CN102082421B - 基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法 - Google Patents

基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法 Download PDF

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基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，包括以下步骤：构建纯电流相差动继电器；构建不灵敏相差动继电器；构建灵敏相差动继电器；构建零序相差动继电器。本发明的有益效果在于，不受电容电流影响，无需专门补偿电容电流；切高阻能力完全取决于整定值；使突变量差动继电器能长时间投入。

Description

基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法
技术领域
本发明涉及电力系统线路电流差动保护，尤其是涉及一种基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器。
背景技术
突变量电流差动保护动作速度快，不受负荷电流影响，特别是对快速切除近端严重故障有重要意义，是线路电流差动保护的重要组成部分。超、特高压（500kV~1000kV）长线路由于线路长度长，一般采用分裂导线，线路电压高，因此电容电流较大，特别是在空载合闸、区外故障切除等暂态过程中暂态电容电流是稳态电容电流的数倍。电容电流的存在，严重影响了基于基尔霍夫定律的电流差动保护的保护性能，因此电流差动保护应用于超、特高压长线路时需考虑电容电流问题。目前一般采用两类应对措施，一类是通过抬高定值躲电容电流的方法，该做法以牺牲保护灵敏度下降为代价；另一类是从消除电容电流影响的角度出发研究如何快速补偿电容电流，如稳态补偿法：参见伍叶凯等．电容电流对差动保护的影响及补偿方案，继电器，1997，25(4)；时域电容电流补偿法：参见吴通华等， 基于暂态电容电流补偿的线路差动保护，电力系统自动化, 2005,(12).。这些补偿做法在工程上取得较好效果，但各种补偿做法不仅增加了差动保护计算的复杂性，而且在许多工况下补偿条件不满足时，还需抬高门槛躲电容电流，未能从根本上解决该问题。 
以上传统的基于基尔霍夫定律的电流差动保护，从原理上无法避免电容电流问题。寻找从原理上避免电容电流补偿的电流差动保护原理，是从根本上解决该问题的关键。
发明内容
本发明的目的是，提供一种原理上不受电容电流影响的突变量差动继电器。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于差动阻抗原理构造突变量差动继电器，引入一系列新的思想和算法，构造完整的突变量差动继电器，具体包括如下几个部分：
（1）基于“差动阻抗”原理的突变量差动继电器。
电力系统的特征表明从短路点向系统看的系统综合阻抗远小于被保护线路容抗。故障分析的结论，短路点突变量电压与短路点突变量电流的比值为短路点看进去的系统综合阻抗；电容器突变量电压与流经电容器的突变量电流比值为电容器容抗。区内短路的突变量差动电流近似等于短路点突变量电流；区外短路的突变量差动电流等于线路电容突变量电流。因此，保护安装处的突变量电压与突变量差动电流的比值，区内短路基本反映系统综合阻抗，数量级为百欧级；区外短路基本反映线路容抗，数量级为千欧级。两者的量级相差很大，如此明显的界限足以区分区内外故障。基于以上理论基础，提出以下差动阻抗继电器：
Figure 237056DEST_PATH_IMAGE001
                       （1）                          
式中
Figure 245463DEST_PATH_IMAGE002
为整定阻抗，对于无并联电抗器的线路
Figure 485821DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 325601DEST_PATH_IMAGE004
为线路容抗值，对于有并联电抗器的线路需考虑电抗器的影响；
Figure 743944DEST_PATH_IMAGE005
突变量差动电流，即两侧突变量电流的和；
Figure 36385DEST_PATH_IMAGE006
为保护安装处的电压变化量；
Figure 80433DEST_PATH_IMAGE007
为比例系数。
（2）基于自适应制动量的比例差动继电器
            （2）
即：差动电流大于k1倍的制动电流。
式中：
Figure 363964DEST_PATH_IMAGE005
同式1；
Figure 409280DEST_PATH_IMAGE009
为突变量制动电流，具体表达式：
Figure 991440DEST_PATH_IMAGE010
，
其中：
Figure 540233DEST_PATH_IMAGE011
：本侧突变量电流， ：对侧突变量电流；由
Figure 218842DEST_PATH_IMAGE014
确定，
Figure 622142DEST_PATH_IMAGE015
，目的是提高区内故障的灵敏度，强电源提供区内短路电流时，
Figure 818768DEST_PATH_IMAGE011
和同向，，
Figure 26304DEST_PATH_IMAGE017
，多数点不参与制动，于是制动量很小，判据更容易满足；强电源提供区外短路电流时，
Figure 393832DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 369878DEST_PATH_IMAGE012
反向，
Figure 910581DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 741002DEST_PATH_IMAGE019
，基本上点点参与制动，制动量趋于正常水平。这种制动量自适应的做法，使得制动系数
Figure 76169DEST_PATH_IMAGE020
可以取得很高，保证安全性。
但是当弱电源提供区外短路电流或强弱电的区内短路时，
Figure 742773DEST_PATH_IMAGE021
，此时极高的制动系数不起作用，弱电源提供区外短路电流时突变量电流比例差动继电器会误动作。这种情况下突变量差动阻抗继电器可靠不动，因此通过引入突变量差动阻抗继电器解决。
（3）基于积分概念的突变量递推算法
以上继电器中的突变量差动电流和制动电流的计算，采用积分概念突变量递推算法，其表达式如下：
    （3）
Figure 319565DEST_PATH_IMAGE023
  （4）
式中：
Figure 12584DEST_PATH_IMAGE024
为实部，
Figure 228801DEST_PATH_IMAGE025
为虚部，
Figure 48990DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 401474DEST_PATH_IMAGE027
为前一点积分值，初值取零；
Figure 344022DEST_PATH_IMAGE028
 为当前点采样值，
Figure 968907DEST_PATH_IMAGE029
为一周波前采样值，
Figure 389524DEST_PATH_IMAGE030
为每周波采样点数，
Figure 799777DEST_PATH_IMAGE031
。
从形式上看，该递推算法和傅里叶算法表达式完全一致。当发生故障时，电气量可分解为负荷状态分量和故障分量。当以上算法始终投入运算时，其结果表征负荷状态分量+故障分量。本发明中，该算法只在保护启动后投入计算，且保护整组复归时均将积分值清零时，则其结果表征故障分量。这种积分概念的突变量递推算法，突变量积分值故障期间持续保持，使突变量差动继电器在故障切除前均满足，克服了以往突变量差动继电器只能短时投入的缺点（因为传统突变量算法只能反应本周波相对于前一周波的变化情况）。
区外故障对于被保护线路提供的是穿越性电流，对于强电源提供的穿越性电流，靠自适应制动量比例差动继电器躲过。对于弱电源提供的穿越性电流，自适应制动量比例差动继电器可能误动，引入突变量差动阻抗继电器把关。弱电源提供区外短路电流情况下，差动电流就是电容电流，突变量差动阻抗继电器起作用，因为此时线路沿线电压基本相等，保护安装处电压突变量与差动电流突变量比值基本反应线路容抗，突变量差动阻抗继电器可靠不误动。
本发明的有益效果如下：基于差动阻抗原理的突变量差动继电器原理上不受电容电流影响，无需专门补偿电容电流；基于自适应制动量和自适应差动门槛的应用，使整个继电器形成理想的反时限特性，严重故障动作速度极快；差动继电器原理上与过渡电阻无关，切高阻能力完全取决于整定值；基于积分概念的突变量递推算法的使用，使突变量差动继电器能长时间投入。
附图说明
图1是纯电流相差动继电器逻辑。
图2是不灵敏相差动继电器逻辑。
图3是灵敏相差动继电器逻辑。
图4是零序相差动继电器逻辑。
图5是突变量电流差动继电器逻辑。
图中，不等式条件满足时输出1，否则输出0；a表示“与”门操作；b表示“或”门操作。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利进一步详细说明，但本发明不限于所给出的例子。
实际应用中，根据动作速度和灵敏度的不同要求，形成四个差动继电器，构成一个完整的突变量差动继电器：A：纯电流相差动继电器；B：不灵敏相差动继电器；C：灵敏相差动继电器；D：零差差动继电器。
（1）纯电流相差动继电器
Figure 834598DEST_PATH_IMAGE032
                                （5）
该继电器由一个差动门槛方程和一个差动比例方程组成，当继电器连续3点满足时保护动作，正常投入0～20ms，PT断线投入0～40ms。
式中：突变量差动电流，为突变量制动电流，
Figure 248896DEST_PATH_IMAGE033
为比例系数。
和
Figure 132724DEST_PATH_IMAGE035
分别由下式确定
Figure 895144DEST_PATH_IMAGE036
       
Figure 76726DEST_PATH_IMAGE037
式中
Figure 469662DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 369484DEST_PATH_IMAGE039
由两侧电流突变量采样值小者的积分得到，
Figure 122546DEST_PATH_IMAGE040
为一个工频周期， 取2。可以看出差动门槛随故障电流大小、故障持续时间自适应调整，形成反时限特性，严重故障动作速度快。
（2）不灵敏相差动继电器
Figure 784788DEST_PATH_IMAGE042
                                （6）
该继电器由一个差动门槛方程、一个差动比例方程和一个差动阻抗方程组成，当继电器连续6点动作，投入0～40ms。
式中：
Figure 109590DEST_PATH_IMAGE005
突变量差动电流，
Figure 213813DEST_PATH_IMAGE009
为突变量制动电流，
Figure 369987DEST_PATH_IMAGE006
为电压变化量，
Figure 353993DEST_PATH_IMAGE043
同式1，
Figure 962829DEST_PATH_IMAGE044
取800A（一次值），
Figure 74004DEST_PATH_IMAGE045
取1.8，
Figure 84686DEST_PATH_IMAGE046
取8。
（3）灵敏相差动继电器
Figure 52642DEST_PATH_IMAGE047
                                （7）
该继电器由一个差动门槛方程、一个差动比例方程和一个差动阻抗方程组成，当继电器连续24点动作，投入0～40ms。
式中：
Figure 329865DEST_PATH_IMAGE005
突变量差动电流，为突变量制动电流，
Figure 844340DEST_PATH_IMAGE006
为电压变化量，
Figure 983197DEST_PATH_IMAGE043
同式1，
Figure 753576DEST_PATH_IMAGE048
取500A（一次值），
Figure 3292DEST_PATH_IMAGE049
取1.5，
Figure 988565DEST_PATH_IMAGE050
取5。
（4）零序相差动继电器
Figure 236007DEST_PATH_IMAGE051
                                （8）
该继电器由一个差动门槛方程、一个差动比例方程和一个差动阻抗方程组成，当继电器连续24点动作，投入0～40ms。
式中：
Figure 306731DEST_PATH_IMAGE052
零序差动电流，
Figure 547088DEST_PATH_IMAGE053
为零序制动电流，
Figure 386868DEST_PATH_IMAGE054
为零序电压，
Figure 867528DEST_PATH_IMAGE055
为零序容抗，
Figure 97652DEST_PATH_IMAGE056
取500A（一次值），
Figure 954750DEST_PATH_IMAGE057
取1.5，
Figure 835987DEST_PATH_IMAGE058
取5。
为验证本发明的正确性，对基于本发明开发的保护装置进行了动模和RTDS试验，结果见附表1~3。
试验系统参数
电压等级Un= 500Ω，强电源下的系统阻抗：Zsm= 50Ω，Zsm0= 30Ω，Zsn=20Ω，Zsn0= 10Ω。线路阻抗：Zs1= 84Ω，Zs0= 264Ω；线路长度L=300kM，线路带并联电抗器。重负荷条件下，负荷电流ILoad=1.98kA，
 试验结果 
（1） 强电源及弱电源提供穿越性电流的各种区外故障不误动。
（2） 强电源区内故障可靠动作 
表1 强电源各种区内故障动作特性（单位：ms）
 
Figure 487548DEST_PATH_IMAGE059
（3）弱馈线路区内A相经高阻接地故障
表2弱馈线路区内A相经高阻（300Ω）接地故障动作特性（单位：ms）
故障点位置 纯电流继电器 不灵敏相差 灵敏相差 零差
首端     20.83 31.67 32.50
中间   20.0 28.33 29.17
末端   20.0 27.5 28.33
从表中数据得到，弱馈线路区内故障时差动电流的幅值不是很大，纯电流继电器的灵敏度较低故不能动作，而灵敏度较高的继电器均能动作。
（4）差动阻抗继电器的测量阻抗
      表3 强电源各种区内区外故障时差动阻抗继电器的测量阻抗（单位：Ω）
 
Figure DEST_PATH_IMAGE061
从表中数据可以得到，只要各相有电气量的变化，差动阻抗继电器就可以明确区内区外故障，且非故障相的差动阻抗一般不会动作。

Claims (5)

1.基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，其特征在于，包括以下步骤： 
（1）构建纯电流相差动继电器：
Figure FDA0000376414990000011
式中：
Figure DEST_PATH_363964DEST_PATH_IMAGE005
突变量差动电流，为突变量制动电流， 为比例系数； 
和 分别由下式确定 
Figure FDA0000376414990000013
式中
Figure DEST_PATH_469662DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_369484DEST_PATH_IMAGE039
由线路两侧电流突变量采样值小者的积分得到，T为一个工频周期； 
（2）构建不灵敏相差动继电器：
Figure FDA0000376414990000014
式中：
Figure DEST_PATH_109590DEST_PATH_IMAGE005
突变量差动电流，
Figure DEST_PATH_213813DEST_PATH_IMAGE009
为突变量制动电流，
Figure FDA0000376414990000015
为电压变化量，
Figure DEST_PATH_353993DEST_PATH_IMAGE043
 为整定阻抗，k5为门槛，k6、k7均为系数； 
（3）构建灵敏相差动继电器：
Figure FDA0000376414990000016
式中：突变量差动电流，
Figure 22640DEST_PATH_213813DEST_PATH_IMAGE009
为突变量制动电流，
Figure FDA0000376414990000017
为电压变化量， 为整定阻抗，k8为门槛，k9、k10均为系数； 
（4）构建零序相差动继电器：
Figure FDA0000376414990000018
式中：
Figure DEST_PATH_306731DEST_PATH_IMAGE052
 零序差动电流，
Figure DEST_PATH_547088DEST_PATH_IMAGE053
 为零序制动电流，
Figure FDA0000376414990000019
为零序电压，
Figure DEST_PATH_867528DEST_PATH_IMAGE055
 为零序容抗，k11为门槛，k12、k13均为系数。 
2.根据权利要求1所述的基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，其特征在于，当纯电流相差动继电器连续3点满足时保护动作，正常投入0～20ms，电压互感器断线投入0～40ms；k4取2。 
3.根据权利要求1所述的基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，其特征在于，当不灵敏相差动继电器连续6点满足时保护动作，投入0～40ms；k5取800A，k6取1.8，k7取8。 
4.根据权利要求1所述的基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，其特征在于，当灵敏相差动继电器连续24点满足时保护动作，投入0～40ms；k8取500A，k9取1.5，k10取5。 
5.根据权利要求1所述的基于差动阻抗原理的突变量电流差动继电器实现方法，其特征在于，当零序相差继电器连续24点满足时保护动作，投入0～40ms；k11取500A，k12取1.5，k13取5。 
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