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(电力系统及其自动化专业论文)超(特)高压输电线路差动保护的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
国电自动化研究院硕士学位论文 足的缺点 4 利用e m t d c 仿真软件 对未补偿的相量差动 基于稳态补偿的相量差动 基于时域补偿的相量差动 贝瑞隆差动 贝瑞隆差动实用判据进行了仿真比较 在 r c s 9 3 1 a 的软硬件基础上 开发出了贝瑞隆差动判据和贝瑞隆差动实用判据的保护 程序 并通过了r t d s 仿真试验 仿真试验的结果表明分析正确 新判据可靠 5 分析了特高压输电系统有别于超高压 高压输电系统的电气特性 并探讨了 其对差动保护的影响 通过对不同线路长度 不同补偿度的特高压输电线路相量差 动保护大量e m t d c 仿真试验 提出了一种特高压输电线路差动保护方案 仿真表 明 只要选择合适的动作门槛及采取相应的电容电流补偿措施 已经在超高压线路 上有丰富的运行经验的电流差动保护同样适用于特高压输电线路 关键词 特高压输电线路电流差动保护t a 饱和采样同步 电容电流补偿并联电抗器贝瑞隆模型 国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nh a sb e e no n eo f t h eb e s to p t i o n sf o rp r o t e c t i n ghv e h vt r a n s m i s s i o nl i n e w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y s i m p l i c i t y r e l i a b i l i t y s p e e d i n e s sa n dt h ea b i l i t yo fp h a s e s e l e c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l e c o m p l e xi n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m e s p e c i a l l yt h ea p p e a r a n c eo fu h vt r a n s m i s s i o n s y s t e mi no u rc o u n t r y t h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e rg r i dh a sb e e ng r e a t l y c h a n g e d w h i c hg r e a t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h i s p a p e ra n a l y s e st h ep r o b l e m sw i t ht h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no fe h v u h v t r a n s m i s s i o nl i n e sf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 p r o b l e m sr e s u l t i n gf r o mt h ec u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n o fe h v u h v t r a n s m i s s i o nl i n e w h i c ha r e t h ec u r r e n tt r a n s f o 姗c rs a t u r a t i o nd u et ot h ee x t e r n a lf a u l t s t h es a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h ec a p a c i t a n c ec u l t e n to nt h ec u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a n ds o m eo t h e rs p e c i a lp r o b l e m so ft h ec u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o ni nu h vs y s t e m s t h el a s tt w oi s s u e sa r es t u d i e dm a i n l yb yt h ea u t h o rw h oa l s o p r o p o s e ss o m ep o s s i b l es o l u t i o n si nt h ep a p e r 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e a d ya n dt r a n s i e n tc a p a c i t a n c ec u r r e n to fe h v u i i v t r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n t h ee x i s t i n g s c h e m eo fs t e a d yc a p a c i t a n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o nc a n n o tc o m p e n s a t et r a n s i e n t c a p a c i t a n c ec u r r e n t t h e r e f o r e a l la p p l i e da l g o r i t h mo f c u r r e n td i f f e r e n t i a lc r i t e r i o nb a s e d o nt i m ed o m a i nc a p a c i t a n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o ni sr e c o m m e n d e dt oc o m p e n s a t et h e t r a n s i e n tc a p a c i t a n c ec u r r e n te f f e c t i v e l y b a s e do nt h es i t u a t i o nt h a tt h es h u n tr e a c t o rm a y b ei n s t a l l e do ns o m ee h v u h vl o n gt r a n s m i s s i o nl i n e s t h ei n s t a l l a t i o nf u n d a m e n t a l s o fs h u n tr e a c t o ra r ea n a l y z e d a n da m e n d a t o r ys c h e m e sa r ep r o p o s e dw h e no n eo ft h e c o m p e n s a t i o na l t e r n a t i v e si sa p p l i e dt ot h et r a n s m i s s i o nl i n ew i ms h u n tr e a c t o r s 3 s i n c et h ec a p a c i t a n c ec u r r e n th a sn oe f f e c to nt h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lc r i t e r i o n b a s e do nb e r g e r o nm o d e l b yt h ea n a l y s e so f t h ec r i t e r i o n sp e r f o r m a n c ef o ri n t e r n a la n d e x t e r n a lf a u l t s t h ec r i t e r i o n sd i f f e r e n t i a lc u r r e n te x p r e s s i o n so ff a u l t p h a s ea n d h e a l t h p h a s ew h e ni n t e r n a lf a u l to c c u r si nt h r e ep h a s ec o u p l i n gl i n e si se d u c e d i ti s f o u n dt h a tt h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n to fh e a l t h p h a s ec a l lb eq u i t el a r g ei ns o m ei n t e r n a l f a u l t s w h i c hw i l ld e c r e a s et h es e n s i t i v i t yi fp h a s es e l e c t i o nt r i p p i n gi sr e q u i r e d an e w 1 1 1 国电自动化研究院硕士学位论文 a p p l i e dc r i t e r i o nb a s e do nb e r g e r o nm o d e li sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h en e w c r i t e r i o n s d i f f e r e n t i a lc u r r e n ti sw a ys m a l lf o re x t e r n a lf a u l t w h i l et h ed i f f e r e n t i a lc u r r e n to f f a u l t p h a s ei st w i c eo ft h eo n eo ft h eo l dc r i t e r i o nf o ri n t e r n a lf a u l t t h e r e f o r et h en e w c r i t e r i o nh a sh i g h e rs e n s i t i v i t yf o ri n t e r n a lf a u l t sa n dh i g h e rr e l i a b i l i t yf o re x t e r n a lf a u l t s t h a nt h eo l dc r i t e r i o n a tt h es a m et i m e n e wc r i t e r i o n ss e n s i t i v i t yi si m p r o v e db y a d a p t i v er e s t r i c t i o n 4 w i t ht h eh e l po fe m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r e s i m u l a t e dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n t p e r f o r m a n c e so f t h ef o l l o w i n gc r i t e r i o n sa r em a d e c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw i t h o u t c o m p e n s a t i o n c u r r e n t d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n w i t h s t e a d yc a p a c i t a n c e c u r r e n t c o m p e n s a t i o n c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n w i t ht i m e d o m a i nc a p a c i t a n c ec u r r e n t c o m p e n s a t i o n c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e db e r g e r o nm o d e la n da p p l i e dc u r r e n t d i f f e r e n t i a lc r i t e r i o nb a s e db e r g e r o nm o d e l b a s e do nh a r d w a r ep l a t f o r mr c s 一9 31 八 p r o g r a m sa b o u tc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb a s e do nb e r g e r o nm o d e la n dt h ea p p l i e d c u r r e n td i f f e r e n t i a lc r i t e r i o nb a s e do nb e r g e r o nm o d e la r ed e v e l o p e d a n dt h ep r o t e c t i o n e q u i p m e n t sb a s e d 0 1 1t h e s es c h e m e sh a v ep a s s e dt h er t d ss i m u l a t i o nt e s t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n a l y s i si sc o r r e c ta n dt h en e wc r i t e r i o ni sr e l i a b l e 5 a n a l y z i n gt h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fu h vt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi s d i f f e r e n tf r o me h v h vt r a n s m i s s i o ns y s t e m a n di t si n f l u e n c eo nt h ec u r r e n t d 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 sa r et a k e nw i t hd i f f e r e n tl e n g t h sa n di nd i f f e r e n t d e g r e e so fc o m p e n s a t i o no ft h et r a n s m i s s i o nl i n e ac u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n s c h e m eu s e di nu h vt r a n s m i s s i o nl i n ei sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nw i d e l yu s e di ne h vt r a n s m i s s i o nl i n ec a l la l s ob ea p p l i e dt ou h v t r a n s m i s s i o nl i n ew i t ha na p p r o p r i a t et h r e s h o l da n da ne f f e c t i v em e a s u r et oc o m p e n s a t e c a p a c i t a n c ec u r r e n t k e y w o r d s u h vt r a n s m i s s i o nl i n ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n c u r r e n tt r a n s f o r m e rs a t u r a t i o n s a m p l i n gs y n c h r o n i z a t i o n e a p a e r a n e ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n s h u n tr e a c t o r b e r g e r o nm o d e l i v 国电自动化研究院学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得国电自动化研究院或其它教育机构 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 国电自动化研究院学位论文使用授权声明 国电自动化研究院 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许 论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权国电自动化研究院科教中心办理 研究生签名 墓鱼墅 导师签名 国电自动化研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 电流差动保护的原理早在上世纪初就已经提出 迄今为止 已有近百年的历史 由于这种保护原理具有灵敏度高 简单可靠 动作速度快和本身有选相功能等优点 而被广泛地应用在电力系统的发电机 变压器 母线 大型电动机等诸多重要电气 设备的保护中作为主保护 电流差动保护原理在电力线路上的应用 最早就是传统 的导引线保护 1 它可作为高 中压电网中的短距离线路的全线速动主保护 对于 中 长距离的输电线路 由于难以测量线路对端的电流 而在相当长的时间内 无 法应用电流差动保护原理 随着微波通信技术 光纤通信技术的发展和其在电力系 统通信中的逐渐应用 又先后出现了输电线路的微波电流差动保护和光纤电流差动 保护 从继电保护的故障信息的观点来看 电流差动保护原理最为理想 差动电流中 完全消除了非故障状态下的电流分量 不计线路分布电容电流时 以差动电流作为 动作量的电流差动保护具有以下一些优点 1 能适应电力系统的振荡 非全相等 各种复杂的运行状况 2 只需测量各端的电流值 不受p t 断线影响 因而更为简 单可靠 有加速保护动作的可能 3 具有天然的选相能力 4 它可以适应各种拓 朴结构复杂的电力网络 如t 型接线输电线路 5 灵敏度高 几乎可以实现全线 路的速动保护 这些突出优点是目前输电线路上所采用的其它各种原理的保护均所 无法比拟的 随着通信技术的发展及其在电力系统通信中的广泛应用 电流差动保 护必将成为超高压 特高压线路的主保护 1 2 本课题的研究现状及发展趋势 由于线路差动保护的诸多优点 国外的主要继电保护设备制造公司几乎都研究 这种保护 或者己有自己的产品 目前比较典型 影响较大的产品 主要是日本东 芝公司的d 2 l 7 e 型数字电流差动保护装置 1 a r e v a 原a l s t o m 的p 5 4 x 系列 差动保护装置 三菱公司的m c d 差动保护装置 g e 公司的l 9 0 线路纵差保护装 国电自动化研究院硕士学位论文 置叫和a b b 公司的r e l 5 5 1 5 6 1 型线路差动保护忉 它们基本上代表了当前国外本 课题的研究成果与水平 在国内 主要的几家继电保护产品供应商也都相继推出了 自己的线路差动保护装置 如南瑞继保的r c s 9 3 1 a 型超高压线路成套保护装置伽 北京四方的c s l l 0 3 a 数字式输电线纵联电流差动保护装置啪 国电南自的p s l 6 0 3 型数字式线路保护装置 许继公司的w x h 8 0 3 型输电线路的成套数字式保护装 置 l l 1 2 1 差动保护的原理判据的研究 线路差动保护历经几十年的发展 差动保护原理判据的研究 应该说已是非常 成熟和丰富 对此文献1 1 2 作了比较全面和详细的介绍 工程实际应用的差动保护 判据相对于学术研究略有保守 而国内外不同厂家所选用的判据也略有不同 按利 用电流分量的不同 电流差动保护可分为全电流差动保护 变化量电流差动保护 零序分量电流差动保护 按利用电流形式的不同 可分为相量差动保护和采样值差 动保护 各种差动保护均有各自的优缺点 工程实际证明单一的某种差动判据不 可能解决超高压 特高压输电线路继电保护中的所有问题 寻求几种不同的电流差 动保护判据综合使用 是一个比较好的选择 目前 国内厂家一般采用以下综合电 流差动判据 1 1 变化量差动保护 i i ki t o 1 1 l ll 后i 一 i 1 2 式中 业 碱为两端电流变化量 i o 为动作门槛 k 为比率制动系数 变化量差 动保护优点是动作速度快 不受负荷电流的影响 保护的灵敏度高 耐过渡电阻能 力强 其缺点是只能在发生故障的初始阶段使用 2 稳态量 全电流 普通相量 差动保护 i i p i o 1 3 i j lp k l 一li 1 4 式中 j 丘为两端电流相量 稳态量差动的优点是适用各种情况 稳定可靠 缺 点是受负荷电流影响大 允许过渡电阻能力较差 动作速度较慢 3 零序分量差动保护 国电自动化研究院硕士学位论文 i 厶 kl i o 1 5 i i k i 一k i 1 6 式中 j 瓦为两端零序电流相量 零差优点是反映高阻接地故障能力强 缺点 是只能反应接地故障 不能反应相间故障 本身没有选相功能 以上三种差动判据相互配合 大大提高了差动保护的可靠性 灵敏度和快速性 但是 这并不意味着差动保护的所有问题都已解决 随着我国进入大电网 大电厂 大机组 高电压输电 高电压控制的新时代 尤其是特高压输电系统在我国的出 现 整个电网的电气特性发生了显著变化 电流差动保护中一些在高压系统中并不 突出的问题在超高压 特高压系统中不能再忽略不计 这同时也给电流差动保护的 研究带来了新的课题 以下将介绍超 特 高压输电网络给差动保护带来的几个问 题 1 2 2 超 特 高压线路给差动保护带来的几个问题 一 电流互感器 t a 饱和对线路差动保护的影响 t a 饱和问题在母线 变压器 发电机差动保护中比较突出 因此很早就受到 广泛的关注 并已提出了很多有效的方法 在过去电网结构比较简单 用电负荷不 大的情况下 输电线路的短路容量较小 t a 饱和对线路差动保护的影响不大 因 而对这方面的研究不多 但随着我国超高压 特高压电网的发展 系统的短路容量 越来越大 一次系统时间常数也越来越大 t a 饱和问题对线路差动保护的影响日 益突出 对于高压 超高压输电线路 由于线路阻抗存在 区外故障t a 一般不容 易饱和 但在特殊情况如大系统短线路发生区外故障时 3 2 接线发生区外故障时 和t 接线发生区外故障时 都可能引起t a 饱和 t a 饱和引起的电流波形畸变会产 生较大的差流 使差动保护误动 特别是两侧t a 饱和程度不一致的情况尤其严重 从本质上讲两侧t a 的励磁电流之差将产生纵联差动保护的动作电流 当t a 饱和 两侧t a 饱和程度不一致 两侧t a 暂态特性和稳态特性不一致都将产生动 作电流 一 引起t a 饱和的因素 1 t a 铁心饱和的时间与一次系统时间常数 t a 二次时间常数以及t a 的二次 负载有关 国电自动化研究院硕士学位论文 2 一次暂态电流中的非周期分量越大 t a 越容易饱和 3 一次系统时间常数越大 1 a 饱和的时间就越长 4 t a 二次负载越大 t a 越容易饱和 t a 负载性质会对饱和后的二次电流波 形产生一定影响 5 当励磁电流的非周期分量对应的磁通与剩磁方向相同时 铁心将更快 更深 的进入饱和 二 t a 饱和时的电流特征 1 1 对主要由故障电流中非周期分量引起的t a 饱和 二次电流和励磁电流波形 都相对横轴发生偏移 造成正负半波不对称 2 在严重故障发生后 t a 饱和之前t a 存在一个线性传变区 这一区间随着 故障严重程度的加剧而变小 3 由稳态短路电流引起的t a 饱和 二次电流和励磁电流波形相对横轴呈奇对 称 三 国内外抗t a 饱和的研究现状 母差保护对t a 饱和问题的研究相对比较成熟 国内外学者和厂家提出了多种 解决方案 如瑞典原a s e a 公司的r a d s s 母线保护的中阻抗原理 时差法 异步法 检测t a 饱和 谐波比制动法 自适应阻抗加权 谐波制动的抗t a 饱和法 3 磁制动原理 采用小波原理识别t a 饱和蚴 同步识别法 电流比相法 检测 动作电流的变化与制动电流的变化之比 1 s i m e n s 的附加制动区域法 等 对于 线路差动保护 可以灵活借鉴以上这些母差保护抗t a 饱和方案 结合线路差动保 护的特点 提出一些抗t a 饱和措施 如自适应浮动制动门槛法 1 短数据窗与分 段积分法相结合识别t a 饱和法 等 目前 防止区外故障时t a 饱和引起线路差动保护误动的措施可以分为两类 1 通过某种方法判别t a 是否饱和 再采取相应的抗t a 饱和措施 2 不判别t a 是否饱和 直接选用抗t a 饱和能力强的差动判据 深入研究t a 的暂态特性是有效解决t a 饱和问题的前提 文献 2 5 2 9 在理论 分析的基础上给出了多种t a 的数字仿真模型 极大的方便了t a 饱和问题的仿真 分析和研究 笔者认为 目前尚没有一种很好的方法能完美的解决线路差动保护t a 饱和问题 在光电t a 没有完全替代电磁t a 以前 它仍将是影响线路差动保护性 国电自动化研究院硕士学位论文 能的一个重要因素 因此 抗t a 饱和问题仍将是线路差动保护研究的一个热点 二 线路各端的数据同步采样或采样同步处理问题 线路差动保护在算法上要求参加比较的各端电流量必须是同一时刻的值 因此 各端的数据必须同步采样或经采样同步化处理 这是实现电流差动保护的关键所 在 目前已经提出的电流采样同步方法有 采样时刻调整法 采样数据修正法 时钟校正法m 1 基于参考相量同步法哪 矧和基于g p s 同步法 一 目前的同步方法及其评价 1 采样时刻调整法 如图1 1 所示 线路两侧的保护装置 任意规定一侧为主站 m a s t 盯 另一侧为 从站 s l a v e 两侧的固有采样率相同 采样间隔为互 由晶振控制 0 为主站采样点 如 f j f 为从站采样点 在保护上电后 主站在0 时刻向从站发送一帧计算通道延时t d 的命令 从站收 到后将命令码和延时时间f m 回送给主站 由于两个方向的信息传送是通过同一路径 可认为传输延时相同 据此主站可计算出通道延时 一 一t 2 如果整个通信过程正确无误 则开始采样计算 否则自动重复 设主站在0 时 刻将包括通道延时t a 和采样调整开始命令在内的一帧信息发送给从站 从站根据收 到该信息的时刻如以及岛可首先确定k 所对应的时刻 然后计算出主 从站采样时 刻间的误差a t 0 一 f 一 其中 0 为与 最靠近的从站采样点 a t o 说明主 站较从站提前采样岔 f o 说明主站较从站滞后采样 为使两侧同步采样 从站下次采样时刻应调整为 t a z 一缸 为了使 连续采样的精度不受太大影响 使用下式进行逐步调整 f t a z 一 f 2 4 逐 步调整法达到同步采样的时间比直接调整法所需的时间更长一些 当两侧稳定同步 采样后 即可向对侧传送采样数据 采样时刻调整法保持主站采样的相对独立 其从站根据主站的采样时刻进行实 时调整 能保持两侧较高精度的同步采样 优点是采样同步后的保护算法处理简单 与通道延时 无直接联系 采样同步通信和电流数据通信是分开处理的 采样时刻 的误差测量及调整的前后间隔可以较长 保护装置用于采样同步的通信处理较少 有利于提高传送电流数据的效率 既能传相量 也能传瞬时值 缺点是调整过程较 长 不利于一旦采样失步后的快速恢复同步 在测量装置之间的采样时刻误差时 国电自动化研究院硕士学位论文 仍然与 有关 不能适应收发路由不等的通信系统 从站采样完全受主站控制 当 通道延时发生变化时 会影响同步精度 甚至造成数据丢失 其可靠性受通道影响 较大汹1 该方法已应用于r c s 9 3 1 a 差动保护装置中 二燕二拦二一 图1 1 采样时刻调整法图1 2 采样数据修正法 2 采样数据修正法 如图l 2 所示 线路两端保护不分主站和从站 它们在各自的晶振控制下以相 同的采样率独立采样 采样点如图中所示 设 时刻a 端保护发送一帧信息给b 端 信息中包括时间标签 t a 时刻对 应的电流采样数据l 该信息经通道延时岛后在 时刻到达b 端 经 延时后 b 端在t 时刻也向a 端发送一帧信息 该信息包括时间标签岛 对方刚送来的t 延时t 以及 时刻的采样数据l 该信息经通道延时 设来回路由相同 后到达 a 端 到达时刻为f a 端可由下式计算出通道延时 t d f 一t 一t 2 此时可 计算出b 端采样时刻 在a 端时间轴上所对应的时刻厶 f t d 为满足差动判据需要同时刻电流数据的要求 须将f 二时刻的电流数据l 变换 到f 或f 时刻的值 由于本方法传送的是对应某一采样时刻经傅氏变换得到的基 波电流相量 因此对应f 或f 时刻的b 端电流相量可由k 乘以适当的旋转因子得 到 比如与t a 时刻对应的b 端电流相量为 厶 l p 口矿 毛 这就是所谓的采样 数据修正法 采样数据修正法允许两端采样独立运行 只要求具有相同的采样率 通过连续 测量通道延时的方法对采样数据进行修正处理 与采样时刻调整法相比 当通信干 扰而中断或失去同步后 能很快恢复 同时 采用传送相量而不是瞬时值的方案 能在通道出现误码的情况下使保护动作时间最多延长l 2 个采样间隔 缺点是每次 计算总离不开通道延时t d 要求通信路由固定 电网频率的变化也会影响其相量移 国电自动化研究院硕士学位论文 位修正结果 只能送相量 不能送采样瞬时值 因此对瞬时值差动保护并不适用 对晶振要求高 该方法已应用于w x h 3 5 光纤纵差保护装置中 3 时钟校正法 如图1 3 所示 规定线路的一端为参考端 另一端为同步端 设f 为同步端时 钟的计时时间 0 为参考端计时时间 a t 为两端时钟的相对误差 出 f j t t a 为 通道延时 设某一编号信息在 时刻由同步端发出 它于t 时刻到达参考端并于f 时刻自参考端返回 最后于f 1 4 时刻到达同步端 t w t m 将由参考端在下一个信息 里发送到同步端 由图1 3 可知以下两式成立 j t 2 t 一a t 岛 i t 4 t 3 一a t t a 可求得 t d f 4 一 l 一0 3 t m 2 2 a t t a 4 i 一0 一乇2 2 在同步端计算出血后 可按照血的一定比例对同步端时钟进行校正直到 f 变 为零 此时两端时钟进入同步运行状态 由于 的计算并未涉及 因此当两端同 步后 传输时延的变化将不会影响址的大小 同时由于两端时钟是由高稳晶振控制 的 同步后即使在通信中断的情况下亦能维持较长时间的同步运行 结合自适应调 整技术 可保证开始时两端时钟的快速同步 而正常运行时使同步更稳定和更精确 两端时钟同步后 采样便可同步进行 计算出的t 可用于对通道延时进行监视 该方法采用时间校正技术实现两端的同步采样 与前两种方法相比 其可靠性 受通道影响最小 该算法时钟的测量和校正与采样时刻调整法中采样时刻误差的测 量和调整相似 因此其优缺点与采样时刻调整法一致 该方法已应用于r e l 5 6 1 电 流差动保护装置中 同步端 参考端 一 二彳葶掣 图1 3 时钟校正法图l 4 基于参考向量的同步法 孥 国电自动化研究院硕士学位论文 4 基于参考相量同步法 为使同步问题完全摆脱通道的束缚 文献 3 3 提出了利用参考向量实现同步的 方法 图1 4 为某一线路的正序分量i i 型等值模型 其中巧 和k 1 分别是线 路两端的正序电流和电压向量 蜀 厶 c 1 为线路正序参数 且有 r r l 一 m 专 k l l 二 k k 椰 k z 1 l 一 专 k 二二 式中 l l 分别为由线路两端算出的正序电流 k 棚 为以a 端参考相为基准计 算出的b 端电压k 和 虽然物理上代表同一电流量 但由于计算时具有不同的参考相 故两 者之间存在相位差 该相位差的大小正好反映了两端参考相之间的相位差 由此可 给出两端采样时钟在时间上的差异 对此差异进行补偿就能解决两端数据采样的同 步问题 这是基于电流量的同步方法 同理也可采用基于电压量的同步方法 该方法利用电力系统的电气参考向量实现采样的同步处理 其最大优点是采样 同步完全与通道无关 不需借助通道传递用于同步处理的任何时间信息 不需计算 通道延时 但这种方法的准确性将取决于线路模型的准确性和相量估计的精度 同 时还要考虑各种误差的影响 如t a 电压互感器 t v 线路参数 时钟漂移等 不同的电力线路以及线路的运行方式的经常变化 都会给装置的安装 运行带来一 些麻烦 因此此法不能确保精度 离实用化还有一定距离 5 基于g p s 同步法 由于全球定位系统 g p s 能在全球范围内全天候的与国际标准时 u t c 保持高 精度同步 文献 3 4 3 5 提出了基于g p s 同步法 该方法的优点是采样同步与通道 无关 且精度高 不受电网频率的影响 缺点是要安装g p s 接收机及相应的采样时 钟同步锁相环回路 增加了硬件的复杂性和成本 一旦失去g p s 同步信号消失 电 流差动保护就必须退出 同时也要考虑其战时受控性 二 线路差动保护采样同步法的展望 以上各种方法各有其优缺点 其中前三种方法都已投入工程应用 但它们受通 道的影响大 且都是假设两个方向的传输时延相等 这对于某些具有弹性负载的复 用通信系统而言可能会引起误差 后两种方法采样同步与通道无关 但由于存在各 自缺陷 至今没有应用于工程实际 因此 有文献提出了一些综合方案 如文献 3 7 国电自动化研究院硕士学位论文 提出采用g p s 同步 采样数据修正法组成一主一备方式 平时采用g p s 同步时 仍然不断的计算 因此 不论g p s 是否起作用 通道延时能够被确定 如果g p s 信号丢失而通道延时基本没变 可以推出随后的通信路由没有发生转换 假设传播 延时在g p s 故障前已经被记录 电流差动保护可以继续进行 当g p s 信号丢失 之后电信路径切换 两个方向的传输时延不同 时 差动保护退出 文献 3 8 提出的 自适应同步调整法也是以g p s 同步法为主 数值修正法为辅 既利用了g p s 时钟 调整的精度高 实现简单等特点 又避免了保护对g p s 的依赖性 在连续3 秒收不 到同步脉冲信号或收到u t a 时钟信号异常时 确认g p s 故障 通知差动保护和对 侧保护 切换到数值修正法进行同步 文献 3 8 n 时还提出了一种g p s 高精度晶 振的方案 该方案可以在g p s 信号消失后维持一段时间同步 目前已实用化的三种同步方法都不能适应来回两个方向的传输时延不相等的 情况 随着s d h 网的发展以及将来电力部门为降低成本而租用电信通道时 完全 可能出现两个方向的传输时延不相等的情况侧 实际上这种情况在国外已经出现 对于这种来回通道不对称的情况 文献 3 9 提出了运用 采样时刻调整法 为同步 方式 并自适应抬高动作门槛 的补偿办法 并已运用于w x h 8 0 3 保护装置之中 这是对研究适用于两个方向传输时延不相等的同步方法的有益探索 但是 笔者认 为 两个方向传输时延不相等时的同步方法问题还远没得到完善解决 它仍将是线 路差动保护需研究的重要问题 三 超 特 高压长线路分布电容电流对电流差动保护的影响 基于基尔霍夫电流定律的电流差动保护原理 由于差动判据中不包括线路分布 电容电流 这在理论上是线路差动保护的一个缺陷 电容电流的存在使线路两端电 流的大小和相位都发生改变 不再满足区外故障及切除 空载合闸 重合闸及正常 运行时两端电流大小相等方向相反的条件 从而直接影响了差动保护的灵敏度和可 靠性 对于一条5 0 0 k i n 长的7 5 0 k v 线路 其稳态电容电流可达5 0 的额定负荷电 流 设为自然电流 在空载合闸 区外故障及切除 重合闸等暂态过程中 暂态充 放电电流将要增加数倍 因为在暂态状态下电压中有很多高频分量 电容电流与频 率成正比 将产生更大的高频电容电流 这将使线路区外故障时两端的电流电压波 形发生了严重畸变 两端电流有较大的偏移 影响电流差动的正确工作 因此 超 特 高压长线的分布电容电流一直是影响线路差动保护性能的主要因素 国电自动化研究院硕士学位论文 目前 差动保护克服线路分布电容电流的影响 是通过抬高定值i o 或通过采取 一定的电容电流补偿措施来弥补m 抬高i o 将使区内故障时的灵敏度降低 电容电 流较大时将使整定变得困难甚至使差动保护无法使用 电容电流补偿能使线路正常 运行和区外故障时差流减小 有利于提高差动保护的灵敏度和可靠性 但是目前实 用的电容电流补偿法都是基于稳态相量补偿 州 不能有效补偿暂态电容电流 暂 态电容电流仍需通过i o 躲过 这将使保护灵敏度降低 在某些区内高阻接地故障时 甚至拒动 影响了差动保护的性能 文献 4 2 提出一种基于时域电容电流补偿的思 想 能对暂态电容电流进行有效补偿 文献 4 5 1 提出一种基于贝瑞隆模型的线路差 动保护判据 能自动考虑电容电流的影响 不再需要进行电容电流补偿 这些都是 对暂态电容电流补偿算法的有益探索 但是超 特 高压长线路暂态电容电流的难题 还远没得到完美解决 它将是今后超 特 高压长线路差动保护研究的一个重要课题 四 线路差动保护应用于特高压输电线路时的一些特殊问题 钉 线路差动保护在超高压线路已经有丰富的运行经验 实践也证明了线路差动保 护有其它保护无法比拟的优势 西北官亭 兰州东一回7 5 0 k v 输电线路是我国第一 条特高压线路 新的电压等级带来的各种问题需要进行全面的研究 由于国内缺乏 特高压线路继电保护的设计 制造和运行经验 在借鉴国外的经验技术的同时 我 们也必须对有关特高压线路保护的基础理论展开分析 线路差动保护能否应用于特 高压输电线路 需要经理论分析和大量的仿真 动模试验验证 1 3 本课题拟研究解决的工作和主要工作 如前所述 考虑到线路差动保护判据原理已经相对比较成熟 本课题的工作不 求对它进行全面的介绍 而是重点研究超 特 高压线路差动保护几个尚没有完全解 决的问题 并提出一些可行的解决方案 以期在其中的某些方面能有所突破或改进 因此 本论文课题的主要工作有如下方面 一 超 特 高压长距离输电线路电容电流补偿方案的研究 1 分析了稳态电容电流和暂态电容电流对线路差动保护的影响 并介绍现有的 解决方案 基于稳态电容电流的补偿法 分析发现其不能补偿暂态电容电流 对 时域电容电流补偿方案进行深入研究 并提出一种时域电容电流补偿方案的实用算 法 能有效补偿暂态电容电流 大大提高了差动保护的性能 针对超 特 高压长距 国电自动化研究院硕士学位论文 离输电线一般都带并联电抗器的特点 分别给出了稳态补偿法和时域补偿法应用于 带并联电抗器线路时的各种修正方案 2 理论分析了基于贝瑞隆模型的线路差动保护的动作行为 并推导出其在三相 耦合线路区内单相短路接地时故障相和非故障相差流表达式 分析发现该判据在需 选相跳闸时存在区内故障灵敏度不足的缺点 提出了一种基于贝瑞隆模型的差动保 护实用判据 新判据巧妙的克服了原判据的缺点 同时保留原判据不受电容电流影 响 完全补偿暂态电容电流 的优点 3 利用e m t d c 仿真软件对未补偿相量差动判据 基于稳态补偿的差动判据 基于时域补偿的差动判据 基于贝瑞隆模型的线路差动判据 基于贝瑞隆模型的差 动实用判据进行仿真比较 4 利用r c s 9 3 1 a 的软硬件平台 编写了贝瑞隆差动判据和贝瑞隆差动实用判 据的保护程序 并进行了r t d s 仿真试验 二 特高压输电线路差动保护的研究 分析了7 5 0 k v 特高压系统有别于超高压 高压系统的电气特性及其对差动保护 产生的影响 通过大量的仿真分析表明 只要选择合适的动作门槛及采取相应的电 容补偿措施 已经在超高压线路上有丰富的运行经验的电流差动保护同样适用于特 高压输电线路 国电自动化研究院硕士学位论文 第二章电容电流对差动保护的影响及其对策的研究 2 1 引言 电流差动保护判据 从根本上看 它是建立在基尔霍夫电流定律的基础之上的 在保护原理上 主要是受分布电容电流的影响 当电流差动保护应用于超 特 高压 长线或电缆线路时 分布电容对差动保护的影响是一个不容忽视的问题 目前差动 保护克服线路分布电容电流影响的措施包括两个方面 一是从保护方案的选择和保 护定值的整定入手 选取受电容电流影响小的保护方案 并针对电容电流衰减特性 自适应的调整保护判据和定值 二是采取电容电流补偿措施 对动作电流中的电容 电流分量进行补偿 文献 4 3 提出了各种基于稳态电容电流补偿方案 文献 4 4 利用 型等值电路分 析了稳态电容电流对差动保护的影响 并定性分析了经电容电流补偿后保护的动作 行为 分析表明稳态
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