最佳重合闸时间与计算

Xi’anJiaotongUniversity优化重合闸时间，提高输电能力2006年03月25日张保会Xi’anJiaotongUniversity主要内容1课题研究目的及意义2最优重合闸时间的定性分析3最优重合闸时间的定量分析4最优重合闸时间的实现•在线实时捕捉•离线整定计算5最优重合闸时间的效益验证6结语Xi’anJiaotongUniversity目的及意义传统重合闸不足之处存在的问题：1不区分故障是瞬时性的还是永久性的若重合于永久故障，系统将再次遭受故障冲击，可能较大幅度的摇摆进入新的稳定运行状态，也可能摇摆后失去稳定。为了防止重合于永久故障造成系统稳定的破坏，在《电力系统安全稳定导则》中规定：单相永久性故障重合不成功时不允许造成稳定破坏。就必须得限制正常方式下传输线路的输电容量，以致使得某些发电厂“窝电”或“弃水”。Xi’anJiaotongUniversity目的及意义2重合闸时间是固定的，不能随故障条件而变化传统重合闸不足之处传统重合闸时间的整定，以保证对瞬时性故障能重合成功，对永久故障能跳开为原则，取一个最小间歇时间为重合闸时间，一般为0.5s左右。事实证明，这个最小重合闸时间对系统的暂态稳定不一定有利，可能有害。选取较优的重合闸时间，可以提高抗御重合于永久性故障的能力。东北电网中由水丰向丹东送电的水东线，在水丰厂出口发生单相永久性接地故障，当重合闸时间为1.4s时，即使水丰四台100MW机组只发360MW，仍需重合后连切一台机组才能保持稳定；而当重合闸时间改为1.1s(尚非最佳重合时间)时，水丰厂发电增加到380MW，无需切机就能保持系统稳定。可见选取较佳重合闸时间效果是显著的。目的及意义3最小重合时间1）在断路器跳闸后，故障点的电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度需要的时间；2）在断路器动作跳闸息弧后，其触头周围绝缘强度的恢复以及消弧室重新充满油、气需要的时间；同时其操作机构恢复原状准备好再次动作需要的时间。3）双侧电源线路两侧继电保护跳闸的时间差等因素确定。4）如果重合闸是利用继电保护跳闸出口起动，其动作时限还应该加上断路器的跳闸时间。根据我国一些电力系统的运行经验，重合闸的最小时间为0.3-0.4秒。目的及意义4最佳重合时间在保证瞬时故障能够重合成功、永久性故障能够再次跳开的前提下，大于最小重合时间的一个时间。在最佳时间重合短路器，可以使重合成功（瞬时故障）后或故障再次切除（永久故障）后的系统摇摆幅度最小。最佳重合时间重合短路器工作条件恢复更好、故障点绝缘恢复更充分。Xi’anJiaotongUniversity目的及意义优化重合闸时间的意义在相同的网络件下，不需要增加任何一次设备，不改变任何二次设备，优化重合闸时间，就可提高输电线路的传输能力。选取较佳的重合闸时机，利用发电机存储的减速能量，部分抵消重合于故障时的加速能量，使得系统在最后一次网络操作后的暂态能量最小，减小系统摇摆幅度,进而提高相同传输功率条件下的暂态稳定裕度。最佳重合时间的应用价值Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析最小重合闸时间对于联系薄弱、依靠重合闸成功才能维持首摆稳定的系统，瞬时故障切除后重合时间越短、两侧功角摆开越小，重合越快越有利于系统稳定，因此，这种结构的系统，重合闸应越快越好，应按照最小重合时间重合。在《电力系统安全稳定导则》中规定：单相永久性故障重合不成功时不允许造成稳定破坏，因而这种情况是极少数的，这一点在电网规划建设时就已经得到了保证。所以研究阻尼系统摇摆的最佳重合时间具有现实意义。Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析电力系统暂态稳定的经典数学模型以重合闸的最后一次操作时刻为t=0+，系统新的稳定平衡点作为状态空间的原点,电力系统暂态稳定性的经典模型为：..1,2iiTieiiiMPPin式中，Mi为第号机的惯性常数，PTi为机械输入功率，Pei为输出功率。对于扰动前、扰动期间、扰动清除后的电力系统为方程(1)的分段函数，重合闸后系统的同步稳定性就是方程(1)解的稳定性。(1)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析电力系统暂态稳定的经典数学模型根据Lyapnov直接法理论，方程(1)其解的稳定性与初值状态有关，当初值落于稳定域内时，系统的是稳定的。方程(1)的初值为重合闸最后一次操作完成时刻，各发电机的角度、角速度与新的稳定平衡点之间的偏差。理想的情况是初值为零，即角度、角速度过稳定平衡点的时刻，完成最后一次操作，系统将会无摇摆地进入稳定运行状态。然而这是不可能的，实际重合闸最后一次操作的最佳时刻是距离新的稳定平衡点最近的时刻，即：00min0minttt(2)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析瞬时性故障最优重合时间瞬时性故障最佳重合条件：瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功，新的稳定运行平衡点就在故障前运行点附近，且无论机组在加速还是在减速过程中,因而最佳重合条件强调(2)式中的第一式：0mint(3)因此，整定的瞬时性故障的最佳重合闸时刻一般发生在扰动结束后系统的回摆过程中，离故障前运行点最近的时刻。Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析永久性故障最优重合时间永久性故障最佳重合条件：永久性故障时，网络最后一次操作是重合闸失败后断路器的再次跳开，新的稳定运行平衡点是故障切除后系统的稳定运行点。当断路器再次跳开时刻满足最佳重合条件方程(2)时，系统的摇摆最小。重合于永久故障，无疑对电力设备有不良影响，因而第二次故障切除仍然是越快越好，这个故障的切除时间由断路器再次跳闸灭弧所确定。然而，故障的再切除时间取决于保护再跳闸时间，一般为0.1秒。因此，优化最后一次跳闸时间变成了选择较优的重合时间。合适的重合时间使得故障第二次切除后摇摆迅速平息；不合适的重合时机使得故障的第二次作用与第一次的作用叠加，使系统失去稳定。Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析永久性故障最优重合时间1不合适的重合时间，重合于永久故障失步(a)(b)min0max1,2,3,4,5,6rrcscFig.1重合于永久故障失步(a)功角曲线(b)相平面1故障，故障切除，达处加速面积A1＝B1减速面积。2回摆到处，减速面积B1＝加速面积C13处重合，再沿P1运行，在处再次切除，此时的加速面积C1＋A1P2曲线剩余的减速面积，导致系统失稳。0cmaxminrsrc单机无限大母线系统重合于永久故障失步过程说明：Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析永久性故障最优重合时间2最优的重合时间，阻尼系统摇摆(a)(b)min0max1,2,3,4,5,6rrcscFig.2最优重合阻尼系统摇摆(a)功角曲线(b)相平面rsrc最优时间重合，将阻尼系统摇摆过程说明：1故障条件不变，保护切除第二次故障时间不变。2第二个摇摆周期中，当机组回摆减速在最大值前处(红点)重合，加速功率的作用使机组的加速度为正，角速度由负最大值开始减小。3在处再次切除，角速度、角加速度接近于0，系统稳定。Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定性分析永久性故障最优重合时间因此，对于永久性故障，在最优时间重合，希望第二次故障冲击所产生的机组加速能量，抵消发电机在回摆时携带的减速能量，并希望故障切除后机组的不平衡功率越小越好。基于此，永久性故障最佳重合时机为：角度达到最大值并开始减小，角速度为负并在达到负最大值之前。Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析单机无限大系统最优重合条件暂态能量函数(TEF)法是分析电力系统稳定的一种比较成熟的方法。暂态能量值可以描述一个自治系统在最后一次网络操作完成后系统振荡的激烈程度，其值越大，表明系统的振荡越严重，当暂态能量值超过系统所能吸收的临界能量时，系统表现为不稳定。以单机无限大母线系统为例，进行基于暂态能量函数的最优重合时间的定量分析：Fig.3单机无限大母线系统暂态能量函数法Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析暂态能量函数法忽略阻尼，发电机采用经典模型，转子运动方程：用乘以第一式两端并积分，得到：'sinTmiEUMPXsin0cctteiTttMdtPP整理后可得：002211sinsin22ctteiTceiTttMtPPdtMtPPdt(4)(5)(6)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析暂态能量函数法(6)式中，左端为t时刻系统的动能和位能之和，右端为tc时刻的动能与位能之和，表明系统在故障阶段积蓄的暂态能量，在ttc时是维持不变的。因此，事故后阶段任意时刻系统的总能量可表示为：(7)位能函数在有一最小值以及在和有两个局部最大值，通常取较小者作为系统所能吸收的最大能量Vmax：slumaxsinuseiTPEuVPPdV：减速失步临界点，：加速失步临界点，：稳定平衡点lus021,sin2teiTtVMtPPd(8)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析暂态能量函数法网络最后一次操作完成后，系统是一个自治系统，能量保持不变：021,sin2teiTthtVMtPPdV要使系统稳定，则系统在完成最后一次操作后的能量必小于系统可能吸收的最大能量，即：maxthVV(9)(10)网络最后一次操作后的系统，若功角大小表示摇摆的稳定裕度，则暂态能量Vth越小，功角摇摆的幅度越小。在Vth最小时完成操作，所对应的时刻就是最优操作时刻，即minopththtttVV(11)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析瞬时故障的最佳重合条件瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功。令重合闸时刻对应的时间、角度、角速度分别为：、、，则最佳重合条件：201minsin2thsththTVMPPdhtthth不难求得取极小值的条件为：thV0htmin0hhttt或者式中P0系统正常运行功率(12)(13)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析永久性故障的最佳重合条件重合于永久性故障时，网络的最后一次操作是重合后保护再次跳开断路器。类似于瞬时故障，若最佳跳开时刻为，则永久性故障最后一次网络操作最优的条件为：211minsin2tccccccsttTVMPPd式中P1故障切除后系统功率cct(14)然而，故障的再切除时间由保护及断路器跳开时间决定，一般为0.1s左右，更有意义的是寻找满足上式的重合时间，令cctth222111222cctththMMMM则(15)Xi’anJiaotongUniversity最优重合闸时间的定量分析永久性故障的最佳重合条件设重合前网络的暂态能量：2111sin2thsththTVMPPdC(16)由14、15、16式整理得：2111minsin2cccchttthTtVCMMPPd(17)近似估计：当取负最大知，取正时，第二项对应的动能与第四项对应的位能均为负值，此时重合于永久性故障上不仅不会增加系统的暂态能量，反而可以使暂态能量小于第一次故障冲击产生的C1，阻尼系统的摇摆。thXi’