CN100477440C - 远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法 - Google Patents

Abstract

一种用于远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法：对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理，得到电压和电流瞬时值，如果输电线路采用电容式电压互感器，将电流采样值或者电流瞬时值经数字电容式电压互感器处理，使得从输电线路一次电气量到用于差动保护计算的瞬时值，电压和电流经过的传变环节基本相同。如果输电线路带并联电抗器，获取流入并联电抗器的电流瞬时值。将输电线路按∏型等值电路处理，由输电线路两侧的电压瞬时值通过数字电容器方法计算出流入∏型电路两侧电容的电流瞬时值。然后将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧的电容和本侧并联电抗器的电流瞬时值得到新的电流瞬时值，最后将线路两侧新电流瞬时值作常规采样值差动保护计算。

Description

远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术，具体涉及一种远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法。

背景技术

远距离输电线路一般是500kV以上电压等级的长线路，其发生内部故障时需要由继电保护装置迅速将故障切除，以减少事故损害程度。差动保护是500kV以上电压等级的线路主保护之一，它能无延时的切除故障。但是为了保证远距离输电线路的差动保护正确、可靠、有选择性的工作，必须克服一个主要障碍，即外部故障和正常运行时，输电线路的分布电容电流不要造成差动保护误动作。但在内部故障时，不要因采取技术措施而降低保护装置的灵敏度。

采样值差动保护主要应用于短线路，由于分布电容电流问题，目前还不能作为远距离线路的主保护。现有技术中对分布电容电流问题国内外采用最多的技术是提高差动保护的动作门槛和基于相量差动保护[2]的电容电流补偿算法。现有这两种技术有如下不足：①提高差动保护的动作门槛将明显降低保护的灵敏度；②基于相量差动保护的电容电流补偿算法，需要计算故障发生后的相量，对暂态分布电容电流补偿效果差，使差动保护延时跳闸。

特高压远距离输电线路的分布电容电流问题更严重的影响到差动保护动作性能。远距离输电线路的能量平衡保护是一种不受分布电容电流影响的保护方案，与基于贝瑞隆模型的纵联差动保护一样，都是建立在远距离输电线路分布参数模型的基础上，保护方案的实现都需要输电线路的精确参数，工程实践有一定困难。而且，500kV以上电压等级的长线路一般都带有并联电抗器，保护电压的获取通常来自电容式电压互感器，由此带来的问题，上述两种保护方案目前尚未提出有效措施解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法，该方法可以解决远距离输电线路保护产生误动作、灵敏度低和动作速度慢的问题。

本发明提供的远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法，其步骤包括：

(1)采集输电线路的电压和电流值；

(2)对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理，其截止频率为50-100赫兹，得到电压和电流瞬时值，如果输电线路采用电容式电压互感器，将电流采样值或者电流瞬时值经数字电容式电压互感器处理；

(3)如果输电线路带并联电抗器，获取流入并联电抗器的电流瞬时值，再将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧并联电抗器的电流瞬时值作为流入输电线路每侧的电流瞬时值，然后进入步骤(4)，否则直接进入步骤(4)；

(4)将输电线路按∏型等值电路处理，由输电线路两侧的电压瞬时值计算出流入∏型电路两侧电容的电流瞬时值，并且将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧的电容的瞬时值电流得到新的电流瞬时值；

(5)将线路两侧新的电流瞬时值作采样值差动保护计算；

(6)根据计算结果，判断是否存在区内故障，如果是，发出跳闸信号，否则转入步骤(1)。

上述步骤(3)和(4)顺序可以互换。

本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种等传变瞬时值差动保护方法。本发明方法适用于远距离输电线路，能够对故障暂态过程中的分布电容电流进行较精确补偿，具有内部故障动作迅速，灵敏度高、外部故障不会引起误动作等优点，保护动作时间一般不长于10毫秒，金属性故障典型动作时间一般不长于5毫秒；目前工程实践中能应用于远距离输电线路的差动保护只有相量差动保护，由于无法对故障暂态过程中的分布电容电流进行精确补偿，一般只有特别严重的金属性故障才能在15毫秒内动作，其他故障一般需20毫秒以上，高阻接地故障动作时间更长。

附图说明

图1为本发明方法的实例的流程示意图。

图2为电力系统单线图；

图3为电容式电压互感器原理结构图；

图4为电容式电压互感器等值电路图；

图5为电气量传变环节；

图6为电感元件电路图，其中，(a)为实际电路，(b)为暂态等值计算电路；

图7为电容元件电路图，其中，(a)为实际电路，(b)为暂态等值计算电路。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明方法的具体步骤包括：

(1)采集的输电线路的电压和电流值；

如图2所示，输电线路MN为被保护线路，线路保护装置分别位于输电线路的两侧。500kV及以上电压等级输电线路一般都采用电容式电压互感器(CVT)，如图3所示。图4是电容式电压互感器等值电路图。输电线路的一次电压经过实际CVT传变后进入保护装置，一次电流经过电流互感器传变后进入保护装置。进入保护装置的电气量信号再经过装置内部小变换器和AD采样两个传变环节形成电压和电流采样值。图5中列出了上述流程。输电线路两侧的保护装置可通过光纤通信交换数据，这样每一侧的线路保护装置都可采用线路两侧的三相电压和电流采样值进行保护计算。

保护装置的采样率为每工频周期48点，采样间隔Δt＝0.02/48秒。

t时刻M侧三相电压采样值表示为u_MA(t)、u_MB(t)、u_MC(t)

t时刻N侧三相电压采样值表示为u_NA(t)、u_NB(t)、u_NC(t)

t时刻M侧三相电流采样值表示为i_MA(t)、i_MB(t)、i_MC(t)

t时刻N侧三相电流采样值表示为i_NA(t)、i_NB(t)、i_NC(t)

(2)判断输电线路是否采用电容式电压互感器，如果是，先将电流采样值经数字CVT处理，再进入步骤(3)，否则直接进入步骤(3)；

将电流采样值经数字CVT处理，就是将表征电容式电压互感器的电容、电感和电阻元件电压和电流关系的微分方程和积分方程离散化处理，微分方程用差分公式表示，积分方程用梯形求和公式表示。以电流采样值为输入量，逐个采样时刻求解离散化以后的数字CVT线性电路，得到经数字CVT处理的电流采样值。

为了使保护装置获得的电压和电流量所经过的传变环节一致，将保护装置获得的电流量经过数字CVT传变后，再进行保护的计算。电流经过的数字CVT电路和电压经过的实际CVT等值电路完全相同，如图4所示。CVT由分压电容、补偿电抗器、中间电抗器、阻尼器等部分组成。

U₁＝[C₁/(C₁+C₂)]U    Ce＝C₁+C₂       (1)

U为实际CVT输入电压，即相电压一次值，U₁为CVT等值电路输入电压；C₁、C₂为实际CVT分压电容；Ce为等效分压电容；L₁为补偿电感和中间变压器的漏感之和，R₁是相应的电阻；R_f、C_f、L_f和r_f为谐振型阻尼器的参数；L_b和R_b则是负载电感和电阻；Lm和Rm则是激磁支路电感和电阻(通常CVT中间变压器铁心不饱和)。

为将图5所示保护装置AD采样获得的电流采样值经数字CVT处理，首先用数值分析的方法对电路中的四个电感元件和两个电容作如下处理：

电感微分方程为：Ldi_jk/dt＝u_j-u_k  (2)

应用梯形积分公式，化为差分方程。

$i_{\mathrm{jk}}\left(t\right)=\frac{1}{R_L}[u_j\left(t\right)-u_k\left(t\right)]+I_L(t-\mathrm{\Δt})---\left(3\right)$

其中R_L＝2L/Δt

$I_L(t-\mathrm{\Δt})=i_{\mathrm{jk}}(t-\mathrm{\Δt})+\frac{1}{R_L}[u_j(t-\mathrm{\Δt})-u_k(t-\mathrm{\Δt})]---\left(4\right)$

这样t时刻电感支路的电压和电流关系可以用图6所示的等值电路代替。用类似的方法作出t时刻电容支路等值电路，如图7所示。

电容微分方程为：Cd(u_j-u_k)/dt＝i_jk    (5)

应用梯形积分公式，化为差分方程。

$i_{\mathrm{jk}}\left(t\right)=\frac{1}{R_C}[u_j\left(k\right)-u_k\left(t\right)]+I_C(t-\mathrm{\Δt})---\left(6\right)$

其中R_C＝Δt/2C

$I_C(t-\mathrm{\Δt})=-i_{\mathrm{jk}}(t-\mathrm{\Δt})-\frac{1}{R_C}[u_j(t-\mathrm{\Δt})-u_k(t-\mathrm{\Δt})]---\left(7\right)$

这样在每一个采样时刻CVT暂态等值电路就变成只包括三种电气元件的简单直流电路：输入电压源，电感电容等值电路的电流源，电阻。输入电压源U₁＝[C₁/(C₁+C₂)]U，U的每个采样时刻的数值等于输入保护装置的相电流的采样值。电感、电容等值电路电流源，其初值可设为零，以后每个时刻的电感等值电路中电流源的数值由前一时刻电感等值电路的电压、电流值按(4)式计算得到，每个时刻的电容等值电路中电流源的数值由前一时刻电容等值电路的电压、电流值按(7)式计算得到。经数字CVT传变后t时刻电流采样值计算步骤如下，被保护线路两侧三相电流采样值在每个采样时刻均执行以下三个步骤，以M侧A相电流为例：

(a)根据相电流的采样值计算t时刻输入电压源U₁的数值；

U₁＝[C₁/(C₁+C₂)]i_MA(t)

(b)根据已知的t时刻输入电压源和电容、电感等值电路中电流源的数值，求解t时刻CVT暂态等值直流电路，得到t时刻各个节点电压和支路电流，其中CVT负载支路压降out即相电流经过数字CVT传变后t时刻采样值；

temp＝U₁

uce＝ice×rce

ul1＝il1×rl1

ulf＝ilf×rlf

ucf＝icf×rcf

ul1＝temp+uce+ul1

i11＝u11/r11

i22＝ulf/r22

i33＝i22+icf

u33＝r33×i33

i44＝u33/r44

u55＝i1b×r1b

i55＝u55/r55

iw＝i11-ilm-i44-i55

out＝iw×ri

(c)由(b)中得到的t时刻各个电感、电容等值电路的电压和支路电流，按照(4)式和(7)式分别计算t+Δt时刻各个电感、电容等值电路电流源的值。

i66＝(temp+uce+ul1-out)/r11

duce＝temp+ul1-i66×(rl1+r1)-out

dul1＝temp+uce-i66×(rce+r1)-out

dulm＝out

i77＝(out+u33)/r44

ducf＝out-i77×rr

i88＝(ducf+ulf)/r22

dulf＝ducf-rf×i88

i99＝(out+u55)/r55

dulb＝out-rb×i99

irem＝ice

ice＝-ice0-2/rce×duce

ice0＝irem

irem＝il1

il1＝il10+2/rl1×dul1

il10＝irem

irem＝ilm

ilm＝ilm0+2/rlm×dulm

ilm0＝irem

irem＝ilf

ilf＝ilf0+2/rlf×dulf

ilf0＝irem

irem＝icf

icf＝-icf0-2/rcf×ducf

icf0＝irem

irem＝ilb

ilb＝ilb0+2/rlb×dulb

ilb0＝irem

以上3个步骤中参数为：

rce＝Δt/2Ce

rl1＝2L₁/Δt

r1m＝2L_m/Δt

rlf＝2L_f/Δt

rcf＝Δt/2C_f

rlb＝2L_b/Δt

rl1＝rce+rl1+R₁

r22＝rlf+r_f

r33＝1/(1/r22+1/rcf)

r44＝r33+R_f

r55＝rlb+R_b

ri＝1/(1/r11+1/R_m+1/rlm+1/r44+1/r55)

(4).对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理，得到滤波后被保护线路两侧三相电压和电流瞬时值。步骤(4)可以在步骤(3)次序之前进行。

低通滤波处理，就是将电压和电流采样值用常规数字低通滤波器滤波处理，本发明要求数字低通滤波器的截止频率为50~100赫兹。

采用截止频率为50赫兹巴特沃斯滤波器，初值设为零，以M侧A相电流为例

at＝0.00392；bt＝-1.81534；ct＝0.83101；

i_MA(t)巴特沃斯滤波器在t时刻M侧A相电流的输出值

i_{MA_X}(t)巴特沃斯滤波器在t时刻M侧A相电流的输入值

i_MA(t)＝i_{MA_X}(t)*at+i_{MA_X}(t-Δt)*2*at+i_{MA_X}(t-2Δt)*at-i_MA(t-Δt)*bt-i_MA(t-2Δt)*ct

以下步骤采用三个空间模量分别进行计算，这三个空间模量分别是，模量1：u_MA(t)-u_MB(t)、i_MA(t)-i_MB(t)、u_NA(t)-u_NB(t)、i_NA(t)-i_NB(t)，模量2：u_MA(t)-u_MC(t)、i_MA(t)-i_MC(t)、u_NA(t)-u_NC(t)、i_NA(t)-i_NC(t)，模量3：u_MB(t)-u_MC(t)、i_MB(t)-i_MC(t)、u_NB(t)-u_NC(t)、i_NB(t)-i_NC(t)。这三组模量也就是通常的相间电流和相间电压，模量1即AB相间电流和相间电压，模量2即AC相间电流和相间电压，模量3即BC相间电流和相间电压。

(5)如果输电线路带并联电抗器，获取流入并联电抗器的电流瞬时值，再将流入输电线路每侧保护的电流瞬时值减去流入本侧并联电抗器的电流瞬时值得到本侧流入输电线路的电流瞬时值；

一般线路保护装置不能直接获取流入并联电抗器的电流瞬时值，可采用数字并联电抗器方法，由输电线路两侧电压瞬时值计算出流入并联电抗器的电流瞬时值。

数字并联电抗器方法，就是将表征并联电抗器的电感和电阻元件电压和电流关系的微分方程离散化处理，微分方程用差分公式表示。由并联电抗器所在线路侧的电压瞬时值，逐个采样时刻求解离散化以后的数字并联电抗器线性电路，得到流入并联电抗器的电流瞬时值。

这里只需计算相间电流，以M侧并联电抗器AB相间电流为例，。

(1)确定初值

当电力系统没有发生故障且三相电压和电流对称时，设当前时刻为t。

用t-n×Δt至t-Δt的数据用全周傅氏算法计算M侧A相电压相量U_MA、B相电压相量U_MB。

求得M侧AB相间电流相量I_MAB＝(U_MA-U_MB)/jωL

则复数相量I_MAB的虚部即t-Δt时刻AB相间电流瞬时值i_MAB(t-Δt)

(2)递推公式

每个采样时刻采用以下公式。

i_MAB(t)＝i_MAB(t-Δt)+0.5(u_MA(t)-u_MB(t)+u_MA(t-Δt)-u_MB(t-Δt))×Δt/L

注：i_MAB(t)＝i_MAL(t)-i_MBL(t)

i_MAB(t-Δt)＝i_MAL(t-Δt)-i_MBL(t-Δt)

L为并联电抗器的正序电感值

i_MAL(t)为t时刻并联电抗器A相电流瞬时值

i_MBL(t-Δt)为t-Δt时刻并联电抗器B相电流瞬时值

用同样的方法可计算出M侧并联电抗器BC相间电流i_MBC(t)和CA相间电流i_MCA(t)，N侧并联电抗器AB相间电流i_NAB(t)、BC相间电流i_NBC(t)和CA相间电流i_NCA(t)

(6)将输电线路按∏型电路处理，即由输电线路两侧的电压瞬时值通过数字电容器方法计算出流入∏型电路两侧电容的电流瞬时值，并且将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧的电容的电流得到新的电流瞬时值；

数字电容器方法，就是将表征输电线路∏型等值电路的电容元件电压和电流关系的积分方程离散化处理，积分方程用梯形求和公式表示。由电容元件所在线路侧的电压瞬时值，逐个采样时刻求解离散化以后的数字电容器线性电路，得到流入电容器的电流瞬时值。

这里只需计算相间电流，初值设为零。

以流入∏型电路M侧电容的AB相间电流瞬时值i_MCAB为例，每个采样时刻采用以下公式。

i_MCAB＝0.5((u_MA(t)-u_MB(t))-(u_MA(t-Δt)-u_MB(t-Δt)))×C/Δt

用同样的方法可计算出流入∏型电路M侧电容的BC相间电流瞬时值i_MCBC和CA相间电流瞬时值i_MCCA，流入∏型电路N侧电容的AB相间电流瞬时值i_NCAB、BC相间电流瞬时值i_NCBC和CA相间电流瞬时值i_NCCA，公式中C为整个输电线路的正序电容值。

(7)将线路两侧新电流瞬时值作常规采样值差动保护计算。

(1)保护算法

以AB相间电流为例：

动作电流绝对值i_OP＝|(i_MA(t)-i_MB(t)-i_MAB(t)-i_MCAB)+(i_NA(t)-i_NB(t)-i_NAB(t)-i_NCAB)|

制动电流绝对值i_R＝|(i_MA(t)-i_MB(t)-i_MAB(t)-i_MCAB)-(i_NA(t)-i_NB(t)-i_NAB(t)-i_NCAB)|

如果t时刻的i_OP＞i_R且i_OP＞i_set，则t时刻为动作点。

如果R个采样时刻的动作点数大于S，AB相间电流采样值差动保护动作。

BC相间电流、CA相间电流采样值差动保护算法与AB相间电流算法类似。

(2)选相方法

AB相间电流、CA相间电流采样值差动保护都动作，发A相跳闸信号。

AB相间电流、BC相间电流采样值差动保护都动作，发B相跳闸信号。

BC相间电流、CA相间电流采样值差动保护都动作，发C相跳闸信号。

注：i_set为保护动作门槛，i_set、R、S的整定方法与常规采样值差动相同。

Claims (4)

1、一种远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法，其步骤包括：

(1)采集输电线路的电压和电流值；

(2)对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理，其截止频率为50-100赫兹，得到电压和电流瞬时值，如果输电线路采用电容式电压互感器，将电流采样值或者电流瞬时值经数字电容式电压互感器处理；

(3)如果输电线路带并联电抗器，获取流入并联电抗器的电流瞬时值，再将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧并联电抗器的电流瞬时值作为流入输电线路每侧的电流瞬时值，然后进入步骤(4)，否则直接进入步骤(4)；

(4)将输电线路按∏型等值电路处理，由输电线路两侧的电压瞬时值计算出流入∏型电路两侧电容的电流瞬时值，并且将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧的电容的电流瞬时值得到新的电流瞬时值；

(5)将线路两侧新的电流瞬时值作采样值差动保护计算；

(6)根据计算结果，判断是否存在区内故障，如果是，发出跳闸信号，否则转入步骤(1)。

2、一种远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法，其步骤包括：

(1)采集输电线路的电压和电流值；

(2)对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理，其截止频率为50-100赫兹，得到电压和电流瞬时值，如果输电线路采用电容式电压互感器，将电流采样值或者电流瞬时值经数字电容式电压互感器处理；

(3)将输电线路按∏型等值电路处理，由输电线路两侧的电压瞬时值计算出流入∏型电路两侧电容的电流瞬时值，并且将流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧的电容的电流瞬时值得到新的流入输电线路每侧的电流瞬时值；

(4)如果输电线路带并联电抗器，获取流入并联电抗器的电流瞬时值，再将新的流入输电线路每侧的电流瞬时值减去流入本侧并联电抗器的电流瞬时值作为新的流入输电线路每侧的电流瞬时值，然后进入步骤(5)，否则直接进入步骤(5)；

(5)将线路新的流入输电线路每侧的电流瞬时值作采样值差动保护计算；

(6)根据计算结果，判断是否存在区内故障，如果是，发出跳闸信号，否则转入步骤(1)。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(3)至(6)采用三个空间模量分别进行计算，其中，第一个模量为：u_MA(t)-u_MB(t)、i_MA(t)-i_MB(t)、u_NA(t)-u_NB(t)、i_NA(t)-i_NB(t)，第二个模量为：u_MA(t)-u_MC(t)、i_MA(t)-i_MC(t)、u_NA(t)-u_NC(t)、i_NA(t)-i_NC(t)，第三个模量为：u_MB(t)-u_MC(t)、i_MB(t)-i_MC(t)、u_NB(t)-u_NC(t)、i_NB(t)-i_NC(t)；其中，M、N分别表示输电线路的两侧，u_MA(t)、u_MB(t)、u_MC(t)分别表示t时刻M侧三相电压采样值，u_NA(t)、u_NB(t)、u_NC(t)分别表示t时刻N侧三相电压采样值，i_MA(t)、i_MB(t)、i_MC(t)分别表示t时刻M侧三相电流采样值，i_NA(t)、i_NB(t)、i_NC(t)分别表示t时刻N侧三相电流采样值。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(6)中按照下述选相方式发跳闸信号：

第一个模量和第二个模量对应的采样值差动保护均动作时，发A相跳闸信号；

第一个模量和第三个模量对应的采样值差动保护均动作时，发B相跳闸信号；

第二个模量和第三个模量对应的采样值差动保护均动作时，发C相跳闸信号。

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