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交直流混联系统换相失败下的保护与故障定位方法

邓瑜佳  
【摘要】:交流侧故障导致直流系统换相失败是我国交直流混联电网的典型故障,也是引发交直流混联系统连锁故障的重要原因之一。快速、可靠的实现交流侧继电保护及故障定位,对于恢复换相失败,避免潮流大范围转移,阻断连锁故障的发生,确保交直流混联系统安全稳定运行具有重要意义。换相失败发生之后,直流系统相当于短路,可等效为一个具有时频特性的谐波电流源,对交流系统注入大量谐波。从换相失败对交流系统影响的发展顺序出发,首先,谐波流经换流变压器(以下简称换流变),若换流变压器在此期间发生区内故障,则传统差动保护闭锁,保护拒动作,存在造成换流变损坏、直流系统闭锁、系统不稳定等隐患。随着谐波的不断注入,交流线路电气量发生明显变化,一方面,需要正常运行线路交流侧保护正确不动作;另一方面,需要故障交流线路保护快速动作。由于换流站需要按实际情况在整流站和逆变站之间进行切换。因此,需要检测方案即能适用于送端检测也要适用于受端检测,进而对线路故障检测的选择性、灵敏性及可靠性提出更高要求。当连续换相失败发生时,直流系统潮流无法转移,对送端及受端线路造成功率冲击,交流系统运行环境由静态变为动态,对于故障线路而言,需要保证动态条件下故障定位(本文具体指估算故障点到测量装置之间的距离,后文中又称故障测距)的精确性,以便及时快速查找故障,恢复供电,减小损失。针对交直流混联系统换相失败下交流侧继电保护及故障定位存在的问题,研究快速可靠的保护及故障定位算法,是保障交直流混联系统安全稳定运行的重要需求。论文以换相失败发生后对交流系统影响的先后顺序为主线,从时序上架构论文逻辑框架。以提高换相失败下交流系统保护的可靠性及故障定位的精确性为最终目的,构建“保护可靠,定位精确”的混联系统保护定位体系,实现换相失败条件下系统故障的快速隔离与恢复,避免故障影响的进一步扩大,防止连锁故障的发生。具体而言,论文的主要工作有:1.换相失败发生后,换流变首先受到冲击。因此,在解决换相失败情况下换流变压器区内故障拒动的问题方面,论文提出了基于小波能量熵的换流变差动保护算法。基于故障分量网络,分析了一二次侧故障电流方向在区内外故障及换相失败等干扰情况下的变化情况,归纳区内故障特征。利用小波能量熵表征一二次侧故障电流方向变化情况,分析表明,当且仅当区内故障发生时,一二次侧故障电流小波能量熵存在明显差异。因此,利用一二次侧小波能量熵比值构建新的保护判据,区内故障时其比值为一较大值,否则其比值接近于1。结合传统差动保护方案,构建逻辑判据,以实现换流变的可靠保护。大量仿真表明,所提方案能够在区内故障时正确动作,在非区内故障情况下,能够保证保护正确闭锁不动作,且不受噪声及过渡电阻影响。2.随着换相失败影响的进一步扩大,交流线路电气量波动造成保护误动。因此,在解决交直流混联系统中交流输电线路换相失败情况下故障误检测及受端检测适应性弱等问题方面,论文提出了改进的自适应累积量故障检测算法。为保证算法在受端检测的可靠性,分析了受端检测时,电流信号特征,利用故障前后电流相量作差,将差值进行叠加放大,以提高故障条件下的灵敏性。与原有自适应累积量故障检测方法中的检测指标相配合,构建新的保护判据。针对故障工况及系统非正常运行情况,特别是换相失败这一典型工况进行仿真测试,结果表明,所提算法能够在受端检测时准确快速检测出故障,所需检测时间仅需故障后3个采样点,且对高阻故障、重负荷、频率偏移、噪声环境等情况具有良好的适应性。在系统非正常运行情况下,也能保证检测信息的准确性。3.在保护可靠动作的基础上,为解决换相失败情况下交流输电线路故障测距误差大的问题,论文提出了适用于逆变侧交流输电线路的故障测距方法。该方法基于改进的动态相量测量算法,分析了系统偏移频率及信号的时频变化对线路阻抗及导纳的影响,在此基础上,将偏移频率引入线路参数修正中,推导了新的线路等效阻抗及等效导纳,实现了对偏移频率及信号时频变化所带来的误差的补偿修正。最后,利用两端同步电流电压相量测量值,基于电报方程及修正参数,推算故障点电压;根据牛顿迭代法,构建迭代方程,并求解故障距离。仿真验证了换相失败及非换相失败情况下,算法故障测距精度。仿真表明,所提方案不受故障类型,故障距离,过渡电阻的影响,在大部分情况下,其测距精度高于传统的故障测距算法,更适用于交直流混联系统交流线路故障测距。4.在解决换相失败下交流输电线路故障测距问题的基础上,继续探讨了连续换相失败引发了系统动态运行环境对串补输电线路故障测距的影响,对此,论文提出了动态条件下串补输电线路故障测距方法。该方法进一步分析了信号动态变化对串补电容电压的影响,推导了串补电容等效阻抗,利用串补电容电压初次计算值实现了对串补电容导纳的修正补偿,在此基础上,经过一次迭代以实现串补电容电压的修正。根据修正后的串补电容电压以及对端同步电压电流相量值,求取故障点电压,构建迭代方程,求取故障距离。对动态条件下故障发生在串补电容左侧及右侧的情况进行大量的仿真验证,测试结果表明,所提算法能够提高串补输电线路在动态条件下的测距精度,且不受故障类型、过渡电阻、故障距离的影响。总体而言,论文以基于电网换相换流器的高压直流输电线路(LCC-HVDC)为研究背景,围绕直流系统换相失败这一典型故障,考虑换相失败对交流侧保护及故障定位的影响,并提出相应的改进方案,提高了原有算法的可靠性,所提保护及故障定位算法更适用于交直流混联系统。


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