（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）高壓直流輸電對交流電網(wǎng)繼電保護影響及解決措施.pdf

聲明尸明 刪m fy 1 7 8 5 7 引芝 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文高壓直流輸電對交流電網(wǎng)繼電保護影 響及解決措施，是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間，在導師指導下進行的研究 工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學或其他教育機 構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在 論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：塑日期：翌絲三：! 呈 關于學位論文使用授權的說明 本人完全了解華北電力大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保管、 并向有關部門送交學位論文的原件與復印件；學校可以采用影印、縮印或其它復制手 段復制并保存學位論文；學校可允許學位論文被查閱或借閱：學?？梢詫W術交流為 目的，復制贈送和交換學位論文：同意學?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播 學位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：墊絲1 e l 期：翌! ：至：坦 導師簽名： 日期： 華北電力大學碩士學位論文摘要 摘要 交直流互聯(lián)電網(wǎng)中，當交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流輸電系統(tǒng)有可能進入非正常 運行狀態(tài)，直流系統(tǒng)將產(chǎn)生與純交流系統(tǒng)不同的電壓電流波形。這種電壓電流作用 在交流繼電保護中時，會對不同的繼電保護裝置產(chǎn)生不同的影響。論文分析了直流 輸電系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓電流波形的故障特征，并分別分析了直流輸電系統(tǒng)故障對交流 線路突變量方向保護、縱聯(lián)距離保護、縱聯(lián)差動保護三類高壓線路保護的影響。經(jīng) 研究發(fā)現(xiàn)，直流輸電系統(tǒng)故障對突變量方向保護和縱聯(lián)距離保護的影響比較大，對 縱聯(lián)差動保護的影響比較小。 關鍵詞：高壓直流輸電，突變量方向保護，縱聯(lián)距離保護，縱聯(lián)差動保護 a b s t r a c t w h e nt h ea cn e t w o r ki si nf a u l t ，h v d ci sp o s s i b l yt oe n t e ra b n o r m a lo p e r a t i o n s t a t ea n dp r o d u c ef a u l tv o l t a g ea n dc u r r e n ti na c - d ci n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mp u r ea cs y s t e m t h ei n t e r a c t i o no ff a u l tv o l t a g ea n dc u r r e n t h a sd i f f e r e n te f f e c t so nd i f f e r e n tr e l a y s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so f f a u l tv o l t a g ea n dc u r r e mg e n e r a t e db yh v d c ，a n da n a l y z e st h ei m p a c to nt h e j u m p - v a l u eo fc u r r e n td i r e c t i o nr e l a y , d i s t a n c ep r o t e c t i o n p i l o ta n dl o n g i t u d i n a l d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h es t u d yf o u n dt h a th v d ch a sg r e a te f f e c to nt h ej u m p - v a l u e o fc u r r e n td i r e c t i o n r e l a ya n dd i s t a n c ep r o t e c t i o np i l o t b u th a sl i t t l ee f f e c to nt h e l o n g i t u d i n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n z h a oq i a n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h e n g y o n g k e yw o r d s ：h v d c ，j u m p - v a l u eo fc u r r e n td i r e c t i o n r e l a y , d i s t a n c e p r o t e c t i o np i l o t , l o n g i t u d i n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 華北電力大學碩士學位論文目錄 目錄 中文摘要 英文摘要 第一章緒論1 1 1 課題的背景1 1 2 課題的研究意義l 1 3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2 1 4 本文的主要工作4 第二章直流輸電非正常運行時換流器交流母線處電磁暫態(tài)特征5 2 1c i g r e 標準測試模型5 2 2 直流系統(tǒng)附近交流系統(tǒng)故障時換流器母線處的電磁暫態(tài)特征6 2 2 1 逆變側交流線路故障6 2 2 2 整流側交流線路故障9 2 2 3 換流器交流母線處故障特征總結1 2 2 3 本章小結13 第三章交流線路突變量方向保護的仿真研究1 5 3 1 青島電網(wǎng)的線路保護的配置概況1 5 3 2 突變量方向保護的基本原理1 6 3 2 1 突變量的原理16 3 2 2 突變量方向元件的方向判別原理1 8 3 2 3 突變量方向元件的實現(xiàn)公式1 8 3 2 3 1 四方c s l l 0 2 的突變量方向元件1 8 3 2 3 2 南瑞r c s 9 0 1 的突變量方向元件1 9 3 3 南瑞r c s9 0 1 在p s c a d 中的建模。2 0 3 4 突變量方向元件的仿真研究2 2 3 4 1 突變量正方向元件應用于純交流系統(tǒng)的仿真2 2 3 4 2 突變量正方向元件應用于含有h v d c 系統(tǒng)的仿真2 3 3 4 2 1 仿真系統(tǒng)模型及參數(shù)2 3 3 4 2 2 逆變側交流系統(tǒng)故障2 4 3 4 2 3 整流側交流系統(tǒng)故障。2 4 華北電力大學碩士學位論文目錄 3 5 本章小結。2 5 第四章交流線路縱聯(lián)距離保護的仿真研究2 6 4 1 縱聯(lián)距離保護的基本原理2 6 4 2 各個公司距離元件的實現(xiàn)方式2 7 4 2 1 南瑞r c s9 0 2 的距離方向繼電器2 7 4 2 1 1 低壓距離繼電器一2 7 4 2 1 2 接地距離繼電器。2 7 4 2 1 3 相間距離繼電器2 7 4 2 2 四方c s l l 0 1 距離元件2 8 4 2 3 南自p s l6 0 2 距離方向元件2 9 4 3 各個公司縱聯(lián)距離保護的建模2 9 4 3 1 南瑞r c s9 0 2 的建模2 9 4 3 2 四方c s l1 0 1 的建模3 0 4 3 3 南自p s l6 0 2 的建模3l 4 4 各個公司縱聯(lián)距離保護的仿真3 l 4 4 1 南瑞r c s9 0 2 的仿真研究31 4 4 1 1 純交流系統(tǒng)3 1 4 4 1 2 含直流饋入的系統(tǒng)3 4 4 4 2 四方c s l l 0 1 的仿真研究3 7 4 4 2 1 純交流系統(tǒng)。3 7 4 4 2 2 含有直流饋入的系統(tǒng)3 9 4 5 選相元件的原理4 0 4 5 1 突變量選相元件4 0 4 5 2 序分量選相元件4 1 4 5 3 對兩種選相元件在含有直流饋入時的分析。4 2 4 5 4 序分量選相元件在含有直流饋入的系統(tǒng)中的仿真4 2 4 6 本章小結。4 3 第五章交流線路縱聯(lián)差動保護的建模和仿真研究。4 4 5 1 四方c s l l0 3 差動保護原理4 4 5 2 南瑞r c s 9 3 1 電流差動繼電器4 5 5 2 1 變化量相差動繼電器4 5 華北電力大學碩士學位論文目錄 5 2 2 穩(wěn)態(tài)i 段相差動繼電器4 6 5 2 3 穩(wěn)態(tài)i i 段相差動繼電器4 6 5 2 4 零序差動繼電器4 7 5 3r c s9 31 的建模4 7 5 4 四方c s l1 0 3 的仿真研究4 8 5 4 1 四方c s l1 0 3 應用于純交流系統(tǒng)時的動作情況4 8 5 3 2 四方c s l1 0 3 用于含直流饋入系統(tǒng)時的動作情況5 0 5 4 南瑞r c s9 3 1 的仿真研究5 l 5 4 1 南瑞r c s9 3 1 應用于純交流系統(tǒng)時的動作情況5 1 5 4 2 南瑞r c s9 3 1 應用于含直流饋入的系統(tǒng)時的動作情況5 2 5 5 本章小結5 4 第六章直流輸電對交流保護影響的機理及解決措施5 6 6 1 影響機理5 6 6 2 解決措施5 7 第七章結論與展望5 8 7 1 結論5 8 7 2 展望5 8 參考文獻6 0 致j 謝6 2 在學期間發(fā)表的學術論文和參加科研情況6 3 i i i 華北電力大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 課題的背景 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，經(jīng)過2 0 世紀5 0 6 0 年代的汞弧閥時期，直流輸電在遠 距離大容量輸電、海底電纜輸電和不同頻率聯(lián)網(wǎng)方面顯示了其獨特的優(yōu)點；又經(jīng)過 2 0 世紀7 0 - - 8 0 年代的晶閘管時期，直流輸電得到了大發(fā)展，并在大電網(wǎng)互聯(lián)方面展 現(xiàn)了更多優(yōu)勢，傳統(tǒng)的純交流電網(wǎng)已發(fā)展成為交直流混合電網(wǎng)；2 0 世紀9 0 年代以 來，大功率可關斷器件的迅猛發(fā)展，促成了新型直流輸電的快速發(fā)展，使直流輸電 的應用擴展到了配電網(wǎng)和新能源開發(fā)等更為廣闊的領域。直流輸電技術是基礎面 廣、前沿技術含量高、綜合性很強的高技術，隨著電力電子器件的進一步發(fā)展、計 算機技術的更新?lián)Q代、輸變電新材料的出現(xiàn)、新能源和可再生能源的開發(fā)利用，必 將為電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展發(fā)揮更大的作用【。 根據(jù)2 0 0 4 年的數(shù)據(jù)，全世界的直流輸電工程約9 0 個，北美最為發(fā)達，美國有 1 4 個直流工程，總容量1 0 8 g w ，輸電距離5 8 3 0 k m ，加拿大有1 0 個，總容量8 1 g w ， 輸電距離2 8 1 4 k m 。h v d c 以其技術上和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電 和電網(wǎng)互聯(lián)兩個方面對我國電力工業(yè)的發(fā)展起到十分重要的作用。自1 9 8 7 年舟山 直流輸電工程以來，計及2 0 0 8 年投運的東北一華北直流輸電背靠背工程和中俄黑 河直流輸電背靠背工程，我國已建成投運h v d c 工程1 2 項，已開工建設舉世矚目 的三項士8 0 0 k v 特高壓直流輸電工程，建設中的直流輸電工程共計8 項；到2 0 2 0 年 前，我國擬建直流輸電工程約2 2 項，其中特高壓直流輸電工程至少1 5 項，占世界 直流輸電擬建工程的一半以上。在未來3 0 年之內(nèi)，h v d c 在遠距離大容量輸電和 電網(wǎng)互聯(lián)兩個方面在我國電網(wǎng)中將占有無可替代的地位。 由于直流輸電在交流電網(wǎng)中的引入和應用，大規(guī)模交直流混合輸電系統(tǒng)安全穩(wěn) 定運行的技術難點較多，交直流輸電系統(tǒng)在故障時的電磁暫態(tài)過程比較復雜。直流 輸電在各種運行情況下會對交流系統(tǒng)的設備產(chǎn)生不同程度的影響。目前的資料顯 示，已經(jīng)出現(xiàn)過直流輸電附近交流繼電保護誤動作的現(xiàn)象。2 0 0 3 年6 月廣州北涌乙 線在天廣直流系統(tǒng)換相失敗的情況下誤動。2 0 0 5 年1 2 月再次發(fā)生了由于交直流混 合運行系統(tǒng)的特殊工況引發(fā)的繼電保護裝置誤動事故，事故中造成了同時損失了2 條同桿并架的5 0 0 k v 交流線路【2 1 。另外，高壓直流輸電在單極運行時，會使附近中性 點接地的變壓器產(chǎn)生直流偏磁【3 。5 1 。高壓直流輸電極性翻轉時，會使換流變壓器的絕緣 油和紙板擊掣6 。 1 2 課題的研究意義 ，一 l 華北電力大學碩士學位論文 論文研究工作是山東電力調(diào)度中心與華北電力大學簽訂的科研項目“直流系統(tǒng) 典型故障瞬態(tài)特征分析及對交流保護的影響研究 研究內(nèi)容的一部分。寧東山東 ( 青島) 6 6 0 千伏直流輸電工程是國家實施西電東送發(fā)展戰(zhàn)略，促進資源優(yōu)化配 置的重要戰(zhàn)略工程之一，對進一步調(diào)整全國合理電力流向格局，實現(xiàn)西北與山東電 網(wǎng)水火互補、調(diào)劑余缺，加大資源優(yōu)化配置規(guī)模，促進東西部區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展具 有重要作用。工程起于銀川東換流站，止于山東青島換流站，采用同塔雙回架設， 線路途經(jīng)寧夏、陜西、山西、河北、山東5 省區(qū)，輸電距離1 3 4 8 公里，預計一期 送電4 0 0 萬千瓦，二期再送4 0 0 萬千瓦。一期工程預計2 0 0 8 年底前開工建設，2 0 1 0 年投運，建成增加青島地區(qū)的供電能力4 0 0 萬千瓦，可大大緩解山東青島日益緊張 的環(huán)保、能源運輸、土地供應壓力。 高壓直流輸電帶來巨大效益的同時，也帶來了電網(wǎng)運行的復雜性，隨之而來將 出現(xiàn)一系列技術上和管理上的新問題。對于直流輸電的穩(wěn)態(tài)模型和直流穩(wěn)定時的工 作方式，國內(nèi)外已經(jīng)研究得相當清楚。但是當直流輸電發(fā)生故障或處于非正常運行 狀態(tài)時，從交流側來看，直流輸電所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)特征及其與純交流系統(tǒng)時的區(qū) 別卻很少有文獻提到。對于在純交流系統(tǒng)中適應的繼電保護算法，在含有直流輸電 的系統(tǒng)中是否還能成立，或者這些繼電保護算法會受到多大的影響，這方面也很少 有文獻提及。 本課題研究的意義主要體現(xiàn)在以下幾方面： l 、通過對直流輸電處于非正常運行時的情況進行仿真分析，得到直流系統(tǒng)交 流側的電磁暫態(tài)波形，為以后對繼電保護的相關分析提供一定的參考數(shù)據(jù)和理論分 析來源。 2 、通過對直流輸電附近交流保護的動作情況仿真分析，得到哪些繼電保護原 理及算法容易受到直流非正常運行時的影響，為實際中工程中直流輸電附近的交流 線路應該配置什么樣的保護提供一定的理論指導。 3 、通過分析直流輸電在各種情況下對交流保護影響程度的大小，對直流輸電 與交流系統(tǒng)的連接方式也有一定的指導性作用，通過這種分析，可以初步確定出直 流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)采用不同的連接方式時，對交流繼電保護有多大的影響。 1 3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 當兩個橋臂之間換相結束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，如果 未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程一直未能進行完畢，這兩種情況在閥 電壓轉變?yōu)檎驎r被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，這稱為換相失敗 【8 】 o 從國內(nèi)外的研究情況來看，換相失敗對交流繼電保護的影響是一個最值得研究的問 2 華北電力大學碩士學位論文 題。對于換相失敗產(chǎn)生的機理和主要原因，國內(nèi)外已做過大量的研究 9 - 2 0 1 。 引起直流換相失敗的原因有很多，交流電壓下降、直流電流增大、觸發(fā)角過小、線 電壓過零點偏移和觸發(fā)脈沖丟失等等。2 0 0 4 年l o 月8 日，高肇直流極1 換相失敗，經(jīng) 分析初步斷定故障原因是由于極1 星接換流變壓器所連換流橋5 號閥觸發(fā)脈沖丟失而引 起換相失敗，這種故障工況對交流繼電保護的影響研究很少。 在交直流互聯(lián)電網(wǎng)中的交流系統(tǒng)故障期間，電壓下降導致直流系統(tǒng)換相失敗，隨后 在控制系統(tǒng)作用下，直流系統(tǒng)快速恢復再次投入。如在此暫態(tài)過程中，直流等值系統(tǒng)的外 在表現(xiàn)為吸收有功和無功功率，類似直流系統(tǒng)表現(xiàn)為一個故障點，可能導致交流系統(tǒng)的功 率在故障期間出現(xiàn)倒方向流向直流系統(tǒng)的過程，稱為暫態(tài)功率倒向【2 1 1 。 在換相失敗的過程中，由于暫態(tài)功率倒向的原因，容易受到影響的繼電保護裝置是 突變量方向縱聯(lián)方向保護【2 m 3 1 。而對于這種影響，這些文獻也提出了相應的措施。 文獻 2 l 】指出采用距離阻抗元件進行方向判別時，采樣計算數(shù)據(jù)窗較長，在算法上 能夠較好地避免誤動，誤動的概率較小，但也應考慮由于型號、采樣頻率、整定值等差 別而影響兩側保護測量故障的一致性。線路縱聯(lián)差動保護是在每一側都直接比較兩側的。 電氣量，根據(jù)對兩側電流幅值和相位比較的結果判別是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障，因此不會受 到線路功率倒向的影響，從保護原理上防止了功率倒向導致保護誤動的發(fā)生。 文獻 2 2 1 指出換相失敗會造成突變量方向元件的誤動，當保護檢測到功率方向由反 轉為正后，設定一定的延時閉鎖縱聯(lián)保護，且延時需躲開兩側突變量方向元件可能引起 誤動的時間區(qū)域?？筛鶕?jù)所需時間窗的長短，自適應調(diào)整保護靈敏度來躲過換相失敗對 保護的影響，有利于提高逆變側交流系統(tǒng)保護設備動作的可靠性。 o 文獻 2 3 1 指出在高壓交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，直流換流站換流失敗對交流電網(wǎng)中高頻 突變量方向原理保護的動作行為影響較大，很可能引起保護誤動；但對經(jīng)距離方向元件 精確判別的縱聯(lián)距離保護和縱差原理保護的動作行為影響較小，引起保護誤動的可能性 也較小。 另外，直流單極一大地運行方式下，直流偏磁對保護用電流互感器傳變特性的影響 很小，其對交流保護的影響主要在于變壓器直流偏磁諧波。研究表明，相對于線路保護 而言，變壓器直流偏磁諧波對變壓器保護的影響更嚴重一些，但是總體上看，影響還是 比較小的，不足以對這些保護的動作性能產(chǎn)生根本性的影響【2 4 1 。 一些文獻還提出，換相失敗的過程中，h v d c 會產(chǎn)生大量的諧波，對某些繼電保護 裝置也有影響【2 5 。2 7 】。 文獻 2 5 1 對換相失敗過程中的諧波和非周期分量做了詳細的分析，但是這些諧波對 哪些繼電保護裝置有影響，具體怎樣影響卻沒有提及。 文獻 2 6 】提到了諧波和非周期分量對線路縱聯(lián)差動保護有較大的影響，但是具體會 產(chǎn)生怎樣的影響，影響的機理，文中也沒有提及。 文獻 2 7 】指出對于距離保護容易受到h v d c 產(chǎn)生的的諧波的影響，所以應在附近裝 3 華北電力大學碩士學位論文 上合適的濾波濾波裝置，并采用合適的測量原理，才能使得距離保護的工作良好。 1 4 本文的主要工作 本文的研究重點是直流輸電系統(tǒng)故障時的瞬態(tài)特性分析以及對交流系統(tǒng)中各 種繼電保護原理和算法的影響研究。通過對課題的背景和研究現(xiàn)狀的分析，本文主 要做了以下幾個方面的工作： ( 1 ) c i g r e 標準測試模型的研究和直流輸電非正常狀態(tài)運行時的電磁暫態(tài)特 征分析 分析c i g r e 模型中直流的運行情況，對模型中的控制方法進行詳細的研究， 仿真分析交流側發(fā)生各種故障時，對直流輸電系統(tǒng)的運行情況和各個物理量的變化 進行研究。這些物理量包括：整流側和逆變側交流電壓、電流；h v d c 觸發(fā)延遲角 a 、關斷角丫、直流電壓和直流電流。并對換相失敗的過程進行詳細的研究。 ( 2 ) 高壓線路保護的建模 結合山東電網(wǎng)高壓線路保護的配置情況，對l f p9 0 1 、r c s9 0 1 、r c s9 3 l 、r c s 9 0 2 、p s l6 0 2 、c s l1 0 1 的主保護進行建模，其中l(wèi) f p9 0 1 、r c s9 0 1 的主保護是突 變量方向保護，r c s9 0 2 、p s l6 0 2 、c s l1 0 1 的主保護是縱聯(lián)距離保護，r c s9 3 1 的主保護是縱聯(lián)差動保護。 ( 3 ) 分析直流輸電對突變量方向保護的影響 當直流輸電所連接的交流線路發(fā)生故障時，分析交流線路上突變量方向保護的 動作情況。著重分析突變量方向保護的核心元件，突變量方向元件的方向判別情況。 最后再分析整個保護在一定邏輯框圖和時序下的動作情況。 ( 4 ) 分析直流輸電對縱聯(lián)距離保護的影響 當直流輸電所連接的交流線路發(fā)生故障時，分析交流線路上縱聯(lián)距離保護的動 作情況。分析阻抗元件和選相元件的動作情況。總結出直流輸電對縱聯(lián)距離保護的 影響。 ( 5 ) 分析直流輸電對縱聯(lián)差動保護的影響 當直流輸電所連接的交流線路發(fā)生故障時，分析交流線路上縱聯(lián)差動保護的動 作情況。分析各類差動元件的動作情況和靈敏度。 4 華北電力大學碩士學位論文 第二章直流輸電非正常運行時換流器交流母線處電磁暫態(tài) 特征 換流器在運行過程中不斷變換閥的通斷組態(tài)，是典型的時變電路，因此要得到 其任何時刻都適用的數(shù)學模型幾乎是不可能的，目前僅僅能夠針對理想條件下的換 流器的穩(wěn)態(tài)工況導出其解析表達式。 直流輸電換流器交流母線處的電磁暫態(tài)過程是一個相當復雜的過程，直流電壓 的建立依賴于換流母線處的交流電壓，當交流側發(fā)生故障時，引起直流換流母線處 發(fā)生電壓跌落和電壓不對稱，這樣也就使得直流輸電的換流閥不能按正常的次序導 通，直流電壓受到很大的影響，直流線路上的電壓將不是穩(wěn)定的直流電壓，而是含 有各種諧波跳變非常嚴重的波形。直流線路的電壓量又會通過換流器傳入到換流器 交流母線，使換流器交流母線處的電壓和電流發(fā)生畸變。這樣，直流線路電壓和直 流換流器交流母線處的電壓一直發(fā)生著相互的影響。 本章首先分析了c i g r e ( 國際大電網(wǎng)) 標準h v d c 測試模型，論證了利用c i g r e 模型來分析對交流繼電保護的影響是有意義的，然后分析直流輸電附近交流線路故 障時，換流器交流母線處的電磁暫態(tài)特征。 2 1c i g r e 標準測試模型 c i g r e 模型直流部分的電氣參數(shù)如圖2 1 所示，該h v d c 系統(tǒng)為一額定電壓 5 0 0 k v 、額定輸送功率為1 0 0 0 m w 的單極直流輸電系統(tǒng)，基本控制方式為：整流側 定直流電流控制，逆變側定熄弧角控制。 整流倜母線逆變側母線 圖2 1c i g r e 標準測試模型 c i g r e 模型是一個h v d c 的通用模型，它為h v d c 的研究提供了一個一次系 統(tǒng)的統(tǒng)一平臺。c i g r e 模型的控制系統(tǒng)部分主要包含：測量環(huán)節(jié)、v d c o l 控制特 性、電流偏差控制、整流側定電流控制、逆變側定關斷角控制。 5 華北電力大學碩士學位論文 實際工程中直流系統(tǒng)的基本控制方式與c i g r e 模型相同，都是整流側定直流 電流，逆變側定熄弧角或直流電壓。c i g r e 模型是單極直流輸電模型，而實際工程 中的直流輸電系統(tǒng)的運行方式包括單極和雙極運行，但是同對交流側電壓電流的影 響上來看，單極和雙極運行產(chǎn)生的效果是相似的。c i g r e 模型的控制系統(tǒng)是在實際 工程中的控制方式上的簡化，它缺乏保護控制的邏輯，即沒有對換流器配置閉鎖和 重啟動的保護措施，但是這方面的控制保護措施根據(jù)不同的實際工程其控制邏輯和 延時大小都有不同，并且很多h v d c 工程中由于交流系統(tǒng)故障而導致直流輸電系統(tǒng) 不正常運行時，h v d c 觸發(fā)脈沖的閉鎖和重啟動過程都是發(fā)生在2 0 0 m s 以后，由于 本文研究的高壓線路主保護一般都在2 5 m s 內(nèi)動作，保護跳閘一般也在故障后l o o m s 的時間內(nèi)，所以可以不考慮h v d c 的閉鎖和重啟動過程，利用c i g r e 模型來對保 護影響的研究是可行的。 本論文的研究工作都是以c i g r e 模型為基礎來做的，研究的是在c i g r e 模型 下，在它的控制系統(tǒng)作用過程中，交流系統(tǒng)故障后，由于直流系統(tǒng)的非正常運行， 導致交流側的電壓電流電磁暫態(tài)波形發(fā)生的變化及其對繼電保護的影響。 2 2 直流系統(tǒng)附近交流系統(tǒng)故障時換流器母線處的電磁暫態(tài)特征 2 2 1 逆變側交流線路故障 以圖2 2 所示系統(tǒng)進行仿真，其中直流部分采用c i g r e 模型， e h = 3 8 2 8 6 7 2 0 。k v ， e n = 2 1 5 0 5 2 0 0k v ， z i = 0 0 4 5 8 4 + j 0 2 4 2 4 ( f l k m ) ， z o = o 2 4 2 4 + j 0 8 2 3 7 ( q k m ) 。其中m 點是整流側交流母線處，n 點是逆變側交流母 線處。 卜1 4 h 卜，4 叫 nk l 圖2 2 直流系統(tǒng)附近交流線路故障圖 圖2 2 所示系統(tǒng)o 5 s 在k l 處發(fā)生a 相接地故障，逆變側交流母線處的電氣量 波形如圖2 3 所示，波形中最值得關心的波形是故障后兩個周期內(nèi)的，a 相電壓在 故障后瞬間立即就降為接近于零，a 相電流在故障后有一個電流突然增加的過程， 從前兩個周期內(nèi)的波形來看a 相電流的頻率主要以2 5 h z 為主；b 相和c 相電壓變 化不大，b 相和c 相電流也發(fā)生了一定程度的畸變。 6 兮0 5 0 e 0 ( 3 0 帕| o j o 3 1 m 1 5 0 華北電力大學碩士學位論文 0 4 00 j 00 e 00 7 00 w0 j 0t j 0 t s ( c ) n 處b 相電壓 ，t 。2 。j ) ： 專。4 0 一z 0 。0 m 0 4 0 0 j 0 o a 00 7 0哪 d s ( d ) n 處b 相電流 o 0 j 00 7 0 g s 0 舶040o s 0n070 0 e 0 t s t s ( e ) n 處c 相電壓( f ) n 處c 相電流 圖2 - 3a 相接地故障n 處電氣量波形 哪 n o t m 圖2 2 所示系統(tǒng)o 5 s 在k l 處發(fā)生a b 相接地故障，逆變側交流母線處的電氣量 波形如圖2 4 所示，n 處a 相和b 相電壓都降低到接近于零，故障發(fā)生后兩個周期 內(nèi)，a 相、b 相、c 相電流都發(fā)生了畸變。 7 t s ( b ) n 處a 相電流 哺 ：蠶相 m 垤a 處 nb m 0 哪。 蚯相諾姒 m n 哪 0 呻 粼燃 拋懈嘴哪柵刪枷硼 3 a 、0 3 川0二iii，刪則川w 0三三w0川川川川川 w 二i=二 川。川川w州川0川0 n i i u ii二i=_ 惻 一川川博川叫 川州w 川州川川0 川， 一川州川 壓 電 相佻a處nd， 華北電力大學碩士學位論文 1 i 。 ； s - 。- 1 j ：j ! j j ! j ：羚 ，v 、 ，v v 、 ，、，、，v 、m 號：m 矧 n o o o o i n , i g o 舯 t y $ ( c ) n 處b 相電壓 ； ( d ) n 處b 相電流 華北電力大學碩士學位論文 丟 ( e ) n 處c 相電壓( f ) n 處c 相電流 圖2 5 三相接地故障時n 處電氣量波形 圖2 2 所示系統(tǒng)o 5 s 在k l 處發(fā)生a b 相間故障，逆變側交流母線處的電氣量波 形如圖2 - 6 所示，a 相和b 相電壓降低，三相電流畸變都非常嚴重。 1 9 0 j0 期 eo 墨一 2 兮o e 0 0 0 0 4 3 ， ( a ) n 處a 相電壓 0 4 0哪哪n 7 0哪哪t t s jo 期 e o 弓- 0 s 0 ( c ) n 處b 相電壓 4 0嘲嘲n t o 腳 t s 珊i 彝： ( b ) n 處a 相電流 l q o o 10 7 00 mo 口t 0 0 t s ( d ) n 處b 相電流 o 0 1 00 7 00 j 0f0a0 0 7 0 t倍 ( e ) n 處c 相電壓( f ) n 處c 相電流 圖2 - 6a b 相間短路故障時n 處電氣量波形 2 2 2 整流側交流線路故障 圖2 2 所示系統(tǒng)0 5 s 在k 2 處發(fā)生a 相接地故障，整流側交流母線處的電氣量 如圖2 7 所示，a 相電壓降低到接近于零，并且這里出現(xiàn)了與純交流系統(tǒng)故障時顯 9 一 一 n 一 = 二 一 n 一 l，i埔m i - -kij0 一 二，1 一 i兒【i 一 -1ihi 11il|-ijlj_111n1ij r 華北電力大學碩士學位論文 著不同的特征，非故障相c 相電流變大了。 t s ( a ) m 處a 相電壓( b ) m 處a 相電流 氣 明 華北電力大學碩士學位論文 扣 ” 穩(wěn) ”“ ” ( c ) m 處b 相電壓 ” 蒜 ” ( d ) m 處b 相電流 秀。2 。9 一 ：】 o 彳磊1 i ；r 函i f _ i s ( e ) m 處c 相電壓( f ) m 處c 相電流 圖2 8a b 兩相接地故障時m 處電氣量波形 圖2 2 所示系統(tǒng)o 5 s 在k 2 處發(fā)生a b c 相接地故障，整流側交流母線處的電氣 量波形如圖2 - 9 所示，a 相、b 相、c 相電壓降低為零，a 相、b 相、c 相電流降 低為零。 ： eo m 5 一 = = g 一二= ” 誕 ”“ 浞 ” ( a ) m 處a 相電壓 ( c ) m 處b 相電壓 耋薹 ? ( b ) m 處a 相電流 豢 ” 浞 ” ” ( d ) m 處b 相電流 華北電力大學碩士學位論文 2 袖 1 主一 、，0 s n ” 一 嚎 o 薔。2 + 。0 2 0 - 4 0 - i s 0 0 4 0n 5 0 0 8 0n 7 0n a n n o j i g1 0 0 t i m ( e ) m 處c 相電壓( f ) m 處c 相電流 圖2 - 9 三相接地故障時m 處電氣量波形 華北電力大學碩士學位論文 通過2 2 1 和2 2 2 小節(jié)的仿真波形可以看出在直流系統(tǒng)附近的交流線路故障 時，直流換流器交流母線處具有以下特征： ( 1 ) 直流輸電引起的短路電流比較小 從圖2 3 來看，當逆變側交流線路發(fā)生a 相接地短路時，逆變側交流母線處a 相短路電流在故障后前兩個周期出現(xiàn)的電流峰值比較大，大概是額定電流峰值的三 倍，而后快速衰減為同額定電流差不多的大小。 從圖2 4 來看，當逆變側交流線路發(fā)生a b 兩相接地短路時，逆變側交流母線 處a 相短路電流在故障后前兩個周期出現(xiàn)的峰值大概為額定電流的兩倍多，而后衰 減為小于額定電流的值；逆變側交流母線處b 相短路電流在故障后前兩個周期出現(xiàn) 的峰值大概為額定電流的兩倍多，而后電流過渡為同額定電流差不多的大小。 從圖2 5 來看，當逆變側交流線路發(fā)生三相接地短路時，逆變側交流母線處b 相短路電流在短路后前兩個周期出現(xiàn)的峰值大概為額定電流的兩倍多，而后衰減為 零，a 相和c 相短路電流都沒有出現(xiàn)比較大的峰值，由于逆變側交流母線電壓變?yōu)?零，三相短路電流最后都接近于零。 從圖2 - 6 來看，當逆變側交流線路發(fā)生a b 相間短路時，逆變側交流母線處a 相短路電流和b 相短路電流在故障后前兩個周期出現(xiàn)的電流峰值大概是額定電流 的兩倍多，而后衰減為額定電流大小。 從圖2 7 來看，當整流側交流線路發(fā)生a 相接地短路時，整流側交流母線處c 相短路電流最大，大概為額定電流的三倍。 從圖2 8 來看，當整流側交流線路發(fā)生a b 相接地短路時，整流側交流母線處 c 相短路電流最大，大概為額定電流的1 5 倍。 從圖2 - 9 來看，當整流側交流線路發(fā)生三相接地短路時，整流側交流母線處的 三相電流都快速衰減為零。 從圖2 1 0 來看，當整流側交流線路發(fā)生a b 相間故障時，整流側交流母線處的 b 相電流衰減為較小的值，比額定值小，a 相和c 相電流衰減得比較少。 ( 2 ) 直流輸電產(chǎn)生的短路電流諧波含量非常大 這里主要是指在逆變側交流線路發(fā)生短路故障時，逆變側交流母線處觀察的短 路電流諧波含量非常大。整流側交流線路故障時，整流側交流母線處觀察的短路電 流諧波含量相對比較小。 ( 3 ) 直流輸電不能給交流系統(tǒng)提供電壓支持 不管是從整流側還是逆變側來看，當附近交流線路發(fā)生接地短路時，換流器交 流母線處故障相的電壓都降低到接近于0 ，直流系統(tǒng)無法對交流系統(tǒng)提供電壓支持。 2 3 本章小結 1 3 華北電力大學碩士學位論文 本章采用c i g r e 標準測試模型，仿真分析了在直流系統(tǒng)附近的交流線路發(fā)生 故障時，換流器交流母線處的各種電氣量特征。通過仿真波形定性的得出結論，直 流系統(tǒng)產(chǎn)生的短路電流比較小，直流系統(tǒng)產(chǎn)生的短路電流諧波含量非常大。這些結 論對后面的具體保護裝置進行詳細分析時能夠提供一定的參考作用。直流系統(tǒng)產(chǎn)生 的短路電流雖然不大，但是相對于故障前其變化量非常明顯，這些變化量已經(jīng)足夠 使繼電保護裝置啟動。直流系統(tǒng)產(chǎn)生的短路電流的波形畸變嚴重，這可能是引起繼 電保護裝置不正確動作的重要原因。 華北電力大學碩士學位論文 第三章交流線路突變量方向保護的仿真研究 本文的工作是圍繞著寧東山東( 青島) 6 6 0 千伏直流輸電饋入后對山東電力電網(wǎng) 交流保護的影響開展相應的工作，重點是研究直流饋入后對青島換流站附近交流電網(wǎng)繼 電保護影響，本章的工作有：( 1 ) 分析青島換流站附近交流電網(wǎng)繼電保護的配置情況； ( 2 ) 在p s c a d 電磁暫態(tài)仿真軟件平臺下建立青島電網(wǎng)交流線路突變量方向保護的仿 真模型，然后在純交流系統(tǒng)中驗證所建突變量方向保護的仿真模型的正確性，在此基礎 上，具體分析考慮直流饋入后對突變量方向保護的影響。青島換流站附近交流電網(wǎng)結構 如圖3 1 所示。 3 1 青島電網(wǎng)的線路保護的配置概況 圖3 - 1 青島電網(wǎng)結構 1 5 華北電力大學碩士學位論文 青島換流站附近交流線路繼電保護配置情況如表3 1 所示： 表3 1 青島電網(wǎng)部分線路繼電保護配置 線路保護配置 因此需要建立模型的保護有p s l 6 0 2 、r c s9 3 l 、c s c1 0 1 、c s l1 0 1 、l f p9 0 1 、 r c s9 0 1 、r c s9 0 2 。由于c s c1 0 1 和c s l1 0 1 的實現(xiàn)方法基本一樣，l f p9 0 1 和 r c s9 0 1 的實現(xiàn)方法基本一樣，所以最終只對p s l6 0 2 、r c s9 3 1 、c s l1 0 1 、r c s9 0 1 、 r c s9 0 2 進行建模。 高壓輸電線路繼電保護中突變量方向保護是比較常用的保護，很多電網(wǎng)都配置 了突變量方向保護，南瑞的l f p 9 0 1 、r c s 9 0 1 和四方的c s l l 0 2 其主保護功能就是 突變量方向保護。這些保護裝置在含有直流饋入的系統(tǒng)中已有誤動的現(xiàn)象發(fā)生。比 如：2 0 0 3 年6 月，天廣直流系統(tǒng)廣州北涌乙線誤動【2 8 1 。2 0 0 5 年1 2 月，廣東橫東甲、 乙線保護誤動【2 9 1 。 本章將詳細介紹突變量方向保護的工作原理并分析其在直流系統(tǒng)附近交流線 路上的動作情況，在分析過程中先在純交流系統(tǒng)中仿真，驗證突變量方向保護的正 確性，再在含直流饋入的系統(tǒng)中作同樣仿真，比較兩者之間的差別，以后各章對其 他類型的保護做研究時也采用這樣一個步驟。 3 2 突變量方向保護的基本原理 3 2 1 突變量的原理 圖3 - 2 ( a ) 所示的電力系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運行時，在k 點發(fā)生金屬性短路，故障 點的電壓降為0 ，這時系統(tǒng)的狀態(tài)可用圖3 - 2 c 0 ) 所示的等值網(wǎng)絡來代替，圖中兩個 附加電壓源的電壓大小相等、符號相反。若令故障點處附加電源的電壓等于故障前 狀態(tài)下故障點處的電壓，可將圖3 - 2 ( b ) 所示的運行狀態(tài)分解為圖3 - 2 ( c ) 和圖3 - 2 ( d ) 所示的2 個運行狀態(tài)的疊加。則圖3 2 ( c ) 就對應于故障前的系統(tǒng)狀態(tài)，各點處的電 1 6 華北電力大學碩士學位論文 壓、電流均與故障前的情況一致。圖3 - 2 ( d ) 為故障引入后的附加故障狀態(tài)，該系統(tǒng) 中各點的電壓、電流稱為電壓電流的故障分量或故障變化量、突變量【3 0 1 。 ( a ) 故障后的電力系統(tǒng) = ( b ) 圖( a ) 等值網(wǎng)絡 = = _ ( c ) 故障前的電力系統(tǒng)狀態(tài) ( d ) 故障附加狀態(tài) 圖3 2 故障分量原理分析 在系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護安裝處測量得到的全電壓“m 、全電流可以看作是 故障前狀態(tài)下非故障分量電壓們、電流f 【o 】與故障分量電壓甜、電流越的疊加， 即 ( 3 - 1 ) “和越既包含了系統(tǒng)短路引起的工頻電壓、電流的變化量，還包含短路引起 的暫態(tài)分量，即 溢三憊：囂 ( 3 2 ) 材 心笛 一 + 尸哪 鋤“ ，j【 華北電力大學碩士學位論文 式中：“髓、瓦。分別為電壓、電流故障分量中的工頻穩(wěn)態(tài)成分，即工頻故障分量； 、k 分別為電壓、電流故障分量中的暫態(tài)成分。 縱聯(lián)方向保護中所用的突變量方向元件，其實就是工頻故障分量元件，它通過 提取工頻故障分量來判別故障區(qū)域。 3 2 2 突變量方向元件的方向判別原理 根據(jù)3 2 1 對工頻故障分量的分析，對于雙端電源的輸電線路，按照規(guī)定的電 壓、電流正方向，在保護的正方向短路時，保護安裝處電壓、電流關系為 a u - - 一iz 3 ( 3 - 3 ) 式中，u 、，為保護安裝處工頻故障分量電壓、電流；z j 為保護安裝處母線上 等效電源的阻抗。 在保護的反方向短路時，保護安裝處電壓、電流關系為 a u - - - k l z 。 ( 3 - 4 ) 式中，乏為線路阻抗和對側母線上等效電源阻抗之和?？梢姡容^故障分量的電壓、 電流的相位關系，可以明確地判定故障的方向。 3 2 3 突變量方向元件的實現(xiàn)公式 對于不同公司生產(chǎn)的保護裝置，其突變量方向元件實現(xiàn)的方式是不同的。下面 僅介紹四方和南瑞其突變量方向元件的實現(xiàn)公式。 3 2 3 1 四方c s l l 0 2 的突變量方向元件 突變量方向保護，采用三種相間突變量電流叱口、虬c 、屹中最大者，與其 對應的相間電壓突變量比較相位，這樣可以保證任一種故障類型突變量方向元件都 具有最高的靈敏度。 突變量方向元件設有正、反兩個方向的方向元件，正向元件的整定值可以整定， 借用突變量啟動元件定值i q d ，反向元件不需整定，靈敏度自動比正向元件高，電 流門檻取為正方向的0 5 倍。 突變量正方向動作區(qū)為 1 8 。a r g ( a 糾, a ) - 1 8 0 。 1 8 ( 3 - 5 ) 華北電力大學碩士學位論文 式中，為相間突變量電流最大值，為嵋對應相間突變量電壓。 突變量反方向動作區(qū)為 一1 6 2 。a r g ( u 0 ) o 。 3 2 3 2 南瑞r c s 9 0 1 的突變量方向元件 正方向元件稱為a f + ，其動作判據(jù)為 織= 鶘學 反方向元件稱為a f ，其動作判據(jù)為 丸= 鶘老 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 以上兩式中的