CN102687359A - 用于接地距离保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种接地距离保护方法包括如下步骤：当发生接地故障时，测量基于传输线路两端(M，N)故障分量的本地源阻抗；从第一端向第二端发送所测量的本地源阻抗；在该第二端基于所测量的源阻抗调整保护标准；以及根据该调整的保护标准判断该接地故障为内部故障或外部故障。该接地距离保护方法能够抑制保护运行期间的误动跳闸或拒动跳闸。

Description

用于接地距离保护的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于电力传输系统的改进接地距离保护性能的方法和装置。特别地，本发明涉及当系统是多相时，使电抗器边界对远距离馈电电流免疫的方法和装置。

背景技术

电力输送系统常常采用远距继电器，以确定是否系统中的故障发生在从特定监控/测量点开始的预先确定的距离内，该继电器位于该监控/测量点。从测量点开始的所述预先确定的距离内的区域被称为继电器的一个保护区域。也就是说，在传输线上顺序地排列着几个保护区域(例如区域1、区域2、区域3等等)。本发明特别关注远距离继电器，其响应于在特定保护区域，例如区域1内的单相对地故障。通常，单独的继电器常被配置在多相电力传输系统每一项的区域1中。

在通常采用的远距继电器的形式中，跳闸信号是通过比较由故障条件下在监控点测量的系统电压和电流的得到电压相位来决定的。例如，参照图1，在四边形的接地距离特性继电器中，它包括四个元件。如图1所示的，四边形的特性图的每一边代表一个不同的元件。特别地，上部线11代表电抗元件；左右两边的线12和14分别代表正和负电阻边界；底边13代表方向元件。在图1所示的特性图呈现了用于传输线的典型的四边形特性。如果所测量的阻抗落入前述提到的四元件定义的盒区域内，则运行四边形的(quadrilateral)接地距离特性。如果所测量的阻抗落入前述提到的四元件定义的盒区域外，则四边形的接地距离特性不被运行。

当三个序网线路和系统的源阻抗角相同时，系统是平衡的(homogeneous)。如果与电抗元件使用的用作极化量参考的时序电流相关联的信号源阻抗和线路阻抗具有相同的角，则该系统也是被视为是平衡的。例如，在使用零序电流作为极化量(polarizing)参考的电抗元件中，仅仅考虑零序网络。在使用负序电流作为极化参考的电抗元件中，仅仅考虑负序网络。在本发明中，集中对使用零序参数的电抗元件进行讨论和计算。

当源和线路阻抗角不相等时，该系统是非平衡的。在非平衡系统中，故障的总电流角与继电器测量的电流角是不同的。对于金属性故障(假定在该故障中无电阻的情形)，故障电流角和继电器测量的电流角之间的差异不再是问题。

不过，对于图1所描述的情形，存在故障电阻的地方，在故障电流角和继电器电流角之间的差异能导致接地距离继电器严重地误动跳闸或拒动跳闸。在发生高阻抗故障的情况下，尤其如此。如果系统参数的非对称性未被适当地纠正，该保护将具有低灵敏特性(称为“拒动跳闸”)或者响应于保护区域外的故障而错误地跳闸(称为“误动跳闸”)。在拒动跳闸的情形下，发生在保护区域内的内故障可以被认为是外部故障，而且继电器会因此不跳闸。在误动跳闸的情形下，外部故障可以被认为是内部故障，并且保护区域将被错误地跳闸。拒动跳闸行为和误动跳闸行为二者对传输线路都具有负面影响。现代保护技术的目的就是限制误动跳闸和拒动跳闸行为。

图2描述一个电力传输系统的示例图。其中，附图标记G1和G2代表通过传输线连接的两个电源。标记f代表接地故障发生的位置。标号R_f代表由接地故障导致的电阻。标记M和N代表在传输系统中的两测量点。Z_L代表整个传输线的阻抗。标记m代表从测量点(M)至故障位置每单位距离，因此，从f点至M点的阻抗是m*Z_L，以及从f点到N点的阻抗是(1-m)*Z_L。

对于如图2所示的传输系统中发生的接地故障，总线M的电压能够由如下公式(1)加以计算。

U_M＝m*Z_1L*(I_φ+k*I₀)+I_f*R_f                        (1)

Z_1L和Z_0L分别代表正序和零序线路阻抗。I_Φ代表故障相电流。I₀代表零序电流。I_f代表零序电流。以及，公式中的系数K如下表示：k＝(Z_0L-Z_1L)/Z_1L。

传输系统的状态和公式(1)能够由图3所示的图例加以表述。其中，测点M的电压，即U_M显示为向量32。向量I_f*R_f31代表在阻抗平面内的电抗元件。对于接地故障，如果系统是单相的，则分量V_R＝I_fR_f与电流I₀同相。随后，所计算的电压U_M 32是真正的故障电压。但是，如果系统是多相的，V_R应当与图3所示的电流I₀(彼此之间有一角度差θ)不同相。

从图3可知，所计算的电抗将基于θ角而误动跳闸或拒动跳闸。更具体地说，当θ为负值时，将误动跳闸；当θ是正值时，将拒动跳闸。

为了解决误动跳闸和拒动跳闸的问题，将预先设置的可能的最大角度作为电抗器边界的倾斜角，以避免继电器的误动跳闸。按照惯例，最大的倾斜角是预先设定的，例如，作为根据先前的经验设置为10或15度。不过，对不同的情形预先设置那样的固定的最大倾斜角，仍然存在一些缺点。

首先，当θ角是正的时候，保护区域将具有比设定的距离更短的保护范围。第二，当故障电阻大并且具有负的θ角时，即使预置有倾斜角，继电器仍然可能在保护区域1内误操作。第三，总线阻抗基于不同的运行条件而实时地变化，预先无法对其进行准确地预测。因此，预先设定固定的倾斜角并不适合所有的情形。

因此，需要一种新的方案用于接地故障距离保护，以在运行期间抑制误动跳闸或拒动跳闸方面具有更好的性能。

发明内容

根据本发明的第一优选实施例，其提供了一种用于电力传输线的接地距离保护方法，其包括下列步骤：当发生接地故障时，测量基于传输线路两端故障分量的本地源阻抗；从第一端向第二端发送所测量的本地源阻抗；在该第二端基于所测量的本地源阻抗调整保护标准；以及根据该调整过的保护标准判断该接地故障为内部故障或外部故障。

根据本发明的另一方面，在四边形特性图中通过将补偿角与电抗元件角进行合并来调整该保护标准。

根据本发明的另一方面，基于传输线路阻抗和在第一和第二端测量的阻抗来计算补偿角。

根据本发明的另一方面，该方法进一步包括：当电抗元件的所述合并角落在[-180°，0°]的范围内时，报告在传输线上发生内部故障。

根据本发明的第二优选的实施例，其提供一种接地距离保护控制器，包括：测量单元，用于在接地故障发生时，基于传输线两端的故障分量来测量本地源阻抗；发送单元，用于发送从第一端到第二端所测量的本地源阻抗；调整单元，用于在该第二端基于所测量的本地源阻抗调整保护标准；以及判定单元，用于根据该调整过的保护标准判断该接地故障为内部故障或外部故障。

根据本发明的另一方面，该控制器进一步包括：报告单元，用于当电抗元件的所述合并角落在[-180°，0°]的范围内时，报告在传输线上发生内部故障。

根据本发明的第三优选实施例，其提供一种接地距离保护装置，所述装置被配置用于执行如前所述的保护方法。

根据本发明的第四优选实施例，其提供一种数字计算机，所述数字计算机具有内部存储器；一用在电力传输线路系统的接地保护程序可加载到所述内部存储器时，该计算机执行上述控制器的功能。

附图说明

本发明进一步的实施例、优点和应用将参照附图1-6，在权利要求书以及随后的说明书中加以描述，其中：

图1示出了远距继电器的四边形特性图；

图2示出了电力传输系统的示意图；

图3示出了所计算的电抗元件向量；

图4示出了基于未调整角度以及基于本发明提出的实时补偿角度的模拟结果；

图5示出了基于未调整角度和基于预先设置的最大固定补偿角的模拟结果；以及

图6示出了基于未调整角度和基于在较高电阻接地故障情况下特定故障补偿角度的模拟结果。

具体实施方式

本发明的保护方法可以包括下列步骤：首先，确定是否存在接地故障。第二，确定故障相。第三，基于来自传输线的故障分量计算本地源阻抗。在大多数情况下，故障分量是从总电压和总电流中提取出来的，该总电压和总电流由故障分量和正常分量构成。但是在一些极端条件中，总电压和总电流可以仅仅包括故障分量。

$Z_{M0}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{M0}}{{\mathrm{\ΔI}}_{M0}}$

应当指出的是，在故障发生在下一个保护区域的情况下(即外部故障)，所计算的远距离电源阻抗是负的，随后真正的远距离电源阻抗能够通过下面的公式获得，并且如果故障发生在受保护线路的反方向上，其计算方式与前述的相同。

$Z_{N0}=\left|\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{N0}}{{\mathrm{\ΔI}}_{N0}}\right|-Z_{M0}-Z_{0L}---\left(4\right)$

第四，将计算所得的本地源阻抗从本地终端发送到位于保护区域的另一端的远程终端。由于所计算的阻抗的变化是相对缓慢的，在故障判断期间的阻抗可以被认为是不变的常数。因此，在本发明中，同步信道是非必要的。第五，基于下述公式计算补偿角：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{Angle}\left(\frac{Z_{M0}+Z_{N0}+Z_{0L}}{Z_{N0}+Z_{0L}}\right)$

第六，根据故障期间所计算的补偿角α＞Angle(Z-Z_set)-θ＞β来更新电抗继电器的标准α＞Angle(Z-Z_set)＞β。

然后，能够从前述标准来确定该故障时外部故障还是内部故障。步骤将在下面的段落中进行解释。

对于如图2所示的电传输系统，检测零序电流用于确定在传输线中是否发生故障。当所测量的零序电流超过阈值时，能够推断传输线的某处发生有故障。更具体地说，可以测量每一相位的零序电流，用于确定故障发生在哪个相位中。

当确定在传输线L上发生了单相接地故障时，能够通过公式(2)实时地计算出测量点M和N处真正的电源零序阻抗。两测量点的阻抗是基于故障分量加以计算的。

$Z_{M0}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{M0}}{{\mathrm{\ΔI}}_{M0}},$ $Z_{N0}=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{N0}}{{\mathrm{\ΔI}}_{N0}}---\left(2\right)$

在一个优选实施例中，一个测量点N处所计算的实时阻抗，例如Z_N0被发送到另一终端(远距离测量点M)。随后，在另一端的继电器可以接收和存储该阻抗。所接收的阻抗将被用于计算如下所描述的补偿角。由于本地源阻抗的变化率是缓慢的(相比于故障周期和采样周期)，没有必要频繁地将实时计算所得的阻抗从N发送给M。因此，本发明的解决方案中无需同步通信线路。

不过，在另一优选实施例中，在每个采样周期实时地计算阻抗。并且所有实时计算的阻抗能够在每个采样周期被顺序地发送到远程终端。随后，远程终端基于在不同采样周期接收的实时阻抗来计算补偿角。

对于在M点一端的继电器，所测量的零序电流和故障电流之间的最大的差动角能够通过下述公式(3)计算得到(I_f导致I₀)。

$\mathrm{\θ}=\mathrm{Angle}\left(\frac{Z_{M0}+Z_{N0}+Z_{0L}}{Z_{N0}+Z_{0L}}\right)---\left(3\right)$

在公式(3)中，Z_M0代表在M点的零序线路阻抗；Z_N0代表在N点的零序线路阻抗；以及Z_0L代表零序线路阻抗。本发明中，在图3所示的阻抗平面内用于调整的是故障特定补偿角θ(其是参照不同的故障情形计算得到)，而不是固定角度(10-15度)。

基于电抗继电器的原理，对于内部故障，测量阻抗与设置阻抗之间计算得到的角应当在[-180°，0°]的范围内。另外，该故障应该被认为是外部故障。在这方面，用于确定内部或外部故障的标准可以表示为如下公式(5)：

γ＞Angle(Z-Z_set)＞β                    (5)

其中，Z代表测量得到的、作为线路阻抗的阻抗，Z_set代表设置的线路阻抗。在本发明的讨论和计算中，所设置的线路阻抗的值应该是总的线路阻抗的80％。

基于补偿角θ，修订的标准如下述公式(6)所示：

γ＞Angle(Z-Z_set)-θ＞β                    (6)

通过该修订的标准，对于单相系统而言，其接地距离继电器能够呈现更好的性能。也就是说，故障类型的识别将更准确，而且相比于传统的技术而言，其误跳闸动作将被显著地减少。

发明人已经进行了模拟仿真，用于对通过本发明提供的标准以及通过传统标准来确定故障类型进行比较。

实施例1

用于模拟模仿的传输系统与图2所示的系统相同。系统条件仅仅区别在于：Z_M0和Z_N0是不同的，而且两个阻抗角都导致了Z_0L的阻抗角。用于模拟仿真的系统参数如下所列：

源电压：U_M＝U_N＝220kV，∠α＝-20；

源阻抗：Z_M＝35∠85°和Z_N＝25∠80°。为了简化模拟仿真，假定正序阻抗等于零/负序阻抗。

线路：长度＝100km，其它线路参数是：

R₁＝1.27e-5(Ω/m)，R₀＝2.729e-4(Ω/m)，X₁＝2.68e-4(Ω/m)，X₀＝8.4e-4(Ω/m)，

继电器区域1的范围被设置为总的传输线的80％(即设置范围)。换句话说，区域1的范围具有20km边界用以避免误动跳闸。并且，继电器的抽样率被设置为4000Hz。

以M侧的继电器为例，并且假定发生了外部A相接地故障。进一步假设，故障点位于整个传输线90％长度的位置。负载的电阻是30欧姆；并且该故障发生在采样过程开始后的0.5秒。鉴于4000Hz的采样频率，图4种的故障发生在第2000个采样点。

由于区域1的范围被设置为整个传输线的80％长度，因此，在整个传输线90％长度处的故障点实际上是对区域1而言的外部故障。基于前述参数，该模拟反正被执行，以得到由传统标准以及本发明的传统的判断。

图4示出了基于本发明提供的方案以及基于未调整电抗元件角度的方案所计算的补偿角的差异。如上所述，当角度差异落在[-180°，0°]的范围内时，接地保护方案将报告在保护区域1内发生了内部故障；并且该继电器处于保护目的而跳闸。当该角度差超过上述范围的时候，该接地保护方案将识别该故障为外部故障；并因此在受保护的地区1内不跳闸。

从图4中能够看到，基于未作任何调整的角度(图示虚线41)，在故障发生大约20ms之后(即在第2080个采样点)，该继电器将作出错误的决定(即将外部故障视为内部故障)。也就是说，在交流传输的一个周期之后，区域1将由于错误的判断而被跳闸。

然而，根据由发生的故障所计算的补偿角，在大约第2090个采样点处的角度差异将超过范围的上限(0°)。因此，该继电器对外部故障将给出正确的判断(如实线42所示)。

很显然，未作电抗角度调整的方案并不适合于各种系统运行条件。

从前述模拟仿真的示例可知，故障特定调整过的补偿角优于未作角度调整的方案。

实施例2

例如，另一模拟仿真示例如图5所示。在此方案中，故障点的位置与前述实施例1中的点相同。关于系统参数，唯一的差异是M端的源阻抗被设置得比实施例1的要高，即Z′_M＝65∠65°。在此例中，根据先前的经验(即传统技术中的角度调整)，通过采用预先可设置的固定补偿角来调整阻抗平面内的电抗元件的角。

从图5可以看出，即使采用最大的固定值对电抗器角进行补偿，误判仍然难以避免。在此例子中，已经假设外部故障发生在采样点2000处。然而，原始的(未调整的)和调整后的角度差异曲线51和52都显示角差异落在[-180°，0°]范围内。换句话说，即使采用最大值对该角进行了调整，该继电器能够识别有内部故障发生在保护区域1内。换句话说，在发生较高电阻故障的情况下，传统方案将不再有效。

实施例3

对于相同系统参数如上实施例2，如果保护计划基于错误组件使用一个错误特定计算的Z_M和Z_N，M侧面的中继将分发一个正确判别。

如图6所示，调整后的角度差异曲线62(实线)表明：至少从采样点2060开始角度差异超过[-180°，0°]的范围。因此，对于高电阻的情形，本发明提出的方案将做出正确的判断。

本发明提出的方法和方案被作为运行在计算机上的软件，或者采用例如EPROM等技术的硬接线方案加以实施。在所提出的方法以硬件的方式加以实施的情况下，本领域技术人员清楚地知道前述提及的用于识别故障、计算补偿角等的每个步骤，可以映射为独立的硬件单元。例如，确定单元可被用来判断在传输线上是否发生了故障，以及在哪个相中发生的故障。测量单元可以被用于测量阻抗。通信单元可以被用来从一端向另一端发送和接收测量的阻抗。处理单元可以被用以基于所接收的阻抗计算补偿角。以及判断单元可以用于当处理单元发现角度差异落在范围内时，输出跳闸信号。

可选地，所有的步骤/功能可以由继电器中的集成处理器实现。其中，所有前述的分立单元被集成在一起，以执行本发明提供的保护方法。所有可用的半导体技术可以用于制造这种硬件。

对于所属技术领域的技术人员，不同的修改可在不脱离本发明的范围的情况下被构思。例如，所有其他的著名的缺陷检验计划可在本发明中被应用。

本发明旨在涵盖落在本发明提出的理念下所有可能的修改方式，并且本发明的范围应该由所附的权利要求书而并非前述详细的实施例来定义。

Claims (10)

1.一种用于电力传输线的接地距离保护方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

当发生接地故障时，测量基于传输线路两端故障分量的本地源阻抗；

从第一端向第二端发送所测量的本地源阻抗；

在该第二端基于所测量的本地源阻抗调整保护标准；以及

根据该调整过的保护标准判断该接地故障为内部故障或外部故障。

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，在四边形特性图中通过将补偿角与电抗元件角进行合并来调整该保护标准。

3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于，基于传输线路阻抗和在第一和第二端测量的阻抗来计算补偿角。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的保护方法，其特征在于，进一步包括：当电抗元件的所述合并角落在[-180°，0°]的范围内时，报告在传输线上发生内部故障。

5.一种接地距离保护控制器，其特征在于，包括：

测量单元，用于在接地故障发生时，基于传输线两端的故障分量来测量本地源阻抗；

发送单元，用于发送从第一端到第二端所测量的本地源阻抗；

调整单元，用于在该第二端基于所测量的本地源阻抗调整保护标准；以及

判定单元，用于根据该调整过的保护标准判断该接地故障为内部故障或外部故障。

6.根据权利要求5所述的保护控制器，其特征在于，在四边形特性图中通过将补偿角与电抗元件角进行合并来调整该保护标准。

7.根据权利要求6所述的保护控制器，其特征在于，基于传输线路阻抗和在第一和第二端测量的阻抗来计算补偿角。

8.根据权利要求6-7任意一项所述的保护控制器，其特征在于，进一步包括：报告单元，用于当电抗元件的所述合并角落在[-180°，0°]的范围内时，报告在传输线上发生内部故障。

9.一种接地距离保护装置，其特征在于，所述装置被配置用于执行如权利要求1-4中任一项所述的保护方法。

10.一种数字计算机，其特征在于，所述数字计算机具有内部存储器；一用在电力传输线路系统的接地保护程序可加载到所述内部存储器时，该计算机执行根据权利要求5-9中任意一项所述的控制器的功能。

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