高压直流输电线路暂态保护分析与展望.pdf

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第43卷第2期2015年1月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.43NO.2Jan.16.2015高压直流输电线路暂态保护分析与展望于洋,孙学锋,高鹏,刘兴华,陈勇强,刘琳(淄博供电公司,山东淄博255000)摘要:现时高压直流输电线路保护广泛采用ABB或西门子保护方案和配置。通过对ABB和西f1子行波保护动作特性仿真结果分析及运行经验表明,二者保护方案无法可靠、灵敏地切除高阻接地故障,且易受噪声等外界信号干扰。同时,对国内外直流线路暂态保护的新思想进行分析总结,提出了提高高压直流输电线路暂态保护抗过渡电阻能力及区内、区外故障暂态分析所必须解决的几个关键性问题,为日后高品质直流线路保护判据的提出提供研究方向。关键词:高压直流输电线路;行波保护;高阻接地故障;暂态保护;线路边界AnalysisandprospectontransientprotectionforHVDCtransmissionlinesYUYang,SUNXuefeng,GAOPeng,LIUXinghua,CHENYongqiang,LIULin(ZiboPowerSupplyCompany,Zibo255000,China)Abstract:Nowadays,mostHVDCtransmissionlinesusetheprotectionsdevelopedbyABBorSiemensCompany.Thetwotravelingwaveprotectionsaresimulatedandtheirmeritsanddrawbacksaresummarized,whichshowthattheseprotectionschemescannotreliablyandsensitivelycutoutthehighimpedancegroundfaultandbevulnerabletoexternalnoisesinterference.AtthesametimesomenewideasaboutthetransientprotectionoftheDClineareintroduced;atlastseveralkeyissuesthatcouldadvancethereliabilityandsensitivityofthetransientprotectionforHVDCtransmissionlineareproposed,whichwillprovideatheoreticalbasis—forraisinghighqualityDClineprotectioncriteria.Keywords:HVDCtransmissionlines;travelingwaveprotection;highimpedancegroundfault;transientprotection;lineboundary中图分类号:TM773文献标识码:A——文章编号:16743415(2015)02.0148070引言随着电网规模的不断发展,超/特高压远距离直流输电系统越来越广泛地应用于电力系统中。自1954年瑞典格特兰岛直流输电工程投运以来,世界各地共建成投运上百个直流工程,我国从20世纪80年代至今,建成投运了10个直流输电工程J。世界第一个800kV特高压直流输电工程云广线也单极投产运行,输送容量260万kW。高压直流输电系统通常承担大系统互联的任务,具有运行电压等级高,输送容量大,输送距离远等特点,一旦发生双极闭锁停运事故,将威胁整个大电网的安全稳定性L2J。因此,高压直流输电系统的保护就成为保障交直流互联大电网安全稳定运行的第一道防线。目前国内的所有直流输电控制与保护系统均采用ABB和西门子的装备和技术。高压直流线路保护通常采用行波保护作为主保护,微分欠压保护作为行波保护的后备保护,纵联电流差动保护作为直流线路发生高阻短路时的后备保护及前二者的后备保护。大量运行经验与研究表明,上述高压直流输电保护的原理、方案以及配置有较大缺陷,多起直流输电系统的闭锁停运事故是由于保护的误动和拒动引起的。例如,天广直流(广西天生桥至广州北)自2001年投运至2006年,共发生5次双极闭锁事故,其中两次是因为直流线路保护误动引起l4J;2007年天广直流双极闭锁事故则是由于高压直流线路高阻短路时,纵联差动保护延时过长导致触发角过大保护闭锁直流系统pJ。由此可见研究高速、可靠、高灵敏度的行波保护新原理和方案是高压直流输电系统亟待解决的问题。1国内外应用现状目前,高压直流输电线路保护广泛采用ABB和Siemens的保护和控制装备,其中直流线路保护的配置为[7】.行波保护(TraVelingwaveProtection) ̄于洋,等高压直流输电线路暂态保护分析与展望.149.直流线路主保护,微分欠压保护(UnderVoltageSensingandUnderVoltageProtection)作为直流线路行波保护的后备,电流纵差动保护作为上述二者的后备保护(DCLineLongitudinalDifferentialProtection),电流横差动保护(DCLineTransversalDifferentialProtection)用来保护单极运行时金属回线的接地故障。下面分别介绍ABB和Siemens公司的行波保护的原理与特点。1.1SIEMENS保护的配置及判据分析SIEMENS的直流线路保护配置采用3取2的原则,即配备3套功能相同的保护系统,当多于2套保护系统同时动作时,保护出口启动直流线路故障重启动功能。如果运行时有一套保护故障退出,则由剩余的2套保护系统构成2取1方式。直流线路端电压L和电流的测量分别由阻容式直流分压器和混合式光学电流互感器来实现,从而保证了采样的稳定性和快速性L8J。每套保护系统均配置以下几类直流线路保护:行波保护也可称为波前保护(WaveFrontProtection,WFPDL)、微分欠压保护(27du/dt)、直流线路纵差保护(87DCLL),如图1所示。图1SIEMENS的直流线路保护配置Fig.1SchemeofSIEMENSDC-lineprotection1.1.1Siemens行波保护判据Siemens行波保护判据如式(1)所示[¨。△詈>上升沿展宽6msAu>Ase1_>△di,整流侧()di△>。。逆变侧该保护判据的动作顺序:同时检测整流侧(假设保护安装在整流侧出KI处)直流电压变化率du/dt和电压变化量A,二者同时满足动作要求时才能启动检测电流变化率di/dt;当整流侧和逆变侧电流变化率也大于各自的定值时,则判断直流线路区内故障。△其中,是各个条件的设定值;和i分别为直流线路端电压和电流。具体仿真计算过程中,电压、电流变化率均以差分代替微分,本文建立的直流输电系统中的采样频率为10kHz,所以取电压、电流变化率的差分间隔为0.1ms,电压变化量的差分间隔为5个采样点的时间间隔,即0.5ms。通过判据(1)不难发现,/就是利用电压的波头变化率(波前宽度)来判断区内故障的发生,同时,电压的变化率放大了高频扰动量,因此利用电压突变量Au来保证行波保护的可靠性;两侧电流变化率则用来保证故障发生在线路上,因为线路故障时,由于控制系统起作用,使得整流侧电流增大而逆变侧电流减少。1.1.2仿真实例本文以国内某+500kV、输送容量为1200MW、长度为1046km的双极高压直流输电系统模型为仿真平台,如图2所示。模型中以正极直流输电线路为被研究线路,F1和F2为正极线路区内故障,F4为负极线路接地故障(区外故障),F3为正极线路区外故障。1Rc—cA图2典型双极直流输电系统Fig.2TypicalbipolarDCtransmissionsystem图3为2.5S时刻在区内距整流侧500km的F1处发生过渡电阻为50Q的接地故障时,行波保护的动作特性。’0毒口2.s2奶‘2幽o2.幽’。2两8口2 ̄6zo25o即神:5i2:S02 ̄五__葡2256…2. ̄702 ̄68o图3区内F1点故障时波前保护动作情况Fig.3ResultofWFPDLasinternalfaulthappenedatF1一一l52.电力系统保护与控制因为VDCOL控制起作用时,也会导致某侧电流与65ms前电流的差值大于门槛值,造成电流纵差动保护的实际延时达到1.1S以上。这就导致其他的后备保护,如触发角过大保护提前动作闭锁直流输电系统而导致整个系统停运[。2直流线路行波保护研究现状目前的高压直流输电线路的行波保护以及其后备保护的原理和配置还有许多漏洞,需要进一步研究新的保护原理和算法。事实上,交流输电线路的行波保护自20世纪70年代就已经出现,包括行波方向判别式、行波距离、行波极性判别式等保护原理[14-15]。进入9O年代以来,随着小波分析、多分辨分析与波形奇异性检测等技术的不断成熟和发展,研究者们又赋予了行波保护新的内涵,即不再仅局限于行波波头的信息,而是对在一个时间段内的整个暂态行波波形的时频信息进行综合分析,得到区内外故障的特征差异,进而构造新的暂态保护或边界保护刚。近年来,在交流输电线路的行波保护、暂态保护以及边界保护的启发下,众多保护研究者将交流“”输电线路的行波保护原理移植到高压直流输电线路的保护中,取得了一系列的成果。PSCAD的仿真结果表明,这些成果均在不同程度上改善了直流输电线路行波保护的动作安全性和可靠性l】7-241。—文献[17181根据线路内部故障时故障暂态高频分量较为丰富而外部故障时高频分量较少的特征,利用小波多分辨分析,提出了高压直流线路暂态边—界保护判据,并对雷电冲击进行了识别。文献[1921】在同样利用小波分析,结合交流线路行波距离保护思想提出了直流线路的行波距离保护原理和判据。文献『22】则结合了边界保护和行波距离保护,提出了直流线路的行波/边界混合保护原理和方案。文献—『23241贝0利用区内故障行波极性相同,而区外故障行波极性相反的特征,利用小波变换工具,提出了直流线路的行波极性比较式的保护判据。3问题总结上述保护新思想虽然在一定程度上改善了直流线路保护的动作特性,但是要想提出可靠的高品质直流输电线路的保护,必须解决下面几个方面的基础理论问题。f1)边界保护类型实际上是利用直流输电线路边界对高频暂态分量的影响特征:区外故障时,初始暂态行波透过线路边界,而区内故障时不需透过线路边界,从而使得区内外故障在高频分量特征上具有较大差异。那么具有非线性电力电子开关器件的线路边界的透射系数的模型,当故障发生在整流或逆变的交流侧行波透过非线性的线路边界后的特征就成为必须解决的问题。(2)行波距离保护类型是利用检测初始行波和在本端线路边界发射后再从故障点反射的行波之问的时间差构成保护原理,那么对于具有非线性边界的直流线路边界的反射系数的模型和行波在边界反射后的特征的研究就对行波距离保护的可靠性和安全性至关重要。(31目前所有的行波保护的新原理都是基于故障后的叠加原理,即认为故障后的故障附加网络是在故障点叠加一个与故障前电压大小相等方向相反的电压源,在这个附加电源的作用下,行波向线路两端传播,例如行波极性判别式原理。但叠加原理仅适用于线性网络,对于非线性的直流输电系统,这一原理是否有效就值得深入研究,探索新的适合直流系统故障暂态过程分析的方法是解决高压直流输电线路暂态保护的基础问题之一。(4)对于暂态行波保护来说,高过渡电阻短路是一道很难逾越的鸿沟,因为当过渡电阻较大时,行波波头中含有的高频分量大量减少,从而导致波头…不明显,给暂态行波检测带来困难。因此必须有套能够反映包括暂态量和稳态量在内的克服较大过渡电阻的保护作为高过渡电阻故障的主保护,由于故障后低电压限流等控制系统的作用,电流纵差动保护不能满足速动性要求。研究反映全部电气量信息具有灵敏度高,抗过渡电阻能力强,故障特征持续,不受控制系统作用的影响,不受线路边界特征的影响等,这些新型直流输电线路的暂态保护原理、判据、算法和方案是继电保护研究者的重要内容。参考文献[1]刘振业,舒印彪,张文亮,等.直流输电系统电压等级序列的研究[J】.中国电机工程学报,2008,28(10):1-8.LIUZhenya,SHUYinbiao,ZHANGWenliang,eta1.StudyonvoltageclassseriesforHVDCtransmission—system[J].ProceedingsoftheCSEE,2008,28(1O):18.[2]吴宝英,陈允鹏,陈旭,等.±800kV云广直流输电工程对南方电网安全稳定的影响[J].电网技术,2006,30(22):5-12.WUBaoying,CHENYunpeng,CHENXu,eta1.Study—onimpactsof 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周大爷
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