电力系统事故过负荷的识别及紧急控制

董希建，杨 海，刘 平，李雪明，李德胜，李惠军

电力系统事故过负荷的识别及紧急控制

董希建，杨 海，刘 平，李雪明，李德胜，李惠军

(南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏 南京 210003)

电力系统发生事故过负荷时，安全稳定控制装置和继电保护装置的过负荷判据和作用对象均有显著区别，从过负荷判据和过负荷动作行为两方面指出安全稳定控制用的过负荷判据与线路或变压器过负荷判据的区别。指出当系统发生事故过负荷时，线路或变压器的后备保护必须具备选择性，不能误动作。针对安全稳定控制装置的过负荷判据，从电力系统和判据设计两个方面介绍了过负荷判据增加防误判据的具体方法。另外，结合系统运行方式，介绍了切实可行的可以避免控制措施过量的手段。实际运行经验表明，上述方法能有效提高运行可靠性，证明了方法的正确性和有效性。

事故过负荷；安全稳定控制装置；继电保护装置；后备保护；过负荷判据；防误判据

0 引言

电力系统的过负荷(也称作过载)分为正常过负荷和事故过负荷两种。正常过负荷一般利用设备的短时过负荷能力，在设备允许的时间范围内通过调整运行方式来消除过载；事故过负荷时，通过控制措施限制或消除设备过负荷，由安全稳定控制装置(简称稳控装置)实施切机、切负荷、提升或回降直流功率等控制措施来限制设备过负荷[1]。

大电网间多回联络线中的一回或多回故障被继电保护装置切除、若剩余运行联络线事故过负荷而被距离III段误切除，再次加剧潮流转移，导致更多的线路过负荷和被切除，连锁反应的后果就是导致大范围的停电事故，国内外近十年内数次大停电事故，或多或少与过负荷时后备保护先于自动装置动作有关[2]；在国外的一些大停电事故中，保护装置在事故过负荷时误切除线路甚至是导致大停电事故的直接原因。目前，防止后备保护误动作的研究很多，主要集中在两个方面：① 从基于就地量测信息的继电保护原理入手，寻找防止距离Ⅲ段在过负荷情况下误动的方法[2-3]；② 基于广域量测信息，研究、开发广域(后备)保护，利用电网多源量测信息实现故障元件的快速识别与隔离，克服传统后备保护在大范围潮流转移时易误动的缺陷，探索从“三道防线”协调的角度统筹考虑问题的方向[4-6]。目前，线路距离保护已具有防止事故过负荷时误动行之有效的方法；广域保护的概念和框架则较为宽泛，目前仍以理论研究为主，鲜有实际的工程应用，而稳控装置(系统)可以被理解为广域保护的一种或者组成部分，由于具有便于广域布点、利于策略协调等优点，在系统中得到了较为广泛的应用。

潮流转移引起事故过负荷时，后备保护应该快速闭锁，而由稳控装置采取相应的紧急控制措施消除线路或变压器等元件的过负荷。关于事故过负荷的紧急控制方法以及防止紧急控制措施失当引发连锁故障等方面均有论述[7-9]，但都是介绍的算法和算例，未给出工程实现方法和系统控制效果。若在装置上实现这些算法，需要基于广域量测信息，受设备投资与维护成本所限，电网中用于实现过负荷控制的稳控装置在实用化时，一般基于本地量测信息，单站配置；当确需广域量测信息时，采用主站-子站(执行站)式结构，主站与分区内子站(执行站)交互有限和必要的相关信息，实现控制策略协调，进而实现过负荷控制及辅助决策。

一般认为，在稳控装置上应用的过负荷判据是最简单和可靠的，但结合多年的系统运行经验，笔者认为该判据仍然有值得探讨、研究和改进的空间，无论是动作判据本身还是防误判据。从保证系统安全稳定运行角度出发，研究并理清稳控装置的过负荷判据，寻找恰当的防误判据是必要的，这与防止后备保护在事故过负荷时误动作同样重要，二者对于互联大电网的安全稳定运行均具有极为重要的意义。

探讨稳控装置的过负荷判据和动作行为时，理清第一道防线的继电保护装置和第二道防线的稳控装置在过负荷判据和动作行为方面的异同是必要的，继电保护的过负荷判据和理念于稳控装置有可借鉴之处。

由于用于解决 110 kV及以下电压等级的输电线路事故过负荷的稳控装置应用相对较少，本文主要讨论 220 kV及以上电压等级的输电线路或变压器的过负荷判据。

1 继电保护和稳控装置过负荷判据的区别

继电保护装置和稳控装置对于过负荷的识别有本质区别，无论是过负荷判据还是判出元件过负荷之后的控制措施和对象都不一样。

1.1 继电保护装置的过负荷判据

线路保护、变压器保护的过负荷一般按相电流判别，当监测到任意相电流大于“相电流过负荷定值”、且持续时间大于“相电流过负荷时间”，即判为过负荷，逻辑如图1所示。

1.2 稳控装置的过负荷判据

表征输电线路载流能力的本质是最大允许载流温度和对地安全净距，而非载流量[10]，文献[11]给出了输电线路载流能力的实用计算方法；文献[12]则从调度运行角度给出了一种实用的电网断面热稳定极限的快速评估方法。由于相对于载流量的瞬变，温度和弧垂根据环境气象条件等因素的变化过程更为缓慢，工程上以载流量作为过负荷的判断对象，即不充分利用热稳定约束与载流量不同步的这段时间。虽然手段和措施趋向保守，但这对设备的安全运行具有重要意义。

稳控装置的过负荷一般设计为至少两相电流大于“过载动作电流”、且持续时间大于“过载动作时间”，判为过负荷。一些过负荷判据还增加有功功率条件，即必须同时满足电流和有功功率大于“过载动作电流/功率”、且持续时间大于“过载动作时间”，才判为过负荷。以电流作为主判断量的过负荷判断逻辑框图如图2所示。

图2 稳控装置过负荷判据逻辑框图Fig. 2 Logic diagram of overload in security and stability control equipment

1.3 继电保护装置的过负荷动作行为

线路保护判出线路过负荷后，发告警信号提醒检查系统负荷，一般不会跳闸。变压器保护判出高压侧过负荷，启动风冷和闭锁有载调压；中低压侧判出过负荷，则告警提醒。

1.4 稳控装置的过负荷动作行为

稳控装置判断元件过负荷是系统热稳定控制的需要，在判出元件过负荷后，需要采取切机或切负荷等控制措施，以限制或消除元件过负荷。

2 过负荷时动作选择性分析

两个电网通过多回交流线路互联，在系统发生故障、保护装置切除一回线或多回线的情况下，被切除线路的负荷会转移到剩余的运行联络线上，形成事故过负荷，此时，稳控装置动作，通过切除一定数量的机组或负荷，达到消除剩余联络线过负荷目的。在此期间，不允许继电保护装置动作，因为继电保护动作切除过负荷线路会再次加剧负荷转移，导致更多的线路过负荷，连锁反应的后果就是导致大范围的停电事故。

事故过负荷一般会对距离继电器产生不良影响，距离III段继电器在一些情况下会误动作。目前，通过增加限制条件，在防止距离III段误动方面已经取得了良好的效果。

那么，基于作为线路后备保护的距离III段继电器在事故过负荷时可能误动的事实，作为变压器后备保护的过流保护在事故过负荷时是否也存在误动作的可能性又该如何防止其误动作呢？

按照文献[13]的要求，变压器应具备短期急救负荷运行的能力。比如，并列运行的两台变压器，如果正常运行时负载率都比较大，当其中一台因故障停运时，负荷将全部转移到另外一台，可能会造成运行的变压器过负荷。此时，作为变压器总后备的过流保护不应动作，所以过流保护一般应经复合电压闭锁(复合电压指相间电压低或负序电压高)。简而言之，变压器的过流保护应在短路故障时动作，稳控装置的过负荷保护应在事故过负荷期间动作。

3 稳控装置的过负荷防误判据

一般来讲，一个准确可靠的判据要从系统和设计两个方面考虑防误。系统防误是指：当故障发生时，能够准确的识别出故障；而当其他扰动发生时，通过采取合理的防误手段，不致误判。设计防误是指：在实现判据的编程环节，针对可预见的导致误判的可能性，人为增加防误手段，防止故障事故未发生而装置误判。

3.1 过负荷判据的系统防误

稳定控制用的过负荷判据，基于发生事故过负荷时的热稳定控制需要，由于事故过负荷由潮流转移引起，表现为三相都过负荷，过负荷判据应设计为三相或者至少两相过负荷，当发生短路故障时，应该能够可靠闭锁。

非对称性故障发生时，电压或电流会有较大的负序或零序分量出现，通过零、负序分量过大闭锁过负荷判据；对称性故障发生时，电流较大、可能会满足“过载动作电流”定值，但一般伴随着电压下降，通过低压闭锁过负荷判据。从而，过负荷的系统防误判据设计为：系统电压和电流的零、负序分量正常并且电压幅值在合理范围之内，才开放过负荷判断。增加系统防误判据后的过负荷判据逻辑框图如图3所示。

图3 结合系统防误的过负荷判据框图Fig. 3 Comprehensive logic diagram of overload

3.2 过负荷判据的设计防误

如前所述，过负荷判据基于过量动作原理，即装置采样值大于动作定值、并且持续的计时时间大于时间定值即动作。可以想象，如果在软件运行中出现定值不正常甚至变零的情况，装置可能误动作。

基于此，在设计判据时就要考虑时间(动作)定值浮空、变零等不稳定状态(类似情况一般发生在擦写Flash定值芯片或者程序初始化期间)时，过负荷判据的防误。

下面从逻辑判断使用定值和定值存储(读取)两个方面来说明设计防误方法。当然，在具体应用时包含但不限于这两种防误方法。

3.2.1 逻辑使用定值时的防误

目前，电网内线路或变压器的过负荷定值整定一般有反时限和定时间级差两种方法。两个典型电网(电网1：反时限；电网2：定时间级差)的线路过负荷定值整定方法如表1、表2所示。

表1 电网1过负荷定值整定方法Table1 Fixed value of overload in power grid 1

表2 电网2过负荷定值整定方法Table 2 Fixed value of overload in power grid 2

可见，电网1的过负荷动作定值按轮次递增，而电网2的过负荷动作定值各轮相同。下面以过载第1轮动作判据为例，说明逻辑使用定值时的防误方法。如前所述，过载第1轮的动作判据为

同时满足式(1)、(2)，并且已经满足过载启动条件，则判为过载第1轮动作。

在设计判据时，为防止Idz1突变为0，可将过载第1轮动作判据设计为

同时满足式(3)~(6)，并且已经满足过载启动条件，才判为过载第1轮动作。其中，式(3)、(5)为原判据，增加式(4)、(6)防误。式(4)中N可取为5，躲过电网 1反时限整定方法的最末一轮的动作定值即可，式(6)中Tratio为装置计时分辨率，一般可取为0.1 s。

增加式(4)的理由是：若定值 Idz1突变为 0，即使满足式(3)、但不会满足式(4)，采样值不可能大于等于零的同时又小于零。从而保证极端情况定值变零时装置的可靠性。

当然，装置应该具备监视定值异常的功能：对于过载各轮动作定值，若运行中检测到其明显小于热稳定极限值时，应告警并发出异常提醒信号。

3.2.2 定值存储(读取)的防误

所谓定值存储(读取)的防误是指：整定定值存储在Flash的同时转存一份到RAM中，随存的还有计算得出的CRC校验码。程序运行时定期比较两个CRC码，若CRC一致，从RAM中读取、使用定值；若CRC不一致，告警并闭锁装置。这种方法避免了直接读取、使用未经校验定值的情况。

由此可见，电力系统中采用过量动作原理的判据，如过频切机和过频解列、过压解列等，在设计和开发判据时，都应该具备或者增加与3.2.1和3.2.2相当的防误性能的设计防误手段。

4 系统过负荷的协调控制

不同于单一元件保护的继电保护装置，作为“系统保护”的稳控装置(系统)，其采集、掌握的信息(包括多元件的电气量、系统的运行方式等)比继电保护装置更多、更全面。那么，在实施热稳定控制时，就有条件相对系统地制定控制策略，以实现多元件之间的协调控制。

控制策略往往需要根据具体的接线和运行方式制定，不一而足，应在具体工程中灵活设计。仅以从网架结构上形成串联关系的两回线为例(比如一个半开关接线在特定运行方式下的同串内线路)由于线型及过负荷承受能力一般一致，为防止事故过负荷发生时，两回线同时判出过负荷动作，造成负荷/机组过切。具体实施控制时，当判断出其中一回线过载某1轮动作、实施热稳定控制措施的同时，闭锁另一回线的该轮过载判断T秒。当然，此方法以过载轮次延时定值级差大于T秒为前提。

5 结语

配备于稳控装置中的过负荷控制功能是保证电力系统在遇到事故过负荷时的稳定性而采取的紧急控制手段，其控制措施包括切除机组/负荷、调整机组出力或快速提升/回降直流等，涉及的控制对象范围十分广泛。因此，过负荷控制的主判据必须可靠，必要时须辅以可靠、稳定、易于操作的防误判据；另外，在一些系统中，甚至需要根据系统接线方式或运行特点协调过负荷控制的控制策略以防控制措施失当。

参考文献

[1] GB/T 26399-2011 电力系统安全稳定控制技术导则[S].北京: 中国标准出版社, 2011.

[2] 朱晓彤, 赵青春, 李园园, 等. 防止过负荷时相间距离III段保护误动的新方法[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(9): 7-11.

ZHU Xiaotong, ZHAO Qingchun, LI Yuanyuan, et al. A new method to prevent maloperation of phase-to-phase zone III relays due to overload[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(9): 7-11.

[3] 柳焕章, 周泽昕. 线路距离保护应对事故过负荷的策略[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(25): 112-117.

LIU Huanzhang, ZHOU Zhexin. Post-fault over-load maloperation coutermeasure of transmission line distance protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(25): 112-117.

[4] 徐岩, 韩平. 防止距离III段保护因过负荷误动方法的分析与改进[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(7): 1-7. XU Yan, HAN Ping. Analysis and improvement for the scheme to prevent zone III distance protection from incorrect operation caused by non-fault overload[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(7): 1-7.

[5] 王艳, 金晶, 焦彦军. 广域后备保护故障识别方案[J].电力自动化设备, 2014, 34(12): 70-75.

WANG Yan, JIN Jing, JIAO Yanjun. Fault identification scheme for wide-area backup protection[J]. Electric Power Automation Equipment, 2014, 34(12): 70-75.

[6] 刘育权, 华煌圣, 李力, 等. 多层次的广域保护控制体系架构研究与实践[J]. 电力系统保护与控制, 2015,

43(5): 112-122.

LIU Yuquan, HUA Huangsheng, LI Li, et al. Research and application of multi-level wide-area protection system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(5): 112-122.

[7] 徐岩, 郅静. 基于功率灵敏度的线路过载划区域紧急控制策略[J]. 电工技术学报, 2015, 30(15): 60-72.

XU Yan, ZHI Jing. A zone-divided emergency control strategy for overload lines based on power sensitivity[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(15): 60-72.

[8] 李刚, 王增平, 任建文, 等. 基于图论分区与改进 BFS算法搜索安全约束集的防联锁过载控制策略[J]. 电工技术学报, 2012, 27(11): 219-229.

LI Gang, WANG Zengping, REN Jianwen, et al. A control strategy to prevent cascading overload with security constraint set searched by graph theory partition and improved BFS algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(11): 219-229.

[9] 徐岩, 郅静. 基于直流潮流和虚拟母线的多控制节点防连锁过载跳闸策略[J]. 电工技术学报, 2015, 30(13): 77-86.

XU Yan, ZHI Jing. A multi control-node emergency control strategy based on DC power flow and virtual bus[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(13): 77-86.

[10] 马晓明, 范春菊. 基于热稳定约束的架空输电线路静态安全分析[J]. 华东电力, 2014, 42(9): 1827-1831.

MA Xiaoming, FAN Chunju. Static security analysis of overhead transmission lines based on the thermal stability constraint[J]. East China Electric Power, 2014, 42(9): 1827-1831.

[11] 马晓明, 范春菊, 胡天强, 等. 基于热稳定约束的架空导线增容计算研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(14): 86-91.

MA Xiaoming, FAN Chunju, HU Tianqiang, et al. Calculation of current carrying capacity of overhead transmission line based on thermal stability constraint[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(14): 86-91.

[12] 赵娟, 申旭辉, 吴丽华, 等. 结合直流潮流模型的电网断面热稳定极限快速评估方法[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(3): 97-101.

ZHAO Juan, SHEN Xuhui, WU Lihua, et al. Fast evaluation method on thermal stability limit of power grid cross-section with DC power flow model[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(3): 97-101.

[13] DL/T 572-2010 电力变压器运行规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

Criterion of accident overload and emergency control

DONG Xijian, YANG Hai, LIU Ping, LI Xueming, LI Desheng, LI Huijun
(State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

When accident overload occurs, there are many differences between security and stability control equipment and relay protective equipment. This paper points out the differences in criterion and action of overload, which are used in security and stability control equipment and relay protective equipment. First, it points out that the line or transformer’s backup protection should act rightly when accident overload occurs. Second, it introduces specific ideas in system and design to prevent false judgment. And third, it introduces some methods which can prevent over excess control measures. The practical operation experience proves that these methods can improve the operation reliability. So, the methods are right and effective.

accident overload; security and stability control equipment; relay protective equipment; backup protection; criterion of overload; criterion of preventing mal-operation

2015-10-19；

2015-12-25

董希建(1982-)，男，通信作者，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定控制；E-mail: dongxijian@ sgepri.sgcc.com.cn

(编辑 姜新丽)

10.7667/PSPC151845

杨 海(1987-)，男，本科，工程师，研究方向为电力系统安全稳定控制。