力系统的规模愈来愈大，超高压输电线路也愈来愈多 这些输电线路的任务是将距离遥远的大容量电厂的巨大功率送至负荷中心，或者作为大 电力系统问的联络线，担负着功率交换的任务。它们对电力系统的稳定运行具有举足轻 重的作用。 为了提高长距离输电线路的传输能力，提高并联运行的电力系统的运行稳定性，人 们常常在长距离输电线路上装设串联电容补偿以缩短其电气距离从而达到目的这使的 长距离输电线路的暂态过程和中短距离的输电线路相比有显著的不同点，可以想象，因 为有了串联电容，在串联电容与线路电感构成谐振时，将产生数值较大低于工频的谐波 电流。 本章就将就此从理论和仿真角度分别对此暂态电流进行分析，以考察在串补线路中 无故障跳闸的非周期分量判据的正确性以及相应的改进措施。 3 1 串补线路潮流转移过程中暂态电流的特点 3 1 1 串补线路潮流转移过程的理论分析 为了简化分析，计算中仍然不考虑原动机调速器和发电机励磁调节器的影响，仍不 考虑并列运行的发电机电势之间的相位摇摆，也不考虑发电机内部的电磁暂态过程 当线路中接有串联补偿电容时，忽略线路分布电容的情况下，则网络成为r 、l 、c 串联电路前已述及，在电路中含有电感、电容两种储能元件时，而电阻矗 4 2 2 氟。一l i = 铷一1 仔m 定义低频分量相对值为三相暂态电流低频分量有效值的初始值的最大值与扰动前 后稳态电流有效值之差的比值，用岛表示即： q = 。几q 一川 ( 3 1 4 ) 则岛应不低于气= 4 i 2 * 0 8 6 6 。 这样，串补线路的无故障跳闸低频分量判据可以描述为，串补线路潮流转移时暂态 电流中存在着衰减的低频分量，其低频分量相对值大于0 8 6 6 ：而无故障跳闸过程中则 不存在明显的低频分量。 3 2 低频分量及其判据的仿真验证 3 2 1 低频分量的验证 3 2 1 1 简单系统暂态过程的仿真分析 图2 2 的简单输电线路中考虑串补的影响，在线路上装串补电容，补偿度为k - - - - 4 0 ，做无故障跳闸和潮流转移过程仿真。图3 一l 给出了0 i s 无故障跳闸过程中暂态 波形；图3 - - 2 则给出了0 i s 线路潮流转移的暂态过程。 - 2 8 - 国电自动化研究院硕士学位论文 图3 - - 1串补线路无故障跳闸电气量变化 2 9 国电自动化研究院硕士学位论文 图3 - - 2 串补线路潮流转移电气量变化 比较两图可见，无故障跳闸过程中暂态电流中并不出现低频分量，电流从一个稳态 很快过渡到