基于钳位型断路器的柔直系统控保协同技术

柔性直流系统以其在输电领域的巨大优势而获得广泛应用.但在直流系统中,短路故障的强冲击性与电力电子器件的脆弱性之间的矛盾异常尖锐,现有保护策略难以同时满足高速动性与高可靠性的要求.本文从控保协同思想出发,基于一种电压钳位原理的直流断路器,提出一种新的故障处理模式,初步探究在柔直系统中控制与保护深度融合的可能性.当发生短路故障时,投入断路器和换流器相配合的限流功能,一方面限制电力电子器件的过流,解决其脆弱性问题;另一方面为保护提供边界,辅助实现故障的快速定位.在甄别出故障线路后,利用断路器的故障切除功能将故障隔离.此方案同时实现了故障限流、保护边界和故障切除3项功能,可有效缓减由于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)器件脆弱性所带来的一系列保护问题.在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极柔性直流电网模型,仿真结果表明,本控保协同方案能在5 ms内准确识别并隔离故障线路,而且具有较强的耐受过渡电阻能力.

适用于直流保护的数学形态学降噪与噪声干扰识别方法

柔性直流输电系统是调节我国能源分布不均问题的重要手段,直流保护是保证柔直系统安全的重要技术。现有工程中多采用行波保护作为主保护,然而行波保护存在易受噪声影响、故障波头不易捕捉等问题,制约了其广泛应用。针对上述问题,提出数学形态学降噪与噪声干扰识别方法,并根据直流保护采样信号特点进行参数设计,用于直流保护采样信号降噪和噪声干扰的识别。首先,确定基于自适应多尺度形态滤波的直流信号降噪方法,并设计结构元素长度和形态学滤波器类型、自适应多尺度形态滤波器的滤波器阶数和步长。其次,确定基于形态学梯度变换的噪声干扰识别方法,并设计形态学梯度变换的阈值。接着,从不同角度对形态学降噪方法与现有典型信号处理方法的滤波效果进行对比分析。最后,对形态学降噪与噪声干扰识别方法和保护的配合效果进行验证。形态学降噪与噪声干扰识别方法所需采样频率较低,运算量适中,滤波效果好,对直流保护适用性好。

网孔型中压配电网组网形态、核心特征与研究展望

当前中压配电网形态研究尚未涉及能够实现全系统潮流柔性可控的网架结构。为此,提出一种以智能软开关为核心组网装置的网孔型中压柔性互联配电网拓扑结构,并开展了其核心特征解析和规划运行等相关研究的展望。首先,分析了传统配电网、柔性配电网、蜂巢配电网的典型架构,并结合其组网装置及控制方式对比了各架构的优势与不足;其次,探讨了网孔型配电网的组网形态、控制保护策略及改造方式,提出了针对不同应用场景的矩形网孔拓扑、六边形网孔拓扑以及交直流混联网孔拓扑,并构建了由传统配电网向网孔型配电网过渡的改造方式;然后,阐述了网孔拓扑结构的核心特征,并从负荷承载能力和分布式电源消纳能力两个角度进行了定量描述,总结了网孔型配电网的结构优势;最后,对所提基于新型拓扑的规划运行研究思路进行了总结与展望。

直流配电系统保护技术研究综述

直流配电系统适用于分布式电源多点接入,可促进直流家电和"直流生态住宅"的发展,是配电领域新的发展方向。继电保护技术是直流配电系统发展的关键技术之一,目前尚处于起步阶段,亟需深入研究。该文旨在系统地介绍国内外直流配电系统保护技术的研究状况。介绍了目前直流配电领域的三种保护设备,总结直流配电领域保护的研究现状,包括地铁、舰船直流配电的保护和直流配电系统的保护;重点介绍了直流配电系统故障定位和隔离,以及典型直流配电系统的整体保护配置方案。指出了目前直流配电系统保护亟需解决的关键问题和未来的发展方向。

基于精确隐性故障模型的输电系统连锁故障风险评估

针对继电保护隐性故障进行研究,改进了现有的隐性故障模型,并在此基础上评估了保护隐性故障造成连锁故障的运行风险。首先根据不同隐性故障造成保护不正确动作概率的不同,将隐性故障详细分类,建立了隐性故障概率模型;其次应用置信规则库,建立考虑环境和系统潮流影响的保护系统马尔可夫模型,将隐性故障概率模型和马尔可夫模型结合,建立精确隐性故障模型。再次,根据隐性故障造成连锁故障的传播机理,建立连锁故障模型,并从概率、网络结构、能量损失3个角度建立相关的严重度指标。最后,将模型应用于IEEE-118系统,通过对比传统隐性故障模型和文中所提精确隐性故障模型所得风险评估结果,验证了所提精确隐性故障模型更加贴合实际,其风险评估结果更加真实可靠。

直流微网保护综述

随着新能源的推广和直流负荷的普及,直流微网作为分布式电源更有效率的接入形式,受到了越来越多的关注,而继电保护技术是直流微网发展的关键技术之一,该文旨在系统地介绍国内外直流微网保护技术的研究状况。文章介绍直流领域多种保护设备的发展现状,总结直流微网接地形式的研究成果,针对直流故障电容快速放电、电力电子器件耐故障过电流能力弱的问题,比较多种快速切断或限制故障电流的方案,在此基础上,对各种保护配置方案进行分析和评价,最后给出直流微网保护未来研究方向的展望,并提供关键问题的解决思路。

直流微网接地方式及新型保护原理

伴随着新能源的推广和直流负荷的普及,直流微网因其具有提高分布式电源消纳效率的天然优势,契合未来电网环境清洁化、运行智能化的发展趋势,受到了广泛的关注和研究。在有关直流微网的众多研究方向中,接地方式的选取决定了接地故障特征,从而影响到保护方案的选择与整定,但学术界对直流微网接地的研究仍处于起步阶段。作者将通过对比多种接地方式的优缺点、应用价值、经济性等因素,选择最优的接地方案,在此基础上,设计在大过渡电阻接地故障的情景下仍能可靠动作的保护判据,并通过电阻限流器的接入消除保护死区。最后将设计一种横联保护原理,分析该保护方案在各种网络结构和不同故障位置时的适用性,并通过仿真验证保护方案的有效性。

一种基于暂态量的柔性直流系统保护及雷击识别方法

暂态量保护伴随着柔直技术的发展迎来了国内外研究的热潮,当前保护动作速度的研究进展已趋近于极限。而保护识别速度的提高必然伴随着可靠性的降低,所以,如何在保证速动性要求下提高保护的可靠性是重中之重。远距离输电工程中雷击发生较为频繁,在不引起闪络的情况下,其作为一种干扰源是不容忽略的。基于此原因,利用希尔伯特黄变换设计了一种高频保护方案,同时利用雷电波波形特征提出了一种雷击干扰识别方法。之后,将雷击判据与保护判据相结合,以弥补暂态量保护的不足,提高其可靠性。最后,在PSCAD仿真平台中搭建张北四端柔直系统以及雷电流模型完成保护方法的验证。经验证,所设计保护方法可以准确识别故障极和区内外故障,且不会因雷击干扰而误动,同时保护具备较高的耐过渡电阻能力。

特高压输电线路负序方向纵联保护

采用数字式二阶RC低通滤波器和半波差分傅里叶算法,结合相序变换滤取负序分量,可在微机保护中实现负序方向元件,并可在故障初几毫秒内正确动作。用该方法实现的负序方向元件可正确及时地捕捉到由不对称故障发展起来的三相短路故障瞬间的不对称,故可以反映各种不对称故障和由不对称故障发展起来的三相故障。仿真试验验证了用所提出的方法实现的负序方向元件用于特高压输电线路的可行性和优越性。

基于虚拟线路阻抗的MMC-HVDC输电系统单端故障测距方法

直流故障测距是保障新能源远距离跨区输送的关键技术,对于提高系统运行的经济性和可靠性具有重要意义。根据MMC-HVDC输电系统发生单极接地故障后不控整流运行方式下的谐波特征,提出基于频变参数模型的单端故障测距方法。综合使用直流侧输电线路沿线电压和电流中的直流和谐波分量,定义虚拟线路阻抗,通过对虚拟线路阻抗分析得知其仅在故障点处为恒定常数。因此通过对沿线电压、电流数据组进行一元线性回归分析,利用故障点处残差和函数最小的特点进行故障测距。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建双端柔性直流输电系统模型,大量的仿真结果验证了该测距方法的有效性,以及在采样频率、测距精度和抗过渡电阻能力等方面的优势。

输电线路统一行波理论分析

从统一行波理论出发,针对线路末端含集中参数储能元件的输电线路模型,推导出从初始行波到稳态行波过渡过程的数学公式,得出反射系数是时变函数的结论,并给出了反射系数随时间变化的表达式和其在行波不同阶段的变化范围。传统认为行波反射系数绝对值总是小于1,经推导得出末端有储能元件时行波存在绝对值大于1的反射系数。针对故障分量,从物理和数学2方面剖析了初始行波阶段末端系统的功率极性,得出正方向故障时无论末端系统的结构如何,系统必然吸收能量的结论,并得出初始行波阶段反射系数绝对值小于1的结论,同时明确给出了初始行波阶段的物理概念及其持续时间。大量的仿真试验证明了理论分析的正确性。

双极柔性直流输电系统换流站交流三相接地故障分析及保护

随着电压等级和传输容量的提高,基于对称双极接线的多端柔性直流输电技术被越来越多地应用到实际工程中。换流站交流接地故障会对双极柔性直流输电系统产生严重危害,因此换流站的快速保护技术尤为重要。为此,首先分析了基于双极结构的多端柔性直流电网换流站交流三相接地故障的暂态特性,推导了故障电流中各组成成分的解析表达式。其次,根据故障暂态特性提出了一种适用于双极拓扑结构和金属回线接地方式的多端柔性直流电网快速保护策略。该保护利用换流器桥臂电流识别故障,动作速度快,可靠性高,并具有一定抗过渡电阻能力。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建四端直流电网模型,仿真结果验证了故障暂态特性分析及所提出的保护方法在不同故障情况下的正确性。

特高压输电线路分布电容对负序方向纵联保护的影响

为消除特高压输电线路中分布电容对负序方向纵联保护的影响,文章提出一种基于贝瑞隆模型的精确补偿算法。该算法对于故障暂态和故障稳态具有同样的补偿效果,并且提高了负序方向元件在大电源、长线路条件下的保护灵敏度,解决了特高压长线路外部故障时保护误动以及双回线路一回线不对称故障时非故障线路负序方向纵联保护误动的问题。理论分析和仿真试验证明了上述补偿算法的正确性。

适用于柔性直流互联交流系统的无电压方向元件判据

背靠背柔性环网控制装置的应用使配电网由单端电源供电的辐射状网络变为多端电源供电网络,三段式电流保护无法判断故障方向。为了既保证配电网保护动作可靠性又保留三段式电流保护,需要为保护安装方向元件。文中通过研究背靠背柔性环网控制装置接入的交流配电网发生不同位置相间故障时序电流间的相位规律,提出了基于流过保护的负序电流和同一母线上无源支路正序电流间相位关系的故障方向判别元件,并给出了正反方向故障时方向元件的动作区间。该方向元件适用于由传统电源、采用负序电流抑制的柔性环网控制装置或分布式电源构成的且母线含无源支路的多端供电网络。该元件受过渡电阻影响小,无需安装电压互感器,在三相对称故障时仍可保证保护的正确动作,不存在传统功率方向元件出口三相故障时的死区问题。经PSCAD仿真验证了该方向元件在系统不同位置发生各种相间故障时的正确性和有效性。

反应三相对称故障的改进负序方向元件

负序方向元件的主要缺点是不能反应三相短路,针对这一问题提出了改进的负序方向元件。改进负序方向元件利用了微机保护的存贮记忆功能,人为控制采样数据的选取,三相对称故障时制造出负序分量,实现对三相对称故障的反应,而在不对称故障时仍正确动作。改进后负序方向元件能够反应对称及不对称故障,是一种性能完备的保护原理。同时针对故障开始付氏算法存在跨窗问题,提出在故障后半周内采用小矢量算法。理论分析和大量仿真证明了该改进负序方向元件用在特高压输电线路上的可行性和优越性。

MMC-HVDC故障暂态特性及自适应重合闸技术

为提高架空线柔性直流电网运行可靠性,实现有选择性的自动重合闸,必须对直流侧故障特性及自适应重合闸方法进行研究分析。首先,建立直流侧双极短路和单极接地故障后的等效电路,对故障后的电压电流进行定量分析。参考实际工程参数在PSCAD软件中搭建了直流输电模型,验证故障特性的理论分析结果。其次,根据静电感应原理和直流电网运行特性,提出一套适用于基于架空线和直流断路器的直流电网的自适应重合闸方案。在瞬时性单极接地故障后,非故障极可正常运行,并会在故障极上感应出一定的静电感应电压,其大小在故障后也能够从理论上进行分析计算;而永久性故障后故障极上无法形成感应电压,据此可判别瞬时性故障或永久性故障。最后,通过大量仿真验证了所提出的方案能够有效区分瞬时性和永久性故障。

输电线微机自适应分相方向纵差保护

提出了一种新的带制动的电流差动保护原理,并将该原理与自适应原理相结合应用到保护中,大大提高了保护的制动特性和灵敏度。分析了其判据和动作特性,并将该原理与其他原理进行了详细的比较,同时介绍了自适应原理在该保护原理中的实现方法。通过仿真试验证明了这一新原理的优越性能。

特高压输电线基于贝瑞隆模型的距离保护

提出了应用贝瑞隆模型实现特高压输电线距离保护的新原理。介绍了应用贝瑞隆模型计算输电线故障的方法,提出了实现距离保护的原理和保护动作判据,推导了在各种故障状态下保护的动作情况,用ATP和Matlab仿真证明该原理的正确性。

一种基于晶闸管的新型混合式直流断路器

为响应“碳达峰、碳中和”的宏伟目标,加快柔性直流输电技术的发展势在必行。混合式直流断路器是保证柔性直流电网安全运行的关键设备,用于实现直流侧故障分断,但现有拓扑大多采用IGBT作为开关元件,成本高且技术难度大。对此,提出一种基于晶闸管的新型混合式直流断路器。该断路器主要采用晶闸管代替IGBT实现电路状态的切换,大大降低了断路器成本和技术难度,此外该断路器还具备预充电以及自适应重合闸功能,为断路器的大规模应用奠定了良好的基础。针对所提断路器的工作过程进行了详细的解析和理论推导,在PSCAD/EMTDC中搭建了单端等效和四端直流电网的仿真模型对其进行仿真验证,并与典型直流断路器进行性能对比。仿真结果证明了所提直流断路器的可行性,并表明在具备相近性能的基础上所提直流断路器的成本相较于典型直流断路器得到大幅降低。

一种新型限流式混合直流断路器拓扑

混合式直流断路器是柔性直流电网的重要组成部分,用于实现直流侧故障隔离,但现有拓扑大多不具备故障限流能力,且成本较高。对此,该文提出一种新型限流式混合直流断路器拓扑,其具备主模态、限流模态及断路模态3种工作模态,能够灵活应对直流电网不同异常状况。该拓扑主要采用晶闸管实现故障电流换路,大大减少IGBT的使用量以降低断路器成本,同时配合电容进行限流电感与避雷器的投切,以实现故障限流并提高分断速度。此外,该文针对所提出拓扑的工作过程进行详细解析和理论推导,基于PSCAD/EMTDC在单端等效和四端直流电网环境下进行仿真验证,并与现有典型拓扑进行对比分析,仿真结果证明了所提直流断路器拓扑的可行性和优越性。