CN102064538B

CN102064538B - 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

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Publication number: CN102064538B
Application number: CN201010588742.2A
Authority: CN
Inventors: 柳焕章; 谢华; 张哲�; 陈祥文; 窦乘国; 吴通华; 郑玉平
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102064538A

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k_rel，以此来反映系统线路阻抗比的情况。

令

k_rel相量表达计算如下：

k_{rel} = - \frac{Z_{S}}{Z_{set}} = \frac{Δ \overset{\cdot}{U}}{Δ \overset{\cdot}{I} * Z_{set}} = \frac{Δ \overset{\cdot}{U}}{{Δ \overset{\cdot}{U}}^{''}}

式(1)

其中，

为保护装置安装处电压变化量相量，

为保护装置安装处电流变化量相量，Z_set为距离继电器的阻抗整定值，Z_s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k_rel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k_rel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k_rel采样值计算表达式：

k_{rel} = \frac{Δu (t_{k})}{{Δu}^{''} (t_{k})} = \{\begin{matrix} \frac{u (t_{k}) - u (t_{k - N})}{u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})} & 0 < t_{k} \leq T \\ \frac{u (t_{k}) - u (t_{k - 2 N})}{u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - 2 N})} & T < t_{k} < 2 T \end{matrix}

式(2)

上式中，Δu(t_k)与Δu″(t_k)分别对应

和

两者的采样值表达方式，N为一个周波的采样点数，t_k指采样点k所处的时刻，t_k-N为从k点向前推一个周波采样点的时刻，t_k-2N为从k点向前推两个周波采样点的时刻，u(t_k)为t_k时刻保护装置安装处电压采样值，u″(t_k)具体由以下方法计算所得。

对于接地距离继电器：

u^{''} (t_{k}) = R_{set} [i (t_{k}) + k_{R} {3 i}_{0} (t_{k})] + \frac{L_{set}}{T} [i (t_{k}) - i (t_{k - 1}) + k_{X} {3 i}_{0} (t_{k}) - k_{X} {3 i}_{0} (t_{k - 1})]

式(3)

对于相间距离继电器：

u^{''} (t_{k}) = R_{set} i (t_{k}) + \frac{L_{set}}{T} [i (t_{k}) - i (t_{k - 1})]

式(4)

其中：

k_{R} = \frac{R_{0} - R_{1}}{3 R_{1}}, k_{X} = \frac{X_{0} - X_{1}}{3 X_{1}}

等式中各参数含义如下：

k_R为零序电阻补偿系数，k_X为零序电抗补偿系数；

线路正序阻抗Z₁＝R₁+jX₁，R₁为线路正序电阻值，X₁为线路正序电抗值；

线路零序阻抗Z₀＝R₀+jX₀，R₀为线路零序电阻值，X₀为线路零序电抗值；

变化量距离继电器阻抗整定值Z_set＝R_set+jwL_set，R_set为整定电阻值，w为基波角频率，L_set为整定电感值；T为基波周期，i(t_k)为t_k时刻保护装置安装处电流采样值，i₀(t_k)为t_k时刻零序电流值，i(t_k-1)为i(t_k)前一采样点的电流值，i₀(t_k-1)为i₀(t_k)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k_rel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k_rel，以k_rel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k_u和k_i：

式(5)

其中k_rel＞0，表明是反方向故障，上述处理进一步增强了方向性；

k_rel＜-20，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k_rel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ΔU′_S(t_k)和虚部ΔU′_C(t_k)的公式如下：

Δ U_{S}^{'} (t_{k}) = Δ U_{S}^{'} (t_{k - 1}) + \frac{2}{N} {k_{u} [u (t_{k}) - u (t_{k - N})] - k_{i} [u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})]} \sin \frac{2 kπ}{N}

式(6)

Δ U_{C}^{'} (t_{k}) = Δ U_{C}^{'} (t_{k - 1}) + \frac{2}{N} {k_{u} [u (t_{k}) - u (t_{k - N})] - k_{i} [u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})]} \cos \frac{2 kπ}{N}

式(7)

其中k表示保护装置启动后第k个采样点，ΔU′_S(t_k-1)和ΔU′_C(t_k-1)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ΔU′_S(0)＝ΔU′_C(0)＝0。

由此，可得补偿电压变化量的相量

表达式：

Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} = Δ U_{S}^{'} + jΔ U_{C}^{'}

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：

\{\begin{matrix} \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} f_{2} (t) | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & 0 < t < T \\ \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > 2.10 | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & T \leq t < 2 T \end{matrix}

式(9)

相间距离继电器：

\{\begin{matrix} \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} f_{3} (t) | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & 0 < t < T \\ \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > 2.05 | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & T \leq t < 2 T \end{matrix}

式(10)

其中，

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：

\{\begin{matrix} f_{1} (t) = \frac{7}{12} t & 0 < t \leq 1.2 T \\ f_{1} (t) = 0.7 & t > 1.2 T \end{matrix}

式(11)

f₂(t)＝0.4+1.2t 0＜t＜T 式(12)

f₃(t)＝0.2+1.4t 0＜t＜T 式(13)

t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f₂(t)、f₃(t)上升的速度明显高于动作方程系数f₁(t)，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k_rel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k_rel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

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装置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Δu(t_k)和Δi(t_k)；

4)反映系统线路阻抗比k_rel计算：按如下等式利用电压电流采样值数据直接计算k_rel的数值。

k_{rel} = \frac{Δu (t_{k})}{Δ u^{''} (t_{k})} = \{\begin{matrix} \frac{u (t_{k}) - u (t_{k - N})}{u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})} & 0 < t_{k} \leq T \\ \frac{u (t_{k}) - u (t_{k - 2 N})}{u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - 2 N})} & T < t_{k} < 2 T \end{matrix}

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u″(t_k)的采样值数据；

5)计算电压电流可靠系数：在k_rel的基础上形成电压电流可靠系数，该可靠系数与k_rel之间关系如图2所示。具体表达式如下：

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：

该相量实部ΔU′_S和虚部ΔU′_C按照如下公式形成：

Δ U_{S}^{'} (t_{k}) = Δ U_{S}^{'} (t_{k - 1}) + \frac{2}{N} {k_{u} [u (t_{k}) - u (t_{k - N})] - k_{i} [u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})]} \sin \frac{2 kπ}{N}

Δ U_{C}^{'} (t_{k}) = Δ U_{C}^{'} (t_{k - 1}) + \frac{2}{N} {k_{u} [u (t_{k}) - u (t_{k - N})] - k_{i} [u^{''} (t_{k}) - u^{''} (t_{k - N})]} \cos \frac{2 kπ}{N}

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：

\{\begin{matrix} \frac{1}{i} Σ_{i - 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > \frac{1}{i} Σ_{i - 1}^{N} f_{2} (t) | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & 0 < t < T \\ \frac{1}{i} Σ_{i - 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > 2.10 | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & T \leq t < 2 T \end{matrix}

相间距离继电器动作方程：

\{\begin{matrix} \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} f_{3} (t) | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & 0 < t < T \\ \frac{1}{i} Σ_{i = 1}^{N} (| Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} - f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | + | Δ {\overset{\cdot}{U}}^{'} + f_{1} (t) {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} |) > 2.05 | {\overset{\cdot}{U}}_{[0]}^{'} | & T \leq t < 2 T \end{matrix}

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.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：

4)反映系统线路阻抗比k_rel计算：按如下等式利用电压电流采样值数据直接计算k_rel的数值；

式(2)

其中，Δu(t_k)与Δu″(t_k)分别对应保护装置安装处电压变化量相量

保护装置安装处电流变化量相量

与距离继电器的阻抗整定值Z_set的乘积

这两者的采样值表达方式，N为一个周波的采样点数，t_k指采样点k所处的时刻，t_k-N为从k点向前推一个周波采样点的时刻，t_k-2N为从k点向前推两个周波采样点的时刻，u(t_k)为t_k时刻保护装置安装处电压采样值；

对于接地和相间距离继电器分别采用式(3)和式(4)计算u″(t_k)的采样值数据；

对于接地距离继电器：

式(3)

对于相间距离继电器：

式(4)

其中：

等式中各参数含义如下：

k_R为零序电阻补偿系数，k_X为零序电抗补偿系数；

线路正序阻抗Z₁=R₁+jX₁，R₁为线路正序电阻值，X₁为线路正序电抗值；

线路零序阻抗Z₀=R₀+jX₀，R₀为线路零序电阻值，X₀为线路零序电抗值；

变化量距离继电器阻抗整定值Z_set=R_set+jwL_set，R_set为整定电阻值，w为基波角频率， L_set为整定电感值；T为基波周期，i(t_k)为t_k时刻保护装置安装处电流采样值，i₀(t_k)为t_k时刻零序电流值，i(t_k-1)为i(t_k)前一采样点的电流值，i₀(t_k-1)为i₀(t_k)前一采样点的零序电流值；

5)计算电压电流可靠系数：在k_ret的基础上形成电压电流可靠系数，该可靠系数k_u和k_i与k_rel之间关系，具体表达式如下：

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：