CN101667726A - 一种正序电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正序电流差动保护方法，所述方法包括：预先在线路内选择一个参考点；按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；在参考点做正序电流差动保护判断；判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路两侧开关跳闸。本发明提供一种正序电流差动保护方法，用于较好的解决分布电容电流对正序电流差动保护的影响。

Description

一种正序电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及特高压输电线路正序电流差动保护方法。

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。如果输电线路发生故障时，若不能及时切除或误切除，则对主系统影响很大，容易造成电网解列，以及变压器越级跳闸等重大事故。

特高压输电线路担负输送大量电能的重要任务，是电力系统的重要枢纽。由于特高压输电线路造价极为昂贵，一旦因故障延时清除而遭到损坏，检修难度大、时间长，对国民经济造成的直接和间接损失将十分巨大。因此，对特高压输电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500kV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的分布参数(相对于集中参数而言)在故障过程中，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。特高压输电线路为了提高传输的自然功率，减小线路表面的电场强度和电晕损耗，需要减少特高压输电线路的波阻抗，即减小特高压输电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，1000kV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，如何针对目前特高压、长输电线路急需解决分布电容电流对差动保护判据的影响，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种正序电流差动保护方法，用于较好的解决分布电容电流对正序差动保护的影响。

本发明提供一种正序电流差动保护方法，包括：

预先在线路内选择一个参考点；

按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；

利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；

在参考点做正序电流差动保护判断；

判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路两侧开关跳闸。

优选地，所述线路均包括三相线路，所述线路执行如下步骤：

预先在所述线路内选择一个参考点；

按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；

利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；

在参考点做正序电流差动保护判断；

判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路两侧开关跳闸。

优选地，所述在参考点做正序电流差动保护判断的步骤具体为：

在参考点采用电流

按差动判断公式进行正序差动保护判断。

优选地，设所述线路两端分别以m，n表示；

所述差动判断公式为：

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

当I_d＞I_h成立时，判断存在故障；当0＜I_d＜3I_h，且I_d＞k₁I_b成立时，判断对应的所述线路内存在故障；当I_d＞k₂I_b-I_h，且I_d≥3I_h成立时，判断对应的所述线路内存在故障；

式中：I_d表示差动量；

$I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}1}|,$ I_km1为参考点m端正序电流，I_kn1为参考点n端正序电流，I_n为正序电流差动保护动作的定值；

I_b为制动量；

$I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}1}|,$ k₁，k₂为制动系数。

优选地，所述正序电流差动保护动作的定值设定为0.05-0.2倍的传输线的二次额定电流值。

优选地，所述制动系数k₁，k₂设置为0.5-0.8。

优选地，所述按滤序算法计算出所述线路两端点的正序电流和正序电压的步骤具体为：

利用所述线路端点处安装的电流互感器和电压互感器测得电流和电压的瞬时值；

通过傅氏算法求出各电气量的相量形式，再利用滤序算法滤出两端的正序电流和正序电压。

优选地，所述滤序算法，以m端为例，按照如下公式：

计算获得；

式中：

为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为m侧a、b、c三相电流的相量形式；

分别为m侧a、b、c三相电压的相量形式。

优选地，所述利用长线方程将两端的正序电流折算至参考点的步骤具体为：

利用以下公式将所述线路两端电流折算到参考点，以m端为例，

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{km}1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{m1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m1}\end{array}\right]$

式中：

分别为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为参考点m侧的正序电压、正序电流；

γ为线路的正序传播常数， ${\mathrm{\&gamma;}}_1=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)*(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1)};$

Z_c为线路的正序波阻抗， $Z_{c1}=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)/(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1});$

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，

r₁为线路单位长度电阻；

L₁为线路单位长度感抗；

g₁为导线对地的单位长度的电导；

C₁为线路单位长度电容；

所述线路另一个端点n端点做上述同样处理。

优选地，若有并联电抗器，所述正序电流再减去并联电抗器的正序电流，两端各减去一半并联电抗器的正序电流。

优选地，所述线路中有串联补偿电容，或者有并联电抗器，所述参考点选在串联补偿电容或并联电抗器处；

所述线路中没有串联补偿电容，且没有并联电抗器，所述参考点选在所述线路内的任意位置。

本发明实施例所述正序电流差动保护方法：预先在线路内选择一个参考点；按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；在参考点做正序电流差动保护判断；从而可以有效地解决分布电容电流对差动保护的影响。通过正序电流差动保护判断，可以判断出故障是否发生在所述线路内，当判断出发生在所述线路内时，可以控制所述线路两侧开关跳闸。

附图说明

图1是本发明所述正序电流差动保护方法第一实施例流程图；

图2是本发明所述输电线路结构图。

具体实施方式

本发明提供一种正序电流差动保护方法，用于较好的解决分布电容电流对正序差动保护的影响。

传统的正序电流差动保护判据算法是采用线路两端保护安装处计算的零序电流直接计算。

在1000KV特高压长线路上，分布电容电流很大，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，在光纤纵联差动保护装置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端电流为基础的差动保护影响更加严重。

对于1000KV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，在光纤纵联差动保护装置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在某些故障情况下会延长光纤纵联差动保护装置的动作时间。

参见图1和图2，图1是本发明所述正序电流差动保护方法第一实施例流程图，图2是本发明所述输电线路结构图。

本发明第一实施例所述正序电流差动保护方法，包括以下步骤：

S100、预先在线路内选择一个参考点。

如图2所示为设有参考点k的特高压输电线路mn，简称线路mn。图2中为在线路中间有并联电抗器L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，则参考点可选择任意点k，对于差动保护，两端所选参考点应为一个点，即两端光纤纵联差动保护装置安装处至参考点的距离之和为线路长度。

S200、按滤序算法计算出所述线路两端点的正序电流和正序电压。

光纤纵联差动保护装置可以对互感器的电压电流波形采样得到电压电流瞬时值。

通过傅氏算法求出各电气量的相量形式；

通过滤序算法滤出两侧正序电流和正序电压；

S300、利用长线方程将所述线路两端点的正序电流折算至参考点。

通过长线方程将光纤纵联差动保护装置安装处计算出的正序电流和正序电压按相量形式折算到参考点k；参考点两侧正序电流为

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)。

光纤纵联差动保护装置可以利用光纤纵联差动保护装置安装处的TA和TV测得两端点的电流和电压的瞬时值。

通过傅氏算法求出各电气量的相量形式，再利用滤序算法滤出两端的正序电流和正序电压；以m端为例，滤序算法公式如下：

(1)

式中：

为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为m侧a、b、c三相电流的相量形式；

分别为m侧a、b、c三相电压的相量形式。

利用以下公式即长线方程(2)，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。

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{km}1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{m1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中：

分别为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为参考点m侧的正序电压、正序电流；

γ为线路的正序传播常数， ${\mathrm{\&gamma;}}_1=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)*(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1)};$

Z_c为线路的正序波阻抗， $Z_{c1}=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)/(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1});$

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，

r₁为线路单位长度电阻；

L₁为线路单位长度感抗；

g₁为导线对地的单位长度的电导；

C₁为线路单位长度电容；

所述线路另一个端点n端点做上述同样处理。

由于长线方程(2)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，由于正序电流可以反映所有的不对称故障，因此，正序差动可作为现有差动的有力补充。

关于k点的选取的考虑，长线方程(2)电流差动保护可以适用于任意长度的特高压输电线路，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(2)在串联补偿电容或并联电抗器安装处不成立，需将参考点k选在串联补偿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正序电流，就可以很容易的实现正序差动保护算法，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。

S400、在参考点做正序电流差动保护判断；判断是否为所述线路内故障？若是执行步骤S500，否则确定故障发生在所述线路外。

在参考点k可以采用电流

按多种传统差动公式进行正序差动保护判断，判断故障是否发生线路保护范围即图2中的mn线路内。

例如正序电流差动保护判断公式(3)：

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

当I_d＞I_h成立时，判断存在故障；当0＜I_d＜3I_h，且I_d＞k₁I_b成立时，判断对应的所述线路内存在故障；当I_d＞k₂I_b-I_h，且I_d≥3I_h成立时，判断对应的所述线路内存在故障；

式中：I_d表示差动量；

$I_d=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}1}|,$ I_km1为参考点m侧正序电流，I_kn1为参考点n侧正序电流，I_h为正序电流差动保护动作的定值；

I_h为正序电流差动保护动作的定值通常设定为(0.05-0.2)倍的传输线的二次额定电流值。

I_b为制动量；

$I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}1}|,$ k₁，k₂为制动系数。

为制动系数k₁，k₂通常设置为0.5-0.8。

S500、确定故障发生在所述线路内时，控制所述线路的两侧开关跳闸。

本发明实施例所述正序电流差动保护方法，首先将两端电压(以m端为例)

电流

(下标φ＝a，b，c)按滤序算法滤出两侧的正序电流

和正序电压

n端为

和

再由长线方程(2)将两端正序电流折算到参考点k(m侧为n侧为

)，从而可以有效地解决分布电容电流对差动保护的影响。本发明实施例所述正序电流差动保护方法可以通过正序电流差动保护判断，可以判断出故障是否发生在所述线路内，当判断出发生在所述线路内时，可以控制所述线路两侧开关跳闸。

本发明实施例所述正序电流差动保护方法，由于采用了分布参数计算，因此，不受线路上分布电容的影响。因此，对于各种类型的对称及非对称性故障，尤其是高阻接地故障，具有很好的应用价值。

本发明可以首先按滤序算法计算出两侧的正序电流和正序电压，再利用长线方程将两端正序电流折算至参考点k，如图2所示，在参考点k做正序电流差动保护计算。

若故障发生在保护范围外即mn线路外或无故障，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，在正常运行时，线路上应无正序差动电流，因此在k点正序差动量为零。

正常情况下，光纤纵联差动保护装置不会误动，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，此时由两端光纤纵联差动保护装置安装处按长线方程折算到参考点k点的正序电流的动作量和制动量满足差动保护的动作判据。

本发明实施例所述正序电流差动保护方法，所述线路可以均包括三相线路，执行如下步骤：

S101、预先在线路内选择一个参考点；

S201、按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；

S301、利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；

S401、在参考点做正序电流差动保护判断；判断是否为所述线路内故障，若是执行步骤S501，否则确定故障发生在所述线路外。

正序电流差动保护判断公式(4)如下：

式(4)中公式符号意义同前面所述，增加符号

表示a，b，c，即三相分别做差动计算。

S501、判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路的两侧开关跳闸。

本发明实施例所述正序电流差动保护方法由于采用了分布参数计算，因此，不受线路上分布电容的影响，因此，对于各种类型的对称及非对称性故障，尤其是高阻接地故障，具有很好的应用价值。

以上所述仅是本发明所述正序电流差动保护方法的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种正序电流差动保护方法，其特征在于，所述方法包括：

预先在线路内选择一个参考点；

按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；

利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；

在参考点做正序电流差动保护判断；

判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路两侧开关跳闸。

2、根据权利要求1所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述线路均包括三相线路，所述线路执行如下步骤：

预先在所述线路内选择一个参考点；

按滤序算法计算出所述线路两端的正序电流和正序电压；

利用长线方程将所述线路两端的正序电流折算至参考点；

在参考点做正序电流差动保护判断；

判断故障发生在所述线路内时，控制所述线路两侧开关跳闸。

3、根据权利要求1所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，所述在参考点做正序电流差动保护判断的步骤具体为：

在参考点采用电流

按差动判断公式进行正序差动保护判断。

4、根据权利要求3所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，设所述线路两端分别以m，n表示；

所述差动判断公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_d>I_h& \\ I_d{>k}_1{I}_b& 0{<I}_d<3I_h\\ I_d>k_2{I}_b-I_h& I_d\&GreaterEqual;3I_h\end{array}\right.$

当I_d＞I_h成立时，判断存在故障；当0＜I_d＜3I_h，且I_d＞k₁I_b成立时，判断对应的所述线路内存在故障；当I_d＞k₂I_b-I_h，且I_d≥3I_h成立时，判断对应的所述线路内存在故障；

式中：I_d表示差动量；

I_km1为参考点m端正序电流，I_kn1为参考点n端正序电流，I_h为正序电流差动保护动作的定值；

I_b为制动量；

$I_b=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{kn}1}|,$ k₁，k₂为制动系数。

5、根据权利要求4所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述正序电流差动保护动作的定值设定为0.05-0.2倍的传输线的二次额定电流值。

6、根据权利要求4所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述制动系数k₁，k₂设置为0.5-0.8。

7、根据权利要求1所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述按滤序算法计算出所述线路两端点的正序电流和正序电压的步骤具体为：

利用所述线路端点处安装的电流互感器和电压互感器测得电流和电压的瞬时值；

通过傅氏算法求出各电气量的相量形式，再利用滤序算法滤出两端的正序电流和正序电压。

8、根据权利要求7所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述滤序算法，以m端为例，按照如下公式：

计算获得；

式中：为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为m侧a、b、c三相电流的相量形式；

分别为m侧a、b、c三相电压的相量形式。

9、根据权利要求8所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述利用长线方程将两端的正序电流折算至参考点的步骤具体为：

利用以下公式将所述线路两端电流折算到参考点，以m端为例，

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{km}1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{km}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)& -Z_c\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\\ -\mathrm{sh}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)/Z_c& \mathrm{ch}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{m1}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m1}\end{array}\right]$

式中：分别为m端所计算的正序电压、电流的相量；

分别为参考点m侧的正序电压、正序电流；

γ为线路的正序传播常数， ${\mathrm{\&gamma;}}_1=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)*(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1)};$

Z_c为线路的正序波阻抗， $Z_{c1}=\sqrt{(r_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)/(g_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1)};$

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，

r₁为线路单位长度电阻；

L₁为线路单位长度感抗；

g₁为导线对地的单位长度的电导；

C₁为线路单位长度电容；

所述线路另一个端点n端点做上述同样处理。

10、根据权利要求9所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

若有并联电抗器，所述正序电流再减去并联电抗器的正序电流，两端各减去一半并联电抗器的正序电流。

11、根据权利要求1所述的正序电流差动保护方法，其特征在于，

所述线路中有串联补偿电容，或者有并联电抗器，所述参考点选在串联补偿电容或并联电抗器处；

所述线路中没有串联补偿电容，且没有并联电抗器，所述参考点选在所述线路内的任意位置。

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