基于PSCAD_EMTDC的高壓直流輸電線路保護(hù)仿真研究

1、第23卷 第2期2006年4月現(xiàn) 代 電 力modernelectricpowervol123no12apr12006文章編號(hào): 100722322 (2006) 0220035204文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: a中圖分類號(hào):tm72111;tm773基于pscad/ emt dc的高壓直流輸電線路保護(hù)仿真研究朱 瑜,梁 旭,閔 勇(清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084 )simulationof lineprotectionof hvdc transmissionbased on pscad/ emtdczhu yu , liangxu , min yong(state key lab

2、of power systems , dept.of electricalengineering, tsinghuauniversity, beijing100084 , china )基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(批準(zhǔn) 號(hào)50323002 )摘 要:本文在pscad /em tdc平臺(tái)上建立了實(shí)用的直流輸電線路行波保護(hù)系統(tǒng)模型。通過分析高壓直流線路發(fā)生故障后的特點(diǎn),按照行波保護(hù)的原理,利用直流線路發(fā)生故障瞬間,線路上產(chǎn)生的暫態(tài)電流電壓行波的幅值和方向不受控制系統(tǒng)作用影響的特點(diǎn),通過計(jì)算直流電壓下降率和直流線路故障前后的電壓電流行波差值,來判斷直流線路是否發(fā)生故障 。在南方電網(wǎng)貴廣直

3、流輸電系統(tǒng)仿真模型上對(duì)所建立的直流輸電線路行波保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試,通過設(shè)定極1整流側(cè)直流線路發(fā)生接地短路故障,驗(yàn)證行波保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作情況,仿真測(cè)試結(jié)果證明了本文所建立的線路行波保護(hù)系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞:高壓直流輸電;線路故障;線路保護(hù);暫態(tài)行波;行波保護(hù)abstract :this paperdevelopst he practicaltravelingwaveprotectionsystemofhv dctransmissionlinesbasedonpscad/ em td c.the paper analyzest he f ault cha racteris2tics of

4、 hv dc transmission lines .up on the theory of trave2ling wave , t he valueand directionof t he t ransientcurrentand voltage due to the short circuitfault happ ened in t he dcline willnot be aff ected by t he cont rol system of hv dc. sothe shortcircuitf ault of t he d c line can be detected by cal2

5、culatingt he declinerate of directvoltage and compa ring thesettingvalues wit h the transienttravelingwave of dc cur2rent and voltage after t he f ault.the travelingwave protec2tionmodelofhv dc t ransmissionlines is appliedintothesimulationmodel ofthe gui2guanghv d c transmissioninthe sout h grid of

6、 china wit h a grounded f ault near the rec2tifierof t he transmission line in pole 1. the simulationresultproves that the prop osed t ravelingwave protectionsystem ofhv dc transmission lines is correctand can be appliedintot he real hv dc transmission system.key words :hv dc;linef ault ;lineprotect

7、ion;transientt ravelingwave ;t ravelingwave protection0引 言由于高壓直流輸電具有電能損耗小, 可控性強(qiáng)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì), 使其在遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底輸電 、系統(tǒng)互聯(lián)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用 1 ,2 。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 全世界約有40 個(gè)國(guó)家建成投產(chǎn)了80 個(gè)左右直流輸變電工程項(xiàng)目, 總?cè)萘考s50gw 。截至2004 年 , 我國(guó)共有葛上, 天廣 , 三常 , 三廣和貴廣 5 條直流輸電系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行, 總輸送能量為13 000mw , 全年輸送電量為460199 億 kwh 3。在直流輸電系統(tǒng)中, 直流線路距離長(zhǎng), 屬于比較容易出現(xiàn)故障的設(shè)

8、備, 提高直流輸電線路的安全性和可靠性對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義,直流輸電線路保護(hù)是直流線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障。直流輸電保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電的核心, 其性能的好壞直接決定著設(shè)備的安全性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 。直流輸電保護(hù)系統(tǒng)按照保護(hù)對(duì)象不同, 可以劃分為換流站保護(hù), 直流線路保護(hù), 中性母線保護(hù),交直流開關(guān)場(chǎng)保護(hù)和接地極保護(hù)等幾個(gè)部分。對(duì)于直流線路保護(hù), 主要采用行波保護(hù)作為主保護(hù), 同時(shí)配合低電壓保護(hù), 線路橫差保護(hù), 線路縱差保護(hù)等作為后備保護(hù) 4 ,5 。目前 , 完整的直流輸電保護(hù)系統(tǒng)的核心技術(shù)只被 abb , siem ens , al stom 等少數(shù)幾個(gè)公司掌握

9、 , 在實(shí)際工程應(yīng)用中由于不清楚廠方提供的保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu), 在對(duì)這些保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè) 、調(diào)試和分析等工作時(shí)遇到了很大的困難。1高壓直流輸電保護(hù)系統(tǒng)由于直流輸電系統(tǒng)的特殊性和復(fù)雜性, 它與交流保護(hù)系統(tǒng)有所不同, 主要有如下幾個(gè)方面 1 ,2 :直流輸電保護(hù)系統(tǒng)是將單獨(dú)運(yùn)行的換流系統(tǒng)內(nèi)的所有能引起系統(tǒng)停運(yùn)的設(shè)備故障保護(hù)通過微處理器技術(shù)集中在一起, 便于故障分析處理和技術(shù)改進(jìn) 。直流輸電保護(hù)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)密切的關(guān)系, 只有控制保護(hù)系統(tǒng)密切有效配合才能快速抑制故障發(fā)展 , 確保系統(tǒng)設(shè)備安全, 避免擾動(dòng), 迅速恢復(fù)系統(tǒng) , 提高運(yùn)行穩(wěn)定性。發(fā)生故障時(shí), 直流輸電系統(tǒng)首先采取相應(yīng)的控制措施維持系統(tǒng)

10、穩(wěn)定, 實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的部分故障完全可以在控制系統(tǒng)的作用下自行恢復(fù) , 如果故障進(jìn)一步發(fā)展甚至出現(xiàn)永久性故障時(shí) , 保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作, 采取相應(yīng)保護(hù)措施以保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。直流輸電保護(hù)系統(tǒng)為了防止設(shè)備本身故障對(duì)系統(tǒng)造成的不良影響, 采取多重冗余配置, 對(duì)于各自獨(dú)立的相同保護(hù)裝置設(shè)定不同的冗余方式, 防止保護(hù)裝置因自身誤動(dòng)或者拒動(dòng)對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行造成影響 , 保護(hù)裝置本身和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。2高壓直流輸電線路行波保護(hù)作為高壓直流輸電線路的主保護(hù), 行波保護(hù)具有高速動(dòng)作和準(zhǔn)確判斷的特性。本節(jié)分析了直流輸電線路發(fā)生故障后線路的暫態(tài)特性,依據(jù)經(jīng)典的行波保護(hù)原理, 在 pscad/ em tdc 平臺(tái)上

11、具體實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電線路的行波保護(hù)系統(tǒng)仿真模型。211 直流輸電線路故障分析直流輸電線路故障大多是對(duì)地故障, 一般是由于雷擊、 污穢等環(huán)境因素造成的閃絡(luò)。在直流輸電線路發(fā)生故障初始階段, 線路電容通過線路阻抗放電 , 沿線路產(chǎn)生電流行波和電壓行波, 其波動(dòng)方程為5 :52u5x2= lc52u5t2(1)52i5x2= lc52i5t2(2)求解得到u = uft -xv+ ubt +xvi=1zcuft -xv-ubt +xv(3)其中 ,zc=l / c為波阻抗,v= 1/l c為波速 。經(jīng)過初始行波的反射折射過程后, 直流線路故障電流進(jìn)入暫態(tài)階段, 主要分量包括直流分量(強(qiáng)迫分量) 和暫

12、態(tài)振蕩分量(自由分量 ) 。此時(shí) , 在電流調(diào)節(jié)器的控制作用下, 整流側(cè)觸發(fā)角增大, 直到故障電流穩(wěn)定于整定值 5。212 直流輸電線路行波保護(hù)直流線路發(fā)生故障后, 可以利用直流極控系統(tǒng)來快速限制和消除故障電流, 但同時(shí)由于電流調(diào)節(jié)器的作用使得故障電流相比交流線路小的多, 單憑故障電流電壓的大小無法做出正確判斷, 因而可以考慮通過暫態(tài)分量來檢測(cè)故障直流線路故障并采取正確保護(hù)措施。行波保護(hù)正是考慮到線路故障瞬間所產(chǎn)生的暫態(tài)電流電壓行波的幅值和方向不受控制系統(tǒng)控制,能夠準(zhǔn)確反映故障特征而設(shè)計(jì)的。行波保護(hù)具有超高速的動(dòng)作性能, 其保護(hù)性能不受電流互感器飽和 、系統(tǒng)振蕩和長(zhǎng)線分布電容等因素的影響, 同

13、時(shí)不依賴于通信系統(tǒng)。行波保護(hù)動(dòng)作后, 系統(tǒng)將啟動(dòng)整流側(cè)的線路故障恢復(fù)順序控制, 按照預(yù)先設(shè)定的次數(shù)和去游離時(shí)間全壓或降壓?jiǎn)?dòng)故障直流極 5。行波保護(hù)的基本原理是: 當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí) , 線路上出現(xiàn)行波, 直流電壓下降, 整流側(cè)直流電流過沖后在電流控制器的作用下減小, 同時(shí)逆變側(cè)直流電流也減小, 直至穩(wěn)定于整定值 617。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn), 可以通過測(cè)量直流電壓, 得到直流電壓下降率du/ dt, 如果下降率比整定值大, 將故障前電壓電流行波和故障后電壓電流行波的差值與給定值進(jìn)行比較, 如果差值大于給定值, 則發(fā)出行波保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。文獻(xiàn) 4 給出了高壓直流輸電線路行波保護(hù)的整定判據(jù)為du/d

14、t , u , i (4)由 加 拿 大 manitoba直 流 研 究 中 心 開 發(fā) 的pscad/ em tdc 是離線電磁暫態(tài)仿真計(jì)算程序,憑借其精確的元件模型、方便的輸入方式和強(qiáng)大的分析功能能夠很好地分析直流系統(tǒng)中的各類電磁暫態(tài)過程 , 因而成為進(jìn)行直流系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具 8。本文利用這個(gè)程序建立了高壓直流輸63現(xiàn) 代 電 力2006 年電線路行波保護(hù)系統(tǒng)的仿真測(cè)試平臺(tái)。圖 1 所示為利用 pscad/ em tdc 建立的直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)模型,圖2所示為直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)的流程圖 。由測(cè)量元件得到直流線路電壓電流值vd 和id作為保護(hù)系統(tǒng)的輸入信號(hào), 通過濾波器模塊

15、twfilter 得到電壓電流行波信號(hào)vdl和idl ,其中,vdl通過微分器模塊diff計(jì)算 得到 電壓下降率dv/ dt, 通過比較器模塊comp 和整定參考值進(jìn)行比較 , 如果下降率大于整定參考值, 則輸出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)dv/ dt p,同時(shí)計(jì)算故障前后電壓電流行波差值 delvdl和 delidl, 如果差值大于整定參考值, 則發(fā)出保護(hù)觸發(fā)信號(hào)delvdl p和 delidl p。當(dāng)三個(gè)保護(hù)控制信號(hào)同時(shí)發(fā)出時(shí), 直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)twp 。圖1pscad/ em tdc建立的直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)圖2 直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)流程圖采取這樣的保護(hù)策略是為了將直流線路短路故

16、障與系統(tǒng)其他故障區(qū)別開, 保證線路行波保護(hù)系統(tǒng)做出正確判斷, 不發(fā)生誤動(dòng) 。在直流輸電線路的整流側(cè)和逆變側(cè)都設(shè)有行波保護(hù)系統(tǒng), 實(shí)際應(yīng)用中通常將整流側(cè)和逆變側(cè)行波保護(hù)集合在一個(gè)整體中,只要其中一個(gè)行波保護(hù)發(fā)出動(dòng)作信號(hào), 保護(hù)控制系統(tǒng)就會(huì)采取相應(yīng)的措施以確保安全運(yùn)行。3算 例將上節(jié)所建立的直流輸電線路行波保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于貴廣直流輸電仿真模型中進(jìn)行測(cè)試。貴廣直流輸電系統(tǒng)是典型的雙極兩端中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。整流側(cè)高壓直流輸電線路在110s 時(shí)發(fā)生接地故障。圖 3 所示為極 1 整流側(cè)的電流電壓和觸發(fā)角波形 , 從圖中可以看出故障發(fā)生后, 極 1 整流側(cè)電流由于線路電容放電的原因出現(xiàn)過沖,直流電壓下降 ,

17、觸發(fā)角增大, 整流器移相后以逆變狀態(tài)工作。圖3直流線路整流側(cè)電壓、電流和觸發(fā)角波形圖圖 4所示為通過濾波器后得到的直流線路電壓電流暫態(tài)波形 , 從圖中可以看出故障發(fā)生后 , 線路電容放電在線路上產(chǎn)生了行波 , 含有明顯的諧波振蕩分量。圖 5 所示為電壓下降率和故障前后電壓電流行波差值的波形圖, 圖 6 所示為保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)圖 。從圖中可以看出, 故障發(fā)生后, 電壓下降率dv/ dt大于整定參考值, 發(fā)出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)dv/dt p, 故障前后電壓電流行波差值均大于整定參考值 , 因而發(fā)出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)delvdl p和 delldl p,三個(gè)動(dòng)作信號(hào)同時(shí)保持高電位, 直流線路行波保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作 。

18、動(dòng)作信號(hào)發(fā)送到極控系統(tǒng), 由極控發(fā)出閉鎖信號(hào), 整流器移相轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)運(yùn)行, 待線73第 2 期朱 瑜等 : 基于 pscad/ em tdc 的高壓直流輸電線路保護(hù)仿真研究圖4 直流線路電壓電流暫態(tài)行波圖路去游離結(jié)束后, 極控系統(tǒng)發(fā)出再啟動(dòng)信號(hào), 逐漸建立電壓和電流, 系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。圖5電壓下降率 、故障前后電壓電流行波差值波形圖4結(jié) 論通過在南方電網(wǎng)貴廣直流輸電工程仿真模型上進(jìn)行測(cè)試, 證明了本文所建立的直流輸電線路行波保護(hù)系統(tǒng)模型能夠比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出直流輸電線路發(fā)生故障并采取正確的保護(hù)措施, 迅速切除故障,保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文在pscad/ em tdc 平臺(tái)上建立的高壓直流輸電線路保護(hù)系統(tǒng)模型對(duì)于今后更好地研究高壓直流輸電保護(hù)系統(tǒng), 加快直流輸電系統(tǒng)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化 , 保證直流輸電系統(tǒng)及整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的意義。圖6保護(hù)觸發(fā)信號(hào)波形圖參考文獻(xiàn) 1浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組1 直流輸電 m 1 北京:水利電力出版社, 19