CN105119270A - 规模风电接入对纵联方向保护影响的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，主要包括：对故障分量方向元件进行分析；基于故障分量方向的分析结果，建立基于故障分量方向的元件分类；根据基于故障分类方向的元件分类，进行系统故障相位误差分析；根据系统故障相位误差分析结果，进行故障分量方向元件的适用条件分析；基于故障分量方向元件的适用条件分析结果，建立仿真模型，进行仿真验证。本发明所述大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，可以克服现有技术中电网波动大、故障率高和安全性差等缺陷，以实现电网波动小、故障率低和安全性好的优点。

Description

规模风电接入对纵联方向保护影响的分析方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体地，涉及大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的分析方法。

背景技术

我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型风电基地多数位于“三北地区”(西北、东北、华北)，大型风电基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。由于风资源的间歇性、随机性和波动性，导致大规模风电基地的风电出力会随之发生较大范围的波动，进一步导致输电网络充电功率的波动，给电网运行安全带来一系列问题。

截至2013年11月，甘肃电网并网风电装机容量已达到668万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的21％，成为仅次于火电的第二大主力电源。随着风电并网规模的不断提高、750kV超高压交流外送线路的投产以及酒泉-湖南±800kV特高压直流外送线路的批复，甘肃酒泉千万千瓦级风电基地将开创大规模、高集中、远距离、超高压交流与特高压直流联合输送的新能源发展模式。由于大规模风电的波动性，风电系统中引入大量电力电子器件，使得故障时暂态过程更加复杂，这使得继电保护系统所面临的故障特征发生了显著变化。甘肃河西750kV电网作为风电外送通道，除电源具有波动性特征外，由于要采用±800kV特高压直流输电技术，其还具有交直流混联电网的特征，特高压直流输电引入的电力电子装置使得电网输电线路故障暂态过程更为复杂，持续时间更长，谐波含量丰富，将对继电保护带来不可忽略的影响。因此需要对大规模风电接入的交直流混联电网继电保护问题进行深入分析研究，尤其需要研究各电压等级的输电线路的保护配置方案，保障电网安全稳定运行。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在大规模风电接入交直流混联系统时导致纵联方向保护误动作率提高的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，以实现电网波动小、故障率低和安全性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，主要包括：

a、对故障分量方向元件进行分析；

b、基于故障分量方向的分析结果，建立基于故障分量方向的元件分类；

c、根据基于故障分类方向的元件分类，进行系统故障相位误差分析；

d、根据系统故障相位误差分析结果，进行故障分量方向元件的适用条件分析；

e、基于故障分量方向元件的适用条件分析结果，建立仿真模型，进行仿真验证。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

当故障分量方向元件中正序方向元件在正方向发生故障时，有 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1=-Z_{M1};$ 在反方向发生故障时，有 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_1/\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_1=Z_{L1}+Z_{N1};$

Z_M1,2,0、Z_N1,2,0分别为线路M侧和N侧的系统阻抗，Z_L1,2,0为线路内部全长的阻抗值，下标1、2、0分别对应于正、负、零序。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

基于故障分量的方向元件可分类如下，其中下标g表示故障分量，下标1,2,0分别表示正序、负序、零序分量，表示正序故障分量：

(1)正序故障分量方向元件：

(2)负序方向元件：

(3)零序方向元件：

(4)突变量相方向元件：φ＝A,B,C；

(5)突变量相差方向元件：φφ＝AB,BC,CA；

将上述5类方向元件分别以方向元件(1)到方向元件(5)表示，其中前3种为基于序分量的故障分量方向元件，后2种为基于相量故障分量的方向元件。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析，采用对称分量法，由对称分量法得到：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{Ag}=S_{\lg }+S_{2g}+S_{0g}\\ S_{Bg}=a^2{S}_{\lg }+{\mathrm{aS}}_{2g}+S_{0g}\\ S_{Cg}={\mathrm{aS}}_{1g}+a^2{S}_{2g}+S_{0g}\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式(1)中，S代表或下标g代表故障分量或变化量，1、2、0表示正序、负序、零序。

进一步地，所述对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析的操作，具体包括：

(1)当Z₁＝Z₂时方向元件的相位特性

由于一般交流系统中，可假定正序和负序阻抗相等，因此在正方向故障时有

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }=-{\stackrel{\·}{I}}_{\lg }{Z}_{1m}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{2m}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{1m}\end{array}\right.---\left(2\right);$

将公式(2)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A={\mathrm{\θ}}_B={\mathrm{\θ}}_C=\arg (-Z_{1m})\\ {\mathrm{\θ}}_{AB}={\mathrm{\θ}}_{BC}={\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (-Z_{1m})\\ {\mathrm{\θ}}_1=\arg (-Z_{1m})\end{array}\right.---\left(3\right);$

在反方向故障时有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }={\stackrel{\·}{I}}_{\lg }(Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}={\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{2L}+Z_{2n})={\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{1L}+Z_{1n})\end{array}\right.---\left(4\right);$

将公式(4)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A={\mathrm{\θ}}_B={\mathrm{\θ}}_C=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\mathrm{\θ}}_{AB}={\mathrm{\θ}}_{BC}={\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\mathrm{\θ}}_1=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\end{array}\right.---\left(5\right);$

由公式(5)得到，当Z₁＝Z₂时，五种方案有相同的相位特性，都能明确区分正、反方向故障；而实际的交直流混联系统中，由于存在逆变器换相失败的原因，使得故障后正序和负序阻抗常常不等，因此有必要考虑Z₁≠Z₂的情况；

(2)当Z₁≠Z₂时方向元件的相位特性

当电力系统中存在Z₁≠Z₂的情况，如发电机的暂态和次暂态的正、负序阻抗不等，换位不完全的线路，交直流混联系统中逆变器故障都会使电力系统中出现正、负序不等的情况；

假定在正方向发生故障，并且Z₂＝Z₁+ΔZ₁于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }=-{\stackrel{\·}{I}}_{\lg }{Z}_{1m}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{2m}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_1)\end{array}\right.---\left(6\right);$

将公式(6)代入方向元件(4)的表达式并用对称分量表达，得到公式(7)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_A)\\ {\mathrm{\θ}}_B=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{a{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_B)\\ {\mathrm{\θ}}_C=\arg (Z_{1m}+\frac{a{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}\mathrm{+a}{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_C)\end{array}\right.---\left(7\right);$

代入方向元件(5)的表达式并用对称分量表达，得到公式(8)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{AB}=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(1+a){\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{AB})\\ {\mathrm{\θ}}_{BC}=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}-{\stackrel{\·}{I}}_{1g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{BC})\\ {\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (Z_{1m}+\frac{(a+1){\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}\mathrm{+(a+1)}{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{CA})\end{array}\right.---\left(8\right);$

在Z₁≠Z₂的条件下，五种方案的相位误差不仅与ΔZ₁的幅值和辐角有关，而且还与故障类型有关。

进一步地，所述对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析的操作，具体还包括：

在Z₁≠Z₂的条件下，下面只做近似的定性分析，以便对五种方向元件进行比较：

(a)两相短路

假定为B、C两相短路，故有 ${\stackrel{\·}{I}}_{1g}\≈-{\stackrel{\·}{I}}_{2g};$ 向元件(4)，由于 ${\mathrm{\ΔZ}}_A=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}}$ 考虑到因此ΔZ_A之值可能很大，因ΔZ_A与Z_1m相角相差不太大，所以一般不会导致非故障相θ_A判断错误，但为了可靠也可以采取防止误动的措施；故障相B、C两相的误差可表示为 ${\mathrm{\ΔZ}}_B=\frac{1}{1-a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_c\≈\frac{1}{1-a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 它们可由实际出现的ΔZ₁来决定；方向元件(5)的相位误差由实际出现的ΔZ₁决定表示为 ${\mathrm{\ΔZ}}_{AB}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(1+a){\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}}\≈\frac{-{\mathrm{\ΔZ}}_1}{a},{\mathrm{\ΔZ}}_{BC}\≈\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 方向元件(1)-(3)的相位关系只由各序阻抗决定，故不会由于Z₁≠Z₂引起相位误差；

(b)两相接地短路

假定B、C两相接地短路，故有0＜K＜1；因此方向元件(4)、(5)的误差情况与B、C两相短路相近，但较小一些；方向元件(1)-(3)无相位误差；

(c)三相短路

系统正常运行时发生三相短路，考虑三相阻抗不完全对称，故考虑到代入相位误差公式可得出ΔZ≠0，因此方向元件(4)和方向元件(5)均将产生相位误差，但其相位误差大约均为的数量级，故误差不大；对于方向元件(1)无相位误差出现；

(d)单相接地短路

假定为A相接地短路，则有方向元件(4)的相位误差可表示为： ${\mathrm{\ΔZ}}_A=\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_B=\frac{1}{a+1}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_C=\frac{a}{a+1}{\mathrm{\ΔZ}}_1;$ 方向元件(5)的相位误差可表示为： ${\mathrm{\ΔZ}}_{AB}=\frac{1}{2+a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_{CA}=\frac{a}{2+a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 由于 ${\mathrm{\ΔZ}}_{BC}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}-{\stackrel{\·}{I}}_{1g}},$ 考虑到故ΔZ_BC之值可能很大，为了避免θ_BC判断错误方向引起方向元件误动，应采取相应措施；方向元件(1)-(3)无相位误差；

由以上分析可知，方向元件(4)、(5)均受系统正、负序阻抗不等的影响，方向元件(1)-(3)在Z₁≠Z₂时不会产生相位误差；还应指出，在以上分析中没有考虑过渡电阻的影响，在有过渡电阻的条件下发生两相接地短路时，和之间的相位不是180°，方向元件(4)和方向元件(5)的相位误差就会增大；

对于以上5种方向元件，若实际系统中正、负序阻抗相等时，五种方向元件具有相同的相位性能，都能明确区分正、反方向阻抗；若实际系统中正、负序阻抗不相等时，方向元件1)～3)是不会产生相位误差的，方向元件4)和方向元件5)将会产生相位误差，其性能必将会受到严重影响。

进一步地，所述步骤d，具体包括：

实际系统中假设各阻抗的阻抗角差不多相等，正方向故障和反方向故障的阻抗角将差180°，方向性很明确；若系统中，各个元件的阻抗角度相差较大时，此时正方向故障和反方向故障时方向将会不明确，就会出现保护误判的问题；严格意义下，故障分量方向元件的适用条件如下：

(1)故障网络中各个元件的各序阻抗角与线路对应的各序阻抗角相等；

(2)对于方向元件4)、5)，保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等。

进一步地，所述步骤e，具体包括：

待测电网750kV双回线路发生单相接地故障，故障点分别在线路首端(k₁点)、中间(k₂点)、末端(k₃点)，分析保护安装处故障序分量方向元件的动作特性，分别进行仿真。

本发明各实施例的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，由于主要包括：对故障分量方向元件进行分析；基于故障分量方向的分析结果，建立基于故障分量方向的元件分类；根据基于故障分类方向的元件分类，进行系统故障相位误差分析；根据系统故障相位误差分析结果，进行故障分量方向元件的适用条件分析；基于故障分量方向元件的适用条件分析结果，建立仿真模型，进行仿真验证；可以克服现有技术中电网波动大、故障率高和安全性差的缺陷，以实现电网波动小、故障率低和安全性好的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1(a)为本发明中内部故障时故障网络图；

图1(b)为本发明中区外背侧发生故障时故障网络图；

图2为本发明中仿真简化模型图；

图3(a)为本发明中正序方向元件动作特性；

图3(b)为本发明中负序方向元件动作特性；

图3(c)为本发明中零序方向元件动作特性；

图4(a)为本发明中正序方向元件动作特性；

图4(b)为本发明中负序方向元件动作特性；

图4(c)为本发明中零序方向元件动作特性；

图5(a)为本发明中正序方向元件动作特性；

图5(b)为本发明中负序方向元件动作特性；

图5(c)为本发明中零序方向元件动作特性；

图6为本发明大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1(a)-图6所示，提供了大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法。该大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，属于大规模风电接入情况下的交直流混联电网输电线路仿真建模技术领域，具体地，涉及一种大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法。

本实施例的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，具体包括以下内容：

1)进行故障分量方向元件基本原理分析：

图1(a)和图1(b)分别为线路内部和外部背侧发生短路故障时的故障网络图，Z_M1,2,0、Z_N1,2,0分别为线路M侧和N侧的系统阻抗，Z_L1,2,0为线路内部全长的阻抗值，下标1、2、0分别对应于正、负、零序。

以正序方向元件为例，正方向发生故障时，有反方向发生故障时，有由此可见，在交流系统中，故障分量中的突变量方向元件不受负荷状态影响，不受过渡电阻的影响，故障分量的电压、电流间的相角由线路前后的系统阻抗决定，方向性明确，没有电压死区。这些特点使得突变量方向元件在电力系统中广泛使用并成为构成方向纵联保护的主要元件。

2)建立基于故障分量方向的元件分类

现有基于故障分量的方向元件可分类如下，其中下标g表示故障分量，下标1,2,0分别表示正序，负序，零序分量，如表示正序故障分量：

(1)正序故障分量方向元件：

(2)负序方向元件：

(3)零序方向元件：

(4)突变量相方向元件：φ＝A,B,C；

(5)突变量相差方向元件：φφ＝AB,BC,CA。

为便于说明起见，将上述5类方向元件分别以方向元件(1)到方向元件(5)表示。其中前3种为基于序分量的故障分量方向元件，后2种为基于相量故障分量的方向元件。目前南瑞相关产品中，方向元件原理主要采用方向元件(3)，而在南自和四方的相关产品中方向元件原理普遍采用方向元件(4)。这两种方向元件由于受到正负序阻抗相等的约束，在交直流混联系统中性能会受到一定影响。随着突变量方向元件的发展，为提高不对称故障的灵敏度南瑞提出了基于方向元件(1)和方向元件(2)的组合下的新型方向元件。

根据构成原理，方向元件(1)基于正序故障分量，而正序故障分量在各类故障下都存在，其中包括各种类型故障的信息。因此，基于正序故障分量的方向元件不需要选出故障相就能在各种短路故障下可靠动作。方向元件(2)与方向元件(3)分别由负序和零序分量构成，原理上也有方向元件(4)的优点，不需要选相元件。然而，它们各有不足之处，方向元件(3)只有在含有接地故障类型下才能有效应用；方向元件(2)比方向元件(3)较好，它能反应除三相对称性短路以外的所有类型的短路故障。因此，原理上就决定了方向元件(2)和方向元件(3)不能在主保护中单独使用。

方向元件(4)与方向元件(5)针对不同类型的故障，必须选用对应的电压和电流进行相位比较才能判定故障发生的方向。使用(4)、(5)方向元件必须依靠选相元件才能可靠动作，方向元件的判断只有在选出故障相别后才能进行。由此引发两个问题，一是选相元件的接入不可避免的要降低方向比较式纵联保护的可靠性；其二是由于选相元件与方向元件必须串联动作，因而增大了保护的整体动作时间。

这里，方向元件(1)～(3)，不需要选相元件的配合即可单独使用。其中方向元件(1)基于正序故障分量，可以反映所有的故障类型。方向元件(2)基于负序分量，除了三相对称性故障外其余故障类型下都能有效应用。方向元件(3)基于零序分量，只有在接地故障类型下才能有效应用。方向元件(4)、(5)则需要与选相元件配合使用。

3)进行系统故障相位误差分析

方向元件的性能决定于所用电压、电流之间的相位关系，相位误差越小，方向性就越明确。为了对上述五种方案的相位误差进行分析，采用对称分量法，由对称分量法可知：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{Ag}=S_{\lg }+S_{2g}+S_{0g}\\ S_{Bg}=a^2{S}_{\lg }+{\mathrm{aS}}_{2g}+S_{0g}\\ S_{Cg}={\mathrm{aS}}_{1g}+a^2{S}_{2g}+S_{0g}\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式(1)中，S代表或下标g代表故障分量或变化量，1、2、0表示正序、负序、零序。

(1)当Z₁＝Z₂时方向元件的相位特性

由于一般交流系统中，可假定正序和负序阻抗相等，因此在正方向故障时有

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }=-{\stackrel{\·}{I}}_{\lg }{Z}_{1m}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{2m}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{1m}\end{array}\right.---\left(2\right);$

将公式(2)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A={\mathrm{\θ}}_B={\mathrm{\θ}}_C=\arg (-Z_{1m})\\ {\mathrm{\θ}}_{AB}={\mathrm{\θ}}_{BC}={\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (-Z_{1m})\\ {\mathrm{\θ}}_1=\arg (-Z_{1m})\end{array}\right.---\left(3\right);$

在反方向故障时有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }={\stackrel{\·}{I}}_{\lg }(Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}={\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{2L}+Z_{2n})={\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{1L}+Z_{1n})\end{array}\right.---\left(4\right);$

将公式(4)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A={\mathrm{\θ}}_B={\mathrm{\θ}}_C=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\mathrm{\θ}}_{AB}={\mathrm{\θ}}_{BC}={\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\\ {\mathrm{\θ}}_1=\arg (Z_{1L}+Z_{1n})\end{array}\right.---\left(5\right);$

由公式(5)可见，当Z₁＝Z₂时，五种方案有相同的相位特性，都能明确区分正、反方向故障。而实际的交直流混联系统中，由于逆变器换相失败等原因，使得故障后正序和负序阻抗常常不等，因此有必要考虑Z₁≠Z₂的情况。

(2)当Z₁≠Z₂时方向元件的相位特性

当电力系统中存在Z₁≠Z₂的情况，如发电机的暂态和次暂态的正、负序阻抗不等，换位不完全的线路，交直流混联系统中逆变器故障都会使电力系统中出现正、负序不等的情况。

假定在正方向发生故障，并且Z₂＝Z₁+ΔZ₁于是有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\lg }=-{\stackrel{\·}{I}}_{\lg }{Z}_{1m}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2g}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{Z}_{2m}=-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}(Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_1)\end{array}\right.---\left(6\right);$

将公式(6)代入方向元件(4)的表达式并用对称分量表达，可得公式(7)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_A=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_A)\\ {\mathrm{\θ}}_B=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{a{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_B)\\ {\mathrm{\θ}}_C=\arg (Z_{1m}+\frac{a{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}\mathrm{+a}{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_C)\end{array}\right.---\left(7\right);$

代入方向元件(5)的表达式并用对称分量表达，可得公式(8)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{AB}=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(1+a){\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{AB})\\ {\mathrm{\θ}}_{BC}=\arg (Z_{1m}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}-{\stackrel{\·}{I}}_{1g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{BC})\\ {\mathrm{\θ}}_{CA}=\arg (Z_{1m}+\frac{(a+1){\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}\mathrm{+(a+1)}{\stackrel{\·}{I}}_{2g}})=\arg (Z_{1m}+{\mathrm{\ΔZ}}_{CA})\end{array}\right.---\left(8\right);$

在Z₁≠Z₂的条件下，五种方案的相位误差不仅与ΔZ₁的幅值和辐角有关，而且还与故障类型有关，因此下面只做近似的定性分析，以便对五种方向元件进行比较：

(a)两相短路

假定为B、C两相短路，故有 ${\stackrel{\·}{I}}_{1g}\≈-{\stackrel{\·}{I}}_{2g}.$ 方向元件(4)，由于 ${\mathrm{\ΔZ}}_A=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}}$ 考虑到因此ΔZ_A之值可能很大，因ΔZ_A与Z_1m相角相差不太大，所以一般不会导致非故障相θ_A判断错误，但为了可靠也可以采取防止误动的措施。故障相B、C两相的误差可表示为 ${\mathrm{\ΔZ}}_B=\frac{1}{1-a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_c\≈\frac{1}{1-a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 它们可由实际出现的ΔZ₁来决定。方向元件(5)的相位误差由实际出现的ΔZ₁决定表示为 ${\mathrm{\ΔZ}}_{AB}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{(1+a){\stackrel{\·}{I}}_{1g}+{\stackrel{\·}{I}}_{2g}}\≈\frac{-{\mathrm{\ΔZ}}_1}{a},{\mathrm{\ΔZ}}_{BC}\≈\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 方向元件(1)-(3)的相位关系只由各序阻抗决定，故不会由于Z₁≠Z₂引起相位误差。

(b)两相接地短路

假定B、C两相接地短路，故有0＜K＜1。因此方向元件(4)、(5)的误差情况与B、C两相短路相近，但较小一些。方向元件(1)-(3)无相位误差。

(c)三相短路

系统正常运行时发生三相短路。考虑三相阻抗不完全对称，故考虑到代入相位误差公式可得出ΔZ≠0，因此方向元件(4)和方向元件(5)均将产生相位误差，但其相位误差大约均为的数量级，故误差不大。对于方向元件(1)无相位误差出现。

(d)单相接地短路

假定为A相接地短路，则有方向元件(4)的相位误差可表示为： ${\mathrm{\ΔZ}}_A=\frac{1}{2}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_B=\frac{1}{a+1}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_C=\frac{a}{a+1}{\mathrm{\ΔZ}}_1.$ 方向元件(5)的相位误差可表示为： ${\mathrm{\ΔZ}}_{AB}=\frac{1}{2+a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,{\mathrm{\ΔZ}}_{CA}=\frac{a}{2+a}{\mathrm{\ΔZ}}_1,$ 由于 ${\mathrm{\ΔZ}}_{BC}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}{\mathrm{\ΔZ}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_{2g}-{\stackrel{\·}{I}}_{1g}},$ 考虑到故ΔZ_BC之值可能很大，为了避免θ_BC判断错误方向引起方向元件误动，应采取相应措施。方向元件(1)-(3)无相位误差。

由以上分析可知，方向元件(4)、(5)均受系统正、负序阻抗不等的影响。方向元件(1)-(3)在Z₁≠Z₂时不会产生相位误差。还应指出，在以上分析中没有考虑过渡电阻的影响，在有过渡电阻的条件下发生两相接地短路时，和之间的相位不是180°，方向元件(4)和方向元件(5)的相位误差就会增大。以上分析可以看出，反应正序故障分量的方向元件较为理想。对于以上5种方向元件，若实际系统中正、负序阻抗相等时，五种方向元件具有相同的相位性能，都能明确区分正、反方向阻抗。若实际系统中正、负序阻抗不相等时，方向元件1)～3)是不会产生相位误差的，方向元件4)和方向元件5)将会产生相位误差，其性能必将会受到严重影响。

4)进行故障分量方向元件的适用条件分析

由上述分析可知，另外实际系统中假设各阻抗的阻抗角差不多相等，都在线路阻抗角的附近，在此基础上，正方向故障和反方向故障的阻抗角将差180°，方向性很明确。若系统中，各个元件的阻抗角度相差较大时，此时正方向故障和反方向故障时方向将会不明确，就会出现保护误判的问题。

可见，严格意义下，故障分量方向元件的适用条件如下：

(1)故障网络中各个元件的各序阻抗角与线路对应的各序阻抗角相等。以突变量正序方向元件为例，即要求保护安装处背侧系统的正序阻抗角与线路的正序阻抗角相等。

(2)对于方向元件4)、5)，保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等。

纯交流系统中，以上适用条件大都是满足的，因此故障分量方向元件性能稳定，得到了业界的一致好评。然而在交直流混联系统中，由于直流系统等效交流阻抗的阻抗角与线路阻抗角相差较大，其正、负序阻抗也不相等等因素，因此有必要对其进行深入研究。

5)对模型进行仿真验证

甘肃电网750kV双回线路发生单相接地故障，仿真简化模型如图2所示，故障点分别在线路首端(k₁点)、中间(k₂点)、末端(k₃点)，分析保护安装处故障序分量方向元件的动作特性，仿真结果如下：

1)线路首端发生故障参见图3(a)-图3(c)所示的线路首端发生单相接地故障故障分量元件动作特性；

2)线路中间发生故障参见图4(a)-图4(b)所示的线路中间发生单相接地故障故障分量元件动作特性；

3)线路末端发生故障参见图5(a)-图5(c)所示的线路末端发生单相接地故障故障分量元件动作特性。

综上所述，含有大规模风电接入的交直流输电线路双回线运行时，故障分量的正、负、零序方向元件，不受随机能源接入、交直流混联系统及系统正负序阻抗不相等的影响，性能较为稳定，保护不会误动。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，主要包括：

a、对故障分量方向元件进行分析；

b、基于故障分量方向的分析结果，建立基于故障分量方向的元件分类；

c、根据基于故障分类方向的元件分类，进行系统故障相位误差分析；

d、根据系统故障相位误差分析结果，进行故障分量方向元件的适用条件分析；

e、基于故障分量方向元件的适用条件分析结果，建立仿真模型，进行仿真验证。

2.根据权利要求1所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

当故障分量方向元件中正序方向元件在正方向发生故障时，有在反方向发生故障时，有

Z_M1,2,0、Z_N1,2,0分别为线路M侧和N侧的系统阻抗，Z_L1,2,0为线路内部全长的阻抗值，下标1、2、0分别对应于正、负、零序。

3.根据权利要求2所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

基于故障分量的方向元件可分类如下，其中下标g表示故障分量，下标1,2,0分别表示正序、负序、零序分量，表示正序故障分量：

(1)正序故障分量方向元件：

(2)负序方向元件：

(3)零序方向元件：

(4)突变量相方向元件：φ＝A,B,C；

(5)突变量相差方向元件：φφ＝AB,BC,CA；

将上述5类方向元件分别以方向元件(1)到方向元件(5)表示，其中前3种为基于序分量的故障分量方向元件，后2种为基于相量故障分量的方向元件。

4.根据权利要求3所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析，采用对称分量法，由对称分量法得到：

公式(1)中，S代表或下标g代表故障分量或变化量，1、2、0表示正序、负序、零序。

5.根据权利要求4所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析的操作，具体包括：

(1)当Z₁＝Z₂时方向元件的相位特性

由于一般交流系统中，可假定正序和负序阻抗相等，因此在正方向故障时有

将公式(2)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(3)：

在反方向故障时有：

将公式(4)代入方向元件的表达式并用对称分量表式，可得公式(5)：

由公式(5)得到，当Z₁＝Z₂时，五种方案有相同的相位特性，都能明确区分正、反方向故障；而实际的交直流混联系统中，由于存在逆变器换相失败的原因，使得故障后正序和负序阻抗常常不等，因此有必要考虑Z₁≠Z₂的情况；

(2)当Z₁≠Z₂时方向元件的相位特性

当电力系统中存在Z₁≠Z₂的情况，如发电机的暂态和次暂态的正、负序阻抗不等，换位不完全的线路，交直流混联系统中逆变器故障都会使电力系统中出现正、负序不等的情况；

假定在正方向发生故障，并且Z₂＝Z₁+ΔZ₁于是有：

将公式(6)代入方向元件(4)的表达式并用对称分量表达，得到公式(7)：

代入方向元件(5)的表达式并用对称分量表达，得到公式(8)：

在Z₁≠Z₂的条件下，五种方案的相位误差不仅与ΔZ₁的幅值和辐角有关，而且还与故障类型有关。

6.根据权利要求5所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述对步骤b中五种方向元件的相位误差进行分析的操作，具体还包括：

在Z₁≠Z₂的条件下，下面只做近似的定性分析，以便对五种方向元件进行比较：

(a)两相短路

假定为B、C两相短路，故有向元件(4)，由于考虑到因此ΔZ_A之值可能很大，因ΔZ_A与Z_1m相角相差不太大，所以一般不会导致非故障相θ_A判断错误，但为了可靠也可以采取防止误动的措施；故障相B、C两相的误差可表示为它们可由实际出现的ΔZ₁来决定；方向元件(5)的相位误差由实际出现的ΔZ₁决定表示为 方向元件(1)-(3)的相位关系只由各序阻抗决定，故不会由于Z₁≠Z₂引起相位误差；

(b)两相接地短路

假定B、C两相接地短路，故有0＜K＜1；因此方向元件(4)、(5)的误差情况与B、C两相短路相近，但较小一些；方向元件(1)-(3)无相位误差；

(c)三相短路

系统正常运行时发生三相短路，考虑三相阻抗不完全对称，故考虑到代入相位误差公式可得出ΔZ≠0，因此方向元件(4)和方向元件(5)均将产生相位误差，但其相位误差大约均为的数量级，故误差不大；对于方向元件(1)无相位误差出现；

(d)单相接地短路

假定为A相接地短路，则有方向元件(4)的相位误差可表示为：方向元件(5)的相位误差可表示为：由于考虑到故ΔZ_BC之值可能很大，为了避免θ_BC判断错误方向引起方向元件误动，应采取相应措施；方向元件(1)-(3)无相位误差；

由以上分析可知，方向元件(4)、(5)均受系统正、负序阻抗不等的影响，方向元件(1)-(3)在Z₁≠Z₂时不会产生相位误差；还应指出，在以上分析中没有考虑过渡电阻的影响，在有过渡电阻的条件下发生两相接地短路时，和之间的相位不是180°，方向元件(4)和方向元件(5)的相位误差就会增大；

对于以上5种方向元件，若实际系统中正、负序阻抗相等时，五种方向元件具有相同的相位性能，都能明确区分正、反方向阻抗；若实际系统中正、负序阻抗不相等时，方向元件1)～3)是不会产生相位误差的，方向元件4)和方向元件5)将会产生相位误差，其性能必将会受到严重影响。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述步骤d，具体包括：

实际系统中假设各阻抗的阻抗角差不多相等，正方向故障和反方向故障的阻抗角将差180°，方向性很明确；若系统中，各个元件的阻抗角度相差较大时，此时正方向故障和反方向故障时方向将会不明确，就会出现保护误判的问题；严格意义下，故障分量方向元件的适用条件如下：

(1)故障网络中各个元件的各序阻抗角与线路对应的各序阻抗角相等；

(2)对于方向元件4)、5)，保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等。

8.根据权利要求7所述的大规模风电接入交直流混联系统对纵联方向保护影响的仿真验证分析方法，其特征在于，所述步骤e，具体包括：

待测电网750kV双回线路发生单相接地故障，故障点分别在线路首端(k₁点)、中间(k₂点)、末端(k₃点)，分析保护安装处故障序分量方向元件的动作特性，分别进行仿真。