特高压电网交流线路全信息量快速保护的研究

发布时间：2020-06-01 10:20

【摘要】：为了满足我国持续快速增长的电力需求,世界上规模最大、运行工况最复杂的特高压交直流混联电网在我国已经形成,这对保证电网安全运行第一道防线的继电保护装备提出了更高要求。快速切除故障,可以增强互联大电网的暂态稳定性,充分发挥特高压线路超大功率的输电能力。直流输电工程逆变侧交流线路故障的快速切除还可以减少或避免连续换相失败的发生。工频量保护可靠性高,但动作速度慢;暂态量保护动作速度快,但可靠性低。针对工频量保护动作速度难以提高和暂态量保护可靠性低的现状,本文从两方面进行深入探索:1)利用特高压电网特有的一次设备构成新的线路边界的可能性,以新的线路边界特性来改善或提高单端超高速边界保护的区内外故障甄别能力;2)全面利用故障信息的可能性,从时间和空间两个维度通过故障信息的充分有效利用,实现速动性和可靠性兼具的保护方案。论文完成的主要工作及成果如下:(1)深入研究了输电线路的故障全信息量及其有效提取方法。在全面掌握输电线路故障全信息量的形成、类型和特点的基础上,将故障全信息量分为暂态量和工频量,指出提取故障全信息量所应满足的基本要求,通过对时频域分析方法小波变换和时域分析方法数学形态学的深入研究,为有效提取暂态故障信息提供了数学工具:a)离散小波变换具有分频特性,可用于获取故障行波较宽的特定频带信息;b)同步挤压小波变换在频域进行压缩,获得了较高的时频分辨率,可用于提取故障行波窄频带的信息;c)形态梯度可用于检测故障的发生,能够准确反映故障初始行波的极性,还可用于标定故障初始行波到达保护安装处的时刻;d)形态滤波保持故障初始行波波形特征不变的同时,能够滤除掉高频噪声。(2)深入分析了特高压电网交流线路的边界特性。特高压电网交流线路独有的线路边界构成形式为:特高压交流线路的边界由母线系统对地杂散电容、并联电抗器和(或)串联补偿电容器构成;特高压直流工程逆变侧交流线路的边界由母线系统对地杂散电容、交流滤波器与无功补偿电容器、直流滤波器与平波电抗器构成。利用彼德逊法则,得到不同构成形式下特高压电网交流线路边界的固有频率特性,即特高压交流线路边界对高频信号和低频信号均有显著的衰减作用,具有类带通特性;逆变侧交流线路边界使高频分量和特征频率分量显著衰减。上述边界特性为构成单端超高速边界保护提供理论基础。(3)提出了适用于特高压电网交流线路的单端超高速边界保护。根据特高压电网交流线路边界的频率特性,提出了利用方向行波的新型边界保护原理,并定量给出了保护原理成立的故障后时间范围。以形态滤波后的线模量前行波与反行波时域能量之比识别故障方向。对于特高压交流线路,以线模量反行波高频能量与低频能量之积判别正向区内外故障,提出了基于离散小波变换的边界保护算法。对于逆变侧交流线路,利用线模量反行波高频能量与特征频率能量之积识别正向区内外故障,将时频分辨率更好的同步挤压小波变换应用于边界元件的算法中。为了提高内部故障的正确判别率,提出了自适应故障类型的整定方法。仿真结果表明该边界保护动作时间小于2 ms,能够正确判别出绝大多数的正向区内外故障,受故障位置、过渡电阻和故障初始角等因素的影响小,可作为单端超高速保护元件。(4)提出了速动性和可靠性兼具的特高压电网交流线路全信息量快速保护。通过故障全过程中故障信息的分时利用,在3个层次上进行了故障信息融合,在故障后25 ms内构筑起四道保护防线,分别提出了适用于特高压交流线路和逆变侧交流线路的全信息量快速保护方案。该保护方案包括暂态启动元件、单端超高速边界保护元件、双端高速纵联保护元件(极性元件、距离元件和方向元件)和故障选相元件,以及与工频量保护的相互配合。由方向元件、故障选相元件和边界元件构成的单端暂态量保护功能对于绝大多数区内故障可超高速动作(小于2 ms)。由极性元件、距离元件和方向元件构成的双端暂态量保护功能充分利用了故障极性、距离和方向信息,可在全线范围内高速动作(小于5 ms),同时采用三取二逻辑提高了可靠性。小波变换、数学形态学在各保护元件的算法设计中得到了有效应用。优选工频量保护原理与暂态量保护功能相配合,取长补短,实现了快速性和可靠性的平衡,从整体上提升了线路保护的性能。仿真结果表明了该保护方案的可行性。
【图文】：

状态图,分析故障,叠加原理,状态

（Ｃ）故障附加状态逡逑图２－１利用叠加原理分析故障状态逡逑在图２－ｌ（ｃ）所示的故障附加网络中，故障瞬间相当于在故障点ｆ施加了一个逡逑与该点正常状态下大小相等、方向相反的电压源。在此电压源的作用下，产生由逡逑故障点向分布参数线路两端传播的故障暂态初始行波。逡逑假设输电线路为一无限长的均匀无损单相导线，如图２－２所示，图中Ｃｏ、逡逑分别为单位长度线路的电容、电感，整条线路可看成是由无数很小的长度单元逡逑ｄｘ构成，为故障时刻。故障发生，即相当于在／0时刻施加了一个电压源的。令逡逑／0＝０，则邋Ｗ0邋为逡逑ｕ０＝－Ｕｆｍｓ＼ｎ｛0）ｔＱ＋（ｐ０）＾邋－Ｕ＾邋ｓｉｎ邋ｃｐＱ逦（２－１）逡逑式中，ｆ／ｆｎｉ为系统正常运行时故障点处电压的幅值，办为故障初始角。逡逑逦？逡逑广逦Ｌ0ｃｋ邋Ｌ0ｃｋ邋Ｌ０ｄｘ逡逑ｒ＞ｎｎｒ＼邋ｒ＾ｎｎｒ＼逦逦逡逑ｕ0逦Ｃ0ｄｘ邋＝｜＝邋Ｃ0ｄｘ邋＝ｐ邋Ｃ0ｃｋ逡逑图２－２均匀无损单相导线的等效电路逡逑电压源向线路电容充电，在导线周围建立起电场，形成电压。靠近电源逡逑的电容立即充电

等效电路图,导线,等效电路,电压源

？－0＜逡逑（Ｃ）故障附加状态逡逑图２－１利用叠加原理分析故障状态逡逑在图２－ｌ（ｃ）所示的故障附加网络中，故障瞬间相当于在故障点ｆ施加了一个逡逑与该点正常状态下大小相等、方向相反的电压源。在此电压源的作用下，，产生由逡逑故障点向分布参数线路两端传播的故障暂态初始行波。逡逑假设输电线路为一无限长的均匀无损单相导线，如图２－２所示，图中Ｃｏ、逡逑分别为单位长度线路的电容、电感，整条线路可看成是由无数很小的长度单元逡逑ｄｘ构成，为故障时刻。故障发生，即相当于在／0时刻施加了一个电压源的。令逡逑／0＝０，则邋Ｗ0邋为逡逑ｕ０＝－Ｕｆｍｓ＼ｎ｛0）ｔＱ＋（ｐ０）＾邋－Ｕ＾邋ｓｉｎ邋ｃｐＱ逦（２－１）逡逑式中，ｆ／ｆｎｉ为系统正常运行时故障点处电压的幅值，办为故障初始角。逡逑逦？逡逑广逦Ｌ0ｃｋ邋Ｌ0ｃｋ邋Ｌ０ｄｘ逡逑ｒ＞ｎｎｒ＼邋ｒ＾ｎｎｒ＼逦逦逡逑ｕ0逦Ｃ0ｄｘ邋＝｜＝邋Ｃ0ｄｘ邋＝ｐ邋Ｃ0ｃｋ逡逑图２－２均匀无损单相导线的等效电路逡逑电压源向线路电容充电
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1

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