一种可缩短重合闸时间的方法与流程

1.本发明涉及继电保护领域，尤其是一种可缩短重合闸时间的方法。


背景技术：

2.当输电线路上发生故障后继电保护装置将断路器跳开，经过预定的延时后，能够自动地将跳开的断路器重新合闸。若线路发生瞬时性故障跳闸时，当瞬时性故障消失后，自动重合闸装置能在极短的时限内重新合上线路断路器，恢复线路的正常供电。若线路发生永久性故障时，则自动重合闸不成功，故障线路再次跳闸，迅速切除故障线路，保证其他运行线路的供电。自动重合闸装置(zch)又称自动重合器，是用于配电网自动化的一种智能化开关设备，它能够检测到故障电流、在给定时间内断开故障电流并能进行给定次数重合的一种“自具”能力的控制开关。所谓“自具”是指重合闸装置本身具有故障电流检测和操作顺序控制与执行的能力，无需附加继电保护装置和另外的操作电源，也不需要和外界通信。
3.在电力系统中采用了自动重合闸装置，即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后，能够自动控制断路器重新合上的一种装置。大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数；在高压输电线路上采用重合闸装置，可以提高电力系统并列运行的稳定性；在架空线路上采用重合闸装置，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起纠正的作用；但是，当重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如：使电力系统又一次受到故障的冲击。由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。
4.在实际工作中重合闸时间一般设置为2秒，当系统发生瞬时性故障时，断路器断开，切除故障，当瞬时性故障消失时，重合闸启动，2秒后自动重合。但在故障存在和重合闸启动过程中，会造成瞬时停电，影响用户和居民的用电体验，而再次重合的电流冲击会对企业生产、机器运转、居民家用电器造成很大的影响，容易使得机器烧损，造成一定的经济损失。
5.当系统中发生瞬时性故障时，为极大发挥重合闸作用，若重合时间选择正确，会使初次故障产生的能量与重合闸操作产生的能量相互抵消，达到提高系统暂态稳定性的目的。传统分析认为瞬时性故障最佳重合闸条件为发电机的功角由最大开始减小时和相对角速度δω达到负的最大值之前。故对最佳重合闸条件的研究普遍由综合考虑功角和相对角速度的暂态能量函数法得出。然而该方法存在以下不足：传统的最佳重合闸条件综合考虑功角与相对角速度，使得这一条件很难在线整定得出；在相对动能的形式下，减速机组可能会出现动能增加这一不合理的现象，不利于观测机组减速过程；功角(或暂态势能)与永久性故障的最佳重合闸条件缺乏必然联系。


技术实现要素：

6.鉴于上述不足，考虑到发电机转子角速度响应可以反映系统在任何大扰动下发电机的运行状态，本发明从转子角速度分析出发，对故障最佳重合闸条件进行简化，提出一种
可缩短重合闸时间的方法。在系统发生瞬时性故障时，能够在最短时间内重合，不会对生产企业及用户造成影响，实现用户的零感知，提高供电可靠性。
7.本发明的技术解决方案是：一种可缩短重合闸时间的方法，其步骤如下：
8.第一步、根据lyapnov直接法理论，利用公式1，计算出重合闸的最佳平衡状态下所需要的力：
9.当重合闸的时刻为t＝0+时，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：
[0010][0011]
式中，mi为第i时刻的发电机的惯性常数，ωi为第i时刻的角速度，pti为第i时刻的机械输入功率，pei为第i时刻的输出功率；对于扰动前、扰动期间、扰动清除后的电力系统为公式1)的分段函数，重合闸后系统的同步稳定性就是公式1)解的稳定性；
[0012]
第二步、当系统发生瞬时性故障时，选择重合闸启动的最佳条件：
[0013]
瞬时性故障时，网络最后一次操作即为重合闸成功，根据公式2可计算出在最佳重合状态下的重合闸条件，
[0014][0015]
式中，tb为重合闸时刻；pi、cij为重合前的值；pij’、cij’为重合后的值，θ
itb
为输入功率与输出功率的夹角；
[0016]
瞬时性故障时，新的稳定运行平衡点就在故障前运行点附近，且无论系统发生何种故障时，最佳重合条件根据公式3，确定瞬时性故障的最佳重合闸时刻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；
[0017][0018]
第三步、缩短重合闸时间的实现
[0019]
捕捉操作的最佳时刻即距离新的稳定平衡点最近的时刻，理想情况是角度、角速度过稳定平衡点的时刻，即角度最接近新的稳定平衡点、角速度接近零的时刻；建立双电源供电系统，两个电源间建立双母线，第一个电源输入功率是pm1+jqm1，第二个电源输入功率pm2+jqm2，电源端阻抗rm+jxm，线路上阻抗rn+jxn；
[0020]
重合闸的输入量um，i，rn，xm，rn，xn，em、en分别是第一个电源和第二电源的电动势，角度的计算根据公式4：
[0021][0022]
实现重合闸角度极值δ
p
、角速度极值ω
p
的预测，根据公式5进行计算：
[0023][0024]
式中k代表重合闸次数，t代表重合闸周期，tb为重合命令到断路器合闸操作完成的延时时间；
[0025]
利用公式6，计算重合闸延时时间：
[0026]
δ
p
＝δ(k)+t
b
·
ω(k)
[0027]
ω
p
＝ω(k)+t
b
·
[ω(k)
‑
ω(k
‑
1)]/t
k
ꢀꢀ
(6)
[0028]
预测tb时刻的角度和角速度，当预测值满足公式7时能够实现重合闸；
[0029]
δ
p
‑1＞δ
p
＜δ
p+1
ꢀꢀ
(7)
[0030]
式中p为重合闸动作时刻；
[0031]
当系统发生瞬时故障重合时，预测值满足公式8，故障重合；
[0032][0033]
此时刻重合闸时间为最佳。
[0034]
本发明的有益效果是：本发明从转子角速度分析出发，对故障最佳重合闸条件进行简化，通过微分方程的解与初值的关系，分析了最佳重合时机是存在的，并直观地指出了瞬时性故障条件下的最优重合时刻，离稳定平衡点最近的时刻。重合闸操作的最佳时刻，稳定平衡点的系统暂态能量值为最小的时刻。根据最佳重合闸离线整定计算的原则及其步骤，通过缩短重合闸时间分析，得出瞬时故障下最优重合闸时间，从而减轻故障对电网的影响，实现用户对停电时的零感知，提高供电可靠性和用户用电体验。
附图说明
[0035]
图1是故障前后的功角特性曲线示意图；
[0036]
图2重合闸时间和能量分布曲线示意图；
[0037]
图3是系统重合闸时间和发动机转角的摇摆曲线示意图；
[0038]
图4是双电源系统建模示意图；
[0039]
图5是不同时刻重合闸后系统的摇摆曲线示意图。
具体实施方式
[0040]
一种可缩短重合闸时间的方法，其步骤如下：
[0041]
第一步:根据lyapnov直接法理论，利用公式1，计算出重合闸的最佳平衡状态下所
需要的力：
[0042]
重合闸正常工作时,工程上将其重合闸时间规定为2s,但由于其重合闸时间较长,会对用户造成瞬时停电,影响用户的用电体验,无法保证其供电可靠性,同时瞬时的停电会对运转中的机械设备造成重大的伤害,造成重大的经济损失。因此，根据lyapnov直接法理论，利用公式1，计算出重合闸的最佳平衡状态下所需要的力。
[0043]
当重合闸的时刻为t＝0+时，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：
[0044][0045]
mi为第i时刻的发电机的惯性常数，ωi为第i时刻的角速度，pti为第i时刻的机械输入功率，pei为第i时刻的输出功率；对于扰动前、扰动期间、扰动清除后的电力系统为公式1)的分段函数，重合闸后系统的同步稳定性就是公式1)解的稳定性；
[0046]
公式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。公式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。默认为，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。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。
[0047]
第二步、当系统发生瞬时性故障时，重合闸启动的最佳条件分析：
[0048]
瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功，其满足的条件根据公式2可计算出在最佳重合状态下的重合闸条件，其内部所需的开关动作所需的功率为3000w，
[0049][0050]
式中，tb为重合闸时刻；pi、cij为重合前的值；pij’、cij’为重合后的值，θ
itb
为输入功率与输出功率的夹角。
[0051]
瞬时性故障时，新的稳定运行平衡点就在故障前运行点附近，且无论系统发生何种故障时，最佳重合条件根据公式3，确定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。
[0052][0053]
最优的重合闸时间的确定：
[0054]
最优时间重合，如图1所示，将阻尼系统摇摆过程说明：故障条件不变，保护切除故障时间不变。第二个摇摆周期中，当机组回摆减速在最大值前处重合，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，再次切除，角速度、角加速度接近于0，系统稳定，如图2所示。
[0055]
当系统发生瞬时性故障，系统重合闸时间和能量分布曲线如图3所示：第三步、缩
短重合闸时间的实现
[0056]
捕捉操作的最佳时刻
‑
距离新的稳定平衡点最近的时刻，理想情况是角度、角速度过稳定平衡点的时刻，即角度最接近新的稳定平衡点、角速度接近零的时刻。如图4所示同，建立双电源供电系统，两个电源间建立双母线，第一个电源输入功率是pm1+jqm1，第二个电源输入功率pm2+jqm2，电源端阻抗rm+jxm，线路上阻抗rn+jxn；
[0057]
重合闸的输入量u1，i1，rm，xm，rn，xn，角度、角速度的计算根据公式4：
[0058][0059]
实现重合闸δ
p
、角速度极值ω
p
的预测，根据公式5进行计算：
[0060][0061]
式中k代表重合闸次数，t代表重合闸周期，tb为重合命令到断路器合闸操作完成的延时时间；
[0062]
利用公式6，计算重合闸延时时间：
[0063]
δ
p
＝δ(k)+t
b
·
ω(k)
[0064]
ω
p
＝ω(k)+t
b
·
[ω(k)
‑
ω(k
‑
1)]/t
k
ꢀꢀ
(6)
[0065]
预测实测点k后tb时点p的角度和角速度。当预测值满足公式7
[0066]
δ
p
‑1＞δ
p
＜δ
p+1
ꢀꢀ
(7)
[0067]
瞬时故障重合；当预测值满足公式8角速度范围值，故障重合。
[0068][0069]
现场应用的重合闸时间元件是简单的计时元件，只能整定一个固定的时间。现在一般只能按照对稳定性影响最严重的故障条件计算并整定最佳重合时间。重合闸时间的整定应按照最大送电方式下重合于故障的最佳重合时间来计算，解决重合闸时间较长问题。如果故障是瞬时性的，即使重合时间不是最佳的，重合后也只是影响到系统振荡幅度的大小。若重合于永久性故障，不仅不会造成系统失步反而使系统更稳定。这种整定原则属于，考虑电力系统可能出现的最坏情况，是从最坏处着眼的一个带有根本性的战略措施。
[0070]
电力系统机组惯性，网架结构，系统运行方式，故障类型，故障发生地点以及重合闸操作所导致的网络变化这些因素对最佳重合时刻都有影响：但影响最大的是整个系统的等值惯性。最佳重合时刻曲线是连续的，最佳时刻是重复出现的。机组惯性和网架结构不会频繁变动重合闸操作所导致的网络变化，是计算中已经考虑仿真表明：系统运行方式、故障类型和故障发生地点对最佳重合时刻影响较小最佳重合时刻受故障前运行方式、状态和故障类型的影响，略有变化。
[0071]
通过实验分析，得出重合闸过程中的振荡曲线，选取最优重合闸时间。
[0072]
图5中曲线1为0.7秒重合后系统的振荡曲线，该重合时间是系统目前采用的重合时间，曲线2为1.4秒重合后系统功角的振荡曲线。该图表明，与在1.4秒重合时相比，在0.7秒重合系统的较为稳定。由此可知，采用最佳重合时间可以确定为0.7s。
[0073]
实际系统中重合闸的时间可以按最大运行方式下的最佳时刻来计算。对于同一条线路，当故障类型和运行方式改变时，最佳重合时刻变化不大，在最大运行方式下计算出的最佳时刻在其它方式下也是较好的重合时间。
[0074]
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。