CN103715669A - 分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统继电保护技术领域中的一种分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法。系统包括保护域划分子系统和自适应后备保护子系统，保护域划分子系统包括顺序相连的保护分区模块和信息采集模块，自适应后备保护子系统包括顺序相连的故障选相模块、保护动作因子生成模块和保护动作判据模块；方法包括划分智能电子设备IED的保护范围，智能电子设备IED采集相应位置上的保护安装处的电压和电流信息，根据采集信息识别故障相，生成自适应后备保护动作因子，判定后备保护是否动作。本发明实现了后备保护的自适应功能，使自适应后备保护范围得到有效延长，减小了远后备保护误动的几率，且与距离主保护配合能满足继电保护的选择性。

Description

分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法。

背景技术

传统的距离后备保护为确保继电保护能够适应电力系统运行方式的变化，在整定过程中不得不取每套保护对应分支系数的最小值，但由于电网结构的复杂性和运行方式的多变性，采用一套保护定值很难同时满足系统对保护动作的选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求。鉴于此，一些专家学者提出了自适应保护的概念，即能够根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护，包括自适应距离保护、自适应突变量距离保护以及自适应差动保护等。

对于距离后备保护，完善分支系数K_b计算方法是提高距离保护II段的保护性能的有效途径之一，但仅通过传递相邻线路电流值来实时计算分支系数K_b，可能因系统网络结构的原因，无法实现距离保护II段的自适应整定。

在图1所示的简单输电网络中，母线J、P、Q所连接的发电机表示等效输电系统，其等效阻抗分别为Z_SJ、Z_SP、Z_SQ；线路JM、MN、NQ、PM的阻抗分别为Z_jm、Z_mn、Z_nq、Z_pm。根据传统距离保护的II段整定方法，IED1处保护的II段整定阻抗值

为：

$Z_{\mathrm{set}.1}^{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}(Z_{\mathrm{jm}}+K_b{Z}_{\mathrm{set}.3}^I)=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}(Z_{\mathrm{jm}}+K_b{K}_{\mathrm{rel}}^I{Z}_{\mathrm{mn}})---\left(1\right)$

公式（1）中，

表示IED3处保护的I段整定阻抗值，

分别表示保护I段、II段的可靠系数，K_b表示分支系数，其表达式为：

$K_b=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mn}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{jm}}}---\left(2\right)$

公式（2）中，

表示故障线路MN流过的短路电流；

表示前一级保护所在线路JM上流过的短路电流。

定义距离保护II段的保护范围P_r为：

$P_r=\frac{Z_{\mathrm{set}.1}^{\mathrm{II}}-Z_{\mathrm{jm}}}{K_b{Z}_{\mathrm{mn}}}=K_{\mathrm{rel}}^I{K}_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}-(1-K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}})\frac{Z_{\mathrm{jm}}}{K_b{Z}_{\mathrm{mn}}}---\left(3\right)$

公式（3）中，保护范围P_r表示IED1处距离保护II段延伸至下级线路MN上的距离。同时，由式（3）可推得

满足关系式：

$K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}=\frac{K_b{P}_r+\frac{Z_{\mathrm{jm}}}{Z_{\mathrm{mn}}}}{K_b{r}_{\mathrm{rel}}^I+\frac{Z_{\mathrm{jm}}}{Z_{\mathrm{mn}}}}---\left(4\right)$

公式（4）中，

由网络结构决定，且在高压输电线路中电阻R远小于电抗X，所以线路JM和MN的阻抗角近似相等，即

（C为实常数）。同时，由于距离I段保护的动作范围一定，因此

为一常数，且一般取0.8～0.85。

距离保护II段不仅要保护本线路的全长，而且在本线路末端短路时，应有足够的灵敏度K_sen，其表达式为：

$K_{\mathrm{sen}}=\frac{Z_{\mathrm{set}.1}^{\mathrm{II}}}{Z_{\mathrm{jm}}}=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}(1+K_b{K}_{\mathrm{rel}}^I\frac{Z_{\mathrm{mn}}}{Z_{\mathrm{jm}}})---\left(5\right)$

将公式（4）代入公式（5）可得：

$K_{\mathrm{sen}}=1+\frac{Z_{\mathrm{mn}}}{Z_{\mathrm{jm}}}{P}_r{K}_b---\left(6\right)$

计及各种误差因素，距离保护II段灵敏度K_sen应满足K_sen≥1.25。结合式（6），可知保护范围

同时，为保证保护II段的选择性，保护范围P_r应小于与其配合的IED3处保护I段动作范围，即

因此，保护范围P_r的取值范围为：

$0.25\&times;\frac{Z_{\mathrm{jm}}}{K_b{Z}_{\mathrm{mn}}}\&le;P_r<K_{\mathrm{rel}}^I---\left(7\right)$

分析公式（7）可知，当

时，保护范围P_r取值存在，在设定IED1处距离保护的II段保护范围P_r后，通过传递相邻线路的电流值实时计算分支系数K_b，并利用公式（4）得到保护II段可靠系数

后，将K_b和

同时带入公式（1），实时整定保护II段阻抗值

方可实现距离保护II段的自适应；当时，保护范围P_r取值不存在，即保护II段无法同时满足灵敏度和选择性的要求，整定阻抗值

整定失败，无法实现距离保护II段的自适应。

综上所述，由于

和分支系数K_b由系统网络结构和运行方式决定，仅通过传递相邻线路的电流值实时计算分支系数K_b，可能无法实现距离保护II段的自适应。

随着广域继电保护的发展，愈来愈多的国内外专家和学者利用广域信息提高自适应保护性能，使保护装置实时准确感知系统状态，并进行故障识别。基于此，本发明提出了一种分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法。该系统利用分布式广域保护系统存储线路参数，并负责相关智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）间的通信，在此基础上，根据故障后相电压差与相电流之间的比例关系，构造自适应动作因子，然后通过分析该因子在正常及故障情况下呈现的不同特征，实现自适应相间后备保护。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种分布式广域自适应相间后备保护系统及保护方法，用于在不受系统结构、运行状态和故障类型的影响下延长后备保护的保护范围。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种分布式广域自适应相间后备保护系统，其特征是所述系统包括保护域划分子系统和自适应后备保护子系统；

所述保护域划分子系统包括顺序相连的保护分区模块和信息采集模块；

所述自适应后备保护子系统包括顺序相连的故障选相模块、保护动作因子生成模块和保护动作判据模块；

所述信息采集模块分别与故障选相模块和保护动作因子生成模块相连，并且信息采集模块包括安装在保护安装处的智能电子设备IED；

所述保护分区模块用于划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域；其中，所述主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路；

所述智能电子设备IED用于采集相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息；

所述信息采集模块用于提取每个智能电子设备IED采集的电压信息和电流信息，并将提取的电流信息发送至故障选相模块，提取的电压信息和电流信息发送至保护动作因子生成模块；

所述故障选相模块用于根据电流信息识别故障相，并将识别的故障相发送至保护动作因子生成模块；

所述保护动作因子生成模块用于根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子，并将所述自适应后备保护动作因子发送至保护动作判据模块；

所述保护动作判据模块用于根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出跳闸指令。

所述智能电子设备IED用于接收下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，并且将自身采集的信息传输至上级线路远端母线侧的智能电子设备IED。

一种分布式广域自适应相间后备保护方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域；

其中，所述主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路；

步骤2：智能电子设备IED采集相应位置上的保护安装处的电压和电流信息；

步骤3：根据电流信息识别故障相；

步骤4：根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子；

步骤5：根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出保护跳闸动作。

所述智能电子设备IED接收下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，并且将自身采集的信息传输至上级线路远端母线侧的智能电子设备IED。

所述根据电流信息识别故障相具体包括：

子步骤101：计算保护安装处的各模故障分量和

计算公式分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A^1=2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

其中，

为保护安装处的A相电流，

为保护安装处的B相电流，

为保护安装处的C相电流；

子步骤102：根据保护安装处的模故障分量识别保护安装处的故障相，即

当

且

时，保护安装处的故障为BC两相短路故障；

当

且

时，保护安装处的故障为CA两相短路故障；

当

且

时，保护安装处的故障为AB两相短路故障；

当

且

时，保护安装处的故障为三相短路故障。

所述生成自适应后备保护动作因子采用公式：

其中，所述规定条件为：智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向与相邻线路的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向均相反；

K_rs为误差系数；

K_r为可靠系数；

k_d为故障类型系数，当故障为三相短路故障时，

当故障为两相短路接地故障时，k_d=2；当正常运行时，k_d=1；

Z_jm为智能电子设备IED所在线路的阻抗；

Z_mn为智能电子设备IED所在线路的下级线路的阻抗；

和

分别为智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的两故障相相电压；

为智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的故障相

的相电流；

和

分别为智能电子设备IED所在线路的下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的两故障相相电压；

为智能电子设备IED所在线路的下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的故障相

的相电流。

所述步骤5具体为，当A_f≥1时，后备保护动作；当A_f<1时，后备保护不动作；

当后备保护动作时，如果A_f=A_f1，则在延时第一设定时间后发出保护跳闸动作；如果A_f=A_f2，则在延时第二设定时间后发出保护跳闸动作。

本发明能够快速准确判断区内故障，对各种类型的相间故障均具有较高的灵敏度，且不受系统结构、运行方式和故障类型的影响，实现了后备保护的自适应功能；同时，与传统距离后备保护相比，自适应后备保护范围得到有效延长，减小了远后备保护误动的几率。

附图说明

图1是输电网络结构图；

图2是分布式广域自适应相间后备保护系统结构图；

图3是分布式广域系统结构图；

图4是各种故障情况下各模故障分量特征表；

图5是新英格兰10机39节点系统图；

图6是IED2、IED3和IED18的保护范围划分结果表；

图7是线路3-18在90%处发生短路时保护R18自适应动作因子特性曲线图；其中，(a)为三相故障曲线图，（b）为两相故障曲线图；

图8是线路18-3不同故障位置的保护R18自适应后备保护动作因子仿真结果表；

图9是线路3-4在30%处发生短路时保护R2自适应动作因子特性曲线图；其中，(a)为三相故障曲线图，（b）为两相故障曲线图；

图10是线路3-4在30%处发生短路时保护R18自适应动作因子特性曲线图。其中，(a)为三相故障曲线图，（b）为两相故障曲线图；

图11是不同故障位置的保护R2和R18后备保护自适应动作因子仿真结果表；

图12是传统距离保护仿真结果表。

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。

实施例1

本发明提供的分布式广域自适应相间后备保护系统的结构如图2所示，该系统包括保护域划分子系统和自适应后备保护子系统。保护域划分子系统用于划分了分布式广域保护系统中的智能电子设备IED的保护范围，并采集、存储、传输和接收相关数据，包括顺序相连的保护分区模块和信息采集模块。自适应后备保护子系统用于建立自适应后备保护模型并判定后备保护动作，包括顺序相连的故障选相模块、保护动作因子生成模块和保护动作判据模块。信息采集模块分别与故障选相模块和保护动作因子生成模块相连，并且信息采集模块包括安装在保护安装处的智能电子设备IED。

保护分区模块用于划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域。主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路。

在本实施例提供的分布式广域保护系统中，智能电子设备IED处加装方向元件（规定：电流流出母线方向为正，流进母线方向为负）。智能电子设备IED用于采集相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，本发明所指的电压信息和电流信息都是带方向的电压信息和电流信息。智能电子设备IED还用于接收下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，并且将自身采集的信息传输至上级线路远端母线侧的智能电子设备IED。以图1所示线路MN上发生故障为例，IED3作为主保护，同时将采集的带方向的电压和电流信息传输至上级线路远端母线侧的IED1、IED6处，并接收下级线路NQ上靠近母线N侧的IED7信息。

信息采集模块用于根据保护分区模块的输出结果，提取每个智能电子设备IED采集的电压信息和电流信息，并将提取的电流信息发送至故障选相模块，提取的电压信息和电流信息发送至保护动作因子生成模块。

故障选相模块用于根据电流信息识别故障相，并将识别的故障相发送至保护动作因子生成模块。

保护动作因子生成模块用于根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子，并将所述自适应后备保护动作因子发送至保护动作判据模块。

保护动作判据模块用于根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出跳闸指令。

本发明提供的分布式广域自适应相间后备保护方法包括：

步骤1：划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域。

其中，所述主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路。

步骤2：智能电子设备IED采集相应位置上的保护安装处的电压和电流信息。

由于本发明中的智能电子设备IED处加装方向元件（规定：电流流出母线方向为正，流进母线方向为负），因此本发明所指的电压信息和电流信息都是带方向的电压信息和电流信息。

步骤3：根据电流信息识别故障相。

本发明通过故障选项模块识别故障相，故障选相作为自适应相间后备保护的基础，本发明中采用模故障分量选相元件（葛耀中，《新型继电保护和故障测距的原理与技术》[M]，西安交通大学出版社，2007，第42-46页）进行故障识别。其基本原理为：当系统发生故障时，各点的电流、电压均可分解成非故障分量和故障分量。根据叠加原理，系统中的故障分量可以通过在故障点叠加一个故障等效电源来求解。等效电源由故障点故障前的电压和故障类型决定。由线性变换理论可知，对故障分量网络可采用模分量进行变换和分析。由于各模量相互独立，因此当从故障边界条件中推导出个模量等效电源后，就可分别求解各模量的独立网络，以获得保护安装处各模故障分量。各种故障情况下各模故障分量特征表如图4所示。

各模量的计算公式如式(8)-(9)所示，

分别表示A、B、C相电流。

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C---\left(8\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A^1=2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C\end{array}\right.---\left(9\right)$

图4的含义为：当

且

时，保护安装处的故障为BC两相短路故障；当

且时，保护安装处的故障为CA两相短路故障；当

且

时，保护安装处的故障为AB两相短路故障；当

且

时，保护安装处的故障为三相短路故障。

该故障选相方法具有以下特点：1）原理简单，动作可靠；2）动作灵敏度高，无需整定计算；3）动作速度快；4）易于实现，不需附加任何滤波运算。

步骤4：根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子。

以图1中IED1处保护为例，说明后备保护的自适应整定方法。整定原则：不仅要保护IED所在线路全长，还要考虑与相邻线路的距离I段相配合。

A.保护本线路全长。

（I）当线路JM上距离母线J百分比为α₁处的F₁点发生金属性三相短路时，IED1测量的A、B、C三相故障电压

满足如下关系：

$|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JA}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)}|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JA}}^{\left(3\right)}|---\left(10\right)$

以B、C相为例，式(10)可展开为：

$|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)}|={|\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}{\mathrm{\&alpha;}}_1{Z}_{\mathrm{jm}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)}{\mathrm{\&alpha;}}_1{Z}_{\mathrm{Jm}}|=\sqrt{3}{\mathrm{\&alpha;}}_1|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}|---\left(11\right)$

式中，

分别为三相短路时IED1测量的B、C相电流。

整理式(11)得：

$\frac{|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)}|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}\right|}=\sqrt{3}{\mathrm{\&alpha;}}_1---\left(12\right)$

（II）当F1点发生金属性BC两相短路时，IED1测量的B、C相故障电压

总满足：

$|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(2\right)}|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&alpha;}}_1{Z}_{\mathrm{jm}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JC}}^{\left(2\right)}{\mathrm{\&alpha;}}_1{Z}_{\mathrm{jm}}|=2{\mathrm{\&alpha;}}_1{|\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}|---\left(13\right)$

式中，

分别为BC两相短路时IED1测量的B、C相电流。

整理式(13)为：

$\frac{|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(2\right)}|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}\right|}=2{\mathrm{\&alpha;}}_1---\left(14\right)$

结合式(12)和式(14)，定义自适应动作因子A_f1：

式中，

分别为IED1测量的

两故障相相电压和

相电流；k_d为故障类型系数，三相短路时取

两相短路时取2，正常运行时取1。

当线路JM末端发生故障时，存在关系

依据式(16)可知，此时自适应动作因子A_f1=1。考虑到继电器误差、互感器误差和参数误差等因素，将式(16)修正为：

其中，K_rs为误差系数，本专利中取1.1。

B.相邻线路的距离I段相配合。

（I）当线路MN上距离母线M百分比为α₂的F₂点发生金属性三相短路时，以B、C相为例，有下式成立：

$|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(3\right)}|+|({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)})-({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(3\right)})|=\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(3\right)}\right|+|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(3\right)}|=\sqrt{3}\left({\mathrm{\&alpha;}}_2\right|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{mn}}|+|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}\left|\right)---\left(18\right)$

式中，

为IED3测量的B、C相故障电压； ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(3\right)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(3\right)},{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(3\right)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(3\right)};$ 分别为三相短路时IED1、IED3测量的B相故障电流。

整理式(18)得：

$\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(3\right)}\right|+{|\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(3\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(3\right)}|-\sqrt{3}{|\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}^{\left(3\right)}{Z}_{\mathrm{mn}}\right|}\sqrt{3}{\mathrm{\&alpha;}}_2---\left(19\right)$

（II）当F₂点发生金属性BC两相短路时，有下式成立：

$|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(2\right)}|+|({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(2\right)})-({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(2\right)})|=\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(2\right)}\right|+|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(2\right)}|=2\left({\mathrm{\&alpha;}}_2\right|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{mn}}|+|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}\left|\right)---\left(20\right)$

式中，为IED3测量的B、C相故障电压； ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(2\right)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MC}}^{\left(2\right)},{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(2\right)}={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}^{\left(2\right)};$

为BC两相短路时IED1、IED3测量的B相故障电流。

整理式(20)得：

$\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(2\right)}\right|+{|\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JBC}}^{\left(2\right)}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}^{\left(2\right)}|-{2|\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{jm}}|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}^{\left(2\right)}{Z}_{\mathrm{mn}}\right|}{2\mathrm{\&alpha;}}_2---\left(21\right)$

结合式(19)和式(21)，定义自适应动作因子A_f2：

式中，

为两故障相电压，

为

相电流，为IED3所测，并传给IED1；

为

两故障相电压，是

相电流，为IED1所测；k_d为故障类型系数；K_r为可靠系数，本文取0.8。

C.自适应后备保护动作因子。

根据上述分析，定义自适应后备保护动作因子A_f为：

式中，所述规定条件为，智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向与相邻线路的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向均相反。由于系统中发生多重故障的可能性很小，因此本专利仅针对单重故障，即相邻线路IED监测到的故障电流方向最多只有一个正方向。

以图1中IED1处的后备保护为例，当与其配合的相邻线路上的IED3、IED5监测到的故障电流均为反方向时，自适应后备保护动作因子利用式(17)整定；当IED3和IED5处监测到的故障电流方向相反时，利用故障电流方向为正的IED处采集的电流、电压信息及其所在线路阻抗值，通过式(22)整定自适应后备保护动作因子。

以B、C相为例，对自适应后备保护动作因子进行动作特性分析。当系统正常运行时，后备保护自适应动作因子A_f1为：

$A_{f1}=\frac{K_{\mathrm{rs}}\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}{Z}_{\mathrm{jm}}\right|}{|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JC}}|}=\frac{K_{\mathrm{rs}}|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MB}}|}{\sqrt{3}{|\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JB}}|}---\left(24\right)$

其中，

表示母线J、M间的电压差。由于在正常运行情况下，线路两端电压幅值差不大，即

且为保持电力系统稳定性，线路两侧电压相角差一般不大于90°，有

因此A_f1<1。同时，通过对比式(12)、式(14)和式(17)可知：无论在IED所在线路上发生何种相间故障，自适应后备保护动作因子A_f1≥1。

当系统正常运行时，后备保护自适应动作因子A_f2为：

$A_{f2}=\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}{Z}_{\mathrm{mn}}\right|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}\right|+{|\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{JMC}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{MBC}}|-{|\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}{Z}_{\mathrm{jn}}|}=\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{MB}}{Z}_{\mathrm{mn}}\right|}{\sqrt{3}{\stackrel{\&CenterDot;}{|U}}_{\mathrm{MB}}|+(\sqrt{3}-1)|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{\mathrm{JB}}{Z}_{\mathrm{jn}}|}---\left(25\right)$

式中，

因此，在正常情况下，A_f2<1。同时，通过对比式(19)、式(21)和式(22)可知，无论在相邻线路上发生三相短路还是两相短路，当α₂≤K_r时，自适应动作因子A_f2≥1；当α₂>K_r时，自适应动作因子A_f2<1。由此，可确定自适应后备保护范围能够延伸至下级线路的80%处。此外，后备保护的保护范围小于主保护的保护范围，满足保护选择性要求。

同时，分析式(17)和式(22)可知，在故障类型一定时，自适应动作因子值A_f1、A_f2均与故障点到保护安装点距离成反比。

步骤5：根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出保护跳闸动作。

根据步骤4的分析，在保护区域内发生故障时，自适应后备保护动作因子A_f≥1；在保护区域外发生故障时，自适应后备保护动作因子A_f<1。因此，后备保护动作判据为：

若延时Δt后保护处的自适应动作因子仍满足保护动作判据，则判定为区内故障，并向保护发送跳闸命令。其中，本专利中延时Δt的取值如下：

$\mathrm{\&Delta;t}=\left\{\begin{array}{cc}0.25s& A_f=A_{f1}\\ 0.5s& A_f=A_{f2}\end{array}\right.---\left(27\right)$

即当A_f取值为A_f1时，延时Δt=0.25s后保护跳闸；当A_f取值为A_f2时，延时Δt=0.5s后保护跳闸。

实施例2

采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建如图5所示的IEEE新英格兰10机39节点模型作为仿真系统，并以IED18为例说明自适应后备保护的整定与配合关系。仿真过程中，系统故障均发生在T=0.3s时刻。

1.保护域划分子系统

该子系统主要负责IED保护范围的划分与分布式广域自适应相间后备保护系统所需信息的采集。

1)保护分区模块

IED保护范围原则：主保护区域是IED所在线路，后备保护区域包括IED所在线路、对侧母线及下级相邻线路。IED2、IED3、IED18的保护范围划分结果表如图6所示。

2)信息采集模块

按照保护范围划分模块的输出结果，IED与后备保护区域中对侧母线侧的下级相邻线路上的IED进行通信，包括方向信息、电压和电流信息。以图5中IED3为例，不仅将信息传递至IED2和IED18，并接收IED4与IED14的信息。

2.自适应后备保护子系统

该子系统利用信息采集模块中的信息，实现自适应后备保护。

1)故障选相模块：利用模故障分量选项元件进行故障相识别。

2)保护动作因子生成模块：利用信息采集模块和故障选相模块的信息，计算自适应后备保护动作因子。

3)保护动作模块：若延时Δt后保护处的自适应动作因子A_f≥1。

A.线路18-3发生故障

当线路18-3在90%处(主保护动作区域外)发生故障时，保护R18将作为主保护的后备。图7为保护R18的自适应后备保护动作因子特性曲线图。通过图7可以看出，当线路3-18发生故障后，保护R18的自适应后备保护动作因子A_f1-18迅速增大，并在延时Δt=0.25s后保护R18立即动作。

图8是线路18-3不同故障位置的保护R18自适应后备保护动作因子仿真结果表。分析图8可知，在线路18-3上任意点发生相间故障，保护R18都能准确动作。

B.相邻线路3-4上发生故障

当线路3-4在30%处(后备保护区内)发生故障时，若保护R3主保护不动作，则保护R2和保护R18将为线路3-4提供后备保护。图9-10分别为保护R2和保护R18的自适应后备保护动作因子特性曲线图。

由图9-10可以看出，无论何种相间故障，故障发生后A_f2-2>1和A_f2-18成立，即保护R2和保护R18均可实现自适应后备保护功能。

图11是不同故障位置的保护R2和R18后备保护自适应动作因子仿真结果表。由图11可知，自适应距离后备保护保护范围能延伸到下级线路3-4的80%处，且能够与R3的主保护相配合(本发明中取距离I段的可靠系数

)，满足保护选择性。

C.与传统距离后备保护对比分析

线路3-4发生金属性两相短路时，利用传统距离保护整定方法，后备保护R2和R18的整定值与测量值如图12所示。

由图12可知，保护R18的II段保护范围仅延伸到线路3-4的38.28%，保护R2的II段保护范围仅延伸到线路3-4的48.72%。当线路3-4距离保护II段范围外发生故障，且保护R3拒动时，可能导致故障范围扩大，影响系统安全稳定运行。

实施例仿真结果表明，本发明所提出的分布式广域自适应相间后备保护方法不受系统结构、运行方式和故障类型的影响，实现了后备保护的自适应功能。与传统距离后备保护相比，自适应后备保护范围得到有效延长，减小了远后备保护误动的几率；并且能够与距离主保护正确配合，满足继电保护的选择性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种分布式广域自适应相间后备保护系统，其特征是所述系统包括保护域划分子系统和自适应后备保护子系统；

所述保护域划分子系统包括顺序相连的保护分区模块和信息采集模块；

所述自适应后备保护子系统包括顺序相连的故障选相模块、保护动作因子生成模块和保护动作判据模块；

所述信息采集模块分别与故障选相模块和保护动作因子生成模块相连，并且信息采集模块包括安装在保护安装处的智能电子设备IED；

所述保护分区模块用于划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域；其中，所述主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路；

所述智能电子设备IED用于采集相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息；

所述信息采集模块用于提取每个智能电子设备IED采集的电压信息和电流信息，并将提取的电流信息发送至故障选相模块，提取的电压信息和电流信息发送至保护动作因子生成模块；

所述故障选相模块用于根据电流信息识别故障相，并将识别的故障相发送至保护动作因子生成模块；

所述保护动作因子生成模块用于根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子，并将所述自适应后备保护动作因子发送至保护动作判据模块；

所述保护动作判据模块用于根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出跳闸指令。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述智能电子设备IED用于接收下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，并且将自身采集的信息传输至上级线路远端母线侧的智能电子设备IED。

3.一种分布式广域自适应相间后备保护方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：划分智能电子设备IED的保护范围，并将智能电子设备IED的保护范围划分为主保护区域和后备保护区域；

其中，所述主保护区域包括智能电子设备IED所在线路，后备保护区域包括智能电子设备IED所在线路、对侧母线和下级相邻线路；

步骤2：智能电子设备IED采集相应位置上的保护安装处的电压和电流信息；

步骤3：根据电流信息识别故障相；

步骤4：根据识别的故障相、电压信息和电流信息生成自适应后备保护动作因子；

步骤5：根据自适应后备保护动作因子判定后备保护是否动作，并在判定后备保护动作时，发出保护跳闸动作。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述智能电子设备IED接收下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电压信息和电流信息，并且将自身采集的信息传输至上级线路远端母线侧的智能电子设备IED。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是所述根据电流信息识别故障相具体包括：

子步骤101：计算保护安装处的各模故障分量

和

计算公式分别为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A^1=2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C^1=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_A-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_B+2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_C;$

其中，

为保护安装处的A相电流，为保护安装处的B相电流，

为保护安装处的C相电流；

子步骤102：根据保护安装处的模故障分量识别保护安装处的故障相，即

当且

时，保护安装处的故障为BC两相短路故障；

当

且

时，保护安装处的故障为CA两相短路故障；

当

且

时，保护安装处的故障为AB两相短路故障；

当且

时，保护安装处的故障为三相短路故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述生成自适应后备保护动作因子采用公式：

其中，所述规定条件为：智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向与相邻线路的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的电流方向均相反；

K_rs为误差系数；

K_r为可靠系数；

k_d为故障类型系数，当故障为三相短路故障时，

当故障为两相短路接地故障时，k_d=2；当正常运行时，k_d=1；

Z_jm为智能电子设备IED所在线路的阻抗；

Z_mn为智能电子设备IED所在线路的下级线路的阻抗；

和

分别为智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的两故障相相电压；

为智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的故障相的相电流；

和分别为智能电子设备IED所在线路的下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的两故障相相电压；

为智能电子设备IED所在线路的下级线路上近端母线侧的智能电子设备IED采集的相应位置上的保护安装处的故障相

的相电流。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是所述步骤5具体为，当A_f≥1时，后备保护动作；当A_f<1时，后备保护不动作；

当后备保护动作时，如果A_f=A_f1，则在延时第一设定时间后发出保护跳闸动作；如果A_f=A_f2，则在延时第二设定时间后发出保护跳闸动作。

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