CN102623974B - 一种基于信号距离和t型线路模型的纵联保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，属于输电线路继电保护技术领域。当输电线路发生故障时，在短数据窗内，量测输电线路两端保护安装处M点、N点电压和电流，通过分析输电线路集中参数T型等效电路，根据基尔霍夫电流定理，得出输电线路N点处模拟电流 的表达式，用首端M点实测电压uM和电流iM模拟计算输电线路末端N点处的电流，将末端N点处的模拟电流与实测电流iN的波形相比较，计算出模拟电流与实测电流iN的互距离度，再将计算所得互距离度与设定的互距离度整定值的大小进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障。具有甄别区内外故障快速可靠，不受过度电阻、故障初始角的影响等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
为了全线瞬时切除被保护线路上的故障，自然考虑到采用线路两侧的信息来构成的保护，也就是纵联保护。它可满足电力系统稳定需要，充分满足继电保护的选择性、灵敏性和速动性、可靠性的要求。但传统的纵联保护如光纤电流差动、高频保护，受超高压长线路分布电容、两侧T A暂态特性和饱和程度的差异及通信信道的影响，容易造成保护不正确动作。在装有阻波器的输电线路中，利用高频含量的不同构成的区内外故障识别判据，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。
为了克服传统纵联保护所存在的以上不足，提高其可靠性，实现对区内外故障的快速识别和快速切除输电线路上任意点的故障。在如图1的输电线路中，通过分析输电线路集中参数T型等效电路，并根据基尔霍夫电流定理，用M点电压u M 、电流i M 模拟计算输电线路N点处的电流 ，再将模拟N点处电流与实测N点处电流i N 的波形相比较，计算出模拟电流与实测电流i N 的互距离度，并将此互距离度的大小与设定的互距离度整定值比较，并根据两者的大小关系识别区内外故障。对于区内和区外故障，其对应的互距离度在数值上差别明显，整定值容易设定。
藉此，提出基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，通过分析输电线路集中参数T型等效电路，计算出保护安装处模拟电流及其与实测电流的互距离度，再与设定的互距离度整定值比较而识别区内外故障，克服系统振荡、TA饱和及通信信道等对纵联保护的影响，提高纵联保护判据的可靠性，实现对区内外故障的快速识别和快速切除输电线路上任意点的故障。
本基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法是：当输电线路发生故障时，在短数据窗内，量测输电线路两端保护安装处首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ，通过分析输电线路集中参数T型等效电路，根据基尔霍夫电流定理，得出输电线路N点处模拟电流的表达式，用首端M点实测电压u M 和电流i M 模拟计算输电线路末端N点处的电流，将末端N点处的模拟电流与实测电流i N 的波形相比较，计算出模拟电流与实测电流i N 的互距离度，再将计算所得互距离度与设定的互距离度整定值的大小进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障。具体步骤如下：
（1）输电线路发生故障后，在短时窗内，量测输电线路首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ；然后根据集中参数T型等效电路的特征和基尔霍夫电流定理，得出如下输电线路末端N点处模拟电流的表达式，并根据该式计算输电线路末端N点处的模拟电流：
；
其中，R为线模电阻值，L为线模电感值，C为线模电容值，t为时间；
（2）在对应t时间区间[0, Ns]内，定义线路末端N点处模拟电流与实测电流i N 的互距离度函数如下式：
；
（3）按下式确定一个互距离度整定值：
=；
其中，为各种情况下（包括不同的故障过渡电阻、不同的故障初始角、不同的故障距离）区内故障时计算出的模拟电流和实测电流i N 的互距离度的最小值，k a 为整定系数；
（4）根据步骤（2）定义的互距离度函数，计算线路末端N点模拟电流与实测电流i N 的互距离度，再将计算所得互距离度与步骤（3）设定的互距离度整定值进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障；当 ≤ 时，判别为输电线路区外故障；当>时，判别为输电线路区内故障。
所述整定系数k a 一般取0.6，以保留一定裕度。
本发明中，测量输电线路首、末两端电压和电流时，采样频率为20kHz，短时窗的长度为3ms。
本发明的原理是：
1、输电线路T型线路模型故障特征分析
如图1所示，若线路M-N区外发生接地故障，由基尔霍夫电流定理可得：
；
由于；
因此，可将量测端M、N的电压电流关系表示为：
；
式中，R为线路线模电阻值，L为线模电感值，C为线模电容值，i c为电容电流。
当输电线路发生故障时，如图1，在短时窗内，通过量测输电线路两端保护安装处M点、N点的电压u M 、u N 电流i M 、i N ，即可根据上述公式计算出输电线路N点处的模拟电流。
2、线路末端实测电流i N 与模拟电流的信号距离
“信号距离”是一个表征两种特征信号之间差异的概念, 使用“信号距离”的概念可以容易地表示两个信号的差异程度。求取两种特征信号在比较区间内对应时刻的差值,并计算差值的平均值，是反映客观事物或过程中两种特征信号之间的差异性的最简单方式。两离散信号的互距离度函数为，在对应时间区间为[ 0, Ns ]，则信号与信号i N 的互距离度计算公式如下：
；
通过上述互距离度函数表达式，即可对故障发生时线路末端的实测电流i N 与模拟电流信号的波形进行比较，计算出输电线路模拟电流与实测电流i N 的互距离度。
3、基于信号距离的输电线路区内、外故障甄别
当输电线路发生故障时，假设故障点位于线路M-N区外，如图1，在短数据窗内，量测输电线路两端保护安装处M点、N点电压u M 、u N 和电流i M 、i N ，然后分析输电线路集中参数Π型等效电路，根据基尔霍夫电流定理，由式即可计算出输电线路N点处的模拟电流。计算模拟电流的式中反映的等量关系均由真实元件参数所决定，唯一稳恒，这时模拟电流和实测电流i N 的波形一致，实际中由于使用集中参数模型，不考虑行波在线路上传播时间，计算出的模拟电流与实测电流i N 的波形在时刻上相差t（如图2），其中t=l/v，l为线路全长，v为波速。此时，计算出模拟电流与实测电流i N 的互距离度是一个相对很小的数值。
如果假设不成立，故障点位于线路M-N区内，由于故障点的分流，计算模拟电流的公式 不再成立，这时模拟电流和实测电流的波形不一致，计算出的模拟电流与实测电流i N 的互距离度是一个相对很大的数值。
因此，当输电线路发生区外故障时，模拟电流与实测电流i N 的互距离度是一个相对很小的数值；而当输电线路发生区内故障时，计算出的比区外故障时的大得多。为此，只要确定出各种区内故障时的模拟电流和实测电流i N 的互距离度的最小值，再通过公式=设定距离度整定值，即可将与进行比较，判断区内外故障。
当≤时，互距离度为一个相对较小的数值，与输电线路发生区外故障模型匹配，判别为为输电线路区外故障；
当>时，互距离度为一个相对较大的数值，与输电线路发生区内故障模型匹配，判别为输电线路区内故障。
为了保留一定裕度，一般取整定系数k a =0.6。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）利用两端暂态量信息构成的线路保护，不受过度电阻、故障初始角的影响，能可靠地识别区内外故障；
（2）采样频率为20kHz，符合目前硬件条件，现场容易实现；3ms的时间窗很短，能快速的甄别区内外故障，实现超高速启动保护元件；
（3）根据信号距离中计算所得互距离度与互距离度的设定值的大小比较识别区内外故障，比较的数值差别明显，整定值容易设定，保护灵敏度高，能可靠地甄别区内外故障。
附图说明
图1为本发明输电系统结构示意图；图中，E M 、E N 为两端电源，i M 、i N 为输电线路两端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。k 1为线路M-N区内发生单相接地故障，故障点到M端距离为10km; k 2为线路M-N区外发生单相接地故障，故障点到N端距离为20km；
图2为本发明线路M-N区内发生单相接地故障，故障点到M端距离为10km（图1中k 1点处）、过渡电阻为10Ω时，末端实测电流i N 与模拟电流波形图；为实测电流，为模拟电流，t/ms为时间/毫秒，i/kV为电流/千安；
图3为本发明线路M-N区外发生单相接地故障，故障点到N端距离为20km（图1中k 2点处）、过渡电阻为100Ω时，末端实测电流i N 与模拟电流波形图；为实测电流，为模拟电流，t/ms为时间/毫秒，i/kV为电流/千安。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1：仿真系统如图1所示，输电线路M-N采用J.Marti依频变线路模型, 线路全长150km。线路线模电阻R = 2.8143e-5Ω/ m, 线模电容C=1.4215e-011F/m, 线模电感L= 8.0223e-007H/m,线路M-N区内发生A相接地故障，故障位置距M端10km，如图1中的k 1，过渡电阻10欧。
当输电线路发生故障时，取仿真采样频率为20kHz，在3ms短时窗内，量测输电线路两端保护安装处首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ；然后分析输电线路集中参数T型等效电路，根据基尔霍夫电流定理得出输电线路N点处模拟电流的表达式，用首端M点实测电压u M 和电流i M 模拟计算输电线路末端N点处的电流；再将末端N点处的模拟电流与实测电流i N 的波形相比较，计算出模拟电流与实测电流i N 的互距离度；将计算所得互距离度与线路互距离度的设定值的大小进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障。具体步骤如下：
（1）输电线路发生故障后，在短时窗内，量测输电线路首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ；然后根据集中参数T型等效电路的特征和基尔霍夫电流定理，得出如下输电线路末端N点处模拟电流的表达式，并据其计算输电线路末端N点处的模拟电流：
；
式中，R为线模电阻值，L为线模电感值，C为线模电容值，t为时间；经测量和计算，末端实测电流i N 与模拟电流的波形如图2所示；
（2）在对应t时间区间[0, Ns]内，定义线路末端N点处模拟电流与实测电流i N 的互距离度函数如下式：
；
取Ns=60，即60个采样点；
（3）按下式确定一个互距离度整定值：
=；
其中，为各种情况下区内故障时计算出的模拟电流和实测电流i N 的互距离度的最小值。为保留一定裕度，取整定系数k a =0.6，整定值设定为0.35。
（4）根据步骤（2）定义的互距离度函数，计算线路末端N点模拟电流与实测电流i N 的互距离度，再将计算所得互距离度与步骤（3）设定的互距离度整定值进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障。
经计算，输电线路末端模拟电流与实测电流i N 的互距离度=0.913，>，判别为输电线路区内故障。
实施例2：仿真系统如图1所示，输电线路M-N采用J.Marti依频变线路模型, 线路参数同实施例1。线路M-N正向区外发生A相接地故障，故障位置距N端20km，如图1中的k 2，过渡电阻100欧。
输电线路发生故障后，取仿真采样频率为20kHz，在3ms短时窗内，按实施例1相同的方法，模拟计算输电线路末端（N侧）电流，得到末端实测电流i N 与模拟电流波形如图3所示。
取整定系数k a =0.6，设定互距离度整定值=0.35。经计算，输电线路末端模拟电流与实测电流i N 的互距离度=0.068， ≤ ，判别为输电线路区外故障。
实施例3：仿真系统如图1所示，输电线路M-N采用J.Marti依频变线路模型, 线路全长400km,其他参数同实施例1。线路M-N反向区外发生A相接地故障，故障位置距M端30km，如图1中的k 3，过渡电阻300欧。
输电线路发生故障后，取仿真采样频率为20kHz，在3ms短时窗内，按实施例1相同的方法，模拟计算输电线路末端（N侧）电流，得到末端实测电流i N 与模拟电流。
取整定数k a =0.6，设定互距离度整定值=0.3。经计算，输电线路末端模拟电流与实测电流i N 的互距离度=0.0893， ≤ ，判别为输电线路区外故障。
Claims (3)
1.一种基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，其特征在于：当输电线路发生故障时，在短数据窗内，量测输电线路两端保护安装处首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ，通过分析输电线路集中参数T型等效电路，根据基尔霍夫电流定理，得出输电线路N点处模拟电流 的表达式，用首端M点实测电压u M 和电流i M 模拟计算输电线路末端N点处的电流，将末端N点处的模拟电流与实测电流i N 的波形相比较，计算出模拟电流与实测电流i N 的互距离度，再将计算所得互距离度与设定的互距离度整定值的大小进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障；
具体步骤如下：
（1）输电线路发生故障后，在短时窗内，量测输电线路首端M点、末端N点的电压u M 、u N 和电流i M 、i N ，然后根据集中参数T型等效电路的特征和基尔霍夫电流定理，得出如下输电线路末端N点处模拟电流的表达式，并根据该式计算输电线路末端N点处的模拟电流：
；
其中，R为线模电阻值，L为线模电感值，C为线模电容值，t为时间；
（2）在对应t时间内采集[0, Ns]个采样点，定义线路末端N点处模拟电流与实测电流i N 的互距离度函数如下式：
；
其中，Ns为采样点的个数；
（3）按下式确定一个互距离度整定值：
=；
其中，为各种情况下区内故障时计算出的模拟电流与实测电流i N 的互距离度的最小值，k a 为整定系数；
（4）根据步骤（2）定义的互距离度函数，计算线路末端N点模拟电流与实测电流i N 的互距离度，再将计算所得互距离度与步骤（3）设定的互距离度整定值进行比较，根据两者的大小关系识别区内外故障；当 ≤ 时，判别为输电线路区外故障；当>时，判别为输电线路区内故障。
2.根据权利要求1所述的基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，其特征在于：整定系数k a =0.6。
3.根据权利要求1所述的基于信号距离和T型线路模型的纵联保护方法，其特征在于：测量输电线路首、末两端电压和电流时，采样频率为20kHz，短时窗的长度为3ms。
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