（电力系统及其自动化专业论文）同杆双回线自适应重合闸的研究.pdf

a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y , d o u b l e - c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e so nt h e s a m et o w e ra r eb e i n gm o r ew i d e l yu s e di nc h i n a se h vt r a n s m i s s i o ns y s t e m a st h e a u t o r e c l o s e ri n s t a l l e do nt h ed o u b l e c i r c u i tl i n e so p e r a t e si nt h ec o n v e n t i o n a ls c h e m e ， t h ep o s s i b i l i t yt h a tt h e t r i p p e dp h a s e sm a y b er e c l o s e dt op e r m a n e n tf a u l t sd o e se x i s t s ， w h i c hm a yc a u s et h ed o u b l e c i r c u i tl i n e sb o t h b e t r i p p e dw h e nr e c l o s e d t o p e r m a n e n tc r o s s l i n ef a u l t s ，w h i c hi saq u i t es e v e r et h r e a tt ot h es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m t oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g e sm e n t i o n e da b o v e ，an e wt e c h n i q u ec a l l e d “a d a p t i v e a u t o - r e c l o s u r e ”i sp r o p o s e db yc h i n e s es c h o l a r s ，w h i c hf i r s tm a k e sad i s t i n c t i o no ft h e f a u l tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h e nw o u l dr e c l o s et h et r i p p e dp h a s eo nc o n d i t i o nt h a tt h e f a u l ti st r a n s i e n t i ti sn od o u b tt h a tt h ec o n t r i b u t i o nt oi m p r o v et h ep o w e rs y s t e m r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yw i l lb es i g n i f i c a n ti ft h ea d a p t i v et e c h n i q u ec o u l db ea p p l i e dt o t h ea u t o r e c l s o e r so fd o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e s w h e nd o u b l e c i r c u i tl i n e sa r ep a r a l l e lc o n n e c t e da tb o t he n d s ，i ti sp o s s i b l e t h a tm o r et h a nt w oh e a l t h yd i f f e r e n tp h a s e sm a ye x i s ta f t e ram u l t i p h a s ef a u l t i nt h i s p a p e r , a no p t i m a lt r i ps c h e m ef o rd o u b l e c i r c u i tl i n e si sp r o p o s e d ，c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a lt r i ps c h e m e ，t h ep r o p o s e ds c h e m eh a sa d v a n t a g e so nt r y i n gt om a i n t a i n t h es y s t e mt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y , r e s t r a i n i n gt h eu n b a l a n c e dc o m p o n e n t si n j e c t e d i n t os y s t e m i ti sa v a i l a b l et oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y , a n dc r e a t e sb e a e ro p e r a t i o n c o n d i t i o n sf o ra u t o d e v i c e sl i k e a u t o - r e c l o s e r d y n a m i cs i m u l a t i o na n db p a s i m u l a t i o nh a v ep r o v e dt h ec o n c l u s i o n s t h ep r e c o n d i t i o nt h a td o u b l e - c i r c u i tl i n e sc a nb er e c l o s e di st h a t ：a f t e rt h ef a u l t h a sb e e nt r i p p e d ，t h e r ea r ea tl e a s tt w od i f f e r e n t h e a l t h yp h a s e ss t i l lr u n n i n g c o n s e q u e n t l y , t h e r e i s p r o b a b l yg o i n gt o b eam u l t i - p h a s er e c l o s u r ea f t e ra m u l t i p h a s ef a u l t i nt h i sp a p e r , i ti sp r o v e dt h a tt h ee l e c t r i c a lq u a n t i t ya tt h ef a u l t p o i n tr e f l e c t st h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cm o r ec l e a r l y , a n di sl e s sa f f e c t e db yt h el o a d c o n d i t i o n b a s e do nt h i sc o n c l u s i o n , a na d a p t i v ea u t o r e c l o s u r ec r i t e r i o na n dr e c l o s i n g s t r a t e g yf o rd o u b l e - c i r c u i tl i n e sa r ep r o p o s e d ，w h i c hc a l la d a p t i v e l yd i s t i n g u i s ht h e f a u l tc h a r a c t e r i s t i cu n d e rm o s tf a u l tt y p e s ，a n dd e c l i n i n gp e r i o d i cc o m p o n e n th a sl e s s a f f e c to nt h ev a l i d i t y f o rt r a n s m i s s i o nl i n e so fl o n gd i s t a n c eo rl a r g ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e ，u s i n g l u m pp a r a m e t e rm o d e l sf o rc a l c u l a t i o nc a l lr e s u l ti ng r e a te r r o r t h u sam o r ep r e c i s e m e t h o df o rt h ec a l c u l a t i o no fv o l t a g e sa tf a u l tp o i n ta n dp o w e rf r e q u e n c yv o l t a g e so f t r a n s i e n tf a u l t e dp h a s e si sp r o p o s e db a s e do i lt h eu n i f o r mt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ， w h i c hi sn o ta f f e c t e db yt h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e re f f e c t sa n dh e l p st oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h ec r i t e r i o n k e yw o r d s ：d o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e s ；a d a p t i v ea u t o r e c l o s u r e ； o p t i m a lt r i ps c h e m e ；s i xs e q u e n c ec o m p o n e n t ；d e c l i n i n gp e r i o d i cc o m p o n e n t ； u n i f o r i l lt r a n s m i s s i o nl i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 号为 签字日期：上p ，矿 年，月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 季芫j 签字日期：2 o 扩年夕月彭日 翩虢叠狮 签字日期：沙豸埠月么日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于电力需求的不断增长和输电走廊的限制，我国在超高压电网中愈来愈多 的采用了同塔多回线输电技术。相关研究表明【2 1 1 ，与单回线输电相比，同塔多回 线输电技术可以在提高单位面积输送容量，满足电力输送需求的同时，减少了综 合造价和线路走廊需求，具有明显的经济效益和社会效益。 超高压架空线路上的短路故障大多属于“瞬时性故障，在故障线路被保护 装置迅速断开以后，故障点很快熄弧，故障消失。待故障点的绝缘恢复以后，如 果将断开线路的断路器重新合上，就能恢复正常供电。基于这一点，电力系统广 泛采用了自动重合闸技术。统计资料表明，自动重合闸的成功率一般在6 0 9 0 左右。采用该项技术之后，瞬时性故障时供电的连续性、系统运行的稳定性， 电力系统并列运行的稳定性都有了显著的提高，由于断路器或继电保护误动作引 起的误跳闸得到了及时纠正并且同步操作明显的减少，断路器的使用寿命也被大 幅度的延长。另一方面，重合于永久故障给时电力系统和电力设备带来的危害也 是巨大的：系统在较短的时间内连续两次受到短路冲击，可能会因此而失去稳定； 断路器由于要连续两次切断短路电流，工作条件可能会因此而恶化。 为了避免由于重合于永久性故障所带来的危害，国内学者提出了自适应重合 闸的概念，即对瞬时性故障或永久性故障进行预先判断，以确定重合闸是否应 该动作。单回线的自动重合闸方式按照合闸相，可以分为单相重合闸、三相重合 闸和综合重合闸。单相重合闸对于单相故障，单相跳开单相重合，对于多相故障 三相跳开不重合：三相重合闸对于任何故障类型都进行三相跳开三相重合；综合 重合闸根据故障类型，单相故障采用单相重合，多相故障采用三相重合。对多回 线，除了对每回线采用单回线的重合方式，还可以采用多相重合闸，即对多相故 障，跳开故障相，重合故障相。我国在5 0 0 k v 等级的单回线上主要采用单相自动 重合闸技术。 在5 0 0 k v 的输电系统中，同杆双回线一般是作为发电厂向系统送电的主要 通道，或者是向大城市负荷中心送电的重要联络线，负担着传输大容量功率的任 务。由于线间距较近，除单回线的故障外，同杆双回线还可能发生两回线之间的 跨线故障；同时，当双回线路中的一相或者几相因故障切除后，两回线中仍有可 第一章绪论 能保证至少有两异名相继续运行。在这些情况下，如果能够对瞬时故障相进行成 功地识别并重合，那么对于保留系统的传输能力，提高系统的稳定性和供电可靠 性都是十分有利的。另一方面，由于同杆双回线在系统中的重要性，重合于永久 型故障对系统稳定性的危害将比单回线更为严重。这就对同杆双回线的自动重合 闸提出了更高的要求，一方面，要能够在多种类型的故障切除后对瞬时性故障相 和永久性故障相进行可靠的区分；这另一方面需要确保重合逻辑的严密性，避免 由于重合逻辑的漏洞导致重合机会的丢失或者由于重合错误而导致两回线全部 跳开。 1 2 同杆双回输电线自适应重合闸的研究现状 自适应重合闸属于自适应继电保护的范畴。根据定义n 1 ，自适应继电保护是 能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的 保护。其基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保 护的性能。自适应自动重合闸正是这一思想的具体体现。 随着微机保护在电力系统中的广泛应用，凭借其强大的数据运算和存储能 力，一些复杂的数学算法通过编程便可以实现，而高速光纤通信网络的普及则确 保了自适应原理所需要的数据能够实时可靠的获得。保护装置硬件上的突破为自 适应重合闸理论的发展开辟了广阔的空间。 经过十几年的发展，自适应重合闸技术取得了大量的成果u 副，根据所采用的 故障特征类型可以分为以下几类： i ) 基于工频耦合电压的单相自适应重合闸判据 由于线路的健全相和跳开相之间存在电容耦合作用和电磁耦合作用，在瞬时 性故障时，跳开相上的电压为电容耦合电压和电磁耦合电压的叠加；而永久性故 障时，由于跳开相的接地过渡电阻远小于线路的相间容抗，电容耦合电压为零， 跳开相上只存在电磁耦合电压，且端电压与故障点的位置有关。根据这一特征， 文献 1 提出了电压幅值判据和补偿电压幅值判据，文献 1 0 提出了结合故障测距 的电压幅值判据，文献 5 提出了相位判据。这几种方法原理简单明了，能够可靠的 区别永久性故障和瞬时性故障，适用于不带并联电抗器的线路。 对于带有并联电抗器的线路而言，故障消失后跳开相上会出现衰减的周期分 量，该分量与工频耦合电压叠加，使得跳开相电压呈现“拍”的特性，使得上述 工频量的判据存在将瞬时性故障误判为永久性故障的可能性。 2 第一章绪论 2 ) 基于衰减周期分量的判据 超高压线路送电距离长，分布电容大，为了抑制线路上的过电压，需要加装 并联电抗器，同时为了降低单相故障时的故障恢复电压，使故障点尽快熄弧，通 常在并联电抗器中心点接入中性点小电抗。当线路发生瞬时性故障时，故障点消 失以后，由于储能元件的作用，跳开相上会产生衰减的周期分量，与工频量叠加 呈现“拍的现象。根据这一特征，文献1 9 3 提出了检测拍频的方法，文献1 1 4 3 提出了提取衰减周期分量的方法对故障性质进行判断这两种方法都将出现衰减 周期分量作为瞬时性故障消失的依据。与工频量方法相比，该方法灵敏度高，不 会将瞬时性故障误判为永久性故障。缺点是当补偿度较高时，衰减周期分量的频 率接近于工频，拍频周期较长，对衰减周期分量的提取较困难；衰减周期分量完 全衰减后，判据失效。 3 ) 基于二次电弧特征的判据 对于永久性故障，由于故障点可靠接地，两侧断路器跳开后故障点处的电弧 很快熄灭；对于瞬时性故障，保护将故障相跳开后，故障点处的电弧要经过一端 熄灭重燃熄灭多次反复的过程。在这一过程中，由于电弧的非线性特征 将使弧道上的电压含有高频分量，根据这一特征，文献 1 8 提出了基于电压谐波 信号的自适应判据，当跳开相电压的谐波含量超过一定比例时，就认为发生了瞬 时性故障，谐波含量突然降低，端电压突然升高的时刻则对应故障点熄弧的时刻。 该判据不受系统运行状态，线路是否带有并联电抗器以及过渡电阻的影响，但是 由于二次电弧电压本身很低，而且受互感器暂态特性的影响【8 j ，二次回路测量精 度对判据的可靠性影响较大。 4 ) 基于神经网络的方法 人工神经网络( 砧州) 的基本思路是，构造模拟神经细胞特性的函数，然 后按照某些结构将这些函数的输入输出连接起来，组成决策网络。人工神经网络 的特点是：( 1 ) 以大规模并行处理为主；( 2 ) 采用分布式存储；( 3 ) 居有自适应、自 学习能力。经过训练以后，人工神经网络可以处理对一些相对复杂的问题。但 是人工神经网络工作的正确性是建立在足够的输入量和训练样本的基础上的，当 输入的变量不足或者训练样本量不足时，其输出结果的正确性无法保证。 上述判据主要针对单回线单相自适应重合闸和三相重合闸，针对同杆双回线 故障特点的自适应重合闸研究相对较少。由于两回线之间存在的耦合作用，三相 系统的分析方法已经不再适用，而应当采用六序分量法【l j 。 我国同杆双回线的运行导则要求，两回线综合起来至少有两异名相健全时才 允许重合。这样就出现有多个跳开相需要重合的情况。这就要求在可靠识别跳开 第一章绪论 相的故障性质的同时，还有严密的逻辑配合，以避免由于重合顺序的错误导致重 合条件破坏而使得两回线都被跳开。造成不必要的损失。 目前国内外的同杆双回线重合逻辑主要有以下几种： 1 ) 沿用单回线重合闸逻辑 该方案对两回线单独配置保护，每一回线都只采用单相重合闸逻辑，当一回 线发生单相故障时，单跳单重，重合不成功则跳三相；多相故障时，三跳不重合。 法国电力公司( e d f ) 采用的就是这种重合闸方式。 2 ) 多相重合闸 这种重合闸方式在发生任何事故时只切除故障相，因此，不仅可以保留较大 的输送功率，还能提高系统的稳定性。它的重合闸条件是：在切除故障相后，两 回线综合起来至少有两或三个异名相健全。日本的电力公司大多采用这种重合闸 方式，以提高重合率。 日本东京电力公司( t e p c o ) 在其2 7 5 k v 和5 0 0 k v 同杆双回输电线路上采 用的就是这种多相重合闸方式。重合闸条件是：在切除故障相之后，包括相邻线 路的健全相总相数( 此时，即使两条线的某一个同名相皆属健全时，仍取为1 ) 通常应为2 或3 。在故障相跳开后，按固定延时，两侧不检同期同时重合。当不能 满足多相重合条件时，先断开两回线路，然后重合。 日本中部电力公司( c h u b ue l e c t r i cp o w e rc o ) 在2 7 5 k v 及其以上的超高压同 杆双回线路中，不论发生任何类型的故障均只对故障相分相跳闸，重合闸采用多 相重合闸方式，具体情况如下： ( 1 ) 若一回线路发生三相故障，另一回线路完好，则通过通信通道确认对侧 及邻线信息后，采用中速重合闸方式进行重合。先重合系统侧，系统侧重合成功 后，经延时重合电源侧。 ( 2 ) 若同杆双回线发生i b i i c 的跨线故障，保护动作后只跳故障相i b i i c ，为 避免两回线同时重合于永久故障时给发电机和系统带来的冲击，先对i 回线进行 高速单相重合闸，再对i i 回线进行中速单相重合闸。 ( 3 ) 若同杆双回线发生i a i i a b 的跨线故障，保护动作后亦只切除故障相 i a i i a b ，跳闸后还剩i b c i i c 运行，由于i 线还有b 、c 两相运行，故先对i 线进 行高速单相重合闸，若重合成功，再跳开i i 线c 相，对i i 线进行中速三相重合 、 闸。 这种重合闸方式在最大程度上确保对同杆双回线进行重合。但是由于这种重 合逻辑本身不进行故障性质的自适应判断，并且允许两回线进行三相重合闸，重 4 第一章绪论 合于永久性故障时对系统的冲击较大。特别是对于一些多相跨线故障，多相同时 重合于永久性故障对系统稳定性的危害是巨大的，这在我国是不允许的。 3 ) 按相顺序重合闸u 伽 按相顺序重合闸是在多相重合闸的基础上为防止重合于多相永久性故障而 提出的。这种重合闸方式要求对任何故障，保护只切除故障相，以保证在断开过 程中两侧系统仍具有较强的联系，仍能传输较大的功率，对提高电力系统稳定性 是有利的。重合条件是：两回线综合起来有两异名相健全即可。如果某一回线重 合于故障，则三相跳闸而不再重合。 按相顺序重合闸要求两回线同时只有一相重合，重合排序规则如下： ( 1 ) 同名相优先重合且可以同时重合 同名相优先重合不但可以减少整个重合时间，以尽快恢复系统的缺相运行， 而且即使重合于永久故障，对系统而言仍然是重合于单相故障。 ( 2 ) 超前相优先重合 不管是一回线故障还是跨线故障均按超前相优先重合的顺序，这是为了让各 相优先重合的几率相同( 假设同类故障发生的概率相同) 。 ( 3 ) 多相故障线路的超前相优先重合 对于i a i i b c 的跨线故障，如果先合n ，当重合于永久性故障时，i 回线三 相跳开，将使双回线只有i i a 在运行，破坏了实现单相重合闸的原则而导致i i 回线不能启动重合闸。如果先重合i i 回线，即使重合于故障，仍能保留i 回线重 合的机会。因此，多相故障线路的超前相应优先重合。 该方案在逻辑上较为复杂，相比前两种重合方式，在确保重合率的同时减少 了重合于永久性故障给系统带来的危害。 从上述几种重合逻辑来看，都属于传统的盲目重合方式，并没有对线路的故 障性质进行自适应判断。当考虑对线路故障性质的预判以后，重合逻辑将与前面 几种有所不同。 综上所述，目前的自适应重合闸研究大多针对单回线，但是其分析方法对于 同杆双回县的自适应重合闸研究有借鉴意义，目前已经应用的同杆双回线重合闸 逻辑主要是基于传统重合闸方式，没有考虑对故障性质的自适应判别。如何对同 杆双回线跳开相的故障性质进行可靠的判别，并以适当的重合方式将瞬时性故障 相成功重合，对同杆双回线的安全运行，提高系统的稳定性和送电的可靠性而言 都有着重要的意义。 第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本文从课题研究背景入手，通过对同杆双回线切除故障后的传输能力的分 析，提出了同杆双回线的最优跳闸方案，并根据暂态能量理论对分、合闸操作的 时间进行了优化；最后通过对带并联电抗器的同杆双回线不同类型的瞬时性和永 久性故障的建模分析，对同杆双回线在故障中所出现的现象进行了解释，提出了 不同故障类型下故障性质的自适应判别方法。论文各章内容安排如下： 第一章概述了同杆双回线自适应重合闸技术对于电网的稳定运行的重要性， 介绍了目前国内外自适应重合闸技术的发展现状以及当前同杆双回线自适应重 合闸技术所存在的一些问题，总结了课题研究的理论价值和实际意义。 第二章通过对同杆双回线切除故障后传输容量的计算，给出了适用于同杆 双回线的最优跳闸方案，并通过动模实验和软件仿真验证了该方案在单机无 穷大系统和多机系统上的正确性。 第三章通过对单相接地故障时跳开相电压分布规律的分析，提出基于故障 点电压幅值特征的单相自适应重合闸判据。 第四章通过对同杆双回线的建模，给出了双回线多相跳开后工频耦合电压 和衰减周期分量特征频率的计算方法，仿真证明了计算结果的正确性。通过对多 相永久性故障和瞬时性故障下故障点电压特征的分析，提出了与重合逻辑相结合 的多相自适应重合闸判据。 第五章提出基于均匀传输线模型的故障点电压和瞬时性故障下跳开相工频 耦合电压的计算方法，该方法从原理上避免了分布电容给计算结果带来的影响。 仿真计算表明，该方法具有较高精度，且基本不受潜供电流和系统振荡的影响。 第六章对全文进行总结，并对后续工作进一步展望。 6 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 线路因短路故障跳闸会对系统运行的稳定性产生影响的原因在于，跳闸后输 电网络的潮流分布发生改变，打破了原动机和发电机之间原有的功率平衡，由此 而产生的不平衡转矩使得发电机功角发生摇摆，系统因此发生振荡甚至失稳。 在暂态稳定分析中，发电机负序电压、电流所产生的电磁转矩随时间交变， 一个基波周期内的平均值很小，可以忽略不计；而零序电流只在定子中产生损耗， 不贡献转矩。因此对于不对称短路或断线故障，通常忽略负序和零序分量的电压、 电流对于发电机电磁转矩的影响，而只考虑它们对网络中正序电压、电流的影响， 即只考虑正序等效网络【3 l 。因此分析跳闸方案对系统机电暂态稳定性的影响时， 主要应该分析跳闸方案使得正序增广网络在切除故障后发生了怎样的改变。 2 1 同杆双回线故障及非全相运行时传输容量的分析 2 1 1 同杆双回线的故障序网 同杆双回线连接的单机无穷大母线系统如图2 1 所示： 图2 - 1 带双回线的单机一无穷大系统示葸图 由于同杆双回线的线间距离较近，除单回线故障之外，还会发生跨线故障， 故障类型十分复杂；而且两回线路之间还存在耦合作用，采用三相系统故障分析 方法得到的计算结果误差较大瞄】，这里介绍分析同杆双回线故障特征常用的六序 分量法： 对于平行双回线，除每回线内各相间存在互阻抗和互导纳的耦合，线路间也 存在互阻抗和互导纳的耦合。假设线路自阻抗为z ，对地电容为巳；相间互阻抗 为乙，电容为c m ；线间互阻抗乙，互电容吒，那么线路上的压降与线路上流过 的电流满足如下关系 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 u 血 u l 出 u q 【，2 出 u 2 戤 臼 从电源注入的电容电流和电压之间满足： i l a v i l b y i l c y 1 2 a y 1 2 b y 1 2 西 il x ，l m ，l q 厶厶 1 2 b x 厶q 上述矩阵进行解耦变换，双回线各相电压的变换为： u u u i s u i c u t 1 8 u h c 其中，a = e j 2 州3 方程( 2 3 ) 简记为， t 2 , 一d = 【m 】 类似的，有 1l1 11口2 11a 1一l1 a 口2 口 口2 1 1a 2 一a 2 a- a 1 1 口- 口a 2 一a 2 j m = m i e j 陌 ， 【z r r 】= 【m 】_ j 【z 1 一，】【m 】， 【坼】= 【m 】1i t , 一，】【m 】 变换后线路上的压降和流过线路的电流之间关系为 8 o u f o 1 。 ： u s 2 u 舢 u l 缈 u l c y 砂 毋 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 艺乙乙乙艺之乙 艺艺艺乙乙乙艺艺乙乙乙艺艺艺乙乙艺艺 t t t 1 l g t t 一o t t g _ _ _ 一g t t tg t g t t t rliii叫ili【 徊 = 矿口。 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 z f o if q 。 if l l r l if 2 ( 2 4 ) 可以看出阻抗阵变成了对角阵，各相的电压电流量解耦为零同、零反，正同、 正反、负同、负反六个故障分量。同序故障分量反映了由于双回线路故障而产生 的平衡量，同序分量在两回线上的数值大小相等，相位相同；反序分量反映了由 于两回线路故障产生的不平衡量，反序分量在两回线上的数值相等，相位相反。 正、负、零序电压的概念与三相线路的对称分量法相同。对于导纳阵而言，同样 实现了解耦，这里不再叙述。 对于所示的并联运行的同杆双回线而言( 如图2 1 所示) ，在并联母线处的电 压、电流满足下列边界条件： 以m 侧母线为例 1 ) m 侧母线上的电压 2 ) 从系统流入的电流和双回线上流过的电流 凡1 2 o2 1 2 o 工l + 毛i 2 咄 = ( k 1 2 ，o + k 1 2 o ) + ( 1 2 o 一1 2 ，o ) = 2 k 1 2 o 于是双回线故障时故障点处的电压可以通过下列方程计算得到： u n = u 叭一i m r l z m t l = u m i m r t z 帆 = ( e m i m l z m 一i 町l z 盯l = e m 一2 i 孵l z m t l 婀；婀l = e m i 婀i ( z m r t + 2 z m 9 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 0 o j 1 2 2 也划 “ 一 鼢严卜叫 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 u 见o = 2 ，o k 2 ，o 2 ，o = 2 o 一，w 2 ，o 乙亿o = 一l 2 o z u 2 o 一，胛2 o z 胛2 ，o = 一2 k 2 o 乙2 o 一，胛2 ，o z 胛2 ，o = 一k 2 ，o ( z 胛2 o + 2 z 肘2 o ) 酢1 2 o = 己k l 2 o 一，舻1 2 o z 胛l 2 o 2 叫肝l ，2 0 。l m f i 。2 0 r_ 由方程( 2 5 ) ( 2 9 ) g 得六序网络示意图如图2 - 2 ”图2 - 4 所示。 图2 - 2 双回线系统正同序网示意图 【垒了弩譬结! f 蟹：! i j 瓦z ，。l 一；享一r t 2 , 0 2 一z n z , o 上l土 图2 3 双回线系统负同序、零同序网示意图 喜 士 图2 _ 4 双回线系统正反、负反、零反序网示意图 2 1 2 双回线正常运行时系统最大传输容量的计算 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由于输电系统中的电抗值远大于电阻，图2 1 所示系统的最大传输容量可以 通过下式进行计算【3 】： ：2 e u e n x t i l o ( 2 1 0 ) 垫 一l 孳 t 年 丝 + 垫 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 瓦，瓦为两侧电源电势，而，为电源之间的正同序转移电抗，根据方程( 2 6 ) 由于系统中正序电流为正同序网电流的二倍，因此计算得到的功率应乘以2 。由 于输电网中通常有r r 。x r l ，x t 。i z r 。i ， 公式可以改写为 ：2 鲁 ( 2 1 1 ) l 么川 当系统正常运行时，正同序转移阻抗为 z 1 1 2 2 z m l + 气r l + 2 z ，l ：2 ( z m j + z z 。r 1 + 知1 ) ( 2 1 2 ) 2 1 3 双回线故障状态下系统最大传输容量计算 由于故障发生到重合闸期间发电机电势变化不大，可以认为系统的最大传输 容量主要取决于电源之间正同序转移电抗的大小。 当系统发生短路故障时，其他各序网对正同序网络的影响可以用在正同序网 的故障点处并联的一个故障支路来表示( 如图2 5 所示) ，该阻抗的数值则与故 障类型和过渡电阻有关。当发生一回线l 1 的n 侧单相金属性接地故障i a g 时， 附加支路的阻抗为从故障处看进去的负同、零同、正反、负反、零反序网等值阻 抗的串联，即气l = z r 2 + z 7 o + z ，l + z f 2 + z f o ；对于一回线l 1 三相短路故障， 2 a i = z ，。；对于最严重的两回线六相金属性短路故障i a b c i i a b c ，z a l = 0 。 叠，节 乙r 。 了纽 厶生2 乙(产z a 。12 z m 圭瓦 t 占： 图2 - 5 双回线n 侧故障时的正同序网 对上述系统网络进行y - d e l t a 变换可得两侧等效电源之间的正同序转移阻抗 为 z ；l2 ( 2 z m l + 2 z n i 十z 死1 ) + ( 2 z ，l + z t l i ) 2 z i z 刖 ( 2 1 3 ) = 乃l + 艿乃l 由于气。、缸。、知。和知。的阻抗角基本相同，可知附加转移阻抗6 刁为感性， 因此短路故障状态下的正同序转移电抗不会小于正常运行时的转移电抗，根据前 面的推导，在短路故障下系统的最大传输容量必然小于故障前的功率传输极限。 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 2 1 4 双回线非全相运行状态下系统最大传输容量计算 双回线中的一相或者几相的两侧断路器跳开以后，各序网分别形成以跳开处 为端口的二端口网络，各序网的端电压电流关系满足边界条件约束脚。 以一回线a 相接地故障i a g 为例，两端断路器跳开后各序网如下所示： a 正同序网 b 负同、零同序网 c 正反、负反、零反序网 图2 - 6 各序网等值电路示意图 各序网的端电压、电流满足下列方程约束 对于正同序网 i u 胛l + k l ( z u r l + 2 乙1 ) + ( k l + k 1 ) z c r l = e m 【。+ l ( z w l + 2 z n l ) + ( k l + k 。) 乙。= 日 对于负同序网和零同序网 id 0 2 o + ，胛2 。o ( z ，7 2 o + 2 z m 2 t o ) + ( ， 仃2 o + 盯2 ，o ) z c 7 2 0 = 0 【d 0 2 ，o + ，胛2 o ( z _ r 2 o + 乏z 2 - o ) + ( 厶盯2 0 + j v r 2 o ) z c r 2 ，o - 0 对于正反、负反和零反序网 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 扛象 爹缚 。1 t ： 弩m笋 叫t加生 k 磊 爹缉 or上工i| 至p笋 工 一 o圣蕞 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 j ，m o + ，啦，。啦o + 吁u o + 一啦，。) 啦，0 - o。( 2 1 6 ) l 【， 矿1 2 ，o + i , v r l ，2 o z m 1 2 ，o + ( 厶俨l ，2 ，o + j 矗1 2 o ) z c r l 2 o = 0 边界条件 在端口m n 处 在端口p q 处 i 哪u q 啦，i 啊i ，i 啊2 ，i 盯q ，i m n ，l m f = o 。口( 。，。，：，。，。，：) = 0 u u u l - c ( 。，- ，：，。，t ，誓：) ( 2 1 7 ) 2 ( 。，。，：，。，。，：) = 0 ：口( 。，。，【，。，。，：) = 0 ：c ( 。，。，：，。，。，：) = 0 p q l l a q 盯o ，i 盯l ，i 盯t ，i 忭口，i 盱i ，in f = 0 v 脏l 口( 【，胛o ，【，胛l ，【，胛2 ，u 胛o ，【厂肝i ，u ，2 ) = 0 誓一c 。- z ，。- ，z ) ( 2 m ) ：( 。，。，：，。，。，：) = 0 u 眦2 口( o ，u 胛l ，2 ，u ，o ，【，胛j ，2 ) = 0 ：c ( 。，。，：，。，。，：) = 0 上述网络方程和边界条件的的未知量共有2 4 个，线性无关的约束方程也有 2 4 个，可知方程有唯一解，求出的序分量经过六序反变换，就可得到跳闸后各 相的电压、电流分布。 根据上述方程所得到的正同序增广网络如图2 7 所示。从图中可以看出，双 回线跳闸产生的影响体现在w 和p 之间的网络部分，系统其余的部分并没有改 变。 对于系统稳定性分析而言来说，知道w 、p 之间的等值电路的变化已经足够， 因此可以将w 和p 之间的网络视为一个二端口网络，根据端口的电压、电流求 出等值转移阻抗。 对于其他故障类型，同样可以通过上述方法列写方程进行求解。 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 2 z u i 矿 矿l l 三! i 。m 一j r l k 2 m i ，一if 二= 1 矿冬蟹，o 冬蝇如蚕尸：；三尘，o j 一- - 卜1 2 z u 2 o ! ：。l ；：，。i ：q 2 z 忆。 l 一 i u f l 2 o 二z u f i2。znpi 2 oq _ i p 1 ，一n f i 2 。 + i 二l j 万1 。- f c 0 1 2 0l z 例2 o 【7 帆： 图2 7 一回线a 相跳开后正同序增广网络示意图 2 1 5 双回线非全相运行状态下最大传输容量的实用计算方法 采用2 1 4 节的方法可以准确求解双回线跳闸之后各相的电流电压分布，但 是计算量较大。对于输电线路距离较短，或者对计算精度要求不高的情况，可以 将该方法在下列条件下进行简化： 忽略线路对地导纳支路； 将两个端口合并为一个“虚拟”端口。 这时一回线a 相跳开的正同序增广网络如图2 8 所示： 墨i 辩与一z l t i r i 墨n 鱼一 i 岛，丁1 丁1 赢岛 、 士 上 墨m 。| 纽堡。 一 ，。+ - d 脚2 o222z圯。iu 2 0 。【，脚2 o 圯o ! 纽。m 。纽。垒z 。 一f u 朋盯1 2 o 、 图2 - 8 简化正序增广网络( 回线a 相跳开) 经过简化以后可以看出，双回线的跳开相相当于发生了断线故障，其对正同 序网的影响表现为从“虚拟端e l 串联进了一段附加转移阻抗6 毛( 如图2 - 9 ) 。 1 4 第二章同杆双回线短路故障最优跳闸方案的研究 附加阻抗的数值与故障类型有关。如第一回线a 相跳开时， 6 三l = z r o z f o | l z ，li iz r 2l i z f 2 其中的一回线l 2 跳开时 6 z l2 z ，l = z l 7 l 两回线全部跳开时 6 z l = 0 0 引入的附加阻抗为 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 6 z r i 图2 - 9 非全相运行时的正同序等值电路 需要指出的是，由于这种方法忽略了线路的分布电容，采用该方法计算得到 的正同序转移电抗将大于两端口方法计算得到的结果，但不影响对系统稳定性判 断的正确性。 附录l 给出了同杆双回线在各种非全相运行方式下的最大传输容量，可以看 出，随着跳开相的增加，最大传输容量整体呈下降趋势，而异名相的存在可以显 著提高线路非全相运行时的最大传输容量。 2 2 同杆双回线的最优跳闸方案 从前面的分析可知，跳开相越少，引入系统的附加串联阻抗就越少，系统剩 余的最大传输容量就越大，越有利于系统稳定。因此在切除故障相的前提下，应 当尽可能保留较多的健全相继续运行。 目前，同杆双回线的保护都是按照每回线独立配置，因而其跳闸逻辑大都也 是直接采用单回线的跳闸逻辑，即单相故障只切除故障相，多相故障跳开三相。 对于双回线多相跨线故障而言，这种跳闸方案可能会导致两回线都被切除，重合 闸闭锁，对系统稳定是十分不利的。而对于并联运行的双回线而言，在多相故障 时，两回线的非故障相中仍可能有多个异名相，如果能够允许这些非故障相在故 障切除后继续运行，对于维持两侧系统的同步和稳定都将是有利的。而随着保护 = 章同杆回线短路故障最优跳目方案的研究 理论的不断完善和硬件装置的更新，在多相故障情况下对故障相识别已经完全能 够实现嘲口2 j 1 那”，这也为跳闸方案的改进创造了条件。 考虑到上述因素，本文认为同杆双回线的最优跳闸方案应当是按故障相跳闸 方案。其跳闸逻辑为：两回线综合考虑，当非故障相中包括至少两异名相时，只 跳开故障相：若非故障相仅为一相或者两同名相，保留健全相已经无法维持两侧 系统同步，应当跳开两回线。 图2 - 1 0 为采用四j i i 洪龙同杆双回线参数f 6 1 计算得到的分别采用两种跳闸方 式切除敲障后系统的最大传输容量的对比。可以看出，与传统跳闸方式相比，按 故障相跳闸方式充分利用了双回线运行方式灵活的特点，在系统允许的范围内使 得切除故障后的传输容量得到最大程度的保留。 ”| ；1 _ _ l _ i _ _ 譬篡茹 2 3 仿真验证 m * h 女t 目2ot 目跳m i ef # 系统白勺& 传输容4 # 障m mf 日目的犀传输窖鼍为10 0pu 本文采用动模实验和b p a 软件仿真的方法分别在单机一一无穷大系统和 i e e e 三机九节点系统中对上述方案进行了仿真验证。 受条件限制，用两条单回线并联来代替同杆双回线模型，从附l