CN102064538A - 自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法 - Google Patents

自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法 Download PDF

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Abstract

自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法，通过计算能够反映系统线路阻抗比的参数，对整定点补偿电压相量进行处理以防止超越动作；改变距离继电器动作方程的系数，形成动作特性随时间变化的自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器；针对系统接地和相间故障，本继电器分为接地距离继电器和相间距离继电器。保证在各种系统情况下变化量距离继电器动作可靠性，避免超越动作的情况。

Description

自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法
技术领域
本发明涉及电力系统超（特）高压输电线路继电保护技术领域，具体涉及一种能够自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法。
背景技术
传统的工频变化量距离继电器在继电保护中获得了广泛的应用，其利用电压电流的变化量形成距离继电器，在出口附近发生故障时有着极高的动作速度，能够反映各种类型的故障，不反映负荷却能保护三相短路，不受振荡的影响，动作性能较为优异。
随着电力系统的不断发展，对继电保护动作的可靠性要求日益提高。传统的工频变化量距离继电器存在着一些不足之处，主要问题是：
1.工频变化量距离继电器在一定程度上受到系统运行方式的影响，当系统线路阻抗比较大时，如果系统故障伴随着谐波分量的干扰，此时传统的工频变化量距离继电器超越动作情况较为严重，给整个电力系统的安全运行留下了隐患。
2.工频变化量距离继电器动作门槛较高，在计算初期由于故障分量较小，导致该继电器动作特性不满足，在一定程度上减慢了工频变化量距离继电器动作速度。
针对传统的工频变化量距离继电器，在系统线路阻抗比较大的情况下，超越动作和电容式电压互感器暂态特性有关，可通过提高暂态期间的动作门槛降低其超越动作的可能性，但提高动作门槛削弱了工频变化量继电器的快速动作性能，参见刘海洋，等．CVT暂态特性对工频变化量距离保护的影响．继电器，2006，34（2）．针对整定点补偿电压相量进行适当的调整，可提高工频变化量距离继电器耐受过渡电阻和抗干扰的能力，参见邰能灵，等．改进的比幅式工频变化量距离继电器方案．电力系统自动化，2006，30（9）．但该方式并不能自动适应系统线路阻抗比的情况，抗超越能力一般。
发明内容
本发明提供一种自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法，克服传统的工频变化量距离继电器受系统线路阻抗比影响造成严重超越动作的问题，同时在保证动作可靠性的前提下，通过改变继电器动作特性进一步提高动作速度。
为克服传统工频变化量距离继电器存在的问题，本发明所采用的技术方案如下：通过计算能够反映系统线路阻抗比的参数，对整定点补偿电压相量进行处理以防止超越动作；改变距离继电器动作方程的系数，形成动作特性随时间变化的自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器；针对系统接地和相间故障，本继电器分为接地距离继电器和相间距离继电器。具体包含如下几个部分：
1.   根据故障期间电压电流变化量的附加状态网络（见图1），利用电压电流变化量可以计算系统电源阻抗的大小，将电源阻抗与线路阻抗整定值相比可计算得到                                                
Figure 719554DEST_PATH_IMAGE001
，以此来反映系统线路阻抗比的情况。
令
Figure 980771DEST_PATH_IMAGE002
，相量表达式计算如下：
                    
Figure 203865DEST_PATH_IMAGE003
                 式（1）
其中，
Figure 20511DEST_PATH_IMAGE004
为保护安装处电压变化量相量，
Figure 757523DEST_PATH_IMAGE005
为保护安装处电流变化量相量，
Figure 343225DEST_PATH_IMAGE006
为距离继电器阻抗整定值，
Figure 773070DEST_PATH_IMAGE007
为系统电源阻抗。
由于故障初期计算数据窗中包含的故障分量较少，因此直接使用相量计算
Figure 77012DEST_PATH_IMAGE001
值误差很大，为保证计算的精确性和实时性，本发明中利用采样值算法计算该
Figure 352136DEST_PATH_IMAGE001
值。同时考虑到自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器计算时间为两个周波，为保证变化量数据的延续性，分时段采用不同时刻的采样数据计算，有如下所示的
Figure 559388DEST_PATH_IMAGE001
采样值计算表达式：
             
Figure 894555DEST_PATH_IMAGE008
         式（2）
上式中，
Figure 685793DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 764608DEST_PATH_IMAGE010
分别对应
Figure 324902DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 96549DEST_PATH_IMAGE011
两者的采样值表达方式，N为一个周波的采样点数，指采样点
Figure 992010DEST_PATH_IMAGE013
所处的时刻，为从
Figure 853753DEST_PATH_IMAGE013
点向前推一个周波采样点的时刻，
Figure 354005DEST_PATH_IMAGE015
为从
Figure 774622DEST_PATH_IMAGE013
点向前推两个周波采样点的时刻，
Figure 309508DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure 422958DEST_PATH_IMAGE012
时刻保护安装处电压采样值，具体由以下方法计算所得。
对于接地距离继电器：
  
Figure 634813DEST_PATH_IMAGE018
   式（3）
对于相间距离继电器：
                            
Figure 260092DEST_PATH_IMAGE019
              式（4）
其中：
Figure 544443DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 19286DEST_PATH_IMAGE021
等式中各参数含义如下：
Figure 47285DEST_PATH_IMAGE022
为零序电阻补偿系数，为零序电抗补偿系数；
线路正序阻抗
Figure 480858DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 442998DEST_PATH_IMAGE025
为线路正序电阻值，
Figure 9108DEST_PATH_IMAGE026
为线路正序电抗值；
线路零序阻抗，为线路零序电阻值，
Figure 681639DEST_PATH_IMAGE029
为线路零序电抗值；
变化量距离继电器阻抗整定值
Figure 51440DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 4353DEST_PATH_IMAGE031
为整定电阻值，
Figure 801407DEST_PATH_IMAGE032
为基波角频率，
Figure 472560DEST_PATH_IMAGE033
为整定电感值；
Figure 646052DEST_PATH_IMAGE034
为基波周期，
Figure 220515DEST_PATH_IMAGE035
为
Figure 188471DEST_PATH_IMAGE012
时刻保护安装处电流采样值，
Figure 284603DEST_PATH_IMAGE036
为
Figure 58524DEST_PATH_IMAGE012
时刻零序电流值，
Figure 923712DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure 124886DEST_PATH_IMAGE038
前一采样点的电流值，
Figure 708314DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 20347DEST_PATH_IMAGE036
前一采样点的零序电流值。
通过式（3）和式（4）可以完整计算出式（2）所求的值，该值能够真实反映系统线路阻抗比情况。
2.   经过上述计算，获得了反映系统线路阻抗比情况的参数，以
Figure 964534DEST_PATH_IMAGE001
为依据可形成电压电流可靠系数，在自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器中进行使用，以保证在各种系统线路阻抗比的情况下不会发生超越动作。
按照下式形成电压电流可靠系数
Figure 80257DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 920037DEST_PATH_IMAGE041
：
                            式（5）
其中
Figure 755455DEST_PATH_IMAGE043
，表明是反方向故障，上述处理进一步增强了方向性；
Figure 674870DEST_PATH_IMAGE044
，表明系统线路阻抗比很大，容易出现超越情况，降低电压可靠系数，保证动作可靠性。
电压电流可靠系数与
Figure 369156DEST_PATH_IMAGE001
之间关系如图2所示。
3.   自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器关键是整定点补偿电压变化量相量的形成，正确的补偿电压变化量能够保证继电器动作的可靠性。本发明在形成补偿电压变化量相量过程中，引入了上述电压电流可靠系数。计算补偿电压变化量相量实部
Figure 20717DEST_PATH_IMAGE045
和虚部
Figure 629815DEST_PATH_IMAGE046
的公式如下：
        式（6）
    
Figure 636135DEST_PATH_IMAGE048
    式（7）
其中
Figure 724176DEST_PATH_IMAGE013
表示保护装置启动后第
Figure 53526DEST_PATH_IMAGE013
个采样点， 和
Figure 718043DEST_PATH_IMAGE050
为实部和虚部的当前时刻向前推一个采样点计算值，以保护装置启动时刻作为0时刻，此时有初始状态
Figure 976986DEST_PATH_IMAGE051
。
由此，可得补偿电压变化量的相量
Figure 731315DEST_PATH_IMAGE052
表达式：
                                                           式（8）
4.   形成自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器完整计算方法，为能够进一步提高动作速度，通过系数的设置改变继电器动作特性，该继电器包括了接地和相间距离继电器，对于各相和相间需要分别进行计算。
接地距离继电器：
   
Figure 552565DEST_PATH_IMAGE054
      式（9）
相间距离继电器：
    
Figure 44726DEST_PATH_IMAGE055
     式（10）
其中， 
Figure 20772DEST_PATH_IMAGE056
固定采用保护装置记忆的启动前3个采样点的补偿电压相量。各系数按照下式形成：
                        
Figure 623792DEST_PATH_IMAGE057
                       式（11）
                       
Figure 267263DEST_PATH_IMAGE058
                           式（12）
                       
Figure 228528DEST_PATH_IMAGE059
                          式（13）
Figure 957449DEST_PATH_IMAGE060
指保护装置启动后经历的时间，各系数随时间变化的示意图如图3所示。 
从物理意义上来讲，不等式（9）和（10）的距离继电器表达式反映了故障后整定点补偿电压相量同故障前该点相量的偏移程度，只有在系统出现故障，且故障点位置在整定范围之内时才会达到此偏移程度，等效于满足不等式。因此不等式能够正确反映整定范围之内的各种故障情况。
在该变化量距离继电器的算法中进行累加求取平均值，能够保证动作的可靠性，防止某些坏数据对于变化量距离继电器动作造成影响，起到了防抖的效果。
由于故障初始时刻动作门槛较低，动作区很大，因此进一步提高了动作速度；制动方程系数
Figure 98581DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 596558DEST_PATH_IMAGE062
上升的速度明显高于动作方程系数
Figure 102626DEST_PATH_IMAGE063
，保证了动作可靠性。该自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器随时间变化的动作特性如图4所示。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法，通过采样值算法实时估算系统线路阻抗比情况，在变化量距离继电器补偿电压相量计算中引入可靠系数，保证在各种系统情况下变化量距离继电器动作可靠性，避免超越动作的情况；形成动作特性可变的变化量距离继电器，进一步提高其动作速度，保证电力系统的安全稳定运行。
附图说明
图1为计算反映系统线路阻抗比情况
Figure 381160DEST_PATH_IMAGE001
值所采用的故障附加网络示意图。
图2为电压电流可靠系数与
Figure 263666DEST_PATH_IMAGE001
关系图。
图3为变化量距离继电器各系数随时间变化的曲线图。
图4为变化量距离继电器随时间推移在电压平面上动作特性示意图，圆以及椭圆外部为动作区。
其中，图1中
Figure 678466DEST_PATH_IMAGE064
为故障点电势的变化量相量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。本发明的实现过程如下：
1)  交流采样：通过硬件设备获取保护安装处电压电流采样值；
2)  电流零序分量形成：通过各相电流采样值相加直接计算电流零序分量；
3)  电压电流采样值变化量的计算：将当前点采样值和一个周波前采样值相减，获得电压电流变化量和
Figure 625661DEST_PATH_IMAGE066
；
4)  反映系统线路阻抗比
Figure 46278DEST_PATH_IMAGE001
计算：按如下等式利用电压电流采样值数据直接计算
Figure 581164DEST_PATH_IMAGE001
的数值。
Figure 429035DEST_PATH_IMAGE008
注意在两个计算周期之内需要采用不同的采样数据，对于接地和相间距离继电器分别采用式（3）和式（4）计算
Figure 416582DEST_PATH_IMAGE067
的采样值数据；
5)  计算电压电流可靠系数：在的基础上形成电压电流可靠系数，该可靠系数与
Figure 30283DEST_PATH_IMAGE001
之间关系如图2所示。具体表达式如下：
Figure 314634DEST_PATH_IMAGE042
通过电压电流可靠系数的引入，保证了在各种系统线路阻抗比情况下变化量距离继电器不会出现超越动作，极大的改善了距离继电器动作性能，提高了动作可靠性。
6)  整定点补偿电压变化量相量形成：在引入电压电流可靠系数的基础上，可以计算各相和相间整定点补偿电压变化量的相量。
补偿电压变化量相量统一表达式为：
Figure 727161DEST_PATH_IMAGE053
。
该相量实部
Figure 53362DEST_PATH_IMAGE068
和虚部
Figure 234945DEST_PATH_IMAGE069
按照如下公式形成：
    
Figure 752514DEST_PATH_IMAGE047
                 
Figure 652337DEST_PATH_IMAGE048
 
7)  形成自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的算法表达式。针对接地和相间故障情况该变化量距离继电器分为接地和相间距离继电器。
接地距离继电器动作方程：
 
Figure 280764DEST_PATH_IMAGE054
     
相间距离继电器动作方程：
                                                   
Figure 316853DEST_PATH_IMAGE055
  
上式中各系数按照式（11）、（12）、（13）进行取值。该动作方程正确反映了系统故障情况，且对于故障范围有明确限制。若满足动作方程，则相应的接地或者相间距离继电器动作出口，切除故障线路。其动作特性随时间变化情况如图4所示，从图上可以看出，初始时刻动作区域较大，因此这种变化的动作特性有利于进一步提高动作速度。

Claims (1)

1.自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)  交流采样：通过硬件设备获取保护安装处电压电流采样值；
2)  电流零序分量形成：通过各相电流采样值相加直接计算电流零序分量；
3)  电压电流采样值变化量的计算：将当前点采样值和一个周波前采样值相减，获得电压电流变化量                                                和
Figure 684365DEST_PATH_IMAGE002
；
4)  反映系统线路阻抗比
Figure 184617DEST_PATH_IMAGE003
计算：按如下等式利用电压电流采样值数据直接计算
Figure 605234DEST_PATH_IMAGE003
的数值；
           式（2）
其中，
Figure 253570DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 241118DEST_PATH_IMAGE006
分别对应保护安装处电压变化量相量和保护安装处电流变化量相量与距离继电器阻抗整定值
Figure 437372DEST_PATH_IMAGE009
乘积（
Figure 849899DEST_PATH_IMAGE010
）两者的采样值表达方式，N为一个周波的采样点数，
Figure 877898DEST_PATH_IMAGE011
指采样点
Figure 121797DEST_PATH_IMAGE012
所处的时刻，
Figure 311470DEST_PATH_IMAGE013
为从点向前推一个周波采样点的时刻，
Figure 839720DEST_PATH_IMAGE014
为从
Figure 719819DEST_PATH_IMAGE012
点向前推两个周波采样点的时刻，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE015
为
Figure 142710DEST_PATH_IMAGE011
时刻保护安装处电压采样值；
对于接地和相间距离继电器分别采用式（3）和式（4）计算
Figure 529829DEST_PATH_IMAGE016
的采样值数据；
对于接地距离继电器：
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE017
  式（3）
对于相间距离继电器：
                         
Figure 961947DEST_PATH_IMAGE018
              式（4）
其中：
，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE019
等式中各参数含义如下：
Figure 914860DEST_PATH_IMAGE020
为零序电阻补偿系数，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE021
为零序电抗补偿系数；
线路正序阻抗
Figure 275696DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE023
为线路正序电阻值，
Figure 946849DEST_PATH_IMAGE024
为线路正序电抗值；
线路零序阻抗，
Figure 120341DEST_PATH_IMAGE026
为线路零序电阻值，为线路零序电抗值；
变化量距离继电器阻抗整定值
Figure 255656DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE029
为整定电阻值，
Figure 223612DEST_PATH_IMAGE030
为基波角频率，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE031
为整定电感值；
Figure 880596DEST_PATH_IMAGE032
为基波周期，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE033
为时刻保护安装处电流采样值，为
Figure 720879DEST_PATH_IMAGE011
时刻零序电流值，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE035
为
Figure 304308DEST_PATH_IMAGE036
前一采样点的电流值，
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure 616340DEST_PATH_IMAGE034
前一采样点的零序电流值；
5)  计算电压电流可靠系数：在
Figure 165395DEST_PATH_IMAGE003
的基础上形成电压电流可靠系数，该可靠系数
Figure 475154DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE039
与
Figure 608195DEST_PATH_IMAGE003
之间关系，具体表达式如下：
Figure 661602DEST_PATH_IMAGE040
           式（5）
6)  整定点补偿电压变化量相量形成：在引入电压电流可靠系数的基础上，计算各相和相间整定点补偿电压变化量的相量；
补偿电压变化量相量统一表达式为：
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE041
；
该相量实部
Figure 563699DEST_PATH_IMAGE042
和虚部
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE043
按照如下公式形成：
 
Figure 106676DEST_PATH_IMAGE044
     式（6）
 
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE045
    式（7）
其中表示保护装置启动后第
Figure 822926DEST_PATH_IMAGE012
个采样点，
Figure 517212DEST_PATH_IMAGE046
 和
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE047
为实部和虚部的当前时刻向前推一个采样点计算值，以保护装置启动时刻作为0时刻，此时有初始状态
Figure 231090DEST_PATH_IMAGE048
;
7)  形成自动适应系统线路阻抗比的变化量距离继电器的算法表达式，针对接地和相间故障情况该变化量距离继电器分为接地和相间距离继电器；
接地距离继电器动作方程：
 
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE049
     
相间距离继电器动作方程：
                        
Figure 338723DEST_PATH_IMAGE050
  
上式中各系数按照式（11）、（12）、（13）进行取值；
 
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE051
                       式（11）
  
Figure 733933DEST_PATH_IMAGE052
                           式（12）
  
Figure 2010105887422100001DEST_PATH_IMAGE053
                          式（13）
Figure 345043DEST_PATH_IMAGE054
指保护装置启动后经历的时间；
若满足动作方程，则相应的接地或者相间距离继电器动作出口，切除故障线路。
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