CN102288874B - 一种基于集中参数t的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法，属于交流输电线路区内外故障识别保护技术领域。利用短数据窗内，特高压交流输电线路（输电线路利用集中参数T模型进行等效）发生区外故障时线路两侧电流零序分量均满足根据基尔霍夫电流定理列出的方程，发生区内故障时故障侧的零序电压电流分量均不满足方程，提出着眼于电流响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。运用线路一侧实测电流由基尔霍夫电流定理模拟计算另一侧的电流，再与其实测电流波形的相关性进行比较，从而判断识别特高压交流输电线路区内外故障。具有对于区内故障识别灵敏、区外故障识别可靠等优点，适宜在特高压交流输电线路系统中推广使用。

Description

一种基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法。

背景技术

现有的特高压交流输电线路保护采用分相电流纵联差动保护、光纤距离保护作为主保护，三段式相间和接地距离保护作为后备保护。分相电流差动纵联保护从原理上是最理想的保护方式，具有绝对的选择性，不受系统振荡的影响，不受运行方式的影响，受过渡电阻的影响小，本身具有选相功能；但是，当用于长距离特高压输电线路时，会受到线路分布电容电流的影响，难以正常动作。距离纵联保护的主要优点是可以兼作主保护和下一级线路的远后备保护，缺点是受系统振荡影响很大受过渡电阻影响，保护范围可能缩短或伸长，方向性特性（动作特性通过原点）不能可靠反应保护安装处的故障，线路有串补电容时快速段动作范围大大缩短，电压回路断线可能造成立即误动作。距离保护作为后备保护时，保护Ⅰ段能保护线路全长的80%～85%，Ⅱ段带延时动作能保护线路全长；但是，当线路发生非金属性短路故障时，测量阻抗可能因为过渡电阻的影响而变化，严重情况下可能导致保护测量阻抗变化，进一步引起保护误动作。为避免线路因过渡阻抗导致的误动作，急需引入一种识别特高压交流输电线路区内外故障的新方法。

交流线路两端装设的阻波器构成了交流系统的物理边界，对高频分量呈阻带特性。发生区内故障或是区外故障，量测端得到的高频分量差异很大，据此利用量测端高频含量的不同构成了区内外故障识别判据。但由于判据可靠性依赖于物理边界频率特性，在实际应用中会存在整定值不好设定的问题。利用行波波头的极性构成的直流行波保护能正确的识别区内外故障，但由于行波信号的不易捕捉性和不可重复性限制了行波保护的可靠性。

通过对特高压交流输电线路（集中参数T模型）区内外零序分量附加网络的分析发现：当特高压交流输电线路发生区外故障时，于短数据窗内，线路两侧电压电流零序分量满足根据基尔霍夫电流定理列出的方程                                                

；当发生区内故障时，故障侧的电压电流零序分量不满足方程。藉此，提出着眼于电流响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有特高压交流输电线路故障识别和保护技术存在的问题，提出一种测后模拟识别特高压交流输电线路区内外故障的方法，通过分析特高压交流输电线路（集中参数T模型）区内外零序分量网络特性，实现对特高压交流输电线路区内外故障的快速、可靠的判断识别。

本发明的技术方案是：当特高压交流输电线路发生故障时，在短数据窗内，实测输电线路两端（首端和末端）M和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，然后分析特高压交流输电线路（集中参数T模型）区内外零序分量网络特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出的方程

，模拟计算线路N点的侧电流

，再计算出模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r _x ，根据模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r _x ，判断识别特高压交流输电线路区内外故障。

基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法具体步骤是：

（1）特高压交流输电线路发生故障后，在短数据窗内，实测特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，然后根据实测得到的零序电压、电流u _M 、i _M 和线路零序电阻值R₀、零序电感值L ₀ 、零序电容值C₀，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程

，模拟计算出线路的N侧电流

；

（2）根据测量数据长度n和公式

（其中，x表示N侧），计算模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r _x （r _N ）；r _x 的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关；

（3）根据计算出的相关系数r _N ，判断识别特高压交流输电线路区内外故障；

时，为区内故障；时，为M侧或N侧区外故障。 

本发明中，测量输电线路两端侧电流时，短数据窗的长度（数据采样时间长度）为3ms，采样频率为20kHz。

本发明通过对特高压交流输电线路（集中参数T模型）区内外零序分量附加网络的分析, 根据基尔霍夫电流定理列出的方程

，于短数据窗内模拟计算出线路的N侧电流，并比较模拟侧电流

与实测电流i _N 波形的相似程度，判断线路M侧的电压、电流零序分量是否满足

方程，着眼于电流响应的测后模拟时域方法，实现对特高压交流输电线路区内外故障的判断识别。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）利用测后模拟的时域算法进行区内外故障识别，在原理上不受过渡电阻的影响，能够正确识别线路远端高阻故障。

（2）采用测后模拟的区内外故障识别的时域方法，综合利用了每一频率分量的相位关系和幅值信息，克服了单一信息检测故障的缺陷。

（3）采用测后模拟的区内外故障识别算法实质是边界元件算法，传递信息仅为相关系数之极性。动作可靠性和灵敏性明显优于现有的差动保护。

附图说明

图1为本发明特高压交流输电线路（集中参数T型等效）结构示意图；图中，Z为交流系统等效阻抗，i _m 、i _n 为特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的实测电流，R为线路总电阻值，L为线路总电感值，C为线路总电容值；

图2为本发明实施例区内故障时的零序分量网络示意图；图中，Z为交流系统等效阻抗，i _M 、i _N 为特高压交流输电线路故障时零序网络M点和N点两侧的实测的零序电流，R₀为线路零序电阻值，L ₀ 为零序电感值，C ₀为零序电容值，Z表示系统阻抗，i _f 为零序电流激励，G  _f 为过渡电导；

图3为本发明实施例区外故障时的零序分量网络示意图；图中，Z为交流系统等效阻抗，i _M 、i _N 为特高压交流输电线路故障时零序网络M点和N点两侧的实测的零序电流，R₀为线路零序电阻值，L ₀ 为零序电感值，C ₀为零序电容值，Z表示系统阻抗，i _f 为零序电流激励，G  _f 为过渡电导；

图4为本发明实施例1线路反方向区外故障时N侧的实测电流波形和模拟电流波形图；图中，

为实测电压，

为模拟电压，t/s为时间/秒，i/kV为电流/千安；

图5为本发明实施例1线路正方向区外故障时N侧实测电流波形和模拟电流波形图；图中，

为实测电压，

为模拟电压，t/s为时间/秒，i/kV为电流/千安； 

图6为本发明实施例1区内故障时N侧实测电流波形和模拟电流波形图；图中，

为实测电压，为模拟电压，t/s为时间/秒，i/kV为电流/千安。

具体实施方式

实施例1：1000kV特高压交流输电线路（输电系统结构如图1所示）。线路为八分裂导线，采用考虑频变影响的分布参数模型（J.Marti依频率线路模型），线路全长为取400km，其中，

，

，

。特高压交流输电线路区内C相接地故障（C-G）距M端为200km，过渡电阻为10Ω。

该测后模拟识别特高压交流输电线路区内外故障的方法的步骤是：

（1）特高压交流输电线路发生故障后，测量保护启动元件启动，在3ms的短数据窗内，实测特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N (采样频率为20kHZ)；然后根据特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的实测零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，以及线路零序电阻值R₀、零序电感值L ₀ 和零序电容值C₀，采用公式

，计算得到模拟电流波形；再根据公式

，计算得到模拟电流波形与实测电流波形的相关系数；

（2）根据计算，得到N侧实测电流与模拟电流的相关系数为

=-0.9408<0，由于相关系数为负，据此判断为区内故障。

采用本发明的方法，在实施例1中，对不同的故障距离和不同的接地电阻进行了仿真验证，结果如下表所示。

实施例2：特高压交流输电系统结构与参数同例1。特高压交流输电线路反方向区外发生C相接地故障（C-G），过渡电阻为10Ω，短数据窗（时间窗）长度取3ms，采样频率为20kHz。

特高压交流输电线路发生反方向区外故障后，按实施例1相同的方法，经实测特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，计算模拟电流波形

及其与实测电流波形的相关系数，得到

=0.3002>0，据此判断为区外故障。

实施例3：特高压交流输电系统结构与参数同例1。特高压交流输电线路正方向区外发生C相接地故障（C-G），过渡电阻为10Ω，短数据窗（时间窗）长度取3ms，采样频率为20kHz。

特高压交流输电线路发生故障后，按实施例1相同的方法，经实测特高压交流输电线路两端M点和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，计算模拟电压波形

及其与实测电流波形的相关系数，得到=0.6350﹥0，据此判断为区外故障。

本发明的原理是：

1、特高压交流输电线路区内外故障特征的短窗描述

(1) 特高压交流输电线路区外故障

假设特高压交流输电线路发生区外故障，零序分量网络如图3所示。图中，量测点电流i _M ，i _N 是取用线路差动保护量测零序电流。

当发生线路区外故障时，根据基尔霍夫电流定理，可将量测端M、N的电压电流零序分量的关系分别可表示为：

。

式中，R₀为线路零序电阻值，L ₀ 为零序电感值，C₀为零序电容值。

观察上述方程式，在采样频率为20kHz、数据窗长度为3ms的短时窗内，可将上述方程式改写为：

。

特高压交流输电线路发生区外故障时，运用线路两侧的实测电流i _M 、i _N ，由基尔霍夫电流定理列出的方程模拟计算出N侧电流

，该模拟所得的电流波形与实测电流波形相正相关（如图4、5所示）。

 (2) 特高压交流输电线路区内故障

当特高压交流输电线路区内故障时，零序分量网络如图2所示。

当线路发生区内故障时，N侧用u _M 、i _M 模拟计算的电流

：

；

特高压交流输电线路发生区内故障时，故障侧的电压电流零序分量不满足基尔霍夫电流定理列出的方程（如图6所示）。

2、利用测后模拟进行区内外故障识别的相关系数

利用相关系数来刻画模拟电流和实测电流的相关程度，构造特高压交流输电线路区内外故障的识别判据。

信号f(t)和g(t)的互相关函数的严格定义如下：

；

式中，T是平均时间。互相关函数表征两个信号的乘积的时间平均。

如果f(t)和g(t)是周期为T ₀的周期信号，则上式可以表示为：

；

将相关函数离散化，并排除信号幅度的影响，对相关运算做归一化。对于离散实测电压信号i(n)和模拟电压

，相关函数可以表示为：

；

当j取零时，上式可以表示为:

；

模拟电压值与实测电压值的相关系数可表示为：

；

式中，N为数据长度，x表示M侧或N侧，r _x 为互相关系数。r _x 的取值区间为[-1，+1]， +1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关。

3、基于测后模拟的区内、区外故障的甄别

假设发生区内故障，采用线路实测零序电流值i _M， u _M ，由基尔霍夫电流定理方程模拟计算电流

与实测电流i _N 相比较；若假设为真，实测电流波形和模拟电流波形正相关；而当假设为假时，实测电流波形和模拟电流波形差异较大，且表现为负相关。即：

（1）若

，则为区内故障；

（2）若

，则为M侧或N侧(区外)故障。

Claims (2)

1.一种基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法，当特高压交流输电线路发生故障时，在短数据窗内，实测特高压交流输电线路两端的M和N点两侧的零序电压u _M 、u _N 和零序电流i _M 、i _N ，然后分析特高压交流输电线路区内外零序分量网络的特性，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理，模拟计算特高压交流输电线路N点侧的电流                                                

，再计算出N点模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r _N ，根据相关系数r _N 判断识别特高压交流输电线路区内外故障，其特征在于：识别方法的具体步骤如下：

（1）根据实测得到的M点侧零序电压u _M 、零序电流i _M 和线路零序电阻值R₀、零序电感值L ₀ 、零序电容值C₀，利用集中参数T模型的基尔霍夫电流定理列出方程

，模拟计算出线路N点侧电流

；

（2）根据测量数据的长度n和公式，计算N点模拟电流波形与实测电流波形的相关系数r _N ，k为采样顺序；

（3）根据计算出的相关系数

，判断识别特高压交流输电线路区内外故障；

时，为区内故障；

时，为M侧或N侧的区外故障。

2.根据权利要求1所述的基于集中参数T的模型特高压交流输电线路区内外故障识别的测后模拟方法，其特征在于：测量输电线路两端侧电流时，短数据窗的长度为3ms，采样频率为20kHz。

Images