交直流混联电网交流系统故障特征分析_索南加乐
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Abstract: T aking t he 500 kV Bao - Dei and Gui Guang H V DC pr ojects as model, and basing o n a larg e number of RT D S ex periments, we firstly analyzed the AC fault t ransient characterist ic o f the AC - DC hy br id t ransm ission gr id from the r elay a pplicat ion view point. T he r esults show that the harmonic co mpo nents o f fault infor mat ion ar e mainly ex pr essed as lo w frequency and non - integ er co mpo nent, and its content basically do es not decay w ith the passag e o f time. In additio n, due to the nonlinear char act eristics of conver ters, t he mag nitude and phase of the system po sitive sequence impedance are no long er equal to those o f the neg ativ e sequence impedance. T ho se features hav e an unfavo rable influence on many types o f pr otectio n such as differential co mpo nent, distance co mpo nent, phase selec tion component, and directio nal component. T he results can be adopted to establish a theo retical foundatio n fo r the development and application of r elay pr otectio n a pplied to AC - DC hybrid g rid. Key words: AC - DC hybrid t ransmission gr id; commutatio n failur e; harmo nic analysis; positive and neg ative se quence impedance; co mplex fault; R T DS experiment
n= 0
利用差分算法进行求解 , 即可得到模型中的各个参 数 , 从而确定暂态信号的频率和幅值等信息。 对于继电保护尤其是主保护而言, 其动作时间 一般 30 m s, 因此保护启动后 40 m s 内电压电流信 号中的谐波含量对于主保护而言尤为重要。以下采 用 Pro ny 算法着重分析换相失败后 50 m s 内的谐波 特征。 图 2 给出了交直流混联电网逆变侧输电线路中 点发生单相接地故障时的电压 u 和电流 i 波形, 故 障后 50 ms 内的频谱分析如表 1 和表 2 所示。
AC Fault Characteristic Analysis of AC - DC Hybrid Transmission Grid
SUONAN Jia - le , ZH ANG Jian - kang , JIAO Zai bin , SU Xiao - hua , SONG Guo - bing , KANG Xiao - ning ( 1. Schoo l o f Elect rical Engineering, Xi an Jiaot ong Universit y, Xi an 710049, China; 2. Nort hw est Elect rical Pow er Dispat ching and Comm unicat ion Cent er, Xi an 710048, China)
高电压技术
第 36 卷 第 6 期 2010 年 6 月 30 日 1461
High V olt age Engineerin g, V ol. 36, N o. 6, J une 30, 2010
交直流混联电网交流系统故障特征分析
索南加乐1 , 张健康1 , 焦在滨1 , 粟小华2 , 宋国兵 1 , 康小宁 1 ( 1. 西安交通大学电气工程学院, 西安 710049; 2. 西北电力调度通信中心 , 西安 710048)
1462
高电压技术
2010, 36( 6)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
变化量保护在理论上已不再严格成立。 为系统研究交直流混联电网运行特性及继电保 护适应性问题, 西安交通大学与西北电网公司、 南京 南瑞继保公司及许继电气公司等单位合作, 以 500 kV 宝 - 德及贵 - 广 直流工程为模型, 在国内首次进 行了大规模的交直流混联电网 实时数字仿真 系统 ( RT DS) 闭环试验。本文从继电保护应用的角度出 发, 在大量 RT DS 试验的基础上 , 研究了交 直流混 联电网交流系统故障时的电气量特征, 并简要分析 了其对现有继电保护的影响。
min z =
^ ( n) | 。 | x ( n) - x
2
由于换流站电力电子器件的非线性特性及直流 控制保护系统的复杂性, 从理论上推导故障特征并 给出电气参数具体的解析表达式是极其困难的 , 所 以本文利用 RT DS 试验数据进行交直流混 联电网 故障特征的分析。 对于交直流混联电网而言 , 由于电源 ( 换流站 ) 的非线性及直流控制的复杂性 , 其故障暂态过程与 纯交流系统相比更为复杂, 甚至可以被描述为一个 非正弦特征的系统, 同时 , 故障暂态过程的衰减规律 ( 控制过程复杂且持续时间长 ) 与纯交流系统之间也 存在差异 , 因此 , 对故障暂态过程的谐波分析就显得
流输电工程的建成投产, 交直流混联电网将在我国 逐步形成
[ 1]
。高压直流输电的特点是其逆变侧换流
[ 2]
器在交流系统故障时会出现换相失败 , 此时的故 障特征与以同步发电机为电源的同步交流电网明显 不同 , 且故障暂态过程中的谐波分量、 等值序分量阻 抗及向交流系统注入的序分量电流等都具有自身的 特点。这必然会对现有交流系统继电保护的动作行 为产生不利影响 , 甚至会造成交流保护的不正确动
摘 要 : 与传 统交流电网相比 , 交直流混联电网在故 障时会 产生许 多新的电 气特征 , 从 而对交流 系统继 电保护 动 作行为产生不利影响。为此 , 以 500 kV 宝 - 德及 贵 - 广 直流工程为模型 , 在大量实时数字 仿真系统 ( RT DS) 试 验 的基础上 , 从继电保护应用的角度出发 , 首次系统地分析了交直流混联电网交流 系统的故 障特征。研究 表明 , 故 障 信息 中的谐波主要表现为低频分量和非整次分量 , 且其含 量基本不随时间而衰减 ; 由于换流器 的非线性 特性 , 使 得 被保 护元件背侧系统正、 负序阻抗的幅值和相位均不再近 似相等 ; 交流系统单一故 障通常具有 复故障特 点 , 上述 特 征将影响选相元件、 距离元件、 方向元件等保护的动作 性能。研究 成果为 适用于 交直流 混联电网 的继电 保护研 制 及应用提供了依据。 关键词 : 交直流混联电网 ; 换相失败 ; 谐波分析 ; 正负序阻抗 ; 复故障 ; RT DS 试验 中图分类号 : T M 721. 3 文献标 志码 : A 文章编号 : 1003 - 6520( 2010) 06 -1461 - 07
图1 交直流混联电网 RTDS 模型
Fig. 1 AC - DC hybrid grid RTDS model
1
交直流混联电网 RTDS 试验概述
目前国内外对直流输电的研究主要是采用基于
至关重要。交直流电网故障时保护 感受 到的谐波 在不同时刻是有明显差异的 , 而傅氏算法不能反映 这种差异 , 因而它不适合用于该类故障特征的分 析。另外, 继电保护尤其是主保护, 一般仅关注故障 暂态过程中最初几个周波的电气量特征 , 而应用传 统的快速傅立叶变换( FF T ) 算法进行谐波分析需要 很长的数据窗。对于交直流混联电网, 由于控制过 程的快速性 , 其等效电路 拓扑结构 是快速变化的, 因此应用较长的包含过多 状态 的数据进行故障特 征分析也是不合适的。 P rony 分析法是用一组余弦信号衰减分量之和 来估计原始信号的方法。当电力系统因故障而引起 暂态过程时 , 暂态信号通常是随时间而快速衰减的, 其中还可能包含很强的非周期衰减分量 , 所以 Pro ny 分析法很适合用于电力系统暂态过程的分析[ 10] 。 假设暂态 信号 中的 N 个 原 始采 样数 据为 x ( 0 ) , x ( 1) , , x ( n) , , x ( N - 1) , 则算法模型为
1 1 1 2 1 1
0
引言
随着宝鸡 - 德阳、 三峡 - 上海、 贵州 - 广州等诸多直
作[ 3 , 4] 。尤其是随着多馈入直 流输电的出现 , 交流 系统故障可能 会同时引起多个逆变站 发生换相失 败 , 其故障特征与纯交流电网相比差异更显著。 近年来, 国内外针对交直流混联电网故障特征 及继电保护动作行为的研究正逐步开始。文献 [ 5] 定性地分析了直流系统谐波对继电保护尤其是静态 继电器的影响, 但未就逆变器换相失败过程中的谐 波特征进行分析。文献 [ 6] 讨论了谐波对半周傅氏 算法的影响 , 也没有就换相失败过程中对交流系统 引入的谐波成分、 含量和特征进行分析。文献[ 5, 6] 定性地分析了换相失败过程中采用故障分量方向元 件的纵联方向保护误动的实例。文献 [ 7] 对交直流 混联电网的工频变化量阻抗进行了定量分析 , 其研 究内容涉及工频变化量理论在交直流混联电网中的 应用。实际上, 由于系统中故障分量电流是交流侧 和直流侧两个故障分量电源叠加的结果 , 所以工频
基金资助项目 : 国家自然科 学基金 ( 50677051) ; 高等学 校博士 学科点专项科研基金 ( 20090201120018) 。 Project Su pport ed by N at ional Nat ural Science Foundat ion of C hina ( 50677051) , Special ized Research Fu nd for t he D oct oral Program of H igher Edu cat ion ( 20090201120018) .
^( n) = x
j
bk z n k ; n = 0, 1,
k= 1 ( + j2 f ) t
, N - 1。
k 其中, bk = A k e k ; zk = e k 。 式中, A k 为信号幅值 ; k 为阻尼因子 ;
k
为相位 ; f
k
为频率 ; t 为采样间隔。 构造目标函数
N- 1
2
故障量谐波特征
P [ 9]
CIGRE H VDC 标准模型的 PSCAD/ EM T DC 仿真 方法 , 但其控制保护系统过于简单 , 不能准确反映实 际响应特性。鉴于直流控制保护特性对于研究的重 要性 [ 8] , 课题组分别以国内具有代表性的两家控制 保护系统为例, 采用 RT DS 闭环试验研究交直流混 联电网运行特性及其对继电保护的影响。 试验先后在南京南瑞继保公司动模试验中心以 及许继集团国家继电保护及自动化设备质检中心进 行。分别以 500 kV 宝 - 德 及贵 - 广 直流输电 工 程为模型, 如图 1 所示。换流器、 滤波器、 平波电抗 器、 变压器、 输电线路等交直流一次设备均按工程实 际参数采用 RT DS 建模, 保护控制等二次系统则采 用工程实际装置 ( 130 余面屏柜) 。将 RT DS 系统与 实际直流输电控制保护装置及交流保护装置连接组 成闭环试验系统 , 采用 RT DS 系统 6 个 RACK 进行 交直流混合电网实时并行计算。本试验系统准确、 可信 , 能较真实地反映交直流混联电网实际动态特 性。 本文在本次 RT DS 试验数据的基础上, 分析研 究了交直流混联电网交流系统的故障特征。
n= 0
利用差分算法进行求解 , 即可得到模型中的各个参 数 , 从而确定暂态信号的频率和幅值等信息。 对于继电保护尤其是主保护而言, 其动作时间 一般 30 m s, 因此保护启动后 40 m s 内电压电流信 号中的谐波含量对于主保护而言尤为重要。以下采 用 Pro ny 算法着重分析换相失败后 50 m s 内的谐波 特征。 图 2 给出了交直流混联电网逆变侧输电线路中 点发生单相接地故障时的电压 u 和电流 i 波形, 故 障后 50 ms 内的频谱分析如表 1 和表 2 所示。
AC Fault Characteristic Analysis of AC - DC Hybrid Transmission Grid
SUONAN Jia - le , ZH ANG Jian - kang , JIAO Zai bin , SU Xiao - hua , SONG Guo - bing , KANG Xiao - ning ( 1. Schoo l o f Elect rical Engineering, Xi an Jiaot ong Universit y, Xi an 710049, China; 2. Nort hw est Elect rical Pow er Dispat ching and Comm unicat ion Cent er, Xi an 710048, China)
高电压技术
第 36 卷 第 6 期 2010 年 6 月 30 日 1461
High V olt age Engineerin g, V ol. 36, N o. 6, J une 30, 2010
交直流混联电网交流系统故障特征分析
索南加乐1 , 张健康1 , 焦在滨1 , 粟小华2 , 宋国兵 1 , 康小宁 1 ( 1. 西安交通大学电气工程学院, 西安 710049; 2. 西北电力调度通信中心 , 西安 710048)
1462
高电压技术
2010, 36( 6)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
变化量保护在理论上已不再严格成立。 为系统研究交直流混联电网运行特性及继电保 护适应性问题, 西安交通大学与西北电网公司、 南京 南瑞继保公司及许继电气公司等单位合作, 以 500 kV 宝 - 德及贵 - 广 直流工程为模型, 在国内首次进 行了大规模的交直流混联电网 实时数字仿真 系统 ( RT DS) 闭环试验。本文从继电保护应用的角度出 发, 在大量 RT DS 试验的基础上 , 研究了交 直流混 联电网交流系统故障时的电气量特征, 并简要分析 了其对现有继电保护的影响。
min z =
^ ( n) | 。 | x ( n) - x
2
由于换流站电力电子器件的非线性特性及直流 控制保护系统的复杂性, 从理论上推导故障特征并 给出电气参数具体的解析表达式是极其困难的 , 所 以本文利用 RT DS 试验数据进行交直流混 联电网 故障特征的分析。 对于交直流混联电网而言 , 由于电源 ( 换流站 ) 的非线性及直流控制的复杂性 , 其故障暂态过程与 纯交流系统相比更为复杂, 甚至可以被描述为一个 非正弦特征的系统, 同时 , 故障暂态过程的衰减规律 ( 控制过程复杂且持续时间长 ) 与纯交流系统之间也 存在差异 , 因此 , 对故障暂态过程的谐波分析就显得
流输电工程的建成投产, 交直流混联电网将在我国 逐步形成
[ 1]
。高压直流输电的特点是其逆变侧换流
[ 2]
器在交流系统故障时会出现换相失败 , 此时的故 障特征与以同步发电机为电源的同步交流电网明显 不同 , 且故障暂态过程中的谐波分量、 等值序分量阻 抗及向交流系统注入的序分量电流等都具有自身的 特点。这必然会对现有交流系统继电保护的动作行 为产生不利影响 , 甚至会造成交流保护的不正确动
摘 要 : 与传 统交流电网相比 , 交直流混联电网在故 障时会 产生许 多新的电 气特征 , 从 而对交流 系统继 电保护 动 作行为产生不利影响。为此 , 以 500 kV 宝 - 德及 贵 - 广 直流工程为模型 , 在大量实时数字 仿真系统 ( RT DS) 试 验 的基础上 , 从继电保护应用的角度出发 , 首次系统地分析了交直流混联电网交流 系统的故 障特征。研究 表明 , 故 障 信息 中的谐波主要表现为低频分量和非整次分量 , 且其含 量基本不随时间而衰减 ; 由于换流器 的非线性 特性 , 使 得 被保 护元件背侧系统正、 负序阻抗的幅值和相位均不再近 似相等 ; 交流系统单一故 障通常具有 复故障特 点 , 上述 特 征将影响选相元件、 距离元件、 方向元件等保护的动作 性能。研究 成果为 适用于 交直流 混联电网 的继电 保护研 制 及应用提供了依据。 关键词 : 交直流混联电网 ; 换相失败 ; 谐波分析 ; 正负序阻抗 ; 复故障 ; RT DS 试验 中图分类号 : T M 721. 3 文献标 志码 : A 文章编号 : 1003 - 6520( 2010) 06 -1461 - 07
图1 交直流混联电网 RTDS 模型
Fig. 1 AC - DC hybrid grid RTDS model
1
交直流混联电网 RTDS 试验概述
目前国内外对直流输电的研究主要是采用基于
至关重要。交直流电网故障时保护 感受 到的谐波 在不同时刻是有明显差异的 , 而傅氏算法不能反映 这种差异 , 因而它不适合用于该类故障特征的分 析。另外, 继电保护尤其是主保护, 一般仅关注故障 暂态过程中最初几个周波的电气量特征 , 而应用传 统的快速傅立叶变换( FF T ) 算法进行谐波分析需要 很长的数据窗。对于交直流混联电网, 由于控制过 程的快速性 , 其等效电路 拓扑结构 是快速变化的, 因此应用较长的包含过多 状态 的数据进行故障特 征分析也是不合适的。 P rony 分析法是用一组余弦信号衰减分量之和 来估计原始信号的方法。当电力系统因故障而引起 暂态过程时 , 暂态信号通常是随时间而快速衰减的, 其中还可能包含很强的非周期衰减分量 , 所以 Pro ny 分析法很适合用于电力系统暂态过程的分析[ 10] 。 假设暂态 信号 中的 N 个 原 始采 样数 据为 x ( 0 ) , x ( 1) , , x ( n) , , x ( N - 1) , 则算法模型为
1 1 1 2 1 1
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引言
随着宝鸡 - 德阳、 三峡 - 上海、 贵州 - 广州等诸多直
作[ 3 , 4] 。尤其是随着多馈入直 流输电的出现 , 交流 系统故障可能 会同时引起多个逆变站 发生换相失 败 , 其故障特征与纯交流电网相比差异更显著。 近年来, 国内外针对交直流混联电网故障特征 及继电保护动作行为的研究正逐步开始。文献 [ 5] 定性地分析了直流系统谐波对继电保护尤其是静态 继电器的影响, 但未就逆变器换相失败过程中的谐 波特征进行分析。文献 [ 6] 讨论了谐波对半周傅氏 算法的影响 , 也没有就换相失败过程中对交流系统 引入的谐波成分、 含量和特征进行分析。文献[ 5, 6] 定性地分析了换相失败过程中采用故障分量方向元 件的纵联方向保护误动的实例。文献 [ 7] 对交直流 混联电网的工频变化量阻抗进行了定量分析 , 其研 究内容涉及工频变化量理论在交直流混联电网中的 应用。实际上, 由于系统中故障分量电流是交流侧 和直流侧两个故障分量电源叠加的结果 , 所以工频
基金资助项目 : 国家自然科 学基金 ( 50677051) ; 高等学 校博士 学科点专项科研基金 ( 20090201120018) 。 Project Su pport ed by N at ional Nat ural Science Foundat ion of C hina ( 50677051) , Special ized Research Fu nd for t he D oct oral Program of H igher Edu cat ion ( 20090201120018) .
^( n) = x
j
bk z n k ; n = 0, 1,
k= 1 ( + j2 f ) t
, N - 1。
k 其中, bk = A k e k ; zk = e k 。 式中, A k 为信号幅值 ; k 为阻尼因子 ;
k
为相位 ; f
k
为频率 ; t 为采样间隔。 构造目标函数
N- 1
2
故障量谐波特征
P [ 9]
CIGRE H VDC 标准模型的 PSCAD/ EM T DC 仿真 方法 , 但其控制保护系统过于简单 , 不能准确反映实 际响应特性。鉴于直流控制保护特性对于研究的重 要性 [ 8] , 课题组分别以国内具有代表性的两家控制 保护系统为例, 采用 RT DS 闭环试验研究交直流混 联电网运行特性及其对继电保护的影响。 试验先后在南京南瑞继保公司动模试验中心以 及许继集团国家继电保护及自动化设备质检中心进 行。分别以 500 kV 宝 - 德 及贵 - 广 直流输电 工 程为模型, 如图 1 所示。换流器、 滤波器、 平波电抗 器、 变压器、 输电线路等交直流一次设备均按工程实 际参数采用 RT DS 建模, 保护控制等二次系统则采 用工程实际装置 ( 130 余面屏柜) 。将 RT DS 系统与 实际直流输电控制保护装置及交流保护装置连接组 成闭环试验系统 , 采用 RT DS 系统 6 个 RACK 进行 交直流混合电网实时并行计算。本试验系统准确、 可信 , 能较真实地反映交直流混联电网实际动态特 性。 本文在本次 RT DS 试验数据的基础上, 分析研 究了交直流混联电网交流系统的故障特征。