输电线路积分型行波方向纵联保护研究

论文摘要

随着我国对电力负荷需求的强劲增长,西电东送、南北互供、全国联网工程的实施,一个超大规模互联电网正逐步形成。大容量远距离输电、大规模互联电网的安全保障和防御体系是电力工作者当前面临的新挑战。作为骨干网架的超、特高压输电线路,对继电保护的快速性、可靠性和灵敏性等指标提出了更高的要求。在基于工频量的继电保护其动作速度已接近极限的情况下,行波保护由于具有极快的故障检测能力而备受关注,但其低可靠性的缺点始终制约着保护装置的研发。为此,本课题旨在保持行波保护快速的故障检测能力的同时,提出了一种高可靠性的积分型行波方向保护原理并围绕该原理保护进行了相关技术的研究。论文所做主要工作如下:(1)提出了一种积分型行波方向保护判据。该原理判据利用故障发生后正反向行波在一定时间内的恒定关系,构造积分判据,并以二者比值大小作为识别故障方向的依据。500kV和1000kV两种电压等级的仿真数据表明该原理保护能够适用任何线路或母线结构,故障初始条件对保护判据的性能几乎没有任何影响,解决了只利用初始行波波头的极性或幅值关系而导致传统行波方向保护低可靠性和灵敏度不足问题。对于中短距离的输电线路,保护具有极快的故障方向判别速度。而对于远距离的输电线路,由于积分窗口的加大,判别速度有所降低。分析表明对于远距离输电线,可通过调整积分时间,提高判别速度。仿真结果验证了利用一半的时间窗,保护判据的性能不受影响。(2)在分析雷击未造成故障、雷击造成故障和一般短路故障暂态波形特征的基础上,提出了一种基于暂态电流波形积分的雷击干扰与故障的识别判据。针对不同的雷击情形和故障条件,仿真分析表明该判据能够快速、正确地识别雷击干扰和短路故障,是一种简单、易行的识别方法。另外,论文分析了断路器合闸和分闸操作产生行波信号的机理,并根据高压输电线路电压互感器一般安装于线路侧的现状,提出可利用积分型行波幅值比较式方向判据对扰动源的方向进行判别。对开关操作的仿真结果表明,积分型方向识别判据能够正确判定开关操作的方向。(3)针对电容式电压互感器(CVT)不能有效传变暂态高频电压信号的缺陷,利用CVT套管末屏电容设计出串、并联谐振回路,进而提取电压行波信号。利用仿真模型检验了提取电路对不同频率信号、不同故障接地电阻、不同故障初始角的输出响应。理论分析和仿真结果表明该方法能够有效地抑制工频分量,正确地反应暂态电压行波信号,解决了行波保护和行波故障定位中电压行波信号提取的技术难题。(4)基于以上研究,设计了一套积分型行波方向纵联保护的构成方案。对方案中的重要组成部分,如启动元件、故障选相元件、故障方向判别元件、主判据、雷击和开关操作识别以及通信通道的选择等,进行了理论分析和部分仿真。理论分析和仿真数据表明:本文所提出的积分型行波方向保护原理不受故障初始条件的影响,对线路长度和母线结构有较好的适应性,极大的提高了行波方向保护的鲁棒性、可靠性和灵敏性;所提雷击干扰与故障信号的识别判据能够正确判别各种非故障性雷击干扰;积分型行波方向判据能够正确识别开关操作;所设计的电压行波提取电路能够正确有效的提取故障暂态电压行波信号。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 输电线路行波保护原理与研究现状
• 1.2.1 行波保护发展历程
• 1.2.2 行波保护原理及其优缺点
• 1.2.3 传统行波保护的局限性
• 1.3 解决传统行波保护存在问题的措施
• 1.4 论文的主要研究内容及贡献
• 第二章 输电线路行波的产生机理与蕴含的故障特征
• 2.1 输电线路行波的产生
• 2.2 行波的速度与特性阻抗
• 2.3 行波的能量
• 2.4 行波的衰减和畸变
• 2.5 输电线路的行波方程
• 2.5.1 无损线路
• 2.5.2 无畸变线路
• 2.6 行波的折射和反射
• 2.7 行波信号中蕴含的故障信息
• 2.8 小结
• 第三章 积分型行波幅值比较式方向保护原理
• 3.1 引言
• 3.2 传统行波方向保护原理及其存在的问题
• 3.2.1 行波极性比较式方向保护
• 3.2.2 行波幅值比较式方向保护
• 3.3 积分型行波幅值比较式方向保护
• 3.3.1 故障行波的基本理论
• 3.3.2 方向行波的传播特征
• 3.3.3 故障方向的识别
• 3.4 小结
• 第四章 积分型行波方向保护原理的仿真与分析
• 4.1 引言
• 4.2 500KV输电系统仿真
• 4.2.1 仿真模型
• 4.2.2 典型故障仿真
• 4.2.3 相关因素分析
• 4.2.4 仿真小结
• 4.3 特高压输电系统仿真
• 4.3.1 1000KV输电系统仿真模型
• 4.3.2 故障仿真
• 4.3.3 仿真小结
• 4.4 长线路数据窗的选择
• 4.5 小结
• 第五章 故障暂态信号与非故障暂态信号的识别
• 5.1 引言
• 5.2 雷击暂态信号与故障暂态信号的识别
• 5.2.1 雷电流波形
• 5.2.2 线路扰动后的暂态特征分析
• 5.2.3 雷击与故障的识别判据
• 5.2.4 仿真分析
• 5.3 开关操作识别
• 5.3.1 开关操作产生行波的机理
• 5.3.2 开关操作的识别与仿真
• 5.4 小结
• 第六章 电压行波信号的提取
• 6.1 引言
• 6.2 电压行波信号的提取电路
• 6.3 提取电路的频率响应特性
• 6.4 仿真分析
• 6.4.1 提取电路对故障信号不同频率段的暂态响应
• 6.4.2 提取电路对不同故障初始角的暂态响应
• 6.4.3 提取电路对不同故障接地电阻的暂态响应
• 6.5 小结
• 第七章 积分型行波方向纵联保护方案
• 7.1 引言
• 7.2 行波保护方案的构成
• 7.2.1 启动元件
• 7.2.2 方向元件
• 7.2.3 区内外故障识别元件
• 7.2.4 故障选相元件
• 7.2.5 雷电干扰识别元件
• 7.2.6 开关操作
• 7.2.7 通信通道的选择
• 7.3 仿真分析
• 7.3.1 仿真模型
• 7.3.2 故障选相仿真
• 7.4 小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 附件