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关键词： 特勒根似功率定理   纵联保护   超/特高压输电线路保护   双重化配置  

摘要： 特勒根似功率定理指出:对于两个拓扑结构完全相同的电路,无论其支路内容是否相同,各支路上电压电流交叉乘积之和为零。若将运行在不同工况下的电力网络视作拓扑结构相同的两个电路,则在没有发生内部故障的情况下,这两个电路的拓扑结构相同,满足特勒根似功率定理;若发生了内部故障,则故障前后电路拓扑发生变化,不再满足该定理;基于这种特性,利用特勒根似功率定理可以很灵敏的反映电力网络的内部故障。据此,本文对特勒根似功率定理及其在故障检测和线路保护中的应用进行了研究。首先对特勒根似功率定理进行推广,将同一个电路网络在不同运行工况下测量的两组电压电流分别作为两个拓扑相同电路测量的电压电流,由于拓扑结构相同,因此满足特勒根似功率定理;并进一步将特勒根似功率定理推广至具有多种运行工况和多个拓扑结构的电路中,对于某一确定拓扑的电路,可与其他电路分别进行似功率计算,仅当两电路拓扑结构相同时,才会满足特勒根似功率定理。据此,将特勒根似功率定理拓展至LCC换流器中,将换流器内晶闸管的依次轮流导通,等效为不同拓扑的开关电路,提出了基于特勒根似功率定理的换相失败检测方法,该方案仅通过测量换流器外部端口电气量,就可实现对内部晶闸管导通状态的检测,最后通过仿真验证了该方法的有效性。对特勒根似功率定理进一步推广,若两个电力网络不仅拓扑相同,且其内部支路的阻抗分别对应相等,则两个电路内各支路上的似功率可以抵消。基于这种特性,将特勒根似功率定理推广至输电线路中,将输电线路故障前后的正序网络作为两个符合特勒根似功率定理的等值电路,提出了一种基于似功率定理的输电线路纵联保护,通过计算两个电路的似功率差,判断是否发生了内部故障。由于分布电容支路、并联电抗器支路等内部支路同样满足似功率要求,因而在计算过程中被消除,不会影响保护的判别以及灵敏度。该保护方案仅采用线路两侧端部的电气量即可进行似功率计算,无需线路精确参数,不受系统负荷状态、分布电容电流的影响,为超高压/特高压输电线路主保护双重化配置提供了一种新的保护方案选择。此外,利用正常负荷条件下线路似功率差为零这一特点,提出了一种基于特勒根似功率定理的同步方法,可以计算线路两端的同步误差,从而在正常负荷时校正线路两端的采样时刻,实现采样同步,该方法不需要通信收发延迟相等,通用性好。最后通过MATLB/Simulink仿真系统建立了 1000kV特高压输电示范工程模型进行大量的仿真,验证了所提保护方案具良好的耐过渡电阻能力,对于各种故障类型均有很高的灵敏度和可靠性,并验证了所提同步方案的有效性。基于特勒根似功率保护原理进行推广,对含互感线路的特勒根似功率定理进行了推导验证,证明了线路内部的互感支路、耦合电容支路等同样满特勒根足似功率定理,并将保护原理推广至双回输电线路,提出了一种适用于高压同塔双回输电线路的特勒根似功率定理纵联保护方法,直接采用端部电压电流相量进行似功率计算,不受线路内部耦合的影响,无需进行复杂的补偿电容电流计算和解耦计算,因此也可适用于不充分换位或不换位的多回输电线路,弥补了传统保护受线路参数精度影响大的缺陷。最后通过MATLB/Simulink仿真系统建立了皖电东送特高压同塔双回输电工程模型进行仿真,验证了所提特勒根似功率保护方案和保护对时方案在双回输电线路的适用性和有效性。

关键词： 配电网   中性点经小电阻接地系统   灵活接地系统   单相高阻接地故障   继电保护  

摘要： 在配网中,高达80%的故障类型是单相接地故障,当架空线路与树枝、水泥、沙土、动物等物质接触,其接地电阻高达几百欧或者上千欧,成为高阻接地故障(HIF),占故障总数5%左右。HIF过渡电阻较大,电流变化量较小,三相线电压保持对称,并且故障现象不稳定。因此HIF检测极度依赖于就地测试,测试成本较高并且受到故障点附近噪声等不可预测因素的影响,使得HIF的研究受到了很大限制。若无法确定故障点,则线路长时间带故障运行可能使故障点温度过高,从而引发火灾,造成电气设备的永久损坏,并且接地点周围跨步电压可达到几千伏,对接地点周围人身安全造成威胁。在小电阻接地系统与灵活接地系统中,传统的零序过电流保护无法适应高阻接地故障。因此本文针对配电网中的难点:高阻接地故障,展开了以下工作:(1)建立不同接地系统下的故障附加状态网络,推导了不同接地系统在发生单相接地故障时的相电压电流工频变化量关系,总结了发生单相接地故障时小电流接地系统与大电流接地系统相电压电流工频变化量的特征。在PSCAD/EMTDC中搭建不同接地方式系统模型,仿真数据验证了理论推导的正确性。(2)结合故障附加状态网络分析了故障线路与非故障线路的相有功功率工频变化量特征,进而总结了故障线路与非故障线路的相有功功率工频变化量比值差异,由此提出了一种基于相有功功率工频变化量比值差异的小电阻接地系统配电网高阻接地故障检测方法,经过PSCAD/EMTDC的仿真验证了该检测方法能有效的区分故障线路并切除,耐受过渡电阻能力强,具有很好的工程适用性。(3)分析了中性点经消弧线圈并联小电阻的灵活接地系统在小电阻投入前的相无功功率工频变化量关系,结果表明小电阻投入前可以利用相无功功率工频变化量比值差异对故障情况进行监测,但此方法有一定局限性;分析了小电阻投入前后的相有功功率工频变化量关系,结果表明小电阻投入前后故障线路的相有功功率工频变化量关系比值依然明显区别于非故障线路,由此形成一种可以对各阶段进行监测的灵活接地系统配电网高阻接地故障综合检测方法。经过PSCAD/EMTDC的仿真验证了该保护原理的适用性,且在过渡电阻达2000Ω时依然能有效切除故障线路,具有很好的工程适用性。

ISBN: (纸本)9787519879211

关键词： 新能源送出线路   继电保护   双端量保护   整定计算  

摘要： 新能源电源的故障特性受电力电子设备耐受力及控制特性影响，呈现电流幅值受限、相角受控等非线性时变特征。大规模新能源的接入使得电力系统，尤其是新能源汇集送出系统的故障特征发生深刻变化，给继电保护的动作性能带来严峻挑战。现有线路差动保护灵敏度不足，甚至存在拒动风险;同时整定计算中缺少准确的新能源模型，使得短路电流计算不准确，影响了保护定值的准确计算;这些问题动摇了继电保护“四性”要求，使得新能源送出系统安全运行风险增大。　　论文以保护适应性分析为基础，提出新能源送出线路双端量保护原理及整定计算建模方法，全面提升新能源送出线路继电保护性能，主要研究成果如下：　　（1）提出了新能源交流送出线路差动保护正确动作边界。从保护动作方程出发，推导了线路差动保护的适应性边界，分析了该边界与两侧短路电流相位差、幅值比以及比例制动系数的关系，揭示了不同参数下差动保护的正确动作边界，并仿真验证，为新能源接入工程的设计及保护配置提供了实用化判别方法。　　（2）提出了基于差流能量比的新能源交流送出线路双端量保护新原理。利用线路固有分布式电容参数及全电流采样点，提出了利用半波积分算法比较差流与分布式电容电流能量的保护新判据，提出了基于故障特征识别的电流互感器（CT）断线判别方法，解决了工频采样误差、两侧相位差等新能源故障特性造成的保护动作性能下降的问题，并研制了样机。　　（3）提出了基于时域变化特征的新能源柔直孤岛送端系统中双端受控交流线路双端量保护新原理。利用线路两端变换器控制策略不同导致短路电流变化过程不同的特性，提出了利用多阶矩阵梯度方法并提取故障电流特征的方法并构建保护判据，解决了短路电流双端受控情况下故障特征严重弱化的问题。　　（4）提出了基于序分量故障特性的新能源场站整定计算建模方法。提出了基于综合序分量的差动保护灵敏度校核方法，建立了三种不同类型控制策略下基于序电压-序电流关联关系的新能源单机及场群模型，提出了新能源送出系统最大最小运行方式的选取原则，有效提升电网短路电流计算的准确性。

关键词： 智能变电站   继电保护设备   可靠性   风险评估   故障定位  

摘要： 继电保护设备是电力系统的重要防线,随着电网规模的增大,电网结构日趋复杂化,给继电保护设备的可靠性提出了更高要求。同时伴随着智能变电站的建设,变电站内的智能电子设备采集了大量的二次系统数据,利用这些数据对二次系统进行故障分析与定位的难度增大,传统的继电保护设备可靠性与风险评估方法已不适用于智能变电站应用场景。因此,有必要对智能变电站继电保护设备可靠性、风险评估与故障定位展开专项研究,以提高继电保护设备可靠性,保障电力系统运行可靠性。鉴于此,本文以IEC61850规约为基础,对智能变电站继电保护设备的可靠性分析、风险评估与故障定位展开研究。 首先,基于智能变电站所采集的状态数据,应用Markov构建了可靠性分析模型,能有效获得保护装置的实时状态概率分布,同时结合保护装置多状态的特性,基于GO法构建了系统可靠性分析模型,并通过不同设备的实例分析验证了模型的有效性,获得了可靠性评估结果。下一步继续分析小概率下的设备异常及故障状态引起的风险后果,所以要继续进行继电保护设备故障风险评估。 其次,基于风险理论分析了保护装置故障引起的电网运行风险,选取和一次系统相关的电气量指标表征保护装置的风险后果。分析风险指标的风险后果,基于蒙特卡罗仿真构建了风险评估模型,并采用混合效用函数建立了相应指标的严重度模型,以描述风险后果。选择某220k V智能变电站进行了多种算例分析,表明本研究所提出的继电保护设备风险评估模型、指标及流程及风险计算结果对于掌握全站继电保护设备的风险水平具有参考价值。通过分析继电保护设备不同的设备故障引起的风险严重度也不一样,对于严重度较大的故障需要快速定位故障点及故障原因来及时降低风险,保障电网可靠运行。 最后,提出了基于矩阵算法与BP神经网络的智能变电站继电保护设备故障定位模型,利用矩阵算法能够快速确定可疑故障范围,采用BP神经网络算法能进一步缩小故障范围,继而提高继电保护设备故障定位精度。通过不同的算例证实该故障定位模型具有较高的容错性与精度。

关键词： 柔性直流电网   直流断路器   故障识别   自适应重合闸  

摘要： 柔性直流电网具有响应速度快、有功无功功率控制相互独立、运行方式灵活等优点，是大规模可再生能源并网消纳的优选方案。然而，柔性直流电网是低阻尼网络，当直流线路发生短路故障时，故障电流能够在几毫秒内达到数十千安，将严重危害电网的安全稳定运行。因此，亟需研究适用于柔性直流电网的继电保护技术。为此，本文以采用直流断路器(DCcircuitbreaker,DCCB)的柔性直流电网为研究对象，围绕其故障识别和故障重合闸开展以下研究:1)利用换流站和直流线路的等值模型，建立能够揭示行波传播特性的故障分量等值模型，并分析区内外故障电压行波特征;2)提取DCCB动作行波在区内外故障下传播的特征差异，提出兼具速动性和灵敏性的两段式直流保护方案;3)分析注入电压行波的首个反射行波在永久性故障和瞬时性故障下的极性差异，提出适用于机械式DCCB的自适应重合闸策略。本文的主要内容和成果如下。　　(1)介绍柔性直流电网关键设备的运行特性，建立直流线路故障分量等值模型，并分析区内外故障电压行波特征，为后续研究奠定理论基础。　　(2)提出一种基于单端电气量的两段式直流保护方案。首先分析区内外故障下DCCB动作时产生的暂态电压的极性差异。其次基于电压行波传播网格图，推导区内外故障下DCCB动作行波在本地保护处引起的电压变化量的表达式，揭示区内外故障下DCCB动作行波的特征差异;然后利用线路电流和零模电压的幅值构造故障方向和故障极识别判据，利用故障电压行波和DCCB动作行波构造区内外故障识别判据。最后利用PSCAD/EMTDC仿真平台对所提保护方案的有效性进行验证。　　(3)提出一种适用于机械式DCCB的自适应重合闸策略。首先对现有的机械式DCCB的拓扑结构进行改进，使其具备自适应重合闸的能力。然后建立系统电压通过机械式DCCB的内置电容器向线路充电的等值模型，并分析注入电压行波的首个反射行波在永久性故障和瞬时性故障下的极性差异。在此基础上,提出一种能有效抑制二次故障电流冲击和系统电压振荡的自适应重合闸策略。最后利用PSCAD/EMTDC软件验证所提自适应重合闸策略的有效性。

关键词： 继电保护   主动配电网   逆变型分布式电源   故障电流建模  

摘要： 新能源发电具有绿色环保、规模灵活、安全可靠等优势,随着新能源发电技术的普及和发电成本的降低,以风能、太阳能发电为代表的逆变型分布式电源(inverter-interfaced distributed generation,IIDG)正在大规模接入配电网中。其故障电流特性与传统发电设备存在显著差异,给配电网故障保护和安全稳定运行带来了较大的挑战。为了应对上述挑战,本文围绕IIDG的故障电流特性、故障电流计算和适应于IIDG接入的新型继电保护方案方面开展研究,主要工作如下: 1)建立了计及T/4延时正负序分离环节的IIDG电流闭环模型。基于T/4延时的正负序分离算法被广泛用于并网换流器控制系统,但在既往研究中未被充分重视。本文在梳理换流器故障瞬态响应链路的基础上,分别建立了换流器拓扑以及含延时环节控制系统的数学模型,并通过Pade近似实现延时环节线性化,建立了含T/4延时正负序分离环节的IIDG电流闭环模型,为后续研究打下基础。 2)揭示了T/4延时正负序分离暂态量测误差影响下的IIDG暂态故障电流特性。基于所建立的电流闭环模型,推导了不同故障类型及故障程度下IIDG的故障电流表达式,并通过与无延时控制下的故障电流特性对比,剖析了延时环节对暂态故障电流特性的影响。研究表明,延时环节将使测量值“两段式”追踪被测量的变化,测量误差作用于电流闭环,造成dq电流振荡、低次谐波含量暂时性上升等新特征。 3)提出了一种基于暂态故障电流频域分布特征值的新型快速纵联保护方案。基于对IIDG故障电流特性的研究,分析了故障后配电网的短路电流特性及其频谱特征,利用Prony算法提取故障电流频域特征量,进而提出一种基于暂态故障电流频域分布特征值的新型快速纵联保护方案。该方案不必躲过故障后IIDG电流的暂态发展过程,可实现含IIDG主动配电网故障的快速保护与正确动作。通过PSCAD/EMTDC仿真软件证实了所提保护方案的正确性,能在含IIDG接入的配电网中可靠动作。

关键词： 继电保护   隐性故障   录波信息  

摘要： 随着电网建设规模的扩大和新能源发电比例的提高，电力系统复杂性也随之提高，这对继电保护提出了更高的要求。继电保护在电力系统故障或异常运行时能够快速地切断受故障影响的部分，以保护电力系统的安全。然而，在继电保护运行过程中存在着一种潜在故障——隐性故障，容易在电力系统过压过载、保护区外故障等条件下触发导致保护装置误动或拒动，从而影响继电保护的可靠性、选择性、速动性、灵敏性。因此，解决继电保护隐性故障问题，对于保证电力系统的安全性和稳定性至关重要。　　本文提出了基于邻接矩阵和关联矩阵的广域检测算法，并设计了广域检测范围模块。该模块以各线路与跳闸线路的距离为依据，通过建立变电站之间的邻接矩阵、变电站和线路之间的关联矩阵、故障线路矩阵、变电站节点矩阵等，进行矩阵之间的乘法运算，以实现跳闸线路周围变电站和线路拓扑信息的划分。通过确定各层广域检测范围，不仅梳理了广域录波信息，也为后续逐层开展隐性故障检测提供了基础。　　同时，本文提出了一种典型隐性故障的分类方法，并建立了故障检测分析模块。该模块由录波启动点同步单元、模拟量检测分析单元、保护动作逻辑检测分析单元、保护灵敏度检测分析单元、保护定值检测分析单元和保护压板检测分析单元组成。作为隐性故障检测系统的核心组成部分之一，故障检测分析模块大大提高了隐性故障检测的分析质量，可以及早发现各类隐性故障，避免其进一步升级为显性故障，从而影响电网的稳定运行。　　针对所提出的方法，进行了相关系统和模块的设计开发，并在某省电网公司试运行。经过近百次跳闸事故的离线和在线分析，检测出数十例的继电保护隐性故障，例如电流互感器饱和、周期不一致、识别码错误、保护定值不一致等现场案例。通过这些实验，证明了本文方法的可行性和相关系统模块的有效性。该方法不仅扩大了检测范围，同时也克服了人工分析时间长、工作量大、容易出现错误的难题。此外，该方法还能兼容各类品牌和型号的保护装置，同步不同保护装置的通道启动点，实现了隐性故障检测流程化和标准化，大大提高了工作效率。

关键词： 电力系统   继电保护   故障分析   处理措施  

摘要： 近年来，人们生活和社会生产对电力资源的需求量不断上升，给供电系统稳定运行带来巨大压力。为了提高供电质量，保证供电系统中的设备和元器件正常运行，就要选择行之有效的继电保护手段对供电系统进行安全保护。结合大量实践来看，电力系统继电保护普遍具备安全性、可靠性、灵敏性等优势，但受多种因素影响，也容易产生分散性漏电、电流互感饱和等一系列故障。基于此，本文将对电力系统继电保护进行概述，深入分析继电保护常见故障，并提出几点行之有效的处理策略。

关键词： 柔性直流输电   差动保护   暂态量保护   交流故障   交直流混联系统  

摘要： “双碳”政策的提出要求电力系统向清洁低碳转型,逐步增加新能源发电的占比。为适应新能源规模化接入电网,柔性直流输电技术应用日益广泛,我国电网已初步成为交直流混联电网。柔性直流输电系统含大量电力电子器件,响应速度快且具有独特的控制策略,使得交流系统发生故障时,柔直系统提供的短路电流特征与传统同步发电机相比发生显著变化,基于工频电气量的传统交流如差动保护、距离保护,其速动性和可靠性降低,无法满足继电保护“四性”的要求,新型电力系统继电保护面临挑战。因此,亟需根据柔性直流输电系统的特点对现有保护原理进行改进,或提出适用于柔直接入交流电网的保护新方案,保证电网运行安全可靠。首先,本文分析了柔性直流输电系统的基本工作原理、数学模型和控制策略,再分别研究了柔性直流输电系统直流故障、交流故障的特点及交直流侧之间的相互影响。同时,在PSCAD中搭建了双端含柔性直流的交直流输电系统,对理论分析进行仿真验证。本文的后续研究以交流保护为主,分析了距离保护和差动保护受柔性直流输电系统控制策略影响而可靠性降低的原因,为后续保护改进、保护新方案提出作铺垫。其次,在保护原理改进方面,从差动保护入手,利用柔性直流输电系统控制策略对故障时正、负、零序网络的影响,分别利用线路两侧保护安装处的正序电流突变量、负序电流和零序电流构成三条辅助判据,提高发生区内故障时电流差动保护的灵敏度。在保护新方案方面,利用主要受母线对地电容和线路参数影响而不受柔性直流输电系统控制策略影响的故障电流暂态量,结合不同分层的小波包分解和差动保护的思想提出两个保护新方案:一是在利用在不同时窗、不同频带下,故障电流低频与高频能量比的不同来区分区内外故障;二是利用两侧故障电流在特征频带内的能量构成识别函数,使其在区内故障时最大,区外故障时最小,以此识别区内外故障。最后,在搭建的仿真系统中验证了保护改进方案及保护新方案的可行性,在不同故障位置、不同故障类型、不同过渡电阻等情况下均有较好的适应性,提高了柔性直流输电系统接入交流电网后继电保护的可靠性,为新型电力系统安全运行保驾护航。