CN101432941A - 三相输电线路的距离保护中的负荷补偿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于距离保护中相对地回路的负荷补偿方法，该方法包括下面的步骤：估算假设零故障电阻或者具有正序电流的第一无功范围(αc)；估算具有零序电流的第二无功范围(α0)；估算具有负序电流的第三无功范围(α2)；估算输入或输出状况；根据第一、第二和第三无功范围来估算针对输入(αi)或者输出(αe)状况的第四无功范围；以及根据所估算的第四无功范围来估算故障阻抗。

Description

三相输电线路的距离保护中的负荷补偿

技术领域

本发明涉及一种用于确定三相输电线路的距离保护中的故障距离的方法和设备。

背景技术

距离保护是通常用于识别输电网中的故障并且通过将故障输电线路从剩余的电网中隔离开而对其进行反应的各种方法中的一种。距离保护通过将距离保护继电器连接到输电线路的端部并且通过测量相电流和相电压来实现。由这些测量值计算阻抗，其中在故障情形下，该阻抗代表测量装置和故障之间的距离。在下文中，将该距离称作故障距离。根据所计算的阻抗值，限定了不同的距离区域。为每个距离区域指定时限，该时限说明何时通过相应的距离继电器使故障线路跳闸。所计算的阻抗值越小，故障距离测量装置越近，线路跳闸(trip)之前的时限越短。

在EP 0671011 B1中，公开了一种用于确定故障与靠近输电线路的一端的测量站的相对距离的方法。测量站提供输电线路的相电流和相电压的测量值。该方法基于一种扩展故障模式，其中该模式考虑了该线路的零序阻抗。此外，该方法假设故障电流，即，通过故障电阻的电流，从输电线路的两端馈送到故障点上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于确定故障距离的方法和设备，其中假设从输电线路的两端馈送故障电流。

根据本发明的第一方面，提供一种如权利要求1所述的方法。

根据本发明的第二方面，提供一种如权利要求15所述的设备。

本发明基于如下事实：在距离保护的过程中，当从输电线路的两端馈送故障电流时，出现了特定的问题。如果来自两个线路端部的故障电流具有不同的相角，那么故障电阻上的电压降可以使相电流和电压失真，使得所计算的阻抗显示出错误的故障距离，进而导致不能正确识别距离区域。

如果所识别的距离区域比实际故障更靠近测量装置，那么将会过早执行跳闸，或者在故障在到达下一个区域的时限之前可能已经消失的情形下甚至于不必要地执行跳闸。这种情形称作超越(over-reach)。

如果所识别的距离区域比实际故障更远，那么可能会过迟执行跳闸，这称作欠范围(under-reach)。

在重载状况下，加重了超越或欠范围的效果。如果不采取动作尤其是对于超越进行补偿，那么将发生不期望的线路瞬时跳闸，其在整个电网中将具有灾难性的后果，诸如断电或者甚至停电。

本发明基于这样的通用理论，即，基于采用三个不同的故障模式来估算三个不同的阻抗值，将这些不同的阻抗值组合成结果阻抗，其中执行组合的方式受制于输电线路上的负荷状况。

这三个故障模式中的第一故障模式基于如下假设，即，故障电流对应于输电线路的至少一个相电流。第二和第三故障模式基于故障电流分别对应于相电流的负序电流分量或零序电流分量的假设。这三个阻抗中的每个阻抗和结果阻抗均对表示故障距离的估算，其中结果阻抗表示最接近故障实际距离的值。将负荷状况指定给下面的分类中一个：正常，超越或者欠范围。根据指定，选择组合这三个阻抗的对应方式。

该方法和执行该方法的设备的优点是他们补偿了重载对距离保护精度造成的负面效应。这种补偿通过区分正常负荷状况和超越以及欠范围并且在产生代表故障距离的阻抗值时考虑负荷分类而实现。由于提高了故障距离的精度，因此可以更高的可靠性来识别对应的距离保护区域。因此，可以防止输电线路过早或者过迟特别是不必要的跳闸，这减小了不必要断电的可能性，使得不适当线路跳闸的最终成本最小。

在本发明的优选实施例中，从输电线路两端中的一端接收相电流，并且负荷状况依据功率流相对该一端的方向确定。其中功率从测量相电流的端部流到输电线路远端的负荷状况称作负荷输出(loadexport)。其中功率以相反方向(即，从远端到测量相电流的端部)流动的负荷状况称作负荷输入(load import)。

在线路上的相对地(phase-to-ground)故障的特定情形下，功率流的方向根据线路上两个无故障相的相电流和相间电压确定，而不是采用所有三相。因此，确保仅用这些测量值来确定可靠地代表功率流的负荷状况。

在进一步的实施例中，负荷状况根据功率流和实际负荷值范围的组合确定。如果负荷值超过预定值，则指示所谓的重载状况。在重载并且负荷输出的情形下，将负荷状况归入超越。在重载以及负荷输入的情形下，将负荷状况归入欠范围。在其他所有情形下，将负荷状况归入正常。

下面，详细描述确定故障距离的方法的各个实施例。

假设相对地故障出现在三相的第一相上，那么优选地通过测量三相中第二相和第三相的电流I_L2和I_L3以及第二相和第三相之间的电压U_L2L3并采用下面的公式来估算负荷输入或输出状况：

P_flow＝Re(U_L2L3(I_L2-I_L3)^*)

以各种方式来确定结果阻抗。在本发明的优选实施例中，仅确定结果阻抗的虚部，因此，仅使用第一、第二和第三阻抗的虚部。如果阻抗Z通常表示为复数Z＝β+jα，那么仅使用虚部α。

在超越的情况下，结果阻抗α_over，a可根据如下公式被确定为第一、第二和第三阻抗α₁到α₃中最大两个阻抗的平均(average)：

α_over，a＝0.5(α₁+α₂+α₃-min(α₁，α₂，α₃))。

在超越结合有与相电流的零序电流分量相比非常小的故障电流的特定情形下，则应用另一个等式。该特定情形例如可发生在发电断开但是接地变压器还在工作的电站中。为了识别这种情形，确定该故障电流并且将该故障电流与零序电流分量进行比较。如果零序电流分量超过了故障电流的预定倍数，那么将结果阻抗α_over，b确定为第三阻抗α₃与第一和第二阻抗α₁和α₂中最大阻抗的平均：α_over，b＝0.5(α₁+α₂+α₃-min(α₁，α₂))。该预定倍数优选地选择成大于5的数。如果欠范围被指定给负荷状况，那么结果阻抗α_under，a确定为第一、第二和第三阻抗α₁到α₃中的中值(median)：

α_under，a＝(α₁+α₂+α₃-min(α₁，α₂，α₃)-max(α₁，α₂，α₃))。

可替换地，结果阻抗α_under，b可确定为三个阻抗α₁到α₃的平均值(mean)： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{under},b}=\frac{({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_3)}{3}.$

另一个替换方式是中值α_under，a和第一、第二和第三阻抗的平均值α_under，b根据下面的等式的组合：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{under},c}=\frac{({\mathrm{\α}}_{\mathrm{under},a}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{under},b})}{2}.$

为了简化第一阻抗的确定并因而简化第一模式，在特定实施例中假设故障电阻的值为零，这使得故障电流的值也为零。

在零序电流分量非常小的特定情形下，第三阻抗α₃设定为第一阻抗α₁的值。这种情况通过确定零序电流分量是否低于预定阈值来检测。

在负序电流分量非常小的特定情形下，将第二阻抗α₂设定为第一阻抗α₁的值。这种情形通过确定负序电流分量是否低于预定阈值来检测。

附图说明

图1示意性示出输电线路中相对地故障的模式；

图2示出了用于在三相输电线路的距离保护中确定故障距离的方法的流程图，以及

图3示出了用于执行图1的方法以及用于产生距离保护的跳闸信号的设备的示意图。

具体实施方式

现在参考图1、图2和图3描述本发明的实施例。

可以如图1所示的方法来建模三相输电线路中影响三相中第一相的相对地回路。输电线路属于电网。电压U₁的位置表示输电线路两端中的一端，其中在该位置处安装测量单元来测量该线路的相电流I₁、I₂和I₃，以及相电压U₁、U₂和U₃。电阻R_F表示该线路上故障的位置。输电线路的另一端未示出。它位于距故障右边的某一距离处。假设故障电流I_F从输电线路的两端进行馈送，如箭头1和2所示。

故障回路两端的电压U₁根据下面的等式U₁＝Z_LI₁+R_FI_F+Z_NI_N进行计算，其中U₁是执行测量的线路一端上的相对地电压，Z_L是表示测量位置和故障之间的距离的故障相阻抗，R_F是故障电阻，并且Z_Z是零序阻抗。电流I₁是测量位置上的第一相的相电流，电流I_Z是测量位置上相电流的零序电流分量，电流I_F是流过故障电阻R_F的故障电流。

可以测量相电流I₁，并且可从全部三相电流的测量值中通过已知的方法得到零序电流分量I_Z。故障电流I_F未知。

根据第一故障模式，将故障电流I_F设定成等于相电流I₁。根据第二故障模式，将故障电流I_F设定成等于相电流的零序电流分量I_Z，零序电流分量I_Z可根据已知的方法从三个相电流确定。根据第三故障模式，将故障电流I_F设定成等于相电流的负序电流分量，其中该负序电流分量可通过公知的方法从三个相电流中确定。

图2的流程图示出了确定代表故障距离的所谓的结果阻抗α的步骤。在开始确定过程(步骤4)之后，在步骤5中接收三个相电流I₁、I₂和I₃的值。根据相电流I₁到I₃，采用第一故障模式来确定第一阻抗α₁。相应地，分别采用第二和第三故障模式确定第二阻抗α₂和第三阻抗α₃(步骤6)。除了形成确定故障距离的主要信息来源的相电流之外，可采用其他的信息。这些信息可以是相电压U₁到U₃的值以及不同的线路参数，例如线路阻抗X_L和零序阻抗X_N。在接下来的步骤7中，确定在线路上是否存在重载状况。如果不存在重载状况(否)，那么识别为正常负荷状况，在步骤8中将结果阻抗α设定为等于正常负荷阻抗α_normal，其代表正常负荷状况之下的故障距离。正常负荷阻抗α_normal通过已知的故障位置方法来计算。

如果在步骤7中检测到重载情况(是)，那么在步骤9中确定功率流的方向。如果识别为负荷输出，那么将负荷状况归为超越，并在步骤10中将结果阻抗α计算为第一、第二和第三阻抗α₁到α₃中最大两个阻抗的平均。如果识别为负荷输入，那么将负荷状况归为欠范围，并在步骤11中将结果阻抗α计算为第一、第二和第三阻抗α₁到α₃的中值。

最后将结果阻抗α输出到另一个过程中，在该过程中，根据该阻抗值确定距离区域。

针对图2描述的方法由图3所示的阻抗确定单元2来执行。阻抗确定单元2代表用于确定故障距离的设备，这是因为结果阻抗α代表故障距离并且与故障距离直接关联。为了确定结果阻抗α，接收相电流I₁到I₃以及相电压U₁到U₃。除此之外，还从外部单元或者从内部存储单元接收参数P。

阻抗确定单元2是距离保护设备1的一部分，该设备还包括区域确定单元3，该区域确定单元3用于确定距离区域并且产生相应的跳闸信号，从而将故障输电线路从其余的电网中断开。

Claims (14)

1.一种用于确定三相输电线路的距离保护中的故障距离的方法，其中，在该线路上存在故障的情况下：

-假设故障电流从输电线路的两端进行馈送，

-接收相电流的测量值，

-采用第一故障模式来估算代表故障距离的线路的第一阻抗，

其特征在于：

-该第一故障模式基于故障电流对应于至少一个相电流的假设，

-采用第二故障模式来估算代表故障距离的线路的第二阻抗，其中，该第二故障模式基于故障电流对应于相电流的负序分量的假设，

-采用第三故障模式来估算代表故障距离的线路的第三阻抗，其中，该第三故障模式基于故障电流对应于相电流的零序电流分量的假设，

-确定线路上的负荷状况，

-将该负荷状况指定为正常、超越或者欠范围分类中的一种，

-根据所指定的分类以及第一、第二和第三阻抗来确定结果阻抗。

2.根据权利要求1的方法，其中，从所述输电线路的一端接收相电流，并且其中负荷状况依据功率流相对于该一端的方向而确定。

3.根据权利要求2的方法，其中在相对地故障的情况下，所述功率流的方向根据线路的两个无故障相的相电流和相间电压来确定。

4.根据权利要求2或3的方法，其中，在所述功率流的方向表示负荷输出并且该负荷超过预定值的情况下，指定超越。

5.根据权利要求2或3的方法，其中，在所述功率流的方向表示负荷输入并且该负荷超过预定值的情况下，指定欠范围。

6.根据权利要求1到5中至少一项权利要求的方法，其中，在检测到超越的情况下，将结果阻抗确定为第一、第二和第三阻抗中最大两个阻抗的平均。

7.根据权利要求1到5中至少一项权利要求的方法，其中，确定故障电流，并且其中在检测到超越并且零序电流分量超过故障电流的预定倍数的情况下，将结果阻抗确定为第三阻抗和第一和第二阻抗中最大阻抗的平均。

8.根据权利要求1到7中至少一项权利要求的方法，其中，在检测到欠范围的情况下，将结果阻抗确定为第一、第二和第三阻抗的中值。

9.根据权利要求1到7中至少一项权利要求的方法，其中，在检测到欠范围的情况下，将结果阻抗确定为第一、第二和第三阻抗的中值和平均值的平均。

10.根据权利要求1到9中至少一项权利要求的方法，其中，所述第一、第二、第三以及结果阻抗分别由它们的虚部表示。

11.根据权利要求1到10中至少一项权利要求的方法，其中，假设故障阻抗的值为零来估算第一阻抗。

12.根据权利要求1到11中至少一项权利要求的方法，其中，在零序电流分量低于预定阈值的情况下，将第三阻抗设定为第一阻抗的值。

13.根据权利要求1到12中至少一项权利要求的方法，其中，在负序电流分量低于预定阈值的情况下，将第二阻抗设定为第一阻抗的值。

14.一种在一个或多个计算机可读介质上实施的计算机程序产品，用于执行根据权利要求1到13中的至少一项权利要求的方法。

15.一种用于确定三相输电线路的距离保护中的故障距离的设备，包括阻抗确定单元，其中该阻抗确定单元

- 接收相电流的测量值，

- 根据第一故障模式来估算代表故障距离的线路的第一阻抗，

其特征在于：

- 该第一故障模式基于故障电流对应于至少一个相电流的假设，

- 以及在于：该处理单元还

○ 采用第二故障模式来估算代表故障距离的线路的第二阻抗，其中，该第二故障模式基于故障电流对应于相电流的负序分量的假设，

○ 采用第三故障模式来估算代表故障距离的线路的第三阻抗，其中，该第三故障模式基于故障电流对应于相电流的零序电流分量的假设，

○ 确定线路上的负荷状况，

○ 将负荷状况指定为正常、超越或欠范围的分类中的一种，

○ 根据所指定的分类以及第一、第二和第三阻抗来确定结果阻抗。

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