地区联网安全自动解列判据分析及研究

魏永强 蒋冠前 冀 娟 姬远鹏

（1. 许继电气股份有限公司 2. 许昌开普电气研究院 3. 西安交通大学 4. 许昌许继昌南通信设备有限公司）

0 引言

近年来，随着国家对能源的重视以及微电网技术的兴起，出现了许多与主电网系统并网的区域小电网及中、小型水电站。地区弱联电网的增多有利于资源的充分合理利用，但基于地区小电网设备相对简陋、保护功能健全性不足等特性，可能对电力系统的安全性和可靠性造成不利的影响。

当水电机组出力与负荷容量严重不匹配时，由于水电机组调节能力差，孤立的小电网内会出现比较大的电压、频率波动，可能对网内用户的电器设备造成损害，同时也可能造成水电机组自身的异常运行。

线路故障跳闸后，与主系统脱离后的局部电网内如果电压、频率偏离较大，可能造成主系统侧开关间隔靠检同期或检无压重合方式难以恢复正常供电。若强制采用不检定重合方式恢复供电，势必造成水电机组非同期并网，对机组和系统造成冲击，损坏设备。人为地将局部电网内的水电机组一一解列，待联络开关合上恢复主系统供电以后，再将各水电机组一一并网，不但增加了恢复供电操作的复杂性，而且延长了恢复供电时间[1]。

为解决小电源与大电网并联后所带来的问题，电力部门特别颁发的《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》[2]中作了如下规定：

1）地区电源带就地负荷，宜以单回线或双回线在一个变电所与主系统单点并网，并在并网线路的一侧或两侧断路器上装设适当的解列装置（如低电压、低频率、零序电压、零序电流、振荡解列、阻抗原理的解列装置，需要时还可加装方向元件）。

2）在与主网相连的有电源的地区电网中，应设置合适的解列点，以便采取有效的解列措施，确保主网的安全和地区电网重要用户供电。

3）并网线路小电源侧的线路保护定值应按故障解列装置的要求整定，故障时将地区电源与主电网解列。

4）在小电源侧应装设低频和低压解列装置。

1 小容量发电站的自动解列装置

小容量发电站的自动解列装置一般能够自动监视小电站系统的频率和电压，在电压、频率异常波动（过压、高周或欠压、低周）时，超过设定值后动作，迅速将水电机组与电网解列，形成无电源支撑的纯负荷系统，再由联络线开关重合闸动作恢复供电。

（1）频率下降或上升时动作的自动解列装置

当发电站带有超过发电机功率的负荷解列时，会引起发电站频率下降，而当发电站内由于某种原因负荷迅速减少时，反过来会引起发电站频率上升，频率下降或上升速度与功率缺额数值以及被解列发电站所带负荷的性质有关。

自动解列装置中，低周继电器的动作整定值一般为48～48.5Hz，高周继电器动作整定值一般为50.5～55Hz，在选择连接发电站与电力系统线路的自动重合闸时间时应计算频率变化与时间的关系。自动重合闸的时间应大于自动解列装置解列所用总时间ttotal，以免发生发电站的发电机非同期并列[3]。

式中，tfreq为频率变化到频率继电器动作整定值所需时间；tset为自动装置的时间继电器的整定时间；tdl为自动装置断开断路器的时间。

tfreq应按最小实际可能的功率缺额，也就是按频率下降速度最小的条件来计算。

（2）电压变化时动作的自动解列装置

当功率缺额大于发电站容量的40%以上时，可能导致电压严重下降，以致使频率继电器不能动作[3-4]。在此种情况下，最好利用电压自动解列装置作为频率自动解列装置的补充。

而小电站甩负荷时，无功补偿装置不能随之及时切除，会导致出现过电压现象。此时，可采取过电压解列措施。

装置装设在联网运行的每个小水电站内，采集水电站机组出口母线处的三相电压、频率及每台机组的负载电流值，其接线如图1～图4所示。

2 小电站的自动解列装置保护逻辑

小电站自动解列装置一般配置高周解列、低周解列、低电压解列、过电压解列保护。分别在频率异常和电压异常时解列小电站和系统之间的联系。

2.1 高周解列

频率大于“高周解列频率定值”时高周解列动作。高周解列动作后闭锁重合闸。原理框图如图1所示。为了防止故障时高周解列保护误动作，逻辑中特地采用了低电压闭锁和负序电压闭锁。

（1）低电压闭锁

当Uca低于门槛电压（0.2Un）时，不进行高周判断，闭锁出口。

（2）负序电压闭锁

负序电压U2＞6V，不进行高周判断，闭锁出口。

（3）频率值异常闭锁

当f＜42Hz或f＞65Hz时，认为测量频率值异常，则不进行高周判断，并立即闭锁出口。

（4）TV断线闭锁

过流不启动的条件下，满足下列任一条件，TV断线闭锁启动：

1）U1小于30V且合位或有流；

2）U2大于6V。

图1 高周解列原理框图

图1中，f为系统频率；Fhset为高周解列频率定值；Tfh为高周解列时间定值。

2.2 低周解列

低周解列设两轮，并固定设有低电压闭锁和低电流闭锁。本线路最大相电流Imax小于“低周解列电流闭锁定值Iset”或Uca小于“低周解列电压闭锁定值Uset”，则两轮低周解列都自动退出。设置电流闭锁是为了防止母线失去电压后电机反馈电压导致的频率异常引起低周解列误动作，其定值可以按躲过最小负荷电流来整定。

另外第一轮低周解列设有“低周解列滑差闭锁”控制字，系统发生故障或电压波形严重畸变时导致频率下降过快超过“低周解列滑差定值Fhc”时瞬时闭锁第一轮低周解列（滑差闭锁可由控制字“Khc”选择投入）。当母线TV异常时闭锁低周解列。系统原理框图如图2所示。

图2 低周解列原理框图

图2中，f为系统频率；Khc为滑差闭锁控制字；Fset为低周解列频率定值；Fhc为低周解列滑差定值；Uset为低周解列电压定值；Iset为低周解列电流定值；Imax为低周解列电流压定值；Tf1为低周解列第一轮时间定值；Tf2为低周解列第一轮时间定值。

2.3 低压解列

低压解列设有滑差闭锁。当系统电压下降过快超过“电压变化率闭锁定值”时瞬时闭锁低压解列（滑差闭锁可由“低压解列滑差闭锁”控制字选择投入）。另外本保护受低电压、负序电压、TV断线闭锁，本线路如果不在合闸位置，则低压解列自动退出。低压解列动作闭锁重合闸。

原理框图如图3所示。

图3 低压解列原理框图

图3中，KUhc为电压滑差闭锁控制字；U2为负序电压；Uhc为低压解列滑差定值；Usetl为低压解列电压定值；Tdy为低压解列时间定值。

（1）低电压闭锁

当任一线电压低于门槛电压（0.2Un）时，闭锁出口。

（2）电压滑差闭锁

当-dU/dt≥“电压变化率闭锁定值”时，不进行低压判断，闭锁出口。故障通常发生时间很短，电压也很快降下来，电压滑差条件很快就会返回，为了防止故障导致低压解列误动作，需要滑差条件保持，但故障解除后，以免再发生系统电压下降时低压解列拒动，因此需要一定的返回条件来解除滑差闭锁。

当电压滑差闭锁后，需满足以下任一条件，方能解锁：

1）电压滑差闭锁后，当电压恢复至1min（低压解列电压定值＋1V，90V）以上时自动解除闭锁；

2）dU/dt≥125V/s，且系统三个相间恢复电压均高于0.5Un时自动解除闭锁；

3）闭锁时间超过用户整定时间（躲过故障切除延时）时自动解除闭锁。

当故障时，由于故障的类型和故障点的不同，有几种可能发生：

故障切除后，当电压恢复至正常，低压解列电压定值上限取90V，如果系统恢复电压（图4中U3）已经恢复至低压解列电压定值以上（为了可靠，取低压解列电压定值＋1V）或者超过90V，则表示电压已经恢复正常。

具体过程如图4所示。

图4 电压变化框图

图4中，U1为故障发生前系统电压，取1.0Un；U2为发生故障时解列装置采集到的故障电压，一般小于0.2Un；U3为发生故障切除后的系统恢复电压；t1为刚发生故障时刻；t2为刚发生故障后电压迅速下降至故障电压的时刻，t2和t1间隔一般很小，t3为故障刚切除时刻；t4为备用电源合闸时刻；t5为备用电源合闸后电压迅速上升至系统恢复电压的时刻，t4和t5间隔一般很小。

故障已经解除后，系统恢复电压（图4中U3）可能没有恢复至正常（低于低压解列电压定值），但此时故障已经解除，但电压依然低于低压解列电压定值，低压解列需要动作，条件1）此时就无法解除滑差闭锁，这时可以引入条件2），当故障解除后，电压恢复一般也是一个较快的过程，此时根据电压增加的滑差来判断故障已经解除，并且母线电压恢复到系统电压。dU/dt≥125V/s的条件来自滑差元件的跨窗时间，假设滑差元件可靠计算出滑差值需要80ms（4个周波），系统恢复电压变化（故障电压到系统电压）大于10V，此时dU/dt＞10V/80ms=125V/s，为了防止故障期间电压来回抖动，引起滑差满足dU/dt≥125V/s条件，误解除滑差闭锁，特别又引入了系统三个相间恢复电压均高于0.5Un的条件来把关，已确保故障期间不会误解除滑差闭锁，引起低压解列误动作。

上述条件1）和2）还有一些极端条件未考虑，就是故障电压和系统恢复电压之间差值不超过10V时，或者系统恢复电压不超过0.5Un时。此时可以采用条件3）来解除滑差闭锁，低压解列保护设置了一个“躲过故障切除延时”定值，用户可以根据实际情况自己整定，来解除滑差闭锁。

具体过程如图5所示。

图5中，td为躲过故障切除时刻，其他同图4。

（3）负序电压闭锁

负序电压U2＞6V。

图5 电压变化框图2

（4）TV断线闭锁

2.4 过压解列

当三个线电压都大于过压解列电压定值，满足延时条件后过电压解列动作，采用三个线电压都大于过压解列电压定值，主要目的是防止小电流接地系统中单相接地时非接地相电压升高时过压解列误动作[6]。

原理框图如图6所示。

图6 过压解列原理框图

图6中，Useth为过压解列电压定值；Tgy为过压解列时间定值。

3 产品验证

根据此原理开发的WJL-820系列解列装置投入运行已有多年，目前运行情况良好，运行中从未发生 过误动拒动现象。

4 结束语

近年来，我国对可再生能源的利用日益增多，而我国西南、南部地区有着大量小水电资源，微电网领域发展也日益壮大，低压解列装置在小电站中的应用也越来越广泛。作为第三道防线的解列控制是保证电力系统稳定运行的重要一环，而故障期间是解列装置最易发生误动作或拒动现象的时刻。本文针对故障时的电气特征，对小电站安全解列装置的解列逻辑做了进一步的探讨和改进，有利于进一步提高安全解列装置的可靠动作性，对电网的安全稳定运行有着重大的意义。

[1]黄海. 水电站安全自动解列装置研究[J]. 电力系统自动化, 2008, 23(9): 82-83.

[2]黎瀚. 小电源并网运行可靠性及故障解列问题探讨[J]. 广西轻工业, 2009(11): 46-47.

[3]杨剑, 黄金. 地方小水电故障解列动作分析与研究[J]. 电工技术, 2011(11): 51-52.

[4]姚长华, 黄金. 小型电站的解列装置. 黑龙江电力技术[J]. 1995, 17(3): 138-145.

[5]狄衡彬, 查霖逢, 李道文, 等. 一起故障解列装置异常动作行为的分析与对策[J]. 安徽电力, 2011, 28(4): 60-63.