CN102694375A - 一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法，其包括测量特高压交流输电线路两端的基频电气量，利用长线方程，由线路一端正、负、零序电气量计算另一端的正、负、零序电流量，再利用对称分量法计算另一端的基频电流量，进而计算差动系数矩阵。利用差动系数矩阵各元素间的大小关系判别故障类型，保护正确跳开故障相。本发明方法适用于特高压交流输电线路整个故障过程保护，尤其当特高压交流输电线路发生单相经高电阻接地短路故障时，本发明方法能准确识别并正确跳开故障相，其余两正常相线路两端断路器可靠不动作。

Description

一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法

技术领域

本发明涉及一种的特高压交流输电线路保护方法，特别是一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法。

背景技术

目前中国已建成世界上第一条正式并网运行的晋东南-南阳-荆门1000kV特高压交流输电线路。根据国家电网公司的《统一坚强智能电网研究报告》，2015年前中国将建成特高压交流输电线路3.9万公里，2020年前将建成特高压交流输电线路4.7万公里，基本建成以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的国家电网格局。特高压交流输电网络可大幅提高电能输送容量，缓解中国紧张的运能形势，有利于减少输电损耗，节省输电成本，节能减排，从而推动绿色能源经济的发展，又可使中国电网更加智能、坚强、稳定、可靠。同时，作为电网骨干网架，特高压交流输电线路发生故障后，若故障不能得以及时检测到并正确切除，会导致电力系统稳定性受到破坏，甚至可能造成系统崩溃，从而会对社会经济生产造成难以估量的损失。

由于不受系统运行方式和电网结构影响，且具有天然的选相功能，电流差动保护一直是各种电压等级输电线路的主保护。在500kV及以下电压等级输电线路中，由于输电线路沿线分布电容电流很小，分布电容对电流差动保护动作性能影响很小。然而，特高压交流输电线路的电压、电流传输具有明显的波过程，沿线分布电容电流很大，利用两端电流矢量和的幅值作为动作量的传统电流差动保护面临着电流差动保护启动电流大，而为了防止保护误动，提高启动设定值又会导致保护灵敏度不足，制约着传统电流差动保护在特高压交流输电线路上的应用。

为了克服分布电容电流对电流差动保护动作性能的影响，郭征、贺家李发表的《输电线路纵联差动保护的新原理》(电力系统自动化，第28卷11期，2004)和徐松晓、贺家李等人发表的《特高压输电线分相电流相位差动保护的研究》(电力系统保护与控制，第35卷3期，2007)采用贝瑞隆模型描述特高压交流输电线路的物理特性，由两端电气量计算出输电线路上某一点两侧的电流量，然后在该点利用常规比率制动特性构成电流差动保护，从原理上避免了分布电容电流对电流差动保护动作性能的影响，动作性能优于传统电流差动保护。

然而，由于受负荷电流的影响，在高阻接地短路故障时，无论是直接利用两端电流矢量和的幅值作为动作量的传统电流差动保护，还是基于贝瑞隆模型已提出的各种特高压交流输电线路电流差动保护新原理，都无法正确跳开故障相，而是由零序电流差动保护动作跳开三相。由于非全相运行状态对系统稳定的影响远小于三相跳开的情况，由零序电流差动保护动作跳开三相这一动作策略会增强故障对电网稳定性的冲击。因此，单相接地短路故障时，如果能正确跳开故障相，保留其余两正常相继续运行，有利于增强电网稳定，从而使电网更加坚强可靠。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种适用于特高压交流输电线路整个故障过程保护，可用作特高压交流输电线路的主保护，尤其当特高压交流输电线路发生单相经高电阻接地短路故障时，能准确识别并正确跳开故障相，其余两正常相线路两端断路器可靠不动作的基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法。

一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法，

(1)测量特高压交流输电线路在m变电站检测点处的三相电流

和A相正、负、零序电压A相正、负、零序电流

测量特高压交流输电线路在n变电站检测点处的三相电流

和A相正、负、零序电压

A相正、负、零序电流

作为输入量。

(2)利用m变电站检测点处的正、负、零序电压

和正、负、零序电流

计算n变电站检测点处的正、负、零序电流

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}1}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}1}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}2}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}2}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}={\stackrel{\·}{I}}_{m0}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{m0}}{Z_{c0}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)\end{array}\right.$

其中，R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值； $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1}};$ ${\mathrm{\γ}}_0=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)},$ R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

l_mn为m变电站和n变电站之间输电线路长度。

(3)利用

计算n变电站检测点处的三相电流

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ a^2& a& 1\\ a& a^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}\end{array}\right]$

其中，a＝exp(j120°)。

(4)计算 $I_{\mathrm{dA}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nA}}|,$ $I_{\mathrm{dB}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nB}}|,$ $I_{\mathrm{dC}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nC}}|,$ 计算差动系数矩阵S：

$S=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dB}}}& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dA}}}& \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$

(5)选取差动系数矩阵S中的最大元素

则根据S_ij选取差动系数矩阵S中的元素

和其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

(6)设定阀值s_h，利用差动系数矩阵S中的最大元素

和

选取故障相：

1)若满足S_ij＞s_h∩S_ik＞s_h，则i相为故障相。同时，若常规正序差动保护未动作，则线路故障类型为i相经高电阻接地短路故障；反之，若常规正序差动保护动作，则线路故障类型为i相经中(低)电阻接地短路故障。

2)若满足S_ij＞s_h∩S_kj＞s_h，则ik相为故障相。若常规零序差动保护动作，则线路故障类型为ik相间短路后再接地短路故障；若常规零序差动保护未动作，则线路故障类型为ik相间短路故障。

3)若满足s_h＞S_ij＞1，则为ABC三相短路故障。

其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

本发明方法适用于特高压交流输电线路整个故障过程保护，尤其当特高压交流输电线路发生单相经高电阻接地短路故障时，本发明方法能准确识别并正确跳开故障相，其余两正常相线路两端断路器可靠不动作。

附图说明

图1为应用本发明方法检测特高压交流输电线路故障示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

图1为应用本发明方法检测特高压交流输电线路故障示意图。m侧变电站和n侧变电站的基频电气量分别由安装在该二者变电站的同步相量测量单元(phasemeasurement unit，PMU)测量得到。同步相量测量单元测量特高压交流输电线路在m变电站检测点处的三相电流

和A相正、负、零序电压

A相正、负、零序电流

测量特高压交流输电线路在n变电站检测点处的三相电流

和A相正、负、零序电压

A相正、负、零序电流

作为输入量。

利用m变电站检测点处的正、负、零序电压

和正、负、零序电流

计算n变电站检测点处的正、负、零序电流

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}1}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}1}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}2}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}2}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}={\stackrel{\·}{I}}_{m0}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{m0}}{Z_{c0}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)\end{array}\right.$

其中，

R₁、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值； $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\ω}{C}_1}};$ ${\mathrm{\γ}}_0=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)},$ R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

l_mn为m变电站和n变电站之间输电线路长度；ω为电力系统角频率。

利用

计算n变电站检测点处的三相电流

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ a^2& a& 1\\ a& a^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}\end{array}\right]$

其中，a＝exp(j120°)。

计算 $I_{\mathrm{dA}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nA}}|,$ $I_{\mathrm{dB}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nB}}|,$ $I_{\mathrm{dC}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nC}}|,$ 计算差动系数矩阵S：

$S=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dB}}}& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dA}}}& \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$

选取差动系数矩阵S中的最大元素则根据S_ij选取差动系数矩阵S中的元素

和

其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

设定阀值s_h，利用差动系数矩阵S中的最大元素

和

选取故障相：

I)若满足S_ij＞s_h∩S_ik＞s_h，则i相为故障相。同时，若常规正序差动保护未动作，则线路故障类型为i相经高电阻接地短路故障；反之，若常规正序差动保护动作，则线路故障类型为i相经中(低)电阻接地短路故障。

II)若满足S_ij＞s_h∩S_kj＞s_h，则ik相为故障相。若常规零序差动保护动作，则线路故障类型为ik相间短路后再接地短路故障；若常规零序差动保护未动作，则线路故障类型为ik相间短路故障。

III)若满足s_h＞S_ij＞1，则为ABC三相短路故障。

其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

本发明方法适用于特高压交流输电线路整个故障过程保护，尤其当特高压交流输电线路发生单相经高电阻接地短路故障时，本发明方法能准确识别并正确跳开故障相，其余两正常相线路两端断路器可靠不动作。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种基于全分量差动系数矩阵的特高压交流输电线路保护方法，其特征如下：

(1)测量特高压交流输电线路在m变电站检测点处的三相电流和A相正、负、零序电压

A相正、负、零序电流

测量特高压交流输电线路在n变电站检测点处的三相电流

和A相正、负、零序电压

A相正、负、零序电流

作为输入量；

(2)利用m变电站检测点处的正、负、零序电压

和正、负、零序电流计算n变电站检测点处的正、负、零序电流

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}1}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}1}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mA}2}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mA}2}}{Z_{c1}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}={\stackrel{\·}{I}}_{m0}\cosh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)-\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{m0}}{Z_{c0}}\sinh \left({\mathrm{\γ}}_0{l}_{\mathrm{mn}}\right)\end{array}\right.$

其中，

_R1、L₁、G₁、C₁分别为单位长度线路的正序电阻、电感、电导和电容值；

R₀、L₀、G₀、C₀分别为单位长度线路的零序电阻、电感、电导和电容值；

l_mn为m变电站和n变电站之间输电线路长度；ω为电力系统角频率；

(3)利用

计算n变电站检测点处的三相电流

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ a^2& a& 1\\ a& a^2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}0}\end{array}\right]$

其中，a＝exp(j120°)；

(4)计算 $I_{\mathrm{dA}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnA}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nA}}|,$ $I_{\mathrm{dB}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnB}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nB}}|,$ $I_{\mathrm{dC}}=|{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mnC}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{nC}}|,$ 计算差动系数矩阵S：

$S=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dB}}}& \frac{I_{\mathrm{dA}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{I_{\mathrm{dB}}}{I_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dA}}}& \frac{I_{\mathrm{dC}}}{I_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$

(5)选取差动系数矩阵S中的最大元素则根据S_ij选取差动系数矩阵S中的元素

和

其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相；

(6)设定阀值s_h，利用差动系数矩阵S中的最大元素

和

选取故障相：

1)若满足S_ij＞s_h∩S_ik＞s_h，则i相为故障相。同时，若常规正序差动保护未动作，则线路故障类型为i相经高电阻接地短路故障；反之，若常规正序差动保护动作，则线路故障类型为i相经中(低)电阻接地短路故障；

2)若满足S_ij＞s_h∩S_kj＞s_h，则ik相为故障相。若常规零序差动保护动作，则线路故障类型为ik相间短路后再接地短路故障；若常规零序差动保护未动作，则线路故障类型为ik相间短路故障；

3)若满足s_h＞S_ij＞1，则为ABC三相短路故障；

其中，ijk＝ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

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