CN104076248A - 一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，包括：分别获取智能配电网故障发生后方向元件安装处的测量电压U_m、测量电流I_m以及母线正序电压U_m1；设定一个工作电压U_op；判定故障方向。本发明有益效果：限定最小值可以保证保护范围最末端发生经小于最大过渡电阻短路时均能正确动作，且反方向故障具有较高可靠性；本发明具有不存在电压死区，耐受过渡电阻能力强，工作特性稳定，且不受配电网系统运行方式变化大，分布式电源差异明显，负荷类型复杂等工况影响的特点。

Description

一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种基于正序极化电压相位比较的智能配电网故障方向判定方法。

背景技术

近年来，大量类型各异、容量不等的分布式电源接入配电网，接入水平的提高使得故障时分布式电源输出的短路电流足以引起保护的动作，仅依赖定值配合保证过流保护选择性的方案不能满足新情况的要求。在原有保护基础上配置故障方向元件，根据故障方向判断结果决定保护闭锁还是开放是解决该问题的有效途径。方向元件准确、可靠的判断出故障来源对隔离故障、维护电力系统正常运行有着重要意义。

正序分量存在于各种类型的故障中，具有获取方便，稳定可靠等优点，且故障前后正序电压相位基本保持不变，正序分量保护原理的应用非常广泛，受到人们的普遍重视。利用极化电压判断故障方向不存在电压死区，耐受过渡电阻能力强，工作特性稳定，被广泛应用在输电系统判断故障方向。传统极化电压方向元件整定阻抗通常根据输电距离的长短进行整定，配电网存在输电距离短，分支较多，负荷类型复杂等特点，且对于含有分布式电源的智能配电网系统运行方式变化大，分布式电源差异明显，负荷类型复杂，按照传统方案整定方向元件难以达到在各种情况下都能正确判断故障方向的目的。

专利200410102438.7公开了一种正负序故障分量方向判别方法，该方法通过故障分量得到一类计算阻抗，根据计算阻抗在阻抗平面中的位置与电抗线(0.4线路阻抗处做线路阻抗的垂线而得到)的位置关系，判断故障方向，根据故障类型启动相应的保护。该发明尽管提高了反向元件的动作可靠性，但是仅能应用在运行方式稳定，输电距离较长的输电系统中，在配电网中判断故障方向存在较大的局限性，且很难应用于故障全过程。

专利201210310873.3公开了一种输电线路维护技术领域中的一种输电线路故障方向计算方法。该方法通过比较故障电流分量与负荷电流分量之间的相位差，判断故障方向。该方向元件仅能应用在功率单向流动的输电线路，对于含有分布式电源的配电线路，由于分布式电源出力不固定，潮流分布会经常发生变化，导致该方向元件无法正确判断故障方向。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题,提出了一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，该方法通过比较定义工作电压与母线正序电压相位差判断故障方向，整定阻抗幅值等于负荷阻抗的幅值，相位取输电线路阻抗角，既可以保证方向元件的可靠性，又可以在故障全过程中灵敏的判断故障方向，具有方向性明确、不存在电压死区、受过渡电阻的影响小、判据灵敏度高等优点，对系统运行方式变化大、包含各种分布式电源与补偿装置、及负荷类型复杂的智能配电网有较强的适应性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，包括以下步骤：

(1)分别获取智能配电网故障发生后方向元件安装处的测量电压U_m、流过保护安装处的测量电流I_m以及保护安装处母线正序电压U_m1；

(2)设定一个工作电压U_op，另U_op＝U_m-I_m·Z_set，其中，Z_set为整定阻抗，U_m为故障发生后方向元件安装处的测量电压，I_m为流过保护安装处的测量电流；

(3)当满足关系式时，判定被保护线路上发生的是正向故障；当满足关系式时，判定被保护线路上发生的是反向故障。

所述步骤(2)中整定阻抗Z_set的幅值由U_m(0)和I_m(0)的比值决定，整定阻抗Z_set的相角等于智能配电网输电线路的阻抗角，U_m(0)、I_m(0)分别为系统正常运行时保护安装处的测量电压和测量电流。

所述整定阻抗Z_set的幅值的确定方法具体为：

当|U_m(0)/I_m(0)|≥|Z_set.min|时，整定阻抗的幅值|Z_set|＝|U_m(0)/I_m(0)|；当|U_m(0)/I_m(0)|＜|Z_set.min|时，整定阻抗的幅值|Z_set|＝|Z_set.min|；

其中，Z_set.min为整定阻抗的最小值，U_m(0)、I_m(0)为系统正常运行时保护安装处的测量电压和测量电流。

保护安装在变电站内，测量的是变电站母线电压和流过被保护线路的电流，即保护安装处的测量电流和测量电压。

所述整定阻抗的最小值Z_set.min为：

$Z_{\mathrm{set}.\min }=Z_l+R_{\lim }\·\frac{Z_l}{\left|Z_l\right|}$

其中，Z_l为保护动作范围线路阻抗；R_lim为过渡电阻门槛值，表示方向元件允许过渡电阻的能力；|Z_l|为被保护线路阻抗的模值。

本发明有益效果：

(1)采用正序极化电压构成判据，具有不存在电压死区、受负荷电流影响小、耐受过渡电阻能力强等优点；

(2)通过比较工作电压与正序极化电压相位差确定故障方向，工作稳定，能应用与故障全过程，且不受故障类型的影响，便于实现；

(3)整定阻抗大小等于负荷阻抗，不仅能够保证发生正向故障时可靠动作，而且可以避免因整定阻抗过大而导致反方向故障时方向元件误动的发生。

附图说明：

图1是双端电源供电网络示意图；

图2是发生正方向故障时故障电压的分布图；

图3是发生正方向故障时判定为正向故障区域示意图；

图4是发生反方向故障时故障电压的分布图；

图5是发生反方向故障时判定为反向故障区域示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的说明。

1.发生正方向故障时方向元件性能分析

当图1中F1位置发生故障时，工作电压U_op与测量电压U_m之间的关系如图2所示，对于M母线右侧方向元件属于正方向故障。

在双端电源系统中，当发生正方向故障时，正序电压故障前后相位基本一致，可近似认为故障后正序极化U_m1相位等于故障前母线电压U_m(0)相位，而U_m(0)的相位等于系统电源电压E₁的相位，因此：

$\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{U_{\mathrm{ml}}}\right)\≈\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{E_1}\right)---\left(1\right)$

对可以做如下等效变换：

E₁＝I_m·Z_M+U_m＝I_m·(Z_M+Z_m)        (2)

$\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{U_{\mathrm{ml}}}\right)\≈\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{E_1}\right)=\arg \left(\frac{Z_m-Z_{\mathrm{set}}}{Z_M+Z_m}\right)---\left(3\right)$

则本章方向元件的判据表达式变成：

此时方向元件的动作区域如图3中所示。对于方向元件正方向发生的三相金属性接地短路故障，Z_m与Z_set相位相同，此时方向元件灵敏度最好，可靠性最高。随着过渡电阻的增大，两者的相位差逐渐增加，但是只要Z_m能够落在以|Z_set+Z_M|为直径的圆内，如图3中所示，方向元件就可以判断为正向故障。按照本章所述的整定原则，Z_set整定为负荷阻抗，以|Z_set+Z_M|为直径足以保证能够引起保护动作故障的Z_m均落在圆内。方向元件的动作区域包括原点，表示其对于出口短路故障仍能够可靠动作，不存在电压死区，基于正序极化电压方向元件对正方向故障能够可靠动作。

2.发生反方向故障时正方向元件判据性能分析

当图1中F2位置发生故障时，工作电压U_op与测量电压U_m之间的关系如图4所示，对于M母线右侧方向元件属于反方向故障。

反方向故障时同样可以得到：

$\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{U_{\mathrm{ml}}}\right)\≈\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{E_2}\right)---\left(5\right)$

对可以做如下等效变换：

E₂＝-I_m·Z_N+U_m＝-I_m·(Z_N+Z_m)       (6)

$\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{U_{\mathrm{ml}}}\right)\≈\arg \left(\frac{U_{\mathrm{op}}}{E_2}\right)=\arg \left(\frac{Z_m+Z_{\mathrm{set}}}{Z_N+Z_m}\right)---\left(7\right)$

此时本章方向元件的判据表达式变为：

从式(8)中可以看出，对于三相短路故障或金属性短路故障，很容易得到方向元件判据不满足，可靠判断为反向故障。将上式转换成图形表示，如图5中所示，即为判断-Z_m能否落在下图中以Z_set-Z_N为直径的圆内，显然-Z_m向量终点仅可能落在第四象限，而以Z_set-Z_N为直径的圆总是落在第一象限，所以方向元件总能够可靠判断为反向故障。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)分别获取智能配电网故障发生后方向元件安装处的测量电压U_m、流过保护安装处的测量电流I_m以及保护安装处母线正序电压U_m1；

(2)设定一个工作电压U_op，另U_op＝U_m-I_m·Z_set，其中，Z_set为整定阻抗，U_m为故障发生后方向元件安装处的测量电压，I_m为流过保护安装处的测量电流；

(3)当满足关系式时，判定被保护线路上发生的是正向故障；当满足关系式时，判定被保护线路上发生的是反向故障。

2.如权利要求1所述的一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，其特征是，所述步骤(2)中整定阻抗Z_set的幅值由U_m(0)和I_m(0)的比值决定，整定阻抗Z_set的相角等于智能配电网输电线路的阻抗角，U_m(0)、I_m(0)分别为系统正常运行时保护安装处的测量电压和测量电流。

3.如权利要求2所述的一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，其特征是，所述整定阻抗Z_set的幅值的确定方法具体为：

当|U_m(0)/I_m(0)|≥|Z_set.min|时，整定阻抗的幅值|Z_set|＝|U_m(0)/I_m(0)|；当|U_m(0)/I_m(0)|＜|Z_set.min|时，整定阻抗的幅值|Z_set|＝|Z_set.min|；

其中，Z_set.min为整定阻抗的最小值，U_m(0)、I_m(0)为系统正常运行时保护安装处的测量电压和测量电流。

4.如权利要求3所述的一种基于正序极化电压相位比较的故障方向判定方法，其特征是，所述整定阻抗的最小值Z_set.min为：

$Z_{\mathrm{set}.\min }=Z_l+R_{\lim }\·\frac{Z_l}{\left|Z_l\right|}$

其中，Z_l为保护动作范围线路阻抗；R_lim为过渡电阻门槛值，表示方向元件允许过渡电阻的能力；|Z_l|为被保护线路阻抗的模值。