CN100588066C - 基于长线方程实现的线路差动保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统领域中继电保护的方法。公开了在电力系统的高压输电线路中基于长线方程计算实现的线路差动保护的方法，将线路两端(以m，n表示线路两端)保护安装处所测电压、电流利用向量计算长线方程的方法折算至线路上保护范围内的某一参考点k的电压、电流，m端电压_m、电流_m折算到k点为电压_km、电流_km，n端电压_n、电流_n折算到k点为电压_kn、电流_kn，若线路中间有并联电抗器L，则需先减去并联电抗器上的电流_l得_km′，_kn′(m端减去电抗器电流以_km′代表，n端减去电抗器电流后电流以_kn′代表)，两端每一端减去一半电抗器电流；再在参考点k采用电流_km，_kn或_km′，_kn′(无并联电抗器时，m端电流以_km代表，n端电流以_kn代表)或_km′，_kn′(有并联电抗器时，m端电流以_km′代表，n端电流以_kn′代表)按照差动公式进行差动计算，判断是否发生区内故障。

Description

基于长线方程实现的线路差动保护的方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及继电保护的方法，涉及到线路分相电流差动保护的算法。

背景技术

输电线路是电力系统发电、输送电等的基本设备，在电力系统中占有非常重要的地位。输电线路故障时，若不能及时切除或误切除，则对主系统影响较大，容易造成电网解列，以及变压器越级跳闸等重大事故。高压线路保护担负输送电的重要任务，是电力系统的重要枢纽。它们造价极为昂贵，一旦因故障而遭到损坏，检修难度大、时间长，对国民经济造成的直接和间接损失十分巨大。这样就对高压线路保护装置的选择性、快速性、可靠性、灵敏性提出了更高的要求。基于基尔霍夫定律的电流差动保护，对于输电线路来讲，是一种理想的保护原理。随着微机保护和通讯技术的发展，电流差动保护得到广泛的应用。

目前，中国电网的电压等级正从750kV向1000kV发展，传统的继电保护原理是建立在工频故障分量基础之上，利用集中参数建立模型实现的，而实际上特高压长距离输电线路其分布参数很明显，在故障过程中，由分布参数所产生的电容电流会对电流差动保护产生不可忽略的影响。电压等级越高、线路越长，这种影响越大。特高压线路为了提高所能传输的自然功率，减小导线表面的电场强度和电晕损耗，需要减少线路的波阻抗，即减小线路的电感而增大电容，因此，使得特高压长线路的分布电容电流很大。理论研究表明，对于600km，1150kV特高压输电线路而言，其电容电流达到线路自然功率的76.35％，如此大的电容电流，必然对特高压继电保护的动作特性产生很大的影响，理论分析可知，目前分相电流差动保护的各种方案包括电容电流补偿等在特高压长线路中都将受线路分布电容的影响，无法满足要求，因此，不能照搬使用。

目前，传统的分相电流差动保护判据算法是采用端电压、端电流直接计算。计算公式如下：

式中公式符合意义同前面所述，增加符合

表示a，b，c，即三相分别做差动计算。

在超高压、特高压长线路上，分布电容电流极大，极大的影响了电流差动保护在外部故障时的安全性和内部故障时的可靠性。以集中参数为依据，在保护安装处对分布电容电流按集中参数补偿的制动判据的方法不能从根本上解决分布电容电流影响的问题。而随着线路长度的增加，为了补偿线路分布电容电流，在线路中有可能增加并联电抗器，这种情况对传统的以保护安装处电流为基础的差动保护影响更加严重。本发明针对目前特高压、长线路急需解决分布电容电流对差动保护判据的影响，提出了一种新的算法，该算法可较好的解决分布电容电流对差动保护的影响。试验结果表面，该算法能较好的消除分布电容电流对差动保护的影响。本文所提新原理对滤波算法的优劣不敏感。

发明内容

对于特高压长线路，由于线路分布电容电流的影响已经不能忽略，因此，传统的以集中参数为依据，在保护安装处做差动判据的算法从灵敏度考虑已经不能满足要求，而以集中参数为依据，在线路两端基于稳态电容电流补偿的算法在某些情况下会不可避免会延长保护的动作时间。本发明首先利用长线方程将保护安装处电压、电流以相量计算的方式折算到参考点，在参考点做分相电流差动保护计算，若参考点有并联电抗器，需先减掉并联电抗器上的电流，需注意的是两端各减去并联电抗器电流的一半，再做差动计算。如图1所示，若故障发生在保护范围区外，则由于从m端至k和从n端至k满足长线方程，根据基尔霍夫电流定律可知，在k点差动量为零，制动量为2倍线路电流(电流方向都是以保护安装处指向参考点为正向)。保护不会误动，区内故障时，若故障发生在n端至k点之间，从m端至k点满足长线方程，但从n端至k点由于故障点的存在，不满足长线方程，但由理论分析可知，此时，由两端保护安装处按长线方程折算到参考点k点的动作量和制动量满足差动保护的动作判据。

根据本发明，提供了一种在电力系统的高压输电线路中基于长线方程计算实现的线路差动保护的方法，该方法包括如下步骤：

首先选定线路保护范围内的某一点为参考点k，参考点k的选择距离线路保护安装处不大于400km，若线路上有并联电抗器或串补电容，则选并联电抗器或串补电容的安装处为参考点k；

线路保护装置对互感器的电压电流波形采样得到电压电流瞬时值；

通过傅氏算法求出线路两端(m，n)三相电压和三相电流的相量形式，线路两端中的其中一端记为m端，m端电压电流向量分别为

，所述线路两端中的另一端记为n端，该端电压电流向量分别为，其中

表示三相；通过长线方程将保护安装处所测电压、电流以相量计算的方式折算到参考点k，由m端计算到参考点的电流以

代表，由n端计算到参考点的电流以

代表；若有并联电抗器，则先从由m端计算到参考点的电流

、以及由n端计算到参考点的电流

中分别去掉并联电抗器的电流

得，其中，减去并联电抗器的电流后，由m端折算得到的参考点两侧的电流以

代表，由n端折算得到的参考点两侧的电流以

代表；

在参考点k采用上述电流

或

按如下差动公式进行差动计算，判断是否发生区内故障，其中，无并联电抗器时，由m端计算到参考点的电流以

代表，由n端计算到参考点的电流以

代表，有并联电抗器时，由m端折算得到的参考点两侧的电流以代表，由n端折算得到的参考点两侧的电流以代表，和其中：

$\left\{\begin{array}{ccc}{I}_d>I_h& & \left(1\right)\\ I_d>k_1{I}_b& 0<I_d<{3I}_h& \left(2\right)\\ I_b>k_2{I}_b-I_h& I_d\&GreaterEqual;{3I}_h& \left(3\right)\end{array}\right.$

式中：I_d表示差动量： $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ I_h为差动保护动作的定值，I_b为制动量， $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ k₁，k₂为制动系数，三相电流需分别计算。

具体形式如附图2所示。

附图说明

图1为设有参考点k的线路故障示意图，图中保护以m端为例。

具体实施方式

首先利用长线方程将保护安装处(以m端为例)电压

、电流

以相量计算的方式折算到参考点k，m端计算到参考点的以

表示，n端计算算参考点的以

表示，若有并联电抗器，需先去掉并联电抗器的电流后得

(m端计算到参考点并减去一半电抗器的电流后电流以

代表，n端计算到参考点并减去一半电抗器的电流后，电流以

代表)；

再按例式(1)做差动保护所需计算。

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_d>I_h& \\ I_d>k_1{I}_b& 0<I_d<{3I}_h\\ I_d>k_2{I}_b-I_h& I_d\&GreaterEqual;{3I}_h\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：I_d表示差动量： $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ I_h为差动保护动作的定值，I_b为制动量， $I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ k₁，k₂为制动系数，三相电流需分别计算。

如图1所示为设有参考点k的高压输电线路，图中为在线路中间有并联电抗器的线路，则参考点选择为并联电抗器的安装点(以符号k表示)；若无并联电抗器，则参考点的选择任意k，但保护安装处至参考点的长度不能超过400km，对于差动保护，两端所选参考点应为一个点，即两端保护安装处至参考点的距离之和为线路长度。所述方法如下：

通过长线方程将保护安装处所测电压(m端以

代表、n端以

代表)、电流(m端以

代表，n端以

代表)折算到参考点k(m端计算到参考的电流以

代表，n端计算到参考点电流以

代表)，若有并联电抗器，则先去掉并联电抗器得电流

得

(m端计算到参考点并减去一半电抗器的电流后电流以代表，n端计算到参考点并减去一半电抗器的电流后，电流以

代表)，再按式(1)做差动保护计算。

由于长线方程本身已经考虑了分布参数，因此，不需再专门对分布电容电流进行补偿，理论分析和仿真结果都显示所提原理完全消除了线路分布电容电流对分相电流差动保护的影响。

以下论述中的符号使用如下：电流互感器(简称TA，以下同)和电压互感器(简称TV，以下同)。

首先保护根据保护安装处的TA和TV测得电流和电压的瞬时值。其次通过傅氏算法求出各电气量的相量形式，利用以下公式将两端电流折算到参考点(以m端为例)，n端按下式做相同处理。

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{km}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m\end{array}\right]$

式中：

为保护安装处(m端)所测电压、电流的向量，

为参考点k的电压、电流，若有并联电抗器，则需再减去并联电抗器的电流，两端各减去并联电抗器电流的一半。γ为线路的传播常数，Z_c为线路的波阻抗，l为m端至参考点k的距离，ch()，sh()分别为双曲余弦和正弦函数；

由于该公式在模量上成立，因此，需首先将两端保护所测三相电压、电流转换为模向量，再按此公式转换。若参考点有并联电抗器，需先减去并联电抗器电流再做差动判别。

关于k点的选取的考虑，长线方程电流差动保护可以适用于任意长度的超高压，特高压输电线路，如果输电线路中间有串联补偿电容，或者有并联电抗器，此时长线方程在串补电容或并联电抗器安装处不成立，需将参考点k选在串补电容或并联电抗器处，对于其他情况下，k点的选取不受任何限制，选定k点后，分别对于m端至k点，n端至k点利用长线方程计算电流，就可以很容易的实现差动保护算法，此算法对于微机保护的采样间隔，光纤通道的传输时间都没有很苛刻的要求，现有微机保护都很容易做到。

Claims (3)

1.一种在电力系统的高压输电线路中基于长线方程计算实现的线路差动保护的方法，该方法包括如下步骤：

首先选定线路保护范围内的某一点为参考点k，参考点k的选择距离线路保护安装处不大于400km，若线路上有并联电抗器或串补电容，则选并联电抗器或串补电容的安装处为参考点k；

线路保护装置对互感器的电压电流波形采样得到电压电流瞬时值；

通过傅氏算法求出线路两端(m，n)三相电压和三相电流的相量形式，线路两端中的其中一端记为m端，m端电压电流向量分别为

所述线路两端中的另一端记为n端，该n端电压电流向量分别为

其中

表示三相；通过长线方程将保护安装处所测电压、电流以相量计算的方式折算到参考点k，由m端计算到参考点的电流以

代表，由n端计算到参考点的电流以

代表；若有并联电抗器，则先从由m端计算到参考点的电流

以及由n端计算到参考点的电流

中分别去掉并联电抗器的电流得

其中，减去并联电抗器的电流后，由m端折算得到的参考点两侧的电流以

代表，由n端折算得到的参考点两侧的电流以代表；

在参考点k采用上述电流或

按如下差动公式进行差动计算，判断是否发生区内故障，其中，无并联电抗器时，由m端计算到参考点的电流以代表，由n端计算到参考点的电流以

代表，有并联电抗器时，由m端折算得到的参考点两侧的电流以

代表，由n端折算得到的参考点两侧的电流以

代表，和其中：

$\left\{\begin{array}{ccc}{I}_d>I_h& & \left(1\right)\\ I_d>k_1{I}_b& 0<I_d<3I_h& \left(2\right)\\ I_d>k_2{I}_b-I_h& I_d\&GreaterEqual;3I_h& \left(3\right)\end{array}\right.$

式中：I_d表示差动量： $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ I_h为差动保护动作的定值，I_b为制动量， $I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}|$ 或 $I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}^{\&prime;}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}^{\&prime;}|,$ k₁，k₂为制动系数，三相电流需分别计算。

2.如权利要求1的方法，需将一条线路两端保护安装处电流折算到参考点，若有并联电抗器，则减去并联电抗器的电流，其中在参考点需减并联电抗器电流时，两端各减并联电抗器的电流

的一半。

3.如权利要求1的方法，其中将线路两端保护安装处所测电压、电流折算到参考点，对于m端保护处理如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{km}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m\end{array}\right]$

式中：

为m端保护安装处所测电压、电流的向量，

为由线路m端计算到参考点k的电压、电流，若线路上有并联电抗器，则需将

再减去并联电抗器的电流的一半，得到需注意，两端各减去并联电抗器电流的一半；

对于n端保护处理如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{kn}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_n\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_n\end{array}\right]$

式中：

为n端保护安装处所测电压、电流的向量，

为由线路n端计算到参考点k的电压、电流，若线路上有并联电抗器，则

需再减去并联电抗器的电流的一半，得到需注意，两端各减去并联电抗器电流的一半；γ为线路的传播常数，Z_c为线路的波阻抗，l为m端至参考点k的距离，ch()，sh()分别为双曲余弦和正弦函数。

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