交直流交叉跨越碰线故障及其保护风险分析

中国直流输电工程输送距离长、跨度大,与交流线路跨越的情况日益增多。电网出现了新的故障形式——交直流碰线故障,其故障特征及对继电保护的影响研究比较匮乏。对碰线故障的特征进行理论分析,基于详细直流工程PSCAD/EMTDC仿真平台搭建交直流同塔模型,对碰线故障引起的特征量及其影响因素进行研究,并分析其对交直流保护动作特性的潜在挑战。仿真结果表明:碰线故障引入的工频分量会使直流线路行波保护动作率降低;行波保护与交直流碰线保护在保护配合范围内存在动作死区;交流距离保护灵敏度下降。     

基于换流器分段线性化模型的交直流碰线保护适用性分析

交直流混联电网的迅速发展使得交流线路与直流线路发生碰线故障的几率增大。针对交直流碰线故障后直流线路主保护执行移相动作情况下,不同交直流碰线保护判据的适应性进行评估。详细分析了交直流碰线故障下换流器的导通特性,建立了基于换流器导通状态的交直流网络等值模型。由于换流器基频等值阻抗的非线性使得直接计算基频电气量困难,基于换流器基频等值阻抗的分段线性化,推导了工频周期中每个短时间窗内保护安装处的基频电气量,进而利用傅里叶级数算法对工频周期内的等值基频电气量进行求解。最后,通过对比分析整流器移相前后保护安装处的基频电气量,研究了移相后现有的不同交直流碰线保护判据的适应性,分析表明基于基频电流量的交直流碰线保护判据在整流侧存在适应性降低的问题。论文搭建了PSCAD/EMTDC交直流碰线故障仿真模型并进行了大量仿真实验,仿真结果验证了理论分析的准确性。     

交直流碰线故障对变压器差动保护影响的实证分析

在实际工程中,目前较为常见的是交流、直流线路交叉跨越的情况,特别在南方地区交流线路错综复杂,南方电网作为多个直流工程的落点,交直流交叉跨越现象更加明显。文中以金中换流站实用的PSCAD仿真模型为基础,搭建了交直流系统共存的仿真模型,并选取220 k V,500 k V交流系统作为典型场景进行分析,仿真交流变压器区外发生金属性的交直流碰线故障。根据仿真波形的分析结果,给出了交直流碰线故障时变压器差动保护的特性分析结果。     

交直流交叉跨越碰线故障分析及处理策略

电网交直流系统混联运行中交流/直流线路交叉跨越现象较为常见,较容易出现交直流线路碰线故障。文中从目前国家电网和南方电网直流输电工程针对交直流碰线故障的两种不同处理方法出发,分析其中隐藏的问题。故障无法切除的情况下南网工程采用的闭锁策略出现闭锁后直流过电压;国网工程采用的闭锁再启动逻辑策略实际上不起作用。在分析交直流碰线故障特征的基础上,提出交直流碰线故障由交流线路保护系统切除故障、直流输电控制保护系统报警的处理策略建议。问题分析及所建议处理策略均采用EMTDC仿真予以佐证,还仿真了不同闭锁策略和多线路同时碰线的情形。     

兴安直流金属回线纵差保护研究

兴安直流现有保护逻辑下,金属回线线路发生瞬时性接地故障后无故障重启逻辑,降低了直流系统的可靠性。提出了兴安直流SIMADYN D平台下增加金属回线纵差保护的程序修改方案,该保护作为直流金属回线线路接地故障的主保护,动作后果为启动直流线路故障重启逻辑。利用兴安直流EMTDC仿真模型,在单极金属运行方式下,开展不同功率水平、不同故障位置、不同过渡电阻的故障仿真。仿真结果显示该保护在过渡电阻较大情况下有拒动的风险,在大负荷条件下执行故障重启并不能有效地熄灭故障点电弧,故障重启失败后闭锁直流。综合考虑保护逻辑设计方案和EMTDC仿真结果,不建议兴安直流增加金属回线纵差保护。     

交直流并联系统中三相重合时序对距离保护动作特性的影响

发现交直流系统中三相重合时序对距离保护有较大影响。建立交直流并联系统模型,在交流输电线路发生对称性故障时,推导出不同三相重合时序下健全线路两端测量阻抗的表达式。据此,解析出影响距离保护动作特性的临界故障距离,并探究测量阻抗随整流、逆变侧系统电抗的变化规律。直流系统发生换相失败时推导出直流系统等效阻抗与故障电压变化量、越前触发角等电气量的关系式,根据该关系式分析健全线路测量阻抗随故障电压变化量和越前触发角的变化趋势,得出减小交直流并联系统健全线路距离保护误动风险的最佳重合时序方案。其正确性和有效性在两区域交直流并联系统中得到验证。     

风电经架空柔性直流输电线路并网的交直流故障穿越技术

针对永磁同步风电机组远距离大规模并网的问题,研究了采用半桥型模块化多电平换流器(MMC)和直流断路器(DCCB)进行架空直流输电的并网方案。但架空线路故障率高,在发生直流侧故障、网侧交流故障时,基于MMC的高压直流(MMC-HVDC)系统保护装置会动作,导致MMC闭锁,不能不间断运行。为解决MMC-HVDC穿越交、直流故障的问题,基于DCCB和耗散电阻,提出了一种MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越方案。在故障发生后,通过设计DCCB风电场侧MMC降压协调控制策略,以及高压直流侧耗散电阻和风电场侧制动电阻间的控制策略和配合方案,实现了MMC-HVDC系统的交、直流故障穿越。最后,通过PSCAD/EMTDC下的多组仿真,验证了上述交直流故障穿越方案的有效性和正确性。仿真结果表明,所设计的穿越方案能够使MMC-HVDC系统在不闭锁MMC的前提下,安全穿越故障期;在故障清除后,系统快速恢复到正常运行状态。     

交直流系统连锁故障模型及停电风险分析

随着越来越多的直流输电线路投运,交直流系统连锁故障的研究变得非常迫切。提出了一种基于改进OPA模型的交直流系统连锁故障模型。该模型考虑100Hz谐波保护等直流系统保护装置,模拟了交直流系统的调度环节,可分析交直流系统之间的故障传播过程以及直流系统可控性对停电风险的影响。该模型使用直流系统的等效导纳参数计算短路电压,避免了详细的时域仿真,提高了计算效率。对IEEE 30节点和河南电网系统进行了仿真。结果表明,在没有远距离输电的情况下,纯直流和交直流互联系统的停电风险高于纯交流互联方式的系统。但由于直流系统具有良好的调节能力,纯直流互联方式系统的停电风险在调度环节的恰当作用下可以显著降低。     

交直流混联电网发电机失步保护与直流低电压保护协调

直流输电站间通信中断情况下,当逆变侧出现故障紧急停运时,整流侧主要依靠直流低电压保护动作实现闭锁。由于整流侧通常采用定功率控制,换流器会出现低电压大电流运行并吸收大量的无功功率,若交流系统强度不够就容易造成整流侧交流母线电压大幅降低,进而引起周围发电厂内机组出现振荡直至失步。文中通过分析一起直流系统长时间低电压运行引起发电机失步保护动作的实例,指出换流站直流低电压保护应与邻近发电机失步保护相互协调,并提出了配合原则。所述原则已应用于实际直流输电工程及其邻近发电厂,显著提高了交直流混联电网运行可靠性。     

考虑交直流侧协调的模块化多电平换流站直流线路保护方案

在换流站保护中,交直流保护之间往往缺乏配合,且存在直流保护的速动性难以满足要求、故障区域难以确定等难点。为此,根据模块化多电平换流器(MMC)闭锁前后直流二次谐波电流与交流负序电流特征,提出了换流站交直流故障辨识方法,可有效区分交、直流故障,确定故障区域。在此基础上,提出了交、直流侧协调配合的换流站直流保护方案。最后,结合光伏直流汇集接入系统的PSCAD/EMTDC模型,验证了交直流故障辨识方法的可行性以及交、直流侧协调配合的直流保护方案的可靠性。结果表明,所提方法能有效识别交、直流故障,且受过渡电阻的影响较小。     

多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略

在多端直流输电系统中使用直流断路器有利于故障的快速切除,但目前直流断路器的制造工艺尚不成熟,难以在工程中推广应用。文中在直流输电系统直流侧采用常规交流断路器作为直流断路器的替代方案,提出了一种针对多端直流输电系统直流侧故障的控制保护策略。利用PSCAD/EMTDC软件建立了±800kV双极四端直流输电系统仿真模型,并进行了仿真。仿真结果表明,基于常规交流断路器的多端直流输电系统控制保护策略能够实现系统故障后的快速恢复,较好地满足功率输送要求,有效提高所连交流系统的稳定性。     

基于控制与保护协同的直流配电系统单极接地故障保护策略

随着电力电子技术的发展,柔性直流配电系统逐渐成为研究热点。单极接地故障是直流配电系统中最为常见的故障类型,当交流侧通过高阻接地时,直流侧发生单极接地故障后,故障电流变化不明显,难以准确定位。文中提出了基于控制与保护协同的双端直流配电系统单极接地故障保护策略,通过就地检测交流接地支路电流微分判断故障发生,进而快速投切交流接地支路上并联的小电阻。相比于传统的差动保护方法,所提方法省去了通信时间,有效提高了保护的快速性。同时,根据保护可靠性的要求,优选了并联小电阻的阻值。最后,在PSCAD/EMTDC平台中进行了仿真分析,验证了所提保护策略的可靠性和快速性。     

柔性直流配电网保护方案及设备研制

针对典型柔性直流配电网开展了保护分区及保护配置策略研究;根据直流线路的故障特性,分析了直流极间短路故障、单极接地故障以及断线故障的保护方案。对于直流电网快速故障定位和隔离的要求,提出一种基于差动保护和多点方向信息的综合故障定位方法。基于所提出的保护和故障定位方案,研制了高采样率且具备多类型模拟量接口的直流配电网保护设备。经实时数字仿真(RTDS)系统仿真和动模试验,验证了保护方案的可行性和故障定位方法的正确性,所研制的保护设备动作行为、性能指标满足直流配电网安全运行需求。     

电力电子化背景下交流电网保护配置方案

大量电力电子器件的应用使得交流系统的故障特性发生了较大变化,现有保护配置方案面临严峻挑战。首先分析了纯交流系统、直流输电系统、新能源并网等不同场景下交流线路故障暂态电流波形特征,进而利用相关系数进行暂态电流波形辨识,构建了新型保护原理与配置方案。最后,分析了新型保护方案对互感器、采样频率、数据窗长的配置要求。新型保护配置方案普适性强,出口速度快,实现简单。基于EMTDC/PSCAD仿真与样机测试结果验证了分析结论的正确性。     

逆变型新能源场站柔性直流送出系统交流线路差动保护灵敏性优化方案

针对逆变型新能源场站柔性直流送出系统交流线路差动保护灵敏度降低问题,提出了一种基于改进判据的差动保护优化方案。利用逆变型新能源场站柔性直流送出系统交流线路故障特征,分析交流线路差动保护的适应性,正常区内故障时,将制动分量设为0,提升保护的灵敏性,当两侧相角差超90°时,判据中加入两侧电流相角差来削减灵敏性降低程度;与直接降低制动系数的方法相比,优化方案可以通过改变参数来兼顾差动保护的可靠性,且优化方案不受逆变型新能源场站外接系统强弱影响,适用范围更广;最后,利用PSCAD仿真软件搭建了逆变型新能源场站接入张北四端柔性直流系统模型,仿真验证了优化方案的有效性。     

交直流混合配电网继电保护研究综述

直流配电网能友好兼容各类分布式电源和直流负载,与现有的交流配电网构成交直流混合配电网是应对能源危机、环境污染的有效手段,但缺少可靠、稳定的继电保护技术是制约交直流混合配电网发展的重要因素。概述了国内外交直流混合配电网继电保护的研究现状。总结了直流配电网的结构、故障特性、保护原理等方面的研究,进而对交直流混合配电网的故障特性以及交直流相互作用对保护配置的影响进行分析。同时总结国内外对交直流换流器继电保护的研究。最后对交直流混合配电网继电保护技术的研究方向进行展望。     

基于MMC的直流电网故障分析和保护方案研究

对MMC型直流输电系统直流侧故障检测方法及保护方案进行了研究。分析直流侧故障特性,提出了一种R-L并联限流结合电流变化率的故障检测方法,提高了故障检测速度。对采用直流断路器的故障处理方式,提出一种可有效解决出口断路器不正确动作时故障隔离问题的后备保护方案。运用PSCAD/EMTDC构建四端直流电网仿真模型,验证了故障检测方法和保护方案的有效性。