超高压线路故障行波定位及高压变频技术研究

随着我国电力事业的发展,各大区电网基本形成以500kV为骨干的超高压输电网络。超高压输电线路距离长,穿山越岭,工作环境极为恶劣,是电力系统中发生故障最多的地方,故障点难以查找。因此,在线路故障后迅速准确找到故障点,不仅对及时修复线路和快速恢复供电,而且对整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。鉴于超高压输电线路在电力系统中的重要地位,架空送电线路运行规程明确规定“220KV及以上架空送电线路必须装设线路故障测距装置”。和常规故障定位相比,故障行波定位利用高频暂态行波,不易受过渡电阻、短路类型、线路结构、CT饱和影响,定位精度较高,但实用中主要以电流行波为主,易受噪声干扰的影响,定位精度难以保证。电压行波突变幅值大,不易受噪声干扰影响,且电力系统故障多发生在电压峰值附近,有利于电压行波的检测。此外,利用母线电压行波,方便建立基于整个输电网的故障行波定位系统,可以充分利用信息冗余,实现基于信息融合的精确行波定位。但由于分析手段和认识的局限性,目前普遍认为电容式电压互感器(CVT)不能胜任故障行波定位,因此,如果能在现有CVT基础上提取电压行波畸变点用于故障行波定位和保护,则不需要改变一次设备和添加额外传感器,无疑具有较大的工程实用价值。 本文在分析原有基于GPS同步高速采集试验装置记录的故障电压基础上,建立了CVT高频等值模型,模型中考虑了CVT中间变压一二次绕组之间的杂散电容,使得对CVT高频行波的传变研究更符合实际情况。文中针对CVT二次电压对应于故障初始行波的振荡畸变点,提出了基于小波变换模之和(WTMS)的初始行波检测方法,并通过仿真分析和实测数据验证,进而提出了采用CVT二次电压用于故障行波定位的思想。论证了阻波器本质上不影响故障行波的定位精度,本文同时还研究了采用母线CVT和行波传感器相结合实现基于整个电网的故障行波综合定位,提高了故障定位的可靠性和精度。 论文采用小波变换模极大值方法,在几十kHz小波分解尺度上,准确得到初始电压行波极性,进而提出了基于CVT二次电压的行波方向保护实现方法,以行波极性比较式方向保护为例,经仿真分析和多次实测故障数据验证,采用CVT二次电压实 现行波极性比较式方向保护,能正确判别故障方向,具有可行性。 基于单端量的行波保护具有不需要通信通道和两端数据同步等优点,论文提出了基于阻波带高低频段暂态行波能量比实现区内外故障判别的快速行波保护原理。基本思想是考虑阻波器的影响,故障电压初始行波在区内外故障时小波能量是不一样的。该保护原理只利用单端初始电压行波,线路出口故障更灵敏,通过修改定值,能适应不同的母线结构,经分析和仿真验证,是一种有效的无通道快速行波保护算法。 在原有高速采集试验装置基础上,从工程实用角度出发,介绍了新型综合故障行波定位系统及行波保护元件设计思想,该系统综合采用行波传感器和CVT二次电压获取故障初始电压行波,并结合常规定位系统,提高整个装置在不同故障情况下的适应能力,并就其中较为关键的行波传感器设计、行波硬件极性检测原理、大容量高速采集系统和高精度GPS时钟的实现进行了介绍,力争实现较为完备的行波故障定位和行波保护元件综合软、硬件平台。 随着电力电子技术的发展、国家政策导向和国内高压变频市场需求的增加,高压变频调速技术成为高校、科研院所涉足的热点,本文第二部分在这一背景下,力争对高压变频的实现做一些基础应用研究。 论文在对高压变频器实现原理和控制策略分析的基础上,建立了级联型高压变频调速系统的仿真模型,包括输入隔离变压器、级联型主电路模型和矢量控制系统。在此基础上,对级联型高压变频调速系统的共模电压、输入输出谐波以及死区补偿等问题进行了分析,并提出了一种基于功率单元异相调制和三次谐波注入的消除共模电压的PWM控制策略。从工程实用的角度,论文还提出了基本的设计思路和功能实现框图。文中针对专用PWM芯片难于实现多路同步PWM脉冲信号的难点,采用可编程逻辑器件FPGA,实现了载波移相多路PWM发生器,大大简化了控制系统的设计,提高了控制系统可靠性。 论文最后对上述研究成果进行了总结,并提出了进一步研究的方向。