CN101741070A - 基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法：1)在线路两端安装相同的继电保护装置，每个继电保护装置测量本端电流量、电压量，再通过通讯通道获取对端的电流量和电压量；2)各继电保护装置根据两端的同一时刻的电流量和电压量进行计算；对于交流线路，算出各相和/或相间分支阻抗；对于直流线路，算出分支电阻；3)对于交流线路，在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内判断为线路内部故障；对于直流线路，可以整定一个电阻定值，分支阻抗小于该定值，判断为线路内部故障。

Description

基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法

技术领域：

本发明涉及继电保护领域，更具体地涉及一种线路的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法。

背景技术：

距离保护和纵联电流差动保护是线路的两种主要保护。距离保护仅反应线路一端的电气量，不可能快速区分本线末端和对侧母线(或相邻线始端)故障，必须采用缩短保护范围、增加动作时间等方式以保证选择性；距离保护受系统振荡的影响，需要配置振荡闭锁元件以及振荡中再故障的开放元件，增加了保护的复杂性；距离保护还受过渡电阻的影响；以距离继电器为主要元件的纵联距离保护也存在受系统振荡影响、受过渡电阻影响等问题。纵联电流差动保护反应线路两端的电流量，可以快速、可靠地区分线路内部任意点故障与外部故障，达到有选择、快速地切除全线路任意点故障的目的。随着电力系统规模日益扩大以及用户对供电可靠性的需求越来越高，线路保护需要更加灵敏和可靠。但是随着线路电压等级的升高，送电距离、送电容量的增加，负载电流、分布电容、过渡电阻、电流互感器饱和等等因素阻碍了纵联电流差动保护灵敏度和可靠性的进一步提高。而另一方面，随着通讯技术的发展，为线路两端纵联保护交换更多的电量信息提供了条件。

发明内容：

本发明的目的就是为克服上述现有技术的缺点，提供一种基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，它通过计算分支阻抗，根据分支阻抗的大小和特性来判断线路上是否有故障。该方法不需要对电容电流进行补偿，不受负荷电流、系统振荡的影响，耐受过渡电阻能力强。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，它的过程为，

1)在线路两端安装相同的继电保护装置，每个继电保护装置测量本端电流量、电压量，再通过通讯通道获取对端的电流量和电压量；

2)各继电保护装置根据两端的同一时刻的电流量和电压量进行计算；对于交流线路，算出各相和/或相间分支阻抗；对于直流线路，算出分支电阻；

3)正常负荷条件下、系统振荡时、外部故障时，分支阻抗趋近于无穷大；而线路内部故障时分支阻抗是电阻性质的，其大小等于过渡电阻值；对于交流线路，线路的分布电容可以等效为电容性分支，其阻抗为容抗性质，位于阻抗平面的-X轴上；而线路故障的过渡电阻值是纯电阻量，位于阻抗平面的+R轴上。因此，对于交流线路，可以在阻抗平面上整定一个+R轴附近的区域为动作区，分支阻抗落入区内判断为线路内部故障；对于直流线路，可以整定一个电阻定值，分支阻抗小于该定值，判断为线路内部故障。

所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向；线路两端分别记为M端和N端；则对于交流线路，采用两端的电流、电压相量，分支阻抗的计算公式为：

式中：Zg即为分支阻抗；

ZL为线路全长的阻抗；

分别为线路M端电压相量和电流相量；

分别为线路N端电压相量和电流相量；

为线路差动电流相量，等于两端电流的相量和。

所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向，线路两端分别记为M端和N端，则对于交流线路，采用两端的电流、电压瞬时值，分支电阻和分支电感的计算公式为：

其中：

式中：R_g、L_g分别为分支电阻和分支电感；

R_L、L_L分别为线路单位长度电阻和电感，l_L为线路总长度；

u_M、i_M分别为线路M端电压瞬时值和电流瞬时值；

u_N、i_N分别为线路N端电压瞬时值和电流瞬时值；

i_d为线路差动电流瞬时值，其值等于两端电流瞬时值之和；

根据式(2)，用多个时刻的电流、电压瞬时值，即可求解出分支电阻R_g和分支电感L_g，，分支电感乘以角频率就是分支电抗，由分支电阻和分支电抗就构成了分支阻抗。

所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向，线路两端分别记为M端和N端，则对于直流线路，采用两端的电流、电压值，分支电阻的计算公式为：

式中：R_g即为分支电阻；

R_L为线路全长的电阻；

U_M、I_M分别为线路M端电压量和电流量，根据计算需要，可以取瞬时值、算术平均值或者几何平均值等；

U_N、I_N分别为线路N端电压量和电流量，根据计算需要，可以取瞬时值、算术平均值或者几何平均值等；

I_d为线路差动电流量，其值等于两端电流量之和。

在三相交流系统中，对于交流线路，采用两端的电流、电压相量，分别求取各相分支阻抗和各相间分支阻抗，当求取各相分支阻抗时，公式(1)中电压量分别采用对应的相电压

，电流量

取经过零序电流补偿的相电流

，差动电流

等于两端该相电流的相量和

，则求出的分支阻抗就是该相的分支阻抗

，上面各量中的

取A、B、C三相；当求取各相间分支阻抗时，公式(1)中电压量

分别采用对应的线电压，电流量

取相间电流

，差动电流

等于两端相间电流的相量和，则求出的分支阻抗就是该相间分支阻抗，上面各量中的取AB、BC、CA三个相间值。

在三相交流系统中，对于交流线路，采用两端的电流、电压瞬时值，分别求取各相分支阻抗和各相间分支电阻和分支电感。当求取各相分支阻抗时，公式(2)中电压量u_M、u_N分别采用对应的相电压

，电流量i_M、i_N取经过零序电流补偿的相电流

，差动电流id等于两端该相电流的瞬时值之和

，则求出的就是该相的分支电阻

和分支电感

，上面各量中的

取A、B、C三相值；当求取各相间分支阻抗时，公式(2)中电压量u_M、u_N分别采用对应的线电压

，电流量i_M、i_N取相间电流

，差动电流

等于两端相间电流的瞬时值之和

，则求出的就是该相间的分支电阻

和分支电感，

上面各量中的取AB、BC、CA三个相间值。

本发明与现有技术比较，具有以下积极效果：本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，无需整定制动特性、保护范围等；不受负荷电流、系统振荡等的影响，可靠性高；耐受过渡电路能力强，灵敏度高。

附图说明：

图1显示了一个典型的线路及其两端继电保护简化示意图。

图2显示了求解分支阻抗的简化电路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，以三相交流输电线路上M端A相分支阻抗的相量计算和判断为例。根据本端保护安装处的电流互感器TA和电压互感器TV测得电流和电压瞬时值，通过滤波计算得到三相电流相量

和三相电压相量

，同时可以测量或者计算得到零序电流相量

；另外，可以由通讯得到N端测量计算出的同时刻三相电流相量和三相电压相量以及零序电流相量

。而A相差动电流为：

考虑三相线路之间的互感，如果记：

其中K₀等于线路单位长度零序阻抗z₀减去单位长度正序阻抗z₁后除以三倍的单位长度正序阻抗z₁，称为零序电流补偿系数：。

则当线路上某点f发生短路故障时，相当于在f点出现故障分支。由图2可以得到如下电压方程：

式中，Z_M1是母线M处到故障点f之间的线路正序阻抗；Z_N1是母线N处到故障点f之间的线路正序阻抗，Z_ga为A相分支阻抗。

则上面两式

得到：

考虑到Z_M1+Z_N1＝Z_L1，其中Z_L1是线路全长的正序阻抗，是可以事先获得的量，因此上式经过整理就得到关于A相分支阻抗Z_ga的表达式：

如果忽略线路分布电容，在正常负荷状态、系统振荡时以及外部故障过程中，Z_ga→∞；如果考虑分布电容，则在上述情况中分支阻抗Z_ga呈现容抗特性，并且数值很大。而当线路发生故障时，Z_ga等于故障分支的过渡电阻，呈现电阻特性，其数值较小。

在阻抗平面上整定一个扇形区域，区域内部为动作区。扇形以原点为中心，半径为600Ω，两条半径线分别与+R轴夹+30°和-30°角，则如果Z_ga落入这个动作区域，就判断线路发生A相故障。

按照习惯，将每一个阻抗计算和判断步骤称为一个继电器，则上述实例描述了M端A相继电器的实现。M端B和C相继电器的实现与此类似；同样，采用线电压和相间电流可以得到BC、AC、AB三个相间继电器。N端的三个单相继电器和三个相间继电器的实现类同。根据需要，线路两端的继电保护可以采用全部六个继电器或者其中部分继电器。

Claims (6)

1.一种基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，它的过程为，

1)在线路两端安装相同的继电保护装置，每个继电保护装置测量本端电流量、电压量，再通过通讯通道获取对端的电流量和电压量；

2)各继电保护装置根据两端的同一时刻的电流量和电压量进行计算；对于交流线路，算出各相和/或相间分支阻抗；对于直流线路，算出分支电阻；

3)正常负荷条件下、系统振荡时和外部故障时，分支阻抗趋近于无穷大；而线路内部故障时分支阻抗是电阻性质的，其大小等于过渡电阻值；对于交流线路，线路的分布电容等效为电容性分支，其阻抗为容抗性质，位于阻抗平面的-X轴上；而线路故障的过渡电阻值是纯电阻量，位于阻抗平面的+R轴上；

因此，对于交流线路，在阻抗平面上整定一个+R轴区域为动作区，分支阻抗落入区内判断为线路内部故障；

对于直流线路，可以整定一个电阻定值，分支阻抗小于该定值，判断为线路内部故障。

2.如权利要求1所述的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向；线路两端分别记为M端和N端；则对于交流线路，采用两端的电流、电压相量，分支阻抗的计算公式为：

$Z_g=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_M\×{\stackrel{\·}{I}}_N\×{\stackrel{\·}{U}}_N\×{\stackrel{\·}{I}}_M-{\stackrel{\·}{I}}_M\×{\stackrel{\·}{I}}_N\×{\stackrel{\·}{Z}}_L}{{\stackrel{\·}{I}}_d\×({\stackrel{\·}{I}}_M+{\stackrel{\·}{I}}_N)}---\left(1\right)$

式中：Z_g即为分支阻抗；

      Z_L为线路全长的阻抗；

分别为线路M端电压相量和电流相量；

分别为线路N端电压相量和电流相量；

为线路差动电流相量，等于两端电流的相量和。

3.如权利要求1所述的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向，线路两端分别记为M端和N端，则对于交流线路，采用两端的电流、电压瞬时值，分支电阻和分支电感的计算公式为：

$i_d\×R_g+\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}\×L_g=\frac{{\mathrm{Ki}}_M\×u_N+{\mathrm{Ki}}_N\×u_M-{\mathrm{Ki}}_M\×{\mathrm{Ki}}_N\×l_L}{{\mathrm{Ki}}_M+{\mathrm{Ki}}_N}---\left(2\right)$

其中： ${\mathrm{Ki}}_M=i_M\×R_L+\frac{{\mathrm{di}}_M}{\mathrm{dt}}\×L_L,$ ${\mathrm{Ki}}_N=i_N\×R_L+\frac{{\mathrm{di}}_N}{\mathrm{dt}}\×L_L$

式中：R_g、L_g分别为分支电阻和分支电感；

      R_L、L_L分别为线路单位长度电阻和电感，l_L为线路总长度；

      u_M、i_M分别为线路M端电压瞬时值和电流瞬时值；

      u_N、i_N分别为线路N端电压瞬时值和电流瞬时值；

      i_d为线路差动电流瞬时值，其值等于两端电流瞬时值之和；

根据式(2)，用多个时刻的电流、电压瞬时值，即可求解出分支电阻R_g和分支电感L_g，分支电感乘以角频率为分支电抗，由分支电阻和分支电抗就构成了分支阻抗。

4.如权利要求1所述的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，所述步骤2)中，按照现有电流、电压正方向定义，即取由母线流向线路的方向为规定的电流正方向，同时取母线对地为电压正方向，线路两端分别记为M端和N端，则对于直流线路，采用两端的电流、电压值，分支电阻的计算公式为：

$R_g=\frac{U_M\×I_N+U_N\×I_M-I_M\×I_N\×R_L}{I_d\×(I_M+I_N)}---\left(3\right)$

式中：R_g即为分支电阻；

      R_L为线路全长的电阻；

      U_M、I_M分别为线路M端电压量和电流量，根据计算需要，可以取瞬时值、

算术平均值或者几何平均值等；

      U_N、I_N分别为线路N端电压量和电流量，根据计算需要，可以取瞬时值、

算术平均值或者几何平均值等；

      I_d为线路差动电流量，其值等于两端电流量之和。

5.如权利要求2所述的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，在三相交流系统中，对于交流线路，采用两端的电流、电压相量，分别求取各相分支阻抗和各相间分支阻抗，当求取各相分支阻抗时，公式(1)中电压量

分别采用对应的相电压

电流量

取经过零序电流补偿的相电流

差动电流

等于两端该相电流的相量和

则求出的分支阻抗就是该相的分支阻抗

上面各量中的

取A、B、C三相；当求取各相间分支阻抗时，公式(1)中电压量

分别采用对应的线电压

电流量

取相间电流

差动电流

等于两端相间电流的相量和

则求出的分支阻抗就是该相间分支阻抗上面各量中的

取AB、BC、CA三个相间值。

6.如权利要求3所述的基于两端电流量电压量的线路纵联保护方法，其特征是，在三相交流系统中，对于交流线路，采用两端的电流、电压瞬时值，分别求取各相分支阻抗和各相间分支电阻和分支电感。当求取各相分支阻抗时，公式(2)中电压量u_M、u_N分别采用对应的相电压

电流量i_M、i_N取经过零序电流补偿的相电流

差动电流i_d等于两端该相电流的瞬时值之和

则求出的就是该相的分支电阻

和分支电感

上面各量中的取A、B、C三相值；当求取各相间分支阻抗时，公式(2)中电压量u_M、u_N分别采用对应的线电压

电流量i_M、i_N取相间电流

差动电流

等于两端相间电流的瞬时值之和

则求出的就是该相间的分支电阻

和分支电感

上面各量中的

取AB、BC、CA三个相间值。

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