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基于潮流转移识别的广域后备保护的分析.pdf

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声 明尸 明本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文基于潮流转移识别的广域后备保护的研究,是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间,在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名 至.煎 日 期 p 7.12.2口关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定,即①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。涉密的学位论文在解密后遵守此规定作砉签名垦建日 期1 7墨三导师签名日 期华北电力大学硕士学位论文1.1课题背景及研究意义第一章绪论电力工业的发展是整个国家经济发展水平的重要标志。随着用电需求量的不断增长,电力系统的规模也日益扩大。大规模电力系统的运行具有明显的优越性,形成大规模电力系统是电力工业发展的客观规律,是世界各国电力工业所走的共同道路。保证大型互联电网的安全稳定运行,需要在系统规划、电网建设、运行调度、备用容量、继电保护和安全自动控制、紧急控制等多个方面进行深入研究,提出合理解决方案。其中做好系统规划、加强电网建设和增大备用容量等属于系统侧措施,加强继电保护、安全自动控制和紧急控制是二次侧可采取的措施。国内外多年的电网运行经验表明快速、可靠的继电保护措施,准确、及时的安全控制和紧急控制措施以及大型互联电网的安全稳定防御措施是确保电网安全稳定运行的重要保障[1-7]o电网互联可以使资源获得优化配置,有巨大的经济技术效益和社会效益。但当电网互联规模过大时,如何避免电网因故障的相互影响而发展成为大面积的停电和系统崩溃事故就显得十分重要。近年来,电力系统大面积停电事故频繁发生,仅2003年不足2个月的时间内,世界就发生数起大面积的停电事故,包括意大利大停电、瑞典/丹麦大停电、英国伦敦大停电、美国/an拿大大停电等,所造成的经济损失和社会影响极其严重。对大停电事故的广泛研究表明大停电事故往往引发于电力系统重负荷运行并发生故障的情况下,故障线路切除引起潮流在同一或不同输电断面间转移,这可能导致其它输电线路过负荷,引发连锁跳闸,使系统运行状况进一步恶化,甚至最终崩溃。CIGRE的一项研究表明,27%的电力系统的扰动可以归因于保护系统的误动作;NERC的一项报告研究了北美电网17年的运行数据,发现63%的系统大扰动都与保护有关。由于保护过载、设置不当和尚未发现的继电保护故障导致的保护误动,在不同程度上,起到了引发或者传播电力系统扰动的作用。其根本原因在于传统的保护所采用的是单元式保护原理,即根据保护单元的单独决策来隔离故障,而没有从系统的观点出发来作出有利于整个系统的具有系统优化和协调功能的保护动作策略。在继电保护体系中,后备保护的不正确动作对系统的影响尤其重大,这也是造成电力系统级联跳闸的主要原因。一个典型的例子如图1.1所示,当线路3发生故障时,保护正确动作将线路3切除,则线路3上的潮流转移到与之并行的输电线路上,比如线路2。这就有可能造成线路2过负荷随之被保护切除。最终系统2与系统3解列。更严重的情况,系华北电力大学硕士学位论文统2与系统3之间的潮流转移到系统1与系统2之间的输电线路上,从而造成线路1的过载。随着电力网络的逐渐扩大,这种潮流转移造成的危害也越大。a线路3因发生故障被切除b潮流转移导致线路2被切除c潮流转移最终导致线路l被切除图1.1由潮流转移引起的系统连锁故障为适应电力系统发展的需要,解决现有保护、控制系统存在的问题,一种基于网络通信、多点信息综合比较判断的广域保护系统近年来受到国内外学者的广泛关注。在大停电事故中继电保护按照其整定和配置要求正确动作,但现有的保护装置仅利用保护安装处的本地测量信号达到尽快清除被保护元件故障或不正常运行状态的目的,而不考虑其动作对系统整体的影响,因此无法区分故障与潮流转移造成的过负荷,难以阻止线路陆续过载而引起的连锁跳闸事件。因此,一种以电网整体安全可靠运行为最优目的广域后备保护的研究迫在眉睫,这也是防止大停电事故发生的重要措施。当前的继电保护运行规程要求保护功能不能依赖通信电流差动保护和纵联保护的点对点通信除外,这主要是基于对通信系统不够可靠等因素的考虑。通信技术是近年来发展最迅速的技术之一,广域保护系统就是在通信技术不断发展完善的基础上、满足大规模互联电网对安全稳定运行的要求、解决现有保护和控制系统存在的若干问题的背景下提出的,而且广域测量系统wide area measurement system,WAMS的出现为电力系统保护的设计提供了一种新思路。WAMS可获取全网同步2华北电力大学硕士学位论文动态信息,并且高速数据传输可使主站的数据更新达到20~50ms.。这使得从电网整体最优的角度进行保护设计成为可能。本文正是以wAMS为基础,研究输电线路潮流转移识别方法,构造以电网安全稳定为目标的广域后备保护方案。1.2当前研究现状在公开发表的文献中,广域保护的概念首次出现在瑞典学者BertieIngressionl997年发表在IEEE Computer Application in Power上的广域保护应对电压崩溃Wide.Area Protection Against Voltage Collapse--3℃ 【81。该文所论述的广域保护系统主要用来预防互联电网的长期电压崩溃,这里的“保护”是指广义上对系统层面的保护而非对电气元件的继电保护,这样的广域保护系统完成的是电压稳定控制功能而非继电保护功能。该系统的通信功能是基于SCADA的,通过RTU获取所需节点的信息,经过集中式的决策后再由RTU回诸如甩负荷、无功调节、启动SVC或同步调相机等控制命令。SCADA采集的数据是非实时的,数据刷新频率较慢,因为用于长期电压崩溃的预防,不需要进行快速、实时的交换数据,因此这样的通信系统能够满足要求。此后,ABB公司的Mehmet等工程师、美国许继公司的Jim Y Cai等分别发表了关于广域保护系统应用于稳定控制系统的研究成果的论文【9_7】。他们所论述的广域保护系统是被定位在常规保护及数据采集和监测控制系统/能量管理系统SCAD~EMS之间的系统保护和控制手段,传统上这类保护和控制系统被称为特殊保护系统,随着计算机技术通信技术的发展,借助广域测量系统WideAreaMeasurement System.WAMS及在线动态安全分析On.1ine Dynamic SecurityAssessment,DAS技术逐渐发展为广域保护技术。我国学者在广域继电保护方面的研究也取得了一些成绩。针对电力系统继电保护中后备保护按阶梯配置所带来的保护动作时间太长,而引起的严重影响电力安全这一问题。熊小状提出建立一种快速后备保护系统的思想,通过动作逻辑方程式,在故障后迅速判断出故障范围,在主保护未出口跳闸时判断出故障范围迅速发出跳闸命令。依赖于站内通信,通过各分散元件与集中单元的通信联系,实现综合信息的分析。对每个元件中都定义出故障时保护的正方向,通过故障发生后各主保护对故障的方向判定,构成动作逻辑方程式,确定故障范围,并以此形成后备故障范围的动作条件判据,实现后备保所动作的对象。这一方案的后备保护的整体动作时间短,实质上是综合分析各主保护的故障判据形成对站内故障范围的确定,只需与主保护动作时间相配合来构成快速后备保护。广西大学的谭建成也提出了建立基于专家系统的广域后备保护系统。该系统也采用集中决策的结构形式,通过采集故障相邻区域四段距离保护正向三段加上反向一段的判断结果,运用专家系统的知识进华北电力大学硕士学位论文行决策,判断故障具体位置,并能处理诸如断路器失灵、保护拒动等问题给故障判断带来的影响。广域后备保护系统不必通过牺牲快速性来保证选择性,它可以较好的解决后备保护动作时间过长、故障切除范围较大等问题,还可以防止故障后相邻线路过负荷导致后备保护误动作的情况。1.3本文主要工作本文在前人工作的基础上,设计了一种基于潮流转移识别的新型广域后备保护方案。主要工作内容如下1本文对广域保护的两种典型结构及其通信模式进行了分析,确定了与潮流转移识别算法相适应的广域后备保护结构形式。2为了减少在线计算时间,分析了系统中有支路切除后潮流的主要转移趋势,研究了快速识别与过载支路相关的并行输电断面的图论方法。利用图论中有向图的邻接矩阵和路径矩阵,通过简单的矩阵运算,快速识别出受过载支路断开影响最严重的输电回路。从而将系统安全性分析目标从整个网络缩小到某些关键断面,为广域后备保护实现快速的识别潮流转移减小了计算量。3通过WAMS在线监测线路切除前该线路的潮流数值,在输电断面划分的基础上通过合理简化潮流计算,预测出线路切除后的潮流分布。并与线路切除后的实时测量潮流进行比较,以判断是否发生潮流转移,给出控制策略。对IEEE39节点系统进行了潮流转移仿真计算,验证了所提出的潮流转移算法4构造了广域后备保护方案,给出了广域保护工作中正常模式、故障处理模式的详细控制策略和控制方法。4华北电力大学硕士学位论文第二章广域后备保护的系统构成及工作原理现代通信网的发展和信息技术的日渐成熟,为广域保护的发展提供了契机。基于潮流转移识别的广域后备保护系统也需要借助通信完成,广域后备保护系统信息接收的范围不是盲目的,而应根据预先划分好的输电断面,有重点的监控同一输电断面内受潮流转移影响最大的线路,从而简捷、有效的避免因潮流转移引起的连锁跳闸问题。2.1广域保护系统的概念广域保护可定义为依赖电力系统多点的信息,对故障进行快速、可靠、精确的切除,同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响,并采取相应的控制措施,提高输电线可用容量或系统可靠性,这种同时实现继电保护和自动控制功能的系统,称为广域保护系统,又称为稳控系统。国际大电网会议将广域保护的功能及控制手段等进行了定义,其动作时间范围在lOOms --“100s之间,如图2.1【181所示。传统保护 广域保护 SCADA/EMS电磁暂态暂态稳定小信号稳定电压稳定手动操作。。 自动控制 诽范围7。传统保护。 、 动作范围、动作范围7自动无功投切分接头控钼切发电机低频切负荷低压切负何医程切负荷鲁捌FAcTs的运行o.001 0.01 0.1 1 10 100 1000t,S----◆图2-1广域保护的定义以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象。传统的保护以切除被5华北电力大学硕士学位论文保护元件内部故障为己任,主要通过开关动作来实现故障隔离,各电力设备的主保护相互独立,不顾及故障元件被切除后,剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。比如故障元件被保护装置正确切除或正常元件被保护装置误切除后,由于功率的转移引起相邻电力元件的过载,导致过载保护动作等,这是传统继电保护的固有弊端。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行,可识别系统的各种运行状态正常状态、警戒状态等,同时实现继电保护和自动控制的功能,其中可能会有本地、远程开关的动作,以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生,保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定运行。2.2广域保护系统采取的结构根据广域保护系统所完成功能的不同以及各种功能对动作延时、动作范围和可靠性要求的不同,广域保护系统可分为集中式和分布式两种结构形式。2.2.1集中式结构数据采集 断路器 数据采集 断路器 数据采集 断路器控制 控制 控制图2.2集中式结构示意图光纤系统总线集中式结构如图22所示,各变电站负责采集模拟量信息和开关量信息,接收来自中央单元的命令信息并根据其执行跳、合开关的操作。中央单元接收来自多个终端设备的信息,完成广域保护系统的各种功能,做出保护和控制决策后再经通信系统下达至终端设备执行。这种结构的优点在于结构清晰、控制策略简单有效。适于在较小范围内应用。2.2.2分布式结构分布式结构如图2.3所示,在分布式结构中,只在各变电站装设处理单元,不设中央处理单元。各分布处理单元的地位是平等的。它们完成的主要功能有6华北电力大学硕士学位论文采集安装点的模拟量信息和开关量信息与其它处理单元进行通信根据自身的信息和通过通信系统接收到的来自其它本地单元的信息做出保护和控制策略并根据其作出的保护和控制策略执行跳、合开关的操作。广一一一广一一一一一一一一1一一一一一一一1一一一一一一]I-E蜜一一E蓼一一E蓼一一一.j数据采集I断路器 数据采集 l断路器 数据采集l断路器I 控制 I 控制 l 控制本地处理单元l l本地处理单元I l本地处理单元2.2.3两种结构比较图2-3分布式结构示意图光纤系统总线在集中式结构中,测量、通信和命令执行功能被分散到多个终端设备中完成,中央单元只保留决策功能。这种结构对中央单元的依赖程度较高,因此需要对中央单元进行双机或多机备用配置。在这种结构下,中央单元要通过通信系统获取各终端设备的信息,做出决策后再由通信系统将控制命令下达至终端设备,这样如何控制好信息交换的延时就成为影响到广域保护系统性能的重要因素。一般的,在对动作延时要求不高但算法较复杂的控制系统中宜采用这种结构。分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个本地单元中完成,它对各本地处理单元的要求比较高,需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执行功能。分布式结构的系统受故障的影响较小,某个本地单元的故障一般不会影响到整个保护系统的工作,因此除了特别重要的测量点,一般没有必要对进行双机或多机备用配置。在分布式结构中,只要确定好信息交换的范围,不会出现信息在之间多次往返的情况,因此通信延时不会较长。分布式结构适用于功能不复杂但对动作延时有较高要求的场合。鉴于上述三种结构的特点,本文所研究的广域保护系统采取集中式结构和分布式结构相结合的形式,如图2.4所示。这两种结构在功能上是相互独立的,即故障的判断既可以集中由中央单元完成,也可以分散由安装于各测量点的完成,以满足不同运行条件的要求。中央单元和各本地单元进行决策功能的划分,这样既保证了中央单元对总体的控制,又加强了各本地单元的智能化。因为中央单元和本地单元7华北电力大学硕士学位论文都有了处理功能,所就可以减少了信息传输,减少了出错的机率。广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一]l II I2.3功能分配图2.4广域保护系统结构示意图2.3.1广域保护主站系统的功能纤系统总线A.保护主站完成的功能①电网正常运行时,收集各广域保护终端的测量数据,监测电网的运行状态并把测量数据转发给后台机,转发后台机对子站系统远程设置的各种参数,以及定时广播实时报文,使子站与主站的时钟同步。②发生故障或异常情况时,起动广域保护策略,根据收集到的子站信息,进行故障点的定位,在此基础上综合考虑安全稳定等因素从而给出正确的保护决策,防止事故范围的扩大。故障处理完成后通知各子站系统上传录波数据,并转发给后台机。③管理专用光纤信道的使用,协调各子站的通信,保证数据传输的时间确定性和实时性。B.后台监控机完成的功能①目标区域电网运行状态显示,包括潮流、线路电流、母线电压、断路器状态等信息。②维护整个广域后备保护系统的数据库,如参数设置数据库、历史记录数据库、华北电力大学硕士学位论文故障录波数据库、实时测量数据等,同时管理各种分析所需的数据。③故障或异常情况处理完成后进行故障分析,发现电网运行时存在的故障隐患,完善保护系统对故障的处理机制。2.3.2广域保护各个保护子站的功能①实时测量线路电流、母线电压及各种开关量断路器状态、保护信号等。②发生故障或异常情况时,各保护终端要完成故障信息零负序及阻抗方向元件、系统运行方式和故障类型的判断的计算并上传给主站,对采集的数据进行一定的分析处理。⑨具有故障录波功能,故障处理完成后,将故障录波数据上传到主站系统。2.3.3工作模式该保护有两种工作模式正常模式、故障处理模式。电网正常运行时,保护系统处于正常模式下,监测电网内各种开关的状态、其它保护故障启动信号和各种电气量的变化。当检测到故障时,保护切换到故障处理模式,进行故障判断并确定最佳的故障切除方案。广域后备保护可以对不必要动作的传统后备保护发闭锁信号。1正常模式保护主站监视保护区域内的开关状态、所有保护的故障启动信号和电气量采样数据,保护子站除了包含传统的保护功能外,还要按照主站的要求采集本地的开关量和母线电压、线路电流等电气量,并通过广域数据网定时发送给主站。2故障处理模式保护区域内发生故障时,对故障反映最灵敏的保护子站最先启动故障处理模式,并立即向保护主站发送故障启动信号。保护主站收到故障启动信号后,即切换到故障处理模式,并向其它子站发送故障启动信号,启动整个系统的故障处理模式。进入故障处理模式后,保护子站上传给保护主站以下数据和信息①本地所有相关线路的断路器开合信息。②对应这些线路的主保护、后备保护动作信息。③本地检测到的系统当前运行状态,包括全相、非全相、是否振荡等。保护主站在收到各个子站上传的数据信息后,根据传统保护动作信息、断路器辅助触点信息和系统运行状念确定各保护子站应该采取何种故障处理措施。保护主站完成决策后发送给保护子站以下命令和信息1故障点的定位信息故障在区外、故障在区内,且给出故障线路识别符。9
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