输电断面的安全性保护

输电断面的安全性保护

0自动装置安全保护不当引起大范围潮流转移随着互联电网区域和交换能力的扩大，从互联供电故障引起的大规模电动汽车事故影响了社会生活，几乎是社会灾难。确保互联线路的运行安全，避免重大和大型互联事故的发生。仅2003年短短2个月内，就发生了数起大面积停电事故，包括意大利大停电、瑞典/丹麦大停电、英国伦敦地铁大停电以及美、加大停电，其中美加“8⋅14”大停电损失负荷61.8GW，严重影响了5000万人的生产、生活，停电持续长达29h，损失极其严重。美、加大停电引起了世界范围内对于防止大面积停电的研究热潮，各国学者从不同角度对造成大面积停电事故的原因作过各种层次的分析[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。然而无论何种原因，最后都是由于电网安全自动装置、后备\过负荷保护各自独立判别、分散动作，缺乏系统级的协调配合，造成连锁过载跳闸所致。近几年一系列大停电事故均表明，电力系统由简单故障引起失去功角稳定或电压稳定从而导致大面积停电事故已愈来愈少，它们大多是由故障的连锁反应引起的，在事故发展初期常表现为连锁过载跳闸。为了清楚地说明一个局部故障在各种自动装置按照现有预定任务正常工作的情况下，也可能引发连锁过载跳闸，本文以图1～3所示系统为例简单说明这个过程。图1给出一个按照现有原则配置保护和各种自动装置的简单系统，图中各框内斜线上方数字为上域值，下方数字为当前值。图1中，A-F输电断面上一条线路停电检修。此时A-F断面上另一条线路发生短路由主保护切除，致使A-F断面仅剩一条线路，且由于潮流转移，该线路出现过负荷，如图2所示。由于现有的自动装置缺乏协调配合，A-F断面上最后一条线路在2s后因后备/过负荷保护动作而切除，从而使A-F断面被切除，出现潮流大范围的转移。B-F、D-F线路相继出现过负荷，相应的过负荷保护纷纷启动，如图3所示。同样由于各个自动装置间缺乏全网的协调配合，F母线的减负荷装置动作时间(7s)长于线路过负荷动作时间(3s与4s)，B-F、D-F线路将会在母线F减载以前被后备/过负荷保护动作切除，导致停电范围进一步扩大，以至整个系统最终瓦解。通过以上对系统事故的分析可知，实际电力系统在一些不利的条件下(如检修期间发生局部故障)，很有可能因故障切除引起大范围潮流转移，进而导致连锁过载跳闸以至系统事故的发生。究其根本原因，是当前的继电保护以电力元件为保护对象，并不顾及发生故障或运行异常的元件被切除后剩余系统的安全性；且各种安全自动装置、后备\过负荷保护各自独立判别、分散动作，缺乏整个电网的系统保护来协调其相互的动作。而相比于欧美等发达国家，我国电力网络结构比较薄弱，加之我国能源与经济发展不平衡，电力资源与负荷分布极不均匀，预计到2020年，每年将有100GW电力通过多条交直流并联线路从西部送往东部。像我国这样的大电源集中、远距离向负荷中心送电、系统一次比较薄弱的网络结构，存在若干并行输电通道，且输电线路的连锁过载跳闸往往发生在与过载线路具有相同电源区或负荷区的并行输电通道内，1983年12月27日瑞典大停电与1982年12月14日加拿大魁北克大停电等一系列大停电事故就充分反映了这一规律。因此，重要输电断面的安全性保护就成为新型系统保护研究的核心与重点。1为保护供电线路的安全1.1输电断面较薄弱在实际电力系统中，系统调度人员往往仅根据地理位置，将联络电源中心与负荷中心的若干线路选为一个输电断面。但到目前为止，人们尚未对输电断面做出过严格的定义。本文的定义如下：在某一基态潮流下，有功潮流方向相同且电气距离相近的一组输电线路的集合称为输电断面。对多次大停电事故分析表明：大电源集中、远距离向负荷中心送电、系统一次比较薄弱的电力网络中，在过载支路跳闸后，潮流往往较多地涌向与其具有相同电源区或负荷区的输电断面，造成相邻输电元件出现连锁过载跳闸。因此，为了突出该输电通道的特点，本文将其重新定义为过载支路的并行输电断面，即：在某一基态潮流下，与过载支路有相同电源区或负荷区的输电断面称为该过载支路的并行输电断面。当电力系统发生输电线路过载的紧急情况时，只需重点分析该过载线路的跳闸是否会引发其并行输电断面的连锁过载即可，显著缩小了进一步分析计算的负担，减小了抑止潮流大范围转移的安全性保护措施的控制目标范围。1.2道内过失的消除输电断面安全性保护的任务是从全局的观点出发，使各个后备保护与安全自动装置的动作协调配合起来，维持输电断面的完整性和输电能力，避免连锁过载跳闸的发生。换言之，当某元件运行异常出现过载时，如果保护切除该元件不会引起断面内其他支路过载，则允许保护切除；当判断出该支路跳闸后会引起断面内新的支路过载，则需要采取紧急控制措施消除过载，避免连锁过载跳闸的发生。由于输电断面和输电通道是构成电网架构的基础，一旦输电断面的完整性遭到大的破坏，必然出现潮流大范围的转移，而这往往又会伴随电压和稳定问题的出现，各种自动装置按照整定值动作，切除相应元件，使整个系统在动态过程中的切换难以预知。因此，在事故发展初期，本着局部故障不扩大的原则，尽可能保持输电断面的完整性和输电能力，对于有效地抑制大停电事故的发展、蔓延，具有重大的意义。1.3电网断面状态变化的解决方法从实现输电断面安全性保护技术角度，本文认为需要解决以下3个关键技术问题：(1）输电断面的在线快速搜索。过载支路的跳闸，必将引起系统潮流的重新分布，其影响范围是全局的。但实际上支路跳闸对各输电回路造成的影响又是大不相同的，过载支路的并行输电断面往往就是过载支路跳闸后有功潮流急剧增加的输电断面。在实时情况下，由于系统状态的变化，与过载线路位置相关的并行输电断面的组成也会发生相应的变化。在出现支路过载的紧急情况下，需要快速搜索事故相关的并行输电断面，减小紧急情况下安全性评估的范围，为实时安全控制赢得宝贵时间。(2）输电断面连锁过载的实时预测。在快速判别出事故相关的输电断面后，需要实时估计过载支路断开对该断面的影响。若过载支路跳闸后不会引起相关断面内其他支路过载，则允许其延时跳闸；否则应采取紧急控制措施，迅速消除过载，输电断面连锁过载的实时评估是采取紧急控制措施的依据。(3）防止输电断面连锁过载的实时控制。当确认并行输电断面存在连锁跳闸的危险后，需要立即采取紧急控制，在过负荷保护切除支路前消除过载。可采取的紧急控制包括调整发电机出力，切机切负荷，改变移相器角度，改变网络拓扑结构等措施。然而，在当前情况下采取哪些措施及其相应组合，是一个优化控制问题。由于实时性的要求，又必须快速获得控制方案并快速实施，才能避免连锁跳闸。传统的静态安全校正算法难于满足快速性的要求。此3项关键技术问题的解决有赖于广域测量信息的利用，而快速准确性是对新的原理与算法的共同要求。1.4广域测量系统保护输电断面安全性保护在物理实现条件上，与传统的切除故障元件的继电保护大为不同，后者只关心被保护的设备内部有无故障，使用被保护元件两端局部信息就够了；而前者则需要获取实时的关键和广泛信息，预见全网可能出现的问题，快速评估系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈和自适应重构动作等的防治措施。实现输电断面安全性保护这样一个广域的监测、保护与控制系统，必须基于同步相量测量单元(phasemeasurementunit,PMU)的广域测量系统(widerareameasurementsystem,WAMS)。由系统保护中心(systemprotectioncenter,SPC)与分散安装的继电保护装置协调执行。当继电保护装置检测到系统异常(如输电元件过负荷)时，由WAMS将当前系统状态信息在20∼50ms内采集到SPC，并由SPC执行输电断面的快速搜索、连锁过载的实时预测与相应控制策略的计算，再由WAMS将控制策略传到过载保护和安全自动装置，并由它们执行之。2正在在线快速搜索能源行业2.1基于图论的输电断面快速搜集算法并行输电断面的判别本质上属于网络拓扑结构的辨识问题，图论方法作为一种成熟的理论，特别适用于求解与网络拓扑结构有关的问题。为此，本文提出了一种基于图论的输电断面快速搜索算法，该算法具体步骤如下：(1）根据实时网络拓扑结构和潮流分布状态，对初始电力网络简化、分区，形成系统状态图。(2）利用有向图的邻接矩阵与路径矩阵，通过简单的矩阵运算，快速搜索出与过载线路位置相关的并行输电断面。2.2带以“链”为概念的系统状态本文根据实时的网络拓扑结构和潮流分布状态，将由若干台发电机共同供电的母线集合划分为一个区。系统中的每一条母线属于也仅属于某一个区，由相同发电机供电但不直接相连的母线集合认定为不同的区。图4所示的简单系统可以分为3个区：(1)区由发电机A供电：母线为1与2；(2)区由发电机A、B供电：母线为3～5；(3)区为由发电机A、B、C供电：母线为6。分区之后的系统状态图如图5所示，其中“”表示一个区，将联系区与区之间的若干线路定义为链(Link)。图4所示系统包含了3条链：链Link1连接(1)区与(2)区，由支路1-3,2-5组成；链Link2连接(2)区与(3)区，由支路4-6,5-6组成；链Link3连接(1)区与(3)区，由支路2-6组成。这样原始网络节点与支路的关系就变成了系统状态图中区与链的关系了。2.3基于邻接矩阵的并行送电断面为了寻找过载支路的并行输电断面，需先确定该线路所在的“链”，再根据“链”与“区”的位置关系，寻找与过载支路所在“链”有相同电源区或负荷区的并行输电“链”，这些“链”所包含的线路就构成该过载支路的并行输电断面。设原始网络(图4)中的支路5-6过载，该支路所在的链为Link2，下面介绍与Link2有相同电源区的并行送电断面的搜索过程，其具体步骤如下：(1）建立系统状态图的邻接矩阵A。设系统状图中有n个区，则邻接矩阵为i×n阶的方阵(aij)n×n，当第i个区iR与第j区Rj之间存在一条由iR直接指向Rj的链时，则aij=1，否则aij=0。因此可得图5所示状态图的邻接矩阵为(2）根据文献建立路径矩阵的方法，由状态图的邻接矩阵A建立路径矩阵P。路径矩阵是用于描述任意2个区之间是否存在有向通路的，当存在iR到Rj的路径时，则Pij=1，否则Pij=0。(3）路径矩阵P加上一个n×n阶的单位阵E得到矩阵Q。(4）设Qj为矩阵Q的第j列向量，Mj为单位阵E的第j列向量：则有若被操作线路所在“链”Linki的始端“区”号为k，则对应Linki的伴随矩阵T可表示为T中的非零元为t13与t23，故Link2的并行送电断面Link(T)由链Link1-3与Link2-3组成。根据链与支路的对应关系，可以找到过载支路5-6的并行送电断面所包含的支路为2-6,4-6。并行受电断面Link(R)的搜索，需要建立矩阵R，具体过程与T类似。比较巧合的是，本例中Link2的并行受电断面与并行送电断面刚好相同，也是由“链”Link1-3与Link2-3组成。其详细过程略。(5）将并行送电断面与并行受电断面取并集，即得最终所要搜索的支路5-6的并行断面：2-6,4-6。从上述示例过程可知：根据实时潮流状态建立系统状态图得到邻接矩阵与路径矩阵后(该部分工作可以在线周期性执行)，在出现支路过载的紧急情况下，只需执行一次矩阵运算，就可以找到与该过载支路相关的并行输电断面，且因系统状态图中“区”的个数很少(与系统中发电机节点个数相当)，相应矩阵的阶数也就很小，因此计算速度相当快。3基于直流潮流的分布系数法如果过载支路跳闸后相关输电断面中的所有支路均不过载，即认为不会发生输电断面连锁过载；否则，就认为会导致输电断面连锁过载，应采取紧急控制，消除过负荷。在发生支路过载的紧急情况下，为了实时评估过载支路跳闸是否会引起输电断面连锁过载，原则上可以采用各种潮流计算方法，例如快速解耦潮流算法，但由于其计算量大，难于满足在线实时控制的要求，因此，本文采用基于直流潮流的分布系数法预测相关输电断面的潮流。设过载线路iL的并行输电断面中共有m条线路，过载线路iL断开后，若该断面不会发生连锁过载，则应满足下式约束：式中：iP(0)为线路iL断开前的有功潮流；jP(0)为支路iL断开前线路Lj的有功潮流；jP(i)为支路iL断开后线路Lj(iL并行输电断面中的支路)的有功潮流；λj(i)为支路iL断开引起线路Lj潮流增加的有功潮流分布系数；Pj,max为线路Lj的最大允许有功热极限。设支路iL与线路Lj端节点分别为a、b和c、d，则λj(i)可表示为式中：xab、xcd分别为线路iL与线路Lj的电抗，Xca、Xcb等都是支路iL断开前节点电抗矩阵X中的对应元素。由λj(i)的表达式可知，在已知实时的网络电抗矩阵X的条件下，仅需针对iL并行输电断面中的m条线路计算相应的分布系数λj(i)，再根据式(6)，就能判别出过载线路iL断开后是否会引起其输电断面的连锁过载。需要说明的是：基于直流潮流的分布系数法忽略了基态潮流的影响，相对于精确的潮流计算，会有10%以内的计算误差，但其计算速度却相当快。在电力系统发生过载时，为了满足实时控制的要求，计算的快速性应是考虑的主要因素。4通过计算消除输入连接过载的控制措施4.1面内各支路潮流越限本文考虑如何调整发电机出力或切机切负荷来快速降低过载支路的有功功率，同时不使断面内其它支路潮流越限。为此提出一种改进的启发式灵敏度调控算法，它以节点消除断面过载能力为依据确定控制节点操作序列，并引入启发式规则，从控制节点和相应控制量上保证断面内过载支路潮流不上升，正常支路不过载时，不需要潮流校验，大大提高了计算速度。4.2节点过载能力综合指标的计算以往的灵敏度算法具有简单方便的优点，但是仅根据节点对过载最严重支路的灵敏度大小确定操作序列，没有考虑节点对断面内其它过载支路和接近安全极限的警戒支路的潮流影响，校正过程往往反复缓慢，且需要潮流校验。本文以节点对断面内过载支路和警戒支路的灵敏度为基础，并结合各个支路的过载量、冗余量的差异性来合理确定相应权重，从而合成一个综合指标来表征节点消除断面的过载能力，其计算可用式(8)表示，并按照其大小排序为式中，IP(i)为节点i消除断面过载能力的综合指标；Sli,Ski分别为节点i对过载支路和警戒支路的灵敏度列向量；αlT,αkT是相应的权重列向量。本文利用式(9)判断某支路是否为警戒支路：式中：kP为正常支路K的当前潮流值；Pkmax为支路K的安全极限。式(8)中的权重向量αlT,αkT可根据按相应支路过载量正比例分配，冗余量反比例分配的原则计算，并规定最小过载量支路和最小冗余量支路对应的权重比为1.5，具体表达式为式中：∆Pli为过载支路i的过载量；∆Plmin为断面内过载量最小支路的过载量；∆Pkj为警戒支路j的冗余量；∆Pkmin为断面内冗余量最小的警戒支路的冗余量；αi，αj为过载支路和警戒支路对应的权重。4.3加出力节点的灵敏度控制按照式(8)确定的综合指标决定控制节点操作序列，考虑了节点对各个过载支路和警戒支路的潮流影响，但仍有可能使过载支路潮流增加，并使正常支路潮流越限。本文采用反向等量配对调整法进行调整，即为每一个加出力节点i找到与之配对的减出力节点j，节点i,j加减出力一样，因此可以根据如下的调整对灵敏度规则进行进行调整：式中，SLi、SLj分别是加出力节点i和减出力节点j对支路L的灵敏度。节点i、j对支路L的作用即可通过SSL-ij的符号和大小判断。具体的启发式规则为：首先判断节点i、j对过载支路的作用，当SSL-ij>0，表明调整ij会使过载支路L潮流上升，需进一步判断SLi和SLj的符号。当SLi>0，则按加出力点操作序列寻找下一加出力点；若SLj<0，则按减出力点操作序列寻找下一减出力点，直到调整对灵敏度对所有过载支路均为负号。4.4kssk-ij对于确定了的控制节点i、j，判断该调整对对正常支路的潮流作用。当SSK-ij>0时，表明调整ij会使正常支路K的潮流上升，应根据其冗余量∆Pk对节点i、j的控制量进行约束，即不能超过∆Pij1=min(∆PKSSK-ij)。根据所有过载支路的过载量和调整对i,j相应的灵敏度，得到i,j应调节的最大量为∆Pij2=max(∆PLSSL-ij)。调整对i,j实际调节量还要受到节点i的可加量∆iPmax和节点j的可减量∆Pjmax的限制，因此调整对i,j最终的调节量为求出调整对i,j的调整量后，即利用灵敏度关系刷新支路过载量和冗余量，并修正节点可调量。当仍存在过载支路时，调整对i,j必定至少有一个不可再调，按照操作序列寻找下一个可调点并配对调整，直到完全消除支路过载。可以看到，考虑了断面内各个支路因素的控制节点操作序列的确定及配对调整提高了校正过程的成功率和效率，由于启发式规则的引入而不必进行潮流校验，整个校正算法计算速度很快。5基于潮流校验的安全约束为考察本文提出的3项关键技术的可行性，对CEPRI36节点系统进行了仿真验证，其系统接线图及系统状态图如图6、7所示。仿真计算包括3步：(1)根据潮流自动搜索出输电断面；(2)对该线路跳闸后的输电断面