Abstract ：

针对目前交直流混联电网交流过电压保护与直流系统控制保护策略之间缺乏有效配合的问题，本文以直流系统发生单极闭锁导致功率骤降为例，考虑交流滤波器的动作策略，分析了单极闭锁后交流侧无功功率、有功功率的变化特征，提出了一种交直流混联系统自适应交流过电压保护新方案。该方案在直流系统单极闭锁等功率骤降情况下，综合考虑一次设备的耐压水平，在不改变原有交流保护动作特性的基础上，能够自适应地调整过电压保护的时间定值，躲过交流滤波器组的切除时间，避免由于过电压保护误动带来的负荷损失；而当交流系统扰动引起过电压时，过电压保护能够按照原有的动作逻辑正确动作，保证设备安全。仿真结果表明，该方案加强了交流系统和直流系统继电保护之间的配合，对保证交直流系统稳定运行具有重要的意义。 在实际直流工程中，西门子纵联电流差动保护由于保护闭锁逻辑的不合理设置，往往不能实现其后备保护的作用，从而导致直流系统其他保护优先动作，闭锁直流输电极线路，扩大负荷损失范围。基于此，本文提出了一种利用故障电流波形相关性原理的快速纵联保护原理，该原理利用直流线路整流侧与逆变侧故障电流暂态波形的相关性来判别故障。PSCAD仿真表明，该原理整定计算简单，能正确判别直流线路区内区外故障，耐受过渡电阻能力强且不受分布式电容的影响，对于直流线路故障，该原理利用5ms数据窗即可在10ms内识别故障并作用于断路器跳闸。此外，该原理能可靠躲过由于电磁耦合效应对健全极保护正确动作的影响，以及线路两侧数据不同步的影响。

Keyword ：

单极闭锁 过电压保护 交直流系统 相关性 纵联保护

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Abstract ：

随着经济与社会的快速发展，为满足日益增长的电力需求，我国电力系统正沿着高电压、大规模、远距离、大容量输电的方向发展，随着电力电子技术发展，灵活交流输电系统（Flexible Alternative Current Transimission Systems，FACTS）为解决电力系统的发展需求提供了解决方案。其中，晶闸管可控移相器（Thyristor Controlled Phase Shifter，TCPS）作为FACTS家族的一员，可有效调整线路潮流，合理分配输送功率以降低发电成本和网损，提高电力系统的输电能力以及稳定性，实现电力系统的安全、可靠和经济运行。然而，可控移相器的引入对线路两端的电流幅值和相位均会造成影响，有可能使得传统的纵联电流差动保护无法可靠动作，因此本文对纵联电流差动保护在含有TCPS线路上的适用性展开了研究，在总结前人工作的基础上，进行了如下几项工作： 第一，阐述了TCPS的工作原理及移相机理，对双芯对称型移相器拓扑结构进行了详细介绍。在此基础上建立了基于PSCAD/EMTDC的含有TCPS的输电线路仿真模型，文中详细说明了各模块主电路模型以及晶闸管控制电路。 第二，对线路的纵联电流差动保护的基本原理进行阐述分析，并介绍了采用光纤传输通道的分相电流差动保护。根据TCPS的电气特性，提出了纵联电流差动保护的三种修正方法，分别是用线路两端电压修正的分相电流差动保护、用正序电流修正的纵联电流差动保护以及用TCPS移相角修正的正序电流差动保护。 第三，基于不同的保护修正方法，对不同故障点、不同故障类型的保护动作情况进行PSCAD仿真分析，整理不同故障条件下的保护动作情况，并汇总分析。 根据上述工作，对仿真结果验证分析，得出结论：在含有TCPS的输电线路上，当互感器安装于母线侧时，若采用传统分相电流差动保护、线路两端电压修正的分相电流差动保护以及线路两端正序电流修正的纵联电流差动保护均无法正确动作，只有用TCPS移相角修正的正序电流差动保护才可以实现可靠保护。 从工程实际应用角度考虑，对于纵联电流差动保护在含有TCPS线路的应用，提出两种应用方案，一种是使用母线侧互感器且采用TCPS移相角修正的正序电流差动保护，另一种是使用移相器靠近线路侧的互感器且线路保护原理无需修改。

Keyword ：

FACTS 不平衡电流 晶闸管可控移相器 纵联电流差动保护

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本发明公开了一种风电接入交直流混联电网的800kV HVDC线路保护系统，所述系统配置如下：主保护配置：采用行波暂态量保护和微分欠压保护；微分欠压保护依靠检测电压微分数值和电压幅值水平实现保护，为直流输电线路的主保护，同时作为行波保护的后备；后备保护配置：低电压保护和纵联电流差动保护，低电压保护用于切除行波和微分欠压保护未能动作的高阻故障，在电流差动保护之前动作。达到了在大规模风电接入交直流混联电网的情况下保证电网安全稳定运行的目的。

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随着国家电网建设坚强智能电网口号的提出，作为智能电网重要组成部分的智能变电站已经逐渐纳入电力工作者的研究范围，旨在满足一次设备智能化、二次设备网络化、设备对象模型化的要求。在智能变电站中时间同步是实现测量、保护的重要保障，且一些保护原理对电气量的实时性和同步性要求非常高，因此对时问题已成为了智能变电站需要重点研究的重要内容之一。随着IEC61850的提出和完善，时钟同步对智能变电站稳定运行的重要性也越来越突出。提高智能变电站对时精度并深入研究时钟误差给保护带来的影响对于提高整个电网的智能化水平具有非常重要的作用。 本文首先分析了现有对时方法的技术现状，深入研究了现有时钟同步技术及其误差产生的机理和不同步程度，并主要介绍了目前用于智能变电站的PTP对时技术。继而在仅考虑时钟不同步和忽略通道延时、采样误差的前提下，分析了时钟不同步对数据采样同步带来的影响，并研究了纵联电流差动保护和双端故障测距受时钟不同步的影响程度。由于本文研究的保护和测距均采用双端测量量，故本文分析了双端数据不同步对于短线、长线的影响机理及影响程度，并从不同过渡电阻、不同故障距离、不同电源相角、不同故障相角等几个方面分析了数据不同步对于保护和测距的影响，并研究了区外故障时的保护特性。最后提出了一种可用于双端测距的不同步角度补偿方案，并对现有方法进行了改进。 通过仿真验证发现，时钟的同步性对电流差动保护和双端故障测距影响巨大，所以应尽可能保证时钟的同步性。文章给出的针对数据不同步的补偿方案，可以实现不同步角度的准确补偿，取得了很好的效果。

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智能变电站时钟对时PTP技术电流差动保护故障定位同步补偿

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纵联电流差动保护具有原理简单、灵敏度高和天然选相能力等优点，被广泛作为输电线路的主保护。然而该原理应用于高压长距离输电线路时，受分布电容影响性能较差。针对该问题，继电保护工作者提出了一系列解决方法，但仍存在不足，主要表现为：这些方法需要使用电压量信息，保护可靠性会受到电压互感器的不利影响；部分方法还要求双端电压量信息同时向对端传送，对通信通道要求较高。 本文认为较理想的解决方案是在不引入电压量的前提下有效解决分布电容问题。为此，本文借助新型数字信号处理算法充分发掘故障电流中蕴含的故障特征信息，并采用模型识别的保护思想，成功研制出基于故障电流工频分量和暂态分量的不受分布电容影响的高压输电线路纵联保护新原理及保护方案。研究成果包括： （1）基于最小二乘矩阵束算法能够分析故障暂态电流组成的特点，提出了一种基于频域模型识别的输电线路纵联保护新原理。首先在复频域中推导出线路故障时两端电流故障分量之和与之差比值的理论表达式，作为待识别的基准模型。进而定义频域模型误差函数用于刻画实际故障电流数据与基准模型的符合程度。区外故障时，故障电流数据符合基准模型，模型误差等于0；区内故障时，故障电流数据不符合基准模型，模型误差大于0，据此区分外部和内部故障。该原理具有不受分布电容影响，充分利用故障暂态电流信息，能够灵敏快速动作，耐受接地电阻能力达400Ω等优点。ATP仿真和动模仿真验证了新原理的有效性。 （2）提出了一种基于时域模型识别的输电线路纵联保护新原理。首先在分布参数模型和Bergeron模型下推导出利用两端电流数据计算各端电压工频相量和瞬时值的公式。接着建立了区外故障时端电流和端电压所满足的时域故障特征模型，并定义了时域模型误差函数。区外故障时，模型误差等于0；区内故障时，模型误差大于0，据此区分外部和内部故障。在实现保护原理时，利用了快速相量提取算法用于精确快速提取故障电流中的工频分量。该原理不受分布电容影响，无需补偿电容电流；仅需10ms数据窗，可以实现快速动作；耐受接地电阻能力达400Ω。ATP仿真验证了新原理的有效性。 （3）频域模型识别和时域模型识别线路纵联保护新原理性能优异，但都要求故障电流暂态过程丰富，因此当故障电流暂态过程微弱时均无法投入。针对该问题，提出了一种基于故障电流工频分量的输电线路纵联保护新原理。理论分析和ATP仿真表明：利用两端电流工频相量计算出的电压工频相量的幅值在区外和区内故障时存在差异，据此可以构造基于电压相量幅值的保护判据。区外故障时，保护可靠不动作。区内故障时，对于非单相接地类型故障，保护灵敏动作；对于单相接地故障，保护耐受过渡电阻能力达200Ω。此外，保护不受分布电容影响，动作速度较快。 （4）将时域模型识别纵联保护和故障电流工频分量纵联保护配合使用，提出了一种仅用电流量的高压输电线路纵联保护方案。当故障电流暂态过程丰富时，投入时域模型识别保护原理；当故障电流暂态过程微弱时，投入故障电流工频分量保护原理。该保护方案不受分布电容影响；适用于故障暂态过程明显的高压长距离输电线路以及电缆线路，当故障暂态过程衰减至微弱时也能投入；无需使用电压量，可靠性较高；仅需使用10ms数据窗，可以实现快速动作。

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输电线路纵联保护分布电容模型识别矩阵束算法

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我国能源分布和经济发展等诸多条件决定了需要发展超/特高压(EHV/UHV, Extra / Ultra High Voltage)远距离输电。为了提高高压线路的输送能力、改善稳定性等，需要采用串联补偿等装置。为了补偿电容电流、降低工频过电压和操作过电压等，亦需要采用并联电抗器。近几年来，我国的新能源特别是风电得到了突飞猛进的发展，不仅对大容量、远距离输电提出了迫切要求，而且风电的随机性、波动性和不可控性对所并入的电力系统及其继电保护提出了挑战。迎接挑战的重要智能电网技术之一是灵活交流输电(FACTS, Flexible AC Transmission System)。可控串补(TCSC, Thyristor Controlled Series Capacitor)和可调高抗(CSR, Controllable Shunt Reactor)是有效的FACTS装置。TCSC就是在输电线路中串联可控的电容器，利用其容抗补偿线路的感抗且实现线路的总阻抗可控，可调节线路潮流，阻尼功率振荡和抑制次同步谐振(SSR, Sub-Synchronous Resonance)等，从而提高输电线路的输送能力和电力系统的稳定性，但是同时也给电力系统带来了一些不利影响。CSR是在输电线路上并联的可调电抗器，随着线路电压或无功的变化进行自动调节，使得线路并联电抗也随时变化。这些都给继电保护带来了新的问题。线路纵联保护是目前高压输电线路广泛采用的一种全线速动的主保护，积累了丰富的现场运行经验。特别是由于光纤通信技术的进步及广泛应用，基于光纤通信的纵联电流差动保护应用最为广泛，在取得良好效果的同时，也显露出一些不足。因此研究带TCSC和CSR的输电线路继电保护新原理具有实际意义。本文开展了以下几个方面的工作。1） 结合高压输电线路串联补偿及并联补偿的发展及应用，分析了TCSC及CSR的原理及特点，据此建立了带TCSC和CSR的EHV输电系统模型，采用多时段多工具结合的方法分析了其故障特征及对已有继电保护的影响，得出了有益的结论。 2） 提出了基于故障分量纵向阻抗的适用于带TCSC和CSR输电线路的纵联保护原理，分析了其应用特点，考虑了TCSC补偿度变化、CSR的补偿度分级调节等因素。该原理不受TCSC引起的电压电流反向等影响，耐受电容电流和过渡电阻的能力强。具有选相能力，灵敏度高，可以抵抗低频分量、非周期分量影响。3） 故障分量是从故障后的电气量中减去负荷分量而得到的量，仅在故障暂态存在，所以故障分量纵向阻抗只能在故障后短时有效。而带TCSC的高压线路在故障后由于TCSC的快速动作，故障分量不能在故障全程中有效应用，为此提出了基于全量纵向阻抗的带TCSC和CSR输电线路纵联线路新原理。该原理与常规电流纵联差动保护相比，性能优异。4） 鉴于上述保护和纵联电流差动保护是利用线路两端的电气相量进行比较或计算，因此线路两端的保护装置的采样必须要同步。数据不同步会导致误差，不但降低保护的灵敏度，甚至会导致保护误动或拒动。因此利用线路两端阻抗和在内外部故障时的幅值和相位特点构成横向阻抗差动保护新原理，分析了其在带TCSC和CSR输电线路上的应用特点。该原理受TCSC补偿度变化的影响小，使用CSR后，可靠性更高，特别是由于阻抗没有同步问题，不受线路两端数据不同步的影响。5） 提出了一种基于故障位置判别的带TCSC线路距离保护方案。利用最小二乘矩阵束，准确得到故障电压电流信号的频率含量，然后基于输电线路的分布参数模型通过利用所得频率含量进行工频故障定位和全频带模型误差计算，识别故障点相对于TCSC的位置，若故障位于TCSC前，则直接驱动断路器跳闸；若故障位于TCSC后，则根据传统的电平检测逻辑动作。有效解决了TCSC线路阻抗不均匀的难题，显著提高了带TCSC线路单端量保护的性能。6） 带TCSC的输电线路，由于与串联电容并联的保护元件MOV的非线性，使得一般线路的故障测距方法不能直接用于该线路的故障测距。为此首先在Bergeron线路模型下推导了利用本端电压和对端电流计算本端电流的公式，并将推导公式运用于故障测距，进而利用故障边界条件构造测距方程，提出一种带TCSC线路故障测距算法。该算法理论上不依赖TCSC的模型，不受TCSC非线性的影响。同时该算法利用分布参数时域模型，无需滤波，所用数据窗短。

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可控串补可调电抗器高压输电线路继电保护故障测距

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针对纵联电流差动保护应用于超特高压长线时受分布电容影响性能降低这一问题,基于矩阵束算法能够分析暂态电流组成的特点,提出一种仅用电流量的适用于分布参数输电线路的纵联保护新原理.该原理采用模型识别的思想,首先推导出线路故障时两侧电流故障分量之和与之差比值的理论表达式,作为待识别的基准模型.进而定义模型误差函数用于刻画实际故障数据与基准模型的符合程度.区外故障时,故障数据符合基准模型,模型误差为0;区内故障时,故障数据不符合基准模型,模型误差不为0,据此区分外部和内部故障.该原理不受分布电容影响,无需补偿电容电流;充分利用故障电流信息,无需滤波;能够灵敏快速地动作.用 ATP 仿真和动模仿真验证新原理的有效性

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分布电容电流 矩阵束算法 模型识别 纵联保护

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随着电力系统电压等级的提高和输电线路长度的增加，超高压和特高压远距离输电线路对继电保护性能提出了更高的要求。通信技术的发展和成本的降低使得电流纵联差动保护在纵联保护中的优势得以凸显，但是在超高压和特高压系统及交直流混联电网中，电流差动保护也暴露出了急需解决的问题。 目前在高压输电线路上并联电抗器的应用十分普遍。并联电抗器的装设使得输电线路发生故障后的暂态过程更加复杂，特别是在特高压和超高压系统以及交直流混联电网中，故障后电气量中含有更多的低频分量和非周期分量，给传统的纵联电流差动保护原理带来了不利影响。针对输电线路普遍装设并联电抗器这一新情况，研究和改进带并联电抗器的高压输电线路纵联保护具有重要意义。 数字化变电站和通信技术的发展为参数识别的保护原理提供了技术保证，对于双端带并联电抗器的高压输电线路，本文提出一种基于参数识别的纵联保护方案，文中在故障附加状态网络的基础上，建立了内部故障模型和外部故障模型，利用参数识别的原理求取模型中的电感参数，并计算其对应的识别感抗。内部故障时，它等价于两端系统感抗，为一个较小的负数；外部故障时，它等价于并联电抗器的感抗，是一个较大的正数，根据所得感抗的符号和大小来区分内部故障和外部故障。最后将这一原理推广应用于三相输电线路，得出了基于参数识别的输电线路纵联保护的保护原理与综合解决方案。 ATP和动模试验数据仿真表明，基于参数识别的输电线路纵联保护原理在特高压和超高压输电线路和交直流混联电网中不受非周期分量和低频分量影响，耐过渡电阻能力强，动作速度快，具有较好的性能。

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电力系统继电保护参数识别并联电抗器纵联保护

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纵联电流差动保护被广泛用于电力系统中，作为变压器主保护，正确识别励磁涌流与内部故障电流是一个固有的难题。究其原因，差动保护原理适用于满足基尔霍夫电流定律的严格纯电路设备，而变压器是一个由磁路联系的几个独立电路构成的设备，从原理上来说不满足基尔霍夫电流定律。因此，差动保护作为变压器主保护动作正确率不高。本文在分析变压器正常运行及故障状态下的变压器绕组回路方程的基础上，提出了一种基于变压器绕组回路平衡方程原理的变压器保护算法。算法首先建立了利用变压器原、副边绕组电阻、漏感和互感磁通等参数表达的变压器回路方程，在正常运行状况下（包括励磁涌流），变压器原、副边绕组回路方程是平衡的；而在故障状态下，由于变压器内部结构及参数发生了变化，因而由正常运行状态下变压器的参数所表达的原副边回路方程不再平衡。因此，通过判别变压器绕组原、副边回路方程是否平衡就可以判断变压器的运行状态，从而决定保护是否动作。基于回路方程的变压器保护算法动作灵敏性及可靠性依赖于变压器各侧绕组漏感参数的精度。目前，变压器铭牌参数只提供变压器短路电抗，并不提供各侧的漏感，同时由于变压器漏感在变压器运行过程中存在着变化，这为该算法的实现增加了难度。文中利用变压器正常运行电压、电流数据，通过变压器绕组回路方程采用附加因子的递推最小二乘算法对变压器各侧漏感参数进行实时计算及修正，从而提高该平衡保护算法的动作灵敏性和可靠性。文中提出了变压器绕组在线监测与保护一体化的思想，递推最小二乘算法估计变压器绕组参数搭建了绕组变形监测和保护的桥梁。文中最后利用变压器EMTP仿真软件和动模试验数据对基于回路方程的保护原理在变压器各种运行状态进行了仿真。仿真结果表明，该原理可以正确识别变压器正常运行状态及故障状态。同时该方案不受变压器励磁涌流的影响，并且在内部故障时有较高的灵敏度。

Keyword ：

变压器 差动保护 回路平衡方程 励磁涌流

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