直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)和繼電保護(hù)動態(tài)行為

序一

序二

前言

第1章 緒論 1

1.1 直流輸電系統(tǒng)組成 2

1.1.1 直流輸電系統(tǒng)一次結(jié)構(gòu) 2

1.1.2 直流輸電系統(tǒng)的二次控制保護(hù) 3

1.2 直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行特性 5

1.2.1 接入約束 5

1.2.2 穩(wěn)定約束 6

1.2.3 諧波約束 7

1.2.4 運(yùn)行方式 8

1.2.5 直流偏磁 10

1.3 直流輸電系統(tǒng)故障動態(tài)特點(diǎn) 12

1.3.1 控制特性強(qiáng)約束 12

1.3.2 閥動態(tài)切換 13

1.3.3 交直流系統(tǒng)相互作用 13

1.3.4 長直流輸電線路 15

1.4 本書內(nèi)容結(jié)構(gòu) 15

第2章 直流系統(tǒng)換流器故障暫態(tài)過程分析 17

2.1 引言 17

2.2 換流器的換相暫態(tài)過程 17

2.2.1 換流器正常換相暫態(tài)過程 17

2.2.2 交流電網(wǎng)故障時換流器換相暫態(tài)過程 20

2.2.3 換流器換相失敗暫態(tài)過程 28

2.3 交流故障特征經(jīng)換流器侵入的暫態(tài)過程 30

2.4 換流器區(qū)的故障類型 33

2.4.1 換流器閥短路故障 34

2.4.2 換流器直流側(cè)出口短路故障 37

2.4.3 換流器直流側(cè)對地短路故障 41

2.4.4 換流器交流側(cè)相間短路故障 42

2.4.5 換流器交流側(cè)相對地短路故障 44

2.5 換流器對交流故障響應(yīng)的暫態(tài)過程 48

2.5.1 系統(tǒng)不對稱時換流器狀態(tài)切換模型 48

2.5.2 換流器交流連接線故障暫態(tài)過程分析 49

第3章 直流系統(tǒng)故障特性的換流器效應(yīng)對換流器保護(hù)的影響分析 55

3.1 引言 55

3.2 換流器保護(hù)與換流變保護(hù)的邊界問題 55

3.3 換流器差動保護(hù)動作結(jié)果的離散性 57

3.3.1 換流器差動保護(hù)對不同類型故障響應(yīng)的不確定性 58

3.3.2 換流器差動保護(hù)特征量動態(tài)特性影響因素 60

3.3.3 換流器差動保護(hù)特征量動態(tài)特性分析 62

3.4 基頻保護(hù)動作結(jié)果及響應(yīng)時間離散性分析 81

3.4.1 50Hz和100Hz分量的產(chǎn)生機(jī)理 81

3.4.2 交流故障下基頻保護(hù)特征量動態(tài)特性分析 83

3.5 低電壓保護(hù)動作結(jié)果及響應(yīng)時間離散性分析 88

第4章 逆變側(cè)交流故障引發(fā)直流換相失敗的暫態(tài)過程與評估 94

4.1 引言 94

4.2 逆變側(cè)交流故障引發(fā)換相失敗的暫態(tài)過程分析 94

4.2.1 逆變側(cè)交流故障下的換流母線電壓 94

4.2.2 逆變母線電壓畸變引發(fā)換相失敗的暫態(tài)過程 97

4.3 逆變側(cè)交流故障引發(fā)換相失敗的影響因素 102

4.3.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式 102

4.3.2 故障時刻 104

4.3.3 故障位置 106

4.3.4 故障類型 107

4.3.5 過渡電阻 108

4.4 考慮時空離散性的換相失敗評估方法 109

4.4.1 同時計及電壓幅值和相位變化的熄弧角判據(jù) 109

4.4.2 基于短路計算程序的換相失敗評估方法 111

4.4.3 換相失敗評估方法的校驗 112

第5章 直流系統(tǒng)故障及擾動對交流繼電保護(hù)的影響分析 121

5.1 引言 121

5.2 直流系統(tǒng)運(yùn)行工況對交流繼電保護(hù)的影響 122

5.2.1 慢速變化工況 122

5.2.2 快速變化工況 124

5.2.3 直流系統(tǒng)運(yùn)行工況對交流繼電保護(hù)影響評價 125

5.3 直流系統(tǒng)換相失敗引起的交流系統(tǒng)故障特征變異 127

5.3.1 故障特征變異的概念 127

5.3.2 基于“競爭”的故障特性變異機(jī)理分析 128

5.3.3 “競爭”的基本分析方法 129

5.3.4 交直流系統(tǒng)電氣競爭范圍分析 129

5.3.5 交流系統(tǒng)故障特征變異對繼電保護(hù)的影響途徑 130

5.4 故障特征變異下交流繼電保護(hù)動態(tài)行為 131

5.4.1 變化量方向元件 131

5.4.2 零序元件 138

5.4.3 負(fù)序元件 140

5.4.4 距離元件 144

5.4.5 差動元件 149

5.5 故障特征變異引起暫態(tài)功率倒向問題分析 151

5.5.1 暫態(tài)快速功率倒向機(jī)理 151

5.5.2 暫態(tài)快速功率倒向發(fā)生的電氣條件 152

5.5.3 暫態(tài)快速功率倒向發(fā)生的時序條件 154

5.5.4 多直流饋入系統(tǒng)的特殊性 155

5.5.5 暫態(tài)功率倒向影響保護(hù)動作的因素分析 157

5.6 直流系統(tǒng)對交流繼電保護(hù)的其他影響分析 158

5.6.1 直流偏磁與諧波問題 158

5.6.2 電氣量快速變化問題 161

第6章 直流輸電線路故障暫態(tài)過程分析 165

6.1 引言 165

6.2 直流輸電線路故障概述 166

6.2.1 直流輸電線路故障分類 166

6.2.2 直流輸電線路的故障階段 173

6.3 直流輸電線路故障行波過程分析 175

6.3.1 直流輸電線路數(shù)學(xué)模型 175

6.3.2 故障行波在直流輸電線路不連續(xù)邊界的折反射規(guī)律 179

6.3.3 故障行波在直流輸電線路中的傳遞過程 183

6.3.4 直流輸電線路故障行波傳播特性 186

6.4 直流控制對直流輸電線路故障的影響 190

6.4.1 直流系統(tǒng)控制功能簡介 190

6.4.2 極層控制的影響作用 191

6.4.3 換流器層控制的影響作用 192

第7章 直流輸電線路繼電保護(hù)動態(tài)行為分析 197

7.1 引言 197

7.2 直流輸電線路繼電保護(hù)及其特征量 197

7.2.1 直流輸電線路繼電保護(hù)概述 197

7.2.2 直流輸電線路繼電保護(hù)的特征量 198

7.3 直流輸電線路保護(hù)特征量的動態(tài)響應(yīng)特性及影響因素 199

7.3.1 電壓變化率du/dt的動態(tài)特性及其影響因素 200

7.3.2 電壓變化量ΔU的動態(tài)特性及其影響因素 204

7.3.3 電流變化量ΔI的動態(tài)特性及其影響因素 205

7.3.4 線路低電壓水平|Udl|的動態(tài)特性及其影響因素 206

7.3.5 差電流|Idl—Idl_os|的動態(tài)特性及其影響因素 210

7.4 直流輸電線路繼電保護(hù)的動態(tài)行為 212

7.4.1 行波保護(hù) 213

7.4.2 微分欠壓保護(hù) 221

7.4.3 直流輸電線路差動保護(hù) 225

7.5 直流輸電線路繼電保護(hù)優(yōu)化策略 230

7.5.1 特征量ΔI的處理方式的優(yōu)化 230

7.5.2 行波保護(hù)電壓判據(jù)的優(yōu)化 237

7.5.3 基于高頻采樣的直流輸電線路行波保護(hù)優(yōu)化 241

7.6 直流輸電線路繼電保護(hù)新原理 245

7.6.1 檢測電流首峰值時間的直流輸電線路繼電保護(hù)新原理 245

7.6.2 基于寬頻信息的直流輸電線路故障測距研究 255

第8章 直流輸電線路解析方法及應(yīng)用 265

8.1 引言 265

8.2 直流輸電線路故障分析模型 266

8.2.1 貝吉龍法概述 266

8.2.2 單極直流輸電線路故障分析模型 267

8.2.3 雙極直流輸電線路故障分析模型 273

8.2.4 雷擊直流輸電線路暫態(tài)分析模型 279

8.2.5 直流控制和行波色散等值模型 285

8.3 直流輸電線路故障解析 288

8.3.1 直流輸電線路短路故障 288

8.3.2 直流輸電線路端部外側(cè)短路故障 293

8.3.3 非故障雷繞擊直流輸電線路擾動 296

8.4 直流輸電線路保護(hù)整定方法 299

8.4.1 直流輸電線路保護(hù)范圍與整定需求 299

8.4.2 直流輸電線路保護(hù)邊界確定 300

8.4.3 直流輸電線路行波保護(hù)整定方法 301

8.5 直流輸電線路保護(hù)雷擊誤動風(fēng)險評估 305

8.5.1 雷擊工況下的行波保護(hù)誤動分析 306

8.5.2 行波保護(hù)雷擊誤動概率模型 308

8.5.3 行波保護(hù)雷擊誤動風(fēng)險評估方法 312

第9章 換流變涌流特性及其對直流50Hz保護(hù)的影響分析 315

9.1 引言 315

9.2 換流變涌流問題及其特殊性 316

9.2.1 換流變涌流問題 316

9.2.2 換流變勵磁涌流特殊性 322

9.2.3 換流變和應(yīng)涌流正序二次諧波特性 332

9.3 換流變涌流諧波沿直流輸電線路傳遞機(jī)理 341

9.3.1 基于直流輸電線路參數(shù)的50Hz諧波放大評估方法 341

9.3.2 運(yùn)行方式對50Hz分量傳遞特性影響 354

9.4 直流系統(tǒng)涌流諧波特性的影響因素 359

9.4.1 直流設(shè)備參數(shù) 359

9.4.2 涌流嚴(yán)重程度 361

9.4.3 直流輸送功率 362

9.4.4 直流系統(tǒng)運(yùn)行方式 363

9.4.5 交流系統(tǒng)強(qiáng)度 364

9.5 換流變涌流對直流50Hz保護(hù)影響的應(yīng)對策略 365

9.5.1 應(yīng)對策略概述 366

9.5.2 分相合閘控制策略優(yōu)化 367

9.5.3 基于波形識別的直流50Hz閉鎖策略 372

參考文獻(xiàn) 3842100433B

《直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)和繼電保護(hù)動態(tài)行為》借鑒交流電網(wǎng)故障分析及繼電保護(hù)方面成熟的理論與技術(shù)體系，將直流系統(tǒng)故障分析和繼電保護(hù)技術(shù)納入電力系統(tǒng)故障分析與繼電保護(hù)的統(tǒng)一大框架中，從直流故障過程、故障分析方法、故障動態(tài)對保護(hù)動態(tài)行為的影響與制約因素，各保護(hù)之間及保護(hù)與直流控制之間的協(xié)調(diào)配合等方面開展全方位、系統(tǒng)的論述和研究，填補(bǔ)國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的空白。

直流輸電(HVDC)是近年來發(fā)展起來的一項新的輸電技術(shù),主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、海底電纜或大城市地下電纜送電。

若系統(tǒng)發(fā)生故障,將使生產(chǎn)停頓以致發(fā)生混亂,所以故障診斷是超高壓直流輸電技術(shù)的核心,也是實施系統(tǒng)保由于整流站的控制參數(shù)的不合理導(dǎo)致快速控制造成次同步頻率范圍內(nèi)的負(fù)阻尼所造成的[5-7],這些研究都是針對系統(tǒng)在小擾動下對機(jī)電扭振互作用進(jìn)行分析,而對于直流輸電系統(tǒng)故障對于發(fā)電機(jī)組軸系扭矩的影響,即由于直流系統(tǒng)故障所高壓直流輸電(HVDC)是一種新型輸電技術(shù),為更有效地診斷HVDC系統(tǒng)故障,本文首先對系統(tǒng)幾種常見故障進(jìn)行仿真研究,在此基礎(chǔ)上提出將支持向量機(jī)(SVM)用于系統(tǒng)故障分類,并對不同參數(shù)下的SVM模型性能進(jìn)行比較。2100433B

電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程取決于電力系統(tǒng)中的各元件——發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、電動機(jī)等電磁暫態(tài)過程。我們可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過程左右了電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，由有源元件決定。2100433B

電磁暫態(tài)程序簡介

電磁暫態(tài)程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件。它包含通過現(xiàn)場測試證實的用于變壓器相傳輸線的模型、各種電機(jī)、二極管、晶閘管和開關(guān)、控制器等模型，是電力系統(tǒng)中高壓電力網(wǎng)絡(luò)和電力電子仿真應(yīng)用最廣泛的程序，側(cè)重于系統(tǒng)的運(yùn)行情況而不是個別開關(guān)的細(xì)節(jié)。

電磁暫態(tài)程序歷史

在1984年以前的十多年里，屬于美國能源部的邦維爾電管局(BPA)主導(dǎo)了EMTP程序的開發(fā)工作，它在人力和財力上對EMTP程序的開發(fā)工作給予了極大的支持。當(dāng)時的工作屬于公共域內(nèi)（public domain work），其成果可以免費(fèi)提供給任何一個感興趣的團(tuán)體。1984年以后，EMTP程序主要分為兩支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6個大型電力機(jī)構(gòu)組成）/EPRI（美國電力科學(xué)研究院）為代表，試圖將EMTP程序商業(yè)化(以下稱其為商業(yè)化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它繼續(xù)保持EMTP程序的可免費(fèi)使用性，但為了防止其成果被商業(yè)化的EMTP所利用，ATP-EMTP不屬于公共域內(nèi)。 有幾種EMTP版本以用于個人計算機(jī)，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美國邦納維爾電力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已對免費(fèi)使用EMTP構(gòu)成威脅，原BPAEMTP的開發(fā)者之一Dr.W.Scott Meyer為了維護(hù)EMTP的可免費(fèi)使用性，于1984年2～3月份，終止了12年的EMTP開發(fā)合同，并將他所有的業(yè)余時間用來開發(fā)一個富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式誕生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上電磁暫態(tài)分析程序（EMTP)最廣泛使用的一個版本，ATP-EMTP程序幾乎可為世界上的每一個人所免費(fèi)使用，并可在大多數(shù)類型的計算機(jī)上運(yùn)行。