第4章电力系统广域安全控制与保护电力系统的广域系统扰动基本概念电力系统广域扰动主要有两类：一是电压崩溃，二是功角失稳。在广域扰动过程中，可能是电压稳定问题或者是功角稳定问题，也可能是二者的混合。但是，在大多数情况下，系统停电常常是由于电压不稳定一起的，最后造成系统功角稳定问题。所谓“电压崩溃”【Taylor】，是指电力系统在给定运行条件下，当遭受到扰动后，如果系统的平衡点低于系统所允许的运行极限，则称系统在经历一个电压崩溃过程。电压崩溃可能会扩展到整个电力系统，也可能会被限制在系统的某一区域。由于在输电线路断开或者系统处于低压运行情况下，输电系统的传输能力减小，会导致发电机发出的功率不能完全被传输到系统的负荷端。如果没有及时采取适当的控制措施，维持系统发电与负荷的平衡，则会导致系统发电机失去同步，造成系统运行不稳定。下面的例子说明了在系统崩溃过程期间，超高压输电线路由电压崩溃问题转换为功角稳定问题。图4－1电力系统广域保护系统传统的局部控制保护系统低频切负荷当系统的发电容量不能够满足负荷需求时，系统的运行频率就会下降，因此，必须采取快速的控制措施进行维护系统发电与负荷平衡。如果没有快速的反应措施，发电机单元的低频继电器动作会切除发动机，造成发电与负荷的更大不平衡。传统上，可以通过切负荷能够恢复系统发电与负荷平衡。传统的切负荷方案是由位于主要馈线上的低频继电器组成的。当频率下降到预定的门槛时，临界的馈线将被从系统中切除。如果频率继续下降，下一阶段的切负荷方案将被启动。通常，低频减载系统有五个频率档位，如59.2，59，58.8，58.6Hz。理想地，所有的低频切负荷的方案都应具有相同的动作特性，以致于当系统频率低于所设定的门槛时，电力系统所有满足条件的低频继电器能够同时动作。低压甩负荷如图4－2给出了一个低压减载分方案：图4－2当三相电压下降到低于额定电压87％时（低压继电器接点27－2），低压切负荷方案将切掉断路器所带负荷；该方案是在系统三相平衡的运行条件下才能动作条件，低压继电器27－1与开口三角形PT相连，以检测是否存在零序电压。该方案只有在没有零序电压存在的情况下启动。另外，瞬时过流继电器50用以检测馈线是否发生路故障。在馈线故障期间，电压切负荷继电器不应动作。如果系统出现三相低电压条件，而且没有零序电压出现，同时馈线没有故障出现，低电压切负荷装置的定时器启动，进行一定的延时（如1秒）后，上述条件仍存在，则切除该馈线负荷。该方案动作采样具有不同的延时继电器，将时间错开进行切负荷以减小当负荷被切掉时对系统电压造成的冲击。传统的广域保护系统电力系统的广域保护系统WAPS的设计是用于检测系统非正常运行条件，采取事先规划的校正控制措施以减小大面积停电，提高系统的传输能力。典型的广域保护动作方案包括自动切机和切负荷。为了提高系统的可靠性，WAPS系统可以通过利用新的监视、保护以及通信技术来实现。广域保护系统的基本要求：冗余度当系统任一个设备故障时，不应造成WAPS系统的失效。当进行测试或检修时，大多数的系统设备应该能够从系统的校正控制方案中退出，而保证其余系统仍保持正常运行。安全性WAPS系统为了保证系统的安全性，其控制器采用冗余配置，一般为2/3控制输出来保证控制的安全性。当系统的潮流超越定值，或者系统某一元件失去时，应要采用手动或自动控制措施；另外，可以使用附加信号（如潮流变化率及电流监测设备等），对校正控制过程中的跳闸信号（如系统解列信号）进行监视。通信信道WAPS需要快速和冗余信道。信道应能满足要求：从扰动发生到系统完成校正控制动作后的时间，大约在100－200ms之间。尤其，用于系统功角稳定控制时。要求具有高精度和快速的测量仪表WAPS应具有高精度和快速的测量仪表，这是因为在大多数情况下，校正控制依赖于联络线路的潮流以及潮流方向。另外，WAPS设计需要当地测量量，如电压、电流、功率以及频率等，以监控远WPAPS无功支持要求。同步测量：这是非常重要的一个要求，快速、精确的广域同步相量信息，可以提高处理和实现WAPS的保护与控制算法。我们看BPA的广域保护系统在以下三个方面的应用。低压切负荷系统如图4－3所示温哥华岛的电力系统图4－3针对三个区域设计了低电压切负荷方案。该方案监视三个区域的低电压水平，同时也监视区域3的四台同步调相机的无功输出。通过四台同步调相机的总的输出来启动或退出广域低压切负荷方案，原理如图4－4。图4－4当同步调相器输出接近额定容量时低电压切负荷方案该方案是在当同步调相机的输出接近其额定输出容量时才进行启动。如果系统发生扰动，同步调相机将无法为系统提供无功功率。如果在区域1和区域3，或者区域2和区域3的电压低于