半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护方法及装置与流程

本发明涉及电力系统仿真模拟领域，具体涉及一种半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护方法及装置。

背景技术：

众所周知，由于资源分布不平衡，导致供电区域与用电区域往往间隔比较远，为能更好地解决能源分布不均问题，需解决超远距离及超大输送容景输电技术等问题。

近年来，随着用电需求量的不断增加，超远距离和超大功率的电能输送技术及其实施，在世界范围内具有显著的经济意义和实用价值，成为世界电力发展的一个重要方向。半波长交流输电技术是指输电的电气距离接近一个工频半波，即约3000km(50hz)或2600km(60hz)的超远距离的三相交流输电技术。半波长交流输电技术的优点之一是半波长交流输电线路的功率因数高，且在输电距离等于或稍大于半波长的情况下，其结构比任何可能的超远距离交、直流输电系统都更为简单；再者，当交流输电设备的制造比换流装置的引进和维护更为经济时，更适宜采用半波长交流输电技术。

半波长交流输电技术至今还没有工程实践的经验，通过在实验室搭建半波长交流输电动态模拟系统，可以实现对半波长交流输电系统的特性研究及相关保护测试。但由于半波长交流输电线路有着与普通长线路一些截然不同的特性，半波长线路过电压特性和常规线路有较大差别，不采取措施时，接地故障情况下会产生很高的过电压，此外在正常运行时输送功率增大也会引起运行电压升高。

因此，需要提供一种技术来防止半波长动态模拟试验过程出现的过电压损害模拟元件及设备。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护方法及装置。

一种半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护方法，包括：采集半波长交流输电动态模拟系统中被保护位置的电压；基于预设的二段式过电压保护整定原则，整定二段式过电压保护定值；基于二段式过电压保护定值及被保护位置的电压，执行过电压保护策略。

基于预设的二段式过电压保护原则，整定二段式过电压保护定值包括：过压ⅰ段的保护定值整定和过电压ⅱ段的保护定值整定；过压ⅰ段的保护定值整定包括：设定过压ⅰ段的保护定值大于金属氧化物避雷器的限制电压，并且小于系统设备耐压水平；过电压ⅱ段的保护定值整定包括：设定过压ii段的保护定值小于金属氧化物避雷器的限制电压。

基于二段式过电压保护定值以及被保护位置的电压，执行过电压保护策略包括：当被保护位置的电压达到过压ⅰ段的保护定值时，过电压保护动作；或当被保护位置的电压达到过压ⅱ段的保护定值时，经延时预设时间后，过电压保护动作；延时预设时间按小于金属氧化物避雷器的最长导通时间来设定。

过压ⅰ段的保护定值的计算公式如下所示：

udz1＝krel1ur；

udz1为过压ⅰ段的保护定值，过压ⅰ段的可靠系数krel1＝1.05～1.1，ur为金属氧化物避雷器的限制电压。

过压ⅱ段的保护定值的计算公式如下所示：

udz2＝krel2ur且δt＜tmax；

udz2为过压ⅱ段的保护定值，过压ⅱ段的可靠系数krel2＝0.9～0.95，ur为金属氧化物避雷器的限制电压，δt为过压ⅱ段的延时预设时间，tmax为金属氧化物避雷器的最长导通时间。

一种半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护装置，其包括：电压采样模块，用于采集半波长交流输电动态模拟系统中被保护位置的电压；过电压保护定值整定模块，用于基于预设的二段式过电压保护整定原则，整定二段式过电压保护定值；过电压保护策略执行模块，用于基于二段式过电压保护定值及被保护位置的电压，执行过电压保护策略。

过电压保护定值整定模块，包括：过压ⅰ段保护定值整定子模块和过电压ⅱ段保护定值整定子模块；过压ⅰ段保护定值整定子模块，用于设定过压ⅰ段的保护定值大于金属氧化物避雷器的限制电压，并且小于系统设备耐压水平；过电压ⅱ段保护定值整定子模块，用于设定过压ii段的保护定值小于金属氧化物避雷器的限制电压。

过电压保护策略执行模块，包括：过压ⅰ段保护策略子模块和过压ⅱ段保护策略子模块；过压ⅰ段保护策略子模块，用于当被保护位置的电压达到过压ⅰ段的保护定值时，过电压保护动作；过压ⅱ段保护策略子模块，用于当被保护位置的电压达到过压ⅱ段的保护定值时，经延时预设时间后，过电压保护动作；延时预设时间按小于金属氧化物避雷器的最长导通时间来设定。

过压ⅰ段的保护定值udz1＝krel1ur；

udz1为过压ⅰ段的保护定值，过压ⅰ段的可靠系数krel1＝1.05～1.1，ur为金属氧化物避雷器的限制电压。

过压ⅱ段的保护定值udz2＝krel2ur且δt＜tmax；

udz2为过压ⅱ段的保护定值，过压ⅱ段的可靠系数krel2＝0.9～0.95，ur为金属氧化物避雷器的限制电压，δt为过压ⅱ段的延时预设时间，tmax为金属氧化物避雷器的最长导通时间。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明方法采用的二段式过电压保护定值和过电压保护策略，可防止出现长时间过电压，避免moa泄流时间过长，保护moa不被击穿；

2、本发明的过电压保护方法能够防止半波长动态模拟试验过程出现的过电压损害模拟元件设备，从而保障系统各部分元件设备和半波长动态模拟整体系统的安全稳定运行，为开展对现有原理保护及新原理保护的适应性试验验证及对半波长交流输电继电保护装置的检测提供有力支撑；

3、本发明的方法简单可靠，实用性较强，能够可靠保护半波长交流书店动态模拟系统安全稳定运行，提升半波长交流输电动态模拟特性分析及检验测试工作的效率。

附图说明

图1是本发明的设计流程框图；

图2是本发明的动态模拟系统图；

图2中bkt-线路开关、fd-故障模拟单元、3w-无穷大系统物理模拟单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图1所示，为实现上述目的，本发明提供的方法采取如下技术方案：

采集半波长交流输电动态模拟系统中被保护位置的电压；

基于预设的二段式过电压保护整定原则，整定二段式过电压保护定值；

基于二段式过电压保护定值及被保护位置的电压，执行过电压保护策略。

如图2所示，半波长交流输电动态模拟系统可以包括：3g、4g、6g、11g四台发电机组、等值发电机组物理模拟单元、无穷大系统物理模拟单元3w、变压器物理模拟单元12fb、半波长交流输电线路物理模拟单元、金属氧化物避雷器模拟单元moa、电流互感器物理模拟单元组ct、故障模拟单元fd和线路开关bkt、录波器单元和控制台。

其中，等值发电机组物理模拟单元可以包括：水轮机模拟控制器/汽轮机模拟控制器、原动机、升压变压器、并网开关、电流互感器、电压互感器和励磁装置。半波长交流输电线路物理模拟单元可以包括：故障模拟单元和线路开关。金属氧化物避雷器moa模拟单元可限制系统中出现的工频过电压，布置方式可以遵循两端稀疏、中间密集的原则。金属氧化物避雷器(moa)受本身容量限制，其导通时间不可超过一定阈值，否则，将会导致moa击穿损坏。故障模拟单元可以包括：故障位置开关、故障开关和选相开关。故障模拟单元可以设置模拟故障点，动态模拟系统在模拟故障点处模拟电网中发生的电气故障。电气故障可以包括：单相接地故障、相间短路故障、两相接地故障、三相短路故障和三相接地故障等，具体设计过程如下所示：

1、动态模拟元件参数设计；

动态模拟元件参数设计包括模拟线路元件设计、模拟金属氧化物避雷器和模拟电容器设计设计，具体设计如下：

1)模拟线路元件

为准确模拟特高压半波长交流输电系统线路参数，采用铜导线空心线圈的元件，抽出不同阻抗分接头的方式。由于阻抗角较高，连接电阻占的比重将增加，元件本身的阻抗角必须比线路阻抗角高一定的裕度，才能确定满足实际参数的需要。电抗器型式采用干式和环形空心电感线圈，线圈由两个匝数、抽头和尺寸相同的空芯线饼所构成。两个线饼既可串联又可并联工作。

2)模拟金属氧化物避雷器

为了抑制线路故障时的工频过电压，防止设备因过电压损坏。需在模拟输电线路出口上及沿线装设10组金属氧化物避雷器(moa)模拟元件，布置方式遵循两端稀疏、200～1700km密集的原则，分别距离出口500km、700km、900km、1000km、1100km、1300km、1500km、2200km及3000km。

3)模拟电容器

通过在每个线路元件两侧配置参数合适的对地电容器，能够实现对线路电容的准确模拟，建立特高压半波长交流输电动模系统需要根据实际的输电线路参数订制专门的电容器。同时，由于半波长交流输电线路两端发生故障时，线路中点的过电压水平可能高达额定电压的5-6倍，为保证实验设备的安全运行，需适当提高电容器组的耐压水平，所选电容器额定电压为ac4000v；额定容量为0.85/0.2/5.429μf。

通过在每个线路元件两侧配置参数合适的电容器，能够实现对线路电容的准确模拟，建立特高压半波长交流输电动模系统需要根据实际的输电线路参数订制专门的电容器。同时，由于半波长交流输电线路两端发生故障时，线路中点的过电压水平可能高达额定电压的5-6倍，为保证实验设备的安全运行，需适当提高电容器组的耐压水平，所选电容器额定电压为ac4000v；额定容量为0.85/0.2/5.429μf。

2.半波长交流输电动态模拟参数的设计

收集分析半波长交流输电线路的电气结构及系统参数，通过实践与分析设置合适的模拟比，计算出模拟系统“π”单元的正序阻抗、零序阻抗、分布电容以及金属性氧化物避雷器的模拟参数。

1)设计的特高压半波长线路原型参数包括：正序元件设计和零序元件设计；

(1)正序阻抗x1，正序电阻r1，正序阻抗角φ1；

(2)零序电抗x0，零序电阻r0，零序阻抗角φ0；

(3)正序分布电容c1，零序分布电容c0；

(4)电流互感器两侧转化电流之比，ct变比kct；电压互感器两侧的电压之比，pt变比kpt；

(5)额定电压u，额定电流i。

2)模拟比选择

通过实践与分析表明，模拟比按下式取值：

(1)电压比mu＝u/1.5；

(2)电流比mi＝i/5；

(3)容量比ms＝mu·mi；

(4)阻抗比mz＝mu/mi。

3)计算模型参数

按下式设定计算线路模型参数：

(1)正序阻抗：

x1m＝x1×l÷mz

r1m≤r1×l÷mz

(2)零序阻抗：

x0m＝x0×l÷mz

r0m≤r0×l÷mz

(3)分布电容：

c1m＝c1×l×mz

c0m＝c0×l×mz

(4)金属氧化物避雷器

持续运行电压：

操作冲击电流0.1ka下最大残压小于1.4u，l为线路模型的模拟距离。

半波长交流输电动态模拟系统包括：等值发电机组物理模拟单元、无穷大系统物理模拟单元3w、变压器物理模拟单元、半波长交流输电线路物理模拟单元、金属氧化物避雷器模拟单元、电流互感器物理模拟单元组、录波器单元和控制台，发电机模拟单元通过线路模拟单元连接电网模拟单元。

3、模拟系统的接线设计

发电机模拟单元包括：水轮机模拟控制器/汽轮机模拟控制器、原动机、升压变压器、并网开关、电流互感器、电压互感器和励磁装置。

线路模拟单元包括：故障模拟单元fd和线路开关bkt。

故障模拟单元fd包括：故障位置开关、故障开关和选相开关。

动态模拟系统模拟半波长交流输电系统的运行特征和故障特征。

故障模拟单元fd设置模拟故障点，动态模拟系统在模拟故障点处模拟电网中发生的电气故障。

电气故障包括：单相接地故障、相间短路故障、两相接地故障、三相短路故障和三相接地故障。

半波长交流输电动态模拟系统完成对不同运行工况下半波长线路沿线电压和电流稳态特性的研究，对半波长线路暂态过电压和暂态功角稳定等电气特性进行验证，研究故障点空间位置对故障电气特征差异的影响，开展对现有原理保护及新原理保护的适应性试验验证，实现对半波长交流输电继电保护装置以及系统安全稳定控制装置的检测。

半波长动态模拟系统在模拟故障点处模拟发生电气故障时，系统中将出现工频过电压。模拟故障点位于距首端75％～90％的位置时，故障发生后线路模拟单元的沿线过电压最高，故障发生后系统过电压最高点位于距首端25％～40％位置处。

过电压保护可避免试验过程中出现长时间的过电压击穿moa并进一步损害系统中其他的设备元件，故障情况下，过电压保护装置在半波长交流输电系统过电压最严重的1000km～1500km位置处，半波长交流输电动态模拟系统过电压保护由过压保护控制字进行功能投入。过压保护的电压分别取自各被保护点的三相电压uan，ubn，ucn，设定过电压保护策略包括：

过电压保护动作出口逻辑：a)任一电压uab、ubc或uac大于保护定值；b)线路开关(断路器)在合位；c)满足保护延时时间(可为零)。

即，当过电压保护控制字为“1”且保护位置的半波长线线路开关在合位，经可整定的动作时间δt满足动作条件时，保护出口跳开半波长线路开关。

半波长交流输电动态模拟系统的过电压保护方法，具体采用二段式过电压保护，包括：过压ⅰ段和过压ⅱ段两种情况：

1)过压ⅰ段按保护系统设备不受过电压损害整定，保护定值按高于moa的限制电压，低于系统设备的耐压水平时整定，瞬时动作；

当被保护位置的电压达到过压ⅰ段的保护定值时，安装在该位置的过电压保护动作线路两侧的断路器跳开。

其中，过压ⅰ段保护定值udz1＝krel1ur式中，可靠系数krel1＝1.05～1.1；

当被保护位置的电压达到保护定值时，安装在该位置的过电压保护就能立即启动，完成出口跳闸。

2)过压ⅱ段按避免moa长时间导通来整定，防止过电压时间过长导致moa击穿，过电压ⅱ段的保护定值低于moa限制电压，并且带一定动作延时；

当被保护位置的电压达到过压ⅱ段的保护定值时，经动作延时δt后，保护启动出口跳闸，动作延时δt按小于moa的最长导通时间来设定；

其中，过压ⅱ段保护定值udz2＝krel2ur，式中，可靠系数：krel2＝0.9～0.95；

动作延时δt＜tmax，tmax为moa的最长导通时间。

过压ⅰ段在电压大于moa的耐压水平时可瞬时动作，防止系统设备受到试验过程中可能出现的过电压的损害。过压ⅱ段按moa的限压水平来整定，其电压整定值较ⅰ较小，并且带一定的动作时限，即动作延时δt，其主要是为防止系统故障运行状态时间过长，出现的长时间过电压使得moa泄流时间过长，导致moa击穿。动作时限δt大于系统故障切除时间，小于moa允许持续导通的时间。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种半波长交流输电模拟系统的过电压保护装置，下面进行说明。

本发明提供的装置可以包括：

电压采样模块，用于采集半波长交流输电动态模拟系统中被保护位置的电压；

过电压保护定值整定模块，用于基于预设的二段式过电压保护整定原则，整定二段式过电压保护定值；

过电压保护策略执行模块，用于基于二段式过电压保护定值及被保护位置的电压，执行过电压保护策略。

过电压保护定值整定模块，可以包括：过压ⅰ段保护定值整定子模块和过电压ⅱ段保护定值整定子模块；

过压ⅰ段保护定值整定子模块，用于设定过压ⅰ段的保护定值大于金属氧化物避雷器的限制电压，并且小于系统设备耐压水平；

过电压ⅱ段保护定值整定子模块，用于设定过压ii段的保护定值小于金属氧化物避雷器的限制电压。

过电压保护策略执行模块，可以包括：过压ⅰ段保护策略子模块和过压ⅱ段保护策略子模块；

过压ⅰ段保护策略子模块，用于当被保护位置的电压达到过压ⅰ段的保护定值时，过电压保护动作；

过压ⅱ段保护策略子模块，用于当被保护位置的电压达到过压ⅱ段的保护定值时，并经延时预设时间后，过电压保护动作；

延时预设时间按小于金属氧化物避雷器的最长导通时间来设定。

过压ⅰ段的保护定值udz1＝krel1ur；

udz1为过压ⅰ段的保护定值，过压ⅰ段的可靠系数krel1＝1.05～1.1，ur为金属氧化物避雷器的限制电压。

过压ⅱ段的保护定值udz2＝krel2ur且δt＜tmax；

udz2为过压ⅱ段的保护定值，过压ⅱ段的可靠系数krel2＝0.9～0.95，ur为金属氧化物避雷器的限制电压，δt为过压ⅱ段的延时预设时间，tmax为金属氧化物避雷器的最长导通时间。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。