输电线路微机距离保护中解微分方程算法的分析与改进

为改善基于单端电气量距离保护的性能,提高距离继电器承受过渡电阻的能力,从单端故障测距的角度出发,分析距离保护中计算阻抗的常用算法———解微分方程算法,结合输电线路发生各种故障后的电压电流关系,对传统的解微分方程算法进行了分析。根据分析得到的结果,对两相短路故障和两相接地短路故障算法进行了改进。针对传统的用于两相故障和两相接地故障中的解微分方程算法不能有效地克服负荷电流对于计算电抗的影响,在改进中重点解决如何有效消除负荷电流的影响。两相故障采用非故障相来消除负荷电流的影响,而两相接地故障则根据故障点电流和保护安装处零序电流的关系消除负荷电流影响。通过仿真计算表明,经改进的算法较常用算法抗过渡电阻能力强,测距结果比常用的解微分方程算法更准确,可应用于实际的距离保护装置中。     

利用单端电流的同杆双回线准确故障定位研究

基于线路分布参数模型,提出了一种利用单端工频电流量的同杆双回线准确测距算法:通过同杆双回线解耦可以得到同向和反向分量,其中反向分量与系统参数无关,并且反向各序电流分布系数是只包含故障距离x的函数。再根据不同故障的反序电流、电压边界条件,可以给出各种双回线接地故障(单线三相故障和同名跨线故障除外)的测距算法。该算法原理上不受过渡电阻、系统阻抗、分布电容的影响。并且由于算法只利用电流量,从而不受电压互感器传变特性的影响。并从理论上证明了测距精度不受电流互感器特性的影响。测距方程求解不存在伪根,具有唯一解。仿真计算结果表明,该算法具有较高的测距精度,最大测距误差仅为0.15%,理论上能够满足高压和超高压输电线路的测距要求。     

超高压线路等传变快速距离保护

基于输电线路等传变理论分析可知,电容式电压互感器(capacitive voltage transformer,CVT)的暂态特性会造成参与距离保护计算的电压和电流经过的传变环节不一致,是引起距离保护暂态超越的重要因素。因此提出一种等传变快速距离保护方案,使保护安装处的三相电压和电流与故障点电压经过相同的传变环节,新方法主要包括3个步骤,即故障点电压的重新构造、虚拟数字传变以及求解R-L模型微分方程。ATP仿真结果表明,所提方法能有效地减小了CVT引起的暂态误差,故障后15 ms左右测距误差不超过5%,明显优于基于CVT暂态误差估计或系统线路阻抗比的各种自适应保护算法(测距误差不超过5%一般需要30 ms以上)。     

风电接入对继电保护的影响(六)——风电场送出线路距离保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。     

（六）风电场送出线路距离保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

（六）风电场送出线路距离保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

（六）风电场送出线路距离保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

（七）风电场送出电网继电保护配置研究

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

（五）风电分散式接入配电网对电流保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

（六）风电场送出线路距离保护影响分析

从感应发电机基本原理出发,在转子转速旋转磁场坐标下,建立感应发电机简化三阶动态模型。从电路角度分析了风电场送出线电压、电流主频不同的机理,因此依据工频傅氏算法的相量距离保护元件的动作性能受到严重影响。利用Prony等算法分别提取保护安装处电压、电流工频及转速频率分量,可以准确测量出故障线路阻抗;基于线路时域微分方程模型的解微分方程算法距离元件不受信号频率影响。PSCAD／EMTDC仿真结果验证了分析的正确性。（详见2013年第33卷第6期）     

适应于双馈风电场送出线的时域距离纵联方向保护

针对基于傅里叶算法的距离纵联方向保护应用于双馈风机接入系统会受频偏特性影响这一问题,分析了双馈风机短路电流特性对传统距离方向元件的影响。考虑到双馈风电场的频偏特性,运用了一种时域保护原理,即通过采集双馈风电场送出线两端保护安装处电压、电流时域信息,利用递推最小二乘法辨识出两端保护装置感受到的电阻、电感,将时域距离保护II段作为方向判别元件实现时域距离纵联方向保护。仿真结果表明,该方法不受风电场侧短路电流频偏特性的影响,能准确、快速判断出故障方向,且具有较强的抗过渡电阻能力,提高了双馈风电场送出线纵联方向保护的动作可靠性。     

不同类型风电场对现有继电保护仿真对比分析

不同类型风电场接入电网系统表现出异于常规电源的故障特征,使得基于常规电源的继电保护应用存在适应性问题。针对不同类型风电场的故障特征,仿真分析风电场送出线路在不同故障、不同运行工况下各种继电保护元件(差动元件、方向元件、距离元件及选相元件等)的动作性能。分析结果表明,双馈风电场出现送出线路发生故障时系统表现出弱馈性和频偏性,对基于工频向量的保护元件产生严重影响;直驱风电场送出线路故障只对负序、零序方向元件及选相元件产生部分影响。     

基于边缘检测的大规模风电场送出线路纵联保护算法

由于风电出力的波动及送出线路发生故障时故障电流的频偏特性,风电场送出线路纵联保护灵敏度下降甚至拒动,因此提出了基于边缘检测的风电场送出线路纵联保护算法。通过将风电场送出线路两侧采集到的电流构造为矩阵形式,并使用Sobel算子进行边缘检测,从而确定电流采样值变化大的部分。然后通过所识别到的线路两侧电流采样值变化大的部分计算平均梯度幅值并与整定值相比较,实现区内故障和区外故障的快速识别。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了大规模风电场送出系统模型,验证了所提算法的适用性、速动性及抗过渡电阻能力。与现有送出线路的纵联保护相比,所提方法在风电场弱出力的情况下仍适用,且动作速度更快。     

双馈风机风电场联络线出口故障方向判别

由于双馈风机风电场故障特性与传统同步机存在较大差别,因此传统方向元件应用于双馈风机风电场时存在适应性问题。针对双馈风机风电场存在的频率偏移、等值内阻抗不稳定和弱馈等特点,提出一种基于时域波形相似度的故障方向元件。根据推算的联络线对侧电压与保护安装处记忆电压波形的余弦相似度判断故障方向,能够有效解决双馈风机风电场出口故障方向判别存在的问题。在PSCAD/EMTDC中搭建典型的双馈风机接入系统,仿真结果表明,所提故障方向元件针对不同的故障类型均能有效判断故障方向。     

双馈集群汇集站主变及送出线路继电保护研究

传统风电场主变、送出线路保护配置多从系统角度考虑,存在保护动作的选择性、灵敏性问题。尤其是风电集群汇集站主变、送出线路保护适应性问题亟待于进一步研究。为此,结合新疆实际电网结构,考虑双馈风电场故障电流、电压特征,理论分析故障电流频率偏移对差动保护的影响。仿真分析双馈集群风电场接入对汇集站主变相量值差动、采样值差动保护及送出线路不同类型保护的影响。依此提出双馈集群汇集站主变、送出线路保护的相应完善措施,为解决当前电网面临的实际问题提供参考。     

风电场110kV单回送出线主动探测式三相重合闸方法

风电场110 kV单回送出线因故障而三相跳闸后,输电线路电磁能量迅速衰减,给故障性质识别带来了很大困难,且风电场失去与系统连接后处于孤岛状态,由于功率阻滞,孤岛系统的电压、频率迅速失稳导致切机。提出利用风机变流器向送出线注入低电流实现故障性质识别的方法,在风电机组切机后,先闭合一台风机主断路器和送出线靠近风电场一侧的断路器,短时导通风机网侧变流器电力电子器件,使得其直流侧电容向交流线路放电,利用电流积分特征构造保护判据实现故障性质识别,并提出风电场110 kV单回送出线主动探测式三相自适应重合闸方案。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了故障性质识别和主动探测式重合闸方案的正确性。     

适用于双馈风电场联络线的距离保护方案

风电场联络线作为风电场向电网输送功率的重要通道,其稳定运行对于风电场和电网的安全稳定运行具有重要影响。双馈风电机组故障电流特性复杂,将导致基于全波傅里叶算法的传统距离保护应用在双馈风电场联络线上时性能严重劣化,难以满足实际电网安全运行要求。因此提出一种距离保护方案。该方案以瞬时值表征的微分方程算法为基础,通过数字低通滤波、故障点电压重构和故障距离迭代计算等技术保证距离测量的正确性。仿真结果表明,该距离保护方案的整体性能明显优于传统距离保护方案,可较好地满足工程应用要求。     

Impact Analyses of Wind Farm on Performances ofTransmission Line Relay Protection

A simulation system for power grid with concentrated large-scale wind farm integration is established based on the electro-magnetic transient model of wind turbine equipped with doubly-fed induction generator (DFIG),which is built by real-time digital simulator (RTDS).Using the hardware communication interface of RTDS,a closed-loop testing experiment is accomplished to study the impacts of large-scale wind farms on the existing relay protection devices for wind farm outgoing transmission line.This paper points out problems existing in current relay protection devices as follows:fault phase selector can select unwanted phase due to the changes of fault features caused by special network connection of wind farms;blocking condition for distance protections needs to be re-examined due to the weak power-feed characteristics of wind farms;and power frequency parameter based relay protection devices cannot accurately operate due to the special transient voltage and current characteristics of wind farms during fault period.Results lay the foundation for improving the performances of the existing relay protection device and developing new principle relay protection.     

基于分布参数模型的风电系统长距离送出线时域距离保护

传统工频原理距离保护易受风电系统故障特征的影响,基于集中参数模型的时域距离保护原理较适应于风电系统送出线。但考虑到该原理忽略分布电容的影响,当故障发生在风电系统长距离送出线时,可能造成距离I段保护发生暂态超越现象。因此,提出一种基于分布参数模型的风电系统长距离送出线时域距离保护原理。基于分布参数模型,通过保护安装处的电压、电流时域信息求得距离I段整定处的电压、电流时域信息,代入时域故障测距方程中,求得整定点与故障发生处的故障距离。通过与距离I段整定距离求和获得故障测量距离,实现保护动作。仿真结果表明,该原理不受长距离送出线分布电容的影响,具有较强的抗过渡电阻性能,优越于基于集中参数模型时域距离保护。     

具有低电压穿越能力的风电接入电力系统继电保护的配合

具备低电压穿越能力的风电机组要求在一定的故障条件下不脱网,需要相关继电保护与之配合。详细分析了风电场送出线以外输电系统元件故障、风电场送出线故障、风电场内部电网故障以及风电机组本体故障情况下,输电系统保护以及风电场内部保护应有的配合关系。进一步分析了当前集中式接入风电场的继电保护配置,指出风电机组保护及变流器保护选择性不强,在风电场内部保护或系统保护动作切除故障之前,风电机组已经脱网,而且将风电网等同于单侧电源的配电网,没有考虑风电机组对短路的贡献。最后分析了单风电机组本体保护、风电场主变保护、风电场送出线保护需要进行的改进,以保证低电压穿越能力的发挥,并指出各保护需要注意的问题。