（电力系统及其自动化专业论文）高压输电线路新型广域后备保护研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o np r o j e c tw a sp a s s e dt r i a lo p e r a t i o nf o r16 8 h o u r sf o rc h i n a sf i r s tu l t r a - h i g h - v o l t a g e 鲥d ，ap o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r kw i t h 10 0 0k i l o v o l t a g e sa c ，ad e m o n s t r a t i o np r o j e c ts t a r t i n gi nt h es o u t h e a s t e r np a r to f s h a n x i ，r u n n i n gt h r o u g hn a n y a n ga n df i n i s h i n ga tj i n g r n e n c h i n ah a so w nr d ， d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，w i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dt h e nt h e p r o j e c tw a sp u ti n t oc o m m e r c i a lo p e r a t i o n w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fd e v e l o p m e n t s t r a t a g e ma b o u t t r a n s m i te l e c t r i c i t yf r o mw e s tt oe a s t ，n o r t hs u p p o r t sp o w e rs u p p l y t os o u t ha n dv i c ev e r s a ，c o n n e c tp o w e rg r i d sn a t i o n w i d e ， t h en e x t5 10y e a r s ， c h i n a sp o w e r 西d sw i l lb ed e v e l o p e di n t ot h ew o r l d sm o s tt e c h n o l o g i c a l l y c o m p l e x ，w h i c hi s o n eo ft h el a r g e s tp o w e r 咖d i ti sf o u n d a t i o n a l ，c r u c i a la n d u r g e n tt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fl a r g e - s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m o p e r a t i o n c o n v e n t i o n a lb a c k u pp r o t e c t i o nr e l a y sg e n e r a l l yt a k ea c t i o n st op r o t e c ta l o c a l i z e dr e g i o no ft h en e t w o r kw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to nt h ew h o l e n e t w o r k t h i si sf u r t h e ra g g r a v a t e da sn e t w o r k sg r o wb i g g e ra n da r es t r e s s e dm o r e h e a v i l y c o n v e n t i o n a lb a c k u pp r o t e c t i o ni sd e s i g n e dp r i m a r i l yt op r o t e c tl o c a l e q u i p m e n ta n dt oe n s u r er e l i a b l ef a u l tc l e a r a n c e ，b u ti tm a ym a l o p e r a t eu n d e rh e a v y l o a d i n gc o n d i t i o n sc a u s i n gc a s c a d i n gt r i p so nt h en e t w o r kw h i c hl e a dt oaw i d e s p r e a db l a c k o u t w i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m sh a v ew i d ev i e wo ft h ep o w e rg r i d b a s e do nt h e i rw i d em e a s u r e di n p u t s t h e yc a no f f e rm o r ea c c u r a t ea n dd e p e n d a b l e f a u l t si s o l a t i o n ，a n da tt h es a m et i m e ，t h e yc o n s i d e r a t et h ei n f l u e n c eo nt h es y s t e m o p e r a t i o na n dp r e v e n td i s t u r b a n c e sf r o mp r o t e c t i o na c t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ew i d ea r e ap r o t e c t i o n a r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sf u n c t i o nm a k i n gu pa n ds y s t e ms t r u c t u r e sa r e d i s c u s s e d ，a n dap r a c t i c a lw i d ea r e at r a n s m i s s i o nl i n eb a c k u pp r o t e c t i o ns c h e m ei s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i s t a n c e p r o t e c t i o n ，d i f f e r e n t i a l c u r r e n t p r o t e c t i o n a n dd i r e c t i o n a l p r o t e c t i o n ，w h i c ha r eu s e de x t e n s i v e l yi nh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ， a r ea n a l y z e dd e t a i l e d l yi na c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds p e c i a lp r o b l e m o nt h eb a s i so f t h eh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ，t h i sw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m sc a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 o b t a i nw i d ea r e ao p e r a t i o ni n f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e mv i ap o w e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt oi m p l yd i f f e r e n tp r o t e c t i o n t h ec o n c e p to fa g g r e g a t ep r o t e c t i o na n dt h e m e t h o df o rd e t e r m i n i n gl i m i t e dw i d e a r e ao fi n f o r m a t i o na n da c t i v a t e da r e a sw e r e 蓐 d i s c u s s e d ，aw i d ea r e ar e l a yp r o t e c t i o nc r i t e r i ab a s e do nt h er e l a t i o n s h i pf a c t o ra n d t h ea c t i o nf a c t o ro fp r o t e c t i o ni n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ( i e d ) i sp r o p o s e d p r o g r a ms t u d ys h o w st h a tt h ew i d ea r e ar e l a yp r o t e c t i o nc r i t e r i ac a nl o c a t ef a u l t s e x a c t l y , a n dt h i sc r i t e r i ac a no v e r c o m et h ed r a w b a c k so fl o n gt i m er e l a ya n dl a r g e f a u l t - a f f e c t e d r e g i o n $ ，t h i sp r o g r a mc a ng r e a t l y e n h a n c et h es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yo fl a r g e s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e r 鲥d a sw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m sb a s e do nt h eu s eo fp h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t s ( p m u ) ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ec h a n g e si ne n e r g ya tb o t he n d so fal i n e i ft h e r e s u l ti sm o r et h a na p r e - s p e c i f i e dv a l u e ，a ni n t e r n a lo ri n - z o n ef a u l ti si n d i c a t e d t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ei se v a l u a t e du s i n ga 【a t l a bs i m u l a t o rc o n f i g u r e dt o m o d e lt h ee f f e c to ff a u l t so n3 m a c h i n e s6 - b u s e s5 0 0k vt r a n s m i s s i o nl i n e s p o w e r d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n o ft h es i m u l a t i o nh a sac e r t a i n s i g n i f i c a n c ew i t h t h e a p p l i c a t i o no f t h ep r i n c i p l eo fw i d ea r e ap r o t e c t i o n k e yw o r d s ：w i d ea r e ap r o t e c t i o n ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ； p o w e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；s i m u l a t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期：砷参多f 指导老师签名：也切 日期：毋，哆，歹? ) 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乡毽j 亭 日期：叫参多7 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 引言 2 0 0 9 年1 月6 日，我国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的1 0 0 0 千伏交流输变电工程晋东南一南阳一荆门特高压实验示范工程顺利通过 1 6 8 小时试运行，并投入商业化运营。围绕“西电东送、南北互供、全国互联 的电力发展战略，今后5 1 0 年，中国电网将发展成为世界上技术最复杂、 规模最大的电网之一，提高大型互联电网运行可靠性已成为我国电力系统目 前面临的基础性、关键性和迫切性问题；同时，随着电力体制改革的深入促 成了竞争电力市场的建立，同时增加了发电、输电、电价的不确定性和随机 性，使电力系统安全运行更显突出，更为人们所关注。 由于电力系统互联能带来显著的效益，相邻地区甚至相邻国家电力系统 互联是电力工业发展的一个趋势。电力系统互联，由于联系增强也带来了新 问题，如故障会波及相邻系统，如果处理不当，严重情况下会导致大面积停 电f 。 对北美大停电事故的研究分析表明：7 5 的大停电事故都涉及继电保护 问题，尤其是后备保护元件。就地测量输入只能看到互联电网有限的一部分， 传统后备保护元件一般不考虑对整个电网的影响，只保护电网的一个集中区 域。随着电网面积的增大和负荷的增加，这种情况将进一步恶化。传统后备 保护主要用来保护本地设备并确保可靠的故障切除，但是它可能在重载情况 下误动，并且导致网络的级联跳闸，这可能将引发电网崩溃【4 】。 传统的主保护一般仅切除故障元件，后备保护则可能延时切除多个元件。 由于后备保护同时保护多个元件，缺乏选择性，其动作可能附带切除了非故 障元件，造成多元件同时停运事件，使电力系统超越其所能承受的运行范畴， 引发越级跳闸，最终造成整个电力系统的瘫痪【7 1 。 后备保护是电力系统继电保护的重要组成部分，在主保护失灵或断路器拒 动时切除故障保证系统稳定运行【8 】。以典型的2 2 0 k v 系统为例，其线路后备保 护通常采用三段式方向距离、零序保护，主变后备保护采用多段式方向零序、 过流保护。这些后备保护都是通过多段式保护的动作时限、动作定值以及动 作区间的相互配合来实现的。但随着电力系统网络结构的扩大和网络复杂性 的增强，在同一条母线连接的电力传输线路长短相差很大，级数复杂，对于多段 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 式的后备保护来说，其定值和时限的配合相当繁杂，造成后备保护的动作时间 过长，不利于快速切除故障【9 】。同时后备保护可能切除没有发生故障的线路，造 成更大的停电区域。以上问题都与系统的可靠供电和电网的稳定运行产生矛 盾。 为了解决现有继电保护和安全自动装置存在的问题，结合互联电网发展 对电力系统安全所提出的要求，一种基于计算机网络通信技术，通过采集电 力系统多点信息实现广域量测的广域保护系统w a p s ( w i d ea r e ap r o t e c t i o n s y s t e m ) 近年来随着各国学者的广泛关注而逐渐兴起起来。本文将应用获得的 广域信息，改善传统高压线路故障的判别方法，解决其存在的误动问题，提 高电网运行的安全。 1 2 高压输电线路保护的特殊问题 高压输电线路保护的特殊问题来源于线路参数的特殊性，主要表现为分 布电容增大，线路的等值电抗远大于线路电阻，线路参数的分布性等特点， 由于电网中安装的串补电容和并联电抗器的影响，使故障暂态过程中含有大 量谐波分量和非周期分量。同时，高压电网中电感和电阻的比值大，时间常 数大，非周期分量和谐波分量衰减缓慢，将给快速保护产生一定影响。由于 并联电抗中所储存的磁能在短路时释放所产生的非周期分量在一定的条件下 同时流向线路两端，因此在外部短路时，流入线路两端继电保护装置的非周 期分量电流可能数值不等。由于分布电容大，分布电容和系统以及线路电感 谐振产生的高频分量多，数值很大，对电流的相位和波形也将产生影响 【lo 】【1 l 】【1 2 1 。 电力系统的元件构成中，输电线路发生故障的几率最高，为了减少偶然 事故或恶劣天气造成的自消性故障【1 3 1 ，在高压输电线路上采用了自动重合闸 技术，以此来提高电力系统并列运行的稳定性。高压线路上配置的单相自动 重合闸或综合自动重合闸在单相跳闸后可能出现非全相运行状态或复故障状 态。在系统允许条件下，有时为了满足用户供电的需求，线路亦可较长时间 ( 数小时) 两相运行。两相运行时，由于系统稳定性相对较差，线路两端电 势大小和相位发生变化；同时系统因对称性遭到破坏将出现零、负序分量【1 4 1 。 在这种情况下，反映输电线单端电气量大小和相位关系的距离元件以及和零、 负序分量有关的方向高频保护、相差高频保护都会受到其影响。输电线路上 发生纯金属性短路( 例如带地线合闸) 的几率是比较少的。大多数的短路故 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 障在故障点是有过渡电阻的。接地短路的过渡电阻有可能是外部物体的电阻 和大地电阻，也可能包括电弧电阻和杆塔接地阻抗。高压输电线路线间距离 较大，绝缘子串较长，发生短路时过渡电阻可能很大，过渡电阻的存在会影 响各种线路保护的动作性能，如距离保护、负序、零序功率方向元件以及电 流差动保护等。 1 3 广域保护国内外研究现状 ( 一) 广域保护的理论研究方面 广域保护可定义为：依赖电力系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精 确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制 措施，可提高输电线可用容量或系统可靠性，这种同时实现继电保护和自动控 制功能的系统，称为广域保护系统，又称为稳控系统。它在电网保护控制中是基 本定位于常规保护及s c a d a e m s 之间的系统保护控制手段，国际大电网会议 将广域保护的功能及控制手段等进行了定义，其动作时间范围在1 0 0 m s l o o s 之吲1 1 】，如图l 所示。 常规保护广域保护s c a d a e m s 电磁暂态 暂态稳定 小信号稳定 电压稳定 二手动操作一 一 自动控颓 动作范围 一常规保护一 一 动作范围 一动作范围 一 自动无匀投切 分捌：头 搴静 刃发电耖 低频切冠荷 压切饧荷 阮佣棚l 稿 刍动解歹 f a (；t s 的运行 c s c0 1 sc1 sl sl o sl o c s 1 0 0 0 s 时随 + 图1 - 1 广域保护定义 国内外学者自1 9 9 7 年前后开始对广域保护系统的理论研究。 ( 1 ) 瑞典学者b c r t i li n g e l s s o n 提出预防电压崩溃的广域保护概念 1 2 】 广域保护的概念最早由瑞典学者b e r t i li n g e l s s o n 于1 9 9 7 年提出，但他所 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 论述的广域保护主要用来预防在严重的故障下长期的电压崩溃，只完成安全 自动控制功能而不包含继电保护功能。该文提出的系统基于s c a d a 系统构 建，通过输入的信号和装置来执行。对广域保护系统，把传输系统的电压、 发电机的无功输出和主发电机的电流限制信息作为输入信号。s c a d a 系统的 建立、数据传输速度和可靠性满足不了继电保护的要求。 ( 2 ) 日本学者y o s h i z u m is e r i z a w a 提出广域电流差动后备保护的系统结 构【1 5 - 1 6 1 日本学者y o s h i z u m is e r i z a w a 于1 9 9 8 年将广域的概念和继电保护相结合， 使用电流差动保护系统为后备保护的广域保护系统。该文第一次提出了广域 电流差动后备保护的基本概念，考虑到了近后备保护和远后备保护。文章在 分析现有的两点纵联差动保护方式不足的基础上，提出使用g p s 信号进行精 确时间同步，通过专用的光纤信道传送多点的电流量，构成广域差动保护的 观点，以此作为纵联差动主保护的后备保护。 1 9 9 9 年，y o s h i z u m is e r i z a w a 发表了另一篇关于广域保护的文章。该文描 述的广域电流差动后备保护的结构方法可获得比传统距离后备保护更好的选 择性、更小的崩溃面积和更快的动作时间。第一次详细描述了保护多重区域 的系统结构及保护装置在区内动作和协作的执行功能。广域保护系统的实验 包括一个中心设备单元和由1 5 5m b p sa t m 中枢网通过l a n 界面和g p s 时钟 应用的三个终端设备单元，这是在主保护和最小区域保护之后的扩大保护区 域的简单而有效的方法。该系统可以作为在主保护失效、主保护的后备保护 误动作和远后备保护失败时的替代保护。 ( 3 ) 德国学者c h r i s t i a l lr e h t a n z 提出新型广域保护系统在级联停电后稳定 性预测的安装，以及适于暂态系统的算法【1 7 1 2 0 0 1 年c h r i s t i a nr e h t a n z 介绍了一种新型广域保护系统，突破了系统的 运行限制，即可以在系统的物理极限附近运行，并不需要任何高压设备的投 入。在系统稳定性的动态管理和传输能量最优配置下，这是补充已安装的保 护和控制系统的经济有效的方法。该文重点介绍了新型广域保护系统在级联 停电后稳定性预测的安装，所提算法尤其适于暂态系统。 ( 4 ) 谭建成博士提出广域后备保护专家系统【1 8 j 9 】 2 0 0 0 年，谭建成博士提出了传输网络的后备保护方案。该后备保护使用 了基于专家决策系统( b p e s ) 的动作因子来对所保护网络在任何地点的故障 进行最优的故障清除。该文对故障定位使用了保护动作因子( a f ) 。专家系 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 统是主要的信息处理方法和决策工具。引入动作因子的概念表示单独的保护 元件、保护方案、馈线和母线部分所起的作用。该方法解决了以往的由保护 装置误动作和专家系统信息传输的误差引起的不确定性。为取得专家系统最 优响应需了解网络的拓扑关系和现行保护装置的动作情况。基于以上信息， 专家决策系统将会辨识含有故障和需要跳闸清除故障的断路器的馈线。 文献【1 8 】提出了预防电力系统连锁跳闸的方法。该方法使用广域后备保护 系统和人工智能来把事故的影响减到最小。广域后备保护预防连锁跳闸的方 法有两种： 一是故障的精确定位只使需要隔离故障的断路器跳闸； 二是避免由隐藏故障和过负荷引起不必要误跳，通过闭锁传统后备保护 装置的跳闸信号。 应用广域网后备保护预防连锁跳闸的关键是广域信息的应用和保护装置 的通信。从全局观点看，基于广域网的保护和智能决策，变电站广域后备保 护可把故障的影响降低到最小，通过跳开仅需要隔离故障的断路器并闭锁不 需要断开的断路器。因此，能够预防由隐藏故障、过负荷和传统后备保护的 不必要动作引起的连锁跳闸。 文献 1 9 】研究了广域后备保护如何提高传输网的稳定性。讨论了后备保护 的必要条件和由最新高度发展的通信、信息和计算机技术带来的时机，提出 了完善的保护和控制算法。文献 1 8 详尽地给出了广域后备保护系统，显示 了保护网络的系统分布。该系统可进行精确的故障定位和跳开需要隔离故障 的断路器。专家决策系统具有高选择性且通常仅断开故障项。 ( 5 ) 山东大学丛伟博士，潘贞存教授提出满足“三道防线”要求的广域保 护系统【2 0 】 2 0 0 4 年，丛伟等提出了能满足“三道防线 要求，由快速保护、安全自 动控制和紧急控制以及系统振荡检测构成的广域保护系统，阐述了该系统应 该具备的功能和工作流程，并指出了构建该系统需要开展的研究工作。 广域继电保护保护系统构筑的第一道防线，即快速保护功能；第二道防 线，即防止稳定破坏和参数越限的安全自动控制和紧急控制功能；第三道防 线，即能够将失步的互联系统在预定的地点解列成若干个独立稳定的子系统。 广域保护执行广域切负荷、发电机控制、解列等紧急控制策略，防止系统崩 溃事故的发生。 该文总结了构建广域保护的关键问题为：广域保护系统构架、报文传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 延时、报文传输的可靠性、数据建模和通信服务建模、算法研究。该文所提 出的广域保护系统可为大型互联网配置合理的安全防线提供解决方案。 ( 6 ) 长沙理工大学苏盛博士等提出基于图论的广域电流差动保护系统专 家系统【2 1 】 2 0 0 5 年，苏盛等提出了一个基于图论方法、可用于广域电流差动保护系 统主、后备保护区在线划分的专家系统。该系统根据电网一次、二次设备运 行状态和拓扑连接方式为各被保护设备确定电流差动主、后备保护区，凭借 属于同一保护区的保护装置间的相互通信即可实现对该保护区的差动保护。 通过添加与s c a d a 系统的接口，该系统能实现广域差动保护系统主、 后备保护区的自动在线划分，从而为在整个广域保护系统中应用差动电流保 护，提高保护系统电网运行方式的适应能力奠定了基础。 ( 7 ) 西南交通大学王晓茹教授提出基于多a g e n t 系统的广域后备保护系 统【2 2 】 提出了一种新的利用a g e n t 实现的电网后备保护系统。它优于由传统第 i 段保护构成的后备保护系统，动作更快而且更具有选择性，其自检和纠错 能力能减少保护的不正确动作。阐述了a g e n t 的基本思想，分析了a g e n t 保 护通信特点，提出了基于a g e n t 的电网后备保护系统原理结构、算法和p 通 信实现，利用电力和通信系统同步仿真平台e p o c h s 在一简单电力系统上对 所提出的保护系统进行了仿真实现。 ( 二) 国内外广域保护实例 ( 1 ) 西班牙c s e ( s e v i l l a n ad ee l e c t r i c i d a d ) 电力公司基于相量测量的状态 估计 2 3 】。西班牙c s e 电力公司，第一个在s c a d a e m s 在线系统中使用相量 测量单元( p m u ) 来进行状态估计。c s e 修改了s c a d a 系统，使其能够直 接和p m u 设备之间通讯，读取电压正序分量，同时c s e 修改了传统的状态 估计算法，利用相量测量的电压正序分量来改善状态估计的迭代过程。结果 是，估计温差指标的降低，反映出状态估计得到的其它测量值更接近真实值。 c s e 的经验同时也表明，相量测量的同步精度不能小于2 0 u s ，否则对状态估 计没有明显的改善。 ( 2 ) 法国e d f 电力公司的广域保护系统【2 3 】。e d f 电网由2 0 个稳控区域 组成。稳控系统类似s p s 系统，但采用各区的相量测量来判别稳定。e d f 建 立一个集中广域保护中心计算机系统。广域保护系统的目标是，在检测到失 去暂态稳定时，解裂电网，进行减负荷。从监测到广域保护动作完成，必须 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在1 3 秒完成。整个系统花费五千万美元。 ( 3 ) 加拿大h y d r o q u e b e c 电力公司的利用相量测量数据作为发电机的 p s s 控制输入，以改善互联网电网的振荡衰减【2 4 】。分析发现，在某些振荡模 式和运行方式下，仅仅是一少部分发电机的p s s 在具有全网功角信息后，并 对这些振荡模式的可控性最好。p s s 控制具有两个反馈控制信号，一个是常 规的发电机转速，一个是由相量采集系统测量的两个远程电网的频率差。相 量测量系统由一个数据集中器和分布安装在9 个电网区域的相量测量设备组 成。数据集中器则提供给各发电机p s s 所需信息。结果证明，这种控制方式 可以稳定一系列以前分析的不稳定事故，并且还可以改善不稳定事故时的母 线电压。如果p s s 进一步使用远方的测量频率，电网能大大改善对远方母线 电压的支持。 ( 4 ) 美国西部电网( w s c c ) 的基于相量测量的广域测量系统( w a m s ) 瞄】。该系统是目前世界上规模最大的，总共有7 7 台采集设备。其中4 7 台专 用相量测量设备，2 0 台基于p c 的相量测量设备，1 0 台其它测量设备。监视 约1 2 0 0 个信号。w s c c 的w a m s 的目的是系统的动态扰动监视，主要功能 是实时连续测量监视和事件记录。每个输入通道保证两周波的更新速率即每 秒3 0 次。w a m s 中的相量数据集中器( p d c ) 采用v m e 工控机和实时操作 系统，具有多个高速串口和网络通信口，可以与s c a d a 直接通信。相量数 据集中器( p d c ) 记录最新3 分钟所有输入通道的数据和事件。此外，w s c c 的w a m s 具有非常强的分析建模功能。 ( 5 ) 中国华东电网在w a m s ( 广域测量系统) 方面的工作已经开展了多 年，w a m s 系统也已经运行了6 年。该系统连续监视华东电网运行性能，包 括异常的频率，低频振荡，扰动期间和扰动后的动态特性等。利用w a m s 进 行系统动态特性校验的工作也在进行之中。华东电网新的w a m s 系统，称为 w a m a p 系统，也正在进行之中。它将为调度人员提供高质量的信息和分析 工具，用来探测华东电网将要发生的紧急情况并降低电网事故【2 6 】。 1 4 论文的主要工作 本文分析了我国特高压实验示范线路和全国互联对继电保护和安全稳定 控制提出更高要求的基础上，分析了输电线路保护的基本原理，研究了高压 输电线路广域后备保护的实现算法和方案。论文的主要工作包括： 1 ) 分析了输电线路距离保护、纵联电流差动保护和方向高频保护，研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 保护的性能和故障条件下的特殊情况。 2 ) 分析了广域后备保护的信息处理模式，研究了基于l e d 保护动作系数 和关联矩阵的广域后备保护算法，结合具体电网的实际，验证算法的正确性。 3 ) 根据广域保护中相量测量单元p m u 的采用，分析了输电线路两端的 功率变化，给出了输电线路功率差动保护的判据，结合三个水电厂和5 0 0 k v 输电线路，运用m a t l a b s i m p o w e r s y s t e m s 仿真模块对该方法进行了仿真实 验，分析方案的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章高压输电线路保护原理分析 2 1 电网距离保护 同时利用了短路时电压、电流变化的特征，通过测量故障阻抗来确定故 障所处的范围来实现继电保护的动作方式成为距离保护的保护原理。距离保 护在多电源的复杂网络中保证动作的选择性，同时反应于电压的降低和电流 的增大，具有较高的灵敏度。距离保护能瞬时切除输电线路8 0 8 5 范围内的 各种故障，它不受网络结构和系统运行方式的影响，当与输电线载波或光纤 信道配合时，可作为保护线路全长的快速保护。此外，距离保护亦可作为相 邻线路的后备保护，因此，距离保护长期以来就是复杂电网中高压输电线路 的主要保护方式【2 7 - 2 9 。但是，距离保护的性能也存在一些问题，如：短路电流 中暂态分量对距离保护正确工作的影响、线路串联补偿电容有可能造成距离 保护误动、经过渡电阻短路时灵敏度不高、过渡电阻短路导致的稳态超越、 短路电流瞬时分量引起的瞬时超越等【12 1 。 2 1 1 距离保护相电流差突变量选相 高压输电线路距离保护中，为了能测量元件准确地反应故障的距离，必 须找出故障环，根据采集到的故障特征，判断出故障的类型和相别。在2 2 0 k v 及较高电压等级的超高压输电线路中，由于系统稳定的要求，按照现行的情 况，需要实现分相跳闸，即此时单相故障只跳故障相，多相故障跳三相，就 需要保护装置既能测量出故障距离，还应能选出故障的相别【3 0 】。 相电流差突变量定义如下： l 口= ( l 一厶) 一( 口l 6 0 1 ) = ( l 一凹1 ) 一( 厶一i e 0 1 ) = l a 厶c = ( 厶一丘) 一( 磴】- 霉1 ) = ( i b - i t 0 1 ) 一( l 一辈1 ) = a i b a 屯= ( 一l ) 一( 串】- 凹1 ) = ( l 一霉1 ) 一( l 一口1 ) = l a ( 2 - 1 ) 上面式子中l b ，厶c ，乞为相电流差突变量；l ，厶，l 为相电流 突变量；l ，厶，l 为故障后相电流；凹1 ，瑁1 ，霉1 为故障前相电流。 距离保护判断故障类型和选相策略( 下列判相原则中聊为整定系数，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 短路釜障：若满足c 聊i c l i 丑i ，n c 聊i c i i | ) ，判断为a 相单相接地 摘a 0 ：。盘若满足c 朋i 乇i l t c | ) n c m i 艺i l 1 ) ，判断为b 相单相接地 b ) 若满足( 朋i 屯i l 厶c 1 ) n ( m i 乇l i k i ) ，判断为 相单相接地 短路故障； 。 。 2 。盘若满足( 聊训) n ( 聊训训) ，判断为c i iiiiiii 相单相接地 c ) 若满足( 聊i l 口i i 屯1 ) n ( 聊l k l i 厶c i ) ，判断为 相单相接地 短路故障； 当士述冬件都不满足时，判定为两相接地故障，通过比较 j 船，a i n c ，a i c a 的最大值，根据其对应的两相，就可以得出故障相。 ( 2 ) 测量电流中无零序分量，判定为非接地故障，此时判相原则如下： a ) 若满足( 聊i l l i l 1 ) n ( m | l | 厶1 ) ，判断为a b 相单相接地短路 o f o 盘 iiiiiiii 故障? 若满足c 聊l 元l i 云1 ) n c 聊i i l 之| ) ，判断为b c 相粤相接地短路 。盘c ，若满足沏l t i i i ) n 沏i i | 之i ) ，判断c a 相单相接地短路故 当上述条件都不满足时，判定为三相短路故障。 2 1 2 高压输电线路距离保护接地阻抗元件 接地阻抗元件一般按相配置，主要反映输电线路的接地故障，相电压为 每相阻抗测量元件的输入电压，输入电流为同相相电流加零序补偿电流。接 地阻抗元件的表达式为【3 1 】： z m = ( + k 3 厶) ( 2 - 2 ) 其中下标矽为接地故障相的表示方式，k = ( z o - z , ) 3 z , 为补偿系数，补 偿系数公式中的z l ，z o 为线路每公里的正序和零序阻抗。 如下图所示的网络f 点发生单相金属性接地故障时，保护安装处各相测 量阻抗为： 图2 1 双端电源网络模型图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 久枢；z “：o “ i - = z l 。+ 6 沮 d 。+ k x 3 i o ) b 枢：z 旧：6 m 8 fi 柚：z 、l k + 6 q b + k x 3 o ) c 枢：z 酊：6 忙 t ：z l k + 6j c d c + k x 3 i o ) ( 2 - 3 ) 当c 相金属接地短路时，u ，c = 0 ，u 翻，u 毋均不为0 ，此时c 相阻抗元 件的测量阻抗乙c 能正确反映故障点到保护安装处的距离。同理，a 、b 相阻 抗元件的测量阻抗和z 柚分别能正确反映a 相和b 相接地故障时，故障 点至保护安装处的距离。因此，接地阻抗元件不仅可以正确测量故障距离， 同时兼有故障选相功能。 上图是在没有考虑分布电容的双端模型的情况下，假设在f 点发生c 相 经过渡电阻接地短路，此时保护安装点的电压为 = u c2 ( i c + k x 3 z o ) x z , + 3 哆 f 2 - 4 、 由此可知在m 点的测量阻抗为z 朋= 互+ 3 r ，r o ( l + k x 3 i o ) ，z ，为故 障点到保护安装处的线路正序阻抗，乙= 3 r , b 。( l + k x 3 1 0 ) 为附加阻抗。 当系统处于单电源工作状态时，有乙= r ，z m = z ，+ 尺，测量阻抗的 变化特性如下图示 。j m庐一 图2 - 2 单侧电源测量阻抗变化图 此时测量阻抗变大，相角减小。可能导致接地阻抗继电器不动作，使保 护的速动性变差，甚至发生无选择性动作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 当系统处于双电源运行时，有z m = z , + r o ，, 7 ，测量阻抗的变化特 性如下图。 j 一_ m 图2 - 3 双端电源测量阻抗变化图 测量阻抗的表达式中，7 是两侧电源向短路点提供的短路电流，口是 由两侧电流不同相引起的测量电阻相位角，口的表达式为口= a r 9 3 i ，。j ， 当口= 0 时，乙和单测电源网络的计算方法相同；当口 0 时，测量阻 抗的电阻和电抗分量都会随之增加。 由上可知，短路过渡电阻可能导致保护发生不正确动作，过渡电阻越大， 对保护的影响就越大，过渡电阻的存在可能导致接地距离继电器拒动或者超 越稳态，严重影响接地距离保护的性能。为了减小过渡电阻对距离保护的影 响，可采用承受过渡电阻能力比较强的阻抗特性元件，如四边形阻抗元件和 电抗性阻抗元件等。 2 1 3 高压输电线路距离保护相间阻抗元件 相间阻抗元件反映三相间的两两短路故障，该元件的配置上一般设置三 个。相间阻抗元件在发生故障时能正确测量故障点至保护安装处之间的线路 距离。 发生故障时，保护装设处的三个相间阻抗元件的测量阻抗分别如下式所 示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 z 札：z 、l k + 心阻一o o d a i o z n ：z l k 七西暇一6 小 d b i l z n ：z l k + 西一o o d c i 3 ( 2 - 5 ) ，为a ，b ，c 相在故障点的对地电压，z l 为线路的每公里正序阻 抗，丘为保护安装处到故障点的距离，j 。，曰，为相故障电流。 当保护正方向发生金属性三相短路时，保护安装处三相对称，a ，b ，c 三 相在故障点的对地电压u 翻，u m ，u 贮都为o ，根据公式此时三个相间阻抗测量 元件乙。= 乙：= z m ，= z l 厶，都可以正确反映保护安装处至短路点间的距离厶。 当保护正方向发生金属性两相短路时，如a b 两相短路，保护安装处的 三相电压分别为u a = l 互4 - u 翻，= 厶乙4 - u ，曰，= 七乙4 - u ，c 且a 、b 两 相在故障点的对地电压相等，有u 埘= u m 。这时，只有a b 相间阻抗元件 z 。= z 1 疋可见，a b 两相短路时，只有a b 相间阻抗元件可以正确反映短路点 至保护安装处的距离。同理，保护范围内的b c 、a b 、c a 三种两相短路需 分别用三个相间阻抗元件来反映。 相间阻抗元件在非金属短路时的动作特性比较复杂，现在一般基于采用 电压向量图的分析方法。非金属性短路时，相间阻抗元件的测量阻抗基本不 随系统的运行方式变化，而且在功率送端和受端，这个结论都基本成立。 2 1 4 电力系统振荡对距离保护的影响 当电力系统中发生同步振荡或异步运行时，各点的电压、电流和功率的 幅值和相位都将发生周期性变化，于是这样阻抗继电器的测量阻抗也将周期 性变化。当测量阻抗进入动作区域时，保护也发生误动【2 9 】。 如下图所示，保护安装在母线m 的线路上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 4 分析系统振荡用的系统接线图 当系统振荡时，振荡电流为 j ：血二鱼：& 二血 z m + z l + z nz t ( 2 - 6 ) 此处乙表