预防连锁跳闸的关键线路后备保护与紧急控制策略研究

摘 要

现代互联电网中输电线路数量众多，针对所有线路实施预防连锁跳闸的后备保护与紧急控制策略，既不必要也不现实。本文提出一种基于电网生存性评估的关键线路识别方法，有效识别支撑电网安全稳定运行的关键线路，为有针对性地实施预防连锁跳闸的后备保护和紧急控制策略提供指导。

【关键词】连锁跳闸 后备保护 紧急控制策略

1 引言

关键线路的持续可靠运行，对维持电网安全运行和避免连锁跳闸导致的大面积停电事故具有重要作用。论文将广域信息引入后备保护，针对位于电网功率传输和网架结构枢纽位置的关键线路，研究提出防御潮流转移过负荷连锁跳闸的后备保护和紧急控制策略。

2 预防连锁跳闸的后备保护动作策略

2.1 预防连锁跳闸的后备保护概述

当电网关键线路发生潮流转移过负荷时，需要可靠避免其后备保护的过负荷跳闸，维持电网关键拓扑结构的完整，为进一步实施消除潮流转移过负荷的紧急控制策略提供前提。上述后备保护动作策略的关键在于可靠区分电网短路故障与潮流转移引起的后备保护动作，进而可靠避免后备保护过负荷跳闸的同时，为潮流转移紧急控制策略的快速启动提供依据。电网支路相继切除事件通常包括两个部分：电网初始短路切除事件和继发的潮流转移过负荷连锁跳闸事件。与继发的潮流转移过负荷连锁跳闸事件相比，初始短路切除事件的发生概率较大，而涉及的电网支路切除数较少，相应的预想事故集规模较小。

首先，以预防电网初始短路切除事件直接引发后备保护过负荷跳闸为目标，提出了后备保护的自适应调整策略，给出了自适应调整策略的启发式搜索方法和实现逻辑。其次，针对自适应调整策略失配的情形，进一步根据相邻和次相邻变电站的继电保护动作信息，提出了后备保护的过负荷跳闸闭锁策略，给出了策略的实现依据和程序流程。

2.2 后备保护的自适应调整策略

2.2.1 自适应调整策略的数学模型

后备保护过负荷跳闸通常源于电网支路切除事件（如：重负荷线路故障切除等）引发的潮流转移。如果以避免电网初始支路切除事件直接导致后备保护过负荷跳闸为目标，对保护动作特性进行相应调整。那么，就可在事故发展初期，有效切断后备保护过负荷连锁跳闸路径，预防连锁事故的发生。以电网中后备保护K为例，为避免初始支路切除事件直接导致该后备保护K发生过负荷跳闸，保护K需要躲过的最小负荷阻抗Zmin（K）和最大负荷阻抗角∮max（K）如下。

式中，C表示电网初始支路切除事件集。Zload（K，I），∮load（K，I）和Mrelay（K，I）分别表示初始支路切除事件iεC发生时，后备保护K安装处的线路负荷阻抗、负荷阻抗角以及后备保护K测量阻抗与其动作边界间的相对距离。Mrelay（K，I）<0，表示根据导致后备保护K发生过负荷跳闸的初始支路切除事件，确定Zmin（K）和∮max（K）。

电网的初始支路切除事件通常包括原发性支路短路切除事件及其诱发的继电保护隐藏故障跳闸事件。另外，在初始支路切除事件发生前，还可能存在线路的正常检修停运事件。为有效预防初始支路切除事件导致的后备保护过负荷跳闸，本文按N-1准则同时考虑上述支路切除情形，即认为在初始支路切除事件集合C中，每个支路切除事件的最大支路切除数阈值rth为3。按上述原则，一种典型的初始支路切除事件可描述如下：单一线路检修停运方式下，某条运行线路发生短路故障被切除的同时，其邻近某条线路因继电保护隐藏故障暴发而退出运行。

当电网规模较小时，采用枚举全部初始支路切除事件的方法，可以快速完成

上述动作特性自适应调整策略的形成。但是，当电网规模较大时，初始支路切除

事件集合C的规模将急剧增加，上述方法难以保证调整策略的快速形成。针对这一问题，本文将上述Zmin（K）和∮max（K）的搜索转化为一个优化问题，通过启发式搜索方法进行快速求解，有效避免枚举全部初始支路切除事件带来的计算量，实现调整策略的快速形成。

2.2.2 自适应调整策略的实现逻辑

为了在预防后备保护过负荷跳闸的同时，保证后备保护切除区内短路故障旳能力，提出了自适应调整策略的实现逻辑。其中，I2K为保护K安装处测量得到的负序电流，I2th为设定阈值，其设定原则为可靠躲过潮流转移过负荷时负序电流滤过器输出的最大不平衡电流，本文将阈值I2th取为10%的线路热稳定极限电流。为了保证后备保护切除区内三相短路故障的能力，阈值∮th取为60°。Kk1和KK2为可靠系数，分别取值为0.9和1.1。

3 预防连锁跳闸的紧急控制策略

关键线路发生潮流转移过负荷时，不仅应可靠避免其后备保护过负荷跳闸，还应该在线路过负荷允许运行时间内，迅速实施切机、切负荷控制措施，消除关键线路的潮流转移过负荷，使电网恢复到安全运行状态。以过负荷关键线路及其潮流转移路径集为控制对象，提出了一种基于灵敏度方法的潮流转移过负荷紧急控制策略。首先，基于局部网络分析，推导了支路传输功率与母线注入功率间灵敏度的快速计算方法。进一步基于综合灵敏度概念和密切值法，提出了最佳控制节点对的优选策略，并给出了合理控制量的确定方法。最后，给出了过负荷控制策略的总体实现流程。

密切值法是系统工程中多目标决策的一种优选方法，适用于多测点、多指标的评价系统，具有原理简单、概念清晰、易于实现等特点。本文采用加权密切值法，评价Ω内各个控制节点对消除T内多条支路过载的综合能力，进而从中优选出参与调整的最佳控制节点对，具体步骤如下。

（1）为优先选择对T内过载支路具有较强控制能力的控制节点对参与调整，以Ω内各个控制节点对与各过载支路间的综合灵敏度作为评价指标，形成指标矩阵X。其目的是优先选择对T内过载支路具有较强控制能力的控制节点对参与调整。

其中，Xpg为Ω内第7个控制节点对与T内第q条过载支路间的综合灵敏度，U为Q内控制节点对的总数，V为T内过载支路的总数。

（2）为优先针对T内过载量较大的支路实施控制，以T内各过载支路的过载量为权重，形成权重指标向量W=（Wq）ixv，其中，Wq为T内第q条过载支路的权重，Pq，Pqmax分别为该过载支路的实际传输功率和最大允许传输功率。

按上式形成权重指标矩阵R=（rpq）uxp0。

需要说明的是，对于I内任一条支路，边界母线及其相邻外部电网内母线的注入功率对该支路的传输功率取相同的灵敏度。因此，当最佳控制节点对中含有边界母线，而该边界母线为不可调母线时，可在与该边界母线相邻的外部电网中，寻找其它可调母线对其进行替代。为避免调整功率远距离传输，仅在与边界母线电气距离较近的母线中寻找上述替代母线。具体为：在与边界母线相隔支路数不超过取rth2（取rth=3）条的外部电网母线中，将与边界母线电气距离最短的可调母线选择为替代母线。

4 结论

综上所述，预防连锁跳闸的后备保护与控制策略，对避免潮流转移引起的大面积停电事故具有重要意义。以下是几个值得进一步深入研究的问题：

（1）关键线路的识别是本方案中关键的第一步。随着计算机和通信技术的进一步发展，如何借助于WAMS信息，实现关键线路和关键变电站的在线识别，将更加具有实际应用价值。

（2）论文主要采用IEEE仿真测试系统来验证理论分析结果，因此，需要进一步釆用实际系统和现场数据来获得更贴近工程的结论，在逐步改进的基础上实现实用化。

参考文献

[1]杨文辉.预防连锁跳闸的关键线路后备保护与紧急控制策略研究[D].华北电力大学，2012.

[2]林湘宁，夏文龙，熊玮，李正天，刘小春，刘健哲.不受潮流转移影响的距离后备保护动作特性自适应调节研究[J].中国电机工程学报，2011（S1）.

[3]韩昆仑.高压直流输电系统换流器与线路保护动态特性分析与整定研究[D].华南理工大学，2013.

作者单位

广西金海电力有限公司 广西壮族自治区北海市 536000