（电力系统及其自动化专业论文）高压同杆双回线故障测距及保护动作性能测试研究.pdf

0 ， 声明尸明 l i i ii i tl ui iii i it iii il 17 8 5 4 18 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压同杆双回线保护动作性能测试及 故障测距研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 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： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期：玺坐至坐 五盟“一监毕 ， 4 华北电力大学硕+ 学位论文摘要 摘要 随着土地资源的减少和国家对土地使用的管理越来越严格，输电线路所需的占 地走廊越来越紧张。而同杆双回输电方式不仅可以缩减占地走廊，增大输送容量， 而且节省投资，是未来电网建设的必然选择，因此双回线相关的故障分析原理便成 为研究的热点。 本文从现场实际出发，考虑到双回线路往往不换位或换位不均匀，而传统解耦 方法并不适用于不对称双回线路，因此首先提出了新的参数解耦方法一“模式传输 法一；然后根据故障后的电压分布特点构建了基于双端电气量的时域测距方程，以 沧西一黄骅5 0 0 k y 双回线路为实例，建立了精确的分布参数模型，采用机电一电磁 暂态混合仿真的模式分析了线路保护在各种双回线故障下的动作性能，利用仿真数 据验证了测距算法的j 下确性和有效性，具有工程实用价值。 关键词：双回线，故障测距，时域算法，分布参数 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er e d u c i n go ft h es o i lr e s o u r c ea n dt h es o i lm a n a g e m e n ti sm o r ea n dm o r e s t r i c t e r , t h ec o r r i d o rn e e d i n go ft r a n s m i s s i o nl i n ei sm o r ea n dm o r es c a r c e r 1 1 1 ed o u b l e t r a n s m i s s i o nl i n e so nt h es a m et o w e rc a nn o to n l yr e d u c et h ec o r r i d o r s b u ta l s oi n c r e a s et h e t r a n s m i s s i o na b i l i t y , a n ds a v et h ei n v e s t m e n t i ti st h ec e r t a i nc h o i c eo ft h ep o w e rn e t w o r ki n t h ef u t u r e s ot h ec o r r e l a t i v et h e o r i e so ff a u l ta n a l y s i so fd o u b l et r a n s m i s s i o nl i n e sb e c o m et h e h o tt o p i c s i nt h i s p a p e r , c o n s i d e i n gt h e a c t u a ll i n e sa r ea l w a y sn o tt r a n s p o s i t i o n a lo ru n e v e n t r a n s p o s i t i o n ，b u tt h et r a d i t i o n a ld e c o u p l i n ga l g o r i t h mc a nn o tb ea p p l i c a b l ef o ru n e v e n t r a n s p o s i t i o n l i n e s s o d e d u c i n g “t h em e t h o d o fm o d e p r o p a g a t i o n ”；a n de s t a b l i s h i n g t i m e d o m a i n e q u a t i o n o ff a u l tl o c a t i o n a l g o r i t h m b a s e do nd o u b l e e n d e de l e c t r i c a l q u a n t i t i e s ；e s t a b l i s h i n g t h ea c c u r a t ed i s t r i b u t e d p a r a m e t e r m o d e lw h i c hi sb a s e do n c a n g x i h u a n g h u a5 0 0 k vd o u b l et r a n s m i s s i o nl i n e s ，a n da d o p t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo f e l e c t r o m e c h a n i c a l e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t ，a n a l y s i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fd o u b l e t r a n s m i s s i o nl i n ei nd i f f e r e n tf a u l t so fp o w e rs y s t e m v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f a l g o r i t h m ，i ti sp r a c t i c a lf o rt h ep r o j e c t y u a nf e n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f j i a oy a n - j u n k e yw o r d s ：d o u b l et r a n s m i s s i o nl i n e s ，f a u l tl o c a t i o n ，t i m e - d o m a i na l g o r i t h m , d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e l _ 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 概述l 1 1 1 同杆并架双回线的特点1 1 1 2 国内外研究应用现状2 1 2 同杆并架双回线故障测距的研究意义3 1 3 故障测距算法比较3 1 3 1 单端故障测距3 1 3 2 双端故障测距6 1 3 3 单、双端测距理论对比7 1 4 保护装置动作特性测试的意义7 1 5 本文的主要工作8 第二章线路参数解耦9 2 1 双回线解耦理论9 2 2 双回线换位方式1 0 2 3 对称分量法1 1 2 3 1 解耦换位均匀线路。1 2 2 3 2 解耦换位不均匀线路1 2 2 4 六序分量法1 2 2 4 1 同、反序网络的建立1 3 2 4 2 正、负、零序网的建立1 4 2 5 模式传输理论1 6 2 5 1 传播常数1 8 2 5 2 相一模转换矩阵1 9 2 5 3 解耦换位均匀线路2 1 2 5 4 解耦换位不均匀线路2 3 第三章基于双端电气量的测距法2 5 3 1 分布参数时域模型2 5 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 基于六序分量法的双端电流测距法2 6 3 3 基于模式传输法的双端时域测距法2 7 3 3 1 参数解耦一“等传输常数法”2 8 3 3 2 电气量计算2 8 3 3 3 故障定位判据2 9 3 3 4 离散化处理3 0 3 3 5 局部定位搜索3 1 第四章双回线故障测距及保护测试3 3 4 1a d p s s 仿真平台3 3 4 2 机电一电磁暂态混合仿真模型3 3 4 3 双回线故障测距3 4 4 3 1 不同过渡电阻下的测距结果3 8 4 3 2 不同搜索步长下的测距结果4 0 4 3 3 数据不同步时的测距结果4 0 4 3 4 发展性故障下的测距结果4 1 4 3 5 频率偏移下的测距结果4 l 4 4 保护测试4 2 4 4 1 区内外金属性故障4 2 4 4 2 发展性故障4 3 4 4 3 区内外经过渡电阻短路4 4 4 4 4 系统稳定破坏4 4 4 4 5t a 饱和4 5 4 4 6 系统频率偏移4 5 4 4 7 跨线故障4 6 4 4 8 保护测试结论4 7 第五章结论与展望4 8 5 1 结论及成果4 8 5 2 展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 2 华j 匕屯力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 概述 随着国民经济的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，人们对电力供应的依赖 性越来越强，用电负荷不断攀升，对电网的输送能力、供电可靠性、稳定性，以及 电能质量提出了更高的要求。 在2 0 0 5 年1 0 月，中国电力联合会对2 0 0 6 年全社会的用电量进行了估计，预 计2 0 0 6 年全社会用电量大约为2 7 1 3 0 亿千瓦时，增长速度在1 0 5 左右。但实际上 2 0 0 6 年中国全社会用电量达到了2 8 2 4 8 亿千瓦时，同比增长1 4 0 。到了2 0 0 8 年， 全社会用电量已经高达3 4 2 6 8 亿千瓦时。专家预计到2 0 2 0 年，全社会用电量将超 过6 万亿千瓦时。这种形势使电力企业认识到，必须加快高效输电线路的建设，扩 大电网规模，提升电网输送能力，保质保量地将电能输送到用电负荷中心。 为了满足社会生产、人民生活的用电需求，平衡东西部能源的分布不均匀，国 家早在上世纪9 0 年代就提出了“西电东送 战略。目前，为了提高输送功率，“西 电东送”主干网络电压等级基本都在5 0 0 k v 及以上，已经成为以超、特高压输电线 路为主的电力通道。但是，由于“西电、西气、西油东送 、铁路、公路干线和信 息通道等都沿着东西方向的各种重要设施齐头并进，这使得输电占地走廊的选择余 地并不像想象中的那么宽松，而且随着电力市场化的进程不断加快，使得电力企业 不得不考虑节约建设成本，考虑采用双回线输电技术。 推动双回线输电技术应用的内因是：为了满足用户日益增长的对电能的需求， 保证国民经济的正常运转，提高输电线路的自然输送功率迫在眉睫；另外，在保证 输电可靠性的同时，降低工程造价，节约投资，提高工程经济效益也是电力企业的 目标之一。 推动双回线输电技术应用的外因是：近年来由于各种因素的影响，政府对耕地、 森林和建设用地的监管力度不断加大，使输电走廊审批难度加大；再者，国家倡导 资源节约型、环境友好型工程，因此电网建设必须考虑如何压缩输电走廊，尽量减 少输电线路途经区域的森林砍伐、耕地占用和居民搬迁，节约土地资源。 综合上述各种影响因素，双回线路输电技术得到了电力企业的认可和青睐，并 且应用越来越广泛，已经成为我国电网建设的主流模式。 1 1 1 同杆并架双回线的特点 同杆并架双回线所需出线走廊窄、占用良田少、输送容量大、节省投资，建设 速度快。同杆并架式输电线路是在不提高输电电压等级的条件下，提高现有三相线 华北电力人学硕十学位论文 路的输电能力，能够很好地满足现代电力系统对供电可靠性、输送容量、电能质量 等的要求，保证电网输电的安全性与稳定性。 我国人口众多，人均耕地少，随着经济的发展，节约土地的问题同益重要，在 “十五 计划中，同杆并架双回线输电线路被列为重点技术进行推广应用，节省了 大量的土地资源，效果显著。例如伊敏一冯屯5 0 0 k v 线路，全长1 9 2 k m ，途经大兴 安岭林区，改为双回线建设方案后减少了对森林的破坏，节省投资上亿元；四川二 滩一自蓉5 0 0 k v 线路，长度为1 8 1 k m ，选用同杆双回路方案后节省投资2 7 0 0 万元； 兰州东一平凉一乾县7 5 0 k v 同塔双回输电线路，减少走廊征地3 0 ，降低工程造价2 0 。 在“十一五”计划中，这一技术将重点应用于超、特高电压主干输电线路。可以说 同杆双回、甚至同杆多回输电线路己经成为目前3 3 0 k v 以上主干网架发展的必然选 择。 1 1 2 国内外研究应用现状 从2 0 世纪7 0 年代开始，日本、美国、巴西、意大利、苏联等国就在线路紧凑 化方面开展了大量研究，并将研究成果应用于实际电网中。日本，由于国土面积小， 负荷密度大，为了节约电力建设用地，提高供电可靠性，双回线应用比较普遍，其 中5 0 0 k v 线路基本上均为双回线路。智利国土形状比较狭长，不易建设环形电网， 因此，2 2 5 k v 电网全部采用双回线。近些年，美国也面临路径选择困难的问题，超 高压双回线逐渐增多。 国外对7 5 0 k v 及以上等级的同杆双回输电技术研究的比较少。日本曾开展过特 高压双回输电关键技术的研究，而且在防雷、导线选择、外绝缘方面都取得了一些 宝贵的经验和成果。1 9 9 0 年，同本建成长达4 8 7 k m 的特高压双回输电线路，但一直 处于降压运行状态，所以没有获得有价值的电气性能方面的运行数据。 我国从1 l o k v , - - 一7 5 0 k y 各级系统中均有同杆双回输电线路的应用，其中2 2 0 k v 系统中双回或四回输电线路以已经较为普遍。经过多年的技术积累，现在逐渐将双 回输电技术应用于3 3 0 k v 、5 0 0 k v 等超高压线路中。截止2 0 0 6 年4 月，我国5 0 0 k v 双回线路累计长度约1 5 0 0 公里，约占5 0 0 k v 等级线路的6 。在“西电东送和全 国电网互联战略的推动下，近几年新建和在建的5 0 0 k v 超高压线路基本采用的都是 双回输电方式，并且5 0 0 k v 同塔四回线路也正在筹建中。 2 0 0 6 年，国家电网武汉高压研究院、中国电力科学研究院就“西北7 5 0 k v 同塔 双回输电关键技术 展开了研究，并获得了真型同塔外绝缘特性试验、绝缘配合、 双回输电线导线选型、电磁环境、系统稳定等关键技术成果。2 0 0 9 年1 月，我国第 一条7 5 0 k v 双回线路路工程：兰州东一平凉一乾县线路全线贯通，该线路从关键技术 研究到工程建设，全部都是自主创新的成果。它的建成，不仅使西北“绿色”供电 端电网的建设实现了新的突破，而且标志着我国在超高电双回输电技术领域达到国 华北电力大学硕士学位论文 际先进水平。 综上所述，今后的电网建设逐渐注重经济和环保因素，由初期的粗放建设，逐 渐转变为可持续发展。 i 2 同杆并架双回线故障测距的研究意义 故障测距是从空间上对故障点的定位，是快速、准确查找输电线路故障点的重 要手段，它可以帮助一线工作者迅速排除线路故障或隐患，尽快恢复供电，减少因 停电造成的经济损失，同时它也是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要 措施之一。随着同杆并架双回线的广泛应用和系统对运行可靠性的高要求，准确的 双回线故障测距方法碱为国内外学者研究的一个热点。 高压线路的长度一般都在百公里以上，而且大多穿梭于人烟稀少的山区，地形复杂； 另外野外线路的运行环境较为恶劣，非常容易因雷电等过电压而照成闪络，或者由 于树木和鸟兽造瞬时性故障，虽然现在的重合闸技术可以保证电网的继续稳定运 行，但是故障线路可能己经留下损伤、成为永久性故障的隐患，而这些潜在的损伤 往往不易被肉眼发现，因此依靠人力检查线路故障很不现实。同杆并架双回线线间 间距有限，线间耦合严重，发生跨线故障的几率较高，与单回线相比故障类型多且 复杂，其故障测距也具有复杂性和特殊性。 先进的故障测距技术，可以大大缩短故障修复时问，提高修复效率，减轻线路 巡检人员的劳动强度，同时还有助于分析故障原因，及时处理瞬时性故障所造成的 线路隐形缺陷，发现绝缘薄弱点，减小故障在同一地点重复发生的几率。 1 3 故障测距算法比较 1 3 1 单端故障测距 单端测距法是仅根据测距端一端的电压、电流之间的关系，消去其他未知量， 得到只含故障距离x 的测距方程。这种算法不需要通讯的支持，不存在数据同步问 题，实现简便，硬件投资也相应较小。常见的单端方程求解方法有迭代法、解微分 方程法、解一次方程测距法、解二次方程测距法、时域法和行波法等，但是除了解 微分方程法和时域法，其他的基本上都是在频域中经过滤波，利用电压和电流的工 频基波相量进行计算，所以t v 和t a 的传变特性不会对测距精度产生太大影响。 1 单端算法所需电气量少即是它的优点，也是它的缺点，因为该算法变量的个数 多于方程的数量。从单端算法所受的影响因素来说，它受故障过渡电阻、对端系统 阻抗的影响，而且故障点的过渡阻抗具有不可测性，对端系统参数具有时变性，所 以单端测距方法必须对这些参数进行假定和近似计算，而这些假定一般肯定与实际 情况不一致，所以单端算法难以摆脱故障点过渡阻抗和对端系统运行参数不确定性 华北电力大学硕士学位论文 的影响。如果所选用的线路模型上也存在不准确的因素，那测距误差将会更大。而 且单端法对同杆并架双回线的跨线故障测距问题较难解决。所以单端测距算法虽获 得实用，但效果并非理想，不能满足电力系统稳定运行的要求。埋1 1 下面我们详细分析一下制约单端法故障测距精度的几个主要因素： ( 1 ) 故障点过渡电阻的不确定性 线路发生纯金属性故障的概率比较小，绝大多数故障情况下在故障点都会存在 过渡电阻。相间短路过渡电阻是故障相之间的电弧电阻，数值很小，对测距精度影 响不大；对于接地故障，不需要考虑客观存在的杆塔接地电阻，但如果是经其他媒 介物接地，过渡电阻可能达到数百欧。但过渡电阻的存在并不是测距误差的最终原 因，而是过渡电阻的不可预测性，每次故障过渡电阻都不同，很难计算和检测出准 确数值，仿真时考虑的过渡电阻参数只能是假设。 ( 2 ) 负荷电流的不确定性 负荷电流是由两侧电源电势间的相角差产生的，由于负荷电流的存在，使得两 端流过电流的相位不同。两端电流的相位关系会影响故障附加阻抗的性质( 感性或 容性) ，两端电流相角差越大，电抗分量越大，从丽破坏了测量阻抗正比于故障距 离的关系，造成测距误差。 ( 3 ) 线路参数的不确定性 单端测距方程中涉及到对端系统参数，但系统运行方式是经常变化的，利用线 路一端的电气量不可能准确计算出对端的系统阻抗参数，只能通过近似计算的途径 获取一个大概的值。 另外，如果单端测距在分布参数模型的基础上采用迭代算法，迭代所需的初值 无法取自分布参数模型，而只能取自集中参数模型，参数误差是必然的。哺叫u ( 4 ) 线路分布电容和滤波效果的影响 高压输电线的分布电容在暂态过程中会引起高频分量，稳态过程中将使输电线 路的电流、电压大小和相位都产生畸变，尤其是在经高阻接地时，分布电容电流可 能在故障电流中的比例相当大。就同杆双回线而言，它发生故障时，基波上将会叠 加较高幅值的非周期和高频衰减分量。 为了保证算法所用数据的精准，单端测距都需要通过滤波提取工频量，需要足 够长的数据窗，但这只是必要条件，并不能确保滤波的效果。如果采用传统的全波 傅氏算法，虽然它具有滤除直流分量和基波整倍数谐波分量的功能，但对衰减的非 周期分量的滤除效果一般。我们简单分析一下傅氏算法的特点： 傅氏算法的基本原理是建立一个傅立叶数字滤波系统，提取电流、电压中的基 频分量。假设输入信号是一个只包含基频分量、恒定直流分量和各种整数次谐波分 量的周期信号，则此时，输入信号可表示为： 4 华北电力大学硕士学位论文 x ( t ) = i o + 一c o s ( n c o t + f p ) ( 卜1 ) n = l 式中：厶为恒定直流分量；缈为基频角频率；z 为第1 1 次谐波分量的幅值，织 为第n 次谐波分量的相位。将上式展丌，并用实、虚部形式表示为： x ( t ) = i o + ( lc o s n c o t - x ，s i n n c o t ) ( 1 2 ) 式中：= 以c 0 s 纯为第n 次谐波分量的实部；k = 以s i n o 为第e 1 次谐波分 量的虚部。根据三角函数在区间【o ，刀上的正交性特点，可以得出 小洳悃砒 ( 1 - 3 ) 以= 一孑2r 荆) s i n 刀砒 如果用计算机实现，把它变成离散的点，上式变为： 卜万2 即n c 0 s 争 m 4 ) 卜一号鼢脚尼争 式中，n 为每基频周期内的采样点数。当1 1 取不同的数值，可求出不同次谐波 分量的实部和虚部 f 幅馘= 砣+ e 1 相位织堋留( 誓) a - 5 因为这种算法的数据窗为一个基频周期，所以被称为全周傅氏算法。如果输入 信号是规律的周期性信号，采用该算法可以彻底滤除其中的恒定直流分量和整次谐 波分量，得到基频分量。但实际故障信号通常并不是呈周期性信号，其中的非周期 分量是按指数规律衰减的。对于输电线路保护来说，故障信号中的高频分量与故障 点至保护安装处之间的距离有关，不一定是整数次谐波分量，高频分量也是随时间 不断衰减的。我们假设输入信号中包含一个衰减直流分量，则电流信号可表达为： ， 砸) = a e 刊+ i m ( n ) s i n ( n o t + 6 p ) ( 1 6 ) n = l 展开后得到类似于( 1 - 3 ) 式的形式： 华北电力火学硕士学位论文 令其中的 k 出s i n + ；r s ，z m 7 ， i i m ( 行) = h n ( 帅) s 眈+ _ 2f r a e - a s i n ，z 彩础 由于含有衰减直流分量，所以a 0 ，a 0 ，则a k i 0 ，红0 ，提取的基波 分量里面还是会含有直流分量。经实践证明，如果衰减非周期分量对傅氏算法造成 的计算误差达到1 0 ，那么利用这些数据开展故障测距的误差将超过5 。 综上所述，单端测距算法虽然实用，但效果并不理想，不能满足双回线稳定运 行的需要。随着电力系统自动化水平的提高和通信技术的发展，双端或多端故障测 距方法出现了。n 争1 6 1 1 3 2 双端故障测距 双端测距是依靠可靠的通讯获取线路两端的电气量和故障信息，以线路两端至 故障点的电压分布方程为基础，构建测距方程。利用双端信息的测距算法主要有两 种，一种是利用两端电流量和单端电压量，另一种是利用两端电压、电流量。方程 的求解方法有直接数值求解、数值迭代和搜索迭代等。 在通讯的支撑下，双端测距法的信息量是充足的，建立的方程数目大于或等于 未知量数目，可以完全消除过渡阻抗对测距精度的影响，不受故障类型和系统阻抗 的影响，提高了其对系统运行方式的适应性，能够保证较高的测距精度。 1 虽然双端测距的优点很多，但是大家对双端测距还是存在一些顾虑。一是在通 信通道不足的情况下，需增加模拟装置和数字通道，资金投入较大；二是一旦通讯 出现故障，双端测距就无法工作；三是现场实际中t v 、t a 、电缆和保护装置对数据 的传输都具有一定的延时，很难使双端数据完全同步，而且这个时延是无法精确计 算的。 这些顾虑是必要的，但实际情况是，双回线都配有纵差保护，其通讯通道条件 完全能够保障双端测距的f 常运行，而且目前3 3 0 k v 及以上变电站中基本都有g p s 系统，能够保证数据同步；任何通讯设备都有偶尔出现故障的时候，但是我们不能 因为害怕通讯出现故障而畏缩不前，从整体权衡，依靠通讯实现双端测距利远大于 弊。 在没有g p s 进行同步处理的情况下，双端测距的最大问题是两端数据同步问题， 一 l 出 以 f f 缈 缈 船 s 1 啷 咖 甜 田 矿 扩 氲 彳 r r 2 一r 2 一丁 j j = i 2 七 七 从 从 华北电力大学硕士学位论文 较为普遍的处理方法是引入两端数据采样不同步角差万，构造含万和故障距离z 两 个未知数的测距方程，然后利用各种算法解出或者消去万，从而达到消除由于两端 数据采样不同步所引起的测距误差。8 嗡1 1 3 3 单、双端测距理论对比 表1 - 1 单端与双端测距的比较 对比项单端测距双端测距 所需电气信息量 少 多 对通信的依赖性低强 抗过渡电阻能力 差强 硬件投资小大 计算精度低高 随着电力系统自动化的发展，高性能测量装置、通讯和计算机的普遍应用，尤 其是g p s 的普及，使得双端测距技术的应用条件已经成熟，且双端测距算法多数不 存在原理误差，测距精度较高，因此应用前景较好。但目前双端测距算法仍有亟待 解决的问题，如算法自身的适应性、抗干扰能力和剔除伪根的判据等。 要指出的是，无论是单端测距算法还是双端测距算法，目前大多数算法均是直 接使用电力公司给定的线路参数进行测距计算，未考虑输电线路参数的不确定性。 实际上，电力公司提供的参数，是非常理想化的，实际线路参数不仅会随着环境条 件的变化而不同，而且与系统运行情况有关，存在着不确定性，当测距算法没有考 虑这一点时会给测距结果带来一定误差。 1 4 保护装置动作特性测试的意义 随着各种新型发、输、变电技术的产生，系统的故障类型和复杂程度也随之增 加。例如双回线输电可发生跨线故障，使得双回线故障类型多达1 2 0 多种，而且存 在各种复杂的复故障和发展性故障等等，要想准确迅速地识别和处理这些故障，必 须保证线路保护有非常可靠的动作性能。 传统的继电保护装置性能测试工作，采取的都是动模试验方式，在目前大电网 联网运行的需求下，其系统仿真规模受到一定的限制，扩大仿真规模需要增加较多 的发电机、变压器等一次设备，占地面积和投资较大。而利用全数字仿真可以较好 的克服这些缺点，用数字建模替代所有电气设备，只要能够保证计算速度，仿真规 模及系统运行方式可以无限增大，灵活性强，不用考虑占地面积。 继电保护作为电力系统稳定性的第一道防线，其在复杂运行环境下的运行性能 直接关系到电网的可靠运行。电网运行部门利用自身优越的数据条件，在真实电网 的背景下，模拟电网可能存在的各种运行环境和发生的故障，测试继电保护装置在 7 华北电力人学硕士学位论文 这些情况下的动作特性是非常必要的。一方面，这种做法可以在保护装置入网之前 发现其性能上的不足，将可能造成损失的几率减少到最小；另一方面，为开展励磁、 过负荷联切等安全自动装置的性能测试积累经验。口铲3 盯 1 5 本文的主要工作 本文在同一个仿真平台，同一个仿真模型下，将开展两方面的工作。一方面研 究研究双回线故障测距的方法；另一方面，对保护装置在双回线各故障情况下的运 行特性进行了模拟测试。具体研究内容如下： ( 1 ) 阐述双回线在国内外的应用情况，叙述故障测距和双回线保护装置测试 的意义，对单端和双端故障测距算法进行对比和分析，并概括全文的主要研究内容。 ( 2 ) 讨论双回线测距算法中的首要环节一一参数解耦。分析对比传统解耦方 法对于换位不均匀双回线路的解耦效果，推导新的具有优越解耦效果的解耦理论一 一“等传输常数 模式理论，采用一个实例利用m a t l a b 对其进行验证。 ( 3 ) 首先对以往采用的测距算法进行介绍和分析，分析其适用范围和局限性： 在此基础上提出基于模式传输法的双端时域测距算法，并建立测距方程。对数据的 具体处理方法、求解过程、精度提高进行叙述，并利用m a t l a b 程序予以实现。 ( 4 ) 在a d p s s 仿真平台上建立精确的分布参数模型；利用b i a t l a b 实现“模式 传输理论”算法，求解相模变换解耦矩阵；利用建立的模型对双回线的各种故障进 行了仿真，在这个过程中开展两方面的工作，一方面是基于各种故障对l e p 一9 0 1 线 路保护装置在双回线中的运行特性进行了评测：另一方面从p s a s p 电磁暂态仿真程 序中提取双端时域测距算法所需的暂态数据。 ( 5 ) 将各部分的m a t l a b 程序有机地整合在一起，利用求得的相模变换矩阵和 提取的暂态量数据计算各种故障情况下的故障距离，以验证文中算法的正确性和有 效性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章线路参数解耦 电力系统一般为三相对称系统，对于不对称故障和不对称负荷引起的三相不对 称，用对称分量法将其分解成三个对称系统后，仍然可以按照单相网络进行计算， 这是行之有效的方法。 为了增加输电容量，高压同杆双回六相输电线路逐渐增多。与单回线路相比， 双回线路不仅相与相之间存在耦合，而且线与线之间也存在耦合，在架设形势、布 线方式、换位次数等方面都体现出复杂性和多样性。许多双回线路为了节约架设费 用，避免一些绝缘问题，都采用不换位的方式，使得双回线路的参数是不对称的， 导致一些传统参数解耦算法在处理双回线解耦问题时不再适用。 参数解耦是分析和解决各种双回线问题的基础，参数解耦消除参数之间的影 响，将混合在一起的故障分量分解到到各自的序网中，使得故障特点更加简单明了， 因此，我们必须研究新的适用于不对称双回线路的解耦变换算法。n 刀。婚叫 2 1 双回线解耦理论 比较经典的相模变换有：对称分量变换、c l a r k e 变换、k a r e n b a u e r 变换、六 序分量法等。其中对称分量变换中含有复数因子，计算起来比较复杂，适用于工频 稳态下的相模变换；c l a r k e 变换和k a r e n b a u e r 变换等变换矩阵中元素全为实数， 适用于频域分析同时也适用于时域分析，但c l a r k e 和k a r e n b a u e r 变换在故障分析 时必须使用两种模分量，或者在已知故障相的前提下进行，也就是必须有选相的配 合，独立性差。口2 叫列 对于双回线的故障定位来说，解耦是关键的一步。双回线的耦合关系复杂，利 用包含各种因素的相分量不便于对各种故障进行透彻的分析，所以需要借助合适的 解耦变换方法，将双回线的电气量解耦为相互独立的模分量或者序分量，然后再对 双回线的各种故障进行分析。但是由于实际线路情况的复杂性，各种双回线的传统 解耦算法都具有自身的缺陷和局限性。 2 2 1 图2 1双回线系统示意图 9 z 。 华北电力火学硕十学位论文 2 2 双回线换位方式 电力系统中的输电线路根据实际条件大致可分为三种类型：不换位线路、不完 全换位线路和完全换位线路。不换位线路、不完全换位线路的参数不平衡，完全换 位线路从首末两端来看，线路参数平均起来是平衡的。 三三三三涎三三弓三z 曼三廷哭；爻荚 图2 - 2 九换位双回线路 对于换位均匀( 九换位) 的双回线路，线路参数是对称的，其阻抗矩阵为： z = z s z mz m z mz sz m z mz mz s 乙乙乙 z 二乙乙 乙z 二乙 z 二乙苞 z 二乙乙 z 二z 二乙 z sz mz 。 z mz sz 。 z m z mz s ( 2 - ! ) 式( 2 一1 ) 中，乙为线路自阻抗，z 。为每回线的相间互阻抗，z 。为两回线之i 司 的相间互阻抗。 随着超高压输电线路的兴建，为了节约线路架设费用或由于技术上的困难，出 现了不换位的长距离输电线路，这种线路的参数是不对称的。 萎三叉三三叉三z 曼三爻三三廷 图2 - 3 换位方式相同 萎三三三蔓三一 番三叉三三叉三 图2 - 4 换位方式相反 不换位线路阳抗、导纳矩阵如下： i o 华北电力大学硕士学位论文 z 。= 2 3 对称分量法 】厂。： l j i i k 。 k 。 艺。 】j ： k ： k ： l ： 匕e ： k 圪 】j ：， 圪 圪 匕 k 3 圪 x ， 比 五， x 。 圪 玩 e ，比 圪 ( 2 - 2 ) 对称分量法是根据电磁能量在输电线路中的传播，按所谓的正序、负序、零序 三种相对独立的“模式”，把三相线路化为三种独立的“模式传播。对称分量法 的变换方法如下： 【厂i a u i b u i c u i 认 u i 旧 u i i c 式( 2 3 ) 中口= p m 矿 m = u l0 u 1 10 u ii u i ii u l2 u i2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) m 即为对称分量法的变换矩阵，利用其对阻抗矩阵进行变换的表达式为： lz i 删：i = 【m 】_ i 【z 】【m 】 ( 2 5 ) 由m 阵作为变换矩阵进行的电学量的相序变换记为 c o l ie 印，p = 口，b , c ，口，b ，c jc o l le “，s = o ，1 ，2 ，0 。，1 ，2 i 其中口，b ，c ，a 。，b ，c 分别表示i 回线和i i 回线的各相，o ，1 ，2 ，0 ，l ，2 分别表示i 回线 和i i 回线所对应的零、正、负序，在线路参数上i 回线和i i 回线的零序间仍相互耦 合，而f 、负序之间相互独立。h 钔 4 4 4 4 4 i 艺e k 圪孙励孙孙舀孙 5 5 5 5 5 5互乙乙乙乙乙 4 4 4 4 4 4 玩易及乃磊磊 ， 3 3 3 3 3乙乙乙乙乙乙 2 2 2 2 2 2 磊易磊历磊磊 毛乙瓦毛巯 o 0 o l 口 口 2 口 口0 o o 2 0 o 0 1 口 口 2 1 口 口o o 0 0 o 0 l l l l 1 l 0 o 0 0 0 0 1 口 口 2 l 口 口0 0 o 2 0 0 o ， 口 口 2 l 口 口0 0 0 o o 0 1 l l l l 1 0 0 0 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 解耦换位均匀线路 利用对称分量法对换位均匀线路的阻抗z ( 2 - 1 ) 式解耦，解耦后得到的形式如 下： z = 木 0 o 奉 o0 木 o 00 0 0 0 枣 o o 幸 0 0 幸 0 o o o o o o0 o 0 o 0 幸 0 0 掌 ( 2 - 6 ) 解耦分析的实质将矩阵z 经过变换实现对角化，消去双回线间的互感。从上式 可以看出，即使是在耦合关系最弱的九换位方式下，使用对称分量法对矩阵z ( 2 - 1 ) 式进行解耦，也并不能使阻抗矩阵完全对角化，从物理意义上来说，对称分量法无 法彻底消去换位均与双回线间的互感。 2 3 2 解耦换位不均匀线路 用对称分量法对不换位、不完全换位双回线的参数进行解耦，解耦后的参数矩 阵效果为： z = 木 0 0 掌 0o 枣 0 00 o 宰 0 拳 0 0 幸 o 0 幸 0 oo o o o 宰 幸 o 0 0 幸 0 o 率 ( 2 - 7 )z = 幸0 o 木 0o 孝 o o oo 0 拳 o o 毒 o o 宰 oo 0 oo 毒 o o j | oo 奉 o o 幸 ( 2 - 8 ) 不难看出，对完全换位方式的线路阻抗矩阵进行解耦后只存在零序耦合，而对 不换位线路、不完全换位线路阻抗矩阵进行解耦后各序耦合都存在。 2 4 六序分量法 六序分量法也叫做同反序理论，是模分量的一种，其实质是根据电磁能量在同 杆双回线路中的传播，将两回线的对称分量分解为同向序分量和反向序分量，即同 向正、负、零序和反向f 、负、零序六种相对独立的“模式”，这六种“模式 是 独立传播的。 利用六序分量法计算同杆双回路的故障时，方法简单、概念清晰，具有类似于 对称分量法的优点，但是它也有一定的局限性。其局限性在于，它在最初就规定了 只能应用于各回线路参数及线路之间耦合系数完全相同的双回线路，即如同( 2 一1 ) 式的形势，而在实际系统中这种假设基本上不存在。铲侧 华j 匕电力人学硕+ 学位论文 最初，双回线网络中的电气量有以下关系 u m n l a u m n i b u m n i c u m n i l a u m n i i r u m n i i c z | z mz m z m z sz m z m z m z s 乙z 二z 二 z 二乙z 二 z 二乙z 二 2 4 1 同、反序网络的建立 7 7 7 - a mo m口m z 二乙z 二 7 。7 7 i o mo m r i z sz mz 。 z mz sz 。 z m z mz l j m n i a m m b i m n i c m n i i a i m n i i b j m n 眦 ( 2 - 9 ) 六序分量法的实质是消去互感，将阻抗矩阵经过相似变换转化为对角阵。首先 利用对称分量变换消去线间互感。从两根存在互感的导线出发，两根导线中的电流 可以分为两部分：同向量和反向量( 环流量) 。由于同向量电流在反向量回路中产 生的感应电势相互抵消，反向量电流在同向量的回路的感应电势也相互抵消，因此， 同反向量回路之间没有互感。将两回线中的各相量分解为同向量( 以下标t 表示) 和 反向量( 以下标f 表示) 。设变换矩阵为r p 。h 刀 p = 1o 0l 0l0 o o olo lo o一1 0lo o 0ol0 0o lo ol oo 一10 o一1 ( 2 1 0 ) 且有p 】- i = 争p 】，电压、电流、阻抗从相分量转换到同、反向网下的关系式为： u m n t f m 一卜，1 j m n t r = 【p 】一1 j m n - n 【z r ，】= 【p 】叫【z 】【尸】 z 矩阵通过这次变换为以下形式： ( 2 一l1 ) 华北电力大学硕士学位论文 z t 、，2 z s + z m z m + z m 乙+ 乙 o 0 o 乙。+ 乙 z | + z m z m + z m o o o 乙+ z 二 z m + z m z s + z j m o o 0 o 0 o z 5 一z m z ，一z ： z m z m o o 0 z m z 。 z s z j m 乙一乙 o o o z m z m 7 7 d d m 互一乙 ( 2 - 1 2 ) 乙，f 被分解为同、反向量两部分，z r 为式( 2 1 2 ) 的左上角阵，z ，为式( 2 1 2 ) 的右下角阵。z r 、z ，都为对称阵。 在同、反向网下电压、电流、阻抗的关系为： u m n t a u m n t b u m n t c u m n f a u m n f b u m n f c z s + z t m 乙+ 乙 乙+ z 二 o o o z m + z m z s + z m z m + z m o o o z m + z 。m 00 z m + z m 00 互+ 乙0 0 0 z s z 。mz m z 。m 0 z 。一z mz s z m 0 z m z j mz m z 。m 上式可简写为：住三二二j二：耋 2 4 2 正、负、零序网的建立 r ； l m n ti lj 卜 o o 0 z m z m z m z m z