一種確定保護(hù)受串補(bǔ)電容影響區(qū)域的仿真方法

劉 毅，劉漢偉，梅 濤

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一種確定保護(hù)受串補(bǔ)電容影響區(qū)域的仿真方法

劉 毅，劉漢偉，梅 濤

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610021)

近年來國(guó)內(nèi)外研究串補(bǔ)電容對(duì)線路保護(hù)的影響的很多，但是在研究電網(wǎng)中距離保護(hù)受串聯(lián)補(bǔ)償電容影響的區(qū)域的很少。在分析串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)距離保護(hù)的影響的基礎(chǔ)上，提出一種基于短路電流確定距離保護(hù)受串聯(lián)補(bǔ)償電容影響的電網(wǎng)區(qū)域的仿真方法。通過對(duì)比分析部分站點(diǎn)測(cè)量阻抗的理論分析結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果應(yīng)證了仿真方法的正確性。同時(shí)以一具體工程實(shí)例采用仿真方法計(jì)算出距離保護(hù)受串補(bǔ)電容影響的電網(wǎng)區(qū)域。

串聯(lián)補(bǔ)償電容；短路電流；距離保護(hù)；仿真方法

0 引言

長(zhǎng)期的電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)高壓/超高壓線路需長(zhǎng)距離輸電時(shí)，線路的阻抗較大，輸電潮流及系統(tǒng)穩(wěn)定性均會(huì)隨線路長(zhǎng)度的增加而遞減；為了提高線路的輸電能力及電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，在輸電線路中串聯(lián)補(bǔ)償電容[1-5]，即在線路中串入一定容量的電容以減小全段線路對(duì)外的輸電阻抗。由于串聯(lián)補(bǔ)償電容的容抗作用，本線路或相鄰線路故障后對(duì)外呈現(xiàn)的電氣特性會(huì)發(fā)送變化，進(jìn)而影響保護(hù)裝置的故障判別[6-14]，因此，研究串聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)保護(hù)的影響，進(jìn)而對(duì)保護(hù)配置提出新要求，使其滿足有串補(bǔ)電容線路的需求有著重要意義。

近年來國(guó)內(nèi)外研究串補(bǔ)電容對(duì)線路保護(hù)的影響的很多，但是在研究如何界定系統(tǒng)中線路保護(hù)受串聯(lián)補(bǔ)償電容影響的范圍的很少；在實(shí)際工程中，當(dāng)線路中有串聯(lián)補(bǔ)償電容時(shí)，也是采用以下經(jīng)驗(yàn)做法：串聯(lián)補(bǔ)償電容本線路配置串聯(lián)補(bǔ)償型線路保護(hù)，相鄰線路保護(hù)的距離保護(hù)(I段)退出運(yùn)行；沒有對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)鄰近站點(diǎn)距離保護(hù)有影響的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)和較精準(zhǔn)的分析計(jì)算。本文重點(diǎn)研究分析串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)距離保護(hù)的影響，并結(jié)合某一工程實(shí)例，提出一種基于短路電流確定串補(bǔ)電容對(duì)距離保護(hù)影響范圍的仿真方法，本文結(jié)合理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響

為了分析串聯(lián)電容對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響，下面以簡(jiǎn)化的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析說明。

1.1 串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)串補(bǔ)本線路保護(hù)的影響

在有串聯(lián)補(bǔ)償電容的線路上，當(dāng)串補(bǔ)電容附近發(fā)送故障時(shí)，如圖1所示故障點(diǎn)k1，電流正方向如圖所示(為故障點(diǎn)k1至B點(diǎn)的阻抗)。

圖1 串補(bǔ)電容線路本線路故障示意圖

B站保護(hù)測(cè)量電壓為

(2)

假設(shè)P處保護(hù)的距離一段的定值設(shè)置為0.8倍全線阻抗；定義線路AB單位長(zhǎng)度阻抗為，線路全程為，故障點(diǎn)距離B站距離，P處保護(hù)過原點(diǎn)的動(dòng)作阻抗如圖2所示。

圖2 P處距離I段動(dòng)作阻抗圓示意圖

則由以上可知，P處的一段距離保護(hù)在以下幾種情況存在錯(cuò)誤動(dòng)作。

1.2 串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)串補(bǔ)相鄰線路保護(hù)的影響

本文僅分析相鄰第一級(jí)線路保護(hù)所受的影響。在有串聯(lián)補(bǔ)償電容的線路上，當(dāng)串補(bǔ)電容附近k1點(diǎn)發(fā)送故障時(shí)(為故障點(diǎn)1至B點(diǎn)的阻抗)，電流正方向如圖3所示。

B、C站Q、R點(diǎn)保護(hù)測(cè)量電壓分別為

(4)

(6)

(8)

Q、R點(diǎn)保護(hù)過原點(diǎn)的動(dòng)作阻抗如圖4所示。

圖4 Q、R處距離I段動(dòng)作阻抗圓示意圖

Q點(diǎn)測(cè)量阻抗在第二象限，如果測(cè)量阻抗落在阻抗動(dòng)作圓內(nèi)2區(qū)，則Q處保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。

R點(diǎn)測(cè)量阻抗在第一象限，如果測(cè)量阻抗落在阻抗動(dòng)作圓內(nèi)1區(qū)，則R處保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。

綜合上述1.1節(jié)和1.2節(jié)分析，P、Q、R三處保護(hù)的距離一段均可能因?yàn)榇?lián)電容的影響，而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)。

2 工程實(shí)例介紹

為了分析串聯(lián)電容對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響，下面以簡(jiǎn)化的系統(tǒng)為例進(jìn)行分析說明。本次相關(guān)線路的參數(shù)如表1。

表1 相關(guān)線路參數(shù)表

電網(wǎng)拓?fù)浣泳€圖如圖5所示。

圖5中，串補(bǔ)1~4的容抗分別為所在線路阻抗的50%，安裝位置在C站的出口處。串補(bǔ)1~4考慮為固定串聯(lián)補(bǔ)償電容。

以B~C~D線路中的串聯(lián)補(bǔ)償電容器對(duì)相關(guān)線路保護(hù)的影響分析為基礎(chǔ)，提出一種“分析界定距離保護(hù)受串補(bǔ)電容影響的范圍”的工程方法。

3 界定距離保護(hù)受串補(bǔ)電容影響范圍的工程方法

本文基于電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出一種界定保護(hù)受串補(bǔ)電容影響范圍的方法。該方法具體步驟如下：

(1) 用短路電流計(jì)算程序在最嚴(yán)重處(串補(bǔ)電容處)模擬故障，輸出關(guān)注站點(diǎn)在故障后的電流、電壓；

(2) 根據(jù)步驟(1)中所得的電流電壓，計(jì)算出所關(guān)注站點(diǎn)的測(cè)量阻抗；

(3) 將步驟(2)中所得的測(cè)量阻抗和關(guān)注站點(diǎn)的保護(hù)定值相比較，確定該站點(diǎn)在該故障方式下是否受串補(bǔ)電容的影響。

以第2節(jié)中介紹的系統(tǒng)為例，詳細(xì)說明確定受串補(bǔ)電容影響范圍的方法和步驟。

3.1 系統(tǒng)分析

首先根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析在哪種運(yùn)行方式下，哪個(gè)位置故障后，串補(bǔ)電容對(duì)系統(tǒng)中的距離保護(hù)影響最大。

3.1.1串補(bǔ)電容本線路

考慮對(duì)裝有串聯(lián)補(bǔ)償電容線路影響最嚴(yán)重的運(yùn)行方式，即C站內(nèi)(考慮為3/2斷路器接線)分串運(yùn)行，拓?fù)鋮?shù)如圖6所示。

按圖6所示，對(duì)于P1保護(hù)來說，當(dāng)2故障時(shí)P1的距離保護(hù)受影響最大，同理P4保護(hù)在1故障時(shí)所受影響最大。

下面以1三相接地故障為例，P2、P3、P4處分別以上面提出的仿真方法及理論分析方法分別計(jì)算測(cè)量阻抗。

(1) 短路電流仿真方法

當(dāng)1三相接地故障時(shí)，用短路電流仿真得出 P2、P3、P4處電流電壓分別為

(10)

(11)

(13)

(14)

即P2、P3、P4保護(hù)計(jì)算出的阻抗分別為

(16)

(17)

(2) 理論分析方法

根據(jù)理論分析可得P2、P3、P4保護(hù)的阻抗分別為

(19)

(20)

通過對(duì)比理論分析和仿真計(jì)算阻抗結(jié)果，其存在些許誤差的原因是：(a) 仿真計(jì)算中小結(jié)點(diǎn)和電容中間有小電抗(約為0.0001j)；(b) 站點(diǎn)C運(yùn)行有并列線路容抗。兩者的結(jié)論相互應(yīng)證。

另外根據(jù)過原點(diǎn)的動(dòng)作阻抗圓(如圖7)可知：不論是理論分析和仿真計(jì)算，均能得到：P2保護(hù)會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)，而P3、P4保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。

圖7 P2、P3、P4距離I段阻抗動(dòng)作圓示意圖

3.1.2相鄰線路

考慮對(duì)裝有串聯(lián)補(bǔ)償電容線路的相鄰線路影響最嚴(yán)重的運(yùn)行方式，即如圖8所示，CD一線檢修退出運(yùn)行，2點(diǎn)為三相故障點(diǎn)。

下面以2三相接地故障為例， P1、P2處分別以上面提出的仿真方法及理論分析方法分別計(jì)算測(cè)量阻抗。

圖8 A側(cè)最嚴(yán)重運(yùn)行方式示意圖

(1) 短路電流仿真方法(B不考慮電源助增，即B站電廠不開機(jī))。

(22)

(23)

即P1、P2保護(hù)計(jì)算出的阻抗分別為

(25)

(2) 理論分析方法(B不考慮電源助增，即B站電廠不開機(jī))。

按圖8所示，可等效為圖9。

圖9 等效阻抗圖

當(dāng)由圖9可得如下關(guān)系式：

由式(27)可知，P1、P2點(diǎn)的測(cè)量阻抗為

(28)

(3)?短路電流仿真方法(B站考慮電源助增，正常開機(jī))。

(30)

(32)

(33)

即P1、P2保護(hù)計(jì)算出的阻抗分別為

(35)

通過對(duì)比理論分析和仿真計(jì)算阻抗結(jié)果，其存在些許誤差的原因：仿真計(jì)算中小結(jié)點(diǎn)和電容中間有小電抗(約為0.0001j)。兩者的結(jié)論相互應(yīng)證。另外對(duì)比考慮B站助增電源結(jié)果可知，當(dāng)B點(diǎn)考慮電源時(shí)，串補(bǔ)電容由于助增電源的影響變大，和1.1節(jié)的分析結(jié)論一致。

另外根據(jù)過原點(diǎn)的動(dòng)作阻抗圓(圖10)可知，不論是理論分析和仿真計(jì)算(不考慮助增電源)，當(dāng)2發(fā)生金屬性接地故障后，P1 、P2保護(hù)的測(cè)量阻抗均會(huì)進(jìn)入動(dòng)作圓而發(fā)生誤動(dòng)。仿真計(jì)算(考慮助增電源)時(shí)，P1、P2的測(cè)量阻抗在分別在第四象限和第二象限動(dòng)作圓外，不會(huì)誤動(dòng)，但是隨著2點(diǎn)向D站移動(dòng)，P1、P2的測(cè)量阻抗會(huì)移動(dòng)至動(dòng)作圓內(nèi)而誤動(dòng)。

圖10 P1、P2距離I段阻抗動(dòng)作圓示意圖

3.2 全系統(tǒng)掃描

采用3.1節(jié)介紹的方法，短路電流程序掃描最嚴(yán)重故障情況下，各個(gè)站點(diǎn)的電壓和支路電流，及所計(jì)算的測(cè)量阻抗如表2所示。

綜合分析可得，距離I段保護(hù)受串補(bǔ)電容影響的站點(diǎn)范圍如圖11所示。

圖11 受串補(bǔ)電容影響的范圍圖

圖11中曲線內(nèi)的站點(diǎn)均受串聯(lián)補(bǔ)償電容的影響，需要配置專門適用串聯(lián)補(bǔ)償電容的串補(bǔ)型線路保護(hù)或在運(yùn)行中退出相應(yīng)距離保護(hù)元件，以避免串聯(lián)補(bǔ)償電容對(duì)距離保護(hù)造成的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

4 結(jié)論

本文分別分析了串補(bǔ)電容對(duì)串補(bǔ)本線路和相鄰線路距離保護(hù)的影響，進(jìn)而提出了基于短路電流計(jì)算界定保護(hù)受串補(bǔ)電容影響范圍的工程方法，該方法能夠較準(zhǔn)確地確定受影響的距離保護(hù)，進(jìn)而為需要配置串補(bǔ)型保護(hù)的站點(diǎn)提供指導(dǎo)性意見；同時(shí)，本文通過部分站點(diǎn)阻抗的理論分析和仿真計(jì)算的結(jié)果相對(duì)比，通過對(duì)比分析應(yīng)證了仿真方法的正確性。

表2 BPA仿真軟件按文章仿真方法計(jì)算出各點(diǎn)電壓及各支路電流

續(xù)表2

線路線路首端電壓線路電流(首端流向末端)線路首端測(cè)量阻抗線路阻抗 首端末端幅值相角幅值相角電阻電抗電阻電抗 DE1.549 2-137.4699.813 6122.705-0.003 00.017 10.000 70.012 7 NS0.651 5-122.6813.138 4120.894-0.010 20.020 40.000 20.003 9 NM0.651 5-122.6812.304 5133.927-0.007 20.030 30.000 10.003 1 NO0.651 5-122.6816.917 6-51.9040.003 4-0.009 80.000 20.004 1 UT0.312 6-61.4831.937 2105.488-0.017 3-0.004 00.000 30.004 6 SN0.556 6-117.0443.160 7-58.8830.010 2-0.016 50.000 20.003 9 LK0.556 6-120.2796.457129.951-0.003 20.008 90.000 20.004 1 LI0.556 6-120.2794.850 3122.76-0.005 70.011 30.000 20.005 2 LM0.556 6-120.2790.895 3-40.6370.012 3-0.067 30.000 20.004 1 LD0.556 6-120.27911.022-53.860.002 2-0.005 10.000 50.010 3 MN0.588 7-121.0172.328 1-45.9260.007 2-0.026 90.000 10.003 1 ML0.588 7-121.0170.865 8139.02-0.012 90.073 70.000 20.004 1 RO0.382 7-89.7377.635 3-57.6360.004 7-0.002 90.000 50.009 3 RT0.382 7-89.7376.931 6121.557-0.005 20.003 20.000 20.004 1 VK0.299 1-71.0145.162-71.5240.006 40.000 10.000 20.004 1 VU0.299 1-71.0141.327 5102.829-0.024 6-0.002 70.000 20.004 1 VW0.299 1-71.0140.934 2119.057-0.034 70.006 20.000 10.001 5 VX0.299 1-71.0142.898 5108.057-0.011 3-0.000 20.000 40.008 WV0.298-68.6360.935 1-60.5910.034 7-0.004 90.000 10.001 5 KI0.346 1-104.7771.648 413.882-0.011 1-0.020 30.000 10.002 KL0.346 1-104.7776.478 1-49.9590.0034-0.004 80.000 20.004 1 KV0.346 1-104.7775.157 1108.305-0.006 20.004 00.000 20.004 1 IK0.372 5-102.8021.640 1-165.9670.011 30.022 30.000 10.002 IH0.372 5-102.8020.666 9-8.363-0.004 8-0.061 30.000 40.005 1 IL0.372 5-102.8024.875 3-57.0430.005 9-0.006 00.000 20.005 2 IJ0.372 5-102.8024.757 5108.598-0.007 40.004 50.000 70.010 2 HI0.403-102.80.642 9171.8030.005 50.068 70.000 40.005 1 HE0.403-102.81.107 4-27.9390.010 5-0.038 60.000 70.010 2 XV0.375 6-36.8832.887 2-71.3130.011 80.008 10.000 40.008 QO0.842 8-127.5474.248 3-55.3360.006 7-0.020 80.000 10.001 5 YT0.724 70.1985.536 4-57.3390.007 70.012 10.000 90.011 JI0.426 4-35.7654.754 3-70.9070.008 10.005 70.000 70.010 2 EH0.499 1-106.6451.053 1151.377-0.010 80.051 00.000 70.010 2 EF0.499 1-106.6454.281106.817-0.010 70.007 10.000 90.015 5 ED0.499 1-106.6459.968-57.020.003 6-0.004 20.000 70.012 7 EG0.499 1-106.6453.677 3128.615-0.008 50.012 30.000 10.002 GE0.447 9-101.413.684 7-51.2980.008 6-0.010 30.000 10.002

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ZHENG Tao, GAO Chao, ZHAO Ping. A fault location scheme of UHV series compensated line based on one-terminal information[J]. Journal of North China Electric Power University, 2014, 41(1): 60-65.

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(編輯 姜新麗)

Simulation method of defining the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor

LIU Yi, LIU Hanwei, MEI Tao

(Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Power Engineering Consulting Group, Chengdu 610021, China)

There are many papers researching on series capacitor’s effect on distance protection in recent years, but few papers researching on the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor. This paper firstly analyzes the effect of series compensation capacitor to distance protection, secondly presents a simulation method of defining the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor based on the short circuit current protection. The validity of the simulation method is proved by comparatively analyzing the result of theoretical calculation and simulation calculation. At last, taking a specific engineering as an example, the paper defines the area in which the distance protection affected by the series compensation capacitor by using the simulation.

series compensation capacitor; short circuit current; distance protection; simulation method

10.7667/PSPC150794

2015-05-12；

2015-08-26

劉 毅(1985-)，男，通信作者，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制；E-mail：laya1226@163.com

劉漢偉(1964-)，男，教授高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制；

梅 濤(1970-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制。