基于cc继电保护系统的数字仿真系统

基于cc继电保护系统的数字仿真系统

0运行性能分析为了协助中国“东向西”项目的发展，以及中国长期以来未披露的低运输能力的问题，近年来进行了国内对sdc的研究。然而，从研究领域的角度来看，主要集中在振动电阻系统的操作效率、控制策略、稳定分析、暂时分析、轴系振动、隔离合作和过载保护、数字模拟和动模型建设上。当serge扩展到能源系统时，尤其是二次系统（尤其是二次系统）的操作性能分析不足，因此需要进行进一步的工作。超高压系统故障暂态过程的复杂性以及TCSC控制系统的多模式,使得对其继电保护的性能分析较之传统的保护复杂得多。本文以此为对象,首先阐述了TCSC的应用对继电保护系统可能造成的影响,指出在保护分析中需要考虑的相关因素,并在此基础上,讨论了如何建立基于TCSC的继电保护数字仿真系统。1非小气候保护的影响因素1.1tsc系统故障时的控制在分析TCSC的运行对继电保护系统的影响之前,有必要对TCSC的基本结构及其运行模式,尤其是其在故障过程中的调节方式做一简单介绍。TCSC的基本结构如图1所示,主要由4个部分组成:串联补偿电容器C、旁路电感器L、双向晶闸管SCR以及氧化锌限压器MOV。电容器C的容量大小决定了TCSC的基本补偿度,其耐受电流/电压的能力与晶闸管触发角的限制共同决定了TCSC的容性运行区范围;旁路电感器L主要用于故障期间降低短路电流,减小MOV所吸收的能量;双向晶闸管用于改变TCSC的等效阻抗,以满足系统在各种运行条件下的要求(如提高稳定性、增加输送能力、抑制次同步谐振等);在系统短路时线路电流增加,MOV的作用是在系统短路线路电流增加的情况下,为TCSC提供过电压保护。TCSC的控制结构共有3层,即底层控制、中层控制与上层控制。底层控制接受中层控制的命令,实现对电力电子元件的直接控制,如对晶闸管的触发控制;中层控制是根据系统控制的要求及系统的一些变量给出所需的可控串补阻抗;上层控制是根据系统要求提供系统命令,如潮流控制、暂态稳定控制、阻尼功率摇摆等。从继电保护研究的角度来说,TCSC在系统故障时的控制行为是影响保护动作性能的关键因素,故下文将重点介绍TCSC在系统故障时的控制行为。图2是TCSC常规控制器框图,它是常规bang—bang控制与PID控制的结合,主要由阻尼振荡控制环节、暂态稳定控制环节和由电容器短时过载能力与MOV过电压保护回路构成的调节范围限制回路几部分组成。阻尼振荡控制环节采用类似PSS的相位控制回路,其开环控制由惯性环节(延时环节)、比例积分微分环节和超前滞后网络构成,通过向系统提供附加的正阻尼转矩(由附加阻抗ΔXC实现)来抑制系统振荡;暂态稳定控制环节以故障线路开关跳闸为控制信号,在故障消失后提供强行补偿功能,并维持一定的时间,以缩短互联系统之间的电气距离,保持系统暂态稳定。容抗限制环节代表串补电容器的MOV过电压保护,其允许的XTCSCmax随电流的变化而改变,电流增大时,XTCSCmax减小,电流减小时,XTCSCmax增大。限制可控串补容抗调节范围的另一个因素是电容器的短时过载能力,由图2中所示的保护环节代表,其中Kp为系数,其大小由电容器的允许最大连续工作时间决定,I为线路电流,IN为电容器额定工作电流,y为保护曲线指数。控制系统在从故障发生到故障切除、最后到系统稳定的整个过程中,控制策略一般如下:故障前,TCSC正常执行系统要求的控制命令,一般为潮流控制。从故障发生到故障切除期间,TCSC的动作需依据短路电流的大小以及MOV的保护水平和通流容量而定,通常的控制是当线路上的短路电流越限、氧化锌限压器MOV过流或MOV上的累积能量过限时,TCSC控制器动作使晶闸管触发角α=90°,即TCSC由微调方式(vernier)迅速转到旁路方式(bypass),以便将串联电容器短接,同时减轻MOV的负担。需要指出的是,由于目前的TCSC模块一般按相配置,且存在单模块、多模块以及与固定串补共用等几种模式,其bypass的方式不尽相同。以GE公司的多模块TCSC为例,当线路过流时,其控制系统对称地将三相TCSC旁路,直到线路电流返回允许值同时延时一段时间,TCSC才重新投入。当MOV过流时,控制系统仅仅将受影响相的TCSC旁路,直到电流恢复正常才重新工作。当氧化锌限压器MOV发现累积能量超标时,控制系统同样将受影响相的TCSC触发旁路,不同的是其触发后要根据MOV的温度决定其是否复位,而这个时间远远超过上面两种情况重新投入的时间。当故障切除后,TCSC转入暂态稳定控制环节,保证系统暂态稳定;当系统的暂态稳定得到保证,系统处于振荡期间,TCSC的控制转入阻尼系统摇摆的控制环节,即通过实时改变TCSC的等效阻抗来提供附加的系统正阻尼,以尽快抑制系统在故障后引起的低频振荡。从以上分析可知,TCSC的继电保护系统与传统保护相比,其在故障过程中的动作行为要复杂得多。为在运行中保证TCSC本体在故障期间不损坏,实际运行的TCSC配置了电容器不平衡保护、电容器过载保护、电抗器过流保护、氧化锌能量保护、晶闸管过流保护与旁路断路器失灵保护等保护系统,这些保护本身就构成了一个新型元件保护,其实现策略以及动作行为将对相关线路保护产生影响。对于安装了TCSC的线路保护,由于受串联电容器以及调节过程和TCSC本体保护的影响,其动作情况也有较大变化(具体分析见1.2节)。为此,有必要建立详细的数字仿真系统进行系统研究。1.2控制策略不健全从前面所阐述的TCSC基本结构和故障期间的控制策略来看,TCSC对继电保护的影响应主要体现在以下几个方面:a.系统状态量的改变对继电保护动作特性的影响。与固定串补一样,TCSC由于含有串联电容器,使得系统在发生故障时,引入到继电保护中的电压和电流的大小、相位将与TCSC的安装位置、补偿度大小以及MOV的保护水平密切相关,由此引起的电压反向、负值电抗将直接影响距离元件、功率方向元件的动作特性和保护区范围的大小。更为特殊的是,由于TCSC的等效电抗可随晶闸管触发角的变化而在一个较大的范围内改变(如我国在伊—冯线TCSC引进论证中设计调节范围为-5.6Ω～80.25Ω,容性区域调节范围为1.0～3.0(标幺值),补偿度调节范围为25%～75%,从而导致这种不确定因素更加明显。b.TCSC控制策略对继电保护的影响。如前所述,TCSC在系统故障以及开关跳闸期间将执行一系列的控制策略,以提供电容器过电压保护、暂态稳定控制和阻尼功率摇摆等功能。同时,其对一次系统的控制又是多种多样的(如在电容器过电压保护中,可bypass一相,也可三相全部导通),这些控制策略,将在一次系统上形成复杂的暂态过程和严重的不平衡,对继电保护的动作特性将造成较大的影响。c.系统谐波对继电保护的影响。TCSC中晶闸管的调节以及MOV元件的引入,导致系统谐波的加大。研究表明,在TCSC稳态调节中,其本体的电流、电压波形含有较大的谐波量;在暂态控制中,由于要涉及到MOV元件的作用以及本体保护的保护性旁路,谐波分量将更大。另一方面,由于串联电容器的引入,线路在发生故障时串补电容器两端电压不能突变,当串补电容器容抗小于系统感抗时,将产生振荡衰减的低频分量;同时,引入串补的电力系统在特殊情况下会产生次同步谐振。所有这些因素引起的低频分量,都将影响相关的线路保护的动作特性。d.其他相关影响主要有以下几点:潜供电流增大影响保护重合闸。在线路内部发生单相故障、断路器跳闸后,若串补电容器始终未被旁路,则跳闸后潜供电流暂态分量在相当长一段时间内保持较大值,有可能造成重合闸困难。需要延长重合闸时间,或采取线路跳闸发控制命令击穿保护间隙的措施。串补电容器旁路断路器拒合对保护的影响。当串补电容器内部故障,旁路断路器拒合时,需要由串补站向线路两侧发出控制命令,使线路断路器跳闸,为此,保护需要增设对应功能。串补电容器的引入对信号通道的影响。由前所述,由于增设了线路中间的串补站,且保护与串补站之间在动作上需要通信与配合,因而在远方信号通道的设置上和通道延时的标准上要重点考虑。通道设置上需要增加相关的远方跳闸信号通道和远方控制信号通道,通道延时上要尽量满足远方命令传输时间与串补电容保护间隙动作时间之和不超过线路断路器跳闸时间,否则,前面所述的依靠保护间隙击穿解决断口过电压的措施将失效。2基于tcc的继电保护仿真模型本文借助国际上通用的ATP(AlternativeTransientProgram)建立基于TCSC的继电保护系统仿真模型,系统地研究TCSC对继电保护的影响。该模型包括以下几个部分。2.1发电机模型的选择为了结合实际,以东北伊—冯线(双回线)为模型建立电气主接线模型。其数字模型系统见图3。模型的输电线路全部采用分布参数模型,其中大兴安岭段由于输电走廊限制,这部分线路为完全换位的同杆架设,故采用六相对称分布模型(分布参数);伊敏电厂装机容量为2200MW(2×600+2×500),将其简化为一台等值机,由于需要考虑低频分量对继电保护的影响,故在发电机模型的选择上采用了六质量块模型;冯屯电站由于背后是黑龙江中西部大系统,故采用无穷大电源;双回线两侧的开关全部采用TACS开关,其闭合用ATP的TACS模块或MODELS程序控制,满足重合闸研究的要求。另一方面,为尽量与实际系统接近,模型中考虑了伊—冯线两端的高压并联电抗器。所有电气参数均参考文献提供的详细数据。2.2晶闸管和吸收电路TCSC模块的仿真模型如图4所示。由于继电保护系统的研究不需要涉及电力电子器件的开断特性和反向放电过程,故用ATP中的TACS控制二极管开关元件模拟晶闸管(Type11)。同时,考虑了晶闸管的吸收电路(snubber)。因为TCSC在电流越限与能量超标时可将TCSC转入bypass模式,保护电容器和减轻MOV元件的负担,故采用了ATP中的非线性电阻模型来模拟MOV的特性,而忽略火花间隙。旁路断路器采用TACS可控开关,串联电容器与旁路电感的大小按文献所给数据而定。2.3控制策略的真实构建基于TCSC的继电保护仿真的重点与难点主要在于TCSC的控制部分。由于主保护在从故障发生到保护动作一般都在30ms以内,属于故障后的暂态或次暂态过程,而TCSC控制系统在此期间的一系列控制行为,又将增加暂态过程的复杂度,基于这种原因,必须尽可能真实地构建TCSC的控制系统模型。由于研究对象是继电保护系统(包括本体保护与相关线路保护),故不需要构造完整的TCSC控制策略,可将重点放在TCSC机电暂态控制策略上。目前工程实用的TCSC大都采用图2所示的控制模型作为暂态控制策略,其控制规律如1.1节所述,这里不再重复;但必须将TCSC本体保护,如MOV保护、电容器过载保护以及电抗器过流保护,以及故障切除后本体保护中的自动重投功能等对保护的影响,均在仿真模型的控制策略中得到体现。整个控制系统采用ATP程序提供的TACS(控制系统暂态分析)和MODELS语言联合实现。2.4网络在线、反馈型保护模块从上述内容可知,对于研究继电保护的行为而言,关心的是系统发生故障—保护跳闸—断路器重合—永跳这一期间的系统内现象,其中应包括区外转区内、单相转相间等转换性故障。为此,保护的仿真模型和电力系统仿真模型间应具有反馈。以往的继电保护仿真研究,大都利用一些暂态计算程序(如EMTP,MATLAB,PSASP等)构造出需要仿真计算的系统模型,离线计算得到相关短路故障数据,再转换成适于继电保护输入的形式输入保护中,以考察继电保护的特性。这种模式的主要缺陷在于其保护动作与否无法影响一次仿真系统,从而也就无法考察保护出口断路器跳闸后的若干暂态过程,如重合闸、永跳和转换性故障等。对于TCSC的继电保护研究而言,这部分的研究十分重要,必须建立与一次系统融合的继电保护模块,以模拟真实的继电保护动作过程。ATP程序中的MODELS语言为建立这种在线、反馈型保护模块提供了接口,由于其TACS控制的开关元件的闭合可由MODELS的输出控制,用户可完全按照实际继电保护装置的工作模式从系统取得电流、电压量,送入到由MODELS语言编写的保护模块中,其输出又可以直接控制一次系统的开关,故可实现真正意义上的在线、反馈仿真。其控制模式如图5所示。为模拟实际的工程情况,继电保护模块的输出还可以直接控制TCSC模块中的晶闸管(也是TACS控制的开关器件的一种),以仿真为解决断口电压超标和重合闸困难(潜供电流大且延时时间长)等的过程。3主、副线路间继电保护动作特性综上所述,对基于TCSC的继电保护系统的全面仿真研究,需要涉及到以下几个方面:a.常规的系统瞬时性故障仿真。包括单相接地、两相相间和接地、三相故障,并考虑短路过渡电阻同时能设定两侧电势间的角度和故障发生时刻,以考察继电保护第1次跳闸的动作特性。其受TCSC的影响主要在于bypass过程和整定区大小的变化。b.常规的系统永久性单相接地故障。包括各种过渡电阻情况下单相永久性接地故障。主要考察非全相运行时在TCSC控制下的继电保护动作特性以及重合闸后的动作行为。c.TCSC不同安装位置对继电保护的影响。与固定串补类似,应考虑各种安装位置,如安装在线路的一侧、安装在输电线路中间和安装在两母线之间(变电站为双母线方式)。不同的位置对继电保护的影响是不一样的。d.TCSC对不同元件的影响。目前输电线路的保护类型多种多样,主要有距离元件、方向元件、工频突变量方向与距离以及差动元件。它们的组合构成了目前超高压线路保护的主体,如主保护多运用分相差动、距离纵联(超范围或欠范围)、方向纵联等,后备保护多为接地距离与相间距离加零序方向,这些现行的继电保护系统,在动作特性上能否满足TCSC输电系统的要求,需要系统分析。本文中提供的在线继电保护模块为这种分析提供了有效手段,只需改换不同的保护判据就可以实现上述目的。4激发线路保护安装放线能力为说明TCSC的使用对继电保护的影响,本节给出一个简单的仿真示例。故障分量方向是目前超高压电网常用的一种方向纵联元件,国外有报道串补电容器