CN105958450A - 半波长输电线路快速电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半波长输电线路快速电流差动保护方法，包括：对于m侧，检测到半波长线路发生短路故障后，线路m侧的电流差动保护装置采集到线路m侧的三相电压和三相电流，并通过凯伦贝尔变换矩阵转换模量电压和模量电流；计算得到线路n侧的模量电压和模量电流的计算值；用半波傅里叶算法对线路n侧电压电流进行计算，得到线路n侧的电压电流相量计算值；求出未发生故障时线路n侧电流向量；计算电流差动保护的各相的动作量，进行故障判断。本发明具有不受线路分布电容电流影响的优点，适用于半波长输电线路故障的判别和切除。

Description

半波长输电线路快速电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护控制领域。

背景技术

半波长输电线路是能源互联网建设中使用的重要输电线路，半波长线路保护是建设半波长线路过程中所必须考虑的问题。但是，由于特高压半波长输电线路输电距离远，电气特征与现有特高压线路存在较大差异，传统的继电保护原理无法满足半波输电线路要求。常规距离保护会由于半波长线路区内、外不同位置故障时，测量阻抗存在相同情况而失效。由于沿线电压分布变化较大，常规差动保护现有的补偿方法无法准确补偿电容电流，也会导致常规差动保护失效。为了保证半波长输电线路的安全可靠运行，要求在故障发生后半波长保护能尽量快速的动作。但是，由于半波长线路过长，线路的通信时延将严重影响保护动作的速度。针对这一现状，有必要对半波长输电线路的保护方法进行深入的研究。

发明内容

针对半波长输电线路缺乏快速可靠的继电保护问题，本发明提出一种基于贝瑞隆线路模型、仅利用单端电气量、能够保护线路全长的电流差动保护方法。技术方案如下：

一种半波长输电线路快速电流差动保护方法，设保护侧为m侧，包括步骤如下：

1)检测到半波长线路发生短路故障后，线路m侧的电流差动保护装置采集到线路m侧的三相电压和三相电流分别为其中，代表a相、b相或c相，将通过凯伦贝尔变换矩阵S转换为三个模量电压u_mμ和三个模量电流i_mμ，其中，μ代表0模、α模或β模，变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{m0}\\ u_{m\mathrm{\α}}\\ u_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{u}_{ma}\\ u_{mb}\\ u_{mc}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{m0}\\ i_{m\mathrm{\α}}\\ i_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{i}_{ma}\\ i_{mb}\\ i_{mc}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，

2)基于贝瑞隆线路模型及计算方程，利用线路m侧的模量电压u_mμ和模量电流i_mμ，计算得到线路n侧的模量电压和模量电流的计算值u_nmμ、i_nmμ，计算方程如下：

[u_nmμ(t) i_nmμ(t)]^T＝T[u_mμ(t) i_mμ(t)]^T (2)

式中，T是贝瑞隆线路模型的传输矩阵，由线路参数决定；

将计算得到的线路n侧模量电压和模量电流计算值u_nmμ、i_nmμ通过凯伦贝尔反变换变换成线路n侧三相电压和三相电流的计算值反变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{nma}\\ u_{nmb}\\ u_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_{nm0}\\ u_{nm\mathrm{\α}}\\ u_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{nma}\\ i_{nmb}\\ i_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{i}_{nm0}\\ i_{nm\mathrm{\α}}\\ i_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，

3)用半波傅里叶算法对线路n侧电压电流进行计算，得到线路n侧的电压电流相量计算值

4)将代入式(4)求出未发生故障时线路n侧电流向量

5)计算电流差动保护的各相的动作量并依据下式进行故障判断：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dI}}_a>K\·\max ({\mathrm{dI}}_b,{\mathrm{dI}}_c)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_b>K\·\max ({\mathrm{dI}}_c,{\mathrm{dI}}_a)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_c>K\·\max ({\mathrm{dI}}_a,{\mathrm{dI}}_b)+I_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，K为比例系数，I_s为固定门槛；

当式(5)的任一项满足时，则判定为半波长线路内部故障，动作于跳闸；同时，根据式(5)中三个判定条件的动作情况，给出故障相别。

本发明的有益效果如下：

半波长输电线路的输电距离长达3000km，其电气特征与现有超、特高压输电线路存在本质差异，传统的继电保护原理无法满足半波长输电线路的要求。本方法在本质上仍利用了基于贝瑞隆模型的电流差动保护，具有不受线路分布电容电流影响的优点，从而可以适用于半波长输电线路故障的判别和切除。

针对常规电流差动保护方法在半波长线路上动作速度较慢的问题，本方法充分利用半波长输电线路首末端电压、电流相量关系，省去了将对侧测量值传输到本侧的通信过程，从而提高了保护动作速度。理论上，保护动作时间可以缩短τ。

本方法仅利用单端电气量实现电流差动保护，并能够保护线路全长。

附图说明

图1为线路内部故障发生时m侧测量示意图。

图2为线路任一模量等效电路示意图。

图3为线路反变换后n侧电气量示意图。

具体实施方式

半波长输电线路的继电保护应该能够在故障发生后正确、快速的动作。然而，半波长输电线路的输电距离长达3000km，其电气特征与现有超、特高压输电线路存在本质差异，传统的继电保护原理无法满足半波长输电线路的要求。

基于贝瑞隆模型的电流差动保护虽然有效解决了长线路的电容电流补偿问题，但是受到半波长输电线路的通信时延的影响，该差动保护方法应用于半波长线路时仍存在动作速度较慢的缺陷。因此，本发明提出了一种基于贝瑞隆线路模型、仅利用单端电气量、能够保护线路全长的电流差动保护新方法。

具体步骤如下：(以m侧保护为例)

1、如图1所示，假设半波长线路在t＝0的时刻发生短路故障，线路m侧的电流差动保护装置采集到线路m侧的三相电压和三相电流分别为(其中，代表a相、b相或c相)。

2、将采样得到的线路m侧的三相电压和三相电流(其中，代表a相、b相或c相)。通过凯伦贝尔变换矩阵S转换为三个模量电压u_mμ和三个模量电流i_mμ(其中，μ代表0模、α模或β模)。

变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{m0}\\ u_{m\mathrm{\α}}\\ u_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{u}_{ma}\\ u_{mb}\\ u_{mc}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{m0}\\ i_{m\mathrm{\α}}\\ i_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{i}_{ma}\\ i_{mb}\\ i_{mc}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中所用变换矩阵S即凯伦贝尔变换矩阵，

3、如图2所示，基于贝瑞隆线路模型及计算方程，利用线路m侧的模量电压u_mμ和模量电流i_mμ，计算得到线路n侧的模量电压和模量电流的计算值u_nmμ、i_nmμ。计算方程如下所示：

[u_nmμ(t) i_nmμ(t)]^T＝T[u_mμ(t) i_mμ(t)]^T (2)

式中，T是贝瑞隆线路模型的传输矩阵，可以表示为其中：

$A=-D=De\left(\mathrm{\τ}\right)\[\frac{1}{2}+\frac{r^2}{32z_c^2}+\frac{r}{4z_c}\]+De(-\mathrm{\τ})\[\frac{1}{2}+\frac{r^2}{32z_c^2}-\frac{r}{4z_c}\]-\frac{r^2}{16z_c^2}$

$B=-De\left(\mathrm{\τ}\right)\[\frac{3r}{8}+\frac{3r^2}{32z_c}+\frac{z_c}{2}+\frac{r^3}{128z_c^2}\]-De(-\mathrm{\τ})\[\frac{3r}{8}-\frac{3r^2}{32z_c}-\frac{z_c}{2}+\frac{r^3}{128z_c^2}\]-\frac{r}{4}+\frac{r^3}{64z_c^2}$

$C=De\left(\mathrm{\τ}\right)\[\frac{1}{2z_c}+\frac{r}{8z_c^2}\]+De(-\mathrm{\τ})\[-\frac{1}{2z_c}+\frac{r}{8z_c^2}\]-\frac{r}{4z_c^2}$

其中，De(τ)定义为延迟因子，即f(t+τ)＝De(τ)f(t)。这里l是半波长线路全长，即l＝3000km；v是电磁波传播速度，即v＝3×10⁵km/s；因此τ＝10ms。z_c表示线路的波阻抗，r为半波长线路全长的电阻。

4、将计算得到的线路n侧模量电压和模量电流计算值u_nmμ、i_nmμ(μ代表0模、α模或β模)。通过凯伦贝尔反变换变换成线路n侧三相电压和三相电流的计算值(代表a相、b相或c相)。(如图3所示)

反变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{nma}\\ u_{nmb}\\ u_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}-\left[\begin{array}{c}{u}_{nm0}\\ u_{nm\mathrm{\α}}\\ u_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{nma}\\ i_{nmb}\\ i_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}-\left[\begin{array}{c}{i}_{nm0}\\ i_{nm\mathrm{\α}}\\ i_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中所用变换矩阵S^-1即凯伦贝尔变换矩阵的逆矩阵，

5、由于第三步的贝瑞隆模型计算需要时间τ＝10ms的延时，因此在故障发生后的10ms之后，利用m侧当前时刻的电压电流就可以计算得到线路n侧在t＝0时刻的电压电流。同理，随着故障时间的推移，故障发生后的20ms时，利用m侧当前时刻的电压电流就可以计算得到线路n侧在t＝10ms时刻的电压电流。当线路n侧电压电流的计算值满足半波傅里叶或者全波傅里叶算法的时间窗要求后，即可计算得到线路n侧的电压电流相量计算值(代表a相、b相或c相)。

另外，半波长线路的物理特性决定了它相当于一个变比为-1的变压器，即无损半波长线路两端的电压电流相量关系满足下式：

由式(2)即可得到半波长线路在没有发生故障的情况下，线路n侧的电流相量与线路m侧电流相量是相等的。

6、计算电流差动保护的各相的动作量由基于贝瑞隆模型的电流差动保护原理可知，当被保护线路内部无故障时(包括稳态运行和区外故障)，应有即各相动作量为零；当线路发生区内故障时，故障相动作量就是短路点电流，非故障相动作量为零。

7、最终对于安装在线路m侧的保护装置，本保护方法的判据可以表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dI}}_a>K\·\max ({\mathrm{dI}}_b,{\mathrm{dI}}_c)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_b>K\·\max ({\mathrm{dI}}_c,{\mathrm{dI}}_a)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_c>K\·\max ({\mathrm{dI}}_a,{\mathrm{dI}}_b)+I_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，K为比例系数，I_s为固定门槛；

当式(5)的任一项满足时，则判定为半波长线路内部故障，动作于跳闸；同时，根据式(5)中三个判定条件的动作情况，给出故障相别。

对于安装在n侧的保护装置，以上保护动作过程完全相同。

Claims (2)

1.半波长输电线路快速电流差动保护方法，设保护侧为m侧，包括步骤如下：

1)检测到半波长线路发生短路故障后，线路m侧的电流差动保护装置采集到线路m侧的三相电压和三相电流分别为其中，代表a相、b相或c相，将通过凯伦贝尔变换矩阵S转换为三个模量电压u_mμ和三个模量电流i_mμ，其中，μ代表0模、α模或β模，变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{m0}\\ u_{m\mathrm{\α}}\\ u_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{u}_{ma}\\ u_{mb}\\ u_{mc}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{m0}\\ i_{m\mathrm{\α}}\\ i_{m\mathrm{\β}}\end{array}\right]=S\left[\begin{array}{c}{i}_{ma}\\ i_{mb}\\ i_{mc}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，

2)基于贝瑞隆线路模型及计算方程，利用线路m侧的模量电压u_mμ和模量电流i_mμ，计算得到线路n侧的模量电压和模量电流的计算值u_nmμ、i_nmμ，计算方程如下：

[u_nmμ(t) i_nmμ(t)]^T＝T[u_mμ(t) i_mμ(t)]^T (2)

式中，T是贝瑞隆线路模型的传输矩阵，由线路参数决定；

将计算得到的线路n侧模量电压和模量电流计算值u_nmμ、i_nmμ通过凯伦贝尔反变换变换成线路n侧三相电压和三相电流的计算值反变换过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u}_{nma}\\ u_{nmb}\\ u_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{u}_{nm0}\\ u_{nm\mathrm{\α}}\\ u_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{i}_{nma}\\ i_{nmb}\\ i_{nmc}\end{array}\right]=S^{-1}\left[\begin{array}{c}{i}_{nm0}\\ i_{nm\mathrm{\α}}\\ i_{nm\mathrm{\β}}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，

3)用半波傅里叶算法对线路n侧电压电流进行计算，得到线路n侧的电压电流相量计算值

4)将代入式(4)求出未发生故障时线路n侧电流向量

5)计算电流差动保护的各相的动作量并依据下式进行故障判断：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dI}}_a>K\·\max \left({\mathrm{dI}}_b,{\mathrm{dI}}_c\right)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_b>K\·\max \left({\mathrm{dI}}_c,{\mathrm{dI}}_a\right)+I_s\\ {\mathrm{dI}}_c>K\·\max \left({\mathrm{dI}}_a,{\mathrm{dI}}_b\right)+I_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，K为比例系数，I_s为固定门槛；

当式(5)的任一项满足时，则判定为半波长线路内部故障，动作于跳闸；同时，根据式(5)中三个判定条件的动作情况，给出故障相别。

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，K一般取值约为0.1～0.3；I_s一般可以取为300A。