CN102868137A - 特高压输电线路单相自动重合闸控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种特高压输电线路单相自动重合闸控制装置及方法，该装置包括主控模块、电压采集模块、开入电路、开出电路、显示模块、按键、打印机接口和网络接口；电压采集模块的输出端连接主控模块的输入端，开入电路的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端连接开出电路的输入端，显示器的输入端连接主控模块的输出端，按键的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端分别连接打印机接口和网络接口。本发明有效的解决单相自适应重合闸故障识别的问题，以及带并联电抗器的特高压输电线路利用电压判定故障类型时由于拍频谐振引起的误判问题，控制装置简单且提高判断结果的可靠性、准确性，精确控制了重合闸的重合操作。

Description

特高压输电线路单相自动重合闸控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路自动重合闸控制技术领域，特别是涉及一种特高压输电线路单相自动重合闸控制装置及方法。

背景技术

随着经济的发展，对电网输电能力的要求不断提高，超/特高压输电今后将成为长距离大容量输电的主要方式，从国内外超高压输电线路的运行统计记录结果看，单相接地故障率高达90％以上，其中瞬时性故障占到80％左右。为了提高系统运行的可靠性与稳定性，单相自动重合闸得到广泛应用。然而单相自适应重合闸动作具有一定的盲目性，当其重合于永久性故障时，电力系统会再次遭受短路电流的冲击，甚至使电力系统失去稳定性，因此选择可靠的自适应重合闸故障类型判据使重合闸准确重合于瞬时性故障，对提高电力系统稳定运行具有十分重要的意义。

由于并联电抗器具有补偿输电线路中的电容性充电功率，在轻负荷时吸收无功功率，控制无功潮流，稳定系统运行电压，限制潜供电流等作用，在超高压输电系统中得到较多的应用。

目前，国内外对输电线路故障类型的判别原理有两种：一种是基于瞬时故障时故障电弧特性判断故障类型，该方法多采用神经网络技术及小波分析的方法，通过检测二次电弧阶段输电线路上的电压频谱特性来区分瞬时性故障与永久性故障，但是人工神经网络结构以及权值需要离线用学习样本进行训练，需要模拟大量的故障类型得到不同的模型，还需要储存大量的数据，因此应用起来相对复杂。另一种是基于恢复电压原理利用瞬时性故障和永久性故障，并联电抗器上恢复电压不同来区分故障类型。该方法原理简单，但受并联电抗器的影响，在开断瞬时性故障时会出现拍频现象，有误判的可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种特高压输电线路单相自动重合闸控制装置及方法，针对带并联电抗器的交流特高压输电线路单相接地故障。

本发明的技术方案是：

一种特高压输电线路单相自动重合闸控制装置，包括主控模块、电压采集模块、开入电路、开出电路、显示模块、按键、打印机接口和网络接口；

所述电压采集模块的输出端连接主控模块的输入端，开入电路的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端连接开出电路的输入端，显示模块的输入端连接主控模块的输出端，按键的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端分别连接打印机接口和网络接口。

采用所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制装置进行特高压输电线路单相自动重合闸控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采集特高压输电线路各相的端电压及中性点小电抗电压；

步骤2：特高压输电线路故障时，故障相断路器跳闸，由特高压输电线路中的保护装置的选相元件确定故障相别；

步骤3：计算特高压输电线路中的电压互感器测得的故障相的中性点小电抗电压与该故障相端电压的幅值比；

步骤4：计算整定值，整定值由以特高压输电线路瞬时性故障为参考，计算出的中性点小电抗和线路端电压的幅值比乘以可靠系数得到；

整定值计算过程中涉及的中性点小电抗电压和故障相端电压是理论计算出的值，也就是说如果发生瞬时性故障，用PT测到的中性点小电抗电压和端电压应该与理论值相符和相差不多，为了便于判断故障，将计算出的中性点小电抗与故障相端电压的幅值比乘以一个大于1的可靠系数，得到理论计算的比值，理论计算的比值大于实际测量到的比值，就能更可靠的进行故障判断，不会因为电压的波动出现误判。理论计算的值是个参考，与实际测量的值相比较，实际测量的值小于理论值判断为瞬时性故障，反之为永久性故障；

步骤5：判断步骤3计算的故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否小于整定值：是，则判断此时特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合；否，则延迟一个拍频谐振周期，在该周期内实时监测故障相端电压，并计算故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比；

所述的一个拍频谐振周期为100ms。

步骤6：判断一个拍频谐振周期内故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否始终大于整定值，是，则判断特高压输电线路为永久性故障，故障相的重合闸不重合，否，则判断特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合。

步骤4所述的整定值，计算公式如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}/{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}\left|\right)$

其中，K_DZ为整定值，

为特高压输电线路在瞬时性故障时的中性点小电抗电压，

为特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压，k为可靠系数，k＝1.2。

所述特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压

的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}={\stackrel{.}{U}}_y+\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{XL}}}{2}$

其中，为故障相静电耦合电压，为故障相上电磁感应电压；

故障相静电耦合电压其中，

为非故障相端电压， $X_0=\frac{X_{L0}{X}_{C0}}{X_{L0}+X_{C0}},$ $X_m=\frac{X_{\mathrm{Lm}}{X}_{\mathrm{Cm}}}{X_{\mathrm{Lm}}+X_{\mathrm{Cm}}},$ X_L0＝jωL₀， $X_{C0}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_0},$ X_Lm＝jωL_m， $X_{\mathrm{Cm}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_m},$ C₀和C_m分别为特高压输电线路相对地电容和线路相间电容，L₀和L_m分别为特高压输电线路相对地电感和线路相间电感；

故障相上电磁感应电压

其中，为流过非故障相电流，Z_m为输电线路单位长度互感抗，l为特高压输电线路全长。

所述特高压输电线路在瞬时性故障时的中性点小电抗电压

的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}={\stackrel{.}{I}}_N{X}_N$

其中，

为发生故障时流过中性点小电抗的电流，X_N为中性点小电抗。

发生故障时流过中性点小电抗的电流

其中，

为故障相端电压，

为非故障相端电压，X_L＝jωL，X_N＝jωL_N，L和L_N分别为并联电抗器电感和中性点小电抗电感。

有益效果：

本发明有效的解决单相自适应重合闸故障识别的问题，以及带并联电抗器的特高压输电线路利用电压判定故障类型时由于拍频谐振引起的误判问题，控制装置简单且提高判断结果的可靠性、准确性，精确控制了重合闸的重合操作。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式特高压输电线路单相自动重合闸控制装置结构框图；

图2是本发明的具体实施方式特高压输电线路单相自动重合闸控制装置与特高压输电线路连接示意图；

图3是本发明的具体实施方式特高压输电线路单相自动重合闸控制方法流程图；

图4是本发明的具体实施方式瞬时性故障线路示意图；

图5是本发明的具体实施方式图4的瞬时性故障线路等效图；

图6是本发明的具体实施方式永久性故障线路示意图；

图7是本发明的具体实施方式某瞬时性故障时故障相端电压及中性点小电抗电压波形图；

图8是本发明的具体实施方式电压采集模块电路原理图；

图9是本发明的具体实施方式开入电路原理图；

图10是本发明的具体实施方式开出电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

本实施方式的特高压输电线路单相自动重合闸控制装置，如图1所示，包括主控模块、电压采集模块、开入电路、开出电路、显示模块、按键、打印机接口和网络接口；

所述电压采集模块的输出端连接主控模块的输入端，开入电路的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端连接开出电路的输入端，显示模块的输入端连接主控模块的输出端，按键的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端分别连接打印机接口和网络接口。此外看门狗电路存储电路以及时钟电路包含在主控模块之中。

主控模块选用TMS320F2812DSP，电压采集模块、开入电路、开出电路均采用现有公知电路结构，本实施方式中，电压采集模块的电路原理如图8所示，电压采集电路采用星格毫安级精密电压互感器SPT204A精密度＜1％，互感器后面为有OP07与运算放大器组成的放大电路将互感器转换的电压信号转换成AD 芯片可以采集的范围，通过AD与DSP数据总线相连。开入电路采用现有技术，开入电路如图9所示，输入端(右端)接断路器跳闸接点，输出端(左端)与DSP的I/O口相连。开出电路如图10所示，开出电路采用ULN2003A大电流达林顿晶体管，开出电路输入端(OUT0、OUT1、OUT2、OUT3)与DSP的I/O口线连接，开出电路输出端直接与断路器合闸接点继电器相连。

显示器采用液晶显示屏，按键采用薄膜键盘，打印机接口外接打印机，网络接口与主机相连。显示模块将显示断路器跳闸信号、采集的电压信号等；网络接口用于连接总线，进行网络通信；打印机接口用于连接打印机，实现在线打印。主控制模块还包括用于保护装置可靠运行的看门狗电路，用于存储装置的动作过程以及定值的存储电路和在装置运行过程中对自身进行充电的时钟芯片。

本实施方式的特高压输电线路单相自动重合闸控制装置与某特高压输电线路连接，如图2所示，在工作时，电压采样模块的输入端与特高压输电线路两端的电压互感器PT以及中性点小电抗的PT相连，开入电路与自动合闸跳闸接点相连，开出电路则与自动重合闸的合闸接点相连。

依据本实施方式的故障识别方法，将程序写入主控模块，电压采集模块对输电线路端电压及中性点小电抗电压进行实时采集，当输电线路发生故障时，故障保护元件动作，故障相断路器跳闸，开入电路将跳闸接点信号传递给主控模块，主控模块在相应程序下，对采集到的故障相端电压进行数值计算判断，确定故障为永久性故障还是瞬时性故障，并通过开出电路输出控制信号，决定重合闸是否重合。

特高压输电线路瞬时性故障时线路如图4所示，其等效电路如图5，当输电线路A相发生瞬时性接地故障时，该相两端断路器断开，故障点电弧熄灭，B相C相通过与A相的相间耦合电容和耦合电感使A相仍存在恢复电压

其工频分量是电容耦合电压

和电磁耦合电压

的矢量和，

和

分别为：

${\stackrel{.}{U}}_y=({\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MB}}+{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MC}})\frac{X_0}{X_m+{2X}_0}$

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{XL}}=l({\stackrel{.}{I}}_B+{\stackrel{.}{I}}_C)Z_m$

上式中 ${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MB}},{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MC}}$ 为非故障相端电压， $X_0\frac{X_{L0}{X}_{C0}}{X_{L0}+X_{C0}},$ $X_m=\frac{X_{\mathrm{Lm}}{X}_{\mathrm{Cm}}}{X_{\mathrm{Lm}}+X_{\mathrm{Cm}}},$ X_L0＝jωL₀，

X_Lm＝jωL_m，

C₀和C_m分别为线路相对地电容和线路相间电容，L₀和L_m分别为线路相对地电感和线路相间电感，Z_m为输电线路单位长度互感抗，l为输电线路全长。

特高压输电线路发生永久性故障时的线路如图6所示，由于故障点始终存在，线路对地电容可靠放电，因此故障相端电压只含有电磁耦合电压

即：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{XL}}=l^{\′}\left({\stackrel{.}{I}}_B{+\stackrel{.}{I}}_C\right)Z_m$

式中，l′为线路首端到故障点的距离。

由于特高压输电线路发生接地故障时线路两端断路器断开，此时中性点小电抗电压

主要由健全相电流决定，所以无论瞬时性故障还是永久性故障，中性点小电抗电压

变化不大。

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}=\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}+{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MB}}+{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MC}}}{X_L+{3X}_N}{X}_N$

式中X_L＝jωL为并联电抗器的电抗值；X_N＝jωL_N为中性点小电抗的电抗值。

采用上述特高压输电线路单相自动重合闸控制装置进行单相自动重合闸控制的方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采集特高压输电线路各相的端电压及中线点小电抗电压；

步骤2：特高压输电线路故障时，故障相断路器跳闸，由特高压输电线路中的保护装置的选相元件确定故障相别；

步骤3：计算特高压输电线路中的电压互感器(PT)测得的故障相的中性点小电抗电压与该故障相端电压的幅值比；

步骤4：计算整定值，整定值由以特高压输电线路瞬时性故障为参考，计算出的中性点小电抗和线路端电压的幅值比乘以可靠系数得到；

所述的整定值，计算公式如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}/{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}\left|\right)$

其中，K_DZ为整定值，为特高压输电线路在瞬时性故障时的中性点小电抗电压，

为特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压，k为可靠系数，k＝1.2。

所述特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压

的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}={\stackrel{.}{U}}_y+\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{XL}}}{2}$

其中，

为故障相静电耦合电压，

为故障相上电磁感应电压；

故障相静电耦合电压 ${\stackrel{.}{U}}_y=({\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MB}}+{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MC}})\frac{X_0}{X_m+{2X}_0},$ 其中，

为非故障相端电压， $X_0=\frac{X_{L0}{X}_{C0}}{X_{L0}+X_{C0}},$ $X_m=\frac{X_{\mathrm{Lm}}{X}_{\mathrm{Cm}}}{X_{\mathrm{Lm}}+X_{\mathrm{Cm}}},$ X_L0＝jωL₀， $X_{C0}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_0},$ X_Lm＝jωL_m， $X_{\mathrm{Cm}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_m},$ C₀和C_m分别为特高压输电线路相对地电容和线路相间电容，L₀和L_m分别为特高压输电线路相对地电感和线路相间电感；

故障相上电磁感应电压

其中，

为流过非故障相电流，Z_m为输电线路单位长度互感抗，l为特高压输电线路全长。

所述特高压输电线路在瞬时性故障时的中性点小电抗电压

的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}={\stackrel{.}{I}}_N{X}_N$

其中，

为发生故障时流过中性点小电抗的电流，X_N为中性点小电抗。

发生故障时流过中性点小电抗的电流

其中，

为故障相端电压，

为非故障相端电压，X_L＝jωL，X_N＝jωL_N，L和L_N分别为并联电抗器电感和中性点小电抗电感。

步骤5：判断步骤3计算的故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否小于整定值：是，则判断此时特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合；否，则延迟一个拍频谐振周期，在该周期内实时监测故障相端电压，并计算故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比；

所述的一个拍频谐振周期为100ms。

步骤6：判断一个拍频谐振周期内故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否始终大于整定值，是，则判断特高压输电线路为永久性故障，故障相的重合闸不重合，否，则判断特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合。

当特高压输电线路发生瞬时性故障时，可能会出现拍频谐振现象，使中性点小电抗电压与故障端电压幅值比大于整定值，这样就产生了误判，如图7所示，其中1为故障相端电压波形，2为故障相中性点小电抗电压波形，图7中，标记为3的位置，故障相中性点小电抗电压大于端电压，为解决误判问题，本实施方式在一个拍频谐振周期内(即100ms内)，判断是否始终大于K_DZ，是，则判定为永久性故障，否则判定为瞬时性故障，在一个拍频谐振周期内用整定值K_DZ进行判断，保证了故障判断结果的可靠性和准确性，准确控制了重合闸的重合操作。

Claims (6)

1.一种特高压输电线路单相自动重合闸控制装置，其特征在于：包括主控模块、电压采集模块、开入电路、开出电路、显示模块、按键、打印机接口和网络接口；

所述电压采集模块的输出端连接主控模块的输入端，开入电路的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端连接开出电路的输入端，显示模块的输入端连接主控模块的输出端，按键的输出端连接主控模块的输入端，主控模块的输出端分别连接打印机接口和网络接口。

2.采用权利要求1所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制装置进行特高压输电线路单相自动重合闸控制的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：实时采集特高压输电线路各相的端电压及中性点小电抗电压；

步骤2：特高压输电线路故障时，故障相断路器跳闸，由特高压输电线路中的保护装置的选相元件确定故障相别；

步骤3：计算特高压输电线路中的电压互感器测得的故障相的中性点小电抗电压与该故障相端电压的幅值比；

步骤4：计算整定值，整定值由以特高压输电线路瞬时性故障为参考，计算出的中性点小电抗和线路端电压的幅值比乘以可靠系数得到；

步骤5：判断步骤3计算的故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否小于整定值：是，则判断此时特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合；否，则延迟一个拍频谐振周期，在该周期内实时监测故障相端电压，并计算故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比；

步骤6：判断一个拍频谐振周期内故障相的中性点小电抗电压和该故障相端电压的幅值比是否始终大于整定值，是，则判断特高压输电线路为永久性故障，故障相的重合闸不重合，否，则判断特高压输电线路为瞬时性故障，故障相的重合闸重合。

3.根据权利要求2所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制方法，其特征在于：所述的一个拍频谐振周期为100ms。

4.根据权利要求2所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制方法，其特征在于：步骤4所述的整定值，计算公式如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}/{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}\left|\right)$

其中，K_DZ为整定值，

为特高压输电线路在瞬时性故障时的中性点小电抗电压，

为特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压，k为可靠系数，k＝1.2。

5.根据权利要求4所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制方法，其特征在于：所述特高压输电线路在瞬时性故障时的故障相端电压

的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MA}}={\stackrel{.}{U}}_y+\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{XL}}}{2}$

其中，

为故障相静电耦合电压，

为故障相上电磁感应电压；

故障相静电耦合电压 ${\stackrel{.}{U}}_y=({\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MB}}+{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{MC}})\frac{X_0}{X_m+{2X}_0},$ 其中，

为非故障相端电压， $X_0=\frac{X_{L0}{X}_{C0}}{X_{L0}+X_{C0}},$ $X_m=\frac{X_{\mathrm{Lm}}{X}_{\mathrm{Cm}}}{X_{\mathrm{Lm}}+X_{\mathrm{Cm}}},$ X_L0＝jωL₀，

X_Lm＝jωL_m，C₀和C_m分别为特高压输电线路相对地电容和线路相间电容，L₀和L_m分别为特高压输电线路相对地电感和线路相间电感；

故障相上电磁感应电压其中，为流过非故障相电流，Z_m为输电线路单位长度互感抗，l为特高压输电线路全长。

6.根据权利要求4所述的特高压输电线路单相自动重合闸控制方法，其特征在于：所述特高压输电线路在瞬时性故障时的中线点小电抗电压的计算公式如下：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{LN}}={\stackrel{.}{I}}_N{X}_N$

其中，

为发生故障时流过中性点小电抗的电流，X_N为中性点小电抗。

发生故障时流过中性点小电抗的电流

其中，

为故障相端电压，

为非故障相端电压，X_L＝jωL，X_N＝jωL_N，L和L_N分别为并联电抗器电感和中性点小电抗电感。

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