CN103199509B - 基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法。包括：测量输电线路一侧<i>m</i>变电站保护安装处参考相的正序基频电压、正序基频电流和另一侧<i>n</i>变电站保护安装处参考相的正序基频电压、正序基频电流。利用长线方程，由<i>m/n</i>变电站保护安装处参考相的正序基频电压、正序基频电流推算<i>n</i>变电站保护安装处参考相的正序基频电压和正序基频电流，计算领先的相角以及领先的相角。若满足且，则判断<i>m</i>变电站和<i>n</i>变电站之间输电线路发生故障。本发明方法的动作性能不受过渡电阻、故障位置、故障类型和负荷电流等因素影响，能可靠检测被保护线路内部是否发生故障，具有很强的工程实用价值。

Description

基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是涉及一种基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法。

背景技术

继电保护作为保障电网安全稳定运行的第一道防线，其准确快速动作对隔离故障和防止事故蔓延至关重要。传统后备保护基于本地电气量构成，需通过离线预设定值进行配合，以保证保护动作的选择性。该模式存在的突出问题是保护整定复杂、动作延时长，已难以满足现代复杂电网的安全稳定要求。在大范围潮流转移情况下，远后备保护容易连锁误动，进而加速电网崩溃。

近年来，随着广域测量技术的发展及其在中国电网的推广应用，中国电网所有500kV及以上电压等级变电站和60MW发电厂都安装了同步相量测量单元(phasemeasurementunit，PMU)，一些重要的330kV、220kV枢纽变电站也安装了PMU，因此，基于广域信息电网保护的研究受到了广泛关注。其中，基于广域信息的输电线路故障识别是基于广域信息电网保护的核心组成部分。汪华、张哲和尹项根等人发表的《基于故障电压分布的广域后备保护算法》采用集总参数建模，利用线路一侧电压、电流故障分量的测量值估算另一侧的电压故障分量，以估算值与测量值的比值构成保护判据。该方法因采用集总参数建模，原理上受线路分布电容的影响；该方法因与系统阻抗参数有关，原理上受系统运行方式的影响。从目前中国电网安装PMU情况来看，有装设PMU的变电站之间的输电线路电压等级高，输电线路电压、电流传输过程具有明显的波过程，分布电容对线路故障识别的影响不能忽略。现代电网运行情况复杂，系统运行方式对线路故障识别的影响也不容忽视。因此，基于广域信息平台，研究一种能可靠准确识别线路故障的继电保护方法具有很强的工程实践意义。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提出一种用于可靠检测被保护输电线路内部是否发生故障的基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法，其要点在于，包括如下步骤：

（1）提供一种保护装置，其测量m变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流测量n变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流其中，φ=A相或B相或C相；

（2）保护装置利用其测量到的输电线路双端电气量计算和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mn\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{m\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{m\&phi;}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mn\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{m\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{m\&phi;}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)/Z_{c1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nm\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{n\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{n\&phi;}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nm\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{n\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{n\&phi;}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)/Z_{c1}$

其中，分别为m变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流；分别为n变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流；γ₁为输电线路正序传播系数；Z_c1为输电线路正序波阻抗；l_mn为连接m变电站和n变电站的输电线路长度；φ=A相或B相或C相；cosh(.)为双曲余弦函数；sinh(.)为双曲正弦函数。

（3）保护装置计算领先的相角θ_mn和领先的相角θ_nm；

（4）保护装置判断θ_mn<0°且θ_nm>0°是否成立，若成立，则判断m变电站和n变电站之间输电线路发生故障。

本发明的特点及技术成果：

本发明方法物理模型采用分布参数模型，不受分布电容的影响，适用于任何电压等级特别是超高压、特高压输电线路故障继电保护；本发明方法原理上消除了过渡电阻和负荷电流的影响，具有很强的耐受过渡电阻和抗负荷电流影响的能力。本发明方法不需要系统阻抗参数，不受系统运行方式的影响。本发明方法能可靠检测输电线路内部是否发生故障。

附图说明

图1为应用本发明的超高压线路输电系统示意图。

图2为m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，输电线路距m变电站180km处发生C相金属性接地短路后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。

图3为m、n两侧等效电源相角差δ=50°时，输电线路距m变电站270km处发生AB相间短路再金属性接地故障后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。

图4为m、n两侧等效电源相角差δ=50°时，输电线路距m变电站100km处发生BC相间短路后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照附图1，超高压线路输电系统为典型的双端供电系统，两侧母线分别为m供电电源和n供电电源，输电线路长度为l_mn=300km。线路m、n两侧等效电源相角差为δ，线路m、n两侧电源幅值分别为1.05倍的标么值和1倍的标么值。线路参数采用中国京津唐500kV输电线路参数：

线路正序参数：R₁=0.02083Ω/km，L₁=0.8948mH/km，C₁=0.0129μF/km，G₁=0s/km

线路零序参数：R₀=0.1148Ω/km，L₀=2.2886mH/km，C₀=0.00523μF/km，G₀=0s/km

m系统正序系统等值阻抗：Z_m1=4.2643+j85.1453Ω

m系统零序系统等值阻抗：Z_m0=0.6+j29.0911Ω

n系统正序系统等值阻抗：Z_n1=7.9956+j159.6474Ω

n系统零序系统等值阻抗：Z_n0=2.0+j37.4697Ω

本实施例中m侧变电站和n侧变电站的正序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(phasemeasurementunit，PMU)测量得到，测量数据经数据传输通道传送给输电线路保护装置，由保护装置采用本发明方法对被保护线路是否发生故障进行检测。

本实施例中选取A相为参考相，以输电线路距m变电站180km处发生C相金属性接地短路后第150个采样点数据的计算过程为例说明本发明方法实施例的具体步骤如下：

1）测量线路在m变电站保护安装处的A相正序基频电压和A相正序基频电流测量线路在n变电站保护安装处的A相正序基频电压和A相正序基频电流作为输入量：

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mA}1}=64.621-j236.9\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mA}1}=-0.55991-j0.54807\mathrm{kA};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nA}1}=33.118-j219.35\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nA}1}=-0.45373+j0.15515\mathrm{kA};$

2）计算输电线路参数：

正序波阻抗： $Z_{c1}=\sqrt{\frac{R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1}{G_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1}}=263.55-j9.7511\mathrm{\&Omega;}$

正序传播系数： ${\mathrm{\&gamma;}}_1=\sqrt{(R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)(G_1+\mathrm{j\&omega;}{C}_1)}=0.00003951+j0.001068$

其中，ω为电力系统角频率。

3）计算和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mnA}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mA}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mA}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)=20.162-j174.89\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mnA}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mA}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mA}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)/Z_{c1}=-0.81243-j0.59989\mathrm{kA};$

4）计算和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nmA}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nA}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nA}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)=47.855-j171.4\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nmA}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nA}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nA}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{\mathrm{mn}}\right)/Z_{c1}=-0.69335+j0.10565\mathrm{kA};$

5)计算和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mnA}1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nA}1}=-12.956+j44.46\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mnA}1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nA}1}=-1.26616-j0.44474\mathrm{kA};$

6）计算领先的角度θ_mn：

7)计算和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{mA}1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{nmA}1}=16.766-j65.5\mathrm{kV};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{mA}1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{nmA}1}=-1.25326-j0.44242\mathrm{kA};$

8）计算领先的角度θ_nm：

满足θ_mn<0°且θ_nm>0°，因此，本发明方法可靠检测到被保护线路内部发生故障。

图2给出了m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距m变电站180km处C相金属性接地短路后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。图3为m、n两侧等效电源相角差δ=50°时，即在输电线路重负荷情况下，距m变电站270km处发生AB相短路再金属性接地故障后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。图4为m、n两侧等效电源相角差δ=50°时，即在输电线路重负荷情况下，距m变电站100km处发生BC相短路后150个采样点内θ_mn和θ_nm的变化曲线。由图2、图3和图4可知，被保护线路内部发生不同类型故障时，本发明方法能可靠检测到被保护线路内部发生了故障。

表1给出了m、n两侧等效电源相角差δ=20°时，距m变电站不同位置发生不同类型故障时本发明方法检测被保护线路的故障发生情况。

表1距m变电站不同位置发生不同类型故障时本发明方法检测被保护线路的故障发生情况（m、n两侧等效电源相角差δ=20°）

由表1可知，距m变电站不同位置发生不同类型故障后，保护判据θ_mn<0°且θ_nm>0°都满足，因此，本发明方法准确可靠地检测到被保护线路内部发生了故障。

表2给出了m、n两侧等效电源相角差δ=50°时，距m变电站不同位置发生A相经不同过渡电阻接地短路时，本发明方法检测被保护线路的故障发生情况。

表2距m变电站不同位置发生A相经不同过渡电阻接地短路时本发明方法检测被保护线路的故障发生情况（m、n两侧等效电源相角差δ=50°）

由表2可知，距m变电站不同位置发生A相经不同过渡电阻接地短路后，保护判据θ_mn<0°且θ_nm>0°都满足，因此，本发明方法准确可靠地检测到被保护线路内部发生了故障。

由上述可知，本发明方法的动作性能不受过渡电阻、故障位置、故障类型和负荷电流等因素影响，能可靠检测被保护线路内部是否发生故障，具有很强的工程实用价值。

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。

Claims (1)

1.基于双端正序基频分量的输电线路故障继电保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)提供一种保护装置，其测量并计算处理获得m变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流测量并计算处理获得n变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流其中，φ＝A相或B相或C相；

(2)保护装置利用其测量并计算处理获得的输电线路双端电气量计算 和

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{mn\mathrm{\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{m\mathrm{\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m\mathrm{\&phi;}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{mn\mathrm{\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m\mathrm{\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{m\mathrm{\&phi;}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)/Z_{c1}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{nm\mathrm{\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{n\mathrm{\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{n\mathrm{\&phi;}1}{Z}_{c1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{nm\mathrm{\&phi;}1}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{n\mathrm{\&phi;}1}\cosh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{n\mathrm{\&phi;}1}\sinh \left({\mathrm{\&gamma;}}_1{l}_{mn}\right)/Z_{c1}$

其中，分别为m变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流；分别为n变电站保护安装处的φ相输电线路的正序基频电压和正序基频电流；γ₁为输电线路正序传播系数；Z_c1为输电线路正序波阻抗；l_mn为连接m变电站和n变电站的输电线路长度；φ＝A相或B相或C相；cosh(.)为双曲余弦函数；sinh(.)为双曲正弦函数；

(3)保护装置计算领先的相角θ_mn和领先的相角θ_nm；

(4)保护装置判断θ_mn<0°且θ_nm>0°是否成立，若成立，则判断m变电站和n变电站之间输电线路发生故障。