可控串聯(lián)補償(TCSC)對輸電線路繼電保護影響的研究

可控串聯(lián)補償（TCSC）對輸電線路繼電保護影響的研究摘要：可控串聯(lián)補償電容器可以解決系統(tǒng)中的某些穩(wěn)定性問題，可控串聯(lián)補償電容器是實現(xiàn)交流系統(tǒng)靈活輸電的重要組成部分。TCSC裝置的作用是利用可控硅控制觸發(fā)角口的改變對電容器進行旁路、投入或部分的調(diào)節(jié),可令TCSC裝置快捷平滑地調(diào)節(jié)串接于輸電線路中的有效容抗值,以致達到提高系統(tǒng)傳輸能力,靈活控制系統(tǒng)中的潮流,改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等目的。本論文通過分析大電網(wǎng)系統(tǒng)中有的一系列問題,說明了在電網(wǎng)中采用TCSC的必要性,同時也在綜合考慮了TCSC的結(jié)構(gòu)特點、諧波特性及動態(tài)基頻阻抗特性的基礎(chǔ)上,分析了含串補電容補償線路的工作特性,同時著重分析了TCSC對輸電線路繼電保護的影響,其中主要包括TCSC對距離保護的影響。關(guān)鍵詞：可控串補,繼電保護,距離保護,低頻電流分量目錄TOC\o"1-3"\h\u31832摘要 331802Abstract 39396引言 4257491國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 492081.1FACTS技術(shù)及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4102211.2TCSC及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4225631.3TCSC對繼電保護的影響及研究現(xiàn)狀 5194371.4本論文所做的工作 5310342TCSC的結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)分析 6218942.1TCSC的結(jié)構(gòu)特點 6229062.2TCSC的工作原理 6293822.3TCSC的運行模式 7103312.4TCSC的基本特性解析式 8287672.5TCSC的特性 9221382.5.1TCSC的諧波特性 9164872.5.2TCSC的阻抗特性 10270943TCSC的仿真 10174333.1未加入TCSC的簡單單相電力系統(tǒng)模型 10197263.2單相TCSC模型的建立 13226893.3包含單相TCSC電力系統(tǒng)的模型 14147243.4單相電力系統(tǒng)的仿真比較 14264204TCSC對輸電線路繼電保護的影響 1770514.1TCSC對距離保護的影響 17314934.1.1TCSC動態(tài)基頻阻抗對輸電線路距離保護的影響 1723124.1.2TCSC的諧波特性對距離保護的影響 18132764.1.3TCSC對故障分量距離保護的影響 19261664.2TCSC對電流差動保護的影響 23251724.3TCSC對縱聯(lián)保護的影響 24290344.4TCSC對阻抗方向保護的影響 25171584.5TCSC輸電線路對繼電保護的配置要求分析 26302155結(jié)論 26引言1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1FACTS技術(shù)及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如今電力電子元件容量向著大功率和高電壓方向發(fā)展，涌現(xiàn)了一類為契合電力系統(tǒng)向遠距離、大容量輸送電，需要一種對其本身參數(shù)快速控制的設(shè)備一一柔性交流傳輸設(shè)備(FlexibleACTransmissionSystems,簡稱為FACTS)，技術(shù)以電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制理論為基本，具備對交流輸電系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕便快捷控制的功能。此技術(shù)的出現(xiàn)很好地完善了輸電網(wǎng)運行與發(fā)展中種種困難的全面要求，在控制電網(wǎng)潮流、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性以及傳輸容量方面帶來了可行性的解決開端，因此受到業(yè)界廣泛認可。FACTS是80年代末,這個概念由美國電力研究所(EPRI)的N.G.Hingorani博士總結(jié)得出。他第一個關(guān)于FACTS的定義就是：柔性交流輸電系統(tǒng)，也就是FACTS是在晶閘管的控制器的集合，其中有移相器、靜止無功補償器、動態(tài)制動器、可控串聯(lián)電容調(diào)節(jié)器及帶載調(diào)壓器與故障電流限制器等。領(lǐng)域內(nèi)學者也加入研究，不斷豐富FACTS概念。更甚，在FACTS概念的指導下，新的FACTS設(shè)備，如TCSC、以可關(guān)斷器件為基礎(chǔ)的的STATCOM和UPFC等也相繼問世，進而反育這一概念本身[1]。FACTS的概念一經(jīng)提出就受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，并被業(yè)界具備權(quán)威性的相關(guān)技術(shù)研究者和工作組認定為“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中具有翻天覆地意義的前沿性課題之一”，其為解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)問題提供了一種極為有效的解決方法。國外研制并應(yīng)用FACTS裝置的速度較快，從1960年以后即開始使用SVC，而應(yīng)用在輸電電壓控制中則自1970年末期開始，并應(yīng)用在對輸電線路電壓控制及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性上。例如，在1980年，日本三菱公司研制出第一臺以晶閘管為基礎(chǔ)的靜止同步補償器（STATCOM）容量為±20Mvar；1991年日本在Inuyama換流站增設(shè)了一臺480Mvar的靜止無功發(fā)生器；1992年，德國的西門子公司研發(fā)并在美國西部電力局（WAPA）投運首臺由晶閘管控制的串聯(lián)電容器（TCSC）裝置；1995年，美國的福納西約翰城的Sullivan變電站(500kV/16lkv)安裝了一臺±100Mvar的靜止無功發(fā)生器；德國西門子公司研發(fā)的4500/3000A門極可關(guān)斷晶閘管±8Mvar靜_止無功發(fā)生器也在1997年4月在丹麥運行；2001年，美國紐約電力局投運可轉(zhuǎn)換靜止補償器的第一階段,即4-200Mvar的STATCOM[2]。我國在FACTS的研發(fā)開始的比較晚，但是政府對FACTS相關(guān)方面的研制給予幫助，各方面研究已步入正軌，并且已經(jīng)取得了一定的成績。1.2TCSC及其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可控串聯(lián)電容補償器（TCSC）作為一個關(guān)鍵FACTS元件,與別的串聯(lián)型FACTS器件相比,可控串補（TCSC）較為簡便，并且能有效地解決一些常規(guī)固定串補中存在的技術(shù)問題，如系統(tǒng)功率振蕩、次同步諧振(SSR)及動態(tài)潮流控制等。而因此,可控串補得到廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于TCSC的研究也是起步較晚，隨著我國750kv與1000kV電網(wǎng)的發(fā)展，可控串補技術(shù)正向著更大容量、更高電壓方向發(fā)展。在國網(wǎng)公司“十一五”科技規(guī)劃中,把750kv和1000kV串補與可控串補技術(shù)發(fā)展加入其中，與此同時，在國網(wǎng)公司“十一五”新技術(shù)綱要中,將750kV串補作為新技術(shù)應(yīng)用重點項目加入其中。2003年6月，南方電網(wǎng)在500kV天生橋-平果雙回線平果變電站投運了由西門子公司制造的基于TCSC的串補裝置，這是我國投入運行的第一個TCSC工程項目，天廣線TCSC工程的投產(chǎn)提高了線路輸送電能力，為“西電東送”工程增加大約300MW的輸電容量,極大改善了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定及阻尼功率振蕩[3]。2005年,由我國科學家大力研發(fā)的首套具有我國自主產(chǎn)權(quán)的TCSC裝置在甘肅壁口-成縣220kV線路投運,其額定容量為75.2MVar,基本容抗是21.7Q，以上代表著我國成為世界上第四個可以自助研發(fā)可控串補裝置的國家。在2007年，全世界可控補償容量最大、運行環(huán)境最復(fù)雜的具有中國特色的超高壓可控串補裝置--伊馮500千伏可控串補裝置成功運行；2008年,中國電科院主力承擔的三堡東三I、Ⅱ線500干伏進口串補裝置控制保護系統(tǒng)創(chuàng)新改造成功[4]。1.3TCSC對繼電保護的影響及研究現(xiàn)狀在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中作為被保護對象的參數(shù)，比如輸電線路的阻抗、發(fā)電機常數(shù)及變壓器的額定參數(shù)等，通常這些是已知的。串補電容的加入使輸電線路阻抗參數(shù)發(fā)生變化，一度給線路保護帶來某些問題，但已經(jīng)得到良好的解決，這些內(nèi)容將在后文詳盡地說明。在含有FACTS元件的系統(tǒng)中，因FACTS元件的串聯(lián)阻抗或者并聯(lián)阻抗都隨著系統(tǒng)的運行方式不同而不同，故障會產(chǎn)生諧波和暫態(tài)分量，則其幅值和頻率也會因為不同的元件和故障位置而變化，這些因素不僅給傳統(tǒng)保護的整定帶來難題，甚至也向傳統(tǒng)的保護理論整體提出了挑戰(zhàn)，繼而難免對繼電保護性能帶來影響。為了解決因FACTS元件引起的電力系統(tǒng)繼電保護問題，美國EPRI在90年代初提出了想法，開始對FACTS元件和FACTS電力系統(tǒng)繼電保護和相關(guān)策略的研究。第一步工作即是分析現(xiàn)有保護系統(tǒng)在FACTS系統(tǒng)中的應(yīng)變能力并提出相應(yīng)的整改方法，如果現(xiàn)有的保護系統(tǒng)不能適應(yīng)FACTS系統(tǒng)要求，提出專門應(yīng)對FACTS系統(tǒng)的繼電保護的客觀要求。第二步則是研發(fā)適合FACTS系統(tǒng)的特殊保護。在現(xiàn)有保護系統(tǒng)的改進和新型保護的研發(fā)中，數(shù)字化技術(shù)及現(xiàn)代通信技術(shù)等將起到重要的作用?？煽卮?lián)電容補償器（TCSC）具有巨大的潛在經(jīng)濟性和性能效益，從系統(tǒng)保護的立場來看，它又可能是十分艱巨的，在各國的FACTS實踐中均將此首選作為實用化裝置。迄今為止，由西門子、GE、ABB公司與相關(guān)電力系統(tǒng)合作，已成功研發(fā)了多套TCSC裝置并在美國投入運行，例如WAPA電力系統(tǒng)Kayenta變電站的ASC工程（1992）和BPA電力系統(tǒng)Slatt變電站TCSC工程（1993）等。1.4本論文所做的工作本論文通過分析和研究大電網(wǎng)系統(tǒng)中一直存在的難題，基于綜合考慮TCSC的結(jié)構(gòu)特點與諧波特性和動態(tài)基頻阻抗特性，分析了TCSC對輸電線路繼電保護的影響，其中著重說明了TCSC對距離保護的影響及其對電流差動保護的影響，再進一步說明了TCSC對負序、零序功率方向元件的影響及TCSC對縱聯(lián)保護的影響等。最后本論文還對TCSC在系統(tǒng)中的影響進行仿真驗證。本文主要工作和研究內(nèi)容包括如下幾個方面:（1）、分析和研究了可控串補(TCSC)的結(jié)構(gòu)特點、諧波特性及動態(tài)基頻阻抗特性。（1）、分析了TCSC對線路繼電保護的影響,主要包括了TCSC對距離保護的影響、對電流差動保護的影響及縱聯(lián)保護的影響。并分析了TCSC輸電線路對繼電保護的配置要求分析。2TCSC的結(jié)構(gòu)特點及性質(zhì)分析2.1TCSC的結(jié)構(gòu)特點一般地說，TCSC模塊由電容和與其并聯(lián)的電感即雙向可控硅對構(gòu)成，見圖2-1所示。TCSC中過電壓保護可分為兩部分，一為無間隙MOV放電器的保護，一為利用TCSC的可控硅控制的電抗器提供的過負荷保護[5]。利用可控硅控制電抗器可以大為減少并聯(lián)電容器設(shè)備中對MOV放電器的依賴，并且可以提高系統(tǒng)的整體性能及其適應(yīng)性。在系統(tǒng)未發(fā)生故障時，通過TCSC電感的電流波形在每一個周期之間關(guān)于電容電壓過零點對稱。TCSC可以控制觸發(fā)脈沖來使晶閘管觸發(fā)角發(fā)生變化，進而使其控制的電感支路電流大小發(fā)生變化，實現(xiàn)其可以使總等效電抗變化。當觸發(fā)角在145°到180°之間時，等效電抗表現(xiàn)出容性；在90°到140°之間時，等效電抗表現(xiàn)出感性。此種特性讓它具有在系統(tǒng)故障時減小短路電流的功能。每一個TCSC模塊都可分成三種運行模式,也就是可控硅阻斷(未導通)、可控硅旁路(完全導通）,微調(diào)控制模式。圖2-1TCSC結(jié)構(gòu)圖2.2TCSC的工作原理TCSC裝置中晶閘管閥的關(guān)斷與導通兩個狀態(tài)隨兩個拓撲結(jié)構(gòu)間互相轉(zhuǎn)換。定義α為觸發(fā)延遲角,它表示電容電壓過零點到晶閘管開始導通時刻之間的電角度差；β是觸發(fā)超前角,它表示晶閘管導通時間相比之電壓過零點的超前時間,α+β=180°。δ定義是晶閘管導通區(qū)間的電氣角度,在系統(tǒng)無故障時,δ=2β[6]。當可以控制的串聯(lián)補償處于微調(diào)的控制時,電容器組電壓U、雙向晶閘管TCR的觸發(fā)角α、導通角δ及電感電流i的理想波形如圖2一2中所示。圖2-2微調(diào)時理想波形圖定義ω0是TCSC的自然角頻率，ω0=1/；ω0與電網(wǎng)基波頻率ω的比值為K，K=ω/ω0，K2=XC/XL；XC與XL分別是固定串補電容C與晶閘管控制電抗器L的基波容抗與基波感抗。2.3TCSC的運行模式現(xiàn)實運行情況中，TCSC的工作模式一般分為以下四種：（1）當晶閘管處于閉鎖時，這個時候晶閘管觸發(fā)角是180°，TCSC與普通串補沒有差別。（2）在容抗調(diào)節(jié)模式下，這種模式時，αcn≤α≤180°,TCSC的容抗值在它的最小值和最大值之間可以調(diào)節(jié)。此時TCSC處于正常運行模式，暫態(tài)時我們能通過增大容抗值來提高補償度，進而改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；動態(tài)時我們可以控制它的阻抗來降低系統(tǒng)的振蕩；在穩(wěn)態(tài)中，我們可以調(diào)節(jié)容抗值大小讓系統(tǒng)潮流分布更合理,進而減少損耗。（3）在感抗調(diào)節(jié)的情況下，90°≤α≤αcrt，此時TCSC作為一個感性可以調(diào)節(jié)的電抗。在這個狀態(tài)下，線路諧波比較大，給系統(tǒng)的安全和及運行的經(jīng)濟性帶來影響。這種模式一般不用。（4）在旁路模式下，晶閘管觸發(fā)角是90°，TCSC因旁路電感和串聯(lián)電容是并聯(lián)關(guān)系，而感抗很小，可以用晶閘管旁路方式來降低TCSC過電壓、減小短路電流，并且減輕MOV的負荷，降低MOV能耗。用串補電容電壓假設(shè)為理想正弦，得到TCSC仿真接線圖如下。圖2-3TCSC接線仿真圖2.4TCSC的基本特性解析式把TCSC加入計算，依據(jù)其不同的運行模式列出微分方程如下：(1)晶閘管關(guān)斷狀態(tài)（2-1）其中,Im為線路電流峰值,VC電容上電壓，φ支路電流初始相位角晶閘管導通狀態(tài)（2-2）（2-3）以上，iL為TCR支路電流，L是TCR支路總電感，運用拉式變換，可計算得以下：（2-4）（2-5）（2-6）以上，V’c0就是晶閘管關(guān)斷時刻電容上電壓,V’’c0是晶閘管導通時刻電容上電壓，將上式拉式反變換可得：（2-7）（2-8）（2-9）并聯(lián)電容支路電流為：（2-10）到現(xiàn)在,我們將描述TCSC基本特性的解析表達式計算出來了。如果借此延伸，我們可以進而導出穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)下TCSC裝置的基波阻抗和各次諧波阻抗公式。TCSC可以在快速改變它的基頻等效阻抗的大小及性質(zhì)來完成在系統(tǒng)中的上述控制作用。這里出現(xiàn)的基頻等效阻抗其實是由電容器以及可控電抗器也就是TCR構(gòu)成的TCSC電路在系統(tǒng)中工作時,頻率為50Hz時的基頻時的等效阻抗，TCSC的基頻等效阻抗如下：（2-11）以上：2.5TCSC的特性穩(wěn)態(tài)運行狀況下，理論上講，TCSC會產(chǎn)生主要在由串聯(lián)電容和電感支路所組成的LC回路中產(chǎn)生環(huán)流的諧波電流，但此諧波電流對系統(tǒng)波形有很小的畸變影響，盡管在電容上的電壓畸變率很大,但在常見電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行狀況下,測量電壓中所占比重很小，所導致的各節(jié)點電壓畸變率比較小，所以，以上產(chǎn)生的諧波不會影響繼電保護裝置。2.5.1TCSC的諧波特性試驗得出，TCSC除了在關(guān)閉TCSC本身，工況變化中線路電流諧波會一定程度的增大，但是波形畸變率不影響系統(tǒng)正常運行，而且也不會特別影響線路繼電保護。在短路時，諧波特性即與有無串補有緊密關(guān)系，還與TCSC觸發(fā)角、故障點和故障時刻等因素有關(guān)。串聯(lián)補償線路劣勢也較為突出，普通線路與之相比，串補線路電壓、電流畸變率較小,而電壓畸變率差別更明顯，普通線路各次諧波單調(diào)衰減,而串補線路的各次諧波都振蕩下降。TCSC的各次諧波受故障點、故障時刻和觸發(fā)角等各種因素的影響，但是這些因素所引發(fā)的諧波變化比較于基波來說是很小的。而故障以后TCSC對故障的與普通線路不同的反應(yīng)會引起線路電流變化和TCSC上電壓諧波成分的改變。2.5.2TCSC的阻抗特性（1）TCSC的穩(wěn)態(tài)基頻阻抗特性在正常運行時，TCSC處在微調(diào)控制運行模式下，此時TCSC為容性阻抗。若電流沒有大到可以使MOV觸發(fā)，TCSC的基頻阻抗只和觸發(fā)角相關(guān)。當TCSC線路處于短路故障時，TCSC在一段復(fù)雜的擾動后，又會恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在TCSC電容沒有被旁路時，若短路時電流足夠大，從而使MOV觸發(fā)，那么TCSC的阻抗與觸發(fā)角和短路電流的大小都有關(guān)。（2）TCSC的動態(tài)基頻阻抗特性如今業(yè)界已對TCSC的各種特性進行了深入的研究，在其動態(tài)基頻阻抗特性方面，目前研究工作的重點是TCSC穩(wěn)態(tài)基頻阻抗。TCSC的動態(tài)基頻阻抗在分析TCSC在線路繼電保護中有何影響意義重大。TCSC的動態(tài)基頻阻抗，等同于TCSC在暫態(tài)運行過程中其本身的等效基頻阻抗。穩(wěn)態(tài)條件下，TCS的電壓和通過其的電流都按正(余)弦規(guī)律，而當在系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后的暫態(tài)時，以上所述兩個電氣量除了包含基頻分量，還有衰減的直流分量和諧波分量。如果系統(tǒng)中加入了TCSC，那么在其線路上發(fā)生故障，MOV能對串聯(lián)電容器起到過負荷保護的作用，在故障電流高到一定的程度，MOV過負荷保護進一步觸發(fā)晶閘管，使其在輸電線路增加一個電感元件，讓TCSC處于旁路模式，讓故障電流盡量較小。若故障后TCSC未能旁路，它的動態(tài)基頻阻抗幅值按時間先下降后上升，在升到頂點時又會下降并最終達到穩(wěn)定值，整體為一個超調(diào)過程。而如果TCSC能在故障正確出現(xiàn)旁路，短路后一個周波，TCSC的動態(tài)基頻阻抗按時間衰減再次下降到一個穩(wěn)定值。正常運行時，TCSC處在微調(diào)控制模式，TCSC的動態(tài)基頻阻抗為容性,阻抗角為負90°，它的基頻阻抗只和觸發(fā)角有關(guān)。正常情況下，在容性變化范圍內(nèi)，基頻阻抗的減小會引起MOV飽和程度加重，TCSC基頻阻抗中的阻抗改變程度要大過其電抗，因此雖然阻抗角變小了，而阻抗值卻變大了。當TCSC處于未旁路，如果這時短路電流比較大，令MOV觸發(fā)，使MOV變?yōu)閷討B(tài)基頻阻抗產(chǎn)生影響的一個關(guān)鍵原因。如果MOV的初始電壓比較低，則故障發(fā)生之后MOV越容易被觸發(fā)，MOV的飽和程度越深，MOV對動態(tài)基頻阻抗產(chǎn)生影響的程度越大。相反，如果TCSC未旁路，則在同一短路類型下，短路點離TCSC越近，TCSC的動態(tài)基頻阻抗幅值越小。3TCSC的仿真論文使用MATLABPSB建立典型的簡單電力系統(tǒng)的模型，然后開始仿真,因為MATLABPSB里沒有TCSC模型，所以之后構(gòu)造搭建了FACTS裝置中的TCSC模型,在簡單電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入TCSC，研究TCSC對系統(tǒng)運行性能的影響，最終利用SIMULINK進行穩(wěn)暫態(tài)仿真，輸出負載電壓、有功無功功率的波形的對比圖，從而分析TCSC對電力系統(tǒng)的影響。3.1未加入TCSC的簡單單相電力系統(tǒng)模型簡單的電力系統(tǒng)由電源、變壓器、輸電線路、負載構(gòu)成?？珊喕上聢D：圖3-1簡單電力系統(tǒng)簡化圖在MATLAB中的PSB模塊，畫出簡單電力系統(tǒng)模型如下：圖3-2簡單單相電力系統(tǒng)模型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：(1)電源是單相電壓源，峰值是10.5kv，頻率是50Hz。電壓源內(nèi)阻等效為R=0.001歐，L=0.05mH。升壓變壓器的參數(shù)：系統(tǒng)中的升壓變壓器及降壓變壓器變比分別是10.5/121和110/6.3。詳細參數(shù)見下圖。圖3-3升壓變壓器參數(shù)設(shè)置降壓變壓器參數(shù)如下：圖3-4降壓變壓器參數(shù)設(shè)置線路的參數(shù)如下：圖3-5線路參數(shù)設(shè)置負載用的是串聯(lián)RLC模型，功率因數(shù)是0.85。3.2單相TCSC模型的建立MATLABPSB庫里沒有FACTS中的TCSC模型，我們可以參照論文給出的TCSC結(jié)構(gòu)圖，來構(gòu)造TCSC模型。如下圖：圖3-6TCSC模型參數(shù)如下：C=119.2μF，L=14.0mH。晶閘管電阻Rt=0.09歐，Vt=0.8V。上圖里g1、g2是兩個晶閘管的門極觸發(fā)信號，將其控制可以控制晶閘管觸發(fā)角。晶閘管的參數(shù)設(shè)置：晶閘管的觸發(fā)同步信號是從TCSC的電容器的正極端引出的一個輸出端提供。PulseGenerator作為TCSC的觸發(fā)器。上圖中升壓變壓器電壓作為觸發(fā)器的輸入。輸出接到晶閘管的觸發(fā)門極上，alpha模塊設(shè)置為158.6，用來控制觸發(fā)角，Block模塊設(shè)置為0，表示觸發(fā)。在觸發(fā)器的觸發(fā)下，晶閘管導通。3.3包含單相TCSC電力系統(tǒng)的模型我們將TCSC模型加到簡單單相電力系統(tǒng)模型中，如此建立一個加入TCSC的電力系統(tǒng)模型就建成了。如下圖：圖3-7加入TCSC的電力系統(tǒng)模型3.4單相電力系統(tǒng)的仿真比較由上一小節(jié)知道負載和方波發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置隨仿真情況不同做出相應(yīng)變化。本文設(shè)置為額定負載，具體參數(shù)如下：圖3-8額定負載參數(shù)方波發(fā)生器參數(shù)：圖3-9方波發(fā)生器參數(shù)仿真算法為ode15s，仿真時間為0.5s。在額定負載的情況下，分別對簡單電力系統(tǒng)模型和加入TCSC的簡單電力系統(tǒng)模型進行仿真，得到波形圖如下：圖3-10不含TCSC時仿真波形圖圖3-11含TCSC的仿真波形從結(jié)果中我們可以看出，兩者波形與峰值均在很小范圍內(nèi)變化，滿足電力系統(tǒng)運行需求。由仿真可以直觀的看出，TCSC可以一定程度提高線路的運輸容量，在傳輸電能方面有增加效果。而且只要將TCSC的參數(shù)調(diào)試好，輸電線路就可以在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)。4TCSC對輸電線路繼電保護的影響距離保護在高壓和超高壓輸電中上應(yīng)用最為廣泛。距離保護最主要的測量元件是距離保護元件。在一般線路中，如果處于保護中的線路出現(xiàn)直接短路，繼電器之測量阻抗和母線與短路點之間的距離成正比。而在串補線路中，上述關(guān)系被破壞，則距離繼電器的動作特性開始被影響。4.1TCSC對距離保護的影響在固定串補線路中，固定串補在距離保護中產(chǎn)生的影響已經(jīng)差不多可以消除，在可控串補線路中，因為在出現(xiàn)短路故障之后，TCSC動態(tài)基頻阻抗浮動程度與FSC的浮動程度類似，也就是無故障狀態(tài)的容性電抗和旁路運行狀態(tài)時的感性阻抗之間上下變化，所以，電壓反向和電流互感器所在位置也會是改變線路繼保特性的重要因素。上述原因?qū)旊娋€路繼保護的改變，TCSC和FSC基本一樣。但是因為TCSC的基頻阻抗和FSC基頻阻抗有某些方面的區(qū)別，讓其在輸電線路的距離保護中產(chǎn)生影響存在差異。4.1.1TCSC動態(tài)基頻阻抗對輸電線路距離保護的影響(l)電壓反向?qū)CSC來說，電壓反向能否發(fā)生和工況及故障后的TCSC是否旁路有關(guān)。如果發(fā)生故障后TCSC的電容被旁路時，電壓反向現(xiàn)象則不會發(fā)生。當TCSC的電容不被旁路，那么電壓反向就會出現(xiàn)。TCSC的反向不會總是出現(xiàn)，即使出現(xiàn)也可以加入帶記憶的極化電壓，應(yīng)加以合適的閉鎖裝置。TCSC的阻抗在出現(xiàn)故障后TCSC的阻抗是負的，但不會很影響保護性能。(2)負值電阻對動態(tài)特性的影響動態(tài)特性的產(chǎn)生是因為帶有一個記憶的極化電壓。這個電壓本身的浮動變化，引發(fā)了整個動作特性的浮動。與FSC不同之處是，故障后的一段時間內(nèi)TCSC的阻抗負值，但是不會特別影響保護性能。(3)TCSC動態(tài)基頻阻抗對保護范圍及保護動作速度的影響在比較FSC和TCSC的阻抗變化曲線之后，我們可以了解到，如果在系統(tǒng)中同一時間與同一個地方出現(xiàn)短路，F(xiàn)SC阻抗曲線改變趨勢要比TCSC線路的更加迅速，F(xiàn)SC阻抗曲線達到穩(wěn)態(tài)的速度也要比TCSC快，并且FSC的穩(wěn)態(tài)阻抗與相同情況下的TCSC的穩(wěn)態(tài)容抗多得多。上述特征在距離保護中會有下面這些影響：如果以母線側(cè)電壓：(l)在保護整定范圍相同時，加入TCSC的距離保護在其范圍末端出現(xiàn)拒動的可能性變大。換句話說，當補償度相同時，TCSC線路距離之整定保護范圍可在一定范圍內(nèi)增加。(2)在保護整定范圍相同時，當靠近保護范圍末端的時候，TCSC線路保護動作比FSC線路要慢一些。如果取用線路側(cè)電，,對于正方向短路來說，TCSC和FSC線路上的距離保護性能基本相同。對于反向短路來說，TCSC線路上的距離保護可以更能克服電壓反向的影響。4.1.2TCSC的諧波特性對距離保護的影響(1)TCSC的諧波特性對距離保護的影響保護安裝處的電壓的影響因素有電源阻抗、線路阻抗和短路點等，當在含有TCSC的線路中時，還與故障后TCSC旁路與否有相當大的聯(lián)系。當繼電保護和短路位置之間沒有TCSC的時候，TCSC電壓諧波基本不會影響保護安裝處的電壓，但如果保護和短路位置之間有TCSC的時候，TCSC上電壓諧波對保護安裝處的電壓有何影響與斷路位置有關(guān)。而當TCSC外較近點發(fā)生短路的時候，TCSC的電抗在測量阻抗中所占比例很大，TCSC上電壓諧波的作用也更加明顯，而當TCSC外較遠點發(fā)生短路時，TCSC上電壓諧波的作用則比較小。(2)TCSC的諧波對故障線路測量阻抗的影響保護安裝處線路到短路點之間的基頻測量阻抗對于繼保時間與動作特性來說影響極大。其計算可以運用頻域或時域的方法。頻域方法之基本算法就是傅里葉變換法，它無法避免直流分量、高次諧波和低次諧波對它的影響，因此一般采用低通濾波來進行濾波。帶通濾波器在直流分量、低頻分量和高次諧波方面的濾波效果十分明顯，然而低通濾波器在除了高次諧波之外的分量卻帶有相當?shù)脑龃笮Ч?。而差分濾波器可以使直流分量產(chǎn)生的擾亂作用減小甚至去除，且對低頻率的分量同樣有很好地限制效果，然而其在大多高次諧波中卻有放大的作用。對TCSC線路來說，因為電壓中各種諧波比較復(fù)雜，其中TCSC的L-C回路出現(xiàn)的諧波最為突出，并且此諧波分量與3次諧波十分接近，因此差分濾波器對此諧波分量異常敏感，這一點將放大它本身在阻抗計算中的誤差。在考慮阻抗的計算時所產(chǎn)生的誤差來說，于TCSC線路中加入帶通濾波器會比較合理。微分方程算法在時域內(nèi)計算故障線路阻抗中微分方程算法是一個非常關(guān)鍵的方法。業(yè)界認為，對于小于300KM的輸電線路來說，當采用對于頻率為150Hz之上的分量有顯著衰耗作用的低通濾波器時，就可確定微分方程算法的結(jié)果令人滿意[8]。對于短線路來說，其低通濾波器的截止頻率還能再高。然而，微分方程的算法基于R-L電路理想模型的基礎(chǔ)上進行求解，因此當計算目標模型中有電容時，到現(xiàn)在還未出現(xiàn)對R-L-C模型比較完善的計算體系。由此，當目標線路含有固定電容或TCSC的時候就不能涉及微分方程算法的計算。在含有TCSC系統(tǒng)測量阻抗的計算中TCSC的諧波會產(chǎn)生影響。已經(jīng)驗證，對較近故障點來說，諧波影響比較大，測量阻抗受到的影響也比較大。但是對近距離故障來說，其一故障點離整定的保護范圍比較遠，距離元件動作裕度比較大，其二，帶有一個記憶的極化電壓也使動作特性圓的覆蓋范圍變大，由此能消除諧波帶來的測量阻抗不精確的影響。對遠距離故障來說，距離保護一般和縱聯(lián)措施結(jié)合，進行超范圍整定，而諧波對于測量阻抗而產(chǎn)生的影響也比較小，所以，也能不被諧波而影響。由此，可以理解成，加以合適的濾波措施，TCSC的諧波對距離元件的影響比較小。(3)TCSC的諧波對電抗元件和方向元件的影響對距離保護來說，電抗元件一般代表動作信號和極化信號比相，方向元件則代表極化信號相互比相。方向元件的比相一般只與記憶電壓、電流或其序分量的相位相關(guān)，方向元件本身幾乎不受影響。對電抗元件來說，當發(fā)生相間故障時，不一樣的距離保護，其結(jié)構(gòu)也有區(qū)別。不管是相間故障和接地故障，它的動作信號相位可以以均衡速度變化，和極化信號比相時，暫態(tài)比相結(jié)果和穩(wěn)態(tài)比相結(jié)果的誤差范圍極小，都可以正確地明確電抗元件是否動作[9]。4.1.3TCSC對故障分量距離保護的影響(l)故障分量距離繼電器構(gòu)成原理故障分量距離繼電器動作方程是：（4-1）于相間距離來說：（4-2）于接地距離來說：（4-3）以上是整定末端電壓，是整定門坎電壓，是整定阻抗。此處用接地距離繼電器作例子研究故障分量距離保護構(gòu)成原理：圖4-1不含串補的線路K點故障圖圖4-1中保護正方向上K點發(fā)生了A相接地，在Rg=0的前提下流過保護的測量電流的工頻變化量是：（4-4）以上是M母線至故障點K的線路阻抗。由上圖可得出保護安裝處A相電壓的工頻變化量：（4-5）綜合上式為（4-6）由此可知，若正向區(qū)外A相接地，ZK>Zzd，這時保護拒絕動作；若保護區(qū)末端A相接地時，ZK=Zzd，這時保護在動作邊緣；若正向區(qū)內(nèi)A相接地時，ZK<Zzd,這時保護正確動作[10]。(2)TCSC對故障分量距離保護的影響若輸電線路的M側(cè)用TCSC補償，且依然依照尺度Zzd((0.8一0.9)倍ZLMN)來進行整定，基于保護裝置1，若故障后TCSC未旁路，當區(qū)外短路穩(wěn)態(tài)后會引起誤動作，進而出現(xiàn)保護超越，因此按照尺度Zzd來整定TCSC線路的保護范圍是不合理的。在研究TCSC動態(tài)基頻阻抗特性后可得出，如果TCSC的電容沒有被旁路，屬于TCSC的電抗部分的暫態(tài)至穩(wěn)態(tài)時在容性與感性之間切換，保護整定變得不容易，若依照尺度來進行整定，那么在暫態(tài)時電抗部分表現(xiàn)出的小容性電抗或電感特性的優(yōu)點就無法體現(xiàn)出來，也許還會使保護范圍變小。以下是依照尺度（)來整定時的故障分量保護于故障后的動作過程的分析：在有TCSC的系統(tǒng)中，若線路的最大補償度是XC，而且，假設(shè)無TCSC線路的整定阻抗是Zzd，若果防止保護的誤動作，則保護的整定阻抗是：（4-7）結(jié)合公式（4-3）與（4-4）得：（4-8）（4-9）以下，我們用接地阻抗繼電器做例子來研究TCSC對故障分量距離繼電器的影響。當正向接地時在圖4-2增加TCSC后，我們繼續(xù)用在K點出現(xiàn)A相接地為例來研究：圖4-2含TCSC的線路正向故障圖以上，ZK與Zzd和不含有TCSC的上圖中所代表的一樣，可以假設(shè)短路時TCSC的等效阻抗ZTCSC，那么：（4-10）保護安裝處A相電壓工頻分量是：（4-11）考慮公式（4-10）、（4-11），帶有TCSC裝置的繼電器工作電壓變化量是：（4-12）加入TCSC后，若,此時，，保護動作。研究可知，以上的XC為TCSC正常運行時的等效阻抗，TCSC的阻抗變化不會影響其容抗值小于故障前TCSC容抗模值，感性阻抗始終比穩(wěn)定旁路運行時的感抗要小?？梢缘玫?，于任一阻抗Z來說：（4-13）如果比較加入TCSC前后的保護動作過程：在未加入TCSC的圖中，若ZK=Zzd，此時保護在動作邊緣，而在加入了TCSC的圖中，若ZK=Zzd，因此，由保護不動作可知，動作范圍變??；若ZK<Zzd，仍能滿足上式，因此于未加入TCSC線路中的區(qū)外故障，重新整定后的故障分量保護更不會動作[11]。但是如果TCSC旁路，因為ZTCSC表現(xiàn)的是一個小感抗，可以將之忽略，此時保護范圍更小，可能比線路的50%更少。以此得出：加入了TCSC之后，我們按照(Zzd—jXC)來進行整定時，如果故障發(fā)生之后TCSC未旁路，那么保護范圍將有所減小；如果故障發(fā)生之后TCSC旁路，保護范圍會更小，可能低于線路的50%。當反向接地時圖4-3含TCSC的線路反向故障圖如果圖4-3中反方向K點出現(xiàn)A相接地，流過保護的電流從被保護線路至母線在這個流向下，M母線上的A相電壓的工頻變化量是：（4-14）以上為M母線的等效阻抗，ZK表示K點至M母線的線路阻抗。在這里，因為實際電流的電流方向與中相反[12]。因此在考慮公式（4-15）、（4-16）的繼電器工作電壓分量是：（4-15）在這里我們可以看出，盡管反向出口單相接地，但是,也就是。因此保護不會動作。若TCSC處于暫態(tài)過程，也許會存在容性至小感性的轉(zhuǎn)變，然后以上的分析中沒有ZTCSC的設(shè)定，因此依然成立，也就是在反方向故障并且TCSC旁路時，保護可靠不動作。4.2TCSC對電流差動保護的影響在各類保護中，串補電容對以基爾霍夫定律為基礎(chǔ)的電流差動保護影響最小。其一，它的保護判據(jù)只有電流量，與電壓反向無關(guān)；其二，分相電流差動，其有自然的選相功能，不用計及串補電容的引入對選相元件產(chǎn)生的影響，所以電流差動保護就成了現(xiàn)在串補線路的最佳選擇。串補電容的引入對電流差動保護影響最大的因素應(yīng)該是靈敏度方面。電流差動保護在其根本上可以看成計及兩側(cè)電流幅值之比相式繼電器，如果輸電線路出現(xiàn)區(qū)內(nèi)金屬性故障，它的兩側(cè)故障電流相位關(guān)系取決于輸電線路阻抗和兩側(cè)系統(tǒng)等值阻抗(不計負荷電流的影響)。見圖4-4：圖4-4線路區(qū)內(nèi)故障兩端電流相位分析圖可以看到，當輸電線路出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障時，如果不計負荷電流的影響，其兩端的故障電流的相位差基本取決于和的阻抗角差。于一般輸電線路來說，上述差別小到可以忽略，因此若區(qū)內(nèi)金屬性故障，相位相同。于有可控串補的超遠距離輸電線路中，因為線路的分布電容和TCSC所導致的諧波的兩方面影響，有一定幾率讓被保護線路兩端的電流相位差出現(xiàn)差別，進一步影響差動保護靈敏度。不管輸電線上存在不存在串補，是可控串補或者常規(guī)串補，如果同一處發(fā)生短路，線路兩側(cè)的相位差的差異很小。以上差異都沒大到可以引起電流差動保護在內(nèi)部短路時出現(xiàn)拒動。如果線路出現(xiàn)區(qū)外短路，串補電容或可控串補電容對線路兩側(cè)的相位差的影響也可以忽略不計，不能讓電流差動保護誤動作[13]。以此得出，可控串補對電流差動繼電保護的影響在正常范圍內(nèi)。4.3TCSC對縱聯(lián)保護的影響我們知道縱聯(lián)保護可以分縱聯(lián)相差保護、縱聯(lián)距離保護和縱聯(lián)方向保護這三類。常規(guī)的說，串聯(lián)補償電容對縱聯(lián)相差保護的影響也比較小。如果短路出現(xiàn)在被保護線路的外部，繼電器能否動作決定于系統(tǒng)是否有串聯(lián)補償電容