VSC-HVDC电缆保护与故障测距方法

摘要

柔性直流输电(VSC-HVDC)是一种基于电压源换流器、脉宽调制技术和全控型器件的直流输电技术。与传统的直流输电(HVDC)相比，VSC-HVDC具有可向无源网络供电、可独立控制有功和无功功率、不需要无功补偿以及潮流反转时改变电流方向而不改变电压极性等优点，因此非常适用于大规模清洁能源发电和分布式电源接入、孤岛供电、城市电网供电以及异步交流电网互联等领域，具有广阔的发展前景。
　　VSC-HVDC系统的换流站之间一般采用地下电缆或海底电缆相连，由于VSC-HVDC系统惯性系数小，且缺乏低压限流功能和完善的直流开关器件，当电缆线路发生故障后，故障电流将在几毫秒内达到峰值，在短时间内对系统设备造成极大的损害，需要快速可靠的保护动作来切除故障。由于电缆跨越距离较长，且一般埋设在地底或海底，当发生永久性故障后，故障点查找、故障清除非常困难，为了降低工作量、减少停电损失，需要精确的测距技术对故障进行定位。因此研究直流电缆线路的保护和故障测距技术对提高VSC-HVDC系统的安全稳定性的具有重要的意义。
　　近几年，国内外学者针对VSC-HVDC线路的保护与故障测距已开展了大量研究工作，但大部分研究工作没有考虑电缆的依频特性。行波法动作速度快，常用做输电线路的主保护，同时行波法测距精度高，因此在故障测距方面也得到了广泛的应用。行波保护和行波测距法都依赖于行波波头的捕捉，目前常借助小波变换数学工具来检测波头，小波变换法可以克服行波耐受过渡电阻能力有限和可靠性不足的缺陷，但其结果依赖于母波和尺度的选取。S变换是一种在小波变换和傅里叶变换基础上推导出的时频分析方法，它可以提取信号中不同频率分量的时间-幅值特性，与小波变换相比有更丰富的频谱信息，且数据处理结果更直观。本文综合考虑VSC-HVDC电缆故障特性和电缆依频特性，基于S变换和直流暂态电流，围绕直流输电电缆的保护与故障测距方法展开研究工作，主要研究内容如下:
　　(1)以电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC为平台搭建VSC-HVDC系统的电磁暂态仿真模型。首先根据VSC-HVDC的基本结构、运行原理和控制方式，在PSCAD中搭建了两端和三端两电平VSC-HVDC系统的仿真模型;然后在仿真模型中模拟包括单极接地故障、双极故障在内的区内故障以及几种典型区外故障，提取不同故障状况下的故障暂态电气量特征，为接下来直流电缆保护与故障测距工作奠定基础。
　　(2)提出一种基于S变换和电缆双端暂态电流的VSC-HVDC电缆纵联保护方法。首先分析电缆结构，推导出适用于双极电缆解耦的相模变换矩阵;根据各模量电流在电缆中的传播特性，选取合适的模量电流;测量电缆两端的模量电流并对其进行S变换，利用电流高频分量的时间-幅值特性曲线的突变点检测故障，并确定故障电流突变时刻;根据模量电流的零频分量幅值，构成区分故障与噪声干扰的保护判据;最后通过电缆两端故障电流在各自突变时刻之后一段时间内的突变量极性关系，区分区内、区外故障。
　　通过所搭建的三端VSC-HVDC仿真模型验证本保护方法，仿真结果表明，本方法能够可靠地识别包括高阻远端接地故障在内的各种区内故障，且能够有效地排除噪声干扰影响，并在各种区外故障情况下能够保持不误动。
　　(3)提出一种基于S变换和单端电容两侧暂态电流的VSC-HVDC电缆边界保护方法。VSC-HVDC电缆两端并联有大电容，这一直流边界对于高频信号来说是一条低阻抗支路，根据这一特性，本文提出一种单端保护方法。首先测量电容两侧的电流，并对它进行S变换，利用电容直流侧电流的高频分量幅值突变点检测故障;然后考虑直流边界对高频信号的衰减作用，通过电容直流侧和交流侧电流高频分量幅值之比区分区内故障和近端区外故障;最后考虑电缆和直流边界对高频信号的衰减作用，通过电容直流侧电流的高、低频分量幅值之比区分区内故障和远端区外故障。
　　通过所搭建的三端VSC-HVDC仿真模型验证本保护方法，仿真结果表明，本方法能够快速可靠地识别包括高阻远端接地故障在内的多种区内故障，并在各种区外故障情况下都能够保持不误动。
　　(4)提出一种基于S变换和双端暂态电流的VSC-HVDC电缆故障测距方法。当电缆某处发生故障时，会产生从故障点向两端传播的故障电流行波，根据电流行波初次到达电缆两端的时间，能够计算出故障距离。本方法首先根据所推导的相模变换矩阵对电缆进行解耦，根据各模量电流在电缆中的传播特性选取合适的模量电流;测量电缆两端的模量电流，对其进行S变换，根据电流高频分量时间-幅值特性曲线的突变点确定故障电流行波首次到达电缆两端的时间;最后根据到达时间计算出故障距离。
　　通过所搭建的双端VSC-HVDC仿真模型验证本故障测距方法，所做仿真考虑故障类型、故障位置及过渡电阻、噪声干扰、采样频率等多种因素，仿真结果显示本方法在各种故障下都能够准确地计算出故障点位置。
　　本文工作内容能够为VSC-HVDC电缆保护与故障测距相关研究提供理论支持，研究结果能够作为现有VSC-HVDC电缆纵联保护理论的有效补充、提供了一个新的单端边界保护原理的思路、提升了现有双端行波故障测距方法的性能，对提高电力系统的稳定性和安全性具有重要的现实意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．2 VSC-HVDC输电线路故障分析

1．2．3 直流输电线路保护

1．2．4 直流输电线路故障测距

1．3 论文的主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

第二章 VSC-HVDC暂态模型仿真和故障特性分析

2．1 引言

2．2 VSC-HVDC暂态模型仿真

2．2．1 VSC-HVDC基本结构

2．2．2 交流侧模型

2．2．3 控制系统模型

2．2．4 控制系统模型

2．3 故障特性分析

2．3．1 区内单极故障

2．3．2 区内双极故障

2．3．3 区外故障

2．4 本章小结

第三章 VSC-HVDC电缆线路纵联保护方法

3．1 引言

3．2 S变换简介

3．2．1 S变换理论

3．2．2 Matlab算法

3．3 保护原理

3．3．1 双极直流电缆相模变换

3．3．2 电流频率分量在电缆中的传播特性

3．3．3 保护启动判据

3．3．4 排除噪声干扰

3．3．5 区分区内区外故障

3．4 保护方案

3．4．1 流程图

3．4．2 动作时间和数据同步

3．5 仿真验证

3．5．1 仿真系统

3．5．2 仿真结果

3．5．3 影响保护性能的因素

3．6 本章小结

第四章 VSC-HVDC电缆线路边界保护方法

4．1 引言

4．2 保护原理

4．2．1 区内故障分析

4．2．2 近端区外故障分析

4．2．3 远端区外故障分析

4．3 保护方案

4．3．1 保护启动判据

4．3．2 区分正向故障和反向故障

4．3．3 区分区内故障和远端区外故障

4．3．4 流程图

4．4 仿真验证

4．4．1 仿真系统

4．4．2 仿真结果

4．4．3 故障距离和过渡电阻的影响

4．5 本章小结

第五章 VSC-HVDC电缆线路双端测距方法

5．1 引言

5．2 故障测距原理

5．2．1 故障距离的计算方法

5．2．2 测距计算参数的选取

5．2．3 利用S变换检测波头

5．3 故障测距方法

5．3．1 测距计算参数

5．3．2 确定波头到达电缆两端的时间

5．3．3 故障测距方案

5．4 仿真验证

5．4．1 仿真系统

5．4．2 测试波头到达时间

5．4．3 故障测距结果

5．4．4 影响测距性能的因素

5．5 本章小结

6．1．1 总结

6．1．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间的科研情况