CN103779844B - 基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法 - 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基于虚拟电压降落的自适应距离保护系统及其保护方法。系统包括顺序相连的数据读入模块、保护计算模块和保护动作模块；方法包括：采集距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角；根据采集的数据计算距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗；根据距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，确定是否发送跳闸信号或者闭锁信号。本发明实现了保护的正确动作，具有较高的抗过渡电阻干扰能力。

Description

基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法。

背景技术

传统保护以最大运行方式计算保护整定值，最小运行方式校验保护灵敏度。这种严苛的整定条件虽然能够保证保护正确动作，但也有明显的缺陷：保护的整定值在其他运行方式下(包括系统的主要运行方式)，不是最佳的整定值；最不利的短路条件下，保护失效或性能严重变差。此外，随着分布式电源的接入，电网的运行方式变得更加灵活，保护的选择性、灵敏性和可靠性之间的矛盾也表现的愈加突出。针对这些矛盾，一些专家学者提出了自适应保护的概念。

本发明提出一种基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法，首先根据不同运行工况下量测相量的几何分布特性，建立虚拟电压降落方程，并求解自适应整定系数，构造自适应距离保护判据，然后针对过渡电阻对距离保护的干扰问题，借助负序和零序分量的测量，确定过渡电阻电压偏移角，求取过渡电阻补偿系数，从而提高了该自适应距离保护的抗过渡电阻干扰能力。基于PSCAD/EMTDC平台的仿真实例验证表明，本发明通过计算电力系统运行方式发生变化时的自适应系数，实时修正保护整定值，以实现保护正确动作；同时，利用测量负序和零序分量，确定过渡电阻电压偏移角，求取过渡电阻补偿系数，提高了该自适应距离保护的抗过渡电阻干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法，用于在电力系统运行方式发生变化的情况下，实现保护的正确动作和自适应距离保护的抗过渡电阻干扰能力。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集数据，包括距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角；

步骤2：计算距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗；

步骤3：根据距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，确定是否发送跳闸信号或者闭锁信号。

所述距离保护安装处的测量阻抗的计算公式为：

其中，Z_m为距离保护安装处的测量阻抗；

为距离保护安装处的电压；

为距离保护安装处的电流。

所述自适应距离保护整定阻抗的计算公式为Z_set＝k₁k_ak_m|Z_MN|；

其中，Z_set为自适应距离保护整定阻抗；

k₁为可靠系数；

k_m为自适应整定系数且

为距离保护整定范围内的线路阻抗角；

为距离保护安装处的电压与距离保护安装处的电流的相角差；

k_a为过渡电阻补偿系数且

ψ为过渡电阻电压偏移角，在三相短路时，ψ＝0；在单相短路时，ψ＝θ₀+δ₀，θ₀为故障零序电流与测量零序电流间的夹角，δ₀为测量零序电流与测量电流间的夹角；在两相短路时，ψ＝θ₂+δ₂+90°，θ₂为故障负序电流与测量负序电流间的夹角，δ₂为测量负序电流与测量电流间的夹角；在两相接地短路时，ψ＝θ₂+δ₂+90°+γ，γ为估计偏差角；

θ₀＝arg[(R_L0+jX_L0)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[(R_L0+jX_L0)+jX_Tn]；

θ₂＝arg[(R_L2+jX_L2)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[jX_Tn+R_L2+jX_L2)]；

R_L0为线路的零序电阻；

X_L0为线路的零序电抗；

X_Tm为双端发电机中的一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗；

X_Tn为双端发电机中的另一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗；

R_L2为线路的负序电阻；

X_L2为线路的负序电抗；

j为虚数单位；

$\mathrm{\γ}=\arg \left(\frac{2(Z_0+3Z_g)+Z_2}{Z_0+3Z_g}\right);$

Z₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序阻抗；

Z₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序阻抗；

Z_g为过渡电阻；

Z_MN为距离保护整定范围内的线路阻抗边界值。

所述步骤3包括如下子步骤：

子步骤101：建立以阻抗平面原点为圆心，自适应距离保护整定阻抗的幅值为半径的自适应距离保护动作判据全阻抗圆；

子步骤102：当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护的保护范围时，进行如下动作：

A、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆内及圆上时，判断保护范围内发生了短路，发送跳闸信号；

B、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆外时，判断线路正常运行，发送闭锁信号。

本发明不仅能在电力系统运行方式发生变化的情况下通过计算自适应系数，实时修正保护整定值，实现保护正确动作，同时具有较高的抗过渡电阻干扰能力。

附图说明

图1是本发明提供的基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法应用的系统结构图；

图2是双端电源系统图；

图3是金属性故障时电压电流相量图；

图4是正常运行方式下电压电流相量图；

图5是非金属性短路状态下电压电流相量图；

图6是短路故障时零序网络图；

图7是PSCAD500kV两机系统结构图；

图8是线路40％处发生三相短路时自适应保护仿真图；

图9是线路MN不同位置发生三相短路时自适应保护整定值与测量值表；

图10是线路40％处发生金属性A相短路时自适应保护仿真图；

图11是线路40％处发生高过渡电阻A相短路时自适应保护仿真图；

图12是线路MN不同位置发生单相短路时自适应保护整定值与测量值表；

图13是线路40％处发生金属性BC两相短路时自适应保护仿真图；

图14是线路40％处发生高过渡电阻BC两相短路时自适应保护仿真图；

图15是线路MN不同位置发生两相短路时自适应保护整定值与测量值表；

图16是线路40％处发生金属性BC两相接地短路时自适应保护仿真图；

图17是线路40％处发生高过渡电阻BC两相接地短路时自适应保护仿真图；

图18是线路MN发生两相接地短路时自适应保护整定值与测量值表。

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

图1是本发明基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法应用的系统结构图。如图1所示，本发明提供的基于虚拟电压降落的自适应距离保护系统包括顺序相连的数据读入模块、保护计算模块和保护动作模块。

数据读入模块用于采集距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角，并将采集的数据发送至保护计算模块。

保护计算模块用于根据距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角，计算距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，并将计算得到的距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗发送至保护动作模块。

保护动作模块用于根据距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，确定是否发送跳闸信号或者闭锁信号。

以图2所示的双端电源系统为例，本发明提供的基于虚拟电压降落的自适应距离保护系统的工作原理是：

在双端电源系统中，距离保护分别安装在线路MN两侧，M侧为送电端，N侧为受电端，系统两侧等效阻抗分别为Z_S和Z_R，线路阻抗为Z_L。系统发生金属性故障时，电压电流相量图如图3所示。

由于是金属性故障，短路点过渡电阻为弧光电阻，可视短路点电压为电弧电压其相位与测量电流的相位基本一致。为M侧母线的测量电压相量∠BOC即为测量电压相量与测量电流相量的相角差为故障点到M母线的电压降落相量，其幅值等于M侧测量电流与短路点到M侧保护安装处线路正序阻抗Z_line的乘积，即其与测量电流相量的夹角为线路的阻抗角同样过原点O对电压降落相量做垂线，相交于CB的反向延长线上A点。与的夹角通过分析图3可得如下公式：

系统正常运行方式下，电压电流相量图如图4所示。为M侧母线的测量电压相量为M侧的测量电流相量∠MOC为测量电压相量与测量电流相量的相角差为测量电流相量与电压降落相量的夹角，即距离保护整定范围内的线路阻抗角。过原点O对做垂线，则与之间夹角经分析，存在如下关系式(2)：

故障时，存在关系式(3)：

$\left|\stackrel{\→}{CB}\right|=|{\stackrel{\·}{I}}_m\×Z_{line}|---\left(3\right)$

正常运行方式下，表示虚拟点C(网络中某点)与M侧测量点之间的电压降落幅值，存在关系式(4)：

$\left|\stackrel{\→}{CM}\right|=|{\stackrel{\·}{I}}_m\×Z_x|---\left(4\right)$

考虑到与具有相同的表达形式，将式(3)及式(4)中的Z_line和Z_x统一用Z表示，并将式(3)代入式(1)，式(4)代入式(2)中，得到虚拟电压降落相量方程：

对式(5)进行化简与合并后整理为阻抗平面形式，得到公式(6)：

由上述分析可知，故障时，Z为故障点到测量处的线路阻抗Z_line，因此当故障出现在保护范围内时，Z应小于保护整定范围内的线路阻抗边界值Z_MN；在正常运行情况下，Z为大于Z_MN的虚拟阻抗Z_x。

阻抗Z在正常运行情况下以及故障情况下的差异，构成了自适应距离保护判据的基础，即存在：

将式(6)代入式(7)并进行不等式变换，同时表达式用系数替换，再引入可靠系数，可得自适应距离保护判据：

公式(8)中，k_m为自适应整定系数，其值为为保护线路的阻抗角，为测量电压与测量电流的相角差，Z_m为测量阻抗，Z_MN为保护整定范围的线路阻抗边界值，k_l为可靠系数，可适当扩大保护范围，增加一定的耐过渡电阻能力，一般取1.3-1.5。

定义自适应距离保护整定阻抗值为Z_set＝k_lk_m|Z_MN|，则公式(8)所示的自适应距离保护判据亦可表达为：

将自适应距离保护判据表示在阻抗平面中，其动作特性为一个以原点为中心、Z_set为半径的全阻抗圆。考虑到保护的方向性，当正向故障时开放保护，当反方向故障时自适应系数k_m＝0，闭锁自适应距离保护判据。

前面主要讨论了金属性故障时的情况，对于其他大量的非金属性故障，式(8)所表示的自适应距离保护判据并不适用，需要进行相关改进。当发生非金属性故障时，由于受到过渡电阻的影响，电压电流相量图发生变化，如图5所示。

从图5可看出，由于过渡电阻的存在，在短路点产生了一个过渡电阻电压，过渡电阻电压与测量电流之间存在一个相角差的关系(0～360度)，设该角度为ψ。由于角度ψ的存在，式(1)所表示的物理意义将发生改变。如果角度ψ>0，则表示故障点到测量点的电压降落幅值Z_line与一部分由过渡电阻电压导致的附加电压降落Z_ψ之和，此时由于Z_ψ的存在，导致自适应保护判据|Z|<|Z_MN|出现偏差，即虽然保护范围内发生短路故障，但|Z_line+Z_ψ|>|Z_MN|，判断为未发生故障；如果角度ψ<0，则表示故障点到测量点的电压降落幅值Z_line与一部分由过渡电阻电压导致的附加电压降落Z_ψ之差，此时|Z_line-Z_ψ|依然小于|Z_MN|，对自适应距离保护判据没有影响。为了消除过渡电阻电压偏移角ψ对原自适应保护判据的干扰，需要首先求解出ψ的大小，再由式(10)求得过渡电阻补偿值

将补偿值带入虚拟电压降落方程，即式(5)，得：

式(11)两边同除测量电流幅值得：

将式(10)代入式(12)，整理后得：

则考虑过渡电阻影响之后的自适应距离保护最终判据为：

公式(14)中，k_a为过渡电阻补偿系数，其值主要是由过渡电阻电压偏移角ψ决定的。针对不同类型的短路，ψ的求取方法不同。

针对三相短路，由于三相短路时故障点经过弧光电阻短路，短路点电压不大于0.05pu，故三相短路无过渡电阻的问题，其判据与金属性故障类同，即ψ＝0。

针对单相短路，过渡电阻所导致的附加电压降落问题，可以采用零序分量来求取过渡电阻电压偏移角ψ。由于过渡电阻一般为纯阻性，故过渡电阻电压的方向与短路电流的方向基本一致。ψ为过渡电阻电压与测量电流的夹角，也就是短路电流与测量电流间的夹角。当发生单相短路时，故障零序电流与短路电流相角相同，因此ψ也为故障零序电流与测量电流的夹角。所以ψ包括两部分，分别为故障零序电流与测量零序电流间的夹角θ₀以及测量零序电流与测量电流间的夹角δ₀。δ₀可以通过实际测量得出，现在说明θ₀的计算。

当线路在a％处发生单相短路时，其零序网络分布情况如图6所示。由图7可知，存在关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m0}\&lsqb;{\mathrm{jX}}_{Tm}+a\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)\&rsqb;\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{n0}\left({\mathrm{jX}}_{Tn}+\left(1-a\right)\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)\right)\end{array}\right.---\left(15\right)$

公式(15)中，为短路点零序电压，为M侧零序测量电流，为N侧零序测量电流，X_Tm为发电机E_S到M侧的零序电抗，X_Tn为发电机E_R到N侧的零序电抗，R_L0为线路MN的零序电阻，X_L0为线路MN的零序电抗，j为阻抗相量平面内虚轴的单位长度，阻抗相量平面的实轴为电阻R，虚轴为电抗X。

设为短路点零序电流，则有：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_0=\arg \frac{I_{f0}}{I_{m0}}=\arg \frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m0}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{n0}}{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{m0}}\\ =\arg \frac{{\mathrm{jX}}_{Tm}+a\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)+{\mathrm{jX}}_{Tn}+\left(1-a\right)\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)}{{\mathrm{jX}}_{Tn}+\left(1-a\right)\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)}\\ =\arg \frac{{\mathrm{jX}}_{Tm}+{\mathrm{jX}}_{Tn}+\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)}{{\mathrm{jX}}_{Tn}+\left(1-a\right)\left(R_{L0}+{\mathrm{jX}}_{L0}\right)}\end{array}---\left(16\right)$

由式(16)可知：

θ₀＝arg[jX_Tm+jX_Tn+(R_L0+jX_L0)]-arg[jX_Tn+(1-a)(R_L0+jX_L0)](17)

当X_Tn、X_Tm和线路参数确定时，式(17)中的前一项角度就已确定，对于后一项角度，显然当a＝0时角度最小，此时预估的θ₀为最大值，能够保证在所有情况下的判据依然成立。最终θ₀的计算公式为：

θ₀＝arg[(R_L0+jX_L0)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[(R_L0+jX_L0)+jX_Tn](18)

测量零序电流与测量电流间的夹角δ₀可以直接测得，单相短路情况下的过渡电阻电压偏移角计算公式为：ψ＝θ₀+δ₀。

针对两相短路，可以利用负序分量来确定偏移角ψ，并求取附加电压降落。设发生BC两相短路， ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}=\frac{1}{3}({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fa}+a^2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fb}+a{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fc}),$ 为短路点负序电流，和分别为短路点A相、B相、C相电流。

由于 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fa}=0,{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fb}=-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fc},$ 则有 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}=\frac{1}{3}(a^2-a){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fb}=\frac{1}{3}(a-a^2){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fc}.$ 可以看出与相差-90°，与相差90°，故与相差-90°。在两相短路情况下ψ包括三部分，分别为固定偏差90°、故障负序电流与测量负序电流间的夹角θ₂以及测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂。与单相短路类似，有：

θ₂＝arg[(R_L2+jX_L2)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[jX_Tn+R_L2+jX_L2)](19)

公式(19)中，R_L2为线路MN的负序电阻，X_L2为线路MN的负序电抗。

测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得。两相短路情况下的过渡电阻电压偏移角计算公式为：ψ＝θ₂+δ₂+90°。

针对两相接地短路，可以采用负序分量和零序分量结合的方法来求取偏移角并确定附加电压降落。存在下列关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fb}=(a^2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f1}+a{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0})\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f1}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0}=0\end{array}\right.---\left(20\right)$

公式(20)中，为短路点正序电流，为短路点负序电流。

故 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fb}=(a-a^2){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+(1-a^2){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0},$ 同理 ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fc}=(a^2-a){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+(1-a){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0}.$ 进而有：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{fbc}=2\left(a^2-a\right){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+\left(a-a^2\right){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0}=\left(a-a^2\right)\left(2{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}+{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f0}\right)\\ =\left(a-a^2\right)\left(2\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{f2}}{Z_2}+\frac{{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{f0}}^{\&prime;}}{Z_0+3Z_g}\right)\\ =\left(a-a^2\right){\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{f2}\left(\frac{2\left(Z_0+3Z_g\right)+Z_2}{Z_0\left(Z_0+3Z_g\right)}\right)\\ =\left(a-a^2\right){\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{f2}\left(\frac{2\left(Z_0+3Z_g\right)+Z_2}{Z_0+3Z_g}\right)\end{array}---\left(21\right)$

公式(21)中，为两相接地短路时序分量网络中零序网络的端口电压，为两相接地短路时序分量网络中负序网络的端口电压，Z₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序阻抗，Z_g为过渡电阻，Z₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序阻抗。与的夹角包括两部分，第一部分为(a-a²)，其值为90°，针对另一部分，有：

$\begin{array}{c}\frac{2(Z_0+3Z_g)+Z_2}{Z_0+3Z_g}=\frac{2R_0+2{\mathrm{jX}}_0+6R_g+R_2+{\mathrm{jX}}_2}{R_0+{\mathrm{jX}}_0+3R_g}\\ =\frac{\left(2R_0+6R_g+R_2+j\left(X_2+X_0\right)\right)\left(R_0+3R_g-{\mathrm{jX}}_0\right)}{\left(R_0+3R_g+{\mathrm{jX}}_0\right)\left(R_0+3R_g-{\mathrm{jX}}_0\right)}\end{array}---\left(22\right)$

公式(22)中，R₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序电阻，X₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序电抗，R₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序电阻，X₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序电抗。

由于R₀、R₂较小而X₀、X₂很大，忽略R₀、R₂得：

$\arg \left(\frac{2(Z_0+3Z_g)+Z_2}{Z_0+3Z_g}\right)\&ap;\arg (18R_g^2+2X_0^2+X_2{X}_0+j(3X_2{R}_g\left)\right)---\left(23\right)$

式(23)代表的夹角实部恒大于0，虚部恒大于0，位于第一象限上。将其用正切的形式表现出来，有：

$tan\left(\arg \right(18R_g^2+2X_0^2+X_2{X}_0+j\left(3X_2{R}_g\right)\left)\right)=\frac{3X_2{R}_g}{18R_g^2+2X_0^2+X_2{X}_0}---\left(24\right)$

对式(24)求导得：过渡电阻R_g＝0时导数为正，而随着R_g的增大导数逐渐小于零，可见角度的正切值为关于过渡电阻R_g的凸函数，存在顶点。即满足时角度正切值最大，此时有的等式此时该部分夹角γ取最大值。当R_g无法取到顶点时，取R_g的端点取值，计算出角度的较大者即为夹角γ。

所以，与的夹角为90°+γ。在两相接地短路情况下，ψ包括三部分，分别为固定偏差90°、估计偏差角γ、故障负序电流与测量负序电流间的夹角θ₂以及测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂。与两相短路类似，有：

θ₂＝arg[(R_L2+jX_L2)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[jX_Tn+R_L2+jX_L2)](25)

测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得。两相短路接地情况下的过渡电阻电压偏移角计算公式为：ψ＝θ₂+δ₂+γ+90°。

综合各种短路故障后可得：

依据上述原理，本发明提供的基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法包括：

步骤1：采集数据，包括距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角。

步骤2：计算距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗。

距离保护安装处的测量阻抗的计算公式为其中，为距离保护安装处的电压，为距离保护安装处的电流。

自适应距离保护整定阻抗计算公式为Z_set＝k₁k_ak_m|Z_MN|。其中，k₁为可靠系数，取1.3-1.5，k_m为自适应整定系数且为距离保护整定范围内的线路阻抗角，为距离保护安装处的电压与距离保护安装处的电流的相角差，k_a即过渡电阻补偿系数，Z_MN为距离保护整定范围内的线路阻抗边界值。

θ₀为故障零序电流与测量零序电流间的夹角且θ₀＝arg[(R_L0+jX_L0)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[(R_L0+jX_L0)+jX_Tn]。R_L0为线路的零序电阻，X_L0为线路的零序电抗，X_Tm为双端发电机中的一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗；X_Tn为双端发电机中的另一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗。

θ₂为故障负序电流与测量负序电流间的夹角且θ₂＝arg[(R_L2+jX_L2)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[jX_Tn+R_L2+jX_L2)]。R_L2为线路的负序电阻，X_L2为线路的负序电抗，j为虚数单位。

Z₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序阻抗，Z₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序阻抗，Z_g为过渡电阻。

步骤3：根据距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，确定是否发送跳闸信号或者闭锁信号。该步骤包括如下子步骤：

子步骤101：建立以阻抗平面原点为圆心，自适应距离保护整定阻抗的幅值为半径的自适应距离保护动作判据全阻抗圆。

子步骤102：当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护的保护范围时，进行如下动作：

A、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆内及圆上时，判断保护范围内发生了短路，发送跳闸信号；

B、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆外时，判断线路正常运行，发送闭锁信号。

实施例2

下面通过仿真过程验证上述系统和方法的正确性和合理性。图7是500kV两机系统，以图7所示的系统作为仿真系统。

根据短路故障类型及过渡电阻的影响，仿真验证总共分成四个部分：

第一部分：系统发生三相短路时的故障判断；

第二部分：系统发生金属性单相短路的故障判断和系统发生存在过渡电阻影响的单相短路的故障判断；

第三部分：系统发生金属性两相短路的故障判断和系统发生存在过渡电阻影响的两相短路的故障判断；

第四部分：系统发生金属性两相短路接地的故障判断和系统发生存在过渡电阻影响的两相短路接地的故障判断。

下面就系统可能发生的四种短路类型和过渡电阻的影响进行仿真验证。

A.系统发生三相短路

取ψ＝0°，k_a＝1，当线路MN靠近M侧40％处0.5s时发生三相短路故障，整个仿真过程如图8所示。此时，|Z_set|＝k_lk_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为1.001，故|Z_set|＝73.2908。Z_m由测量电压U_mA与测量电流I_mA计算得出，其值为22.6068。判据|Z_m|<|Z_set|成立。由图8可看出，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

对整个线路不同位置发生三相短路进行仿真验证，仿真结果如图9所示。从图9可知，自适应距离保护可以可靠识别线路保护范围内发生的三相故障。

B.系统发生金属性单相短路和系统发生存在过渡电阻影响的单相短路。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生金属性A相短路故障，整个仿真过程如图10所示。根据式(18)求得θ₀为最大估计值0.366度，测量零序电流与测量电流间的夹角δ₀可直接测得，为0.73度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₀+δ₀＝1.096°，k_a按照式(27)计算为1.000。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为1.000，故|Z_set|＝73.2869。Z_m由测量电压U_mA与测量电流I_mA+3kI₀计算得出，其值为22.6042。判据|Z_m|<|Z_set|成立。如图10所示，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生高过渡电阻A相短路故障，整个仿真过程如图11所示。由于是500kV线路，取低过渡电阻为100欧姆，高过渡电阻为300欧姆。根据式(18)求得θ₀为最大估计值0.366度，测量负序电流与测量电流间的夹角δ₀可直接测得，为4.7235度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₀+δ₀＝5.0895°，k_a按照式(27)计算为1.891。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为5.4079，故|Z_set|＝749.4445。Z_m由测量电压U_mA与测量电流I_mA+3kI₀计算得出，其值为218.2263。判据|Z_m|<|Z_set|成立。从图11可发现，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

整个线路MN不同位置及不同过渡电阻大小情况下发生A相短路进行仿真验证，仿真结果如图12所示。通过图12可以发现自适应距离保护可以可靠识别线路保护范围内发生的单相故障，抗过渡电阻干扰能力强。

C.系统发生金属性两相短路和系统发生存在过渡电阻影响的两相短路。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生金属性BC相短路故障，整个仿真过程如图13所示。根据公式(19)求得θ₂为最大估计值0.307度，测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得，为-86.9857度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₂+δ₂+90°＝-1.679°，k_a按照公式(27)计算为1.000。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，由于过渡电阻电压偏移角为负值，k_m为1，故|Z_set|＝73.2872。Z_m由测量电压U_mBC与测量电流I_mBC计算得出，其值为22.6052。判据|Z_m|<|Z_set|成立。从图13可看出，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生高过渡电阻BC两相短路故障为例，由于是500kV线路，取低过渡电阻为100欧姆，高过渡电阻为300欧姆进行仿真验证，整个仿真过程如图14所示。根据公式(19)求得θ₂为最大估计值0.307度，测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得，为-87.8951度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₂+δ₂+90°＝2.1049°，k_a按照公式(27)计算为1.346。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为6.2253，故|Z_set|＝614.2323。Z_m由测量电压U_mBC与测量电流I_mBC计算得出，其值为181.6311。判据|Z_m|<|Z_set|成立。从图14可看出，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

对整个线路MN不同位置及不同过渡电阻大小情况下发生BC两相短路进行仿真验证，仿真结果如图15所示。通过图15可以发现自适应距离保护可以可靠识别线路保护范围内发生的两相故障，抗过渡电阻干扰能力强。

D.系统发生金属性两相接地短路和系统发生存在过渡电阻影响的两相接地短路。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生金属性BC两相接地短路故障，整个仿真过程如图16所示。此时，根据公式(25)求得θ₂为最大估计值0.307度，根据公式(22)-(24)求得估计偏差角γ为5.599度，测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得，为-92.7722度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₂+δ₂+90°+γ＝3.134°，k_a按照公式(27)计算为1.000。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为1，故|Z_set|＝73.2878。Z_m由测量电压U_mBC与测量电流I_mBC计算得出，其值为22.6052。判据|Z_m|<|Z_set|成立。如图16所示，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

当线路MN靠近M侧40％处0.5s时，发生高过渡电阻BC两相接地短路故障为例，由于是500kV线路，取低过渡电阻为100欧姆，高过渡电阻为300欧姆进行仿真验证，整个仿真过程如图17所示。此时，根据公式(25)求得θ₂为最大估计值0.307度，根据公式(22)-(24)求得估计偏差角γ为5.599度，测量负序电流与测量电流间的夹角δ₂可直接测得，为-84.325度，过渡电阻电压偏移角ψ＝θ₂+δ₂+90°+γ＝11.581°，k_a按照公式(27)计算为3.289。|Z_set|＝k_lk_ak_m|Z_MN|，k_l取1.3，|Z_MN|为56.3741，k_m由公式计算，其值为6.4012，故|Z_set|＝1542.9。Z_m由测量电压U_mBC与测量电流I_mBC计算得出，其值为281.2349。判据|Z_m|<|Z_set|成立。由图17可看出，正常运行时，测量阻抗大于整定值，保护闭锁，0.5秒发生故障后，保护整定值自适应调整，测量阻抗小于整定值，可靠识别故障。

对整个线路MN不同位置及不同过渡电阻大小情况下发生BC两相接地短路进行仿真验证，仿真结果如图18所示。通过图18可以发现自适应距离保护可以可靠识别线路保护范围内发生的两相接地故障，抗过渡电阻干扰能力强。

由上述仿真结果可见，自适应距离保护在考虑过渡电阻影响和不考虑过渡电阻影响两种情况下均可有效判断各种短路故障，在保护范围出现短路故障能够可靠动作，在正常运行、区外故障情况下不动作。

本发明从基于本地信息识别故障的角度出发，重点关注距离保护易受短路点过渡电阻影响的问题。基于PSCAD/EMTDC平台的算例验证结果表明，该系统具有以下特点：

(1)构成保护的测量信息均为本地信息，不依赖于通信，决策快速，且构成方法简单，未添加测量装置和设备，易于实现；

(2)在电力系统运行方式发生变化的情况下，能通过计算自适应系数k_m，实时修正保护整定值，以实现保护正确动作；

(3)针对距离保护易受短路点过渡电阻影响的问题，通过利用测量负序和零序分量，确定过渡电阻电压偏移角，求取过渡电阻补偿系数，提高了该自适应距离保护的抗过渡电阻干扰能力。仿真结果充分验证了该自适应距离保护具有高抗过渡电阻能力。

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 (2)

1.一种基于虚拟电压降落的自适应距离保护方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集数据，包括距离保护安装处的电压、距离保护安装处的电流、距离保护安装处的测量零序电流与测量电流间的夹角、距离保护安装处的测量负序电流与测量电流间的夹角、距离保护整定范围内的线路阻抗边界值和距离保护整定范围内的线路阻抗角；

步骤2：计算距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗；

步骤3：根据距离保护安装处的测量阻抗和自适应距离保护整定阻抗，确定是否发送跳闸信号或者闭锁信号；

所述距离保护安装处的测量阻抗的计算公式为：

其中，Z_m为距离保护安装处的测量阻抗；

为距离保护安装处的电压；

为距离保护安装处的电流；

所述自适应距离保护整定阻抗的计算公式为：Z_set＝k₁k_ak_m|Z_MN|；

其中，Z_set为自适应距离保护整定阻抗；

k₁为可靠系数；

k_m为自适应整定系数且

为距离保护整定范围内的线路阻抗角；

为距离保护安装处的电压与距离保护安装处的电流的相角差；

k_a为过渡电阻补偿系数且

ψ为过渡电阻电压偏移角，在三相短路时，ψ＝0；在单相短路时，ψ＝θ₀+δ₀，θ₀为故障零序电流与测量零序电流间的夹角，δ₀为测量零序电流与测量电流间的夹角；在两相短路时，ψ＝θ₂+δ₂+90°，θ₂为故障负序电流与测量负序电流间的夹角，δ₂为测量负序电流与测量电流间的夹角；在两相接地短路时，ψ＝θ₂+δ₂+90°+γ，γ为估计偏差角；

θ₀＝arg[(R_L0+jX_L0)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[(R_L0+jX_L0)+jX_Tn]；

θ₂＝arg[(R_L2+jX_L2)+j(X_Tm+X_Tn)]-arg[jX_Tn+(R_L2+jX_L2)]；

R_L0为线路的零序电阻；

X_L0为线路的零序电抗；

X_Tm为双端发电机中的一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗；

X_Tn为双端发电机中的另一端发电机到线路两侧中与之最近的一侧的零序电抗；

R_L2为线路的负序电阻；

X_L2为线路的负序电抗；

j为虚数单位；

$\mathrm{\&gamma;}=\arg \left(\frac{2(Z_0+3Z_g)+Z_2}{Z_0+3Z_g}\right);$

Z₀为两相接地短路时序分量网络中零序网络的零序阻抗；

Z₂为两相接地短路时序分量网络中负序网络的负序阻抗；

Z_g为过渡电阻；

Z_MN为距离保护整定范围内的线路阻抗边界值。

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征是所述步骤3包括如下子步骤：

子步骤101：建立以阻抗平面原点为圆心，自适应距离保护整定阻抗的幅值为半径的自适应距离保护动作判据全阻抗圆；

子步骤102：当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护的保护范围时，进行如下动作：

A、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆内或圆上时，判断保护范围内发生了短路，发送跳闸信号；

B、当距离保护安装处的测量阻抗落入自适应距离保护动作判据全阻抗圆外时，判断线路正常运行，发送闭锁信号。