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摘 要： 电力系统暂态稳定分析对于运行部门非常重要，在电力系统的规划设计时选择方案有着重要的参考价值，是一个需长期研究的领域。介绍电力系统暂态稳定分析的混合算法及电力系统暂态过程时对线路保护的影响。
关键词： 直接法；数值仿真法；混合算法；线路保护
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220120－01
1 暂态稳定分析混合算法
电力系统暂态稳定分析混合算法是结合了电力系统暂态稳定分析的数值仿真法和直接法两种算法的优点，能快速而精确地求得某种故障下系统的临界清除时间。
1.1 数值仿真法和直接法的性能比较。数值仿真法是一种对描述系统动态行为的微分——代数方程组求数值解的方法，可以根据系统的摇摆曲线对系统的稳定状况作出定性的评价。直接法是通过分析暂态能量来评价系统暂态稳定性的方法，可通过暂态能量裕度对系统的暂态稳定性作出定量的评价。
数值仿真法对电力系统的模型具有很强的适应性，可以得到电力系统机电暂态过程的详细信息。所以电力系统的调度运行部门已普遍接受这种方法。但它的速度较慢，很难满足在线运行的需要，而且它不能直接给出稳定极限，需要经过多次计算才能求得极限，很费时间。
直接法则与之相反，计算速度非常快，可以求得稳定度指标，快速地直接求得暂态稳定极限。其缺陷是模型具有局限性，通常采用经典的发电机模型和恒定阻抗的负荷模型，所以仅对第一摆暂态稳定评估有效，求得的临界清除时间也是近似的。
1.2 混合算法。基于上述的数值仿真法和直接法存在的优缺点，提出一种混合算法，将它们有机的结合起来，使在精度和速度上得到提高。
混合算法有两部分，一是求临界清除时间，一是给出稳定度指标。混合算法通过研究临界机群的稳定性来判断系统的稳定性。
临界清除时间是系统能维持暂态稳定的最大故障清除时间，可通过故障清除时间是否小于临界清除时间来判断系统的暂态稳定性。求临界清除时间时，先用直接法快速求出一近似的临界清除时间，然后以此时间作为清除时间的初值，再运行数值仿真法暂态稳定程序判稳，根据稳定与否，增大或减小清除时间，一直搜索得到精确的临界清除时间。
求稳定度指标时，先在指定的故障和清除时间下运行暂稳程序，得到一包含各发电机轨迹信息的输出文件。然后取出所需的故障清除后的轨迹信息，并对这些信息用暂态能量函数进行分析。最终得出临界机群的稳定指标和不稳定指标。
2 暂态过程对线路保护的影响
高压电网对继电保护装置的可靠性、选择性、灵敏性和快速性，有着非常严格的要求。为保证电网的稳定性并尽可能地缩小故障的影响，常要求保护装置在二、三十毫秒甚至更短时间内进行准确的测量并发出动作执行信号。在实际运行中要求，对单相重合闸过程中的转移性故障、重合闸后的稳定性故障，保护装置应快速动作切除故障。因此，在保护装置工作的全过程中，明显地突出了快速性。为保证快速保护装置正确工作，同时也要保证延时的后备保护装置正确工作，所以要求直接供电给保护装置的电流互感器、电压互感器，在系统发生短路暂态过程和稳态过程的全过程中都能准确地变换一次电气量。
输电线路保护装置鉴别故障的基本因素，大多数是以测定输电线路工频电气量的变化，加以必要的逻辑运算，最后作出判断。广泛采用的工频电气量，有电压、电流值大小或其间相角的变化；电压与电流比值及相角的变化；电压、电流的综合量间的比值及其相角的变化；以及正、负、零相序或复合相序电气量间的上述所列的变化关系。但就继电器工作特性所要求的逻辑运算过程，又可分为具有固有运算时间和没有固有运算时间的两类继电器。具有固有运算时间的第一类继电器，如目前一般阻抗继电器，它无论是反应相位还是反映平均幅值，都需要在一定时间区间内完成一个基本运算过程。以电气角度90°或180°来说，此最低固有运算时间不得小于5或10毫秒。这一最低运算时间常需要人为地加以保证。故此类继电器存在一个最小固有动作时间。没有具体运算时间的第二类继电器，如目前用的零序电流继电器，继电器元件常常只引入单一的电气量而反映它的大小。此类继电器从工作原理上说，不需要具体的运算程序，因而它的动作速度是非常快的。上述两类继电器都会受到系统暂态过渡过程的影响，但是，具体影响情况和影响程度都需要具体分析。
超高压长距离输电线路，在进行操作或发生短路的暂态过程中，不仅有工频稳态电流分量，还含有可能的自由非周期电流分量和频率不同的自由周期电流分量。这些自由衰减的非周期和周期电流分量，无论就其幅值或其衰减时间，对超高压输电线路的快速继电器保护来说，是一个严重的威胁。因为在暂态过程结束之前，这些快速保护被要求进行准确测量并送出准确的执行信息。但是，自由衰减的非周期和不同频率的周期电流分量，将严重畸变那些基本工频电气量的测量值。由于这些测量值的幅值或其相角被严重歪曲，这就可能导致线路保护不正确动作或延缓动作。而且自由衰减的非周期和频率不同的周期电流分量的幅值、频率大小，直接与系统运行方式、故障位置、故障类型、短路时的初相角、传输功率等参数有关，故它们的影响不是固定而是可变的。现对暂态过程中对线路保护会产生影响的电气量进行具体的讨论。
2.1 电网参数决定的自由非周期电流分量。该电流分量的幅值与短路瞬间初相角、网络阻抗角、以及线路负荷参数有关，其最大幅值可能很大，可与线路稳态短路电流幅值相比拟。其衰减时间常数等于电网本身的时间常数，约35毫秒。而当电源侧出口短路时，此时间常数还将会显著增大。
线性电流互感器不能正确传变该电流分量，因为它在一次侧、二次侧的衰减情况是不对应的。电抗互感器对该电流分量的传变是很不灵敏的。
当线路保护未采取措施时，该电流分量将导致相关线路保护的测量值出现超范围的情况，尤其对速动电流保护影响较大。
2.2 线路并联电抗器产生的自由非周期电流分量。该电流分量的衰减时间常数较大，虽其幅值相对说来较小，但随故障点的位置不同也会对线路保护产生影响，使线路保护作出错误判断，所以其影响也不能忽视。
2.3 自由衰减的周期电流分量。理论上可能出现无限多个谐频的自由周期电流分量。但就计及其影响时，对于第一类具有固有运算时间的继电器，仅需重点考虑接近工频的一两个幅值较大的自由周期电流分量。对第二类没有固有运算时间的快速动作继电器来说，除考虑接近工频的幅值较大的自由周期电流分量外，谐频较高、幅值虽小的自由周期电流分量有时也会对线路保护带来一定影响。
3 结论
综合以上影响线路快速保护装置工作的因素，要解决暂态过程对线路保护的影响，需采取适当滤波及其它技术措施，使引到保护装置内部的电气量满足线路保护对工频电气量的要求。暂态稳定分析的混合算法是一种判断系统稳定与否有效的方法，采用此方法能提高线路保护可靠动作的能力。
参考文献：
[1]汪芳宗、何一帆，电力系统暂态稳定性数值计算的几种新方法及其比较，电力系统保护与控制，2009.12.1.
关键词： 直接法；数值仿真法；混合算法；线路保护
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220120－01
1 暂态稳定分析混合算法
电力系统暂态稳定分析混合算法是结合了电力系统暂态稳定分析的数值仿真法和直接法两种算法的优点，能快速而精确地求得某种故障下系统的临界清除时间。
1.1 数值仿真法和直接法的性能比较。数值仿真法是一种对描述系统动态行为的微分——代数方程组求数值解的方法，可以根据系统的摇摆曲线对系统的稳定状况作出定性的评价。直接法是通过分析暂态能量来评价系统暂态稳定性的方法，可通过暂态能量裕度对系统的暂态稳定性作出定量的评价。
数值仿真法对电力系统的模型具有很强的适应性，可以得到电力系统机电暂态过程的详细信息。所以电力系统的调度运行部门已普遍接受这种方法。但它的速度较慢，很难满足在线运行的需要，而且它不能直接给出稳定极限，需要经过多次计算才能求得极限，很费时间。
直接法则与之相反，计算速度非常快，可以求得稳定度指标，快速地直接求得暂态稳定极限。其缺陷是模型具有局限性，通常采用经典的发电机模型和恒定阻抗的负荷模型，所以仅对第一摆暂态稳定评估有效，求得的临界清除时间也是近似的。
1.2 混合算法。基于上述的数值仿真法和直接法存在的优缺点，提出一种混合算法，将它们有机的结合起来，使在精度和速度上得到提高。
混合算法有两部分，一是求临界清除时间，一是给出稳定度指标。混合算法通过研究临界机群的稳定性来判断系统的稳定性。
临界清除时间是系统能维持暂态稳定的最大故障清除时间，可通过故障清除时间是否小于临界清除时间来判断系统的暂态稳定性。求临界清除时间时，先用直接法快速求出一近似的临界清除时间，然后以此时间作为清除时间的初值，再运行数值仿真法暂态稳定程序判稳，根据稳定与否，增大或减小清除时间，一直搜索得到精确的临界清除时间。
求稳定度指标时，先在指定的故障和清除时间下运行暂稳程序，得到一包含各发电机轨迹信息的输出文件。然后取出所需的故障清除后的轨迹信息，并对这些信息用暂态能量函数进行分析。最终得出临界机群的稳定指标和不稳定指标。
2 暂态过程对线路保护的影响
高压电网对继电保护装置的可靠性、选择性、灵敏性和快速性，有着非常严格的要求。为保证电网的稳定性并尽可能地缩小故障的影响，常要求保护装置在二、三十毫秒甚至更短时间内进行准确的测量并发出动作执行信号。在实际运行中要求，对单相重合闸过程中的转移性故障、重合闸后的稳定性故障，保护装置应快速动作切除故障。因此，在保护装置工作的全过程中，明显地突出了快速性。为保证快速保护装置正确工作，同时也要保证延时的后备保护装置正确工作，所以要求直接供电给保护装置的电流互感器、电压互感器，在系统发生短路暂态过程和稳态过程的全过程中都能准确地变换一次电气量。
输电线路保护装置鉴别故障的基本因素，大多数是以测定输电线路工频电气量的变化，加以必要的逻辑运算，最后作出判断。广泛采用的工频电气量，有电压、电流值大小或其间相角的变化；电压与电流比值及相角的变化；电压、电流的综合量间的比值及其相角的变化；以及正、负、零相序或复合相序电气量间的上述所列的变化关系。但就继电器工作特性所要求的逻辑运算过程，又可分为具有固有运算时间和没有固有运算时间的两类继电器。具有固有运算时间的第一类继电器，如目前一般阻抗继电器，它无论是反应相位还是反映平均幅值，都需要在一定时间区间内完成一个基本运算过程。以电气角度90°或180°来说，此最低固有运算时间不得小于5或10毫秒。这一最低运算时间常需要人为地加以保证。故此类继电器存在一个最小固有动作时间。没有具体运算时间的第二类继电器，如目前用的零序电流继电器，继电器元件常常只引入单一的电气量而反映它的大小。此类继电器从工作原理上说，不需要具体的运算程序，因而它的动作速度是非常快的。上述两类继电器都会受到系统暂态过渡过程的影响，但是，具体影响情况和影响程度都需要具体分析。
超高压长距离输电线路，在进行操作或发生短路的暂态过程中，不仅有工频稳态电流分量，还含有可能的自由非周期电流分量和频率不同的自由周期电流分量。这些自由衰减的非周期和周期电流分量，无论就其幅值或其衰减时间，对超高压输电线路的快速继电器保护来说，是一个严重的威胁。因为在暂态过程结束之前，这些快速保护被要求进行准确测量并送出准确的执行信息。但是，自由衰减的非周期和不同频率的周期电流分量，将严重畸变那些基本工频电气量的测量值。由于这些测量值的幅值或其相角被严重歪曲，这就可能导致线路保护不正确动作或延缓动作。而且自由衰减的非周期和频率不同的周期电流分量的幅值、频率大小，直接与系统运行方式、故障位置、故障类型、短路时的初相角、传输功率等参数有关，故它们的影响不是固定而是可变的。现对暂态过程中对线路保护会产生影响的电气量进行具体的讨论。
2.1 电网参数决定的自由非周期电流分量。该电流分量的幅值与短路瞬间初相角、网络阻抗角、以及线路负荷参数有关，其最大幅值可能很大，可与线路稳态短路电流幅值相比拟。其衰减时间常数等于电网本身的时间常数，约35毫秒。而当电源侧出口短路时，此时间常数还将会显著增大。
线性电流互感器不能正确传变该电流分量，因为它在一次侧、二次侧的衰减情况是不对应的。电抗互感器对该电流分量的传变是很不灵敏的。
当线路保护未采取措施时，该电流分量将导致相关线路保护的测量值出现超范围的情况，尤其对速动电流保护影响较大。
2.2 线路并联电抗器产生的自由非周期电流分量。该电流分量的衰减时间常数较大，虽其幅值相对说来较小，但随故障点的位置不同也会对线路保护产生影响，使线路保护作出错误判断，所以其影响也不能忽视。
2.3 自由衰减的周期电流分量。理论上可能出现无限多个谐频的自由周期电流分量。但就计及其影响时，对于第一类具有固有运算时间的继电器，仅需重点考虑接近工频的一两个幅值较大的自由周期电流分量。对第二类没有固有运算时间的快速动作继电器来说，除考虑接近工频的幅值较大的自由周期电流分量外，谐频较高、幅值虽小的自由周期电流分量有时也会对线路保护带来一定影响。
3 结论
综合以上影响线路快速保护装置工作的因素，要解决暂态过程对线路保护的影响，需采取适当滤波及其它技术措施，使引到保护装置内部的电气量满足线路保护对工频电气量的要求。暂态稳定分析的混合算法是一种判断系统稳定与否有效的方法，采用此方法能提高线路保护可靠动作的能力。
参考文献：
[1]汪芳宗、何一帆，电力系统暂态稳定性数值计算的几种新方法及其比较，电力系统保护与控制，2009.12.1.