高压直流输电技术开题报告.doc

大学硕士研究生学位论文开题报告 题目：高压直流输电线路保护研究 本资料为格式模板，其内容只能做参考使用，任何使用不加申明都属于侵权行为。学 科 电力系统及其自动化学 号 姓 名 导 师 日 期 西安理工大学研究生学院填 写 说 明1 研究生应根据开题报告各栏目的具体要求，认真撰写开题报告。2 开题报告一式三份，学院、学科、导师各一份。开题报告内容（包括：1.研究背景与意义；2. 国内外研究进展；3.主要研究内容；4.研究方案和技术路线；5.课题的主要难点及拟采取解决方案；6. 预期研究成果；7.主要参考文献（在正文中必须标注)）一、 研究背景与意义随着国民经济的持续高速增长，电力需求日益增大，电力系统规模不断发展。然而，很多地方电网能源资源与经济发展地理分布不均匀，譬如我国很大数量电力装机在西部水电基地和北部火电基地，这就要实现电力西电东送、南北互供、全国联网1。交流输电的局限性，如远距离输电时受到同步运行稳定性的限制等，使得直流输电技术重新为人们所重视。高压直流输电（HVDC）在远距离大容量输电、电力系统联网和海底电缆输电被广泛应用2。目前，在五大洲都分布有高压直流输电工程，且密集于北美和西欧等经济发达地区。表1 国外已投运的部分著名的直流输电工程输电工程特点巴西伊泰普直流工程架空线路最高电压（600kV），最大输送容量（6300kW）南非英加-沙巴直流工程最长输送距离（1700km）英法海峡直流工程最大输送容量（2000MW）俄罗斯芬兰之间的维堡直流工程背靠背换流站的最大容量（1065MW）而且，巴西正在建造第二条600 kV高压直流输电线路，全球最长线路，长达2500km，由电力自动化技术集团ABB和西班牙Abengoa集团合作。而国内HVDC是从20世纪80年代末开始应用的，起步虽晚，但发展很快。目前包括在建工程在内，总输送容量已达1800MW，总输送距离超过7000km，该两项指标均已成世界第一。我国已投运和在建的HVDC工程：葛洲坝南桥、天生桥广州、三峡常州、三峡广州、贵州-广州、舟山、嵊泗和灵宝背靠背。计划2010年前后建成投运工程有：四川德阳-陕西宝鸡（1800MW、500kV、500km）、宁夏银南-天津东（3000MW、500kV、1200km）等；至2020年前后，计划建设云南-广东、金沙江水电基地-华中和华东、东北-华北、华北-华中等十几个HVDC工程3。直流联网已成为我国区域电网间联网的重要形式。但是，高压直流输电线路距离长（大部分1000km左右），易遭受雷击、污秽或树枝等环境因素导致对地闪络，危及直流系统的安全运行。事实上，从目前对已投运的葛-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比较，可以看出我国的直流输电工程可靠性指标还处于较低的水平，输电线路故障仍是造成系统停运的主要原因之一。因此，对直流输电系统的继电保护进行深入研究，并在直流输电线路上装设可靠、快速的继电保护，显得非常必要与紧迫，这对于整个电网的安全稳定运行具有十分重要的意义。 目前，世界上普遍采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护。当线路发生故障时，会产生向两侧以接近光速传播的电压、电流行波，其行波信号中存在丰富的故障信息。行波保护的优点是具有超高速动作性能，同时，不受过渡电阻和长线分布电容。国内外已投运的高压直流输电保护中，广泛采用由ABB和SIEMENS两家公司提供的保护装置，以行波保护作为主保护，低电压保护、差动保护和交直流导线碰线保护等为后备保护。线路故障瞬间，初始电压行波波头会急剧下降，故采用电压下降率作为保护判据。仿真结果表明，保护动作快，发生金属性接地时均能识别，但当高阻接地和2%以上噪声扰动时保护会误动，可靠性不高。这是由于其保护判据原理存在缺陷，采用的电压是瞬时值，计算时，采样率影响判据，而且微分运算的固有特性，对噪声敏感，易受噪声干扰4、5。因此，如何解决目前行波保护存在的问题或者提出新型保护原理使得直流输电线路运行的快速性和可靠性提高成为亟待解决的问题。有必要对高压直流输电线路保护开展进一步研究，使其在实际工程中能够具有更高的可靠性和抗干扰性能。二、 国内外研究进展1. 行波保护a) 行波极性比较式保护现有的行波保护可靠性不高，当线路上在距离保护测量装置远处发生高阻接地故障时，电压行波波头变缓，保护可能误动。考虑到高阻接地故障时，会影响行波幅值，而行波极性不改变。当两极整流侧暂态电流行波在尺度s下的模极大值大于阀值，某极线路上发生直流输电线路内部故障时，暂态电压、电流行波到达故障极线路整流侧的极性在尺度s下是相反的；而发生外部故障时，该极整流侧所检测到电压、电流行波极性在尺度s下是相同的5。经过各种故障情况的仿真，对线路全长均可识别，高阻接地故障和高达10%噪声干扰保护都能正确动作。可考虑到一般的电容分压式电压互感器传变暂态信号能力较差特点，故此，研究者提出充分利用现有的保护通道来构成易于实行的电流行波极性比较式保护。文献6提出在整流侧电压行波、电流行波在尺度s下的模极大值幅值均大于各自阀值前提下，其两者极性相反为区内故障，反之为区外故障。用逆变侧电流模极大值幅值作为区分逆变侧正反向故障。经过PSCAD对直流线路故障、换向失败故障、交流侧断路故障的仿真试验后，基于小波变换模极大值的行波保护能够可靠的区分HVDC线路区内故障和区外故障，保护性能良好。同时，弥补了现有行波保护高阻接地故障误动的缺陷。对于行波保护，准确捕获行波波头对保护可靠性起着至关重要的作用。今年来兴起的小波变换的积分工具，需要获取在积分周期内的所有数据，而且积分变换后，少数系数来表示被积分量的特征信息，这些相对于输入信息带来相位移和幅值衰减。面临小波变换的积分问题，研究者通过数学形态学消除噪声，提取信号特性7。仿真结果分析表明，形态学速度快，对行波保护具有良好实用价值。b) 行波距离保护行波距离保护是利用单端电气量而不需要通信通道来交换被保护元件两端的故障信息的行波保护类型，现阶段，研究者着眼于如何提高保护可靠性和测距精度。A型测距原理，由故障点产生的电压（电流行波）以波速分别向线路两端传播，电压行波第一次到达m端的时间与第一次由故障点反射到达m端的时间为时间差，测量距离等于此时间差和波速积。当测量距离小于线路总长度，判为区内保护；反之判为区外保护8。但现存两个问题对行波距离保护的定位精度有较大影响： 难准确判别故障反射波与对端母线反射波； 地模分量存在着严重衰减和参数随频率变化，波速不稳定。外国研究者提出使用CCF(cross-correlation function)解决第一个问题。由于故障反射波波形类似于方波，则CCF的极性可区别故障反射波和对端母线反射波11-14。文献15通过故障初始行波到达m端母线时刻、故障点反射波到达m端母线时刻、对端母线反射到达m端母线时刻和故障发生时刻四个变量联立方程消去行波波速。文献16提出采用线模，从而提高测量精度。2. 单端暂态量保护对直流系统线路保护而言，保护区为直流线路全长两端平波电抗器间的线路段。平波电抗器和直流滤波器实际上构成一个阻波器，主要滤除12、24、26次等特征谐波，构成高频分量在直流输电线路上传输的“边界”。华南理工和西交大的研究者提出单端暂态量保护的思想，分别为： 以暂态电压故障分量在尺度s的模极大值大于阈值为保护启动判据，尺度s下高频能量为区内、外故障判据，高低能量谱的比区分线路故障极与线路健全极。通过大量仿真结果分析，利用高低能量谱可以可靠地识别出直流线路故障的故障极，且不受雷电干扰的影响19、20。但此保护方法计算量大。文献21由于故障时直流线路的能量集中在低频段，其远大于高频段，提出基于能量守恒定律，若线路两端的故障前和故障后的某一时段能量比之超过整定值，区别区、内外故障。此保护原理可靠性高、动作速度快、能够正确区分区内外故障和雷击。 利用暂态故障信号中小波变换高频谱能量能够有效地区分区内外故障。小波变换模极大值构成的启动元件能够加快保护动作速度，单端暂态量保护能可靠快速区分直流线路区内外故障22-26。3. HVDC模型搭建EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC System)是一个离线仿真的电磁暂态计算程序，具有精确地直流元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，是进行直流系统分析和工程研究的有力工具。PSCAD图形界面使得用户方便使用EMTDC进行电力系统时域和频域仿真计算。因其具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点，已经被世界各国的科研机构、学校和电力生产部门电气工程师广泛使用。在我国南方电网涉及到交直流系统研究的工程项目中，PSCAD/EMTDC被广泛地应用于交直流系统的电磁暂态仿真计算，并取得了良好的效果22。目前，大多数研究者都基于PSCAD自带examples中的HVDC cigre模型，其为单极1000MW、500kV集中参数线路的仿真模型，或者在此基础上改成双极线路直流输电系统。然而，也有少部分研究者与电网合作在建直流输电工程，对其HVDC系统参数保密。保护原理算法的研究是基于PSCAD仿真平台，而且目前能够使用的仿真模型有限。因此，很有必要利用PSCAD搭建正确的HVDC仿真模型。 三、 主要研究内容1. 本课题已有的研究基础基于对PSCAD中直流系统的例子的修改模型，对现有直流线路保护算法进行仿真分析，结果表明该保护方法可保护线路全长，但高阻接地故障和高于2%噪声干扰会误动。2. HVDC模型搭建高压直流输电系统模型一般包括整流侧和逆变侧的交流模块、直流输电系统模型（换流变压器、换流阀、直流输电系统、交流滤波器及无功补偿、直流滤波器及平波电抗器）、直流输电正负极控制系统和显示模块。其中，控制系统是搭建的困难之处。电压等级为500kV的HVDC的控制模块可以参考PSCAD自带例子中的，但根据具体情况需要调整；而且800kV的HVDC的控制模块和500kV的不一样，也没有具体参数得到公开，基于此，需要通过已有的参数和控制原理推导出未知部分，然后根据输出波形对建模问题进行修改。3. 电流行波极性比较式保护直流输电线路由于其输电方式的特殊性，线路结构简单，两端换流站波阻抗很大，且换流器桥阀的导通方向不能突变，使得在输电线路内部发生接地故障时，故障点电压突变为0，两侧电压下降。对整流侧，换流器桥阀继续导通，供电继续，负荷减小，电流升高；逆变侧相当于没了电源，负荷不变，电流降低25。即通过到达线路两侧母线的故障初始电流行波波头极性异同判断区内外故障。为了抑制噪声和扰动等干扰信号对行波保护造成的影响，先对信号计算电流差，设置一个阈值作为保护启动判据，再根据特征差异提出保护判据原理和算法。实际系统直流输电线路是同杆双极线路，相互间存在电磁耦合使得故障时健全极线路也存在暂态电压、电流量，从而对线路暂态保护的极判别影响。故此，考虑耦合作用影响，提出电流行波极性比较式保护的完整方案。在线路两侧检测到电压、电流行波的极性，含有丰富的故障信息。故障信号的奇异点中包含着信号中最重要信息，小波变换的模极大值应用于刻画出故障行波信号的奇异点和奇异性。小波变换的模极大值点与信号突变点是一一对应，其极性表示突变点的变化方向，其大小表示突变点的变化强度。同时，小波变换还可抑制噪声。暂态信号和噪声在小波变换下有不同的表现，行波信号的模极大值随尺度增大而增大，噪声信号的模极大值随尺度增大而减小15、26。由此采用小波变换提取暂态电流行波的有用信息。 4. 单端暂态量保护直流输电线路两端均加装直流滤波器和平波电抗器，构成了直流输电线路高频暂态量的固有“边界”，使得在直流线路内部故障时产生的高频分量穿越线路“边界”困难。同理，线路外部故障产生的高频分量传输到线路内部也困难。利用单端比较高频分量在线路内、外部故障时的分布特征构成直流输电线路边界保护。故障时，直流电流的变化为故障启动元件，600Hz、1200Hz、1800Hz的频率分量有较大衰减，提取上面某一频率提出保护判据原理和算法。小波变换是处理非平稳、突发的奇异信号的有力工具，能够检测出信号频率的微小变动。递归小波不受分析窗约束，有很好的灵活性和实时性。而改进递归小波变换（IRWT）只采用历史数据信息，单方向变换组成。不仅能得到信号的幅值特性，而且可以得到能揭示信号奇异性的相位特性。该方法具有精度高，实时性强，不受时间窗长度的影响，计算速度快等特点。因此，考虑用IRWT对信号进行处理。四、 研究方案和技术路线1. HVDC模型搭建收集HVDC系统的参数，分别以500kV和800kV两个电压等级，参考PSCAD自带例子搭建。再进行具体调整。2. 电流行波极性比较式保护a) 保护原理线路内部故障时到达两侧换流站的电流行波波头极性相反；线路外部故障时到达线路两侧的电流行波波头极性相同。b) 整体算法图1 电流行波极性比较式保护算法流程图c) 具体过程通过PSCAD仿真多种故障类型：i. 被保护线路内部，进行在线路不同多处、金属性接地故障；ii. 被保护线路内部，进行在线路同处、多种接地电阻接地故障；iii. 被保护线路外部故障：换流器直流侧出口短路、换流器交流侧相间短路、换流器交流侧相对地短路、换流器直流侧对地短路、换流站交流侧故障、另一极直流线路（健全极）故障、换相失败故障然后用matlab编写整体保护算法进行测试，最后再用采用现场实测数据进行验证。3. 单端暂态量保护a) 保护原理线路外部故障时某一特殊频率衰减严重，线路内部故障时此单频率除了随线路传输有些衰减，近似没有衰减。b) 整体算法图2 单端暂态量保护算法流程图c) 具体过程仿真具体过程与电流行波极性比较式保护的仿真验证过程一样。五、 课题的主要难点及拟采取解决方案在完成课题过程中，可能会遇到以下几个方面的难点：1. 模型搭建收集不到完整的工程参数，同一电压等级不同工程的参数能否拼接着用。而且有些部分参数没有，这些需要从已有的元件参数根据HVDC系统的原理及推导公式得出未知部分。2. 电流初始行波及其极性的准确提取由于输电线路的某些正常操作，同样会产生行波信号，且与线路发生故障时的暂态过程十分相似，而且，行波信号是高频暂态信号，易于和噪声干扰相混淆。因此，准确提取有用信号、剔除噪声干扰是关键。小波变化具有除噪、其模极大值和信号突变点一一对应。3. 如何准确提取单个频率。在600Hz、1200Hz、1800Hz处频率有很大的衰减，但能否准确提取这三个中的某一频率存有问题。由于小波变换母小波的选择影响对信号处理的准确性，而改进递归小波变换有良好的适应力，试着通过这个数学工具提取。六、 预期研究成果1. 搭建高压直流输电系统仿真模型；2. 完成直流线路电流行波极性比较式保护整体方案；3. 建立直流线路单频率暂态量保护的原理及其算法；此外，在完成硕士学业期间，发表12篇期刊文章。七、 主要参考文献1 刘文杰高压直流输电及其应用前景J 内蒙古科技与经济，2008：67-682 赵婉君高压直流输电工程技术M 2004，北京：中国电力出版社3 郭毅军高压直流输电系统的现状及发展概述J 中国西部科技，2008，15(7)：12-144 丁钊，韩伟强天广直流输电系统双极运行情况总结J电网技术，2003，27(9)：49-545 艾琳高压直流输电线路行波保护的研究 D 北京：华北电力大学，20026 李学鹏高压直流输电线路行波保护及其故障定位研究 D 北京：华北电力大学，20057 李学鹏，金玉生，黄徐等数学形态学用于高压直流输电线路行波保护的探讨J 继电器，2006，34(5):5-98 葛耀中新型继电保护和故障测距的原理与技术(第2版)M西安：西安交通大学出版社，20079 张举，张晓东，林涛基于小波变换的行波电流极性比较式方向保护J 电网技术，2004，28(4):51-5410 金玉生，王欢，李学鹏等新型直流输电行波电流极性比较式方向保护J 高电压技术2006 ，32(9) ：106-11011 L. 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