CN101320911A - 一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法，线路两端装置根据本侧保护A，B，C三相电压和电流的采样值，再通过通信通道获取线路对侧装置的三相电压和电流的采样值，并计算出两侧的电压和电流相量。根据同一时刻的相量进行计算，计算出线路两侧的电压相量和与电流相量和的比值，本文称之为综合阻抗，，式中，Z_cd为综合阻抗，

分别为线路两侧的电压和电流。如果某相满足Im(Z_cd)＞0或|Im(Z_cd)|＜Z_set，Z_set为阻抗定值，整定原则为：Z_set＝(0.5－0.6)×Z_c，Z_c为2倍的全线等效容抗，且， I_set为电流定值，一般可取0.1In－0.5In，In为系统电流互感器二次侧额定值，则可以确定线路上发生了故障。该方法不需要对电容电流进行补偿，本身具有选相能力，可以用于带或不带电抗器补偿的线路，灵敏度高。

Description

一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护判据，特别涉及一种电力系统高压输电线路纵联保护判据，称为基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法。

背景技术

线路光纤电流差动保护已广泛应用于电力系统中。为消除电容电流对差动保护的负面影响，诸多文献对电流差动保护原理及电容电流的补偿方法做了研究。目前减小分布电容电流的方法一般是采用补偿电抗器或用相量补偿方法，也有文献提出了一些新的差动保护原理。但这些方法一般都需要知道线路电容参数和补偿电抗器参数，这增加了保护的复杂性。另外，由于电抗器的投切状态由运行方式确定，保护难以确切地得知电抗器的运行状态，目前的电容电流补偿方法带有一定的盲目性。而且，有文献指出，即使对电容电流进行补偿后，对于单端供电等情况，相量差动的各种方案也无法满足实际电力系统的要求，不能期望由相量差动保护解决超高压输电线路继电保护的所有问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法，用以克服上述现有技术的缺点。通过计算综合阻抗，根据综合阻抗虚部的大小和符号来区分线路上是否有故障，该判据不需要对电容电流进行补偿，不需要输入线路电容参数和补偿电抗器参数，本身具有选相能力，可以用于带或不带电抗器补偿的线路，灵敏度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、线路两端装有同样的使用本原理的保护装置，每个装置采集本侧保护A，B，C三相电压和电流的采样值，再通过通信通道获取线路对侧的三相电压和电流的采样值，并计算出两侧的电压和电流相量；

2)、各装置根据两侧保护的同一时刻的相量进行计算，计算出线路两侧的电压相量和与电流相量和的比值，即综合阻抗Z_cd， $Z_{\mathrm{cd}}=\frac{U_{\mathrm{cd}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}},$ ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n,$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n,$ 式中，和分别为两侧母线m、n处的电压相量和电流相量；

3)、如果Im(Z_cd)＞0或|Im(Z_cd)|＜Z_set，且 $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}\right|>I_{\mathrm{set}},$ 则确定线路上的相应相发生了故障；其中，Z_set为阻抗定值，整定原则为：Z_set＝(0.5-0.6)×Z_c，Z_c为2倍的全线等效容抗，I_set为电流定值，一般取0.1In-0.5In，In为系统电流互感器二次侧额定值。

本发明与现有技术相比较，具有以下积极效果：

本发明不是力图在保护判据中消除电容电流的影响，而是利用输电线路上的电容电流，提供了一种输电线路纵联保护新判据。本方法的优点在于：该判定方法不需要对电容电流进行补偿，不需要输入线路电容参数和补偿电抗器参数，本身具有选相能力，可以用于带或不带电抗器补偿的线路，灵敏度高。

附图说明

图1是该微机保护硬件结构示意图，本发明属于微机保护，其中虚框内为本发明的硬件结构框图，从左至右分别为数据采集系统、微机主系统和输入输出系统，本发明核心的实现方法编制程序在微机系统中实现；

图2(1)--图2(4)是本发明的逻辑框图；

图3是线路内部故障时系统图；

图4是线路内部故障时的短路附加状态示意图；

图5是内部故障时综合阻抗示意图；

图6是外部故障时等效电路图；

图7是仿真系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例进一步说明本发明。

参见图1，本发明属于微机保护，线路两侧均须装有同样使用本原理的保护装置，两侧装置通过数字通信来传递信息。以一侧的保护装置为例，输入量为电压和电流，由系统电流互感器TA和电压互感器TV二次侧获得，图中给以简单示意。图中虚框内为本发明的硬件结构框图，本发明的核心内容经编制程序，在微机系统中给以实现。A，B，C三相电压和电流的模拟量输入经低通滤波、保持和A/D采样处理后，得到A，B，C三相电压和电流的采样值，然后在微机主系统中采用数字滤波器计算出三相的电压和电流相量；同理对侧保护也需要采样并计算三相的电压和电流相量，并经由通信通道传到本侧，然后计算综合阻抗和差动电流，来判断线路上是否有故障。

参见图2，其为本发明的逻辑框图。图中“&”代表“与”，“+”代表“或”，只有在满足逻辑框图所示逻辑条件时判断为线路故障，发出跳闸指令。其具体判断方式文字表述如下：

如果Im(Z_cda)＞0或|Im(Z_cda)|＜Z_set且 $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cda}}\right|>I_{\mathrm{set}},$ 说明线路上A相存在故障；如果Im(Z_cdb)＞0或|Im(Z_cdb)|＜Z_set且 $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cdb}}\right|>I_{\mathrm{set}},$ 说明线路上B相存在故障；如果Im(Z_cdc)＞0或|Im(Z_cdc)|＜Z_set且 $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cdc}}\right|>I_{\mathrm{set}},$ 说明线路上C相存在故障。其中Z_cda为A相综合阻抗，

为A相差动电流；Z_cdb为B相综合阻抗，

为B相差动电流；Z_cdc为C相综合阻抗，

为C相差动电流。Z_set为阻抗定值，整定原则为：Z_set＝(0.5-0.6)×Z_c，Z_c为2倍的全线等效容抗，I_set为电流定值，一般可取大于0.1安(二次值)。当判断出线路上存在故障时，保护可以根据系统要求进行跳闸。

参见图3及图4，图3为双侧电源供电的单回线模型，图4为其故障附加状态网络图，线路采用П型等值电路模型。图中，Z_m、Z_n为线路两侧系统阻抗，Z_C为两倍的全线线路等值容抗，Z_lm、Z_ln为故障点两侧的线路阻抗，

为两侧系统电源电势，

和

分别为母线m、n处的电压和电流，F为故障点，E_F为故障点处的过渡电阻，

分别为F点的故障分量电压和电流，综合阻抗为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{cd}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n\end{array}\right.$

定义故障点两侧的阻抗分别为Z₁＝Z_m+Z_lm，Z₂＝Z_n+Z_ln，忽略电容的影响，则流进故障点的电流

为：

${\stackrel{\·}{I}}_F=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_F=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_F/(R_F+Z_1//Z_2),$ 式中， $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_F=-{\stackrel{\·}{U}}_{F\left(0\right)}$

为故障点处故障前的电压。令 ${\stackrel{\·}{U}}_{F\left(0\right)}=k({\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n)e^{\mathrm{j\δ}},$ 则，

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nc}}+{\stackrel{\·}{I}}_F=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n}{Z_c}+\frac{k({\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n)e^{\mathrm{j\δ}}}{R_F+Z_1//Z_2}$

和

为流过线路两侧等效电容的电流。

所以： $Z_{\mathrm{cd}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_c}+\frac{k{e}^{\mathrm{j\δ}}}{R_F+Z_1//Z_2}}=Z_c//[(R_F+Z_1//Z_2)/\left(k{e}^{\mathrm{j\δ}}\right)]$

一般，系数k约为0.5，系统正常运行时，两侧电源电势间的夹角一般不会超过30°，所以，-15°＜δ＜15°。当线路上发生金属性故障时，差电流中流过分布电容的电流所占比率较小，可以忽略，即：

Z_cd≈(R_F+Z₁//Z₂)/(ke^jδ)

令Z_F＝R_F+Z₁//Z₂，将Z_cd示于R-X坐标图中，如附图5。

由式Z_cd≈(R_F+Z₁//Z₂)/(ke^jδ)可知，故障相对应的Z_cd与电源阻抗、线路阻抗、过渡电阻和角度δ有关，结合图5易知，对于金属性故障和带较小过渡电阻的故障，Z_cd一般位于第一或第二象限，其虚部大于零。如果R_F和角度δ较大，Z_cd可能落入第四象限，其虚部的绝对值远小于|Z_c|。

当发生高阻接地故障时，分布电容的影响不可忽略，而Z₁//Z₂＜＜R_F，为便于分析，忽略Z₁//Z₂，得：

$Z_{\mathrm{cd}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_c}+\frac{k{e}^{\mathrm{j\δ}}}{R_F+Z_1//Z_2}}\≈1/(\frac{1}{Z_c}+\frac{k{e}^{\mathrm{j\δ}}}{R_F})=Z_c//[R_F/\left(k{e}^{\mathrm{j\δ}}\right)]$

可见，发生高阻接地故障时，Z_cd为Z_c并联R_F/(ke^jδ)，显然|Z_cd|＜min(|Z_c|，R_F/k)，其虚部的绝对值小于|Z_c|。

附图6为线路正常运行及发生区外故障时的电路图，图中

分别为流过线路两端等效电容的电流。

线路上的差动电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mc}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nc}}={\stackrel{\·}{U}}_m/Z_c+{\stackrel{\·}{U}}_n/Z_c$

综合阻抗为：

$Z_{\mathrm{cd}}=({\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n)/{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}=Z_c$

即线路上发生区外故障时，Z_cd等于Z_c，其虚部是一个绝对值较大的负数。

从上面的分析可知，当线路上发生区外故障时，Z_cd在理论上等于Z_c，其虚部是一个绝对值较大的负数。发生区内故障时，Z_cd一般落入第一或第二象限，其虚部是一个正数，如果R_F及δ角较大，Z_cd有可能落入第四象限，其虚部的绝对值一般会远小于|Z_c|。因此，可以根据Z_cd的虚部的符号和大小来区分线路内部、外部故障，

本发明据此提出了基于综合阻抗的纵联保护原理：

式中，Z_set＝k_rel×|Z_c|。K_rel一般可以取0.5～0.6，足以保证区外故障时不误动，而区内故障时，仍会有较高的灵敏度。I_set只需要保证计算精度即可，不需要躲开正常运行及外部故障时的电容电流，一般可以固定取为0.1A(二次值)，已足以保证计算精度。

下面给出了本发明对EMTP数据的部分仿真结果：

EMTP仿真模型如附图7所示，系统电压等级为500kV，线路采用分布参数模型。模型的线路参数为：正序参数r₁＝0.01958Ω/km，l₁＝0.8192mH/km，c₁＝0.0135uF/km；零序参数r₀＝0.1828Ω/km，l₀＝2.74mH/km，c₀＝0.0092uF/km。线路长度为400km，m、n侧的正序和零序系统阻抗分别为Z_m1＝4.3578+j49.8097，Z_m0＝1.1+j16.6，Z_n1＝2.1788+j24.9048，Z_n0＝0.436+j8.02，阻抗的单位为欧姆。

仿真中，分别在K1、K2、K3、K4四个点模拟各种金属性故障和带过渡电阻接地故障，K1位于m端线路出口，K2位于线路中点，K3位于n端线路出口，K4位于n端母线反向侧出口，计算时采用傅立叶滤波算法。表1列出了系统在K1、K2、K3、K4四个点发生不同类型金属性故障时的三相综合阻抗计算结果，其中Im(Zcda)、Im(Zcdb)和Im(Zcdc)分别代表A、B、C三相的综合阻抗的虚部的值。表2列出了线路在B相发生经不同过渡电阻接地故障时的仿真结果，其中R_F表示接地过渡电阻的数值，分别取100Ω、300Ω和400Ω，Icdb为故障时B相的全量差动电流， ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cdb}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mb}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nb}},$

和

分别为m侧和n侧的B相电流相量。

表1 金属性故障时的仿真结果

表2 单相带过渡电阻接地故障的仿真结果

从表1可见，对于内部故障时的健全相和外部故障时的各相，综合阻抗的虚部均为负数，虚部的绝对值在1000Ω左右，而对于内部故障时的故障相，综合阻抗的虚部为正数，其绝对值在几十欧姆左右。二者有明显的差别，基于综合阻抗的输电线路纵联保护判据可以容易的区分线路内部及外部故障。

表2内容为线路在B相发生经不同过渡电阻接地故障时的仿真结果，为了与传统电流差动保护的性能作比较，表2中还列出了故障相B相的全量差动电流。模型1正常运行时的电容电流约为500A，为了避免误动，传统电流差动保护的电流门槛一般要躲开2倍的电容电流，对于本模型，应整定为1000A。从表2可知，当过渡电阻为300Ω时，故障相的差动电流已经小于1000A，传统电流差动保护已经不能动作。而对于过渡电阻较大的故障，综合阻抗的虚部会出现负数，但即使发生了400Ω的接地故障，综合阻抗的虚部的绝对值也不超过400Ω，如将Z_set取为500Ω，基于综合阻抗原理的纵联保护原理可以可靠动作，而在区外故障时不会误动。对比可知，新原理的抗过渡电阻能力较强。

Claims (1)

1、一种基于综合阻抗的输电线路纵联保护判定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、线路两端装有同样的使用本原理的保护装置，每个装置采集本侧保护A，B，C三相电压和电流，再通过通信通道获取线路对侧的三相电压和电流，并计算出两侧的电压和电流相量；

2)、各装置根据两侧保护的同一时刻的相量进行计算，计算出线路两侧的电压相量和与电流相量和的比值，即综合阻抗Z_cd， $Z_{\mathrm{cd}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cd}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}},$ ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{U}}_m+{\stackrel{\·}{U}}_n,$ ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}={\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n,{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}$ 也称为差动电流，式中，

和

分别为两侧母线m、n处的电压相量和电流相量；

3)、如果Im(Z_cd)＞0或|加(Z_cd)|＜Z_set，且 $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cd}}\right|>I_{\mathrm{set}},$ 则确定线路上的相应相发生了故障；其中，Z_set为阻抗定值，整定原则为：Z_set＝(0.5-0.6)×Z_c，Z_c为2倍的全线等效容抗，I_set为电流定值，一般取0.1In-0.5In，In为系统电流互感器二次侧额定值。

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