CN103178507B - 基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护 - Google Patents

Abstract

本发明为基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，输电线路短路时，故障产生大量高频信号向两端传播，由于母线对地分布电容作用，高频信号通过母线时显著衰减，母线近故障侧高频分量总是强于远故障侧高频分量，且过渡电阻与故障角对故障产生的高频分量影响很大，根据故障类型选择相应归算公式和参数，将暂态量按过渡电阻与故障角进行归算，利用归算后暂态量构造保护判据。本发明利用上述原理，利用母线两侧归算后的暂态量差值构造同时具有方向元件和数值比较功能的故障特征量，据此即可判断故障发生的区域。该方案最大程度消除了过渡电阻与故障角对单端暂态保护的影响，正/反向、区内/外故障特征差别显著，可靠性灵敏度高，能保护线路全长，保护区域是传统保护区域的两倍，对母线分布电容要求低。

Description

基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护

技术领域

本发明涉及电力输电线路保护技术，尤其涉及到利用按过渡电阻与故障角进行归算后的单端暂态量实现线路区内故障与区外故障的识别，进行输电线路保护的方法。

背景技术

利用输电线路故障单端暂态高频分量构造的单端暂态保护能更大限度地提高保护动作速度、不受电流互感器饱和、工频短路水平等影响，还具有节约通信通道建设费用、可靠性不受通信通道与对端保护是否正常运行的影响，因此单端暂态保护自从提出以来，一直受到国内学者与科研人员广泛关注与不断研究。随着信号处理手段不断改善提高，暂态保护得到了很大发展。近年来，国内外学者提出了一系列基于线路单端暂态量的超高速单端暂态保护，其中最为典型的是基于不同高频段能量比值来实现的单端暂态保护。这些传统暂态保护方法大多都只是将各种信号处理方法应用到暂态保护上来，或提出一些改进措施，比如将小波分析、人工神经网络、数学形态学、改进的小波分析等应用到暂态保护中去。传统的暂态保护方法很少在基本原理上对暂态保护有突破。传统暂态保护一个严重的缺陷是都没有考虑过渡电阻和故障角对暂态保护的影响，因此造成传统暂态保护可靠性不高、保护性能不稳定，这也是传统单端暂态保护没能推广应用的主要原因。此外，有学者研究指出传统单端暂态不能保护线路全长。

因此，针对传统单端暂态保护性能不够可靠、不够稳定的缺点和不足，本发明专利在深入分析暂态过程机理的基础上，突破了传统暂态保护的局限，从基本原理上提出了一种新型的基于按过渡电阻与故障角归算后暂态量的单端暂态保护方法，该保护方法具有高可靠性、自适应故障类型和过渡电阻与故障角的能力、性能稳定和超高速性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，应用于保护电力系统中的各种元器件，尤其适用于输电线路，相比于常规保护大幅提高了保护动作速度，相比于传统单端暂态保护大幅提高了保护可靠性，而且能够保护线路全长、保护区域是传统保护区域的两倍。

基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护的基本原理是，（1）当输电线路发生故障时，产生大量的高频电流/电压信号，暂态高频信号向两侧传播，在通过两端母线时，由于母线上有大量的对地分布电容，很大一部分暂态高频分量被旁路掉，并且频率越高被旁路掉的越多，对于同一频段的暂态高频信号，在母线近故障侧检测到的暂态高频信号总是强于远故障侧检测到的暂态高频信号；（2）过渡电阻与故障角对线路故障产生的高频分量影响很大，将暂态量（暂态量包括高频分量处理量和高频分量）按过渡电阻与故障角进行归算，利用归算后的暂态量构造的单端暂态保护就可以消除过渡电阻与故障角对单端暂态保护的影响；（3）将母线一侧归算后的暂态量（比如：归算后的高频分量能量）减去另一侧归算后的暂态量构造故障特征量，那么依据该故障特征量的正负符号可以判断出故障的方向，结合故障特征量数值可以判断出故障发生是在正向保护区域内、还是反向保护区域内、还是保护区域之外。依据这一原理可构造出具有高可靠性、性能稳定、能保护线路全长、保护区域是传统保护区域两倍的超高速单端暂态保护。

为达到上述目的，本发明的技术方案是一种按过渡电阻与故障角归算的输电线路自适应单端暂态保护方法，将输电线路母线两侧电流（或电压）的暂态高频分量引入保护装置，并做适当处理得到高频分量处理量（比如：高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或其它高频分量处理量）；当高频分量处理量的值大于整定值，即当|P_I _hf |>P _qd （或|P_U _hf |>P _qd ）时，表示有故障发生，启动保护，P_I _hf （P_U _hf ）表示暂态电流（电压）的高频分量的处理量，P _qd 为保护启动值；判别故障类型，计算故障时的过渡电阻与故障角，根据判断出故障类型，选择相应的归算公式和参数，将故障高频分量处理量按过渡电阻与故障角进行归算；然后利用母线两侧归算后的高频分量处理量作差得到高频分量处理量差值（比如：高频分量能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它暂态高频分量处理量差值。）构造故障特征向量，进一步构造保护判据，判断是区内故障、还是区外故障，决定是否发出跳闸命令。本发明基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护可靠性高、能保护线路全长、保护区域是传统保护区域的两倍，并且具有传统暂态保护的超高速性。

本发明提出的基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，可产生如下有益效果：

（1）本发明方法构造的故障特征量能随故障发生时的过渡电阻与故障角自动进行归算，克服了传统暂态保护受过渡电阻与故障角的影响，大幅提高了保护可靠性；

（2）本发明方法在保护区内故障与区外故障、正向故障与反向故障情况下，故障特征量差别显著，不会发生误判，并且使得保护易于整定，保护灵敏度高；

（3）本发明方法一套保护可以保护一条母线的两回出线，保护区域是传统保护区域的两倍，一条母线的n回出线，最多仅需要[n/2+1]套保护即可保护所有出线；

（4）本发明方法在没有额外增加投资费用的前提下，可使所有线路的保护实现双重化，保护可靠性再次得到大幅提高；

（5）本发明方法具有传统单端量暂态保护的优势，并真正做到能保护线路全长；

（6）本发明方法对母线对地分布电容要求小，能很好地适用于一般的超高压输电线路。

附图说明

图1是超高压输电线路利用故障暂态电流高频分量，实现基于过渡电阻与故障角归算的输电线路自适应单端暂态保护的电网系统示意图。

具体实施方式

下面以暂态高频分量处理量中的一种——故障电流的暂态高频分量能量为例，结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1所示为500kV超高压输电线路模型。在该模型中，AB段线路长度为180km，BC段线路长度为342km，CD段线路长度为360km，DE段线路长度为266km，CG段线路长度为270km。S₁=35MVA，S₂=10MVA，S₃=20MVA，S₄=5MVA，S₅=12MVA。线路参数X ₁、R ₁、C ₁、X ₀、R ₀、C ₀分别为X ₁=0.2783Ω/km，R ₁=0.0270Ω/km，X ₀=0.6494Ω/km，R ₀=0.1948Ω/km，C ₁=0.0127μF/km，C ₀=0.0090μF/km。各母线对地电容为6000PF。对图1所示的超高压输电线路，基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，包括如下步骤。

第一步：采集母线C两侧暂态电流I ₁ 、I ₂ ，提取暂态电流I ₁ 和I ₂ 的高频分量I _1hf 和I _2hf （本实例采样频率取200kHz，高频分量I _1hf 和I _2hf 频率为50kHz~100kHz）。

第二步：计算两暂态高频分量I _1hf 和I _2hf 的能量P_I _1hf 和P_I _2hf ，如果P_I _1hf >P _qd1 或P_I _2hf >P _qd2 ，即P _S =((P_I _1hf >P _qd1 )+(P_I _2hf >P _qd2 ))=1时，表示线路发生故障，则启动保护。其中，P _qd1 、P _qd2 为保护启动整定值，可以整定为相同或不同。P_I _1hf 、P_I _2hf 按下式（1）求得：

（1）

其中n取200。

第三步：判断故障的类型：是单相接地故障、还是相间故障、还是三相故障、还是两相接地故障等。

第四步：计算故障时的过渡电阻与故障角。

第五步：根据故障类型依据式(2)~(5)选择相应的归算公式与参数，将P_I _1hf 、P_I _2hf 按过渡电阻和故障角归算为CP_I _1hf 、CP_I _2hf

CP_I _1hf = P_I _1hf （2）

CP_I _2hf = P_I _2hf （3）

其中，为归算系数。单相接地故障时由式(4)定义；相间故障时由式(5)定义

（4）

（5）

其中，R _f 为过渡电阻，为故障角；a、b、c、d、为常数。本实施例中，单相接地故障时，a、b、c、d、分别取值为0.03472、-0.0184、0.8953、-0.004568、-0.0164；相间故障时，a、b、c、d、分别取值为0.0349、-0.01286、1.279、-0.003301、0.51。

第六步：利用归算后的CP_I _1hf 、CP_I _2hf 值，按公式（6）

diffCP_I _1hf -I _2hf =P_I _1hf -P_I _2hf （6）

计算出C母线两侧暂态高频分量处理量的差值（本实施例为高频分量能量差）构造故障特征向量，进一步构造保护判据，就可消除不同过渡电阻与不同故障角对保护可靠性的影响。

第七步：故障判别：

（1）当满足diffCP_I _1hf -I _2hf >+DCP ₁ 时，判断为正向保护区线路BC内故障；本实施例中，单相接地故障时，DCP ₁ 取值为60000；相间故障时，DCP ₁ 取值为60000；

（2）当满足diffCP_I _1hf -I _2hf <-DCP ₂ 时，判断为反向保护区线路CD内故障；本实施例中，单相接地故障时，DCP ₁ 取值为60000；相间故障时，DCP ₁ 取值为60000;

（3）其它情况，判断为保护区内无故障。

第七步中DCP ₁ 、DCP ₂ 为线路C母线处基于过渡电阻与故障角归算的输电线路自适应单端暂态保护的BC侧、CD侧整定值，为正实数，可以整定为相同或不同。

上述实施例为本发明典型实施方式。但本发明的实施方式并不受所述实施例限制，故障特征量的构造，可以如本实施例中所述，取母线两侧基于过渡电阻与故障角归算后的暂态高频分量处理量的差值，也可以是二者比值，还可以是线路一端暂态电流或电压中两个高频分量处理量经归算后的差值或比值。本发明最大的特征与精神实质是，利用按过渡电阻与故障角归算后的暂态量构造保护判据，以最大程度消除过渡电阻与故障角对暂态保护的影响，而实现暂态保护。其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化所获得的技术方案，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，其特征在于：采集输电线路一端暂态电流或电压信号，首先提取出暂态电流或电压信号中的高频分量，计算出高频分量处理量，所述高频分量处理量为能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值，接着对高频分量处理量按过渡电阻和故障角进行归算，然后利用归算后的高频分量处理量构造自适应单端暂态保护；用于自适应单端暂态保护的高频分量为线路一端母线内外两侧对应的暂态高频分量，或者是线路一端暂态信号中的两个高频子带分量；构造自适应单端暂态保护的判据为将两个归算后的高频分量处理量作差值，或者是将两个归算后的高频分量处理量作比值；具体采用下述步骤：

(1)提取输电线路一端两个暂态高频分量TSH₁、TSH₂，TSH₁、TSH₂是线路一端母线两侧的电流I₁、I₂中暂态电流高频分量I_1hf、I_2hf,或线路一端母线两侧的电压U₁、U₂中暂态电压高频分量U_1hf、U_2hf，或者是线路一端电流I₁中的两个高频子带分量I_1hf1、I_1hf2，或是线路一端电压U₁中的两个高频子带分量U_1hf1、U_1hf2；

(2)计算两个暂态高频分量TSH₁、TSH₂高频分量处理量，用P_TSH₁、P_TSH₂表示；所述高频分量处理量为能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值；

(3)判断故障类型：是单相接地故障，还是相间故障，还是三相短路；

(4)计算故障时的过渡电阻与故障角；

(5)根据不同的故障类型，选择相应的归算公式与参数，对两高频分量处理量值P_TSH₁、P_TSH₂按过渡电阻与故障角进行归算，得到归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂；

(6)利用归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂作差值或者作比值，得到故障特征量FF，即FF＝CP_TSH₁-CP_TSH₂，或FF＝CP_TSH₁/CP_TSH₂，利用FF构造出保护判据；

(7)将故障特征量FF的值与整定值比较，判断是保护区内故障还是保护区外故障，从而决定是否跳闸，实现输电线路的保护。

2.根据权利要求1所述的基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，其特征在于：步骤(5)将两高频分量处理量值P_TSH₁、P_TSH₂按过渡电阻与故障角进行归算，得到归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂，归算方法具体如下：

$CP\_{\mathrm{TSH}}_1=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}}\&CenterDot;P\_{\mathrm{TSH}}_1---\left(1\right)$

$CP\_{\mathrm{TSH}}_2=\frac{1}{\mathrm{\&gamma;}}\&CenterDot;P\_{\mathrm{TSH}}_2---\left(2\right)$

其中，γ为归算系数；单相接地故障时γ由式(3)定义；相间故障时γ由式(4)定义

$\mathrm{\&gamma;}=(1+cos(a\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_f+{\mathrm{\&theta;}}_0\left)\right)\&CenterDot;(e^{b\&CenterDot;R_f}+c\&CenterDot;e^{d\&CenterDot;R_f})---\left(3\right)$

$\mathrm{\&gamma;}=(1+sin(a\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_f+{\mathrm{\&theta;}}_0\left)\right)\&CenterDot;(e^{b\&CenterDot;R_f}+c\&CenterDot;e^{d\&CenterDot;R_f})---\left(4\right)$

其中，R_f为过渡电阻，θ_f为故障角，a、b、c、d、θ₀为常数。

3.根据权利要求1所述基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，其特征在于，自动地根据不同的故障类型选择相应归算公式，将高频分量处理量值P_TSH₁、P_TSH₂按过渡电阻与故障角进行归算，得到归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂，利用归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂构造保护判据，最大限度地消除了过渡电阻与故障角对暂态保护的影响，使基于权利要求1所述的自适应单端暂态保护较传统单端暂态保护，其可靠性得到大幅提高，并且保护线路全长。

4.根据权利要求1所述基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，其特征在于，如果步骤(1)中的暂态高频分量TSH₁、TSH₂取线路一端母线两侧的电流I₁、I₂中暂态电流高频分量I_1hf、I_2hf，或取线路一端母线两侧的电压U₁、U₂中暂态电压高频分量U_1hf、U_2hf，并且在步骤(6)中将归算后的高频分量处理量：CP_TSH₁、CP_TSH₂作差值得到故障特征量FF，即FF＝CP_TSH₁-CP_TSH₂，利用FF构造出保护判据，那么，由此而实现的自适应单端暂态保护，一套保护装置保护一条母线上的两回线路，其保护范围是传统保护范围的两倍，一条母线的n回出线，最多仅需要[n/2+1]套保护即保护该母线的所有出线，如果按照传统保护配置方式为每回线路都配备权利要求1所述的自适应单端暂态保护，那么在没有额外增加投资费用的前提下，使所有线路的保护实现双重化，再次大幅提高保护的可靠性。

5.根据权利要求1所述基于过渡电阻与故障角归算输电线路自适应单端暂态保护，在提取输电线路一端暂态高频分量后，判断故障类型、计算故障时的过渡电阻与故障角，根据不同的故障类型选择相应的归算公式与参数，先将暂态高频分量按故障过渡电阻与故障角进行归算，即将暂态电流高频分量I_1hf、I_2hf或暂态电压高频分量U_1hf、U_2hf按故障过渡电阻与故障角进行归算，得到归算后的高频分量CI_1hf、CI_2hf或CU_1hf、CU_2hf，即 或 再利用归算后的高频分量CI_1hf、CI_2hf或CU_1hf、CU_2hf计算出归算后暂态高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值，进而构造单端暂态保护；即以下述步骤(2)’～(5)’代替权利要求1中步骤(2)～(5)；

(2)’判断故障类型：是单相接地故障，还是相间故障，还是三相短路；

(3)’计算故障时的过渡电阻与故障角；

(4)’根据不同的故障类型，选择相应的归算公式与参数，将暂态电流高频分量I_1hf、I_2hf或暂态电压高频分量U_1hf、U_2hf按故障过渡电阻与故障角进行归算，得到归算后高频分量CI_1hf、CI_2hf或CU_1hf、CU_2hf，即 或

(5)’计算归算后高频分量CI_1hf、CI_2hf或CU_1hf、CU_2hf的处理量CP_TSH₁、CP_TSH₂，归算后的高频分量处理量CP_TSH₁、CP_TSH₂为CI_1hf、CI_2hf或CU_1hf、CU_2hf的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值。