基于PSCAD_EMTDC的高压直流输电线路保护仿真研究

现　代　电　力

ModernElectricPowerVol123　No12

Apr12006

文章编号:100722322(2006)0220035204　　文献标识码:A　　　中图分类号:TM72111;TM773

基于PSCAD/EMTDC的高压直流输电线路

保护仿真研究

朱　瑜,梁　旭,闵　勇

(清华大学电机系电力系统国家重点实验室,北京100084)SimulationofLineProtectionofHVDCTransmissionBasedonPSCAD/EMTDC

ZhuYu,LiangXu,MinYong(StateKeyLabofPowerSystems,Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing　100084,China)

摘　要:本文在PSCAD/EMTDC平台上建立了实用的直流输电线路行波保护系统模型。通过分析高压直流线路发生故障后的特点,按照行波保护的原理,利用直流线路发生故障瞬间,线路上产生的暂态电流电压行波的幅值和方向不受控制系统作用影响的特点,通过计算直流电压下降率和直流线路故障前后的电压电流行波差值,来判断直流线路是否发生故障。在南方电网贵广直流输电系统仿真模型上对所建立的直流输电线路行波保护系统进行了仿真测试,通过设定极1整流侧直流线路发生接地短路故障,验证行波保护系统的动作情况,仿真测试结果证明了本文所建立的线路行波保护系统的正确性和实用性。

关键词:高压直流输电;线路故障;线路保护;暂态行波;行波保护

Abstract:ThispaperdevelopsthepracticaltravelingwaveprotectionsystemofHVDCtransmissionlinesbasedonPSCAD/EMTDC.Thepaperanalyzesthefaultcharacteris2ticsofHVDCtransmissionlines.Uponthetheoryoftrave2lingwave,thevalueanddirectionofthetransientcurrentandvoltageduetotheshortcircuitfaulthappenedintheDClinewillnotbeaffectedbythecontrolsystemofHVDC.SotheshortcircuitfaultoftheDClinecanbedetectedbycal2culatingthedeclinerateofdirectvoltageandcomparingthesettingvalueswiththetransienttravelingwaveofDCcur2rentandvoltageafterthefault.Thetravelingwaveprotec2tionmodelofHVDCtransmissionlinesisappliedintothesimulationmodeloftheGui2GuangHVDCtransmissionintheSouthGridofChinawithagroundedfaultneartherec2tifierofthetransmissionlineinpole1.Thesimulationresultprovesthattheproposedtravelingwaveprotectionsystemof

HVDCtransmissionlinesiscorrectandcanbeappliedintotherealHVDCtransmissionsystem.

Keywords:HVDC;linefault;lineprotection;transienttravelingwave;travelingwaveprotection

0　引　言

由于高压直流输电具有电能损耗小,可控性强等特点和优势,使其在远距离大容量输电、海底输电、系统互联等领域中得到了广泛应用[1,2]。据不完全统计,全世界约有40个国家建成投产了80个左右直流输变电工程项目,总容量约50GW。截至2004年,我国共有葛上,天广,三常,三广和贵

广5条直流输电系统投入实际运行,总输送能量为13000MW,全年输送电量为460199亿kWh[3]。

在直流输电系统中,直流线路距离长,属于比较容易出现故障的设备,提高直流输电线路的安全性和可靠性对于整个电网的安全稳定运行具有十分重要的意义,直流输电线路保护是直流线路安全稳定运行的基本保障。

直流输电保护系统是直流输电的核心,其性能的好坏直接决定着设备的安全性和系统运行的稳定性。直流输电保护系统按照保护对象不同,可以划分为换流站保护,直流线路保护,中性母线保护,交直流开关场保护和接地极保护等几个部分。对于直流线路保护,主要采用行波保护作为主保护,同时配合低电压保护,线路横差保护,线路纵差保护等作为后备保护[4,5]。

目前,完整的直流输电保护系统的核心技术只被ABB,SIEMENS,ALSTOM等少数几个公司

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(批准号

50323002)

36现　代　电　力

求解得到

u=uft-i=

xv

+ubt+xv

xv

　　　2006年

掌握,在实际工程应用中由于不清楚厂方提供的保护系统内部的具体结构,在对这些保护系统进行检测、调试和分析等工作时遇到了很大的困难。

xv

(3)

1ZC

1　高压直流输电保护系统

由于直流输电系统的特殊性和复杂性,它与交流保护系统有所不同,主要有如下几个方面[1,2]:

直流输电保护系统是将单独运行的换流系统内的所有能引起系统停运的设备故障保护通过微处理器技术集中在一起,便于故障分析处理和技术改进。

直流输电保护系统与控制系统密切的关系,只有控制保护系统密切有效配合才能快速抑制故障发展,确保系统设备安全,避免扰动,迅速恢复系统,提高运行稳定性。发生故障时,直流输电系统首先采取相应的控制措施维持系统稳定,实际运行中发生的部分故障完全可以在控制系统的作用下自行恢复,如果故障进一步发展甚至出现永久性故障时,保护系统动作,采取相应保护措施以保证系统的正常稳定运行。

直流输电保护系统为了防止设备本身故障对系统造成的不良影响,采取多重冗余配置,对于各自的相同保护装置设定不同的冗余方式,防止保护装置因自身误动或者拒动对系统安全运行造成影响,保护装置本身和整个系统的可靠性。

uft--ubt+

其中,ZC=L/C为波阻抗,v=1/LC为波速。

经过初始行波的反射折射过程后,直流线路故障电流进入暂态阶段,主要分量包括直流分量(强迫分量)和暂态振荡分量(自由分量)。此时,在电流调节器的控制作用下,整流侧触发角增大,直到故障电流稳定于整定值[5]。212　直流输电线路行波保护直流线路发生故障后,可以利用直流极控系统来快速和消除故障电流,但同时由于电流调节器的作用使得故障电流相比交流线路小的多,单凭故障电流电压的大小无法做出正确判断,因而可以考虑通过暂态分量来检测故障直流线路故障并采取正确保护措施。

行波保护正是考虑到线路故障瞬间所产生的暂态电流电压行波的幅值和方向不受控制系统控制,能够准确反映故障特征而设计的。行波保护具有超高速的动作性能,其保护性能不受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容等因素的影响,同时不依赖于通信系统。行波保护动作后,系统将启动整流侧的线路故障恢复顺序控制,按照预先设定的次数和去游离时间全压或降压启动故障直流极[5]。

行波保护的基本原理是:当直流线路发生接地故障时,线路上出现行波,直流电压下降,整流侧直流电流过冲后在电流控制器的作用下减小,同时逆变侧直流电流也减小,直至稳定于整定值[617]。根据这个特点,可以通过测量直流电压,得到直流电压下降率du/dt,如果下降率比整定值大,将故障前电压电流行波和故障后电压电流行波的差值与给定值进行比较,如果差值大于给定值,则发出行波保护动作信号。文献[4]给出了高压直流输电线路行波保护的整定判据为

Δu>Δ,Δi>Δ(4)du/dt>Δ,

　　由加拿大Manitoba直流研究中心开发的PSCAD/EMTDC是离线电磁暂态仿真计算程序,

2　高压直流输电线路行波保护

作为高压直流输电线路的主保护,行波保护具有高速动作和准确判断的特性。本节分析了直流输电线路发生故障后线路的暂态特性,依据经典的行波保护原理,在PSCAD/EMTDC平台上具体实现高压直流输电线路的行波保护系统仿真模型。211　直流输电线路故障分析

直流输电线路故障大多是对地故障,一般是由于雷击、污秽等环境因素造成的闪络。在直流输电线路发生故障初始阶段,线路电容通过线路阻抗放电,沿线路产生电流行波和电压行波,其波动方程为[5]:

52u52u=LC5x25t252i52i=LC5x25t2

(1)(2)

凭借其精确的元件模型、方便的输入方式和强大的

分析功能能够很好地分析直流系统中的各类电磁暂态过程,因而成为进行直流系统分析和工程研究的有力工具[8]。本文利用这个程序建立了高压直流输

第2期朱　瑜等:基于PSCAD/EMTDC的高压直流输电线路保护仿真研究37

电线路行波保护系统的仿真测试平台。图1所示为

利用PSCAD/EMTDC建立的直流线路行波保护系统模型,图2所示为直流线路行波保护系统的流程图。由测量元件得到直流线路电压电流值Vd和Id作为保护系统的输入信号,通过滤波器模块TWFilter得到电压电流行波信号VdL和IdL,其中,

VdL通过微分器模块Diff计算得到电压下降率

常将整流侧和逆变侧行波保护集合在一个整体中,只要其中一个行波保护发出动作信号,保护控制系统就会采取相应的措施以确保安全运行。

3　算　例

将上节所建立的直流输电线路行波保护系统应用于贵广直流输电仿真模型中进行测试。贵广直流输电系统是典型的双极两端中性点接地系统。整流侧高压直流输电线路在110s时发生接地故障。

图3所示为极1整流侧的电流电压和触发角波形,从图中可以看出故障发生后,极1整流侧电流由于线路电容放电的原因出现过冲,直流电压下降,触发角增大,整流器移相后以逆变状态工作。

dV/dt,通过比较器模块Comp和整定参考值Δ进

行比较,如果下降率大于整定参考值,则输出动作触发信号dV/dtP,同时计算故障前后电压电流行波差值delVdL和delIdL,如果差值大于整定参考值Δ,则发出保护触发信号delVdLP和delIdLP。当三个保护控制信号同时发出时,直流线路行波保护系统才会发出保护动作信号TWP。图1　PSCAD/EMTDC建立的直流线路行波保护系统

图3　直流线路整流侧电压、电流和触发角波形图

图2　直流线路行波保护系统流程图

采取这样的保护策略是为了将直流线路短路故

障与系统其他故障区别开,保证线路行波保护系统做出正确判断,不发生误动。在直流输电线路的整流侧和逆变侧都设有行波保护系统,实际应用中通

图4所示为通过滤波器后得到的直流线路电压电流暂态波形,从图中可以看出故障发生后,线路电容放电在线路上产生了行波,含有明显的谐波振荡分量。

图5所示为电压下降率和故障前后电压电流行波差值的波形图,图6所示为保护动作触发信号图。从图中可以看出,故障发生后,电压下降率dV/dt大于整定参考值,发出动作触发信号dV/dtP,故障前后电压电流行波差值均大于整定参考值,因而发出动作触发信号delVdLP和delldLP,三个动作信号同时保持高电位,直流线路行波保护系统动作。动作信号发送到极控系统,由极控发出闭锁信号,整流器移相转变为逆变状态运行,待线

38现　代　电　力　　　2006年

图4　直流线路电压电流暂态行波图

路去游离结束后,极控系统发出再启动信号,逐渐建立电压和电流,系统恢复正常运行。图6　保护触发信号波形图

参考文献

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[M]1北京:水利电力出版社,19851

[2]　赵畹君1高压直流输电工程技术[M]1北京:中国[3][4][5][6]

图5　电压下降率、故障前后电压电流行波差值波形图

[7]

4　结　论

通过在南方电网贵广直流输电工程仿真模型上进行测试,证明了本文所建立的直流输电线路行波保护系统模型能够比较准确地检测出直流输电线路发生故障并采取正确的保护措施,迅速切除故障,保证了系统的安全稳定运行。

本文在PSCAD/EMTDC平台上建立的高压直流输电线路保护系统模型对于今后更好地研究高压直流输电保护系统,加快直流输电系统技术国产化,保证直流输电系统及整个电网的安全稳定运行具有一定的意义。

[8]

电力工业出版社,20041

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收稿日期:2005212201作者简介:

),女,硕士研究生,研究方向为高压直流朱　瑜(1980—

输电保护系统;

),男,教授,博士生导师,研究方向为电闵　勇(1963—

力系统安全稳定分析与实时监控技术。