第 1 章  緒  論

1.1  研究背景及意義
近 30 年來國(guó)內(nèi)外頻繁發(fā)生的大停電事故使社會(huì)和人們的生活遭受了非常嚴(yán)重的影響，并且?guī)砹朔浅４蟮慕?jīng)濟(jì)損失。因此，許多國(guó)家與組織都提出建設(shè)安全、經(jīng)濟(jì)、靈活、清潔、友好的智能電網(wǎng)，將智能電網(wǎng)作為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向。未來幾十年，對(duì)我國(guó)來說，是全面建設(shè)小康社會(huì)，向工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化、產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化深入推進(jìn)的重要時(shí)期，也是邁向資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì)并加強(qiáng)節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)，體現(xiàn)國(guó)家責(zé)任的關(guān)鍵時(shí)期。而作為重要能源的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，電力工業(yè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)具有重要意義。故我國(guó)的國(guó)家電網(wǎng)公司在深入分析中國(guó)國(guó)情和探索電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，與中國(guó)能源供應(yīng)的新形勢(shì)和用電服務(wù)的新需求相結(jié)合，提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、自動(dòng)化等特征的堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)。而構(gòu)建智能輸電網(wǎng)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）。FACTS 裝置對(duì)電壓、阻抗和功角等電氣量進(jìn)行快速、頻繁、連續(xù)的控制，突破傳統(tǒng)控制方法的局限性，從而使電網(wǎng)更加靈活與可控。而且由于我國(guó)能源供應(yīng)與消費(fèi)呈現(xiàn)逆向分布特征，需要采用先進(jìn)的輸電技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗和高效率的電能輸送，而FACTS 技術(shù)可以在現(xiàn)有設(shè)備不做重大改動(dòng)的條件下充分發(fā)揮電網(wǎng)的輸電潛力[1]，這也就決定了 FACTS 技術(shù)將在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 由于  GTO、IGBT  等器件的出現(xiàn)，以及相控、脈寬調(diào)制（PWM）等技術(shù)的成熟，電力電子逆變技術(shù)得到了快速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的并聯(lián)補(bǔ)償元件，如靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），基于瞬時(shí)無功功率的原理，采用全控型開關(guān)器件（如 GTO 和  IGBT）組成自換相逆變器，并利用小容量的儲(chǔ)能元件（如電容器）來構(gòu)成無功補(bǔ)償裝置。它通過對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償來維持節(jié)點(diǎn)電壓，從而改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能。與靜止無功補(bǔ)償器（SVC）相比，其調(diào)節(jié)速度快、連續(xù)調(diào)節(jié)范圍寬、諧波電流小、損耗低，而且所用電抗器和電容器容量及安裝面積均大大降低。因此，STATCOM 近年來得到的應(yīng)用越來越多。 
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1.2 研究現(xiàn)狀
國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）最早提出了 FACTS 元件對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響的研究課題[3]。FACTS 元件對(duì)于繼電保護(hù)影響的研究主要有以下幾方面[4][5]：(1) FACTS 元件的安裝地點(diǎn)和補(bǔ)償模式對(duì)保護(hù)的影響；(2) FACTS 元件在進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)引起系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)保護(hù)的影響；(3) FACTS 元件自身產(chǎn)生的暫態(tài)分量對(duì)保護(hù)的影響；(4)FACTS 的控制策略的不同對(duì)保護(hù)的影響。 FACTS 元件裝設(shè)在不同位置會(huì)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生的相異的影響[6]，如串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備裝設(shè)在線路兩側(cè)時(shí)，可能會(huì)引起電壓與電流的反向，兒當(dāng)裝設(shè)在線路中間則不會(huì)出現(xiàn)這種狀況。除此之外，容性補(bǔ)償模式下的 FACTS 與感性補(bǔ)償模式下對(duì)保護(hù)也會(huì)產(chǎn)生相異的影響。例如當(dāng) SSSC 處于容性補(bǔ)償時(shí)，隨著注入無功的增大，測(cè)量阻抗的電阻和電抗值都在減小，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；處于感性補(bǔ)償時(shí)，隨著注入無功的增大，測(cè)量阻抗的電阻和電抗值都在增大，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。 為了解決以上問題帶來的影響，研究人員提出了 SSSC 串補(bǔ)線路中小波包熵法[7]，基于無通道暫態(tài)量保護(hù)原理的方法[8]，通過檢測(cè)故障噪聲在頻域內(nèi)的特性來區(qū)分保護(hù)區(qū)、內(nèi)外故障等。有的解決問題的思路是對(duì)原有保護(hù)進(jìn)行升級(jí)改造[9]，但是無法克服其固有的缺陷，同時(shí)其可靠性與靈敏性也較差。 FACTS 元件在不同的工作狀態(tài)下會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，而這些調(diào)節(jié)引起系統(tǒng)參數(shù)變化會(huì)對(duì)保護(hù)造成影響。因此研究人員針對(duì) FACTS 元件對(duì)保護(hù)的影響進(jìn)行了詳細(xì)地分析和仿真[10-11]。以 UPFC 對(duì)距離保護(hù)的影響為例，UPFC 的串聯(lián)側(cè)注入電壓和并聯(lián)側(cè)的無功電流會(huì)對(duì)測(cè)量阻抗產(chǎn)生一個(gè)增量，如果測(cè)量阻抗大于線路傳輸阻抗則保護(hù)會(huì)拒動(dòng)。為解決上述問題，給出了兩種具體的策略[12]：一種是自適應(yīng)調(diào)整整定阻抗[13]，，根據(jù)保護(hù)整定值的自適應(yīng)調(diào)整來消除距離保護(hù)的欠范圍拒動(dòng)與超越誤動(dòng)；一種是修正測(cè)量阻抗，通過消除測(cè)量阻抗中的產(chǎn)生的增量來使保護(hù)能夠正確動(dòng)作。 
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第 2 章  STATCOM 工作原理及模型

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是一種基于電壓源換流器（VSC）的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，是第二代 FACTS 設(shè)備的代表。STATCOM 以電壓源換流器為核心，直流側(cè)采用電容器作為儲(chǔ)能元件，VSC 將直流電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流電壓，通過連接電抗器或耦合變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。 

2.1 STATCOM 工作原理

如圖 2-1 所示為 STATCOM 的原理示意圖，直流側(cè)的電容為 STATCOM 提供直流電壓支撐，GTO 逆變器由多個(gè)逆變器組成，其主要功能是將直流電壓轉(zhuǎn)為交流電壓，并利用驅(qū)動(dòng)脈沖來控制其輸出電壓的大小、相位和頻率。連接變壓器的作用是使輸出電壓等級(jí)與系統(tǒng)電壓一致，從而使 STATCOM 裝置可以并聯(lián)到電力系統(tǒng)中，其漏抗可以起到限流的作用，以防發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生過大的電流。 通過控制 VSC 的輸出電壓即可控制 STATCOM 與電網(wǎng)之間的無功交換。若U1>Ug，  STATCOM 向系統(tǒng)發(fā)出無功；若 UsUg，則其相量圖如圖 2-2 所示。 

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2.2 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型
如果按照裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化建立裝置的微分方程，然后分別求解，建立的數(shù)學(xué)模型是非常復(fù)雜的，特別是隨著開關(guān)器件數(shù)量的增多，其復(fù)雜程度會(huì)急劇增大，故按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分析非常困難。而在實(shí)際研究中，我們更關(guān)心裝置的主要特性，如輸入輸出特性等，因此要建立能反映裝置主要特性的數(shù)學(xué)模型，而并不需要關(guān)心裝置中具體某個(gè)開關(guān)器件某時(shí)刻的電流，只需要保證該電流不超過允許電流，不會(huì)導(dǎo)致元件工作異�；蚬收霞纯伞９氏旅胬幂斎胼敵鎏匦詠斫TATCOM 的數(shù)學(xué)模型。 STATCOM 的控制系統(tǒng)是 STATCOM 的核心之一，其通過產(chǎn)生并控制開關(guān)元件的脈沖來控制裝置的運(yùn)行。對(duì) STATCOM 的控制系統(tǒng)有如下要求：（1）控制速度快；（2）高精度的控制脈沖；（3）多功能多目標(biāo)控制。 根據(jù)不同的要求，STATCOM 的控制方法不同。目前 STATCOM 的控制方法可分為電流直接控制和間接控制。所謂直接控制，即對(duì) STATCOM 的輸出電流波形瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制；而間接控制，即通過控制 STATCOM 中產(chǎn)生的交流電壓基波的幅值和相位，來達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的。STATCOM 裝置有兩種常用的控制方法，一種是基于比例積分（PI）的無功功率控制方法，另一種為基于比例（P）的控制系統(tǒng)電壓的方法。本文所用的 STATCOM 模型是基于 PI 的無功功率控制方法。 
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第 3 章  含 STATCOM 的線路選相新方法 .......... 11
3.1  相電流差突變量選相的問題 .......... 11 
3.2 STATCOM 補(bǔ)償度分析 .......... 16 
3.3  含 STATCOM 線路故障特征分析及選相方案設(shè)計(jì) ..... 17 
3.3.1  故障特征分析 ....... 17 
3.3.2  選相方案設(shè)計(jì) ....... 19 
3.4  仿真驗(yàn)證 .......... 20 
3.5  本章小結(jié) .......... 23 
第 4 章  STATCOM 線路距離保護(hù)測(cè)量阻抗改進(jìn)算法 ........ 24 
4.1 STATCOM 對(duì)傳統(tǒng)距離保護(hù)的影響分析 ....... 24
4.2  基于對(duì)稱分量法的測(cè)量阻抗改進(jìn)算法 .......... 27 
4.3  改進(jìn)的距離保護(hù)方案 ...... 31 
4.4  仿真驗(yàn)證 .......... 32 
4.5  本章小結(jié) .......... 37 
第 5 章  含 STATCOM 的線路在線校核順序研究 ....... 38 
5.1  基于網(wǎng)絡(luò)凝聚度的線路重要度評(píng)估 ...... 38 
5.1.1  無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)和小世界效應(yīng) ........... 38 
5.1.2  網(wǎng)絡(luò)凝聚度 ........... 38 
5.2  基于線路介數(shù)的線路重要度評(píng)估 .......... 41
5.3  含 STATCOM 的線路綜合重要度評(píng)估 ......... 43 
5.4  仿真驗(yàn)證 .......... 44 
5.5  本章小結(jié) .......... 48 

第 5 章  含 STATCOM 的線路在線校核順序研究
隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，人們對(duì)于電網(wǎng)的可靠性提出了越來越高的要求。繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中極為重要的二次設(shè)備，是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。而近年來發(fā)生的多次大規(guī)模停電事故[40-42]均與繼電保護(hù)有非常大的關(guān)聯(lián)。而保護(hù)定值的合理性又是其中的重中之重。而在系統(tǒng)中靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的廣泛應(yīng)用[43-44]，也會(huì)使保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。 為了保證定值的合理性，研究人員提出了在線校核，即獲取電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)中各種繼電保護(hù)的性能進(jìn)行在線校驗(yàn)。而在線校核的關(guān)鍵是快速性，目前針對(duì)在線校核的快速性方面研究主要分為兩種：一種是研究提高在線校核的計(jì)算速度，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成在線校核的過程；另一種是對(duì)所有的保護(hù)進(jìn)行排序，對(duì)于重要的保護(hù)優(yōu)先進(jìn)行校核。 隨著電網(wǎng)的規(guī)模和復(fù)雜程度日益增大，一味追求保證所有的保護(hù)定值合理，會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和消耗大量的計(jì)算資源，不但與保護(hù)的四性要求相悖，而且也與經(jīng)濟(jì)性要求不符。所以對(duì)于電網(wǎng)各個(gè)保護(hù)的校核順序要予以區(qū)分。相比于普通線路，含 STATCOM 線路，受其注入的補(bǔ)償電流影響，在發(fā)生故障時(shí)，其周圍的線路保護(hù)更容易發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)[45]，因此對(duì)于這種情況還要考慮并補(bǔ)元件的影響因素，從而對(duì)于關(guān)鍵和重要線路的保護(hù)優(yōu)先進(jìn)行校核，利用有限的資源最大限度地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
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結(jié)論

STATCOM 是 FACTS 元件中的重要元件之一，能夠改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和輸電系統(tǒng)中功率振蕩的阻尼，實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)電壓和電壓閃變的控制，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也越來越廣泛。但是其補(bǔ)償過程不可避免地對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生了較大的影響，因此展開 STATCOM 對(duì)繼電保護(hù)的影響研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文在分析了 STATCOM 補(bǔ)償電流產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，提出了適用于并補(bǔ)線路的選相新方法和距離保護(hù)測(cè)量阻抗的改進(jìn)算法，并進(jìn)行了含 STATCOM 的電網(wǎng)線路保護(hù)的在線校核順序研究。對(duì)上述研究進(jìn)行總結(jié)，得出了以下結(jié)論： 
（1）對(duì)并補(bǔ)線路上的相電流差突變量進(jìn)行的分析表明，相電流差突變量的故障特征在并補(bǔ)線路上發(fā)生了變化，導(dǎo)致了選相結(jié)果不正確。引入 STATCOM 補(bǔ)償電流與保護(hù)安裝處電流之比來體現(xiàn)補(bǔ)償度的變化，依據(jù)發(fā)生故障時(shí)故障相與非故障相的補(bǔ)償度突變量之間時(shí)差特征的不同，實(shí)現(xiàn)了并補(bǔ)線路上的故障選相。該方法構(gòu)成簡(jiǎn)單，在故障開始一個(gè)周期內(nèi)即可準(zhǔn)確判定故障類型，有效地解決了由于 STATCOM 的影響而帶來的選相不正確問題。 
（2）理論分析了 STATCOM 的補(bǔ)償電流使距離保護(hù)產(chǎn)生欠范圍拒動(dòng)和超越誤動(dòng)問題，綜合考慮 STATCOM 補(bǔ)償電流和兩側(cè)保護(hù)的電壓電流，提出了一種距離保護(hù)測(cè)量阻抗改進(jìn)算法。該方法以不同故障類型時(shí)的電壓邊界條件為約束，計(jì)算出測(cè)量阻抗，不僅有效地消除了由 STATCOM 補(bǔ)償電流帶來的附加阻抗以及補(bǔ)償電流對(duì)過渡電阻的放大現(xiàn)象，而且計(jì)算過程中避免了大量的復(fù)數(shù)計(jì)算，適合應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)。 
（3）由于 STATCOM 的加入，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)更容易發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。為解決因電網(wǎng)加入 STATCOM 后對(duì)保護(hù)的影響而產(chǎn)生的在線校核順序問題，提出一種含有 STATCOM 的線路保護(hù)重要性評(píng)估方法。該方法以線路整體為研究對(duì)象，從電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率傳輸影響以及并補(bǔ)影響等各方面對(duì)線路重要程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并據(jù)此對(duì)保護(hù)進(jìn)行在線校核，與其它方法的對(duì)比分析證明了本方法的合理性和有效性，避免了無序隨機(jī)校核帶來的對(duì)時(shí)間和資源的浪費(fèi)，提高了含 STATCOM 電網(wǎng)的在線校核的效率。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：44514