對稱雙芯移相器的接入對距離保護的影響及改進措施研究

黃麗蘇，郝正航

對稱雙芯移相器的接入對距離保護的影響及改進措施研究

黃麗蘇1，郝正航2

(1.國網(wǎng)河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000；2.貴州大學電氣工程學院,貴州 貴陽 550025)

對稱雙芯移相變壓器(Phase Shifting Transformer, PST)作為潮流調(diào)控設備，能實現(xiàn)輸電線路傳輸功率的調(diào)節(jié)。然而，PST接入線路后將改變線路阻抗分布、電壓和電流信號，可能導致距離保護的誤動或拒動。為了消除PST接入對常規(guī)距離保護造成的影響，根據(jù)PST對各序網(wǎng)故障分量的移相特性、PST序網(wǎng)等效阻抗以及接地、相間測量阻抗算法，推導出PST安裝位置、PST移相角、故障位置均會對距離保護產(chǎn)生影響?；诰嚯x保護受PST接入的影響機理，利用對稱分量反變換、同步相量測量技術(shù)，提出了基于相角補償和相量測量單元(Phasor Measurement Units, PMUs)的自適應距離保護。在此基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink搭建了PST的模型，并通過仿真驗證了PST接入對距離保護影響機理推導的正確性以及所提出的自適應距離保護改進措施的有效性，為未來PST的深入研究和工程應用提供了理論支撐。

移相變壓器；距離保護；序網(wǎng)故障分量；對稱分量反變換；同步相量測量技術(shù)；自適應距離保護

0 引言

移相變壓器(Phase Shifting Transformer, PST)是一種調(diào)控潮流的電力設備[1]，采用串聯(lián)接入輸電線路，通過在輸入側(cè)電壓上疊加一個補償電壓向量，使線路中的PST兩側(cè)電壓相位或幅值發(fā)生變化，以此起到調(diào)節(jié)線路傳輸功率的作用。目前，雖然PST在國內(nèi)少有工程實例，但為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行[2-5]，鑒于PST在消除線路過載[6]、改善電網(wǎng)輸電能力[7]、線路融冰[8-9]等方面的顯著優(yōu)勢，該設備將有廣闊的工程應用前景。然而，PST接入輸電線路改變了線路阻抗分布、電壓和電流信號[10]，而這些電氣量信息是距離保護進行算法配置、參數(shù)整定的重要依據(jù)，所以開展PST接入對距離保護的影響研究是非常有必要的。

國內(nèi)外學者對于PST的研究主要集中在其潮流控制原理、優(yōu)化選址等方面[11-12]，很少有關(guān)于PST接入對繼電保護影響方面的研究。文獻[13-15]分析了統(tǒng)一潮流控制器、串補等的接入對距離保護的影響，但這些串聯(lián)潮流控制器與PST的結(jié)構(gòu)原理不同；文獻[16-22]研究了PST接入對繼電保護電氣量信息產(chǎn)生的影響，但未針對距離保護受對稱雙芯PST接入的影響機理以及改進措施進行深入探討；文獻[23-24]提出了應用于線路距離保護的新技術(shù)，為補償PST接入對距離保護產(chǎn)生的影響提供了思路。本文根據(jù)PST序網(wǎng)模型和測量阻抗算法，分析影響距離保護的因素，并根據(jù)影響機理提出有效的改進措施，最后進行仿真驗證。

1 對稱雙芯PST的原理及建模

1.1 結(jié)構(gòu)原理

機械式對稱雙芯PST因容量大、絕緣特性好、造價低而被廣泛應用，故本文圍繞對稱雙芯PST開展研究，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該PST由串聯(lián)變壓器、勵磁變壓器構(gòu)成，串聯(lián)變壓器的原邊繞組(△形)直接連接到線路中，串聯(lián)變壓器的原邊中心繞組與勵磁變壓器的原邊繞組(Y形)相連，串聯(lián)變壓器副邊繞組(△形)連接到勵磁變壓器副邊繞組(Y形)上。通過改變勵磁變壓器繞組的極性可實現(xiàn)電壓的超前或滯后調(diào)節(jié)，調(diào)整勵磁變壓器副邊繞組上的有載分接開關(guān)的分接頭能實現(xiàn)電壓相角大小的調(diào)節(jié)，進而達到對稱雙芯PST輸入與輸出電壓幅值相同、相位改變的目的。

1.2 序網(wǎng)模型

1.2.1正序模型

由圖2可以看出對稱雙芯PST正序輸入、輸出電壓、電流關(guān)系為

圖1 對稱雙芯PST的結(jié)構(gòu)原理接線圖

Fig. 1 Structure principle wiring diagram of the symmetrical dual-core PST

圖2 正序等值電路

1.2.2負序模型

圖3 負序等值電路

由圖3可知，PST負序輸入輸出電壓電流關(guān)系為

1.2.3零序模型

在零序網(wǎng)絡中，由于零序電壓、電流的三相相位和大小均相同，因而對稱雙芯PST的零序電路可等效為一個恒定的零序阻抗[25]，如圖4所示。

圖4 零序等值電路

由圖4可知，PST零序輸入輸出電壓電流關(guān)系為

根據(jù)對稱雙芯PST結(jié)構(gòu)可推導出該PST的零序等效阻抗，其值為

1.3 距離保護的模型

2 對稱雙芯PST對距離保護影響機理分析

將對稱雙芯PST接入如圖5所示線路。

圖5 含對稱雙芯PST的系統(tǒng)接線圖

在圖5中，若在PST的左側(cè)或右側(cè)線路中發(fā)生故障時，對應的故障正、負、零序網(wǎng)絡分別如圖6—圖8所示。

圖6 故障正序網(wǎng)絡

圖7 故障負序網(wǎng)絡

圖8 故障零序網(wǎng)絡

同理，若F1為AB相間故障，RH測量阻抗為

從式(14)和式(15)可以看出，當故障發(fā)生在PST左側(cè)時，對于接地和相間故障，RH均能準確計算其測量阻抗，即此時距離保護不受PST接入影響。

式中，為線路MN中故障F2發(fā)生處距M側(cè)長度占線路總長度的百分比。

由式(1)、式(2)可知

將式(17)、式(18)代入式(16)整理得

若F2為A相接地故障，則RH測量阻抗為

同理，若F2為AB相間故障，RH測量阻抗為

3 改進措施的提出

根據(jù)PST的移相特性，寫成矩陣形式得

由對稱分量反變換可得

將式(26)左乘對稱分量反變換矩陣，根據(jù)式(27)、式(28)得

其中，通過計算可得矩陣()：

由式(24)、式(25)、式(29)可得修正后的RH測量阻抗算法：

F2為AB相間故障時，同理可得修正后的RH測量阻抗算法：

圖9 動作邏輯關(guān)系

4 仿真驗證

圖10 PMU中相量的計算算法及傳輸過程

表1 對稱雙芯PST的參數(shù)一覽表

圖11 PST母線側(cè)和線路側(cè)的電氣量信息

圖5系統(tǒng)對應的輸電線路參數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2和圖5，利用Matlab/Simulink搭建對應的仿真模型如圖12所示。

表2 系統(tǒng)的輸電線路參數(shù)

圖12 含PST系統(tǒng)的仿真模型

圖13 距離RH 80 km處RH測量阻抗

表3 改進措施前后RH和RM的保護范圍

5 結(jié)論

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Influence of a symmetrical dual core PST on distance protection and improvement measures

HUANG Lisu1, HAO Zhenghang2

(1. State Grid Henan Electric Power Company DC Center, Zhengzhou 450000, China;2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

As a piece of power flow control equipment, the symmetrical dual core phase shifting transformer (PST) can realize the control of transmission power of a transmission line. However, after the PST is connected to the line, the line impedance distribution, voltage and current signals will be changed. This may lead to misoperation or refusal of distance protection. In order to eliminate the influence of PST access on conventional distance protection, given the phase-shifting characteristics of a PST on fault components of each sequence networks, the equivalent impedance of PST sequence networks and the algorithm of grounding and phase-to-phase measurement impedance are used. It is deduced that the PST installation position, PST phase-shifting angle and fault position will affect distance protection. Based on the influence mechanism of distance protection by PST access, an adaptive distance protection based on phase angle compensation and phasor measurement units (PMUs) is proposed. This uses symmetrical component inverse transformation and synchronous phasor measurement technology. The PST model is built using Matlab/Simulink, and the correctness of the derivation of the influence mechanism of PST access on distance protection and the effectiveness of the proposed adaptive distance protection improvement measures are verified by simulation. This provides theoretical support for the in-depth research and engineering application of a PST in the future.

phase shifting transformer; distance protection; sequence network fault component; symmetric component inverse transformation; synchronous phasor measurement technology; adaptive distance protection

10.19783/j.cnki.pspc.211198

國家自然科學基金項目資助(51567005)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51567005).

2021-08-31；

2021-11-08

黃麗蘇(1994—)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；E-mail: 2580601370@qq.com

郝正航(1972—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為智能電網(wǎng)及其仿真技術(shù)。E-mail: haozhenghang@ 163.com

(編輯 魏小麗)