高压直流输电系统换流器与线路保护动态特性分析与整定研究

论文摘要

高压直流输电系统由于在输电距离、传输容量以及经济性上具有显著的优势，目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。换流器与直流输电线路是高压直流输电系统的核心元件，其故障特征和保护组成最具直流系统特征，与交流系统继电保护存在较明显的差异，对于整个直流输电系统的安全稳定运行具有重要的影响。本文以直流输电系统的换流器和直流输电线路这两个典型元件作为研究对象，针对直流保护普遍存在的动作行为不确定性、缺乏系统的整定计算方法及定量分析手段等问题开展研究。本文首先建立了面向直流保护的直流输电系统故障分析模型。针对换流器保护在换流器交流连接线故障时的动作行为存在不确定性的问题，研究了换流器保护各特征量的动态特性和动作判据，分析了交流连接线上故障位置、故障类型及系统运行方式对保护动作行为的影响，明确了换流器保护对交流连接线故障响应的规律，为换流器保护优化提供了依据。本文提出了基于保护特征量分析直流继电保护动作行为的方法。研究了直流线路保护特征量的动态特性，分析了故障条件（包括本极线路故障、对极线路故障、平波电抗器阀侧故障以及交流母线故障）、系统运行方式（包括单极大地方式、单极金属回线方式以及双极方式）和直流控制作用对直流线路故障暂态及保护特征量的影响规律，明确了直流线路各保护判据的动作边界、约束条件和功能定位，为直流线路保护优化与整定计算提供了依据。本文进一步提出了适用于直流线路各保护的统一整定计算方法，研究了保护装置采样率对直流线路保护整定影响的特殊问题，分析了直流线路各保护灵敏度系数影响因素与取值原则，有效解决了目前直流保护依据经验进行整定且缺乏有效的定量分析方法与手段的难题，将直流保护整定纳入到了电力系统继电保护整定的整体框架之中。基于以上理论，本文开发了直流线路保护整定计算程序，实现了直流线路保护的整定计算、定值校核、数据分析以及文档输出等功能。结合我国多个直流输电工程实际参数与保护配置进行了整定计算，验证了本文方法与程序的正确性与有效性。该整定计算程序已在实际直流输电工程中获得应用。本文工作得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）（项目编号：2012AA050209）的资助，部分研究成果已经在电网运行部门的实际工作中得到应用，验证了本文工作的正确性和有效性，取得了良好的社会和经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 直流继电保护技术综述
• 1.2.1 直流继电保护的任务与配置方案
• 1.2.2 换流器保护
• 1.2.3 直流线路保护
• 1.3 直流系统保护动态特性与整定问题
• 1.3.1 动态特性
• 1.3.2 整定计算
• 1.4 直流输电系统及其保护建模
• 1.5 本文主要研究工作
• 第二章 直流输电系统换流器故障与保护响应的不确定性
• 2.1 引言
• 2.2 换流器故障类型与保护组成
• 2.2.1 换流器故障类型
• 2.2.2 换流器保护的构成
• 2.2.3 换流器保护的整定计算原则
• 2.3 换流器保护对不同类型故障响应的不确定性
• 2.3.1 换流器保护的特点
• 2.3.2 换流器保护与换流变保护的边界问题
• 2.3.3 换流器保护对不同类型故障响应的不确定性
• 2.4 考虑故障时刻与状态切换的换流器故障分析模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 换流器连接线故障相关保护特征量动态特性
• 3.1 引言
• 3.2 换流器交流连接线故障分析
• 3.2.1 单相接地故障
• 3.2.2 两相短路故障
• 3.2.3 三相短路故障
• 3.3 换流器交流连接线故障时保护特征量动态特性
• 3.3.1 换流器保护特征量动态特性影响因素
• 3.3.2 单相接地故障下保护特征量的动态特性
• 3.3.3 两相短路故障下保护特征量的动态特性
• 3.3.4 三相短路故障下保护特征量的动态特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 直流输电线路保护及特征量动态特性
• 4.1 引言
• 4.2 高压直流线路的构成及故障种类
• 4.2.1 直流输电线路构成
• 4.2.2 直流输电线路的故障种类
• 4.3 高压直流线路保护构成及原理
• 4.3.1 直流线路行波保护
• 4.3.2 直流线路微分欠压保护
• 4.3.3 直流线路差动保护
• 4.4 高压直流线路保护整定问题
• 4.5 直流线路保护的范围及典型故障
• 4.6 直流线路保护及其特征量动态特性分析
• 4.6.1 控制系统对保护特征量的影响
• 4.6.2 直流系统运行模式对保护特征量的影响
• 4.6.3 保护特征量的动态特性
• 4.7 本章小结
• 第五章 高压直流输电线路保护整定方法
• 5.1 引言
• 5.2 行波保护的整定
• 5.2.1 行波保护的逻辑与功能分析
• 5.2.2 行波保护的整定计算方法
• 5.2.3 行波保护整定影响因素分析
• 5.3 微分欠压保护的整定
• 5.3.1 微分欠压保护逻辑与功能分析
• 5.3.2 微分欠压保护的整定计算方法
• 5.3.3 微分欠压保护整定影响因素分析
• 5.4 差动保护的整定
• 5.4.1 差动保护的整定计算方法
• 5.4.2 差动保护整定影响因素分析
• 5.5 整定计算算例
• 5.5.1 行波保护整定算例
• 5.5.2 微分欠压保护整定算例
• 5.5.3 差动保护整定算例
• 5.6 本章小结
• 第六章 高压直流输电线路保护整定计算程序开发
• 6.1 引言
• 6.2 直流线路保护整定计算程序的设计架构
• 6.3 直流线路保护整定计算程序的基本功能
• 6.4 直流线路保护整定计算程序展示
• 6.5 实际直流输电工程线路保护整定算例
• 6.6 本章小结
• 结论
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定窓见