高压直流输电线路保护与故障测距原理研究

【摘要】直流输电线路保护和故障测距是直流输电工程保护系统的重要组成部分,担负着快速检测和清除线路故障的任务,其运行性能将直接影响直流输电系统和电网的安全运行。统计研究表明直流输电线路已成为直流输电系统中故障率最高的元件,而直流输电线路保护的正确动作率只有50%。我国直流输电工程的发展位于世界前列,但对现有直流输电线路保护与故障测距装置核心技术的掌握仍然不足,缺乏系统的理论支持,已投运直流输电工程的保护系统大多采用ABB和SIEMENS两家公司的技术路线。提高我国高压直流输电线路保护与故障测距的理论水平和加快直流保护系统的自主研发势在必行。现己投运的直流输电线路主保护易受雷电、换相失败等暂态过程的干扰,耐受过渡电阻能力有限,判据门槛值整定计算复杂。国内外学者致力于对现有直流输电线路主保护进行改进或提出新型主保护原理,其中部分保护新原理存在理论不完备、保护判据所用信号能量小、对装置采样率要求高、缺乏整定依据或整定计算依赖仿真结果等问题。高压直流输电线路故障测距所采用的原理可分为行波法和故障分析法。目前运行中的直流输电线路故障测距装置均采用行波原理,行波故障测距的可靠性在高阻接地故障和波头识别失败时受限。基于故障分析法的故障测距原理性能稳定,故障测距精度一般没有行波法高,部分原理耐受过渡电阻能力有限。全面深入的高压直流输电系统故障暂态分析可为直流输电线路保护与故障测距原理的研究工作奠定基础。本文研究了高压直流输电系统故障暂态特性分析需要考虑的影响因素,深入分析了相应影响机理,给出了仿真案例实现方案,并对直流线路电气量的暂态特征进行分析；提出了耐受过渡电阻能力强、判据门槛值整定不依赖于仿真计算的高压直流输电线路主保护原理和可靠性良好、测距精度高、耐受过渡电阻能力强的直流输电线路双端行波故障测距新算法。主要研究内容及结论如下：(1)高压直流输电系统故障暂态特性研究。现有直流输电系统故障暂态分析相关内容大多作为线路保护与故障测距研究的考虑因素出现在文献的理论分析和仿真验证中,受文献篇幅和考查内容所限。本文从直流输电线路保护与故障测距角度出发,开展了较为全面的高压直流输电系统故障暂态特性分析。对直流输电系统的基本控制原理和控制系统的分层结构进行研究,分析了控制系统对故障暂态的响应时间和电气量的故障稳态值；研究了两端双极直流输电系统多种可能运行方式的运行条件与控制策略,并对不同故障前运行方式下直流线路故障电压电流的暂态特征进行了对比分析；分析了直流滤波环节的阻抗特性及其对故障后暂态过程的影响,提出在直流输电线路故障暂态电压电流信号的低频带特征分析中,可将直流滤波器和平波电抗器视为固定阻抗；分析了故障类型、故障位置和过渡电阻值对直流线路故障电压电流暂态特征的影响；研究直流输电线路的雷电放电计算模型,给出了雷击暂态仿真中雷电流源、杆塔模型、绝缘子闪络模型和输电线路模型的仿真建模方法,对故障性雷击和雷击干扰下直流线路电压电流的暂态特征进行了分析；研究了直流输电系统换相失败的形成机理、判断标准和单双极换相失败的仿真方法,分析了换相失败情况下直流线路电压电流的暂态特征。以上工作可为后续高压直流输电系统故障暂态分析研究提供直接有效的参考,为直流输电线路保护与故障测距原理研究奠定基础。(2)考虑故障选极的高压直流输电线路保护原理研究。分析了故障后直流输电线路电压突变量的暂态幅值特征,发现故障极线路的电压突变量幅值大于健全极,且电压突变量的积分值能够更好地体现这一特征；提出了利用两极线路电压突变量积分值的比值构造的故障选极判据,给出了判据门槛值整定方法；分析了故障后直流输电线路电流突变量的暂态极性特征,发现故障极线路两端电流突变量的极性在区内故障时相反,在区外故障时相同；提出了利用故障极线路两端电流突变量极性构造的区内故障判据,并采用平稳小波变换提取电流突变量的极性。由此构成的高压直流输电线路主保护满足选择性和速动性的要求,判据门槛值整定方法简洁且不依赖于仿真计算；在10kHz及以上的采样频率范围内均可实现；只需对端电流突变量的极性信息,对通信通道的可靠性要求较低,尤其适用于需要选择故障极的情况。基于中国银东±660kV直流输电工程的实际参数,本文建立了±660kV高压直流输电系统的PSCAD仿真模型,利用仿真数据验证了考虑故障选极的高压直流输电线路保护原理在不同故障情况下的动作特性。仿真结果表明,该保护原理在两端双极直流输电系统的多种运行方式下能够快速选出故障极和判别直流输电线路保护区内故障,耐受过渡电阻能力强,可实现高压直流输电线路的全线速动保护。(3)基于电压和电流突变量方向的高压直流输电线路保护原理研究。考虑故障选极的直流输电线路保护一般在极-极故障这一罕有情况发生时不能正确工作,因此,本文提出了直接判别直流线路保护区内故障的直流输电线路保护原理。对故障后直流线路电压和电流突变量的暂态特征分析发现,直流输电线路两端电压和电流突变量的方向在直流输电线路保护区内故障和区外故障时不同；通过将电压和电流突变量在一段时间内的积分值与设定门槛值比较,提出了电压和电流突变量的方向判据；通过比较线路两端电压和电流突变量的方向,提出了基于电压和电流突变量方向的高压直流输电线路保护原理。该保护原理的判据门槛值整定不依赖于仿真计算；仅利用线路两端电压和电流突变量的方向信息便可准确识别直流输电线路保护区内故障,对通信通道的可靠性要求不高；不需要进行采样数据同步处理；电压和电流突变量方向判据仅计算5ms数据窗内的积分值,对数据计算速度和采样频率要求较低,采样频率为10kHz及以上时即可满足保护判据计算要求。利用±660kV高压直流输电系统的PSCAD仿真数据对该保护原理在不同故障情况下的动作特性进行了验证。该保护原理在直流线路保护区内故障性雷击、高阻接地故障和极-极故障时能准确动作,在雷击干扰和线路保护区外故障等情况下不误动,能实现直流输电线路的全线准确速动保护,适用于双极直流输电系统的多种运行方式,实用性强。(4)高压直流输电线路双端行波故障测距新算法研究。分析了故障行波在直流输电线路上的传播特点,发现可用行波波头传播特性曲线表征故障行波在线路上的传播过程,联立直流输电线路本端和对端的行波波头传播特性曲线可计算出故障位置。本文通过检测沿线分布电流的初次突变时刻求出线路两端的行波波头传播特性曲线,提出了直流输电线路双端行波故障测距新算法及其实现策略。该故障测距算法无需另外增加测量点,对通道的可靠性要求不高,算法数据窗口短,可不受控制系统调整的影响。基于PSCAD的仿真结果表明,本文故障测距算法在两端双极直流输电系统的多种可能运行方式下,在线路全长范围内均能实现准确测距,故障点靠近线路中点时测距准确度升高,测距精度不受过渡电阻值和直流线路出口故障的影响,最大故障测距误差约为线路全长的0.1129%。相较于现有高压直流输电工程中应用的双端行波故障测距,虽然本文故障测距算法的计算过程较为复杂,但是其可靠性、抗干扰能力和耐受过渡电阻能力有显著提高,而故障测距误差与之基本相同,保留了行波故障测距原理定位精度高的优点。因此,本文故障测距算法可作为现有直流输电线路双端行波故障测距的有效补充。本文研究内容及成果对提高直流输电线路保护与故障测距理论水平有重要学术价值,可为构建快速可靠的直流保护系统、加快直流系统故障恢复速度和保护设备的自主研发等提供理论支持,选题具有工程实用意义。
【作者】邢鲁华；
【导师】陈青；
【作者基本信息】山东大学，电力系统及其自动化，2014，博士
【关键词】高压直流；输电线路；故障选极；保护原理；行波故障测距；

【参考文献】
[1]杨卉芊.《鬼谷子》的修辞理论与修辞技巧研究[D].渤海大学,语言学及应用语言学,2014,硕士.
[2]王阳.基于SAPAD的驾驶员用雨伞设计研究[D].广东工业大学,工业设计工程（专业学位）,2014,硕士.
[3]吕鹏,谈晓文,郑锐林,韦玮.三维石墨烯基理硫电池的制备及性能研究[A].中国硅酸盐学会固态离子学分会.第17届全国固态离子学学术会议暨新型能源材料与技术国际研讨会论文集[C].中国硅酸盐学会固态离子学分会:,2014:1.
[4]沈玉萍.双脉冲波多普勒超声评价舒张期左心室节段心肌运动及邻近心室腔内血流耦合[D].川北医学院,影像医学与核医学,2013,硕士.
[5]王建辉,纪雯,方晓柯,顾树生.对区间二型模糊集的EKM降型法的改进[J].控制与决策,2013,08:1165-1172.
[6]邱苗.壳聚糖对绿芦笋保鲜和抑菌机理的研究[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[7]孙天宇1,2,师义民1,卫炜2.逐步增加I型混合截尾试验下B-S部件的可靠性分析[J].系统工程与电子技术.
[8]齐越.回灌型生物反应器填埋场渗滤液水力特性研究[D].西南交通大学,环境工程,2013,硕士.
[9]何金荫,孟志青,崔后卿.供应链金融环境下的中小企业信用风险评价——基于AHP-云重心的综合评价模型[J].经营与管理,2013,10:92-95.
[10]牟介刚,张生昌,邵文娥,郑水华,黄新华,邓鸿英.油气混输泵抗气阻稳压器的设计[J].农业机械学报.2008(06)
[11]旦增卓玛.藏族青少年国家认同研究[D].西藏大学,课程与教学论,2014,硕士.
[12]蒋维勇,张伯明,吴文传,李予洲,王红印.一种增强电网输送能力的应急调度决策模型[J].电力系统自动化,2008,17:12-17.
[13]宋充恒.陈梦家汉简研究述评[D].东北师范大学,中国古代史,2012,硕士.
[14]赵飞.基于银外衬液芯波导管的微流控CE荧光检测系统的研究[D].东北大学,分析化学,2010,硕士.
[15]李宾.应用于分布式发电的三相并网逆变器控制研究[D].浙江大学,2013.
[16]夏永辉.关于微分方程概周期解的研究[D].福州大学,应用数学,2004,硕士.
[17]张强.彰武方言中的古语词及近代汉语词释例[D].华中师范大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[18]杨长喆.分子筛催化合成2,6-二异丙基萘的初步研究[D].天津大学,化学工艺,2004,硕士.
[19]韩荣振.感知设备监控构件在智能交通中的应用研究[D].山东师范大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[20]王林.中国互联网骨干网互联的经验分析[J].统计与决策,2014,19:121-124.
[21]南晓强,李群湛,赵元哲,邱大强.计及风电预测可信度的经济调度及辅助决策方法[J].电力系统自动化,2013,19:61-67.
[22]毕欣.杯[4]芳烃含氮功能衍生物及其金属配合物的合成研究[D].扬州大学,有机化学,2012,硕士.
[23]黄东霖.会议电视业务综述[J].现代电信科技.1995(10)
[24]李昌克.金融一体化与全要素生产率[D].浙江工商大学,金融学,2013,硕士.
[25]李清杰,李正军,高选正.近场平面扫描“诊断”技术的探讨[J].空间电子技术.2001(Z1)
[26]青岛海关技术处邓波刘晓睿李延海.风险管理中——第一个吃螃蟹的人[N].计算机世界,2001-12-03C13.
[27]张俊.江汉航道网桥梁评估与升级改造研究[D].武汉理工大学,结构工程,2003,硕士.
[28]叶玉适.水肥耦合管理对稻田生源要素碳氮磷迁移转化的影响[D].浙江大学,环境工程,2014,博士.
[29]刘天迎.索绪尔两版普通语言学教程的对比研究[D].西北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[30]金守泉.固液两相双流道泵的数值模拟与实验研究[D].浙江理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[31]徐晓燕.宫颈上皮内瘤变患者P16的表达与人乳头瘤病毒整合情况的研究[D].青岛大学,妇产科学,2013,硕士.
[32]毕俊亮.1992-2012年长江流域森林景观格局变化及驱动因素分析[D].华中农业大学,林学,2014,硕士.
[33]吴瑶.幼儿园武术教学内容体系的构建研究[D].北京体育大学,运动训练,2013,硕士.
[34]易文.法院调解制度研究[D].四川大学,法律,2003,硕士.
[35]吴明.中国联通哈尔滨市分公司3G业务发展战略研究[D].黑龙江大学,工商管理,2013,硕士.
[36]荥青楠.越南西宁省新农村建设的传统手工业发展研究[D].东北师范大学,社会保障,2012,硕士.
[37]钟文荣.试论张家山汉简中对官文书违法行为的处罚[D].吉林大学,历史文献学,2004,硕士.
[38]李爽,黄荣怀.远程学习支持新发展与知识工程[J].开放教育研究,2005,03:52-57.
[39]康东.基于项目教学的课程管理系统的设计和实现[D].中山大学,软件工程,2013,硕士.
[40]周文君.叙事背后的意义[D].河南科技大学,英语语言文学,2014,硕士.
[41]许春华.两种短命植物抗旱性评价及其机理研究[D].新疆农业大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[42]王彩琴,杜玉扣.基于石墨烯和Au纳米粒子修饰的玻碳电极对抗坏血酸、多巴胺以及尿酸的同时检测[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会：电催化与洁净能源电化学转化[C].中国化学会:,2014:1.
[43]张红军,黄川丽,沈阳.三维叠前深度偏移技术在非洲A区的应用[J].石油地球物理勘探,2008,S2:125-129+178+2.
[44]扈世民.大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术研究[D].北京交通大学,2012.
[45]李正林.集超声/核磁/光热治疗于一体的聚乳酸纳米粒子的制备及功能研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[46]许莲.以鹊虎图为例的韩国民间文化与诙谐性表现方法研究[D].中央美术学院,美术学,2013,硕士.
[47]殷瑞霞.背单词软件中英语词汇学习策略的研究[D].吉林大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[48]李智强.基于UDP组播的MPEG-2码流分析系统设计与实现[D].华侨大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[49]仕治达.光学纤维和电子输尿管软镜在上尿路疾病诊治中的对照研究[D].山东大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[50]范亮艳.磁共振环境下无伪影成像以及创造性思维fMRI研究范式的系统开发[D].华东师范大学,无线电物理,2013,硕士.