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    浅析电力系统同步振荡与短路故障

    来源：电气商情网 作者：佚名 发布日期：2008-6-20 9:22:51
    关键词:  电力 振荡 电力系统

    文章标题：浅析电力系统同步振荡与短路故障
    摘要：电力系统振荡不但可能危及系统和发电机的安全,还可能导致某些继电保护装置误动。如何精确地实时测量系统振荡参数是提高安全稳定装置和继电保护技术水平的重要途径。本文概述了系统振荡与短路故障间的区别,指出了系统振荡对保护装置的影响,并对目前广泛使用的区分系统振荡与故障的方法进行了综述。
    关键词：电力系统振荡继电保护装置短路故障
    1引言
    　　系统振荡与短路是电力系统中的两种不同现象。继电保护要快速准确地区分电力系统振荡与短路,对振荡时可能误动作的保护应可靠闭锁。而对振荡中出现的各种类型的故障,则要求继电保护能够准确及时地识别，并开放保护快速切除故障，以利于系统尽快恢复稳定运行。振荡闭锁是电力输电线路继电保护研究的重要问题之一。研究电力系统在某种工况下，稳定破坏后,运行量变化规律的意义在于:一方面解释非同步运行的物理现象,清晰这些物理现象就可以解释实际电力系统中,发生系统振荡时,各种自动装置的动作行为。另一方面,弄清了其物理过程,就可有的放矢地采取一些有效的反事故对策,为研制新型的安全自动装置提供理论基础。

    2电力系统振荡与短路的比较
    2.1电力系统振荡时电压电流的分布
    　　电力系统中由于输送功率过大，超过静稳定极限;由于无功功率不足而引起的系统电压降低或由于短路故障切除缓慢以及非同期自动重合闸不成功都可能引起系统振荡。

    　　图1以两侧电源辐射网络为例，说明了系统振荡时各种电气量的变化。在系统三相运行时发生系统振荡，此时三相总是对称的，可以按照单相系统来研究。
    如图所示如果以电势为参考，使其相位角为零，则在系统振荡时，可以认为n侧系统等值电势围绕旋转或摆动。因为落后于的角度δ在0。到360。之间变化。


    由于系统阻抗角等于线路阻抗角,也等于总阻抗的阻抗角，

    表的输电线上那一点在振荡角度δ下的电压最低,该点称为系统在振荡角度为δ时的振荡中心。当δ=360o时,振荡中心的电压将降至零,根据式(2)可知此时两等值电源之间流过的电流达到最大。从电压电流的数值看,这和在此点发生三相短路无异。但是系统振荡属于不正常运行状态而非故障,继电保护装置不应动作切除振荡中心所在的线路。因此继电保护装置必须具备区别三相短路和系统振荡的能力,才能保证在系统振荡状态下的正确工作。
    系统振荡时,系统内各参数的幅值随角度δ的变化而变化,其中电流的变化见图3。

    2.2系统振荡与短路的区别
    　　*振荡时,电流和各点电压的幅值均作周期性的变化,只在δ=180o时才出现最严重的现象;而短路后,短路电流和各点电压的值,当不计其衰减时是不变的。
    　　*振荡时,电流和各点电压幅值的变化速度较慢;而短路时电流是突然增大,电压也突然降低,变化速度很快。
    　　*振荡时,任一点电流与电压之间的相位关系都随δ的变化而改变;而短路时,电流和电压之间的相位是不变的。
    　　*振荡时,三相完全对称,电力系统中没有负序分量出现;而短路时,总要长期(在不对称短路过程中)或瞬间(在三相短路开始时)出现负序分量。
    2.3系统振荡对保护装置的影响
    *电流继电器
    　　电流继电器在振荡电流大于动作电流时启动，小于返回电流时返回，如图3所示，在的时间tj内电流继电器因振荡而启动，如果保护时限小于tj保护就要动作。由图3可知，将保护时限大于tj或动作电流加大为idz’大于振荡电流，就可以躲过振荡。
    *低电压继电器
    　　振荡时各点电压下降程度不同，靠近电源的低电压保护不易动作，振荡中心处最易动作，可仿效电流继电器从时间和动作电压躲过振荡。
    *阻抗继电器

    3系统振荡与故障识别研究状况
    　　电力系统振荡会引起距离保护的误动作，如何防止距离保护的误动，在用简单的增加时限和改变保护定值不能实现保护的基本功能时，就要装设专门的振荡闭锁装置，振荡闭锁一直是继电保护工作者的重要课题。
    振荡闭锁的基本要求是:
    　　*系统发生振荡而没有故障时,应可靠地将保护闭锁,且振荡不停息,闭锁不应解除。
    　　*系统发生各种类型的故障(包括转换性故障),保护应不被闭锁而能可靠地动作。
    　　*在振荡的过程中发生故障时,保护应能正确地动作。
    　　*先故障后又发生振荡时,保护不致无选择性地动作。
    　　在我国振荡闭锁传统上广泛采用的出现负序电流或电流突变时保护起动后短时开放的方法，能有效地防止振荡时保护误动，但由于某些原因保护起动后再发生区间内故障，或发生转换性故障时，会将保护误闭锁而引起保护拒动。短时开放的振荡闭锁方法已越来越不能满足继电保护的要求，为此提出了更多振荡闭锁的新方法，期望在振荡闭锁期间尽快切除故障。另一种广泛应用的区分振荡与故障的方法是测量dr/dt这种方法需要较长时间（至少需要0.2s）才能区分振荡中发生故障。文献[2]给出了一种区分振荡和故障的新原理反应与|i2| |i0|与|i1|之比。当系统在振荡中发生不对称故障时，只要两侧摇摆电势的相差减小时，保护就能立即作出判断。文献[3]基于比较电流故障分量的变化方式，基于这种新原理的启动元件在系统振荡时无论振荡周期多么短都不会误动，在系统发生单纯故障和振荡中再故障时又能正确启动，减少了常规振荡闭锁元件的的缺陷。与此同时文献[4]提出了在系统振荡时提取故障分量的新方法。
    　　现代数学的发展、人工智能的研究及其在电力系统中的应用越来越受到人们的重视,其主要包括专家系统、遗传算法、神经元网络、模糊集理论等内容。其中神经元网络与模糊集理论的研究已经有了很大的进展。文献[5]基于模糊集合理论实现系统振荡与短路的识别，利用模糊模式识别原理建立相应的模糊数学模型,根据多特征量、多判据进行综合判断就能很好地区分振荡与短路。将模糊集合理论中模糊隶属度的概念应用到电力系统振荡与短路的识别中,通过提取恰当的特征量并赋以一定的权值,对短路、振荡及振荡伴随短路这三种情况进行综合判断。文献[6]则运用模糊集合理论识别系统振荡中的短路故障通过对电力系统振荡和短路所呈现出的不同特征的分析,从故障特征入手,利用模糊集合理论来识别振荡过程中发生的短路。文献[7]介绍了正规形理论的基本内容及其在电力系统中的应用情况,将正规形理论应用于电力系统振荡稳定分析中,可以将线性系统中的参与因子的概念推广到非线性系统中,为理解系统各振荡模式之间的非线性相互作用提供度量。文献[8]基于建立在空间坐标基础上的综合矢量的概念,提出了利用电流综合负序矢量与电流零序分量相配合识别振荡中发生的接地故障的新原理。同时给出了实现该原理的快速算法。这种快速算法完全不受系统振荡时频率偏移的影响,识别接地故障具有较高的灵敏度。
    　　在一个并列运行的系统和发电厂的运行中,可能失去同步,考验保护在振荡过程中的动作情况是必要的。为此文献[9][10]分别从不同出发点介绍了如何利用微机继电保护装置及面向继电保护的全过程系统振荡仿真提出了一种更加符合电力系统机电暂态过程的全过程系统振荡模式的设计思想。通过对振荡中系统频率的正确理解,提出了利用多项式拟合系统频率变化速度的新思想。系统振荡中的各种关键参数均可设定,可为振荡中各种继电保护装置和安全自动装置的动作行为评估提供足够的典型数据模拟系统振荡,来检查保护的动作情况。
    　　为早期预知电力系统振荡的发生,将有关信息报告给系统运行控制人员。目前日本中部电力公司在原有的p、q、v、f(有功功率、无功功率、电压、频率)监测装置的基础上增加振荡检测功能,开发出了系统振荡监测系统,并开始投入实际运用。自本世纪80年代国内部分专家学者已开始着手研究静止无功补偿器（svc）阻尼电力系统振荡等自动化装置以期更好地改善电力系统运行的暂态稳定性。

    4结论
    　　电力系统失稳振荡后的对策与否,对电力系统的安全有极为重要的影响。以往的运行经验表明,重大系统事故的产生,几乎都是由系统失去稳定而扩大,因无预定的反事故对策,而后发展为灾害性后果。因而,不管对系统稳定性裕度要求如何严格,措施如何完善,总可能因一些事先不可预计的各种偶然因素叠加,产生稳定破坏事故,而过分提高对系统稳定性裕度的要求,又需要大量的投资。所以,一个较弱而有措施准备的系统,会比较强而无措施准备的系统有更好的运行效果。本文的目的也正在于此，通过研究借助于一些完善的反事故对策,可以提高电力系统运行的安全性,以期提高电力系统运行的经济效益和社会效益。◎


    参考文献
    [1]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理.北京.水利电力出版社.1991.
    [2]沈国荣.区分振荡与短路的新原理.电力系统自动化.1990(14)1.
    [3]孔繁朋,葛耀中,周秦武.一种区分振荡和故障的新方法.电力系统自动化.1995(19)4:34-38.
    [4]熊小伏,叶一麟,李小秋.在电力系统振荡情况下提取故障分量的新方法.重庆大学学报.1994(17)4:45-52.
    [5]郁惟镛,范广军,迟忠君.基于模糊集合理论的电力系统振荡与短路的识别.继电器.2002(30)3:4-7.
    [6]焦邵华,刘万顺,杨奇逊,张振华.用模糊集合理论识别电力系统振荡中的短路的研究.中国电机工程学报.1998(18)6:443-448.
    [7]夏成军,周良松,彭波,胡会骏.基于正规形理论的电力系统振荡稳定分析.继电器.2001(29)8:13-16.
    [8]焦振有,姜梅,焦燕莉,z.q.bo.利用综合负序矢量识别电力系统振荡中接地故障.东北电力学院学报.2001(21)4:105-109.
    [9]魏燕,顾峰,张克元.利用国内某些微机继电保护装置实现电力系统的振荡模拟.继电器.2002(29)6:38-40.
    [10]林湘宁,刘沛,胡帆.面向继电保护的全过程系统振荡仿真.电力系统自动化.2003(27)22:56-59.
    [11]日本开发的电力系统振荡监测系统.电力情报.1998(2):65.
    [12]金华烽,何奔腾.电力系统振荡闭锁判别方法的研究继电器1999(27)2:24-25,31.
    [13]杨炳元.张保会,吴集光.简单电力系统失步运行时对策浅析.继电器.2000(28)2:14-16,36.
    [14]刘艳芬,武宝贵,王庆雄.电力系统振荡对继电保护装置的影响及振荡闭锁装置.包钢科技.2002(28)4:43-45,49.


    作者简介
    姚金雄（1979-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统分析及自动装置;
    兀伟（1976-），男，硕士研究生，研究方向为工业电气自动化

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