最佳重合闸时间与计算

处 功时不允许造成稳定破坏。就必须得限制正常
方式下传输线路的输电容量，以致使得某些发
电厂“窝电”或“弃水”。
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最佳重合闸时间与计算
目的及意义
2 重合闸时间是固定的，不能随故障条件而变化
传统重合闸时间的整定，以保证对瞬时性故障能重合成
传 功，对永久故障能跳开为原则，取一个最小间歇时间为
统 重
重合闸时间，一般为0.5s左右。事实证明，这个最小重
合 合闸时间对系统的暂态稳定不一定有利，可能有害。选
闸 取较优的重合闸时间，可以提高抗御重合于永久性故障
不 足
的能力。
之
东北电网中由水丰向丹东送电的水东线，在水丰厂
处 出口发生单相永久性接地故障，当重合闸时间为1.4s时，
即使水丰四台100MW机组只发360MW，仍需重合后连切一
故 (2)式中的第一式：
障
最 优
(3)
重
合
时 间
因此，整定的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。
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最优重合闸时间的定性分析
永久性故障最佳重合条件：永久性故障时，网络最后一次
永 操作是重合闸失败后断路器的再次跳开，新的稳定运行平
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最优重合闸时间的定性分析
2 最优的重合时间，阻尼系统摇摆
最优时间重合，将阻尼系
永
统摇摆过程说明：
久
1 故障条件不变，保护切
性
除第二次故障时间不变。
故 障 最 优
2 第二个摇摆周期中，当
机组回摆减速在最大值
(a)
前 处(红点)重合，加
最优重合闸时间的定性分析
以重合闸的最后一次操作时刻为 t=0+，系统新
电
的稳定平衡点作为状态空间的原点, 电力系统暂
力 系
态稳定性的经典模型为：
统
暂
态
(1)
稳
定
的
经
典 数 学 模 型
式中，Mi 为第 号机的惯性常数，PTi 为机械输入功率， Pei为输出功率。对于扰动前、扰动期间、扰动清除后 的电力系统为方程(1)的分段函数，重合闸后系统的同
台机组才能保持稳定；而当重合闸时间改为1.1s(尚非
最佳重合时间)时，水丰厂发电增加到380MW，无需切机
就能保持系统稳定。可见选取较佳重合X闸i’an时Ji间aot效ong果U是niv显ersity 最佳重合闸时间与计算
目的及意义
3 最小重合时间
1） 在断路器跳闸后，故障点的电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘 强度需要的时间；
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最优重合闸时间的定量分析
(6)式中，左端为t时刻系统的动能和位能之和，右端为 tc 时刻的动能与位能之和，表明系统在故障阶段积蓄的暂态能
量，在t>tc时是维持不变的。
暂
因此，事故后阶段任意时刻系统的总能量可表示为：态ຫໍສະໝຸດ 能(7)量
函
位能函数在 有一最小值以及在 和 有两个局部最
数 法
多
机
系
统
最
(18)
优
重
合
的
式中
条
件
为各发电机的稳定平衡点；
分别为系统惯性中心的角度和角速
度； 和 分别为最后一次操作完成后内节点自电导和互电纳。
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全系统的惯性中心坐标：
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最优重合闸时间的定量分析
合时间使得故障第二次切除后摇摆迅速平息；不合适的
重合时机使得故障的第二次作用与第一次的作用叠加，
使系统失去稳定。
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1 不合适的重合时间，重合于永久故障失步
单机无限大母线系统重合
永
于永久故障失步过程说明：
久 性 故 障
条
件
则
(15)
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最优重合闸时间的定量分析
设重合前网络的暂态能量：
永 久
(16)
性
故
由14、15、16式整理得：
障 的
(17)
最
佳
重
近似估计：当 取负最大知， 取正时，第二项对应的
合
动能与第四项对应的位能均为负值，此时重合于永久性故障
瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功。令
瞬 时
重合闸时刻对应的时间、角度、角速度分别 为： 、 、 ，则最佳重合条件：
故
障
的
(12)
最
佳
重
式中 P0 系统正常运行功率
合
不难求得 取极小值的条件为：
条
件
或者
(13)
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最优重合闸时间的定量分析
最佳重合闸时间与计算
目的及意义
最佳重合时间的应用价值
优 在相同的网络件下，不需要增加任何一次
化 设备，不改变任何二次设备，优化重合闸
重 合
时间，就可提高输电线路的传输能力。
闸
时 选取较佳的重合闸时机，利用发电机存储
间 的
的减速能量，部分抵消重合于故障时的加
意 速能量，使得系统在最后一次网络操作后
义 的暂态能量最小，减小系统摇摆幅度,进而
最优重合闸时间的定量分析
暂态能量函数法
单 机 无
暂态能量函数(TEF)法是分析电力系统稳定的一种比较 成熟的方法。暂态能量值可以描述一个自治系统在最后一
限 次网络操作完成后系统振荡的激烈程度，其值越大，表明
大 系统的振荡越严重，当暂态能量值超过系统所能吸收的临
系 统 最
界能量时，系统表现为不稳定。以单机无限大母线系统为 例，进行基于暂态能量函数的最优重合时间的定量分析：
优
重
合
条
件
Fig.3 单机无限大母线系统
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最优重合闸时间的定量分析
忽略阻尼，发电机采用经典模型，转子运动方程：
暂
态
用 乘以第一式两端并积分，得到：
能
量
函
数
法
整理后可得：
(4) (5)
(6)
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步稳定性就是方程(1)解的稳定性。
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最优重合闸时间的定性分析
根据 Lyapnov直接法理论，方程(1)其解的稳定性
电 与初值状态有关，当初值落于稳定域内时，系统的
力 系
是稳定的。
统 暂 态 稳 定 的
方程(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。理想的情况是 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。然而这是不可 能的，实际重合闸最后一次操作的最佳时刻 是距离新的稳定平
永
合，希望第二次故障冲击所产生的机组加
久 性 故
速能量，抵消发电机在回摆时携带的减速 能量，并希望故障切除后机组的不平衡功
障
率越小越好。
最
优
基于此，永久性故障最佳重合时机为：
重 合 时
角度达到最大值并开始减小，角速度为负 并在达到负最大值之前。
间
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最佳重合闸时间与计算
最佳重合闸时间与计算
2020/11/17
最佳重合闸时间与计算
主要内容
1 课题研究目的及意义 2 最优重合闸时间的定性分析 3 最优重合闸时间的定量分析 4 最优重合闸时间的实现
• 在线实时捕捉 • 离线整定计算 5 最优重合闸时间的效益验证 6 结语
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0.4秒。
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目的及意义
4 最佳重合时间
➢ 在保证瞬时故障能够重合成功、永久性故障能 够再次跳开的前提下，大于最小重合时间的一 个时间。
➢ 在最佳时间重合短路器，可以使重合成功（瞬 时故障）后或故障再次切除（永久故障）后的 系统摇摆幅度最小。
➢ 最佳重合时间重合短路器工作条件恢复更好、 故障点绝缘恢复更充分。
速功率的作用使机组的
重
加速度为正，角速度由
合
负最大值开始减小。
时
间
(b)
3 在 处再次切除，角 速度、角加速度接近于
Fig.2 最优重合阻尼系统摇摆
0，系统稳定。
(a) 功角曲线 (b)相平面
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最优重合闸时间的定性分析
因此，对于永久性故障，在最优时间重
瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功，其 最佳重合时间满足的条件可表示为：
多
机
系
统
(19)
最
重合于永久性故障时，网络的最后一次操作是重合后保护再次跳
开断路器。类似于瞬时故障，若最佳跳开时刻为 ，则永久性
永
故障最后一次网络操作最优的条件为：
久
性 故
(14)
障 的
式中 P1 故障切除后系统功率
最 佳 重 合
然而，故障的再切除时间由保护及断路器跳开时间决定， 一般为0.1s左右，更有意义的是寻找满足上式的重合时间， 令
能
可能吸收的最大能量，即：
量 函
(10)
数
网络最后一次操作后的系统，若功角大小表示摇摆的稳定裕度，
法
则暂态能量 Vth越小，功角摇摆的幅度越小。在 Vth最小时完成操作，
所对应的时刻就是最优操作时刻，即
(11)
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提高相同传输功率条件下的暂态稳定裕度。
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对于联系薄弱、依靠重合闸成功才能维持首
摆稳定的系统，瞬时故障切除后重合时间越短、
两侧功角摆开越小，重合越快越有利于系统稳
最 定，因此，这种结构的系统，重合闸应越快越
小 重 合
经
衡点最近的时刻，即：
典
数
学
(2)
模
型
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最优重合闸时间的定性分析
瞬时性故障最佳重合条件：
瞬时性故障时，网络最后一次操作就是重合闸成功，
瞬 时 性
新的稳定运行平衡点就在故障前运行点附近，且无论 机组在加速还是在减速过程中,因而最佳重合条件强调
1 故障， 故障切除，
达 处加速面积 A1＝B1减 速面积。
最
(a)
2 回摆到 处，减速面积B1
优
＝加速面积C1
重 合
3
处重合，再沿P1运行，
在 处 再次切除，此时
时 间
的加速面积 C1 ＋ A1>P2曲
(b)
线剩余的减速面积，导致系
Fig.1 重合于永久故障失步
统失稳。
(a) 功角曲线 (b)相平面
好，应按照最小重合时间重合。在《电力系统 安全稳定导则》中规定：单相永久性故障重合
闸 不成功时不允许造成稳定破坏，因而这种情况
时 间
是极少数的，这一点在电网规划建设时就已经 得到了保证。
所以研究阻尼系统摇摆的最佳重合时间具有 现实意义。
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最佳重合闸时间与计算
目的及意义
存在的问题：
传 1 不区分故障是瞬时性的还是永久性的
统 重
若重合于永久故障，系统将再次遭受故障冲击，
合 可能较大幅度的摇摆进入新的稳定运行状态，
闸 不 足
也可能摇摆后失去稳定。为了防止重合于永久 故障造成系统稳定的破坏，在《电力系统安全
之 稳定导则》中规定：单相永久性故障重合不成
2）在断路器动作跳闸息弧后，其触头周围绝缘强度的恢复以及 消弧室重新充满油、气需要的时间；同时其操作机构恢复原状 准备好再次动作需要的时间。
3）双侧电源线路两侧继电保护跳闸的时间差等因素确定。 4）如果重合闸是利用继电保护跳闸出口起动，其动作时限还应
该加上断路器的跳闸时间。 根据我国一些电力系统的运行经验，重合闸的最小时间为0.3-
大值，通常取较小者作为系统所能吸收的最大能量 Vmax：
(8)
：减速失步临界点， ：加速失步临界点， ：稳定平衡点
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最优重合闸时间的定量分析
网络最后一次操作完成后，系统是一个自治系统，能量保持不变：
(9)
暂
态
要使系统稳定，则系统在完成最后一次操作后的能量必小于系统
条 件
上不仅不会增加系统的暂态能量，反而可以使暂态能量小于 第一次故障冲击产生的C1，阻尼系统的摇摆。
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最优重合闸时间的定量分析
发电机采用经典模型，负荷用恒定阻抗表示，忽略阻尼和 转移电导时，多机系统以惯性中心为参考的能量函数为：
久 衡点是故障切除后系统的稳定运行点。当断路器再次跳开
性 时刻满足最佳重合条件方程(2)时，系统的摇摆最小。 故
障 最
重合于永久故障，无疑对电力设备有不良影响，因而
优 第二次故障切除仍然是越快越好，这个故障的切除时间
重 由断路器再次跳闸灭弧所确定。然而，故障的再切除时
合 时 间
间取决于保护再跳闸时间，一般为0.1秒。因此，优化最 后一次跳闸时间变成了选择较优的重合时间。合适的重