CN103296650A - 基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法。本发明方法利用分布参数模型，由特高压输电线路一端正、负、零序电压突变量、电流突变量计算特高压输电线路另一端的正、负、零序电流突变量，再利用对称分量法计算特高压输电线路另一端的三相电流突变量，进而计算突变量差动系数矩阵，利用突变量差动系数矩阵各元素间的大小关系构成保护判据，判别特高压输电线路故障相。本发明方法物理模型采用分布参数模型，不受分布电容电流的影响，适用于任何电压等级，特别是特高压输电线路。

Description

基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法

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突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法。

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。

由于受负荷电流的影响，高阻接地短路故障时，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无法正确跳开故障相，而是由零序电流差动保护作为其后备保护动作跳开三相线路。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线路这一动作策略会增强故障对电网稳定性的冲击。因此，发生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，提供一种基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法。本发明方法物理模型采用分布参数模型，不受分布电容电流的影响，适用于任何电压等级，特别是特高压输电线路。本发明方法适用于特高压输电线路故障后两周波时间内的继电保护，动作性能不受过渡电阻和负荷电流的影响，尤其当特高压输电线路发生单相高阻接地故障时，本发明方法能正确可靠识别故障相，实现单相故障跳单相故障线路的继电保护功能。

为完成上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法，其特征在于，包括如下依序步骤：

（1）测量特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、

，A相正、负、零序电流突变量

、

、

；测量特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量、

、

；

（2）利用特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、

和A相正、负、零序电流突变量

、

、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A相正、负、零序电流突变量

、

、

：

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

其中，γ₁为特高压输电线路正序传播常数；γ₀为特高压输电线路零序传播常数；Z_c1为特高压输电线路正序波阻抗；Z_c0为特高压输电线路零序波阻抗；l_mn为m变电站和n变电站之间的特高压输电线路长度；cosh(.)为双曲余弦函数；sinh(.)为双曲正弦函数；

（3）利用、、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量

、、

：

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

其中，a=-0.5+j0.866。

（4）计算 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnA}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nA}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnB}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nB}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnC}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nC}}|$ ，计算突变量差动系数矩阵 $\mathrm{\ΔS}=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$ ；

（5）选取突变量差动系数矩阵ΔS中的最大元素，根据ΔS_ij选取突变量差动系数矩阵ΔS中的元素和

，设定阀值α，利用如下保护判据判断故障相：

(i)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_ik＞α，则判断i相为故障相；

(ii)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_kj＞α，则ik相为故障相；

(iii)若满足α＞ΔS_ij＞1，则为ABC三相短路故障；其中，ijk=ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

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，不受分布电容电流的影响，适用于任何电压等级，特别是特高压输电线路。本发明方法适用于特高压输电线路故障后两周波时间内的继电保护，动作性能不受过渡电阻和负荷电流的影响，尤其当特高压输电线路发生单相高阻接地故障时，本发明方法能正确可靠识别故障相，实现单相故障跳单相故障线路的继电保护功能。

附图说明

图1为应用本发明方法的特高压输电线路故障示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细表述。

图1为应用本发明方法的特高压输电线路故障示意图。特高压输电线路在m侧变电站和n侧变电站保护安装处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(phase measurement unit，PMU)测量得到。同步相量测量单元测量特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、

，A相正、负、零序电流突变量

、

、

；同步相量测量单元测量特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量

、

、；测量数据经光纤数据通道传送给特高压输电线路保护装置，特高压输电线路保护装置通过应用本发明方法完成继电保护功能：

特高压输电线路保护装置利用特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、

和A相正、负、零序电流突变量

、

、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A相正、负、零序电流突变量、、

：

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

其中，γ₁为特高压输电线路正序传播常数；γ₀为特高压输电线路零序传播常数；Z_c1为特高压输电线路正序波阻抗；Z_c0为特高压输电线路零序波阻抗；l_mn为m变电站和n变电站之间的特高压输电线路长度；cosh(.)为双曲余弦函数；sinh(.)为双曲正弦函数。

特高压输电线路保护装置利用

、

、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量

、

、

：

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

其中，a=-0.5+j0.866。

特高压输电线路保护装置计算 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnA}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nA}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnB}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nB}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnC}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nC}}|$ ，计算突变量差动系数矩阵 $\mathrm{\ΔS}=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$ ；

特高压输电线路保护装置选取突变量差动系数矩阵ΔS中的最大元素

，根据取突变量差动系数矩阵ΔS中的元素

和

，设定阀值α，特高压输电线路保护装置利用如下保护判据判断故障相：

(i)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_ik＞α，则判断i相为故障相；

(ii)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_kj＞α，则ik相为故障相；

(iii)若满足α＞ΔS_ij＞1，则为ABC三相短路故障；其中，ijk=ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA相。

本发明方法物理模型采用分布参数模型，不受分布电容电流的影响，适用于任何电压等级，特别是超高压/特高压输电线路。本发明方法适用于特高压输电线路故障后两周波时间内的继电保护，动作性能不受过渡电阻和负荷电流的影响，尤其当特高压输电线路发生单相高阻接地故障时，本发明方法能正确可靠识别故障相，实现单相故障跳单相故障线路的继电保护功能。

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.基于突变量差动系数矩阵特高压输电线路继电保护方法，其特征在于，包括以下依序步骤：

（1）测量特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、

，A相正、负、零序电流突变量

、

、；测量特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量、

、

；

（2）利用特高压输电线路在m变电站保护安装处的A相正、负、零序电压突变量

、

、和A相正、负、零序电流突变量

、

、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A相正、负、零序电流突变量

、

、

：

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

其中，γ₁为特高压输电线路正序传播常数；γ₀为特高压输电线路零序传播常数；Z_c1为特高压输电线路正序波阻抗；Z_c0为特高压输电线路零序波阻抗；l_mn为m变电站和n变电站之间的特高压输电线路长度；cosh(.)为双曲余弦函数；sinh(.)为双曲正弦函数；

（3）利用

、

、

计算特高压输电线路在n变电站保护安装处的A、B、C相电流突变量

、

、

：

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

其中，a=-0.5+j0.866；

（4）计算 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnA}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nA}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnB}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nB}}|$ 、 $\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}=|\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{mnC}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{nC}}|$ ，计算突变量差动系数矩阵 $\mathrm{\ΔS}=\left[\begin{array}{ccc}1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& 1& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}\\ \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dA}}}& \frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dC}}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{dB}}}& 1\end{array}\right]$ ；

（5）选取突变量差动系数矩阵ΔS中的最大元素

，则根据ΔS_ij选取突变量差动系数矩阵ΔS中的元素

和

，设定阀值α，利用如下保护判据判断故障相：

(i)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_ik＞α，则判断i相为故障相；

(ii)若满足ΔS_ij＞α且ΔS_kj＞α，则ik相为故障相；

(iii)若满足α＞ΔS_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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