CN100483883C - 输电线微机自适应分相纵差保护方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，同时比较两端电流幅值和相位，通过对输电线不平衡电流的制动实现输电线自适应分相纵联差动保护，其特征是该方法包括以下步骤：取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流和对端电流乘上系数，将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到经变换的电流矢量幅值，再将所述经变换的电流矢量幅值与所述本端电流矢量幅值相乘，然后，将计算得到的结果与本端电流和对端电流夹角的正弦值相乘，最后得到制动动作量；提高了外部故障时的制动量，增加了发生内部故障时的灵敏性；并采用自适应处理，根据两端电流间角度的变化选择动作方程，避免内部短路两端电流间相角差过大使保护受制动。

Description

输电线微机自适应分相纵差保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，特别是涉及一种利用微机实现输电线纵联差动保护的方法。

背景技术

通常，输电线电流纵联差动保护是利用通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结来，将各端的电气量(电流、功率的方向等)传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从而决定是否制动(或称切断)被保护线路。这是输电线差动保护领域中最为完善的保护方法。但是，采用目前现有的输电线电流纵联差动保护方法，存在以下问题：当发生外部短路时，由于电流互感器误差、线路分布电容电流等因素影响，输电线会产生很大的不平衡电流，使保护装置误动作，此时必须采取有效的制动措施，但目前该领域中所采用的各种制动方法都不能既保证在外部短路时具有很强的制动作用；又在内部短路时保证制动动作具有很高的灵敏度。

本发明正是为了针对上述现有技术的缺陷，提出一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，通过采用新的制动原理，确保输电线在外部短路时制动量愈大，则内部短路时，保护的灵敏度愈高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，而提供一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，通过同时比较两端电流幅值和相位完成输电线中不平衡电流的制动，从而实现输电线安全的电流纵联差动保护。

本发明提供的一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，同时比较输电线两端电流幅值和相位，通过对输电线不平衡电流的制动实现输电线自适应分相纵联差动保护，其特征是该方法包括以下步骤：取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流矢量和对端电流矢量乘上比例系数K′、K＂将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到第一经变换的电流矢量幅值，再将所述第一经变换的电流矢量幅值与所述本端电流矢量幅值相乘，然后，将相乘的结果再与第一经变换的电流矢量与本端电流矢量的夹角的正弦值相乘得到本端制动动作量，当处于本端制动保护时，所述本端电流所乘的比例系数K′小于所述对端电流所乘的比例系数K＂；取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流矢量和对端电流矢量乘上比例系数K′、K＂，将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到第二经变换的电流矢量幅值，再将所述第二经变换的电流矢量幅值与所述对端电流矢量幅值相乘，然后，将相乘的结果再与第二经变换的电流矢量与对端电流矢量的夹角的正弦值相乘，得到对端制动动作量，当处于对端制动保护时，所述对端电流所乘的比例系数K＂小于所述本端电流所乘的比例系数K′；

当被保护输电线路发生外部故障时，本端制动动作量方程为：

$F=I_M{I}_{\mathrm{fu}}\sin \mathrm{\θ},{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{fu}}=\mathrm{jK}\′{\stackrel{.}{I}}_N+\mathrm{jK}\′\′{\stackrel{.}{I}}_M$

θ为

和

之间的相差角，以

超前

为正，本端电流矢量和对端电流矢量

大小相等，相位差180°，由于K′<K＂，则第一经变换的电流矢量

落后于本端电流矢量

 90°，本端制动动作量F小于0，输电线本端处于被制动状态；

当被保护输电线路发生外部故障时，将上述公式中的对端电流矢量和本端电流矢量对调，即得到对端保护动作情况，输电线对端处于被制动状态；

当被保护输电线路发生内部故障时：

对端电流改变方向，此时本端电流矢量

jK＂

相位不变，但对端电流矢量

jK＂

相位转180°，第一经变换的电流矢量

是由jK＂

和jK＂

相加产生，因两者相加所得矢量幅值较大，且其相位超前于

 90°，θ为正，故产生很大的动作量F，使本端输电线灵敏的动作跳闸；

将上述对端电流矢量与本端电流矢量对调，即得到输电线对端保护，使输电线对端实现灵敏的动作跳闸。

本发明与现有技术相比，提出了一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明实现电流差动保护，获得优良的制动特性；其次，本发明采用了微机技术实现自适应处理，可根据两侧电流间角度的变化范围，选择不同的动作方程，解决了内部短路而两侧电流间相角差过大使保护受制动的难题；具有高度的可靠性，不仅能够提高发生外部故障时的制动量，而且增加了发生内部故障时的制动灵敏性；对制动系数的选取没有限制，因此对于一般情况下影响差动保护的因素(如电流互感器饱和引起的误差和线路分布电容等)都可很容易的用增大制动量的方法加以解决，最后，本发明只需进行参数的简单对换，就可完成本端及对端的制动，达到输电线各端完整的保护效果。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

附图说明

图1为被保护输电线路示意图。

图2为出现外部故障时输电线两端的矢量图；

图3为出现内部故障时输电线两端的矢量图；

图4为内部故障两端电流相位角差为Φ时的矢量图；

图5a为M端保护装置在两侧电流同相和反相情况下的动作特性示意图；

图5b为M端保护装置在两侧电流处于各种相角情况下的动作特性示意图。

图6a为发生内部短路情况下本发明保护动作与其他各保护动作特性比较的动作特性示意图。

图6b为发生外部短路情况下本发明保护动作与其他各保护动作特性比较的动作特性示意图。

具体实施方式

被本发明方法保护的输电线路示意图，如图1所示，同时比较两端电流幅值和相位，通过对输电线不平衡电流的制动实现输电线自适应分相纵联差动保护，其特征是该方法包括以下步骤：取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流和对端电流乘上系数，将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到经变换的电流矢量幅值，再将所述经变换的电流矢量幅值与所述本端电流矢量幅值相乘，然后，将计算得到的结果与本端电流和对端电流夹角的正弦值相乘，最后得到制动动作量。作为本发明核心的本保护的动作方程和动作判据，分别给出如下：

动作方程为 F≥I_MI_fusinθ                         (1)

动作判据为 F≥F_dz

式中 ${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{fu}}=\mathrm{jK}\&prime;{\stackrel{.}{I}}_M+\mathrm{jK}\&prime;\&prime;{\stackrel{.}{I}}_N---\left(2\right)$

各参数定义如下：

F——动作量；F_dz——动作定值；

θ——

和

之间的相差角，以

超前

为正；

——M端(本端)电流；

——N端(对端)电流；

K′、K＂-----比例系数，可以整定的正整数(K＂大于K′)；

下面通过一具体实施例更进一步地说明本发明一种输电线微机自适应分相纵差保护方法的技术方案。

如图2和图3所示，为当线路出现故障情况下保护的动作行为。

1.被保护输电线路发生外部故障

当图1中的被保护输电线路中的d₁点发生外部短路时，

和

两电流大小相等，相位差180°(暂时忽略电流互感器的误差和分布电容电流)，由于K′<K＂，则

落后于(参见图2所示)，θ为负，得出F<0，因而输电线保护处于被制动状态。并且，K＂比K′大出愈多，制动量愈大，更能保证外部故障时不发生误动作。在上面分析中，如将下标符号M和N对调，即可得到N端保护动作情况。可知N端也处于被可靠制动状态。

2.被保护输电线路发生内部故障

2.1 对灵敏度的保证

当图1中被保护输电线路中的d₂点内部短路时，对端(N端)电流改变方向(参见图3所示)。此时

jK＂

相位不变，但

jK＂

相位转180°。

是由jK

和jK＂

相加产生。因两者相加所得矢量幅值较大，且其相位超前于

 90°，θ为正，故产生很大的动作量F，使保护动作很灵敏。K＂愈大，则保护动作的灵敏度愈大。将下标符号M和N对调，即可知N端保护也同样灵敏的动作跳闸。

2.2 自适应处理

在内部短路时，一般情况下φ<90°。但由于两侧电势相角差以及线路阻抗角和系统阻抗角之差和CT误差等原因，考虑到最严重的情况下有φ≤114°，而外部故障时只是CT误差引起的相位差和分布电容电流的影响，相位差不会超过60°(即闭锁角)，故当90°<φ≤115°时一定是内部故障。本保护装置引入自适应原理，当φ角在这一范围时采用动作方程，以保证保护能够灵敏、正确的动作。自适应原理的应用是保护的特性得到大大的加强，制动系数的选取不受任何限制，可以选的很大。用微机实现这种自适应非常容易。首先计算出φ角，然后根据φ角的范围，选取不同的动作方程。

下面给出φ角在不同情况下的动作方程：

当0°≤φ≤90°，115°<φ≤180°时，

；

当90°<φ≤115°时，

如图4所示为内部故障两端电流相位角差为Φ时的矢量图，与所有的差动保护一样，在线路外部短路时，保护的动作情况与系统运行状态基本无关，但在线路内部短路时，两侧电势可能有很大相位差，且短路点至两侧的阻抗的幅值和角度可能相差很大，以及电容电流的影响等，可能使两侧系统供给的短路电流的幅值不等，而且可能有很大的相位差角Φ。此时，动作判据不仅决定于两侧短路电流的幅值，还决定于它们的相位差Φ。由上述的动作方程可推导出保护动作量与两侧系统供给的短路电流幅值和相位夹角Φ的关系如下。

M端保护的动作方程：

F＝I_MI_fusinθ

$\stackrel{.}{I_{\mathrm{fu}}}=\mathrm{jK}\&prime;\stackrel{.}{I_N}+\mathrm{jK}\&prime;\&prime;\stackrel{.}{I_M}$

如以矢量为参考矢量，即令

则

$\stackrel{.}{I_N}=\stackrel{.}{I_M{e}^{\mathrm{j\&phi;}}}$

Φ--为两侧电流夹角

从图4可知

从图4可知θ＝90°+α，代入动作量公式并化简，得

F＝I_MI_fusin(90°+α)

动作判据为

上式即为本方向纵差保护的动作特性。在单端电源线路内部短路时，无电源端故障相无电流， ${\stackrel{.}{I}}_N=0,$ F＝K′I_M ²≥F_dz保护能可靠动作。在外部短路(Φ＝180°)时，

愈大，M端所需的动作电流愈大，从而得到一个很强的制动特性。K＂/K′为制动系数，增大K＂/K′可以加强保护的制动作用，根据此关系式，可以作出保护的特性曲线(参见图5)。本发明所提供的保护方法与其它保护方法相比较的动作特性参见图6a和图6b所示。

本保护的动作方程：

，K＂/K′取4                       (7)

绝对值之和制动方式的动作方程：

$|{\stackrel{.}{I}}_M+{\stackrel{.}{I}}_N|-K_z\{\left|{\stackrel{.}{I}}_M\right|+\left|{\stackrel{.}{I}}_N\right|\}\&GreaterEqual;I_{S1},$ K_Z取0.3         (8)

矢量差制动方式的动作方程：

$|{\stackrel{.}{I}}_M+{\stackrel{.}{I}}_N|-K|{\stackrel{.}{I}}_M-{\stackrel{.}{I}}_N|\&GreaterEqual;I_{S2},$ K取0.3             (9)

分别在外部和内部短路时，对其进行动作特性比较，设在I_N＝0时，I_dz0、I_dz1、I_dz2(分别为这三种方式最小动作电流)相等，即曲线纵坐标上截距相同，以利于比较。

外部短路时(φ＝180°)动作方程分别为：

本保护制动方式：K′I_M ²-K＂I_MI_N≥I_S0； (10)

绝对值之和制动方式： $I_M\&GreaterEqual;\frac{1+K_z}{1-K_z}{I}_N+\frac{I_{s1}}{1-K_z};$ $I_N\&GreaterEqual;\frac{1+K_z}{1-K_z}{I}_M+\frac{I_{s1}}{1-K_z};---\left(11\right)$

矢量差制动方式： $I_M\&GreaterEqual;\frac{1+K}{1-K}{I}_N+\frac{I_{s2}}{1-K},$ $I_N\&GreaterEqual;\frac{1+K}{1-K}{I}_M+\frac{I_{s2}}{1-K}.---\left(12\right)$

动作区分别如图6a和图6b中曲线①②③所示的区域，这三个区域，顺次代表三种动作特性的动作区。可见，它们都小于单端供电时的最小动作电流，并且都能满足灵敏度的要求。可见本原理在外部故障(φ＝180°)时制动特性很强。首先是本保护的制动特性呈二次曲线形，动作电流随对端电流的增大呈曲线上升，这非常有利于外部短路电流很大时防止CT饱和引起的误动作；而其它两种制动方式的制动特性为直线，不利于防止CT饱和时保护的误动作；再者本保护只是单端有误动区(曲线①只有一条)，从(10)式可看出，只有I_M过大时有误动区，I_N愈大左端动作量愈小，没有误动区。其他两种制动方式是无论那端电流过大都有误动区。

内部故障时(φ＝0°)动作方程分别为：

本保护制动方式：K′I_M ²+K＂I_MI_N≥I_S0；               (13)

绝对值之和的制动方式： $I_M+I_N\&GreaterEqual;\frac{I_{S1}}{1-K_Z};---\left(14\right)$

矢量差制动方式： $I_M\&GreaterEqual;\frac{1+K}{1-K}{I}_N+\frac{I_{s2}}{1-K},$ $I_N\&GreaterEqual;-\frac{1+K}{1-K}{I}_M+\frac{I_{s2}}{1-K}.---\left(15\right)$

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种输电线微机自适应分相纵差保护方法，同时比较输电线两端电流幅值和相位，通过对输电线不平衡电流的制动实现输电线自适应分相纵联差动保护，其特征是该方法包括以下步骤：取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流矢量和对端电流矢量乘上比例系数K′、K＂，将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到第一经变换的电流矢量幅值，再将所述第一经变换的电流矢量幅值与所述本端电流矢量幅值相乘，然后，将相乘的结果再与第一经变换的电流矢量与本端电流矢量的夹角的正弦值相乘，得到本端制动动作量，当处于本端制动保护时，所述本端电流所乘的比例系数K′小于所述对端电流所乘的比例系数K＂；取输电线两端电流矢量值，分别将本端电流矢量和对端电流矢量乘上比例系数K′、K＂，将所述两个计算结果相加，将相加后得到的电流矢量逆时针旋转90°后，得到第二经变换的电流矢量幅值，再将所述第二经变换的电流矢量幅值与所述对端电流矢量幅值相乘，然后，将相乘的结果再与第二经变换的电流矢量与对端电流矢量的夹角的正弦值相乘，得到对端制动动作量，当处于对端制动保护时，所述对端电流所乘的比例系数K＂小于所述本端电流所乘的比例系数K′；

当被保护输电线路发生外部故障时，本端制动动作量方程为：

F＝I_MI_fusinθ， ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{fu}}=\mathrm{jK}\&prime;{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_N+\mathrm{jK}\&prime;\&prime;{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_M$

θ为

和

之间的相差角，以

超前

为正，本端电流矢量

和对端电流矢量

大小相等，相位差180°，由于K′<K＂，则第一经变换的电流矢量

落后于本端电流矢量

90°，本端制动动作量F小于0，输电线本端处于被制动状态；

当被保护输电线路发生外部故障时，将上述公式中的对端电流矢量和本端电流矢量对调，即得到对端保护动作情况，输电线对端处于被制动状态；

当被保护输电线路发生内部故障时：对端电流改变方向，此时本端电流矢量相位不变，但对端电流矢量

相位转180°，第一经变换的电流矢量是由

和

相加产生，因两者相加所得矢量幅值较大，且其相位超前于

90°，θ为正，故产生很大的动作量F，使输电线本端实现灵敏的动作跳闸；

将上述对端电流矢量与本端电流矢量对调，即得到输电线对端保护，使输电线对端实现灵敏的动作跳闸。

2.如权利要求1所述的输电线微机自适应分相纵差保护方法，其特征在于，所述本端电流矢量与所述对端电流矢量所乘的比例系数K′、K＂均为整定的正整数。

3.如权利要求1所述的输电线微机自适应分相纵差保护方法，其特征在于，在内部短路时，根据本端电流矢量和对端电流矢量两端电流矢量相位间夹角的范围不同选取不同的动作方程的自适应处理。

4.如权利要求3所述的输电线微机自适应分相纵差保护方法，其特征在于，在内部短路时，所述自适应处理利用微机完成，具体操作包括：首先计算出本端电流矢量和对端电流矢量两端电流矢量相位间夹角φ，然后根据φ值范围，选取不同的动作方程。

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