电流差动保护在柔直接入的交流电网中适应性 分析及改进措施研究

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。交流系统发生故障时,柔直系统提供短路电流的特征与传统同步发电机相比发生显著变化。首先分析故障特征的变化,柔直侧由于故障电流幅值受限,且负序阻抗无穷大,导致故障电流的幅值和相角与交流侧不同。分析了输电线路电流差动保护由于区内故障时两侧电流夹角增大,导致电流差动保护的动作量减少、制动量增加,导致灵敏度下降甚至拒动。在此基础上,提出了差动保护判据的改进方案：分别利用零序电流、负序电流和正序电流突变量构成辅助判据,提高区内接地故障和相间短路时电流差动保护的灵敏度,从而提高了差动保护在含柔直接入交流电网中动作的可靠性。最后,通过仿真验证了所提方案的可行性。     

计及风机短路电流偏移特性的配电网阻抗幅值差动保护方

区别于常规电源机组,当输电线路发生短路故障时,风电机组配置的Crowbar保护可能启动,导致风电机组转速下降,从而引起风电侧短路电流频率发生偏移,使得基于基频短路电流计算的测量阻抗出现偏差,传统距离阻抗保护方法可能拒动或误动。针对该问题,提出了计及风机短路电流偏移特性的配电网阻抗幅值差动保护方法,首先探究了风电短路电流偏移特性,建立了线路故障时,风机侧短路电流偏移误差模型,并基于阻抗平面图,研究了其对距离保护的影响机理。然后,基于差动阻抗和制动阻抗在正常运行、外部故障和内部故障之间的显著差异,提取阻抗幅值差动特征,构造了阻抗保护幅值差动判据,其不受短路电流偏移的影响。最后,基于PSCAD/EMTDC进行仿真分析,结果表明：提出的保护方法不受风电接入比例及短路电流偏移的影响,并且过渡电阻电阻可以提高内部故障时保护动作的灵敏性,以及外部故障保护不动作的可靠性。     

基于故障分量正序、负序和零序综合阻抗的线路纵联保护新原理

提出了故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的概念。发生区外故障时,故障分量正序综合阻抗等于线路正序容抗,负序综合阻抗等于线路负序容抗,零序综合阻抗等于线路零序容抗,数值较大;被保护线路上发生区内故障时,故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗分别反映系统和线路的正序、负序和零序阻抗,数值较小。根据该特征,可以区分线路上是否发生故障,据此提出了基于故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的纵联线路保护原理,不需对电容电流进行补偿,灵敏度高,不受过渡电阻的影响,整定原则明确,定值裕度大。     

弱电源系统的输电线路保护方案的探讨

输电线路存在弱电源系统，线路发生区内故障，由于弱电源侧系统不能提供足够的短路电流而不能启动保护，导致两侧保护不能快速跳闸甚至拒动。本分析了弱电源系统输电线路故障特征，提出弱馈输电线路保护配置宜采用纵联方向(距离)、光纤电流差动保护，尤其光纤电流差动保护利用两侧电压信息能彻底解决弱馈线路存在的问题。弱电源侧选相问题，光纤电流差动保护能很好解决，纵联方向(距离)保护需采用弱馈识别的逻辑，在弱电源侧选用突变量电压及稳态量序分量电压选相，是保证重合闸合闸成功的关键。     

基于采样值差动原理的低频输电线路差动保护研究

低频输电线路发生区内故障时，因线路两端M3C（模块化多电平矩阵变换器）对故障电流幅值、相位的限制，使得两侧电流呈现穿越特性，进而造成传统基于相量的线路差动保护灵敏度降低甚至拒动。为解决上述问题，首先基于低频输电系统架构分析了线路故障后的电气特征及相量差动保护适应性；随后结合采样值差动原理，给出了3个基于采样值的逻辑判据，与稳态量差流门槛及低比率制动方程共同构成适用于低频输电线路的差动保护实现方法；最后在RTDS（实时数字仿真系统）中搭建了低频输电系统模型，通过对低频线路区内、区外不同类型故障的仿真分析，验证了该方法在低频输电线路中的有效性，为后续工程应用奠定了基础。     

基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护

低频变压器是低频输电系统的核心器件之一。实验表明低频系统的故障暂态过程多变,低频变压器的短路电气量特征与常规变压器有较大差异。由于励磁涌流判据开放速度缓慢,低频变压器发生区内故障时常规纵差保护的速动性受到影响。文中提出了基于故障负序分量方向原理的低频变压器快速差动保护。首先,分析了模块化多电平矩阵变换器(M3C)低频输电系统的变压器区内故障特性以及M3C换频器响应情况;其次,分析了负序计算的数值方法对负序差动影响,并通过分析低频系统故障初期的窗口时间内的负序特征,提出了故障负序分量方向的判别方法;进一步,讨论了该方法在变压器非正常工况下对励磁涌流如何区分判别。最后,以实际工程为例建立仿真模型,针对典型区内故障对所提方法进行了仿真验证。     

基于零序差动阻抗的输电线路保护新原理研究

针对现有的输电线路光纤纵联差动保护原理易受分布电容电流影响较大,且要求线路两端信息的严格同步的问题,研究了一种基于双侧信息的零序差动阻抗保护原理。给出了零序差动阻抗的定义为线路两端零序电压与零序电流比值之和。由理论分析可知区内故障时零序差动阻抗为两侧系统零序阻抗和的负值,阻抗位于第三象限,区外故障时零序差动阻抗为线路的阻抗,阻抗位于第一象限。根据零序差动阻抗的阻抗角构成保护判据。在PSCAD中搭建模型进行仿真实验,实验结果表明,零序差动阻抗保护原理不受对地电容电流和过渡电阻的影响,适用于带并联电抗器补偿的线路和弱馈电系统,并不要求两侧信号严格同步。     

含逆变型分布式电源的配电网正序阻抗纵联保护

逆变型分布式电源区别于传统电源的故障特性导致传统电流保护难以快速可靠切除故障,也影响了现有输电网保护原理直接应用于配电网的动作性能。借鉴电流差动保护原理思想,定义了正序差动阻抗,理论分析了其在区内外故障时的幅值差异,提出了一种适用于有源配电网的正序阻抗差动保护原理。为进一步改善保护性能,有效应对分支负荷的影响,构造了带制动特性的动作判据。针对区内三相金属性短路故障时保护存在的死区问题,利用故障时正序阻抗与正序电流幅值特征构造了辅助判据。与传统电流差动保护相比,所述方法无需两端数据同步采样,对通信要求较低。仿真结果验证了保护原理的有效性。     

基于序分量综合阻抗的母线保护原理

提出了母线正序故障分量综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的概念,通过分析母线区内、外故障时3种综合阻抗的特征,分别利用阻抗幅值和相角构成了基于正序故障分量综合阻抗、负序综合阻抗以及零序综合阻抗的母线保护原理。3种保护原理在母线区内、外故障时特征明显,判据简单、易整定,而且原理本身不受3/2断路器接线的母线区内故障汲出电流以及过渡电阻的影响。当母线区外故障电流互感器(TA)饱和时,利用各个序分量综合阻抗相角所构成的TA饱和识别判据能够可靠地将母线保护闭锁,从而避免保护误动;当母线区内发生故障有TA饱和时,保护性能不受影响,能够可靠地快速动作。基于正序故障分量综合阻抗的母线保护原理可以反映各种类型的母线故障,对于最严重的三相短路故障可以快速切除;基于负序、零序综合阻抗的母线保护原理则可以在故障后长期应用,不受系统振荡的影响,而且对于高阻接地故障依然能灵敏动作。3种保护原理可构成完整的母线保护方案。EMTP仿真结果验证了新原理的有效性和可行性。     

环形直流微电网故障分析与保护

直流微电网故障的快速检测与切除是提高其运行可靠性的关键。电流差动保护可快速有选择地切除故障,但受短路阻抗影响较大,在高阻抗短路时可能拒动。针对环形直流微电网,文中提出基于母线功率变化率的差动保护,由母线两侧功率变化率作为差动量,在区内故障时,母线功率变化率差动值大于动作值,保护动作切除故障线路。功率变化率差动值与短路电流平方及短路阻抗成正比,相比电流量保护,具有更快的故障识别速度和更高的保护灵敏度。仿真结果验证了所提保护方案具有更好的速动性、灵敏性,提高了环形直流微电网的可靠性和稳定性。     

风力发电机集团式接入电力系统的故障特征分析

我国风电场多为集团式接入电力系统,风电场并网对系统安全运行及继电保护正确动作的影响越来越突出.由于风电场的容量相对较小,而且风机出口电压很低,从高压侧来看,风力发电机、箱式变压器及相应低压电缆相当于一个很大的限流电抗,即风电场侧的正负序等值阻抗远远大于系统侧的等值阻抗;对于零序网络,风电场主变压器的中性点直接接地,故障期间风电场侧的零序等值阻抗仅包括输电线路与主变的零序阻抗.因此风电场侧保护背侧的正负序阻抗远大于零序阻抗,属于典型的弱馈电源系统,风电场侧保护感受到的故障电流几乎全部为零序分量,非故障相电流在幅值与相位上均与故障相电流近乎相同,使保护的正确动作受到很大影响.以某风电场送出线故障为例,对风电场接入后,风电场侧保护感受到几乎全部零序故障电流而不正确动作的现象进行了分析,并在 PSCAD/EMTDC 下建立了实际风电场模型,对这一现象进行了仿真再现,并对其影响因素进行了分析     

基于负序电流判别的变压器差动保护零序电流自动补偿方法

对于星形/三角形(Y/d)连接组的变压器,形成差动量一般采用2种转角方式:Y侧电流移相转角(Y→d)和d侧电流移相转角(d→Y)以实现二次电流的幅值和相位校正.为了避免中性点直接接地侧外部单相接地短路时差动保护误动,2种转角方式都消去了差动电流中的零序分量,但因此降低了差动保护反应内部单相接地短路和匝间短路的灵敏度.直接利用中性点零序电流对差动电流进行自动补偿可以兼顾区内外接地短路时保护的可靠性与灵敏度,但实际上由于三相电流互感器(TA)与中性点零序TA的不同型问题,也可能导致差动保护的误动.研究表明,充分利用变压器各侧负序电流在区内外接地短路时的不同相位特征,可以对差动电流进行零序电流的自动补偿,既提高了区外接地短路时保护的可靠性,又保证了区内接地短路时保护的灵敏度不会降低.该方法无需增加额外的零序TA二次接线,也避免了零序TA极性校验问题.     

A new distance relaying algorithm based on complex differential equation for symmetrical components

This paper presents a new digital impedance measuring technique for transmission lines that combines symmetrical components and the complex differential equation of an equivalent fault loop circuit. The phase voltages and currents at the relaying point are transformed into symmetrical components using Fourier filters of short window length. Depending on fault type, an appropriate fault loop circuit is formed, signals of which are the appropriate symmetrical components, while a parameter of which is the positive sequence impedance being a geometrical measure of the distance from the relaying point to a fault. The impedance, however, is measured very fast by on-line solving the complex differential equation originated for this fault loop circuit. Consequently, this approach combines frequency domain estimation of symmetrical components (accurate filtration) and time domain measurement of positive sequence impedance (high speed response).

The presented method suits well the protection of parallel lines against high-resistance faults occurring very close to the far end of a line. A new method is proposed for detecting high-resistance faults and deciding which line out of two parallel lines actually suffers a fault.

The included EMTP test results demonstrate the efficiency of the proposed relaying algorithm.     

基于序网等值电路的双馈风电机组接入系统短路电流计算方法

为了方便和准确地计算双馈风电机组(DFIG)接入系统的短路电流分布,提出了投撬棒后DFIG的工频和转频序网等值电路,并给出了利用该等值电路计算系统短路电流的方法。通过求解投撬棒后DFIG磁链的状态微分方程,得到其工频分量和转频分量的解析表达式。在此基础上,将DFIG的电压空间矢量方程按转频和工频分量进行分解,并根据空间矢量与相量间的关系,分别形成了转频和工频序网等值电路。其中,转频正序、负序等值电路分别为带内阻抗的电势和无源阻抗,而工频正序、负序等值电路均为无源阻抗。利用该等值电路只需已知DFIG的电机参数和故障初值条件而无需仿真即可求得DFIG接入系统各处的短路电流。以某DFIG接入系统为例,通过PSCAD仿真验证了该等值电路和短路计算方法在不同故障条件下的有效性。     

新型数字线路电流差动保护原理及其应用

提出了研究线路电流差动保护的新概念：不局限于基尔霍夫定律,直接研究区内、外短路时线路两侧电流的关系。对于采样值突变量差动继电器,在以线路两侧电流为横、纵坐标的笛卡尔坐标系中研究;对于相电流突变量差动继电器,定义线路两侧电流的相量比,在电流复平面上研究;对于差动阻抗继电器,定义差动电压与差动电流的比,在阻抗复平面上研究。上述研究手段直观,得出的继电器动作区域性能优良,不需要补偿线路电容电流。     

新型Y/>/△接线平衡变压器短路计算及差动保护方案探讨

对Y/>/△接线的新型平衡变压器的接线方式和工作原理进行了分析,根据电磁耦合关系和戴维南定理推导出了简单实用的等值电路.随后利用电路理论对这种变压器的各种相间短路故障进行了分析,得到了各种故障情况下变压器高低压侧各相电流间的关系.此外,还提出了这种平衡变压器的纵差动保护的计算方法和接线方案,并利用上述短路计算所得结果验证了这种接线方案的正确性,为该变压器的推广应用奠定了基础.     

基于故障电流传播特性的高压直流输电线路单端保护方案

针对高压直流输电线路现有行波保护故障识别准确率不高、耐过渡电阻能力不强等问题,提出一种基于故障电流传播特性的单端保护方案。基于高压直流输电系统的等效电路,分别分析故障电流从换流侧到线路、从线路到换流侧以及在线路上的传播特性,进而分析不同位置发生故障时整流站线路边界两侧故障电流特征的差异性。基于此,利用特征频段电流构造区内、区外故障的识别判据,设计直流线路单端保护方案。基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果表明,所提保护方案能够准确识别区内、外故障,且具有良好的耐过渡电阻及抗噪声干扰能力。     

A new decoupling method for double‐circuit transmission lines with asymmetrical parameters

The six‐sequence component method is widely used in short‐circuit calculation of double‐circuit lines. However, this method can be used to decouple only two parallel transmission lines whose parameters are exactly the same. In this paper, a new sequence component method is introduced to deal with the lines whose parameters are not exactly the same. Mutual impedances between phases of the same line are decoupled first, and then the zero‐sequence mutual impedances between different lines are decoupled. Six new independent components are obtained after decoupling. System impedances are modified based on the relationship between voltages and currents of the new sequence components and the traditional sequence components. According to the boundary conditions of the faults, the characteristics of new sequence components are studied, and the corresponding sequence networks are discussed. According to the combined sequence network, new sequence currents can be calculated, and the phase currents can be obtained easily from the new sequence currents by a transformation matrix. PSCAD simulation results demonstrate that the short‐circuit calculation method proposed in this paper is appropriate and practical to deal with the two parallel transmission lines with different parameters and partially coupled transmission lines. © 2016 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Short-circuit current calculation method for partial coupling transmission lines under different voltage levels

In power system, there are partial coupling lines under different voltage level because of the development of power system. When faults occur on these lines, zero-sequence mutual impedances bring difficulty to short-circuit calculation. To solve the problem, a new method is proposed in this paper. First, the three phase components are transformed to independent positive-sequence, negative-sequence and coupling zero-sequence components. Then the coupling zero-sequence is decoupled using the idea of six-sequence component method, namely recirculating current method. Finally, the system impedances and impedance of the non-coupling part are modified by comparing the relationship between sequence voltages and sequence currents of the newly defined decoupling method and symmetrical component method. According to the boundary condition, the composite sequence networks are obtained and the short-circuit current can be calculated easily. The PSCAD simulation result of short circuit analysis and calculation indicate that the proposed decoupling method for partial coupling line is appropriate. The short circuit calculation based on the decoupling method is easy to implement. The calculation method is practical and the calculation accuracy is not affected by fault type, different voltage grade and fault resistance.