含并联补偿元件的线路距离保护测量阻抗算法及校核研究

发布时间：2016-05-13 08:43

第 1 章  绪  论

1.1  研究背景及意义
近 30 年来国内外频繁发生的大停电事故使社会和人们的生活遭受了非常严重的影响，并且带来了非常大的经济损失。因此，许多国家与组织都提出建设安全、经济、灵活、清洁、友好的智能电网，将智能电网作为未来电网的发展方向。未来几十年，对我国来说，是全面建设小康社会，向工业化、城镇化、信息化、产业化和现代化深入推进的重要时期，也是迈向资源节约型社会和环境友好型社会并加强节能减排与环境保护，体现国家责任的关键时期。而作为重要能源的基础产业，电力工业对于实现上述目标具有重要意义。故我国的国家电网公司在深入分析中国国情和探索电网发展趋势的基础上，与中国能源供应的新形势和用电服务的新需求相结合，提出了建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化等特征的坚强的智能电网。而构建智能输电网是其中的关键环节，其关键技术之一就是柔性交流输电技术（FACTS）。FACTS 装置对电压、阻抗和功角等电气量进行快速、频繁、连续的控制，突破传统控制方法的局限性，从而使电网更加灵活与可控。而且由于我国能源供应与消费呈现逆向分布特征，需要采用先进的输电技术进行远距离、大容量、低损耗和高效率的电能输送，而FACTS 技术可以在现有设备不做重大改动的条件下充分发挥电网的输电潜力[1]，这也就决定了 FACTS 技术将在电力系统中得到广泛应用。 由于  GTO、IGBT  等器件的出现，以及相控、脉宽调制（PWM）等技术的成熟，电力电子逆变技术得到了快速发展。在此基础上发展的并联补偿元件，如静止同步补偿器（STATCOM），基于瞬时无功功率的原理，采用全控型开关器件（如 GTO 和  IGBT）组成自换相逆变器，并利用小容量的储能元件（如电容器）来构成无功补偿装置。它通过对电力系统进行无功补偿来维持节点电压，从而改善系统的电压稳定性及稳态性能和暂态性能。与静止无功补偿器（SVC）相比，其调节速度快、连续调节范围宽、谐波电流小、损耗低，而且所用电抗器和电容器容量及安装面积均大大降低。因此，STATCOM 近年来得到的应用越来越多。 
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1.2 研究现状
国际大电网会议（CIGRE）最早提出了 FACTS 元件对继电保护产生影响的研究课题[3]。FACTS 元件对于继电保护影响的研究主要有以下几方面[4][5]：(1) FACTS 元件的安装地点和补偿模式对保护的影响；(2) FACTS 元件在进行调节时引起系统参数的变化对保护的影响；(3) FACTS 元件自身产生的暂态分量对保护的影响；(4)FACTS 的控制策略的不同对保护的影响。 FACTS 元件装设在不同位置会对继电保护产生的相异的影响[6]，如串联补偿设备装设在线路两侧时，可能会引起电压与电流的反向，儿当装设在线路中间则不会出现这种状况。除此之外，容性补偿模式下的 FACTS 与感性补偿模式下对保护也会产生相异的影响。例如当 SSSC 处于容性补偿时，随着注入无功的增大，测量阻抗的电阻和电抗值都在减小，可能会导致保护误动；处于感性补偿时，随着注入无功的增大，测量阻抗的电阻和电抗值都在增大，可能会导致保护拒动。 为了解决以上问题带来的影响，研究人员提出了 SSSC 串补线路中小波包熵法[7]，基于无通道暂态量保护原理的方法[8]，通过检测故障噪声在频域内的特性来区分保护区、内外故障等。有的解决问题的思路是对原有保护进行升级改造[9]，但是无法克服其固有的缺陷，同时其可靠性与灵敏性也较差。 FACTS 元件在不同的工作状态下会进行相应的参数调节，而这些调节引起系统参数变化会对保护造成影响。因此研究人员针对 FACTS 元件对保护的影响进行了详细地分析和仿真[10-11]。以 UPFC 对距离保护的影响为例，UPFC 的串联侧注入电压和并联侧的无功电流会对测量阻抗产生一个增量，如果测量阻抗大于线路传输阻抗则保护会拒动。为解决上述问题，给出了两种具体的策略[12]：一种是自适应调整整定阻抗[13]，，根据保护整定值的自适应调整来消除距离保护的欠范围拒动与超越误动；一种是修正测量阻抗，通过消除测量阻抗中的产生的增量来使保护能够正确动作。 
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第 2 章  STATCOM 工作原理及模型

静止同步补偿器（STATCOM）是一种基于电压源换流器（VSC）的动态无功补偿设备，是第二代 FACTS 设备的代表。STATCOM 以电压源换流器为核心，直流侧采用电容器作为储能元件，VSC 将直流电压转换成与电网同频率的交流电压，通过连接电抗器或耦合变压器并联接入系统。 

2.1 STATCOM 工作原理

如图 2-1 所示为 STATCOM 的原理示意图，直流侧的电容为 STATCOM 提供直流电压支撑，GTO 逆变器由多个逆变器组成，其主要功能是将直流电压转为交流电压，并利用驱动脉冲来控制其输出电压的大小、相位和频率。连接变压器的作用是使输出电压等级与系统电压一致，从而使 STATCOM 装置可以并联到电力系统中，其漏抗可以起到限流的作用，以防发生故障时产生过大的电流。 通过控制 VSC 的输出电压即可控制 STATCOM 与电网之间的无功交换。若U1>Ug，  STATCOM 向系统发出无功；若 UsUg，则其相量图如图 2-2 所示。 

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2.2 STATCOM 的数学模型
如果按照装置的拓扑结构的变化建立装置的微分方程，然后分别求解，建立的数学模型是非常复杂的，特别是随着开关器件数量的增多，其复杂程度会急剧增大，故按照拓扑结构来分析非常困难。而在实际研究中，我们更关心装置的主要特性，如输入输出特性等，因此要建立能反映装置主要特性的数学模型，而并不需要关心装置中具体某个开关器件某时刻的电流，只需要保证该电流不超过允许电流，不会导致元件工作异常或故障即可。故下面利用输入输出特性来建立STATCOM 的数学模型。 STATCOM 的控制系统是 STATCOM 的核心之一，其通过产生并控制开关元件的脉冲来控制装置的运行。对 STATCOM 的控制系统有如下要求：（1）控制速度快；（2）高精度的控制脉冲；（3）多功能多目标控制。 根据不同的要求，STATCOM 的控制方法不同。目前 STATCOM 的控制方法可分为电流直接控制和间接控制。所谓直接控制，即对 STATCOM 的输出电流波形瞬时值进行反馈控制；而间接控制，即通过控制 STATCOM 中产生的交流电压基波的幅值和相位，来达到控制交流侧电流的目的。STATCOM 装置有两种常用的控制方法，一种是基于比例积分（PI）的无功功率控制方法，另一种为基于比例（P）的控制系统电压的方法。本文所用的 STATCOM 模型是基于 PI 的无功功率控制方法。 
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第 3 章  含 STATCOM 的线路选相新方法 .......... 11
3.1  相电流差突变量选相的问题 .......... 11 
3.2 STATCOM 补偿度分析 .......... 16 
3.3  含 STATCOM 线路故障特征分析及选相方案设计 ..... 17 
3.3.1  故障特征分析 ....... 17 
3.3.2  选相方案设计 ....... 19 
3.4  仿真验证 .......... 20 
3.5  本章小结 .......... 23 
第 4 章  STATCOM 线路距离保护测量阻抗改进算法 ........ 24 
4.1 STATCOM 对传统距离保护的影响分析 ....... 24
4.2  基于对称分量法的测量阻抗改进算法 .......... 27 
4.3  改进的距离保护方案 ...... 31 
4.4  仿真验证 .......... 32 
4.5  本章小结 .......... 37 
第 5 章  含 STATCOM 的线路在线校核顺序研究 ....... 38 
5.1  基于网络凝聚度的线路重要度评估 ...... 38 
5.1.1  无标度网络和小世界效应 ........... 38 
5.1.2  网络凝聚度 ........... 38 
5.2  基于线路介数的线路重要度评估 .......... 41
5.3  含 STATCOM 的线路综合重要度评估 ......... 43 
5.4  仿真验证 .......... 44 
5.5  本章小结 .......... 48 

第 5 章  含 STATCOM 的线路在线校核顺序研究
随着电力系统的日益发展，人们对于电网的可靠性提出了越来越高的要求。继电保护装置是电力系统中极为重要的二次设备，是系统安全运行的保障。而近年来发生的多次大规模停电事故[40-42]均与继电保护有非常大的关联。而保护定值的合理性又是其中的重中之重。而在系统中静止同步补偿器（STATCOM）的广泛应用[43-44]，也会使保护发生误动或拒动。 为了保证定值的合理性，研究人员提出了在线校核，即获取电力系统实时数据，对当前系统中各种继电保护的性能进行在线校验。而在线校核的关键是快速性，目前针对在线校核的快速性方面研究主要分为两种：一种是研究提高在线校核的计算速度，在尽可能短的时间内完成在线校核的过程；另一种是对所有的保护进行排序，对于重要的保护优先进行校核。 随着电网的规模和复杂程度日益增大，一味追求保证所有的保护定值合理，会花费大量时间和消耗大量的计算资源，不但与保护的四性要求相悖，而且也与经济性要求不符。所以对于电网各个保护的校核顺序要予以区分。相比于普通线路，含 STATCOM 线路，受其注入的补偿电流影响，在发生故障时，其周围的线路保护更容易发生拒动或误动[45]，因此对于这种情况还要考虑并补元件的影响因素，从而对于关键和重要线路的保护优先进行校核，利用有限的资源最大限度地保障系统的稳定运行。
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结论

STATCOM 是 FACTS 元件中的重要元件之一，能够改善电力系统的暂态稳定性和输电系统中功率振荡的阻尼，实现输电系统中的动态电压和电压闪变的控制，在国内外的应用也越来越广泛。但是其补偿过程不可避免地对电力系统继电保护产生了较大的影响，因此展开 STATCOM 对继电保护的影响研究具有现实意义。本文在分析了 STATCOM 补偿电流产生影响的基础上，提出了适用于并补线路的选相新方法和距离保护测量阻抗的改进算法，并进行了含 STATCOM 的电网线路保护的在线校核顺序研究。对上述研究进行总结，得出了以下结论： 
（1）对并补线路上的相电流差突变量进行的分析表明，相电流差突变量的故障特征在并补线路上发生了变化，导致了选相结果不正确。引入 STATCOM 补偿电流与保护安装处电流之比来体现补偿度的变化，依据发生故障时故障相与非故障相的补偿度突变量之间时差特征的不同，实现了并补线路上的故障选相。该方法构成简单，在故障开始一个周期内即可准确判定故障类型，有效地解决了由于 STATCOM 的影响而带来的选相不正确问题。 
（2）理论分析了 STATCOM 的补偿电流使距离保护产生欠范围拒动和超越误动问题，综合考虑 STATCOM 补偿电流和两侧保护的电压电流，提出了一种距离保护测量阻抗改进算法。该方法以不同故障类型时的电压边界条件为约束，计算出测量阻抗，不仅有效地消除了由 STATCOM 补偿电流带来的附加阻抗以及补偿电流对过渡电阻的放大现象，而且计算过程中避免了大量的复数计算，适合应用于微机保护。 
（3）由于 STATCOM 的加入，当线路发生故障时，保护更容易发生误动或拒动。为解决因电网加入 STATCOM 后对保护的影响而产生的在线校核顺序问题，提出一种含有 STATCOM 的线路保护重要性评估方法。该方法以线路整体为研究对象，从电网节点拓扑结构、功率传输影响以及并补影响等各方面对线路重要程度进行综合评价，并据此对保护进行在线校核，与其它方法的对比分析证明了本方法的合理性和有效性，避免了无序随机校核带来的对时间和资源的浪费，提高了含 STATCOM 电网的在线校核的效率。
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参考文献(略)

本文编号：44514