智能电网环境下电力系统保护新技术的研究与探讨

摘要

随着我国智能电网的飞速发展，新设备和新技术的应用日新月异。超导限流器、超导电缆作为新设备的标杆在国家电网已有了示范应用，在稳态运行时能有效提高电网运行的经济性，在故障时能降低短路容量提高电网运行的安全性。分布式电源作为可再生能源重要的应用途径目前处于全面建设阶段，促进了低碳电力系统的发展。高级量测技术是智能电网的基础技术，其中光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、损耗低、传输频带范围宽等优点，在电力系统信息测量领域取得了比较好的应用效果。通信技术是智能电网的基础，我国具有完全自主知识产权的北斗卫星导航通信系统，可以在农村电力系统信息监控、电力线路巡监系统等领域具有良好的应用前景。
　　智能电网环境下新设备和新技术的应用对电网运行提出了新的挑战。电力系统继电保护是电力系统安全运行的重要保障。超导限流器、超导电缆作为智能电网应用的新设备，在给电网运行带来优点的同时，也对电力系统常规继电保护产生了重要影响，比如由于超导电缆的特殊电气特性导致保护误动和拒动。分布式能源接入配电网是绿色能源的主要应用形式，使得配电网成为多源配电网，原有的配电网电流保护和距离保护已经不能适应多源配电网安全运行要求，需要寻求新的解决手段。光纤传感新技术需要适应和满足电力系统设备保护所需信息的特殊性，比如抗干扰能力强、测量精度高、实时性要求高等特点。北斗卫星导航新技术信息传送能力不够强，而电力系统保护和监测需要大量信息，如何将两者特性进行有效融合，是北斗在电力系统应用需要解决的重要问题。
　　论文以智能电网环境下新设备和新技术的应用为背景，以电力系统保护为关键点，开展了以下研究工作:
　　1、针对超导限流器、超导电缆新设备，研究了新设备投入电网运行时对电流保护的影响，并提出了可行的整定配置方法。论文首先从理论角度讨论了超导电缆和超导限流器在分别投入到线路对三段式电流保护和零序电流保护的影响;然后在超导电缆和超导限流器联合投入后分析了对三段式电流保护的影响，得到一般情况下限时速断保护需要重新整定、定时限过电流保护影响很小的结论，并研究了三段式电流整定方法。随后又分析了对于零序电流保护的影响，发现联合投入后改变了线路零序网络结构，使得零序电流保护的Ⅰ段、Ⅱ段保护的保护范围减少，需要对其动作整定值重新整定，并研究了零序电流保护整定方法。
　　2、针对超导限流器、超导电缆联合投入，研究了其对距离保护的影响，并提出了可行的整定配置方法。论文首先对于三段式距离保护发现由于超导电缆的单位电容较大，超导限流器其电阻较大，其阻抗特性与常规线路的阻抗特性不同，会导致距离Ⅰ段、Ⅱ段保护的保护范围缩小引起保护拒动，并研究了三段式距离整定方法。然后对于工频变化量距离保护发现设备联合投入后，当线路发生正向故障时会导致保护范围变小引起保护拒动，当发生反向故障时，由于超导电缆的容性电抗相对于感性阻抗要大得多导致电流反向，引起保护误动。并从超导电缆长度选取和整定值配置两个角度提出了解决方案。
　　3、针对分布式新能源，研究了分布式电源接入配网后对电流保护的影响，结合超导限流器的应用，研究了应用超导限流器有效减轻分布式电源接入的不利影响，提出了超导限流器和电流整定协调解决方案，并确定了分布式能源的最大允许接入容量。首先论文针对反时限电流保护，将超导限流器装置应用于配电网络，在分析分布式电源接入对反时限保护的影响机制的基础上，所提出的超导限流器的最小参数配置解决了配电网反时限保护的协调问题。然后针对三段式电流保护，提出选取超导限流器常导状态（故障）下阻抗及修改保护定值的方法，在考虑系统和分布式电源运行方式变化的前提下，很好地保证了保护的选择性。针对分布式电源接入的准入容量分析和研究，发现应用超导限流器可以有效提高DG的准入容量，并且分布式电源的接入位置不同会对接入超导限流器之后的准入容量产生较大的影响。
　　4、针对光纤传感新技术，提出了一种基于分布式光纤传感技术的变压器绕组变形监测方法。论文首先根据光的电磁波动理论，从理论上分析了光纤弯曲传感器的工作原理。然后根据光的波动理论根据实验来证实了光时域反射(OTDR)传感系统的可行性。分析了通过分析光接收机接受到的光功率信号的大小与时间来判断变压器绕组的变形及变形发生的位置的精度。通过实验系统，发现论文所提方法可以实时监测到变压器绕组轻微机械变形量与变形发生的位置，具有的灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好等优点，提高了变压器保护的可靠性。
　　5、针对北斗卫星导航通信技术，分析了北斗通信系统应用于电力系统常规信道破坏时作为通信系统第三道防线的可行性，并解决了故障过程中北斗信息通道有限导致的电力系统保护信息选择和排队等问题，提高了电力系统保护信息传输通道的安全性。论文首先对北斗导航通信系统进行详细的介绍，并对北斗通信与光纤通信等其他通信信道进行比较，分析了北斗通信系统应用于电力系统常规信道破坏时作为通信系统第三道防线的可行性。然后分析应用过程中需要克服的单次通信数据量小、通信时间间隔大、没有可靠的数据传输机制等问题，并提出了可行的解决方案。随后针对故障过程中北斗信息通道有限而故障信息需要集中发生而产生的排队延时问题，构建了优先级队列的算法解决了并行数据接收的问题。最后针对故障信息同时大量输送问题，定义了保护重要性指标和优先级，保障了电网继电保护信息等实时性要求高的数据的接收问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景和意义

1．2 超导限流器及其对继电保护影响的国内外研究现状

1．2．1 故障限流器国内外发展现状

1．2．2 基于SFCL的继电保护研究现状

1．3 超导电缆及其对继电保护影响的国内外研究现状

1．3．1 超导电缆国内外发展现状

1．3．2 基于超导电缆的继电保护研究现状

1．3．3 超导电缆和超导限流器对继电保护的影响

1．4 分布式电源及其对配网继电保护影响的国内外研究现状

1．4．1 分布式电源国内外发展现状

1．4．2 基于分布式电源的继电保护的研究现状

1．5 光纤传感技术在电力系统设备在线监测中的应用

1．5．1 光纤传感技术在电力系统应用的国内外研究现状

1．5．2 光纤传感技术在电力变压器在线检测的应用

1．6 集成通信技术在智能电网中应用

1．6．1 电力系统中通信技术发展现状

1．6．2 北斗通信系统在电网信息传送中的应用

1．7 论文主要工作

第二章 超导电缆和超导限流器对电流保护的影响研究

2．1 引言

2．2 超导限流器的基本特征与结构

2．3 超导电缆基本特征与数学模型

2．3．1 超导电缆的系统基本特征

2．3．2 超导电缆的数学模型

2．4 超导电缆和超导限流器投入对三段式电流保护的影响的分析

2．4．1 三段式电流保护

2．4．2 超导限流器对电流保护的影响的分析

2．4．3 超导限流器和超导电缆投入对三段式电流保护的影响的分析

2．4．4 系统模型

2．4．5 三段式电流保护仿真分析

2．5 超导限流器和超导电缆投入对零序电流保护的影响的分析

2．5．1 零序电流保护

2．5．2 超导限流器和超导电缆投入对零序电流保护的影响的分析

2．5．3 系统模型

2．5．4 零序电流保护的仿真分析

2．6 本章小结

第三章 超导限流器和超导电缆对距离保护的影响研究

3．1 引言

3．2 超导限流器和超导电缆对三段式距离保护的影响的分析

3．2．1 方向型阻抗继电器

3．2．2 超导电缆和超导限流器对三段式距离保护的影响的分析

3．2．4 仿真验证

3．3 超导限流器和超导电缆对工频变化量距离保护的影响的分析

3．3．1 工频变化量距离保护

3．3．2 超导限流器和超导电缆对工频变化量距离保护影响的分析

3．3．3 仿真验证

3．4 本章小结

第四章 超导限流器接入对有源配网电流保护的影响研究

4．1 引言

4．2 计及SFCL的DG接入对反时限过电流保护协调的影响分析

4．2．1 DG接入对反时限过电流保护的影响分析

4．2．2 SFCL对DG并网的短路电流影响分析

4．2．3 计及SFCL的DG并网反时限保护影响分析

4．3 计及SFCL的DG并网的三段式电流保护协调整定

4．3．1 计及SFCL的DG并网的三段式电流保护整定方法

4．3．2 算例计算与分析

4．4 计及SFCL的配网DG准入容量研究

4．4．1 DG接入计算原则

4．4．2 DG接入计算原理

4．4．3 算例仿真计算与分析

4．5 本章小结

第五章 基于分布式光纤传感的变压器绕组变形监测方法

5．1 引言

5．2 变压器绕组变形的原因

5．2．1 变压器绕组突发短路时短路电流分析

5．2．2 变压器绕组突发短路时的受力分析

5．3 变压器绕组变形的检测方法

5．3．1 短路阻抗法

5．3．2 低压脉冲法

5．3．3 频率响应分析法

5．4 光纤传感原理

5．4．1 光纤简介

5．4．2 光纤弯曲传感基本理论

5．4．3 宏弯损耗理论

5．4．4 光纤弯曲传感灵敏度

5．5 变压器弯曲传感的实现

5．5．1 基于光时域反射技术的分布式光纤传感原理

5．5．2 OTDR原理

5．6 实验系统

5．6．1 实验系统架构

5．6．2 光纤选型实验分析

5．6．3 实验数据分析

5．7 本章小结

第六章 基于北斗导航通信的保护信息传输研究

6．1 引言

6．2 北斗通信系统简介

6．2．1 北斗卫星系统简介

6．2．2 北斗卫星系统组成

6．3 基于北斗卫星的电力通信系统

6．3．1 电力数据传输流程

6．3．2 北斗通信应用于电力系统的限制及其解决方案

6．4 数据的并行接收处理

6．5 保护信息重要性评估

6．5．1 线路脆弱性识别

6．5．2 保护装置脆弱性

6．5．3 基于综合脆弱性的保护信息重要性评估

6．6 IEEE39节点算例分析

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 论文的工作总结

7．2 展望

参考文献

致谢

在学期间取得的研究成果