半波长交流输电线路保护方案及装置研制

吴通华, 洪 丰, 郑玉平, 柳焕章, 林湘宁, 王兴国

(1. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 河海大学能源与电气学院, 江苏省南京市 210098; 4. 国家电网公司华中分部, 湖北省武汉市 430077; 5. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074; 6. 中国电力科学研究院, 北京市 100192)

半波长交流输电线路保护方案及装置研制

吴通华1,2,3, 洪 丰2, 郑玉平1,3, 柳焕章4, 林湘宁5, 王兴国6

(1. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市211106; 2. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 河海大学能源与电气学院, 江苏省南京市 210098; 4. 国家电网公司华中分部, 湖北省武汉市 430077; 5. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074; 6. 中国电力科学研究院, 北京市 100192)

半波长线路输电距离远,故障特征与常规输电线路差异显著。针对半波长线路对保护带来的挑战,基于自由波能量保护、同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护等半波长保护原理,设计了实用的半波长线路保护方案,确保近端故障单端量保护快速动作,远端故障双端量保护全线速动。针对半波长线路保护算法复杂、计算量大、采样率要求高、纵联通道延时长等难题,设计了基于中央处理器+双数字信号处理器(CPU+双DSP)的系统构架,提出了保护逻辑分处理器及分调度周期处理、假同步差动阻抗保护采样数据回退处理等关键技术,形成完整的半波长线路保护装置软硬件实现方案。经实时数字仿真(RTDS)试验和动模试验验证,所研制保护装置各项动作行为、性能指标均满足半波长输电线路安全运行要求。

半波长线路; 自由波能量保护; 差动阻抗保护; 假同步; 回退机制; 通道延时

0 引言

近年来,随着大规模新能源超远距离输送和全球能源互联网的推进,半波长输电作为一种适用于大规模电力超远距离输送方案得到了广泛关注[1-9]。2016年国家电网公司将半波长输电技术列为重大专题,并开展研究。

经过几十年的发展,常规线路微机保护装置的保护原理、软硬件实现技术已日臻成熟。但由于半波长输电线路电气特性、故障特征与常规线路差异显著[10],现有保护原理在半波长输电线路上遇到了很大挑战。

对于电流差动保护,由于半波长线路故障后沿线电压呈现非线性、不单调的波动特征,线路沿线电容电流无法准确计算,现有电容电流补偿方式失效[11];半波长线路中部故障时,差动电流接近于零,现有差动保护算法失效;线路故障后,电磁波传播及通道传输延时较长,差动保护动作时间不能满足速动性的要求,因此差动保护无法直接应用于半波长线路[12]。

对于距离保护,半波长线路测量阻抗随故障点位置非线性变化,线路的空间距离与电气距离不再呈线性关系,无法区分线路首端及正向出口故障,存在严重的正向超越,距离保护不再适用[10]。

方向元件虽然不受半波长线路影响,但是利用方向元件构成纵联方向保护时,与差动保护类似,受电磁波传播和通道传输延时影响,不能满足速动性要求。

为解决半波长输电继电保护问题,国家电网公司将半波长输电继电保护列入继电保护发展纲要重点研究方向,相关高校和科研单位对该问题进行了深入研究。但由于半波长输电是新生事物,其继电保护问题也是研究热点,现阶段各种保护原理和观点处于百家争鸣状态,学术上可能还存在各种观点的碰撞。限于篇幅,本文着重于阐述半波长保护装置的基本原理与实现,有关半波长保护理论问题本文不做讨论。

文献[13]提出基于最优差动点的半波长线路差动保护方法。文献[14]利用故障点补偿电压和补偿电流构建伴随阻抗。文献[15]在此基础上利用本侧电流与对侧一周期前电流补偿到故障点计算差流,该伴随阻抗称为假同步阻抗,相比于文献[14],该方法速度更快。文献[16-17]提出了利用线路中故障自由分量传播特性构建的自由波能量保护原理及选相方法。以上文献研究了半波长线路单端量保护、双端量保护,构建了较为完善的半波长输电线路保护理论。

相比于传统线路保护,文献[13-17]所述半波长保护原理存在算法相对复杂、计算量大，且部分保护需要宽频采样,对采样率要求较高等问题。另一方面,由于半波长输电距离远长于常规线路,纵联通道延时远大于常规线路,现有保护无法适应。

针对半波长线路在保护算法及装置软、硬件实现上带来的挑战,本文给出了实用的半波长线路保护方案,设计了基于中央处理器+双数字信号处理器(CPU+双DSP)的系统构架,提出了保护逻辑分处理器及分调度周期处理、假同步差动阻抗保护采样数据回退处理等关键技术,形成了完整的半波长线路保护装置实现方案。经实时数字仿真(RTDS)试验和动模试验验证,所研制保护装置满足半波长输电线路安全运行要求。

1 半波长线路保护方案

根据文献[13-17]保护原理,设计半波长线路保护完整解决方案,在保护功能上,保护元件由高灵敏度的启动和测距元件[13]、双端量保护、单端量保护构成。双端量保护包括同步差动阻抗保护[13-14]和假同步差动阻抗保护[15],单端量保护为自由波能量保护[16-17]。整个半波长线路完整保护逻辑构成如图1所示。

图1 半波长线路保护逻辑构成Fig.1 Protection logic constitution of half-wavelength transmission line

1.1 启动元件及测距元件

1.1.1启动元件

保护设置了高灵敏度的行波启动元件:

(1)

|Δf(t)|=|f(t)-f(t-T)|>Iset_qd

(2)

式中:ΔiA(t),ΔiB(t),ΔiC(t)分别为三相电流的变化量;Iset_qd为启动门槛定值。当满足式(2)条件时该元件启动。

行波启动元件能够保证保护在各种故障类型下快速启动,为测距的精确性提供前提条件。保护装置还设置了包括电流突变量和零序过流逻辑的保护启动元件。

1.1.2测距元件

当半波长输电线路发生区内故障时,同步差动阻抗保护需要通过快速确定故障点大致位置以选择最优差动点进行差动保护计算。因此装置设有高灵敏度的测距元件,其原理是利用半波长线路区内故障时,本侧启动时刻tl与对侧启动时刻tr的时间差定位故障点,得到相对于本侧的故障测距l[13]:

(3)

式中:l为保护安装处至故障点的测距值。

由式(3)可知,测距精度由启动时刻tl和tr的准确性决定,而启动时刻的准确性取决于启动元件的灵敏性和装置采样中断间隔时间的长短。行波启动元件灵敏度高,从而保证启动时刻为保护装置感受到故障的时刻。由于采样频率影响,可能发生启动时刻在两个采样点间的情况,此时测距结果会产生一个采样间隔的误差,可以通过提高保护采样频率来缩短采样中断间隔时间,从而提高测距准确性。例如:采样频率为1 200点/s(1.2 kHz,下同)时,理论测距误差小于±125 km;采样频率为2.4 kHz时,理论测距误差小于±62.5 km。本文启动和测距元件的采样频率设定为2.4 kHz,考虑到在一些极端情况(如线路空载经过渡电阻故障)下,因故障特征不明显造成行波启动不能及时动作,测距结果会出现±125 km的误差,但仍能满足差动保护对于最优差动点的要求[13]。

1.2 同步差动阻抗保护

半波长输电线路沿线电压呈非线性、非单调特征,现有对差流进行电容电流集中补偿的方法不适用,需要利用长线方程进行电压、电流的补偿[13]:

(4)

利用补偿到测距点处的补偿电压和补偿电流构造同步差动阻抗保护[14],动作特性如式(5)、式(6)所示:

(5)

zdif_sync

(6)

为满足保护速动性和灵敏性的不同要求,同步差动阻抗保护设置一段不经延时的分相差动阻抗保护,用于快速判别金属性故障,设置一段经30 ms延时的零序差动阻抗保护,用于识别线路高阻故障。

同步差动阻抗保护解决了半波长线路电容电流补偿和差动定值整定困难的问题,能够保护线路全长,但由于其动作时间受纵联通道延时影响,半波长线路通道延时一般均较长,因此保护动作速度较慢。同时在保护计算过程中需要进行多个长线方程补偿计算,计算量较大,对保护装置的处理器运算能力提出较高要求。

1.3 假同步差动阻抗保护

假同步差动阻抗保护以本侧电流和对侧一个周期前的电流分别补偿到测距点处再计算差流。结合本侧电压补偿到测距点处的电压计算假同步差动阻抗,进而构造假同步差动阻抗保护[15],动作特性如式(7)、式(8)所示:

(7)

zdif_nosync

(8)

该保护和同步差动阻抗保护相比,优势在于无需完全依靠两端同一时刻数据,而是采用了对侧前一周期数据,节省了20 ms的时间,比同步差动阻抗保护更快速动作,较好地弥补了同步差动阻抗保护由于通道延时较长导致保护动作速度慢的问题。但假同步差动阻抗保护由于采用没有完全同步的双端电气量进行计算,在某些情况下该元件不能完全反应于故障特征。为解决该问题,需将该保护元件结合其他条件,构成允许式、测距式和闭锁式的假同步差动阻抗保护[15]。

假同步差动阻抗保护计算过程中，同样需要进行多个长线方程补偿计算,计算量较大。另一方面,还需对双端同步采样的电气量进行数据回退处理,以获取一周期前对侧数据和当前点本侧数据进行差动计算,实现上较为复杂。

1.4 自由波能量保护

半波长输电线路发生区内故障时,在故障点产生的电流自由分量在线路及母线中传播与反射形成自由波。近端故障时,自由波来回反射次数多,保护获取的自由波能量聚积迅速;远端和反向故障时,自由波来回反射次数少,保护获取的自由波能量聚积缓慢。根据自由波的这一特点,对保护获取的自由波功率在一定时间内积分得到自由波能量,并根据能量的大小判断故障点的位置[16],构成自由波能量保护:

(9)

w(t)>Wset

(10)

式中:iA(t),iB(t),iC(t)分别为三相电流的自由分量;w(t)为电流自由波的能量;Wset为预设自由波能量定值,满足式(10)时自由波能量保护动作。该保护元件分为不经延时的前半周自由波能量保护和经10 ms延时的后半周自由波能量保护,分别用于近端故障和较远处故障的判别。

相比于传统工频量保护,自由波能量保护由于自由分量在半波长线路中，以波的形式的传输过程中含有大量的谐波分量,为尽可能多地提取自由波能量,加快保护动作速度,提高保护灵敏度,对装置的采样频率提出较高要求,至少需达到2.4 kHz才能满足其需求。

1.5 半波长线路保护体系

自由波能量保护作为单端量保护,近端故障快速动作,但不能保证全线故障均动作。同步差动阻抗保护为高灵敏度的全线保护,但需要两侧完全同步的数据,动作速度较慢,这样在两者之间就出现了保护的真空期。假同步差动阻抗保护采用本侧数据和对侧一周期前数据,减少了20 ms数据等待时间,比同步差动阻抗保护动作更快,可以作为自由波能量保护和同步差动阻抗保护之间的衔接。因此,半波长线路保护的三类保护动作元件是一个有机整体,相辅相成,构成如图2所示的完整保护体系。

图2 半波长线路保护体系Fig.2 Protection system mechanism of half-wavelength transmission line

2 装置软硬件实现方案

2.1 半波长保护硬件新需求

半波长输电线路保护在保护原理上相比于常规输电线路保护发生了重大革新,由于半波长保护算法的特殊性,对保护装置的硬件也提出了一些新的需求。

1)主处理器高速运算能力需求。半波长线路保护由启动元件、测距元件、差动阻抗元件、假同步差动阻抗元件、自由波能量元件等诸多保护模块构成,尤其是差动阻抗元件的多个长线方程补偿算法复杂、计算量大,对装置主处理器的运算能力提出了较高要求。

2)数据宽频采样需求。半波长线路保护各保护元件对采样频率有不同需求。其中同步差动阻抗保护、假同步差动保护采用常规超高压线路保护装置主流的1.2 kHz采样频率即可满足需求。但启动元件、测距元件和自由波能量保护对采样频率要求较高,为提高保护灵敏性、快速性或测距精度,建议采样频率应不小于2.4 kHz。若所有保护元件均采用2.4 kHz高速采样,处理器需要在一个中断周期(416 μs)内完成所有保护功能计算,这无疑又进一步提高了对处理器的要求。

2.2 保护装置系统框架

本文在成熟的超高压线路保护硬件平台基础上研制半波长输电线路保护装置。整个硬件框架由电源模块、交流量输入模块、模数转换器(ADC)模块、开入模块、开出模块、CPU模块、管理CPU模块和人机接口等模块构成。

传统超高压线路保护一般采用单CPU+DSP的模式,CPU完成管理和保护启动功能,DSP完成保护逻辑功能。考虑到半波长线路保护运算量大,单DSP难以同时完成所有功能计算，本文采用CPU+双DSP构架,整个硬件框架如图3所示。图中:FPGA为现场可编程门阵列;RAM为随机存取存储器。

图3 半波长线路保护硬件框架示意图Fig.3 Schematic diagram of hardware framework for half-wavelength transmission lines protection

2.3 关键技术

2.3.1功能分处理器、分调度周期处理机制

根据不同保护元件对采样频率和任务调度周期的不同需求,将保护功能分别放在两个DSP中处理。如图4所示,电流突变量启动、零序过流启动、假同步差动阻抗保护、同步差动阻抗保护在DSP1中执行,其任务调度周期(INT0)为833 μs(1.2 kHz);电流突变量启动、零序过流启动、行波启动、测距元件和自由波能量保护元件在DSP2中执行,其任务调度周期(INT1)为416 μs(2.4 kHz),DSP1和DSP2通过双口RAM进行数据交互。

系统运行时,FPGA1产生INT0(1.2 kHz)中断给DSP1使用,由于DSP1要进行差动阻抗保护计算,为实现两侧数据的同步,需通过调整INT0间隔长短实现两侧采样同步,具体做法如下:线路两端分别设为主、从机,主机按固有中断间隔触发采样中断,从机侧需通过实时调整INT0间隔长短实现两侧同步采样。FPGA1产生INT1(2.4 kHz)中断给DSP2使用,INT1严格按1/2的INT0间隔时间触发中断,因此INT1的采样间隔也会根据INT0变化实时调整。

图4 保护逻辑分核处理Fig.4 Split core processing of protection logic

不同保护功能分解在两个独立的DSP中以不同的任务调度周期运行,这样简化了程序处理的复杂性,大幅降低了单个DSP的计算处理量。DSP选型上采用在常规超高压线路保护有成熟应用的DSP处理器即可,不必追求超强运算能力的新型DSP处理器,利于提升保护系统成熟度。两个DSP分别设置独立的启动元件,只有当两个DSP的QD1和QD2均动作时,才开放出口继电器正电源,在满足启动条件的同时,两个DSP中的动作元件DZ1或DZ2任一个满足,保护跳闸出口,满足单一元件故障保护不会误动的基本原则。

2.3.2采样截止频率选取原则

为防止采样混叠,保护装置的采样回路中一般均设置RC低通回路,用于滤除高频分量。根据采样混叠定理,若采样频率为1.2 kHz时,其低通截止频率需小于600 Hz。如某超高压线路保护截止频率为483 Hz,可滤除9.66次以上谐波,若用于半波长线路保护,由于差动阻抗保护均基于工频量计算,能满足要求,但不能满足自由波能量保护的要求。

为满足不同保护功能对谐波的不同需求,所研制半波长保护装置,对于同一电气量输入,分别设计两路不同低通截止频率的采样回路,第1路RC回路截止频率为483 Hz,用于所有工频量保护元件;第2路RC回路截止频率为1 000 Hz,用于自由波能量保护,该回路滤除20次以上谐波。图5所示为不同截止频率下自由波能量保护的动作速度示意图,显然提高采样截止频率能够明显加快正向故障时自由波能量的积累过程,提高自由波能量保护动作速度和灵敏性。

图5 不同采样截止频率下的自由波能量保护动作速度Fig.5 Action speed of free wave energy protection under different cut-off frequencies

2.3.3假同步差动阻抗采样数据回退机制

假同步差动阻抗保护采用本侧当前采样点数据与对侧相同时刻一周期前采样点数据进行差动阻抗计算。为实现这一目标,需完成以下步骤。

步骤1:线路两侧数据同步采样。同传统线路差动保护一样,假同步差动阻抗保护同样需要对线路两侧数据进行同步采样[18-19]。

步骤2:对侧一周期前数据提取。两侧保护实现同步采样后,根据纵联通道延时的长短,对侧一周期前数据可能早于、等于或晚于本侧当前点采样数据到达本侧。为最大限度地提高保护动作速度,需要确保能以最新电气量进行假同步差动阻抗保护计算,提出以下假同步差动阻抗保护采样数据回退机制。

1)当通道延时Tx>工频周期T(20 ms)时,假设本侧当前采样时刻为t,则此时接收到的对侧采样点实际为t-Tx时刻的数据。按照假同步差动阻抗保护的要求,取本侧t时刻与对侧t-T时刻的采样值进行差流计算,但在本侧获取到当前时刻t的采样时,对侧t-T时刻的采样数据还需Tx-T时间后才能到达本侧,如果让本侧等待对侧数据,会造成保护动作延时,而采用本侧t-Tx+T时刻与对侧t-Tx时刻的数据,即本侧当前采样数据回退Tx-T时刻的采样点与收到对侧的采样点进行计算,如图6所示,既能满足假同步差动阻抗保护对采样数据的要求,又能保证两侧使用最新的电气量来计算,提高了保护动作速度。

图6 Tx>T时的采样数据回退机制Fig.6 Sampling data rollback mechanism when Tx>T

2)当通道延时Tx

3)当通道延时Tx=T时,本侧接收到的对侧采样点实际正好为一个工频周期T前的数据,因此无需对数据进行回退处理,直接采用本侧当前采样点和接收到的对侧采样点进行假同步差动阻抗计算。

图7 Tx

采用以上回退机制后,保护在不同通道延时的情况下,均能以最新双端电气量实现假同步差动阻抗保护,提高保护动作速度。

2.3.4超长通道延时适应技术

GBT 14285—2006[20]规定传输线路纵联信息的数字式通道传输时间应不大于12 ms,因此超高压线路保护装置允许的最大通道延时一般为15 ms。半波长交流输电线路输电距离达3 000 km,同时考虑到通道路由迂回等情况,通道延时可能大于20 ms,因此常规超高压线路保护的通道延时测量及差动数据回退机制无法满足半波长线路保护对于保护通道延时的特殊需求。

本文所研制的保护装置通过扩展通道采样数据缓冲区(最大可支持连续6周期数据存储),扩大通道采样点编号(序号0～511)等方法使保护能够适应最大60 ms的通道延时,满足了半波长线路对于保护通道延时的特殊需求。

3 试验验证

按本文方案研制的半波长线路保护样机先后通过RTDS仿真模型和动态物理模型试验测试。限于篇幅,仅以动态物理模型试验为例进行说明。

试验所用线路模型如附录A图A1所示,采用750 kV电压等级的多机无穷大系统,由4台发电机向无穷大系统侧输送功率,线路沿线布置了多个氧化锌避雷器(MOA)设备,两端配置了高速接地开关(HSGS)。M和N两侧为保护安装处,线路参数如附录A表A1所示。

在无穷大系统大小方式情况下,线路输送功率分空载、自然功率和极限功率3种情况,共采用6种运行方式,如附录A表A2所示。

模型共设置11个故障点,如附录A图A1中K1～K11所示:两侧母线,以及距离发电机侧0,400,800,1 200,1 500,1 800,2 200,2 600,3 000 km的线路。故障类型包括:金属性故障、区内永久性故障、发展/转换性故障、经过渡电阻故障、空充和空充于故障、电流互感器断线和电流互感器断线再故障、电压互感器断线和电压互感器断线再故障、通道试验等。以下仅对重点项目的结果进行分析。

3.1 通道延时测试

在光纤通道中串入通道延时设备,通道延时在0～60 ms范围内随机设定,并模拟各种故障。保护装置均能达到以下要求。

1)两侧保护装置均能准确显示通道延时值。

2)正常运行时,两侧保护装置假同步差流和同步差流都为零。

3)区内故障时,假同步差动阻抗保护和同步差动阻抗保护均正确动作;区外故障时,保护不误动。由此可见,半波长保护装置能适应0～60 ms范围通道延时,保护动作行为正确。

3.2 两类差动阻抗保护对比测试

在20 ms和30 ms通道延时情况下,模拟系统运行方式5下的各种故障,记录假同步差动阻抗保护和同步差动阻抗保护动作报文时间。

由附录A表A3可知,在20 ms和30 ms通道延时情况下,同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护均能保证区内金属性故障正确动作,区外故障不误动。在相同通道延时条件下,线路两端故障时,假同步差动阻抗保护的动作速度明显快于同步差动阻抗保护,如果在对侧出口故障,自由波先动作后给本侧发允许信号,假同步差动阻抗保护比同步差动阻抗保护能快近20 ms,故障越靠近线路中点,两者动作速度相差越小。

3.3 整组动作时间测试

投入所有保护功能,在通道延时20 ms情况下,模拟各种故障,记录保护整组动作报文时间,如附录A表A4所示。

对于区内各点金属性故障,线路两侧保护均能保证在30 ms之内可靠动作;对于区内经过渡电阻故障,同步零序差动阻抗保护能够在65 ms内动作。如果通道延时能够进一步缩短,保护动作速度还能加快。对于区外故障,保护可靠不误动。保护各项动作行为及性能指标均满足超(特)高压输电线路保护要求。

4 结论

本文针对现有超高压线路保护装置不适用于半波长交流输电线路的难题,在文献[13-17]基础上,设计了实用的半波长线路保护方案。在成熟的超高压线路保护硬件平台基础上,结合半波长线路保护的特殊需求,提出了具体的软硬件实现方法,所得结论如下。

1)自由波能量保护、同步差动阻抗保护和假同步差动阻抗保护相结合的半波长线路保护方案能够满足半波长输电线路特殊要求。

2)所提基于CPU+双DSP系统架构,保护逻辑分处理器、分调度周期处理机制,根据保护元件不同需求采用不同采样截止频率等半波长保护实现方法,满足了半波长线路保护算法的要求。

3)通过采样点回退机制实现了假同步差动阻抗保护的数据采集,确保保护在不同通道延时的情况下,均能以最新双端电气量实现假同步差动阻抗保护,提高保护动作速度。

4)经实验验证,本文所研制保护设备满足半波长输电线路安全运行要求。

半波长线路作为一种先进的超远距离输电方式,目前为止尚未有过实际工程应用,本文所提半波长输电线路保护方案及保护装置,可为半波长输电线路的可行性研究、真型实验和推广应用提供有益的参考价值,其正确性、实用性和可靠性,仍有待半波长输电实际工程进一步验证。同时,半波长输电线路保护的许多问题,如保护整体配置方案、整定原则及运行管理策略,双回半波长输电线路继电保护,自由波保护的量化理论支撑,假同步差动阻抗的保护性能理论分析等,仍有待下一步完善和研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 王冠,吕鑫昌,孙秋芹,等.半波长交流输电技术的研究现状与展望[J].电力系统自动化,2010,34(16):13-18.

WANG Guan, LÜ Xinchang, SUN Qiuqin, et al. Status quo and prospects of half-wavelength transmission technology[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(16): 13-18.

[2] 孙秋芹,李庆民,吕鑫昌,等.半波长交流输电线路的潜供电弧特性与单相自动重合闸[J].电力系统自动化,2011,35(23):88-94.

SUN Qiuqin, LI Qingmin, LÜ Xinchang, et al. Secondary arc characteristics and single-phase auto-reclosure scheme of half-wavelength transmission lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(23): 88-94.

[3] 曹璞璘,束洪春,董俊,等.半波长输电线路调谐电路接线形式及零序回路补偿必要性[J].电力系统自动化,2017,41(22):33-39.DOI:10.7500/AEPS20170615021.

CAO Pulin, SHU Hongchun, DONG Jun, et al. Connection form of half-wavelength transmission line tuned circuit and compensation necessity for zero-sequence circuit[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(22): 33-39. DOI: 10.7500/AEPS20170615021.

[4] 秦晓辉,张志强,徐征雄,等.基于准稳态模型的特高压半波长交流输电系统稳态特性与暂态稳定研究[J].中国电机工程学报,2011,31(31):66-76.

QIN Xiaohui, ZHANG Zhiqiang, XU Zhengxiong, et al. Study on the steady state characteristic and transient stability of UHV AC half-wave-length transmission system based on quasi-steady model[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(31): 66-76.

[5] SAMORODOV G I, KRASILNIKOVA T G, YATSENKO R A, et al. Comparison between different types of EHV and UHV transmission systems taking account of their forced outages[C]// IEEE Russia Power Tech, June 27-30, 2005, St Petersburg, Russia: 6p.

[6] AREDES M, SASSO E M, EMMERIK E L V, et al. The GTO—controlled series capacitor applied to half-wave length transmission-lines[C]// International Conference on Power Systems Transients, September 28-October 2, 2003, New Orleans, USA: 6p.

[7] TAVARES M C, PORTELA C. Proposition of a half-wave length energization case test[C]// International Conference on Power Systems Transients, June 3-6, 2009, Kyoto, Japan: 107-122.

[8] GATTA F M, LLICETO F. Analysis of some operation problems of half-wave length transmission lines[C]// Proceedings of the 3rd AFRICON Conference, September 22-24, 1992, Ezulwini Valley, Swaziland: 59-64.

[9] 王玲桃,崔翔.特高压半波长交流输电线路稳态特性研究[J].电网技术,2011,35(9):7-12.

WANG Lingtao, CUI Xiang. Research on steady-state operation characteristics of UHV half-wavelength AC power transmission line[J]. Power System Technology, 2011, 35(9): 7-12.

[10] 杜丁香,王兴国,柳焕章,等.半波长线路故障特征及保护适应性研究[J].中国电机工程学报,2016,36(24):6788-6795.

DU Dingxiang, WANG Xingguo, LIU Huanzhang, et al. Fault characteristics of half-wavelength AC transmission line and its impaction to transmission line protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(24): 6788-6795.

[11] 李斌,郭子煊,姚斌,等.适用于半波长线路的贝瑞隆差动改进算法[J].电力系统自动化,2017,41(6):80-85.DOI:10.7500/AEPS20161010005.

LI Bin, GUO Zixuan, YAO Bin, et al. Bergeron model based current differential protection modified algorithm for half-wavelength transmission line[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(6): 80-85. DOI: 10.7500/AEPS20161010005.

[12] 李肖,杜丁香,刘宇,等.半波长输电线路差动电流分布特征及差动保护原理适应性研究[J].中国电机工程学报,2016,36(24):6802-6808.

LI Xiao, DU Dingxiang, LIU Yu, et al. Analysis for differential current distribution and adaptability of differential protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(24): 6802-6808.

[13] 郭雅蓉,周泽昕,柳焕章,等.时差法计算半波长线路差动保护最优差动点[J].中国电机工程学报,2016,36(24):6796-6801.

GUO Yarong, ZHOU Zexin, LIU Huanzhang, et al. Time difference method to calculate the optimal differential point of half-wavelength AC transmission line differential protection[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(24): 6796-6801.

[14] 王兴国,杜丁香,周泽昕,等.半波长交流输电线路伴随阻抗保护[J].电网技术,2017,41(7):2347-2352.

WANG Xingguo, DU Dingxiang, ZHOU Zexin, et al. Adjugate impedance protection of half-wavelength AC transmission line[J]. Power System Technology, 2017, 41(7): 2347-2352.

[15] 周泽昕,柳焕章,李会新,等.一种半波长输电线路的假同步差动保护方法:201610279779.4[P].2016-08-10.

[16] 柳焕章,周泽昕,杜丁香,等.一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法:201610076856.6[P].2016-05-04.

[17] 王德林,柳焕章,周泽昕,等. 一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护选相方法:201610066991.2[P].2016-06-29.

[18] 高厚磊,江世芳,贺家李.数字电流差动保护中几种采样同步方法[J]. 电力系统自动化,1996,20(9):46-49.

GAO Houlei, JIANG Shifang, HE Jiali. Sampling synchronization methods in digital current differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 1996, 20(9): 46-49.

[19] 张延旭,蔡泽祥,竹之涵,等.基于传输延时补偿的继电保护网络采样同步方法[J].电力系统自动化,2015,39(18):81-85.DOI:10.7500/AEPS20140810001.

ZHANG Yanxu, CAI Zexiang, ZHU Zhihan, et al. Network sampling synchronization of relay protection based on transmission delay compensation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(18): 81-85. DOI: 10.7500/AEPS20140810001.

[20] 继电保护和安全自动装置技术规程:GB/T 14285—2006[S].2006.

ProtectionSchemeandDeviceDevelopmentforHalf-wavelengthACTransmissionLines

WUTonghua1,2,3,HONGFeng2,ZHENGYuping1,3,LIUHuanzhang4,LINXiangning5,WANGXingguo6

(1. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control, Nanjing211106, China;2. NARI Technology Co. Ltd., Nanjing211106, China;3. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China;4. Central China Branch of State Grid Corporation of China, Wuhan430077, China;5. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan430074, China;6. China Electric Power Research Institute, Beijing100192, China)

The fault characteristics of half-wavelength transmission line with long transmission distance are significantly different from those of conventional ones. To meet the challenge, a practical protection scheme of half-wavelength transmission line is designed based on the principle of half-wavelength protection such as free wave energy protection, synchronous differential impedance protection, false synchronous differential impedance protection, etc. The proposed scheme forms a system that the single terminal protection clears the near-terminal fault with high speed operation and the remote two-terminal protection achieve rapid fault clearing for whole lines. Since the half-wavelength transmission line protection algorithm has the disadvantages of complex, large amount of calculation, high sampling rate and long channel delay, several key technologies are proposed such as hardware architecture based on CPU and double-DSP, split core processing and split dispatching cycle processing of protection logic and rollback mechanism of false synchronous differential impedance protection sampled data. The complete protection implementation scheme of half-wavelength transmission line protection is formed. At last, the real time digital simulation (RTDS) test and dynamic simulations prove that the protective action and performance index meet all the safety operation requirements of half-wavelength transmission line.

This work is supported by State Grid Corporation of China.

half-wavelength transmission line; free wave energy protection; differential impedance protection; false synchronization; rollback mechanism; channel delay

2017-08-24;

2017-10-25。

上网日期: 2017-11-06。

国家电网公司科技项目“半波长交流输电继电保护理论关键技术研究”。

吴通华(1977—),男,通信作者,博士研究生,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E-mail： wutonghua@sgepri.sgcc.com.cn

洪 丰(1982—),男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E-mail: hongfeng@sgepri.sgcc.com.cn

郑玉平(1964—),男,博士,教授级高级工程师,博士生导师,主要研究方向:电力系统继电保护与控制。E-mail: zhengyuping@sgepri.sgcc.com.cn

(编辑章黎)