CN103278744B - 一种基于t型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，属于交流输电线路继电保护技术领域。检测并记录同塔双回输电线路首端和末端电压、电流，并进行相模变换，得到同向量 模分量；由首端同向量模电压、电流和末端同向量模电压、电流分别模拟出线路中点的同向量模电流和；将+在短时窗内的积分值

Description

一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法

技术领域

本发明涉及一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

线路纵联电流差动保护作为特高压交流输电线路主保护之一，利用通道将本侧电流的波形和代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内故障还是区外故障。这种保护既比较线路两侧电流的大小又比较电流的相位，要求进行相量比较，而传输两端的电流相量时，对传输设备的传输容量和传输速率都有较高的要求，而且，因为必须对两端同一时刻的相量进行比较，故要求两端数据必须严格同步。特别地，当这种保护用于长距离特高压输电线路时，还会受到线路分布电容电流的影响，难以正常动作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为克服传统线路纵联电流差动保护的缺点，更好地实现同塔双回输电线路区内保护，提出了一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，通过对基于集中参数T型等效的同塔双回输电线路同向量α模网络进行分析，实现对同塔双回输电线路区内外故障的快速、可靠判别。

本发明的技术方案是：一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，检测并记录同塔双回输电线路首端(M端)和末端(N端)电压、电流，并进行相模变换，得到同向量α模分量；由首端同向量α模电压u_M、电流i_M和末端同向量α模电压u_N、电流i_N分别模拟出线路中点的同向量α模电流和将在短时窗内的积分值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别。

其具体步骤如下：

(1)将同塔双回输电线路首端和末端电压、电流利用相模变换矩阵转换为相互独立的模量，建立基于集中参数T型等效的同塔双回输电线路同向量α模网络；

(2)利用首端和末端同向量α模电压、电流分别模拟出同塔双回输电线路中点T的同向量α模电流

$i_{\mathrm{MT}}^{~}=i_M-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_M/{\mathrm{dt}}^2---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{NT}}^{~}=i_N-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_N/{\mathrm{dt}}^2---\left(2\right)$

式中，分别为利用首端和末端同向量α模电压、电流模拟的线路中点T的同向量α模电流，l为同塔双回输电线线路长度，C_s为同塔双回输电线路α模网络等效电容，R_s为同塔双回输电线路α模网络等效电阻，L_s为同塔双回输电线路α模网络等效电感；

(3)将在短时窗内的积分值作为判据特征量；

(4)通过仿真实验，设置阀值ε，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：

若δ≤ε，则判断为被保护线路无故障；

若δ＞ε，则判断为被保护线路区内故障。

本发明所使用的相模变换矩阵如下所示：

$M^{-1}=\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 0& 1& -1& 0\\ 1& 0& -1& 1& 0& -1\\ 1& 1& 1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 0& -1& 1& 0\\ 1& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right]$

则，相电流和模电流之间的关系为

i_m＝M^-1i    (3)

式中，i＝(i_IA,i_IB,i_IC,i_IIA,i_IIB,i_IIC)；i_m＝(i_F0,i_Fα,i_Fβ,i_T0,i_Tα,i_Tβ)；

相电压和模电压之间的关系为

u_m＝M^-1u    (4)

式中，u＝(u_IA,u_IB,u_IC,u_IIA,u_IIB,u_IIC)；u_m＝(u_F0,u_Fα,u_Fβ,u_T0,u_Tα,u_Tβ)；

式中，下标T代表同向量，F代表环流量，A、B、C为相量，I代表回线I，II代表回线II。

测量首端首端和末端电压电流时，数据采样时间长度为3ms，采样频率为20kHz。

本发明的原理是：

1、同塔双回输电线路区内无故障的短窗描述

如图1所示的同塔双回输电线路系统，被保护线路为MN段，其基于集中参数T型线路等效的同向量α模网络如图2所示(R_s为线路正序单位长度电阻值，L_s为正序单位长度电感值，C_s为正序单位长度电容值，i_M、u_M为M端同向量α模电流和电压，i_N、u_N为N端同向量α模电流和电压)，假设线路MN段无故障，此时线路MT段与线路NT段(T为被保护线路中点)线路参数完全一致，可由M端同向量α模模电压u_M、电流i_M和N端同向量α模电压u_N、电流i_N分别模拟出线路中点同向量α模电流和(如图3所示)，根据电路理论可知：

u_j1＝u_M-0.5lR_sVi_M-0.5lL_sdi_M/dt    (1)

$i_{\mathrm{MT}}^{~}={\mathrm{Vi}}_M-{\mathrm{lC}}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}---\left(2\right)$

将(1)代入(2)中，可得：

$i_{\mathrm{MT}}^{~}=i_M-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_M/{\mathrm{dt}}^2---\left(3\right)$

同理，可得：

$i_{\mathrm{NT}}^{~}=i_N-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_N/{\mathrm{dt}}^2---\left(4\right)$

式中，分别为利用M端和N端的电压电流模拟线路中点T同向量α模电流。l为同塔双回输电线线路长度，C_s为同塔双回输电线路α模网络等效电容，R_s为同塔双回输电线路α模网络等效电阻，L_s为同塔双回输电线路α模网络等效电感；

根据基尔霍夫电流定律知：

2、同塔双回输电线路区内故障的短窗描述

如图1所示的同塔双回输电线路系统，被保护线路为MN段，其基于集中参数T型等效的同向量α模网络如图2所示，假设线路MN段发生故障，假设TN段发生故障，此时TN段线路参数发生改变，依然按照图2所示的线路固有参数推导得到的是虚假电流，不再是线路中点T处的真实电流，此时同理，TM段发生故障，此时TM段线路参数发生改变，依然按照图2所示的线路固有参数推导得到的是虚假电流，不再是线路中点T处的真实电流，此时

3、基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护判据

由1和2的分析可知：同塔双回输电线路区内无故障时，成立；同塔双回输电线路发生区内故障时，不成立。藉此，将在短时窗内的积分值作为判据特征量；通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：

(1)若δ≤ε，则判断为被保护线路无故障；

(2)若δ＞ε，则判断为被保护线路区内故障。

本发明的有益效果是：

(1)采用测后模拟思想的区内外故障判别的时域方法，综合利用了每一频率分量的相位关系和幅值信息，克服了单一信息检测故障的缺陷。

(2)本发明采用时域算法，由两端电流电压模拟线路中点处的电流，可以消除线路分布电容的影响。

(3)本发明仅利用故障后3ms的数据，不需要进行相量比较，对通讯通道要求低，其动作可靠性和灵敏性明显优于现有的差动保护。

附图说明

图1为本发明同塔双回输电线路(线路MN段位被保护线路)的结构示意图；

图2为本发明基于集中参数T型线路等效的同塔双回输电线路同向量α模网络示意图；

图3为本发明实施例1中，线路PM段距M端100km处发生AG故障，由M端同向量α模电流和电压模拟的线路中点电流和由N端向量α模电流和电压模拟的线路中点向量α模电流的波形图；

图4为本发明实施例2中，线路MN段距M端50km处发生AG故障，由M端同向量α模电流和电压模拟的线路中点电流和由N端向量α模电流和电压模拟的线路中点向量α模电流的波形图；

图5为本发明实施例3中，线路NQ段距N端100km处发生AG故障，由M端同向量α模电流和电压模拟的线路中点电流和由N端向量α模电流和电压模拟的线路中点向量α模电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，检测并记录同塔双回输电线路首端和末端电压、电流，并进行相模变换，得到同向量α模分量；由首端同向量α模电压u_M、电流i_M和末端同向量α模电压u_N、电流i_N分别模拟出线路中点的同向量α模电流和将在短时窗内的积分值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别。

其具体步骤如下：

(1)将同塔双回输电线路首端和末端电压、电流利用相模变换矩阵转换为相互独立的模量，建立基于集中参数T型等效的同塔双回输电线路同向量α模网络；

(2)利用首端和末端同向量α模电压、电流分别模拟出同塔双回输电线路中点T的同向量α模电流

$i_{\mathrm{MT}}^{~}=i_M-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_M/{\mathrm{dt}}^2---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{NT}}^{~}=i_N-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_N/{\mathrm{dt}}^2---\left(2\right)$

式中，分别为利用首端和末端同向量α模电压、电流模拟的线路中点T的同向量α模电流；l为同塔双回输电线线路长度，C_s为同塔双回输电线路α模网络等效电容，R_s为同塔双回输电线路α模网络等效电阻，L_s为同塔双回输电线路α模网络等效电感；

(3)将在短时窗内的积分值作为判据特征量；

(4)通过仿真实验，设置阀值ε，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：

若δ≤ε，则判断为被保护线路无故障；

若δ＞ε，则判断为被保护线路区内故障。

本发明所使用的相模变换矩阵如下所示：

$M^{-1}=\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 0& 1& -1& 0\\ 1& 0& -1& 1& 0& -1\\ 1& 1& 1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 0& -1& 1& 0\\ 1& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right]$

则，相电流和模电流之间的关系为

i_m＝M^-1i    (3)

式中，i＝(i_IA,i_IB,i_IC,i_IIA,i_IIB,i_IIC)；i_m＝(i_F0,i_Fα,i_Fβ,i_T0,i_Tα,i_Tβ)；

相电压和模电压之间的关系为

u_m＝M^-1u    (4)

式中，u＝(u_IA,u_IB,u_IC,u_IIA,u_IIB,u_IIC)；u_m＝(u_F0,u_Fα,u_Fβ,u_T0,u_Tα,u_Tβ)；

式中，下标T代表同向量，F代表环流量，A、B、C为相量，I代表回线I，II代表回线II。

测量首端首端和末端电压电流时，数据采样时间长度为3ms，采样频率为20kHz。

实施方式一：仿真系统接线图如图1所示，电压等级为500kV，采样频率为20kHz,采样时窗长度为3ms。假设在线路PM段距M端100km处发生AG故障，过渡电阻为10Ω，故障初始相角为90°。该基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法的步骤是：

(1)将同塔双回输电线路首端和末端电压、电流利用相模变换矩阵转换为相互独立的模量，建立基于集中参数T型等效的同塔双回输电线路同向量α模网络，本发明所使用的相模变换矩阵如下所示：

$M^{-1}=\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 0& 1& -1& 0\\ 1& 0& -1& 1& 0& -1\\ 1& 1& 1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 0& -1& 1& 0\\ 1& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right]$

则，相电流和模电流之间的关系为

i_m＝M^-1i    (1)

式中，i＝(i_IA,i_IB,i_IC,i_IIA,i_IIB,i_IIC)；i_m＝(i_F0,i_Fα,i_Fβ,i_T0,i_Tα,i_Tβ)。

相电压和模电压之间的关系为

u_m＝M^-1u    (2)

式中，u＝(u_IA,u_IB,u_IC,u_IIA,u_IIB,u_IIC)；u_m＝(u_F0,u_Fα,u_Fβ,u_T0,u_Tα,u_Tβ)。

式中，下标T代表同向量，F代表环流量，A、B、C为相量，I代表回线I，II代表回线II；

(2)利用M端和N端同向量α模电压电流分别模拟出同塔双回输电线路中点T的向量α模电流：

$i_{\mathrm{MT}}^{~}=i_M-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_M/{\mathrm{dt}}^2---\left(3\right)$

$i_{\mathrm{NT}}^{~}=i_N-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_N/{\mathrm{dt}}^2---\left(4\right)$

式中，分别为利用M端和N端同向量α模电压电流模拟的线路中点T的向量α模电流；l为同塔双回输电线线路长度，C_s为同塔双回输电线路α模网络等效电容，R_s为同塔双回输电线路α模网络等效电阻，L_s为同塔双回输电线路α模网络等效电感；

(3)求取在短时窗内的积分值

(4)通过仿真实验，设置阀值ε为0.2，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：计算得δ＝0.0941，满足δ≤ε，判断为被保护线路区内无故障。

实施方式二：仿真系统结构与参数同实施例1，假设在线路MN段距M端50km处发生AG故障，过渡电阻为10Ω，故障初始相角为90°。

重复实施例1判断故障区段的步骤，通过仿真实验，设置阀值ε为0.2，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：计算得δ＝0.7202，满足δ＞ε，判断为被保护线路故障。

实施方式三：仿真系统结构与参数同实施例1，假设在线路NQ段距N端100km处发生AG故障，过渡电阻为10Ω，故障初始相角为90°。

重复实施例1判断故障区段的步骤，通过仿真实验，设置阀值ε为0.2，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行识别：计算得δ＝0.0556，满足δ≤ε，判断为被保护线路无故障。

如图1所示的同塔双回输电系统，采用本发明的方法对不同的故障距离和不同的接地电阻进行了仿真验证，结果如下表所示。结果表明，同塔双回输电线路发生区内故障时均满足δ＞ε，区内无故障时均满足δ≤ε。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，其特征在于：检测并记录同塔双回输电线路首端和末端电压、电流，并进行相模变换，得到同向量α模分量；由首端同向量α模电压u_M、电流i_M和末端同向量α模电压u_N、电流i_N分别模拟出线路中点的同向量α模电流和将在短时窗内的积分值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别；

具体步骤如下：

(1)将同塔双回输电线路首端和末端电压、电流利用相模变换矩阵转换为相互独立的模量，建立基于集中参数T型等效的同塔双回输电线路同向量α模网络；

(2)利用首端和末端同向量α模电压、电流分别模拟出同塔双回输电线路中点T的同向量α模电流

$\widetilde{i_{\mathrm{MT}}}=i_M-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_{s5}{C}_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_M/{\mathrm{dt}}^2---\left(1\right)$

$\widetilde{i_{\mathrm{NT}}}=i_N-(l/2)C_s{\mathrm{du}}_M/\mathrm{dt}+0.5(l/2)R_s{C}_s{\mathrm{du}}_N/\mathrm{dt}+0.5(l/2)L_s{C}_s{d}^2{i}_N/{\mathrm{dt}}^2---\left(2\right)$

式中，分别为利用首端和末端同向量α模电压、电流模拟的线路中点T的同向量α模电流，l为同塔双回输电线线路长度，C_s为同塔双回输电线路α模网络等效电容，R_s为同塔双回输电线路α模网络等效电阻，L_s为同塔双回输电线路α模网络等效电感；

(3)将在短时窗内的积分值作为判据特征量；

(4)通过仿真实验，设置阀值ε，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对同塔双回输电线路区内外故障进行判别：

若δ≤ε，则判断为被保护线路无故障；

若δ＞ε，则判断为被保护线路区内故障。

2.根据权利要求1所述的基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，其特征在于：所述相模变换矩阵如下所示：

$M^{-1}=\frac{1}{6}\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 0& 1& -1& 0\\ 1& 0& -1& 1& 0& -1\\ 1& 1& 1& -1& -1& -1\\ 1& -1& 0& -1& 1& 0\\ 1& 0& -1& -1& 0& 1\end{array}\right]$

则，相电流和模电流之间的关系为

i_m＝M^-1i        (3)

式中，i＝(i_IA,i_IB,i_IC,i_IIA,i_IIB,i_IIC)；i_m＝(i_F0,i_Fα,i_Fβ,i_T0,i_Tα,i_Tβ)；

相电压和模电压之间的关系为

u_m＝M^-1u         (4)

式中，u＝(u_IA,u_IB,u_IC,u_IIA,u_IIB,u_IIC)；u_m＝(u_F0,u_Fα,u_Fβ,u_T0,u_Tα,u_Tβ)；

式中，下标T代表同向量，F代表环流量，A、B、C为相量，I代表回线I，II代表回线II。

3.根据权利要求1所述的基于T型线路等效及测后模拟思想的同塔双回输电线路纵联保护的方法，其特征在于：测量首端和末端电压电流时，数据采样时间长度为3ms，采样频率为20kHz。