同杆并架线路继电保护与故障测距新技术研究
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摘要
随着我国经济的快速发展，电力负荷不断增长，对于提高电网输电容量的需求更加迫切。然而，我国输电走廊建设和耕地资源保护的矛盾非常突出，并已成为制约电网发展的主要瓶颈之一。因此，在不增加输电走廊的基础上提高输电线路的输电容量有着重要的经济价值和社会意义。近年来，同杆并架输电技术因其输送容量大、节约输电走廊等优势在我国电网中得到广泛应用。同杆并架线路具有线间距离近，耦合情况复杂，故障种类繁多，运行方式多样的特点，使得传统应用于单回输电线路和平行双回线路的参数计算方法、数字仿真和物理模型构建方法、电流差动保护方案、自动重合闸技术等均难以直接应用于同杆并架输电线路。此外，由于输电需求的不同，实际输电系统中存在着众多不同结构的非全程同杆并架输电线路，输电线路架设形式的多样化也给故障测距技术提出了新的挑战。因此，适时地针对同杆并架线路继电保护和故障测距技术展开研究具有重要的理论和现实意义。本论文主要围绕同杆并架线路的参数计算与对称性分析，数字仿真系统与物理模型的构建、电流差动保护、自适应重合闸和故障测距等方面的关键技术问题展开研究和论述
输电线路参数计算是进行电力系统潮流计算、短路电流计算和继电保护整定计算的重要基础，论文根据同杆并架线路的特点，提出了一种基于“单导线-大地”回路的同杆并架线路参数计算方法，有效的克服了当前单回线及平行双回线的参数计算方法在反映线路复杂耦合情况和运行方式变化等方面的不足，可适用于各种架设形式的同杆并架线路。与数字仿真和线路实测参数的对比分析表明，所提出的参数计算方法具有使用灵活方便，计算精度高等特点，能够满足工程应用的要求。在此基础上，论文进一步对比分析了同杆并架双回线三种典型相序排列结构对线路序阻抗参数对称性的影响，并据此对同杆并架线路的相序排列结构和换位方式提出建议。
数字仿真和动模试验是进行保护原理研究和性能评估的重要手段。论文以PSCAD数字电磁暂态仿真软件为基础，提出了一种基于输电线路杆塔结构参数的同杆并架双回线仿真平台构建方法，该方法解决了传统平行双回线路模型无法反映线路参数不对称的问题，并能够准确模拟同杆并架双回线的各种简单和跨线故障。在此基础上，根据输电线路基本电磁特性分析理论，提出了一种基于共最小互阻抗原理的同杆并架双回线路物理模型的构建方法，该方法从双回线各导线间的耦合情况着手，能够全面有效的反映双回线各相间的互感差异，克服了现有双回线物理模型只能反映线间零序互感的不足。论文以某实际同杆并架线路为原型，利用该方法研制了物理试验模型，试验结果表明，该模型满足设计要求，能够正确模拟同杆并架双回线的故障暂态特征，可用于同杆并架双回线路继电保护原理和设备的检测试验。
同杆并架双回线路中各相导线相距较近，分布电容较大，且电容参数随着线路运行方式的变化而改变，给线路差动保护性能带来了诸多不利影响。论文分析了同杆并架线路分布电容参数的变化特点，提出了一种新型同杆并架双回线差动保护方案。在该方案中，采用多差动判据配合的方式使方案的整体性能达到最优，其中分相电流差动采取适当抬高定值门槛的方法，以躲过零序分布电容参数变化所产生的不平衡电流，主要用于反应各种区内严重故障；故障分量相差电流差动判据和负序电流差动判据的电容电流补偿精度不受双回线运行方式和沿线环境等因素的影响，补偿效果好，判据安全性高。两判据均由故障量电流构成，不受线路负荷电流的影响，区内故障时灵敏度高，能够有效弥补分相电流差动判据反应区内轻微故障能力的不足。数字仿真和动模测试的结果验证了新方案的有效性和正确性。
自适应重合闸技术对防止重合于永久性故障时给电网和电气设备带来的二次冲击，保证电力系统的运行安全具有重要作用。论文针对不带并联电抗器的同杆并架双回线路，提出了一种多判据综合应用的自适应重合闸方案。该方案由电压相位自适应重合闸判据、电压幅值自适应重合闸判据、二次电弧熄弧判据和按相重合方法共同构成，克服了单一自适应重合闸判据在应用中存在的不足，可有效判断同杆并架双回线发生单相接地故障、单相跨单相跨线故障时的故障性质和二次电弧熄灭时间。此外，对于带并联电抗器的同杆并架双回线路，论文分析了同杆并架线路并联电抗器断开相电流和中性点小电抗器电流的特性，并借鉴单回线的故障性质判别方法，提出一种适用于带并联电抗器的同杆并架双回线的瞬时性故障和永久性故障识别方案。最后，通过数字仿真和动模试验，验证了的论文提出同杆并架双回线自适应重合闸方案的有效性和正确性。
论文分析了现有测距方案应用于非全程同杆并架线路时存在的问题，提出了一种适用于非全程同杆并架线路的双端故障测距方法。该方法从非全程同杆并架线路的特点出发，依据不同的架设方式对线路进行分段，并分别利用各段的参数矩阵，从线路两端求取沿线的电压。该方法不受线路对称性和架设结构的影响，克服了目前常用的同杆并架线路故障测距方案仅能应用于对称线路的不足。数字仿真的结果证明了该方案能够应用于非全程同杆并架线路的故障测距，且精度较高。
论文的最后，对全文工作进行了系统的总结，并指出了下一步需要开展的工作。
With the fast development of domestic economic and growth of power load, therequirement of improving the transmission capacity of power grid becomes more and moreurgent. However, the contradiction between construction of transmission corridor andprotection of arable land resources is very serious, and it has been the main limitation of thedevelopment of power gird. Hence, it is of important economic value and socialsignificance to improve the capacity of transmission lines without adding transmissioncorridor. In recent years, due to its advantage in large transmission capacity and saving oftransmission corridor, parallel transmission lines on same tower have been widely adoptedin the domestic power gird. The parallel transmission lines on same tower have thefollowing characteristics: small distance between lines, complicated coupling condition, agreat variety of fault types and various operation modes. These characteristics make thetraditional parameter calculation method, digital simulation method, physical modelingmethod, current differential protection and auto-reclosure scheme which are applied onsingle transmission line and parallel transmission lines can not be applied on paralleltransmission lines on same tower directly. Moreover, limited by transmission corridor,incomplete-journey parallel transmission lines on same tower with different structures existin power transmission system. Diversification of the construction mode of transmissionlines brings new challenge for fault location. Therefore, it is of important significance tostudy the relay protection and fault location technology for parallel transmission lines onsame tower specifically. Thus, the key technical problems of parallel transmission lines onsame tower, like parameter calculation, symmetry analysis, digital simulation model,construction of physical model, current differential protection, adaptive reclosure, faultlocation and so on, are studied and discussed in this dissertation.
According to the characteristics of parallel transmission lines on same tower, aparameter calculation method based on “single conductor-ground” circuit is proposed. Thismethod effectively overcome the disadvantages that existing parameter calculation methodsfor single transmission line and parallel transmission lines have in reflecting complicated coupling condition and change of operation condition, and it is applicable for paralleltransmission lines on same tower with different construction modes. The comparison of theline parameters calculated by this method and the measured line parameters shows that thismethod is flexible and convenient and its result has high accuracy which can satisfy therequirements of engineering application. Based on it, the influences of three classicalphase-sequence arrangement modes on symmetry of sequence impedance is analyzed andcompared. Then, some suggestions about the phase-sequence arrangement mode andtransposition of parallel transmission lines on same tower are proposed.
A simulation modeling method of parallel transmission lines on same tower based ontower structure parameters is proposed. The proposed method solves the problem oftraditional parallel transmission lines model that it can not reflect the asymmetry of lineparameter. And the method can simulate the simple fault conditions and inter-line faultconditions of parallel transmission lines on same tower accurately. With the combination oftheoretical analysis and digital simulation, a physical modeling method of paralleltransmission lines on same tower based on the principle of minimum mutual impedance isproposed. Based on the coupling between different conductors of the two lines, the physicalmodeling method can reflect the difference of mutual inductance between different phasescompletely and effectively. It overcomes the disadvantage of existing physical models thatthey can only reflect zero-sequence mutual inductance between lines. This method isapplied to develop a physical model for a practical parallel transmission lines on sametower. The results of digital simulation and dynamic analog test show that the model cansatisfy the design requirements. And it can simulate the fault transient characteristics ofparallel transmission lines on same tower. Hence, it can be used for the test of relayprotection principle and equipments for parallel transmission lines on same tower.
A novel differential protection scheme for parallel transmission lines on same towerbased on on-line calculation of positive-sequence capacitor is proposed. This schemeeffectively solve the problem of inaccurate capacitor current compensation caused by theinfluence of operation environment and operation mode on distributed capacitor of paralleltransmission lines on same tower. The whole performance is optimized by the coordinationof multi differential criteria. An appropriate higher threshold is adopted by segregatedcurrent differential protection to avoid the influence of the unbalanced current caused by the change of zero-sequence distributed capacitor, to reflect all kinds of internal severe fault.The accuracy of capacitor current compensation of fault component current differentialcriterion and negative-sequence current differential criterion is not affected by operationenvironment and operation mode. Hence, the compensation effect is good and the securityof criteria is high. Because both criteria consist of fault component, they are not affected byload current, have good sensibility of internal fault and can effectively make up thedisadvantage of segregated current differential protection that its sensibility of internalminor fault is not good enough. Results of digital simulation and dynamic analog test verifythe effectiveness and correctness of the novel scheme.
A thorough adaptive auto-reclosure scheme for parallel transmission lines on sametower without shunt reactors is proposed. The scheme consists of adaptive auto-reclosurecriterion based on voltage phase, adaptive auto-reclosure criterion based on voltagemagnitude, arc extinction criteria of secondary arc and phase by phase reclosure method. Itovercomes the disadvantages of single auto-reclosure criterion in application, and it canidentify the fault characteristics of parallel transmission lines on same tower and arcextinction time of secondary arc when single phase grounded fault and inter-line fault ofsingle phase to single phase happen. Furthermore, for parallel transmission lines on sametower with shunt reactors, the characteristics of switched-off phase current and currentthrough the small reactor of neutral point are analyzed. Learning from the identificationmethod of fault characteristics of single transmission line, an identification scheme ofinstantaneous and permanent fault on parallel transmission lines on same tower with shuntreactors is proposed. In the end, the effectiveness and correctness of the proposed adaptiveauto-reclosure scheme for parallel transmission lines on same tower is verified by digitalsimulation and dynamic analog test.
The error of the existing fault location scheme when it is applied onincomplete-journey parallel transmission lines on same tower is analyzed. And atwo-terminal fault location method which is suitable for incomplete-journey paralleltransmission lines on same tower is proposed. Based on the characteristics ofincomplete-journey parallel transmission lines on same tower, the proposed method dividesthe line into different sections in accordance with construction mode, and calculates thevoltage along transmission line from the two end of line with the parameter matrixes of different sections. The method is not affected by the line symmetry and construction mode,and it overcomes the disadvantage of existing fault location schemes for paralleltransmission lines on same tower that they can only be used on symmetrical line. Digitalsimulation results verify that this scheme is applicable for incomplete-journey paralleltransmission lines and it has high accuracy.
In the end, the dissertation gives systematical summary and points out the furtherwork.
输电线路参数计算是进行电力系统潮流计算、短路电流计算和继电保护整定计算的重要基础，论文根据同杆并架线路的特点，提出了一种基于“单导线-大地”回路的同杆并架线路参数计算方法，有效的克服了当前单回线及平行双回线的参数计算方法在反映线路复杂耦合情况和运行方式变化等方面的不足，可适用于各种架设形式的同杆并架线路。与数字仿真和线路实测参数的对比分析表明，所提出的参数计算方法具有使用灵活方便，计算精度高等特点，能够满足工程应用的要求。在此基础上，论文进一步对比分析了同杆并架双回线三种典型相序排列结构对线路序阻抗参数对称性的影响，并据此对同杆并架线路的相序排列结构和换位方式提出建议。
数字仿真和动模试验是进行保护原理研究和性能评估的重要手段。论文以PSCAD数字电磁暂态仿真软件为基础，提出了一种基于输电线路杆塔结构参数的同杆并架双回线仿真平台构建方法，该方法解决了传统平行双回线路模型无法反映线路参数不对称的问题，并能够准确模拟同杆并架双回线的各种简单和跨线故障。在此基础上，根据输电线路基本电磁特性分析理论，提出了一种基于共最小互阻抗原理的同杆并架双回线路物理模型的构建方法，该方法从双回线各导线间的耦合情况着手，能够全面有效的反映双回线各相间的互感差异，克服了现有双回线物理模型只能反映线间零序互感的不足。论文以某实际同杆并架线路为原型，利用该方法研制了物理试验模型，试验结果表明，该模型满足设计要求，能够正确模拟同杆并架双回线的故障暂态特征，可用于同杆并架双回线路继电保护原理和设备的检测试验。
同杆并架双回线路中各相导线相距较近，分布电容较大，且电容参数随着线路运行方式的变化而改变，给线路差动保护性能带来了诸多不利影响。论文分析了同杆并架线路分布电容参数的变化特点，提出了一种新型同杆并架双回线差动保护方案。在该方案中，采用多差动判据配合的方式使方案的整体性能达到最优，其中分相电流差动采取适当抬高定值门槛的方法，以躲过零序分布电容参数变化所产生的不平衡电流，主要用于反应各种区内严重故障；故障分量相差电流差动判据和负序电流差动判据的电容电流补偿精度不受双回线运行方式和沿线环境等因素的影响，补偿效果好，判据安全性高。两判据均由故障量电流构成，不受线路负荷电流的影响，区内故障时灵敏度高，能够有效弥补分相电流差动判据反应区内轻微故障能力的不足。数字仿真和动模测试的结果验证了新方案的有效性和正确性。
自适应重合闸技术对防止重合于永久性故障时给电网和电气设备带来的二次冲击，保证电力系统的运行安全具有重要作用。论文针对不带并联电抗器的同杆并架双回线路，提出了一种多判据综合应用的自适应重合闸方案。该方案由电压相位自适应重合闸判据、电压幅值自适应重合闸判据、二次电弧熄弧判据和按相重合方法共同构成，克服了单一自适应重合闸判据在应用中存在的不足，可有效判断同杆并架双回线发生单相接地故障、单相跨单相跨线故障时的故障性质和二次电弧熄灭时间。此外，对于带并联电抗器的同杆并架双回线路，论文分析了同杆并架线路并联电抗器断开相电流和中性点小电抗器电流的特性，并借鉴单回线的故障性质判别方法，提出一种适用于带并联电抗器的同杆并架双回线的瞬时性故障和永久性故障识别方案。最后，通过数字仿真和动模试验，验证了的论文提出同杆并架双回线自适应重合闸方案的有效性和正确性。
论文分析了现有测距方案应用于非全程同杆并架线路时存在的问题，提出了一种适用于非全程同杆并架线路的双端故障测距方法。该方法从非全程同杆并架线路的特点出发，依据不同的架设方式对线路进行分段，并分别利用各段的参数矩阵，从线路两端求取沿线的电压。该方法不受线路对称性和架设结构的影响，克服了目前常用的同杆并架线路故障测距方案仅能应用于对称线路的不足。数字仿真的结果证明了该方案能够应用于非全程同杆并架线路的故障测距，且精度较高。
论文的最后，对全文工作进行了系统的总结，并指出了下一步需要开展的工作。
With the fast development of domestic economic and growth of power load, therequirement of improving the transmission capacity of power grid becomes more and moreurgent. However, the contradiction between construction of transmission corridor andprotection of arable land resources is very serious, and it has been the main limitation of thedevelopment of power gird. Hence, it is of important economic value and socialsignificance to improve the capacity of transmission lines without adding transmissioncorridor. In recent years, due to its advantage in large transmission capacity and saving oftransmission corridor, parallel transmission lines on same tower have been widely adoptedin the domestic power gird. The parallel transmission lines on same tower have thefollowing characteristics: small distance between lines, complicated coupling condition, agreat variety of fault types and various operation modes. These characteristics make thetraditional parameter calculation method, digital simulation method, physical modelingmethod, current differential protection and auto-reclosure scheme which are applied onsingle transmission line and parallel transmission lines can not be applied on paralleltransmission lines on same tower directly. Moreover, limited by transmission corridor,incomplete-journey parallel transmission lines on same tower with different structures existin power transmission system. Diversification of the construction mode of transmissionlines brings new challenge for fault location. Therefore, it is of important significance tostudy the relay protection and fault location technology for parallel transmission lines onsame tower specifically. Thus, the key technical problems of parallel transmission lines onsame tower, like parameter calculation, symmetry analysis, digital simulation model,construction of physical model, current differential protection, adaptive reclosure, faultlocation and so on, are studied and discussed in this dissertation.
According to the characteristics of parallel transmission lines on same tower, aparameter calculation method based on “single conductor-ground” circuit is proposed. Thismethod effectively overcome the disadvantages that existing parameter calculation methodsfor single transmission line and parallel transmission lines have in reflecting complicated coupling condition and change of operation condition, and it is applicable for paralleltransmission lines on same tower with different construction modes. The comparison of theline parameters calculated by this method and the measured line parameters shows that thismethod is flexible and convenient and its result has high accuracy which can satisfy therequirements of engineering application. Based on it, the influences of three classicalphase-sequence arrangement modes on symmetry of sequence impedance is analyzed andcompared. Then, some suggestions about the phase-sequence arrangement mode andtransposition of parallel transmission lines on same tower are proposed.
A simulation modeling method of parallel transmission lines on same tower based ontower structure parameters is proposed. The proposed method solves the problem oftraditional parallel transmission lines model that it can not reflect the asymmetry of lineparameter. And the method can simulate the simple fault conditions and inter-line faultconditions of parallel transmission lines on same tower accurately. With the combination oftheoretical analysis and digital simulation, a physical modeling method of paralleltransmission lines on same tower based on the principle of minimum mutual impedance isproposed. Based on the coupling between different conductors of the two lines, the physicalmodeling method can reflect the difference of mutual inductance between different phasescompletely and effectively. It overcomes the disadvantage of existing physical models thatthey can only reflect zero-sequence mutual inductance between lines. This method isapplied to develop a physical model for a practical parallel transmission lines on sametower. The results of digital simulation and dynamic analog test show that the model cansatisfy the design requirements. And it can simulate the fault transient characteristics ofparallel transmission lines on same tower. Hence, it can be used for the test of relayprotection principle and equipments for parallel transmission lines on same tower.
A novel differential protection scheme for parallel transmission lines on same towerbased on on-line calculation of positive-sequence capacitor is proposed. This schemeeffectively solve the problem of inaccurate capacitor current compensation caused by theinfluence of operation environment and operation mode on distributed capacitor of paralleltransmission lines on same tower. The whole performance is optimized by the coordinationof multi differential criteria. An appropriate higher threshold is adopted by segregatedcurrent differential protection to avoid the influence of the unbalanced current caused by the change of zero-sequence distributed capacitor, to reflect all kinds of internal severe fault.The accuracy of capacitor current compensation of fault component current differentialcriterion and negative-sequence current differential criterion is not affected by operationenvironment and operation mode. Hence, the compensation effect is good and the securityof criteria is high. Because both criteria consist of fault component, they are not affected byload current, have good sensibility of internal fault and can effectively make up thedisadvantage of segregated current differential protection that its sensibility of internalminor fault is not good enough. Results of digital simulation and dynamic analog test verifythe effectiveness and correctness of the novel scheme.
A thorough adaptive auto-reclosure scheme for parallel transmission lines on sametower without shunt reactors is proposed. The scheme consists of adaptive auto-reclosurecriterion based on voltage phase, adaptive auto-reclosure criterion based on voltagemagnitude, arc extinction criteria of secondary arc and phase by phase reclosure method. Itovercomes the disadvantages of single auto-reclosure criterion in application, and it canidentify the fault characteristics of parallel transmission lines on same tower and arcextinction time of secondary arc when single phase grounded fault and inter-line fault ofsingle phase to single phase happen. Furthermore, for parallel transmission lines on sametower with shunt reactors, the characteristics of switched-off phase current and currentthrough the small reactor of neutral point are analyzed. Learning from the identificationmethod of fault characteristics of single transmission line, an identification scheme ofinstantaneous and permanent fault on parallel transmission lines on same tower with shuntreactors is proposed. In the end, the effectiveness and correctness of the proposed adaptiveauto-reclosure scheme for parallel transmission lines on same tower is verified by digitalsimulation and dynamic analog test.
The error of the existing fault location scheme when it is applied onincomplete-journey parallel transmission lines on same tower is analyzed. And atwo-terminal fault location method which is suitable for incomplete-journey paralleltransmission lines on same tower is proposed. Based on the characteristics ofincomplete-journey parallel transmission lines on same tower, the proposed method dividesthe line into different sections in accordance with construction mode, and calculates thevoltage along transmission line from the two end of line with the parameter matrixes of different sections. The method is not affected by the line symmetry and construction mode,and it overcomes the disadvantage of existing fault location schemes for paralleltransmission lines on same tower that they can only be used on symmetrical line. Digitalsimulation results verify that this scheme is applicable for incomplete-journey paralleltransmission lines and it has high accuracy.
In the end, the dissertation gives systematical summary and points out the furtherwork.
引文
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