CN101252273A

CN101252273A - 基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法

Info

Publication number: CN101252273A
Application number: CNA2008100176624A
Authority: CN
Inventors: 索南加乐; 顾嘉; 粟小华; 张健康
Original assignee: Xian Jiaotong University; Northwest China Grid Co Ltd
Current assignee: Xian Jiaotong University; Northwest China Grid Co Ltd
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: CN100576682C

Abstract

本发明涉及带串补电容输电线路距离保护研究领域，具体公开了一种基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法。本发明采用了模型识别技术，建立串补电容前故障模型，将保护安装处的电流、电压采样值代入该模型进行参数估计，然后计算误差系数E_F，根据误差系数与定值的大小关系判断故障点相对串补电容的位置，并结合阻抗元件，判断保护范围内是否有故障存在，从而控制保护装置的动作。本发明能够判断串补线路单相接地故障时故障点相对于串补电容的位置，与阻抗元件配合，能够克服串补电容对距离保护的影响，提高了保护装置的灵敏度。

Description

基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法

技术领域

本发明涉及串补线路距离保护研究领域，更具体涉及一种基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法。

背景技术

串联电容补偿是提高输电线路经济性和可靠性的有效手段，其主要作用在于：通过控制潮流提高电力系统的输送能力；改善电力系统的稳定性；改善电压质量及无功功率平衡；减少系统的线路损耗，提高线路输送容量。它还具有提高系统暂态稳定性、优化输电线路潮流和降低系统损耗的作用。

但是，串联补偿电容破坏了输电线路阻抗与距离的线性关系，传统的距离保护应用于串补线路中必须考虑串补电容的容抗Z_C，按全线阻抗Z_L与串补电容容抗之和进行整定Z_Zd＝(0.8～0.9)(Z_L+Z_C)，当串补电容的容抗较大时保护灵敏度很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法，它能够判断串补线路单相接地故障时故障点相对于串补电容的位置，与阻抗元件配合，按全线阻抗整定，能够克服串补电容对距离保护的影响，提高了保护装置的灵敏度。

本发明的原理是：建立串补电容前故障模型，将保护安装处的电流、电压采样值代入该模型进行参数估计，然后计算误差系数E_F，根据误差系数与定值的大小关系判断故障点相对串补电容的位置，并结合阻抗元件，判断保护范围内是否有故障存在，从而控制保护装置的动作。

本发明的技术方案是这样实现的：

步骤1：由保护装置采样线路首端三相电压值u_Am、u_Bm、u_Cm和电流值i_Am、i_Bm、i_Cm，计算零序电流i_m0计算首端三相电压相量和电流相量

确定单相接地故障的故障相(＝A、B、C)；

步骤2：建立串补电容前故障的参数识别方程

其中，u_m、i_m分别为首端故障相的电压和电流，

i_{m 0} = \frac{1}{3} (i_{Am} + i_{Bm} + i_{Cm}),

k_L＝(L₀-L₁)/L₁，k_R＝(R₀-R₁)/R₁，L₀，R₀为线路单位长度的零序电感和电阻值，L₁，R₁为线路单位长度正序电感和电阻值，利用最小二乘估计法计算出线路电阻R、线路电感L和过渡电阻R_F′；

步骤3：根据首端故障相的电压、电流和零序电流，计算误差系数E_F，

步骤4：根据误差系数E_F的大小进行判定：如果E_F＜E_set，则确定串补电容前发生故障，保护装置动作，其中E_set为误差系数定值，整定原则为：E_set＝(1.1～1.2)E_r1max，E_r1max为串补电容前故障的最大误差系数；

k_{Z} = \frac{Z_{0} - Z_{1}}{Z_{1}},

Z₁、Z₀为单位长度的正序、零序阻抗，Z_C为串补电容容抗，Z_set为阻抗定值，按全线阻抗整定，Z_set＝(0.8～0.9)Z_L，Z_L为全线阻抗。

所述E_set为误差系数定值，整定原则为：E_set＝(1.1～1.2)E_r1max，E_r1max为串补电容前故障的最大误差系数，可由仿真确定。所述串补电容前故障的最大误差系数E_r1max，其求取方法为：在串补电容前选取不同故障点进行仿真，选取各次仿真的误差系数最大值。

本发明基于模型识别原理，构造了误差系数E_F，通过计算误差系数，根据误差系数的大小关系来区分串补前后故障，再结合阻抗元件判断保护范围内是否存在故障。本发明的优点在于，能判断故障点相对串补电容的位置，与阻抗元件配合，能克服串补电容对距离保护的影响，按全线阻抗整定，提高保护装置灵敏度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为线路微机保护的硬件结构框图；

图2串补电容前故障模型图；

图3串补电容后故障模型图；

图4本发明保护方法的判断流程图；

图5 750kV串补输电线路故障仿真示意图。

具体实施方式

参照图1，在线路M端设置有保护装置，该保护装置通过电压互感器TV和电流互感器TA测量线路M端的三相电压和电流，将模拟测量值经过低通滤波器、采样保持器和A/D转换器后，送到微机处理器(DSP)，由微机处理器将判定结果通过光电隔离器传送给继电器，执行相应保护动作。

参照图2，为串补电容前故障模型图，对于单相(以A相为例)接地故障有方程

u_{Am} = R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) + L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} + R_{F}^{'} i_{m 0}

成立，其中u_Am、i_Am分别为m端A相的电压和电流，i_m0为零序电流。参照图3，为串补电容后故障模型图，对于单相接地故障有方程

u_{Am} = R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) + L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} + \frac{1}{C} &Integral; i_{Am} dt + R_{F}^{'} i_{m 0}

成立。

模型识别就是将需要识别的对象与标准模型进行比较，从而归类、识别。本发明以串补电容前故障模型为标准，构造反映模型相似程度的误差系数E_F，

E_{F} = {&Integral;}_{0}^{T} | u_{Am} - R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) - L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} - R_{F}^{'} i_{m 0} | dt,

其中，R、L和R_F′是用串补电容前故障模型识别出的参数。如果串补电容前故障，识别对象与标准模型相符，误差系数较小；如果串补电容后故障，识别对象与标准模型不符，误差系数较大。所以，可以根据误差系数的大小判断故障点相对与串补电容的位置。

与上述原理相配合，阻抗元件可按全线阻抗整定，而不必考虑串补电容的容抗，提高灵敏度。如果判定为串补电容前故障，则保护装置动作；如果判定为串补电容后故障，则将测量阻抗减去串补电容的容抗Z_J-Z_C，然后与整定阻抗Z_set比较，判断保护装置是否动作。

参照图4，本发明距离保护方法具体流程如下：

首先，通过电压互感器和电流互感器测量线路首端的三相电压和电流，将模拟量经过低通滤波器、采样保持器和A/D转换器后，得到线路首端三相电压采样值u_Am、u_Bm、u_Cm，以及三相电流采样值i_Am、i_Bm、i_Cm，计算零序电流值i_m0，计算三相电压相量

和电流相量

确定单相接地故障的故障相(＝A、B、C)。

其次，构建串补电容前故障模型方程

u_{Am} = R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) + L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} + R_{F}^{'} i_{m 0},

利用最小二乘法代入电压、电流采样值，计算出模型参数R、L和R_F′。

根据最小二乘参数估计法，参数识别方程

u_{Am} = R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) + L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} + R_{F}^{'} i_{m 0},

其通式可以写为A₁R+A₂L+A₃R_F′＝B，其中：

A₁＝(i_Am+k_Ri_m0)，

A_{2} = \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} = \frac{i_{Am} (k + 1) + k_{L} i_{m 0} (k + 1) - i_{Am} (k - 1) - k_{L} i_{m 0} (k - 1)}{2 Δt}

(采用3点微分公式，Δt为采样间隔，k为采集数据序列号)，

A₃＝i_m0，

B＝u_Am。

将每个采样点数据代入方程A₁R+A₂L+A₃R_F′＝B，可得到一个方程式。用多点数据代入可组成一个方程组A_1kR+A_2kL+A_3kR_F′＝B_k(k＝1，2，…，m)，m为采样点数。

构建矩阵方程AX＝B，其中：

A = [\begin{matrix} A_{11} & A_{12} & A_{13} \\ A_{21} & A_{22} & A_{23} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ A_{m 1} & A_{m 2} & A_{m 3} \end{matrix}],

X = [\begin{matrix} R \\ L \\ R_{F}^{'} \end{matrix}],

B = [\begin{matrix} B_{1} \\ B_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ B_{m} \end{matrix}]

可求得X＝[A_3×m]^-1B，即对应的参数R、L和R_F′。

第三，计算误差系数

E_{F} = {&Integral;}_{0}^{T} | u_{Am} - R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) - L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} - R_{F}^{'} i_{m 0} | dt .

计算中微分采用三点微分公式

\frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} = \frac{i_{Am} (k + 1) + k_{L} i_{m 0} (k + 1) - i_{Am} (k - 1) - k_{L} i_{m 0} (k - 1)}{2 Δt},

积分采用梯形积分公式，

{[{&Integral;}_{0}^{t} e_{F} dt]}_{t = nΔt} = \frac{Δt}{2} [e_{F} (0) + e_{F} (n) + 2 Σ_{k = 2}^{n - 1} e_{F} (k)],

其中，

e_{F} = | u_{Am} - R (i_{Am} + k_{R} i_{m 0}) - L \frac{d (i_{Am} + k_{L} i_{m 0})}{dt} - R_{F}^{'} i_{m 0} | .

最后，根据误差系数E_F的大小进行判定：如果E_F＜E_set，则确定串补电容前发生故障，保护装置动作，发出跳闸指令；否则，确定串补电容后发生故障，再结合阻抗元件决定保护装置是否动作。其中，E_set为误差系数定值，整定原则为：E_set＝(1.1～1.2)E_r1max，E_r1max为串补电容前故障的最大误差系数，其求取方法为：在串补电容前选取不同故障点进行大量仿真，求出各次仿真的误差系数，取其中的最大值。

确定串补电容后发生故障，结合阻抗元件决定保护装置是否动作的具体判定方法是：

k_{Z} = \frac{Z_{0} - Z_{1}}{Z_{1}},

下面给出了本发明电磁暂态仿真程序(EMTP)的结果。如附图5所示，系统电压等级为750kV，线路采用分布参数模型。正序参数Z₁＝0.01217+j0.268Ω/km，C₁＝0.01367uF/km；零序参数Z₀＝0.27293+j0.84Ω/km，C₀＝0.0093μF/km。线路长度为300km，M、N侧正序和零序系统阻抗分别为Z_M1＝0.7792+j6.744Ω，Z_M0＝0.4469+j15.709Ω，Z_N1＝0.8088+j6.3077Ω，Z_N0＝1.8527+j16.5808Ω。

串补电容安装在线路150km处，补偿度为50％。MOV保护电压水平为电容额定电压峰值的2.3倍。

仿真中数据采样频率为10kHz，用故障后一周波的数据进行计算。

在串补电容前选取不同故障点进行大量仿真，表1列出了在串补电容前发生单相接地故障时的误差系数计算结果。

表1

故障距离/km	各过渡电阻下的误差系数
	各过渡电阻下的误差系数				0Ω	10Ω	20Ω	50Ω
	0	0	33.5326	57.9115	0Ω	10Ω	20Ω	50Ω	108.5579
50	0	0	33.5326	57.9115	40.8545	62.3593	84.1703	129.2555	108.5579
50	100	51.5612	89.4262	117.7488	40.8545	62.3593	84.1703	129.2555	157.8140
150	100	51.5612	89.4262	117.7488	112.9684	91.0720	94.3379	115.3049	157.8140

其中的误差系数最大值为157.8140，则误差系数定值为E_set＝1.1E_r1max＝173.58。

在串补电容后取K1、K2、K3三个点，分别在这三个点模拟金属性单相接地故障和带过渡电阻单相接地故障，K1位于串补电容后侧，K2位于保护范围内，K3位于保护范围外，表2列出了K1、K2、K3三点发生金属性单相接地故障和带过渡电阻单相接地故障时的误差系数计算结果。

表2

故障点	各过渡电阻下的误差系数
	各过渡电阻下的误差系数				0Ω	10Ω	20Ω	50Ω
	K1	1.0347e+003	668.7714	477.6004	0Ω	10Ω	20Ω	50Ω	338.7858
K2	K1	1.0347e+003	668.7714	477.6004	1.7348e+003	1.3826e+003	1.1254e+003	636.8618	338.7858
K2	K3	2.6858e+003	2.1173e+003	1.6890e+003	1.7348e+003	1.3826e+003	1.1254e+003	636.8618	934.9986

从表2可见，三个点的误差系数均大于定值E_set。由表1、表2可见，本发明可以正确区分串补电容前、后故障。

Claims

1、基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法，其特征在于，

步骤1：由保护装置采样线路首端三相电压值u_Am、u_Bm、u_Cm和电流值i_Am、i_Bm、i_Cm，计算零序电流i_m0计算首端三相电压相量

和电流相量

确定单相接地故障的故障相(＝A、B、C)；

步骤2：建立串补电容前故障的参数识别方程

其中，u_m、i_m分别为首端故障相的电压和电流，

i_{m 0} = \frac{1}{3} (i_{Am} + i_{Bm} + i_{Cm}),

步骤4：根据误差系数E_F的大小进行判定：如果月E_F＜E_set，则确定串补电容前发生故障，保护装置动作，其中E_set为误差系数定值，整定原则为：E_set＝(1.1～1.2)E_r1max，E_r1max为串补电容前故障的最大误差系数；

k_{Z} = \frac{Z_{0} - Z_{1}}{Z_{1}},

Z₁、Z₀为单位长度的正序、零序阻抗，Z_set为阻抗定值，按全线阻抗整定，Z_set＝(0.8～0.9)Z_L，Z_L为全线阻抗。

2、根据权利要求1所述基于模型识别的带串补电容输电线路距离保护方法，其特征在于，所述串补电容前故障的最大误差系数E_r1max，其求取方法为：在串补电容前选取不同故障点进行仿真，选取各次仿真的误差系数最大值。