CN101404407A - 非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法。该方法包括测量并记录被保护输电线路两端各线路电流、线路侧各相电压，作为输入量，采用常规的相电流突变量启动判据，如果启动判据成立，则分别计算被保护输电线路两端负序电压和负序电流的相位，如果被保护线路两端均判断为正向故障，则跳闸切除故障相；如果再有故障发生，则重新判断故障方向，如果被保护线路两端均判别为正向故障，则跳闸切除故障线路；反之，任何一侧的保护判别故障方向为反向，则不跳闸。本发明可以有效地保护输电线路，无需切换成相差高频保护，降低了负序方向纵联微机保护的复杂性，提高了保护整体的可靠性，具有很高的实用价值。

Description

非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法。

背景技术

输电线路担负着传送电能的重要任务，其故障直接威胁到电力系统的安全运行，因此，快速灵敏地诊断故障发生、有选择性地可靠切除故障线路的继电保护技术得到了快速发展。由于输电线路的重要性，主保护主要采用能够实现全线速切的差动保护、方向纵联保护、高频距离保护、相差高频保护等；后备保护主要采用距离保护、零序电流保护、过电流保护等。

在电力系统中，负序方向纵联保护具有悠久的历史和丰富的运行经验，是方向纵联保护中非常重要的一种，它通过比较保护安装处的负序电流与线路侧负序电压的相对相位，判断故障方向。负序分量是一种存在于故障全过程的故障分量，因此负序方向纵联保护可以可靠地反应不对称故障的全过程，不受振荡的影响，不受平行线零序互感的影响。

但也存在两个主要缺点：1)不能可靠反应三相短路；2)在非全相运行状态下再故障时不能可靠动作。针对第一个缺点，文献(中国发明专利：特高压输电线路的负序方向纵联保护方法，申请号：200710056724.8)，基于实际系统中的三相短路初瞬间会出现的不对称，提出了一种新的保护算法，使得负序纵联方向保护也能反应三相短路；但不能解决非全相运行状态下再故障时负序方向纵联保护不能可靠动作的问题。

输电线路的非全相运行方式主要指：线路单相接地短路后，故障相断路器跳闸至重合闸之间的过程；导线一相或两相断线；断路器在合闸过程中三相触点不同时接通等情况。在非全相运行方式下，线路中将存在负序分量；当再故障时，负序方向纵联保护将拒动，因此传统做法是在非全相运行方式下将负序方向纵联保护退出运行，而切换成相差高频保护。这种做法导致了相应的微机保护装置复杂，可靠性降低，制约了负序方向纵联保护在电力系统中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出了一种适用于非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法。该方法利用系统正常运行、非全相运行和非全相再故障后，三个阶段的相电压相量和电流相量，构造计算负序电压和负序电流；在计算过程中抵消非全相运行时系统中存在的负序分量，实现了非全相运行再故障情况下，负序方向元件能够正确判断故障方向，使得负序方向纵联保护可以适用，无需切换成相差高频保护，降低了负序方向纵联微机保护的复杂性，提高了保护整体的可靠性，具有很高的实用价值。

本发明的非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法，包括以下步骤：

1)电力系统正常运行时，测量并记录被保护输电线路两端各线路电流、线路侧各相电压，作为输入量，即：

线路侧各相电压相量线路相电流相量

其中

为相别：A相、B相或C相任一种；

2)采用常规的相电流突变量启动判据，检测故障是否发生：

其中k₁为固定门槛系数，取值0.2；I_N为系统正常运行时相电流额定值；相电流突变量

定义为：

为相电流波形第k个采样点；N为相电流整周期采样点数；

分别为超前

采样点一个周波和两个周波的采样点；

3)如果启动判据成立，则分别计算被保护输电线路两端负序电压和负序电流的相位，并根据下式判定每一端故障为正向还是反向(两端计算方法相同，以一端为例)：

正向动作判据为：

反向动作判据为：

其中负序电流

负序电压的计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_A+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_B+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_C)$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_A+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_B+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_C)$

常量 $\mathrm{\α}=-\frac{1}{2}+j\·\frac{\sqrt{3}}{2};$

4)如果被保护线路两端均判断为正向故障，则跳闸切除故障相(假设为A相)，电力系统进入非全相运行状态；继续监测非故障相(B相、C相)的运行状态，利用步骤2中的启动判据检测是否再有故障发生；

5)如果在非全相运行情况下再有故障发生，则根据步骤3的正向、反向动作判据重新判断故障方向，其中负序电流

根据下式计算：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}[-3{\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}]$

${\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}},{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}$ 为非全相运行再故障后的B、C相线路电流相量测量值；

为系统非全相运行时的负序电流计算值，计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}=\frac{1}{3}[{\stackrel{\·}{I}}_{A\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}}]$

${\stackrel{\·}{I}}_{A\_\mathrm{OpenPhase}},{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}},{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}}$ 为系统非全相运行时的A相、B相、C相电流测量值；

负序电压根据下式计算：

${\stackrel{\·}{U}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{A\_\mathrm{load}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}})$

其中

为系统正常运行时A相线路侧电压测量值； ${\stackrel{\·}{U}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}},{\stackrel{\·}{U}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}$ 为非全相运行再故障后的B、C相线路侧电压相量测量值；

6)如果被保护线路两端均判别为正向故障，则跳闸切除故障线路；反之，任何一侧判别故障方向为反向，则不跳闸，被保护线路继续运行。

本发明的特点及技术效果：

本发明方法是基于输电线路正常运行、非全相运行、非全相运行再故障三种运行方式下的电气特性提出的；能够实现系统正常运行下和非全相运行下，发生故障时的正确故障方向判别；非全相运行时不误动；实现了输电线路全部运行状态下的保护，克服了传统方法在非全相运行方式下必须退出负序方向纵联保护运行的弊端。

本发明方法适用于任何电压等级的输电线路，应用本发明方法的输电线路微机保护装置，无需再装设相差高频保护，降低了微机保护装置的复杂度，提高了可靠性，在现场应用中具有更强的灵活性。

附图说明

图1为应用本发明方法的特高压输电系统示意图。

图2为基于图1所示模型的应用本发明方法的特高压输电系统微机保护动作特性，其中：

(a)非全相运行方式下，被保护输电线路区内单相接地故障时的保护动作特性；

(b)非全相运行方式下，被保护输电线路区内两相短路故障时的保护动作特性；

(c)非全相运行方式下，被保护输电线路区内两相接地故障时的保护动作特性；

(d)非全相运行方式下，被保护输电线路区外两相接地故障时的保护动作特性；

(e)非全相运行方式下，被保护输电线路区外单相接地故障时的保护动作特性；

具体实施方式

本发明提出的非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护实施例详细说明如下：

应用本发明的一种1000kV特高压输电系统型如图1所示，系统为典型的双端供电系统，保护安装线路的两侧母线分别为M和N，MN线路长度为500km；线路PM段和NQ段长度均为100km；线路参数值如表1所示。两侧系统阻抗参数如下所示，Q侧电源角度落后P侧44度，P侧和Q侧电势分别为1.1062和1.1069倍额定电压。应用本发明方法的保护装置安装在M侧、N侧，电压、电流分别来自线路侧电压互感器(PT)、电流互感器(CT)，电流的正方向为电流由母线流向线路的方向。

表1 1000kV特高压输电线路主要参数

两侧系统阻抗参数为：

P侧正序系统阻抗：Z_M1＝4.2643+j85.14528Ω

P侧零序系统阻抗：Z_M0＝98.533+j260.79Ω

Q侧正序系统阻抗：Z_N1＝7.9956+j159.6474Ω

Q侧零序系统阻抗：Z_N0＝184.749+j488.981Ω

本实施例仿真故障过程为：仿真在0ms时开始；在50ms时，距M侧母线350km处发生A相金属性接地故障；在160ms时保护动作跳闸A相；190ms时在距M侧母线420km处F₁点B相经1欧姆电阻发生接地故障。应用本发明方法实施例具体步骤如下：

1)电力系统正常运行时，测量并记录被保护线路两端各线路电流、线路侧各相电压，作为输入量(两端计算方法相同，以M端为例)，即：

M侧A相电压： ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MA}}=-643.31+j\·136.54\mathrm{kV}$

M侧B相电压： ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MB}}=439.92+j\·488.91\mathrm{kV}$

M侧C相电压： ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MC}}=203.44-j\·625.30\mathrm{kV}$

M侧A相电流： ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MA}}=-1177.5+j\·163.92A$

M侧B相电流： ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MB}}=730.69+j\·937.76A$

M侧C相电流： ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MC}}=446.78-j\·1101.7A$

2)检测故障是否发生：

设定本发明方法的采样率为1000Hz(即N＝20)，k取值51(即故障发生后1ms)，M侧A相电流采样值i_MA：i_MA(k)＝i_MA(51)＝1.8084×10³A

                         i_MA(k-N)＝i_MA(31)＝1.2348×10³A

                         i_MA(k-2N)＝i_MA(11)＝1.2348×10³A

则计算相电流突变量Δi_MA(k)为：

Δi_MA(k)＝i_MA(k)-2·i_MA(k-N)+i_MA(k-2N)

        ＝0.5736×10³A

启动门槛值计算为： $k_1{I}_N=0.2\×\left|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MA}}\right|=0.2\×|-1177.5+j\·163.92|=237.77$

因此：

，检测到故障发生，保护启动。

3)计算M侧负序电压

和负序电流的相位，判定故障方向：

${\stackrel{\·}{I}}_{M2}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MA}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MB}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{MC}})$

$=106.7+j\·617.3A$

${\stackrel{\·}{U}}_{M2}=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MA}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MB}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{MC}})$

$=61.65-j\·17.34\mathrm{kV}$

计算M侧负序电流

负序电压

相角差：

M侧保护判断为正向故障；同理可以计算出N侧保护也判别为正向故障。因此，负序方向纵联保护动作跳闸切除A相输电线路。

4)故障相-A相输电线路跳闸后，输电线路进入非全相运行状态。保护继续监测非故障相(B、C相)的运行状态，检测是否有故障发生；检测过程与步骤2)中相同。

5)非全相运行再发生故障，根据步骤3)重新判断故障方向，其中负序电流计算为：

由输电线路非全相运行时的仿真数据得到A、B、C相电流值为：

${\stackrel{\·}{I}}_{A\_\mathrm{OpenPhase}}=0.0020-j\·0.0067A$

${\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}}=455.85-j\·1031.3A$

${\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}}=171.94-j\·1008.1A$

从而计算得出： ${\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}=\frac{1}{3}[{\stackrel{\·}{I}}_{A\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}}]$

$=484.10-j\·85.832A$

非全相运行再故障后，由监测数据得到B、C相电流值为：

${\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}=1866.1-j\·184.16A$

${\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}=166.46-j\·1230.5A$

因此，计算负序电流

为：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}[-3{\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}]$

$=-520.8-j\·169.0A$

根据监测数据，可得A、B、C相电压值为：

${\stackrel{\·}{U}}_{A\_\mathrm{load}}=-643.31+j\·136.54\mathrm{kV}$

${\stackrel{\·}{U}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}=129.63+j\·263.48\mathrm{kV}$

${\stackrel{\·}{U}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}=8.5642-j\·700.65\mathrm{kV}$

从而计算负序电压

${\stackrel{\·}{U}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{A\_\mathrm{load}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}})$

$=40.85+j\·83.43\mathrm{kV}$

计算负序电流

负序电压

之间的相角差：

因此，M侧保护判断为正向故障。

6)同理，N侧保护判断故障方向为：

N侧判断为正向故障。

被保护输电线路两端均判断为正向故障，因此负序方向纵联保护动作跳闸，切除故障线路。

为了检验应用本发明的负序方向纵联保护的动作特性，基于图1所示的模型进行了大量的数字仿真，特高压输电系统微机保护动作特性如图2所示，其中，故障点选择从490km逐渐递减到10km，步长为10km；故障过渡电阻选择15欧姆。仿真结果如图2(a)所示，其中纵坐标“相角差”为负序电流领先负序电压的角度，横坐标“故障距离”为故障点F₁距母线N的距离；同时也给出了非全相运行再发生被保护输电线路区内两相金属性短路故障(如图2(b))、非全相运行再发生被保护输电线路区内两相经15欧姆接地故障(如图2(c))、非全相运行被保护输电线路区外F₂点再发生AB相经15欧姆接地故障(如图2(d))、非全相运行被保护输电线路区外F₃点再发生C相经15欧姆接地故障情况下(如图2(e))，应用本发明的负序方向纵联保护的动作特性。

由图2(a)-(e)可见，被保护输电线路区内无论故障地点、何种故障类型，应用本发明的负序方向纵联保护均能可靠动作、切除故障，而且灵敏度高；区外无论故障地点、何种故障类型，应用本发明的负序方向纵联保护均能可靠闭锁，不动作跳闸。

Claims (1)

1、一种非全相运行方式下的输电线路负序方向纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)电力系统正常运行时，测量并记录被保护输电线路两端各线路电流、线路侧各相电压，作为输入量，即：

线路侧各相电压相量

线路相电流相量

其中

为相别：A相、B相或C相任一种；

2)采用常规的相电流突变量启动判据，检测故障是否发生：

其中k₁为固定门槛系数，取值0.2；I_N为系统正常运行时相电流额定值；相电流突变量

定义为：

为相电流波形第k个采样点；N为相电流整周期采样点数；

分别为超前采样点一个周波和两个周波的采样点；

3)如果启动判据成立，则分别计算被保护输电线路两端负序电压和负序电流的相位，并根据下式判定每一端故障为正向还是反向：

正向动作判据为：

反向动作判据为：

其中负序电流负序电压的计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_A+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_B+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_C)$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_A+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_B+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_C)$

常量 $\mathrm{\α}=-\frac{1}{2}+j\·\frac{\sqrt{3}}{2};$

4)如果被保护线路两端均判断为正向故障，则跳闸切除故障相(假设为A相)，电力系统进入非全相运行状态；继续监测非故障相(B相、C相)的运行状态，利用步骤2)中的启动判据检测是否再有故障发生；

5)如果在非全相运行情况下再有故障发生，则根据步骤3)的正向、反向动作判据重新判断故障方向，其中负序电流

根据下式计算：

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}{[-3\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}]$

为非全相运行再故障后的B、C相线路电流相量测量值；

为系统非全相运行时的负序电流计算值，计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_{2\_\mathrm{OpenPhase}}=\frac{1}{3}{[\stackrel{\·}{I}}_{A\_\mathrm{OpenPhase}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{I}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}}]$

为系统非全相运行时的A相、B相、C相电流测量值；负序电压

根据下式计算：

${\stackrel{\·}{U}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{U}}_{A\_\mathrm{load}}+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{U}}_{B\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{U}}_{C\_\mathrm{OpenPhase}\_\mathrm{Fault}})$

其中

为系统正常运行时A相线路侧电压测量值；

为非全相运行再故障后的B、C相线路侧电压相量测量值；

6)如果被保护线路两端均判别为正向故障，则跳闸切除故障线路；反之，任何一侧判别故障方向为反向，则不跳闸，被保护线路继续运行。

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