（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电线路行波保护的研究.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t h v d c ( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) t r a n s m i s s i o nt a k e sa l l i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h el o n gd i s t a n c ea n dh i g h - p o w e rt r a n s m i s s i o np r o j e c t ，f o ri t s l a r g ep o w e ro ft r a n s m i s s i o n ，l o wc o s ta n dg o o dp e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so fc o n t r 0 1 i t i sr e g a r d e da st h ep r i n c i p a lm e a n so fh i g h c a p a c i t y , l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o na n d a s y n c h r o n o u sn e t w o r k i n gi nd e v e l o p e dc o u n t r i e s i nc h i n a , h v d cb e c o m e sh o t t e r a n dh o t t e ra st h er e s u l to f “w e s t e r np o w e rt ot h ee a s t ，n o r t ha n ds o u t ht os h a r e p o w e r , n a t i o n a l l i n kn e t w o r k e s p e c i a l l yi nt h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to ft h es t a t e u h vi nr e c e n t y e a r s h o w e v e r , a c c o r d i n gt o t h eo p e r a t i o no f “g z b s n qa n d t s q g b jh v d cp r o j e c t ”，r e l i a b i l i t yo fc i r c u i tp r o t e c t i o nd e v i c eo fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lh v d cl i n e si sn o th i g h ，w i t h i ne a s i l yd i s o p e r a t i o na n do t h e ri s s u e s s o h o wt oi m p r o v er e l i a b i l i t yo fh v d ct r a n s m i s s i o nl i n e si su r g e n t l yn e e d e dt os o l v ei n o u rc o u n t r y sd e v e l o p m e n to fh v d c i nt h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ft h eh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e ma s w e l la st h ec o m p o s i t i o no fd cs y s t e m sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd cl i n e s t h e nw e r a i s e dt h ec o n c e p to ft r a v e l i n gw a v e ，a n dd i s c u s so nt h ep r o t e c t i o no ft h et r a v e l i n g w a v et h e o r yi nt h ep r o c e s so fo c c u r r e n c eo ft h ed cl i n e f a u l t m o r e ，w eb u i l ta t r a v e l i n g w a v e p r o t e c t i n gm o d e lf o rh v d ct r a n s m i s s i o nl i n e sb a s e do nt h e g z b - s n qh v d cp r o j e c tw h i c hc o u l db er u no nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e “p s c a d e m t d c ”t h ep r o t e c t i o np r i n c i p l ea n dc r i t e r i o no ft h ea c t u a lo p e r a t i o no ft s q g b j h v d cp r o j e c th a v eb e e nc o r r e s p o n d i n g l ys i m u l a t e da n da n a l y z e d w ea l s ot o o kt h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sa b o u tt r a v e l i n gw a v ep r o t e c t i o no fa b ba n dt h a to fs i e m e n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w op r o t e c t i o ns c h e m eh a v ead e g r e eo fl a c ko f v u l n e r a b i l i t yt on o i s ei n t e r f e r e n c e t ot h a t e n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n da p p l i e st h ew a v e l e tt r a n s f o r m m a t h e m a t i c a lt o o lt ot h eh v d cl i n e sp r o t e c t i o n ，w h i c hf o r m st h ed i s t a n c ep r o t e c t i o n - 1 1 a b s t r a c t a n dd i r e c t i o np r o t e c t i o no fc u r r e n tp o l a r i t yc o m p a r a t i v eb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m f o rh v d c l i n e s h a v i n gb e e nt a k e nf u l ls i m u l a t i o na n a l y s i si nd e t a i l ，t h e s et w ok i n d s o fp r o t e c t i o np r i n c i p l ep e r f o r m a n c ef e a s i b i l i t yi np r a c t i c e f i n a l l y , t h i sw i l lp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ep r o t e c t i o no fh v d ct r a n s m i s s i o nl i n e k e y w o r d s ：h v d c ；t r a v e iin gw a v ep r o t e c ti0 1 1 ：w a v eie tt r a n s f o r m ：dis t a n c e p r o t e c t i o n ：d ir e c t i o np r o t e c t i o n i i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：盟 日期：二生年二一月生日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：蛊垒：日期i 旦年j l 月二生日 导师签名：日期：兰翌呈年三月2 l 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀搏硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：回硕士口博士 作者签名； 毫 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 日期：2 竺墨 年三一月型二日 第1 章绪 论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 高压直流输电( h v d c ，h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ) 以其传输功率大、线路造 价低、控制性能好等优点，在远距离、大功率输电中占有越来越重要的地位， 世界发达国家都把它作为大容量、远距离送电和异步联网的主要手段【l 】；在我国， 也因“西电东送，南北互供，全国联网 ，尤其是近年来国家大力发展特高压， 而使得高压直流输电成为电力建设的热点。自1 9 8 9 年葛洲坝至上海的输电线路 采用直流输电以来，又陆续建成天生桥至广东、三峡至常州的直流输电工程等 等。随着三峡电站的建设投产，西部大开发的加快，为配合全国联网，正在加 快以三峡电网为核心的全国联网建设，包括三峡至华东、广东的一批直流输电 工程的完成，中国直流输电在世界上将名列前茅【2 j 。 随着全国联网的完成，直流输电工程必将发挥着越来越重要的作用。高压 直流输电线路作为大区域联网的联络线及大功率传输线，它的安全性和可靠性 不仅关系到本系统的稳定性，而且将直接影响与其连接的区域电网甚至整个电 网的稳定运行，因此提高直流输电线路运行的安全性与可靠性是一个非常值得 重视的问题。然而根据葛上直流输电工程和天广直流输电工程的运行情况来看， 目前国内外投运的直流线路继电保护装置普遍存在着可靠性不高，易误动等问 题【3 】。文献 4 】对我国己投运的葛上线及天广线的可靠性指标与国际上容量及投运 年份相近的直流工程的可靠性指标做了比较，从比较结果来看我国的直流工程 可靠性指标还处于较低水平，输电线路故障仍是造成系统停运的主要原因之一。 文献 5 6 分析了国际大电网工作组对全世界高压直流输电工程的统计资料后指 出，输电线路故障是导致直流系统停运的一个主要原因。高压直流输电工程继 电保护是直流线路安全稳定运行的基本保障，因此对直流输电线路的继电保护 做进一步的研究就显得很有必要。 电力系统继电保护是电力系统的重要组成部分。它在保证电力系统安全、 稳定和经济运行等方面发挥着非常重要的作用。继电保护的主要作用是在电力 系统中电气元件发生故障时将故障元件从电力系统中尽快切除，使故障元件免 东北电力大学硕十学位论文 于遭受更大的破坏，并保证电力系统尽快恢复正常运行。在超高压系统中，根 据对系统的暂态稳定性能的要求，无论在什么故障情况下也不应使系统发生振 荡而失步，对于高压直流输电来说，由于输送容量很大，必须要求保护能够在 几毫秒内可靠动作；即使对于低电压系统的保护也应该尽可能快的动作，以便 迅速恢复供电。超高速切除故障是提高电力系统暂态稳定最基本、最有效的措 施，也是其他安全措施得以发挥作用的前提条件。因此，快速切除故障，是提 高整个系统安全与可靠运行及供电质量最直接而又简单的方法。探索新的保护 原理和方法，以提高输电线路保护的性能，是继电保护研究领域中的一个重要 课题。 随着电力系统的发展，保护的动作快速性和准确性的矛盾日益尖锐，由于 超高压输电线路继电保护对于电力系统安全稳定运行具有重要影响，这一矛盾 表现得特别突出。特别是对高压直流输电来说，要求保护的动作速度应尽可能 的快，以便对与之联系的电力系统造成最小冲击1 7 】。保护能否快速、可靠、灵敏 动作与保护的原理和算法的设计密切相关。二十世纪五十年代以来，人们开始 尝试利用故障分量来构成继电保护装置，在最近三十年中形成了研究的热潮， 其中以输电线路的故障分量构成超高速保护，取得的进展最大【8 - 9 。利用输电线 路故障所产生的故障暂态行波，即行波故障分量实现的行波保护，具有动作速 度快、不受过渡电阻、电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容的影响等独 特优点，受到了更多的重视。 随着保护装置硬件水平的大幅度提高，为各种数字信号处理方法、数学分 析工具和人工智能技术应用于微机保护提供了有效地保证。其中小波分析方法 应用于继电保护被认为具有特别重要的意义。小波理论被认为是对傅立叶分析 方法的重大突破，在非平稳信号的分析与处理中获得了广泛的应用【1 0 d 1 1 。故障分 量信号具有非平稳特性，包含了从直流分量到几百千赫兹的高频分量，基于平 稳性假设的傅立叶变换方法存在着很大的局限性。小波分析对非平稳信号的处 理和识别具有很多优势，利用小波分析可以对暂态信号进行多分辨分析、时频 分析、多尺度边沿检测等等，因此小波分析被认为是处理暂态突变信号的有力 工具，在行波保护中得到了广泛地应用。 傅立叶变换和小波变换作为常用的积分工具，己被工程技术人员习惯地用 第1 幸绪论 于计算电力系统电压电流基波、提取系统谐波和分析系统故障导致的暂态突变 量。在傅立叶变换和小波变换概念下导出的一系列分析方法为电力系统继电保 护的发展做出了重要贡献。然而就积分变换而言，这种方法需要获取在积分周 期内的所有数据，而且对其进行积分变换后，仅有几个系数来表示被积分量的 特征信息。因此，用积分变换方法来处理电力系统量需要保证足够宽度的采样 数据窗口，并且其积分变换结果相对于输入信号会带来相位偏移和幅度衰减。 如果窗口不够宽，将导致信号的丢失。信号频率越高，相位偏移和幅度衰减就 越大。另外，积分变换数值计算复杂，且对噪声特别敏感，其积分变换后的系 数，如傅立叶分解系数，对积分变换量的不确定性很敏感。在傅立叶变换和小 波变换应用于继电保护设计方面，人们不妨看到许多局限性，如窗口宽度、采 样速度、数值计算量、抗干扰性、相位移、幅值衰减和信号非周期衰减分量等 问题。因此，寻求新的，更简单的，效果更好的数学处理方法一直是继电保护 工作者梦寐以求的事情。 近年来高压输电线路特别是超高压输电线路继电保护的研究内容主要集中 在两个方面：研究新的保护算法以提高继电器工作速度；寻找更好的数学分析 方法来处理故障信息反映故障特征，如新的数学处理方法用于提高行波故障分 量保护的性能。 1 2国内外研究现状 1 2 1 高压直流输电技术发展现状 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流， 直接从直流电源送往直流负荷，即发电、输电和用电均为直流电，如1 8 8 2 年在 德国建成的2 k v ，1 5 k w ，5 7 k m 向慕尼黑国际展览会的送电工程。随着三相交 流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电取 代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅 速地发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域，直流还有交流所不能取代 之处，如远距离电缆送电，不同频率电网之间的联网等f 埘。 直流输电技术的发展与换流技术的发展，其中特别是大功率电力电子技术 的发展有着密切的关系。直流输电的发展可以按照换流技术的发展分为以下三 东北电力大学硕士学位论文 个时期，即汞弧阀换流时期、晶闸管换流时期、新型半导体换流设备的应用。 目前投运的直流输电工程主要都是以晶闸管阀作为换流阀，这一时期直流输电 工程得到了很大的发展，例如从1 9 5 4 - - 2 0 0 0 年，世界上己投运的直流输电工程 有6 3 项，其中架空线路1 7 项，电缆线路8 项，架空线和电缆混合线路1 2 项， 背靠背直流工程2 6 项。在已投运的直流工程中，架空线路最高电压( + 6 0 0 k v ) 和 最大输送容量( 6 3 0 0 m w ) 的是巴西伊泰普直流工程；最长输送距离( 17 0 0 k m ) 的是 南非英加沙巴直流工程；电缆线路的最大输送容量( 2 0 0 0 m w ) 的是英法海峡直流 工程；背靠背环流站的最大容量( 1 0 6 5 m w ) 的是俄罗斯一芬兰之间的维堡直流工 程f 1 3 】。在晶闸管换流阀时期，直流输电在远距离大容量输电，电网互联和电缆 送电( 特别是海底电缆) 等方面发挥了重大作用。 我国的直流输电是在1 9 5 8 年考虑长江三峡水力资源的开发及三峡电站的电 力外送问题时提出来的。我国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧阀换流 时期，在2 0 世纪7 0 年代直接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他 设备进行试验研制。在西安和上海先后建立了相应的试验装置和实验工程。 2 0 世纪8 0 年代，中国开始建设直流输电工程。截至2 0 0 7 年年底，我国已 投运1 0 项高压直流工程，其中5 0 0 k v 工程6 项，直流背靠背工程l 项；而作 为国家“十一五”重大科技攻关项目的“云南广东+ 8 0 0 k v 特高压直流输电工程” 正在紧张的兴建之中。 我国已经投运的直流工程【l 5 】： 舟山直流输电工程，是我国第一项直流输电工程，是由中国自主设计建 设，输送功率5 0 m w ，直流电压l o o l 【v ，直流电流5 0 0 a ，线路全长5 4 k m ，1 9 8 9 年建成投入商业运行； 葛洲坝一上海5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率1 2 0 0 m w ，工程起 于葛洲坝换流站，止于上海南桥换流站，线路全长1 0 4 5 k m ，1 9 9 0 年建成； 天生桥一广州5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率1 8 0 0 m w ，工程起 于天生桥水电站的马窝换流站，止于广州北郊换流站，线路全长9 6 0 k m ，2 0 0 1 年建成； 嵊泗直流输电工程，是中国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程， 输送功率6 0 m w ，直流电压5 0 k v ，直流电流6 0 0 a ，线路全长6 6 2 k m ，其中5 9 7 k m 第1 章绪论 为海底电缆，6 5 k m 为架空线路，2 0 0 2 年建成； 三峡一常州5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率3 0 0 0 m w ，工程起于 三峡电站附近的龙泉换流站，止于常州政平换流站，线路全长8 6 0 k m ，2 0 0 3 年 建成； 贵州一广东5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率3 0 0 0 m w ，工程起于 贵州安顺换流站，止于广东肇庆换流站，线路全长8 8 2 k m ，2 0 0 4 年建成； 三峡一广东4 - 5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率3 0 0 0 m w ，工程起于 湖北荆州换流站，止于广东惠州换流站，线路全长9 6 0 k m ，2 0 0 4 年建成； 灵宝背靠背直流工程，用于西北一华中联网，工程位于河南省- - i - j 峡市 灵宝市，系统额定容量3 6 0 m w ，额定直流电压1 2 0 k v ，额定直流电流3 k a ，2 0 0 5 年建成； 三峡一上海5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率3 0 0 0 m w ，工程起于 湖北宜昌宜都换流站，止于上海华新换流站，线路全长1 0 4 0 k m ，2 0 0 6 年建成； 贵广第二回5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送功率3 0 0 0 m w ，工程起于 贵州兴仁换流站，止于深圳换流站，线路全长1 1 9 4 k m ，2 0 0 7 年1 2 月建成。 此外，中国正在规划和建设的高压直流工程以及特高压直流工程有： 高岭背靠背直流工程，用于东北一华北联网，位于辽宁省葫芦岛市，本 期换流容量1 5 0 0 m w ，远期3 0 0 0 m w ，将于2 0 0 8 年9 月建成投产： 呼伦贝尔一辽宁5 0 0 k v 直流输电工程，额定输送容量3 0 0 0 m w ，线路 全长9 8 7 k m ，工程起于内蒙古伊敏换流站，止于辽宁鞍山长岭换流站，工程将 于2 0 0 9 年建成投产： 德阳一宝鸡5 0 0 k v 直流输电工程，用于西北一华中联网，工程将于2 0 1 0 年建成投产； 云南一广东+ 8 0 0 k v 特高压直流输电工程，额定输送功率5 0 0 0 m w ，起 于云南楚雄换流站，止于广东惠东换流站，线路全长1 4 3 8 k m ，该项目是世界上 第一条8 0 0 k v 特高压直流输电工程，工程预计2 0 0 9 年单极投入运行，2 0 1 0 年 双极投入运行。 四川( 向家坝) 一上海8 0 0 k v 特高压直流输电示范工程，额定输送功率 6 4 0 0 m w ，最大输送功率7 0 0 0 m w ，线路全长约2 0 0 0 公里，工程起于四川复龙 东北电力大学硕士学位论文 l _i 曼量曼皇曼曼曼曼! 皇曼曼! 曼皇量曼皇曼曼鼍皇皇曼曼曼! 曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼篁 换流站，止于上海奉贤换流站，工程预计2 0 11 年单极投入运行，2 0 1 2 年双极投 入运行，工程建成后将创造1 8 项世界纪录。 锦屏一苏南8 0 0 k v 特高压直流输电工程，额定输送功率7 2 0 0 m w ，工 程起于四川西昌裕隆换流站，止于苏州同里换流站，线路全长2 0 9 0 k m ，将于2 0 1 1 年建成投产： 溪洛渡左一浙西8 0 0 k v 特高压直流输电工程，将于2 0 1 4 年建成投产。 1 2 2 行波保护的提出和研究现状 行波保护的概念很早就被提出，但直到1 9 7 6 年，第一套行波保护装置才由 瑞士通用电气公司研制成功，并投入试运行【1 6 j ：同时其他国家也先后开始了行 波保护的研究。我国于1 9 7 8 年开始行波保护的研究，并于上个世纪8 0 年代初 从瑞典引进2 套r a l d a 型行波保护装置，分别安装在东北5 0 0 k v 电网( 锦辽线) 和华中电网( 平武线) 。经过多年的研究，国内外学者已经提出了众多的行波保护 方案，但是很多保护方案还仅仅是停留在研究的阶段，随着计算机技术、高速 数字信号采集和处理技术在电力系统继电保护中的广泛应用，为行波保护应用 于电力系统创造了良好的条件。 根据电磁场理论，电能以波的形式传播。正常运行和发生故障时，输电线 路上都存在运动的电压和电流行波【l7 。当线路发生故障时，会从故障点产生向 两侧以接近光速传播的暂态电流行波和电压行波，而行波信号中包含着丰富的 故障信息，对于继电保护来说，充分利用线路故障时产生的暂态故障行波，即 行波的故障分量，可构成超高速行波保护，能够满足直流输电线路保护速动性 要求。由于暂态电流、电压行波不受两端换流站的控制，其幅值和方向皆能准 确反映原始的故障特征而不受影响，可见其可靠性是很高的【l 引。而且，同基于 工频电气量的传统保护相比，行波保护具有超高速的动作性能，其保护性能不 受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容等的影响，因此行波保护以其优 良的速动性在国际上一直被作为直流输电线路的主保护。 目前已经研制出和正在研究的超高速行波保护有以下几种类型：行波方向 比较式保护；行波极性比较式方向保护；行波差动保护：行波距离保护。 行波方向比较式保护是根据行波特征不变性理论推导出正反向故障判据， 可以工作于两端纵联方式和单端独立方式。d o m m e l 和m i c h e l 首先应用行波特 第1 章绪论 曼曼鼍曼曼皇曼曼皇曼曼皇量曼曼皇鼍詈皇曼曼曼量曼曼璺曼! 量曼蔓蔓曼曼曼曼曼曼曼i i i i 皇曼曼鼍曼皇鼍曼曼鼍曼皇曼曼曼鼍曼曼詈鼍 征不变性理论推导出利用正向行波及其一阶导数构成反应的行波比较式保护判 据；它的基本原理是：根据行波的行进方向判定故障方向，进而根据两端方向 元件的动作结果决定保护是否动作。从理论上讲，该保护方向性明确，与故障 位置、初相位、故障类型无关。该保护存在的问题是：在行波发生多次折返射 后，不再满足方向判据。因此必须在很短的时间内完成判据的快速检测。由于 只采用前向行波判决，因此在背侧发生故障时，可能由于行波的折射和反射产 生误判断。这种方法对噪声非常敏感，各种干扰容易引起误动作，从而限制了 其实际应用。 行波极性比较式方向保护是根据故障发生后电压电流故障分量的初始极性 关系实现故障方向判别。在输电线路内部发生故障时，线路两端均有同一极性 的电流和电压故障分量，外部故障时，近故障端有相同极性的电流和电压分量。 理论分析和运行经验表明，在交流系统中，当电压过零前发生故障时，很可能 产生不正确的极性判断。另外，某些情况下非故障相的保护会由于相间耦合关 系发生不正确的极性判断。而在直流系统中，这些情况都不存在，因此这种保 护方式对直流输电线路的保护具有很大优势。 行波差动保护基本原理是：由线路一端发出的前向行波经延时后到达另一 端，前向行波的形状及大小是不变的，即输电线路上外部故障时满足行波特征 不变性【l9 1 。通过数字载波通道利用p c m 编码传送线路两端行波电流电压的采样 值，并且使用了比较完整的行波故障信息。缺点是要求高性能的数字载波通道； 保护性能受网络拓扑结构的影响。另外，判决计算中行波波速和线路波阻抗与 线路结构及环境条件等因素有关，选择不恰当时也会影响判决计算的正确性。 行波距离保护是以行波反射原理构成，通过检测初始行波和反射行波到达 检测母线的时间计算出故障距离。它的优点是仅使用单端量，容易实现，动作 速度快。主要问题有：受被保护线路两端母线的结构影响大，其值与他们所连 接的其他线路及其末端母线的结构都会严重影响距离继电器的测量结果：由于 波的畸变和衰减，使得延时的测量变得困难；而且波速受接地电阻的影响，使 得距离保护误差增大。 上述的行波保护虽然能够一定程度上体现行波保护的优点，但是由于行波 本身的高频暂态性质、原理缺陷以及数学工具、技术条件等的限制，保护装置 东北电力大学硕十学位论文 性能不够稳定，可靠性较差。这个阶段的理论研究和装置研制奠定了行波保护 的基础，也为今后的行波保护研究积累了重要的经验。小波变换的出现在一定 程度上解决了一些问题，为行波保护开辟了新的天地，但是仍然存在很多问题， 因此寻求新的更好的数学工具一直是保护工作者致力的目标。 1 2 3 高压直流输电线路行波保护的提出和现状 直流输电线路不仅传输功率大，而且线路发生故障后，要求线路保护装置 必须尽可能快的动作，切除故障，否则将对整个系统造成很大的冲击，对系统 的安全稳定运行构成威胁。而一般的工频保护由于其动作速度慢，耗时较多， 难以满足直流输电线路保护的要求，因此人们把目光投向了动作更快的行波保 护。 直流输电线路由于其结构简单，几乎没有分支，因此故障行波的传播与交 流线路有所不同。直流输电线路发生故障后，其故障行波传播除了具有交流线 路故障行波的一般特点外还有其自身的特点，主要表现在以下几个方面【2 0 】： 直流系统发生故障时，一方面，可以利用桥阀控制极的控制来快速地限 制和消除故障电流；另一方面，由于定电流调节器的作用，故障电流与交流线 路相比要小的多。因此，对直流线路故障的检测，不能依靠故障电流大小来判 别，而需要通过电流或电压的暂态分量来识别。行波保护正是应用了故障后线 路传播的行波作为保护信息，这既避免了工频保护易受电流和电压调节器的影 响，又可利用行波的快速性构成快速保护。 相比于交流输电，在高压直流输电系统中，由于直流线路结构简单，两 端换流站波阻抗非常大，折射率几乎为0 ，反射率几乎为1 ，当线路内部故障时， 故障行波几乎只在整流器和逆变器之间来回反射，这一特性对行波保护具有优 势；直流线路区外故障时，由于换流器和平波电抗器的作用，折射到行波检测 装置( 安装在平波电抗器侧) 的行波，无论是幅值还是波头的陡度都大大地减小 了。 相比于交流系统，行波保护在直流系统中具有更明显的优越性。首先， 在交流系统中，如果在电压过零时刻( 初相角为o o ) 发生故障，则故障后线路上没 有故障行波出现，保护存在动作死区；直流系统中不存在电压相角，则无此限 制。其次，交流系统中电压、电流行波的传输受母线结构变化的影响较大，并 第1 章绪论 i i! 且需要区分来自故障点的行波和各母线的反射波以及透射波，难度较大；而高 压直流线路结构简单，对直流线路来说上述问题也较简单。 在国外，用于高压直流输电线路保护比较成熟的行波保护方案有a b b 公司 和s i e m e n s 公司的行波保护方案。这两种保护方案保护动作快，对线路全长范 围内各种故障均能可靠识别，但都不同程度的存在着易受噪声干扰，容易误动 的问题。例如在仿真时当线路故障信息加入2 的噪声或过渡电阻较大时，都不 同程度出现误动。这是由于其保护判据原理存在缺陷，其原理采用的电压和电 流都是瞬时值，在计算时选择计算点的数值直接影响判距的结果；其次由于微 分运算的固有特性，它对噪声非常敏感，易受噪声的干扰。 在国内，行波保护方案的研究只是限于理论方面。小型的高压直流输电工 程国内已经可以实现全套设备和技术，但是用于超高压输电线路的行波保护方 案和装置只限于理论研究上。目前，国内已经运行的高压直流输电线路的行波 保护方案和装置均为进口国外的设备和技术。与此同时，国内的不少厂家和设 计院等相关部门在技术合作上，正在积极地实现部分或全部技术的转让。 目前，针对直流线路的行波保护国内外学者研究的还不是很多，而且新原 理的应用也只是停留在理论研究的阶段，随着直流输电技术在电力系统发挥的 作用不断增大。引用新的数学方法、研究新的保护原理，来解决高压直流输电 线路行波保护的问题，就显得极为必要，而这也印证了本课题在高压直流输电 技术上重要的研究意义。 1 2 4 小波分析在高压直流输电线路行波保护中的应用 行波信号是一种具有突变性的、非平稳性的高频暂态信号，从故障的电流 电压信号中提取出有效的故障特征是构造行波保护的前提与关键所在，由于傅 立叶变换只能得到故障信号在频域的信息，不能完全反映故障信号的时域特征， 因此，需要新的数学工具来刻画故障信号。 小波变换是近年来获得广泛应用的一种信号处理方法，具有时频局部化性 能，能把分析对象“聚焦 到任意细节，被誉为数学上的“显微镜。小波变换 对信号的奇异和突变部分非常敏感，而电力系统故障通常表现为电压、电流信 号的某种突变，因此，利用小波变换来检测突变点的位置和突变点的时刻是比 较有效的。小波变换是傅立叶分析的重大发展，它的出现给应用科学领域带来 东北电力大学硕士学位论文 ! h i 一； _ l l 曼曼曼鼍舅曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇 了新的机遇，特别是信号处理、图象边缘检测以及模式识别等领域。它的加窗 思想，使得信号在时域与频域内同时具有良好的局部化性质，但与加窗傅立叶 变换相比，它不只是把某一频率的信号加窗而使该频率的信号信息更加清晰化， 而是把每个频率的信号信息清晰化了，具有随频率不同自动调整窗宽高的自适 应性。小波的多分辨分析，对原始数据进行了逐步分层分解，对电力系统继电 保护而言则可以提高可靠性。 文献 2 1 2 2 对小波变换的行波保护进行了详细的研究，结果表明基于小波 变换的行波方向保护采用小波算法，准确提取故障行波的突变信号，克服了传 统行波保护的不足，不但具有超高速的动作性能和良好的故障判别能力，还具 有很高的可靠性以及良好的抗干扰性能。随着科学技术的不断进步，特别是小 波变换的出现、d s p 技术的成熟和光互感器的广泛应用，具有超高速动作性能的 现代行波保护研究的新高潮必将到来。目前，国内外众多高校、科研单位和制 造厂家已经投入巨大的人力、财力和物力进行这个领域的研究工作，并已取得 了阶段性研究成果。可以预计：新型行波保护不久将在高压输电线路获得更加 广泛应用。 纵上所述，小波分析方法应用于行波保护仿真研究中是可取的，是当前行 波保护研究的热点。 1 3论文研究的主要内容 近年来高压输电线路特别是超高压输电线路继电保护的研究内容主要集中 在两个方面：研究新的保护算法以提高继电器工作速度：寻找更好的数学分析 方法来处理故障信息反映故障特征，如引入新的数学处理方法用于提高行波故 障分量保护的性能。本文将针对高压直流输电线路自身的特点，在直流线路行 波保护中介绍小波变换技术的应用，且应用p s c a d e m t d c 2 3 1 进行仿真分析， 并且讨论高压直流输电线路继电保护需要解决的主要问题以及解决的办法。 本课题所要完成的主要工作，具体如下： 1 对高压直流输电线路的故障过程进行分析，掌握直流输电线路行波保护 的原理，并针对直流线路区别于交流线路的特殊性，分析各种行波保护的差异； 2 建立基于p s c a d e m t d c 仿真软件的高压直流输电线路仿真模型，并对 第1 章绪论 实际运行的天广直流行波保护判据以及a b b 和s i e m e n s 行波保护原理与判据 进行数值仿真分析，总结国内外保护原理的优缺点； 3 引入新的数学工具一- 4 , 波变换技术，在小波检测理论的信号奇异性模 极大值理论的基础上，讨论基于小波变换的h v d c 行波测距式距离保护和电流 极性比较式方向保护，并对模型进行深入的数值仿真，分析其动作性能和实际 运行中所需要注意的问题； 4 研究分析集保护和故障定位于一体的行波保护原理，提高直流输电系统 的故障定位速度和准确性，并分析降低噪声干扰的措施。 东北电力大学硕士学位论文 l ! m m 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼皇! 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第2 章高压直流输电工程及行波保护原理 2 1 直流输电工程 2 1 1 直流系统构成 直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。直流输电与交流输 电相互配合构成了现代电力传输系统。目前电力系统中的发电和用电的绝大部 分均为交流电，要采用直流输电必须进行换流，也就是说在送端需要将交流电 变换成直流电( 称为整流) ，经过直流输电线路将电能送往受端：而在受端又必 须将直流电变换为交流电( 称为逆变) ，然后才能送到受端的交流系统中去，供 用户使用。送端进行整流变换的地方叫整流站，而受端进行逆变变换的地方叫 逆变站。整流站和逆变站都统称为换流站。实现整流和逆变变换的装置分别称 为整流器和逆变器，它们统称为换流器。 直流输电工程的系统结构可以分为两端直流输电系统和多端直流输电系统 两大类。目前世界上已投运的直流输电工程大多为两端直流输电系统，只有意 大利一撒丁岛( 三端) 和魁北克一新英格兰( 五端) 直流输电工程为多端直流 输电系统。两端直流输电系统又可分为单极系统( 正极或负极) 、双极系统( 正 负两极) 和背靠背直流系统( 无直流输电线路) 三种类型。 两端直流输电系统的构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。 对于可进行功率反送的两端直流输电工程，其换流站既可以作为整流站运行， 又可以作为逆变站运行。 双极两端中性点接地方式是大多数直流输电工程所采用的正负两极对地， 两端换流站的中性点均接地的系统构成方式，如图2 1 所示。利用正负两极导线 和两端换流站的正负两极相连，构成直流侧的闭环回路。两端接地极所形成的 大地回路，可作为输电系统的备用导线。正常运行时，直流电流的路径为正负 两根极线。实际上它是由两个独立运行的单极大地回线系统构成。正负两极在 大地回路中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差值。双极中的任一极均 能构成一个独立运行的单极输电系统，双极的电压和电流也可以不相等。双极 第2 章高压直流输电丁程及行波保护原理 的电压和电流均相等时称为双极对称运行方式，不相等时称为电压或电流的不 对称运行方式。当双极电流相等时，地中无电流流过，实际上仅为两极的不平 衡电流，通常小于额定电流的1 。因此双极对称方式运行时，可基本消除由于 地中电流所引起的电腐蚀等问题。 图2 - 1 双极两端直流系统( 中性点接地) 接线示意图 卜换流变压器；2 一换流器；3 一平波电抗器；4 一直流输电线路； 5 一接地极系统；6 一两端交流系统 双极方式的直流输电工程，当输电线路或换流站的一个极发生故障需退出 工作方式时，可根据具体情况转为三种单极方式运行，即：单极大地回线方 式；单极金属回线方式；单极双导线并联大地回线方式。通常是在故障极 停运时，健全极的电流通过两端接地极和大地( 或海水) 所构成的回路返回， 首先自动形成单极大地回线方式运行，同时可利用直流输电系统的过负荷能力， 使健全极在短时间内输送的功率大于其额定值，以减小对两端交流系统的冲击。 然后根据具体情况来确定直流工程继续运行的系统构成方式。 2 1 2 直流输电线路 直流输电线路可分为架空线路、电缆线路以及架空一电缆混合线路三种类 型，工程中采用何种类型的输电线路，要以换流站位置、线路沿途地形、线路 用地拥挤情况来决定。直流输电架空线路结构简单，线路造价低，线路走廊较 窄，线路损耗小，运行费用也较省；直流电缆线路承受的电压高，输送容量大， 输送距离远，寿命长，但是成本高。实际应用中大部分都是直流架空线路。 在机械结构的设计计算方面，直流架空线路和交流架空线路没有显著的差 别。在电气方面，虽然它们之间也有某些相似之处，但是直流架空线路毕竟具 有许多特点，需要对某些特殊问题作专门的探讨。例如，直流电晕的发展机理 东北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼皇曼! 曼量曼曼曼皇| 一 一一i 1 1 一 和它所引起的能量损耗与无线电干扰；直流线路绝缘子的运行特性；直流线路 的过电压；直流架空线的绝缘配合等。这些不涉及到本论文的内容，这里不作 分析了。 一般对于+ 5 0 0 k v 直流架空线路，一般都采用l g j 3 0 0 及以上系列规格的导 线，其电晕对环境产生的影响都在允许范围内。天广直流工程( 西起天生桥水 电站附近的马窝换流站，东至广州北郊换流站) 采用了三种规格的直流架空线 路：4 x l g j 4 0 0 、4 x l g j 一4 5 0 和4 l g j 5 0 0 。 2 2 直流线路故障行波理论 2 2 1 直流线路故障过程 当输电线路发生故障时，由于线路的分布电容和电感的充放电过程，就导 致故障点产生了故障电压行波和电流行波，分别流向线路两侧母线。高压直流 架空线路发生故障时，就故障特性而言，短路故障的过程分为三个阶段：初始 行波阶段、暂态阶段和稳态阶段1 2 4 】。 1 初始行波阶段故障后，线路电容通过线路阻抗放电，沿线路电场和磁 场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相应的电压行波。其中电流行波 幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故障点的直流电压值。线路对地故障点弧 道电流为两侧流向故障点的行波电流之和，此电流在行波第一次反射或折射之 前，不受两端换流站控制系统的控制。经过来回反射和折射后，故障电流转入 暂态阶段。 高压直流线路行波保护原理就是利用故障瞬间所传递的电流、电压行波来 构成超高速的线路保护。另一方面，由于暂态电流、电压行波不受两端换流站 的控制，其幅值和方向皆能准确反映原始的故障特征而不受影响，可见其可靠 性是较高的。 2 暂态阶段直流线路故障电流主要分量有：带有脉动而且幅值有变化的 直流分量( 强迫分量) 和由直流主回路参数所决定的暂态振荡分量( 自由分量) 。 在此阶段，控制系统中定电流控制开始起到较显著的作用，整流侧和逆变侧分 别调节使滞后触发角增大，抑制了线路两端流向故障点的电流。 传统的基于电流、电压幅值或相位变化量的保护原理就是采用暂态阶段的 第2 章高压直流输电工程及行波保护原理 故障分量，但其动作性能却远不如行波保护：首先，其反应速度相比于行波保 护就慢了很多；其次，由于定电流控制的作用，使得故障电流、电压的幅值和 变化率都减小了，加大了故障识别的难度，甚至可能改变故障电流的方向，从 而造成保护的不正确动作。 3 稳态阶段最终，故障电流进入稳态，两侧故障电流提供的故障电流稳 态值被控制到分别等于各自定电流控制器的整定值，两侧流入故障点的电流方 向相反，故障点电流为两者之差，即为电流裕额厶。 2 2 2 均匀输电线行波理论 高压输电线路故障时产生的故障暂态分量包含相当宽的频带范围，从直流 分量到几百千赫的高频分量。研究和利用行波的故障分量的不同频率分量在故 障线路和非故障线路上的不同表现，或者采取