CN106253241B - 一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法 - Google Patents

一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法，包括顺序连接的信息采集模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；信息采集模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；保护振荡闭锁模块用于根据阻抗继电器的动作顺序与时限判断系统是否发生振荡并闭锁保护；保护再开放模块用于区分系统振荡与对称性故障，在识别故障后再开放保护。在系统生多频振荡时可靠闭锁保护，保护不会因振荡误动；系统发生对称性故障时，能够快速准确开放保护，不受故障时刻的影响；系统振荡前初始运行状态和系统等效电势频率的变化不会对本方案的正确动作产生影响。

Description

一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别是涉及一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法。
背景技术
随着我国社会与经济的发展，能源及电力发展方式发生转变，能源与电力的组成结构、布局不断优化，我国将逐渐形成“三送端(西北、东北、西南)、一受端(华北—华中—华东)”的电网规划格局及“五纵五横”的大规模特高压互联电网。日趋复杂的区域互联电网发生多频振荡的可能性也急剧增加，该场景下振荡中心有可能在不同线路上动态迁移，导致现有技术的双电源分析模型极有可能失效。因此，现有技术中亟需对多频振荡对现有保护的影响进行深入研究，并提出行之有效的振荡闭锁和振荡中再故障保护方案。
现有技术中对于振荡闭锁的研究大多基于两机模型，且主要集中在以下几方面：基于无功电压的识别判据能够开放振荡中对称性故障，但需要一定的延时；基于补偿原理的识别判据能够在保护范围内判别系统发生了振荡还是短路故障，但在线路上负荷较重时难以整定补偿值；基于视在阻抗角的判据不受振荡周期变化的影响，但难以适应运行方式多变的电网环境。
因此希望有一种保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法对现有技术中的区域互联电网控制进行改进，是未来节能控制管理系统发展的一种方向，是现有技术研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，用于解决系统发生多频振荡时保护误动、发生对称性故障时保护不能准确可靠开放的问题，克服现有技术中存在的种种不足。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，保护振荡闭锁与再开放系统包括顺序连接的信息采集模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；所述信息采集模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；
所述保护振荡闭锁模块用于根据阻抗继电器的动作顺序与时限判断系统是否发生振荡并闭锁保护；
所述保护再开放模块用于区分系统振荡与对称性故障，在识别故障后再开放保护；
对所述保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、建立多频振荡三机等效模型系统，分析多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹及其对距离保护动作特性的影响；
步骤二、通过线路两侧保护动作信息融合构建振荡闭锁方案；
步骤三、在振荡闭锁期间通过计算保护安装处测量电流的动态相量估算差TI，构造振荡中发生对称性故障的再开放方案，其中动态相量估算差TI的表达式为：
式(13)中i代表第i个采样点编号，tn电流实际值和动态相量估算值之差。
优选地，步骤一中还包括，多频振荡三机等效模型系统中的等效电动势的幅值相等均为E，相位不同分别为δ1、δ2和δ3，三个等效电动势的表达式为：
分析保护安装处的测量阻抗，需求解模型系统中母线A、B、C处的母线电压和线路AB、BC、AC上的支路电流，根据KCL和Y-Δ变换公式，将多频振荡三机等效模型系统表示为：
式(2)中，Z∑1＝Z0A+ZAO，Z∑2＝Z0B+ZBO，Z∑3＝Z0C+ZCO，为虚拟中性点电压,ZA、ZB、ZC分别为多频振荡三机等效模型系统中线路AB、BC、AC的支路阻抗，ZAO、ZBO、ZCO分别为等效三机系统中A、B、C三点到O点的线路阻抗，ZOA、ZOB、ZOC分别为等效三机系统中A、B、C三侧等效子系统阻抗；
根据式(2)可得系统等效虚拟中性点的电压为：
当系统各元件阻抗角相等时，则式(3)可改写为：
式(4)中k12＝Z∑1Z∑2/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑1Z∑3)、k23＝Z∑2Z∑3/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑ 1Z∑3)、k13＝Z∑1Z∑3/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑1Z∑3)；
可以看出式(4)中k12、k13和k23间存在关系：
k12+k23+k13＝1 (5)
进而可得母线A处的测量电流和测量电压分别为：
由式(6)和(7)可以得出，母线A、B处的测量电压和电流均受到系统三机等效电动势幅值和相位的影响。
同理可以求得母线B、C处的测量电压为：
以线路AB靠近母线A处的保护为例，其保护安装处的测量电流为：
式(10)中，CAB为分支系数。
由式(10)可得线路AB靠近母线A处的保护安装处的测量阻抗为：
假设等效系统中发电机机端阻抗相等均为ZO，各联络线路上的阻抗也均相等为Z，将其代入式(11)中可得保护安装处的测量阻抗为：
式(12)中δ12＝δ1-δ2，δ13＝δ1-δ3。
由式(12)可以得出，保护安装处测量阻抗将跟随系统等效电动势与间夹角δ12以及与间夹角δ13发生变化。在δ1落后于δ2和δ3，且δ3的变化率为δ2的1.5倍情况下，δ1和δ2间夹角由0°摆开至360°时，可得到多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹。
所述得到的多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹如图2所示，其中：大圆为线路距离保护II段全阻抗圆，小圆为线路距离保护I段全阻抗圆，曲线为测量阻抗相量端点在阻抗复数平面上的运动轨迹，依次与两个阻抗圆交于点S、P、Q、T。
根据振荡时测量阻抗依次穿越距离保护II段和I段动作区域的特性，形成距离保护动作特性。
所述步骤一用于分析多频振荡场景下阻抗穿越轨迹的特征，是步骤二与步骤三的理论基础。
优选地，所述的振荡闭锁方案的逻辑框图如图3示。保护振荡闭锁与再开放系统通过被保护线路两侧的保护动作信号实现振荡闭锁。在线路两侧任意一侧距离保护II段先于I段动作的情况下，均将线路两侧保护闭锁，为了防止单纯故障时，保护不正确闭锁，设置距离II段先于I段动作的时间不小于5ms，同时，若阻抗继电器出现动作后又返回的情况，亦将两侧保护闭锁，判别逻辑所需时间较长，仅适用于闭锁距离保护II段。
优选地，所述再开放方案的逻辑框图如图4所示。保护振荡闭锁与再开放系统在检测到振荡标志位不为0后，即进入保护再开放流程，通过计算测量电流实际值和动态相量估算值之差tn得到动态相量估算差TI。将动态相量估算差TI与门槛值TIset比较，若TI＞TIset，判断系统中发生了故障，短时开放保护200ms；若不满足TI＞TIset，判断系统仍处于振荡状态，继续保持振荡闭锁。
本发明的有益效果为：在系统发生多频振荡时可靠闭锁保护，保护不会因振荡误动；系统发生对称性故障时，能够快速准确开放保护，不受故障时刻的影响；系统振荡前初始运行状态和系统等效电势频率的变化不会对本方案的正确动作产生影响。
附图说明
图1是本发明的保护振荡闭锁与再开放系统的结构示意图；
图2是本发明的多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹图；
图3是本发明的多频振荡场景下保护振荡闭锁方案的逻辑框图；
图4是本发明的多频振荡场景下保护再开放方案的逻辑框图；
图5是本发明的电力系统多频振荡三机等效模型系统示意图；
图6是本发明的多频振荡三机等效模型系统分析示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明宽泛的实施例的描述中，一种保护振荡闭锁与再开放系统，包括顺序连接的信息采集模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；所述信息采集模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；
所述保护振荡闭锁模块用于根据阻抗继电器的动作顺序与时限判断系统是否发生振荡并闭锁保护；
所述保护再开放模块用于区分系统振荡与对称性故障，在识别故障后再开放保护。
在本发明另一个宽泛的实施例的描述中，一种用于上述保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、建立多频振荡三机等效模型系统，分析多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹及其对距离保护动作特性的影响；
步骤二、通过线路两侧保护动作信息融合构建振荡闭锁方案；
步骤三、在振荡闭锁期间通过计算保护安装处测量电流的动态相量估算差，构造振荡中发生对称性故障的再开放方案。
本发明的有益效果是在系统仅发生多频振荡时可靠闭锁保护，保护不会因振荡误动；系统发生多频振荡中对称性故障时，能够快速准确开放保护，不受故障时刻的影响；系统振荡前初始运行状态和系统等效电势频率的变化不会对本方案的正确动作产生影响。
现在结合附图1-6以及实际案例对本发明的一种保护振荡闭锁与再开放系统及其控制方法具体实施步骤做进一步详细描述：
一种保护振荡闭锁与再开放系统，包括顺序连接的信息采集模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块，如图1所示。
所述信息采集模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；
所述保护振荡闭锁模块用于根据阻抗继电器的动作顺序与时限判断系统是否发生振荡并闭锁保护；
所述保护再开放模块用于区分系统振荡与对称性故障，在识别故障后再开放保护。
一种用于上述保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、分析多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹及其对距离保护动作特性的影响。
所示多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹如图2所示。
其中：大圆为线路距离II段全阻抗圆，小圆为线路距离I段全阻抗圆，红色曲线为测量阻抗相量端点在阻抗复数平面上的运动轨迹，依次与两个阻抗圆交于点S、P、Q、T。
所述步骤一用于分析多频振荡场景下测量阻抗的特征，是步骤二与步骤三的理论基础。
步骤二、通过线路两侧保护动作信息融合构建振荡闭锁方案。
所述振荡闭锁方案的逻辑框图如图3示。保护振荡闭锁与再开放系统通过被保护线路两侧的保护动作信号实现振荡闭锁。在线路两侧任意一侧距离保护II段先于I段动作的情况下，均将线路两侧保护闭锁，为了防止单纯故障时，保护不正确闭锁，设置距离II段先于I段动作的时间不小于5ms，同时，若阻抗继电器出现动作后又返回的情况，亦将两侧保护闭锁，该判别逻辑所需时间较长，仅适用于闭锁距离保护II段。
所述步骤二在保护振荡闭锁模块中运行，根据信息采集与处理模块传递的信息进行计算与相应的逻辑判断，若判断系统发生振荡，则向保护设备发送闭锁信号。
步骤三、在振荡闭锁期间通过计算保护安装处测量电流的动态相量估算差，构造振荡中发生对称性故障的再开放方案。
所述再开放方案的逻辑框图如图4所示。保护振荡闭锁与再开放系统在检测到振荡标志位不为0后，即进入保护再开放流程，通过计算测量电流实际值和动态相量估算值之差tn得到TI。将TI与门槛值TIset比较，若TI＞TIset，判断系统中发生了故障，短时开放保护200ms；若不满足TI＞TIset，判断系统仍处于振荡状态，继续保持振荡闭锁。
所述步骤三在保护再开放模块中运行，用于在保护振荡闭锁模块判定系统发生振荡并发出闭锁信号之后，进一步区分系统振荡与对称性故障，若判断为系统发生对称性故障，则向保护设备发送再开放信号，进而切除故障。
以图5所示的电力系统多频振荡三机等效模型系统为例，
步骤一中分析方法还包括，多频振荡三机等效模型系统中的等效电动势的幅值相等均E，相位不同分别为δ1、δ2和δ3，则三个等效电动势的表达式为：
分析保护安装处的测量阻抗，需求解模型系统中母线A、B、C处的母线电压和线路AB、BC、AC上的支路电流，根据KCL和Y-Δ变换公式，将多频振荡三机等效模型系统表示为：
式(2)中，Z∑1＝Z0A+ZAO，Z∑2＝Z0B+ZBO，Z∑3＝Z0C+ZCO，为虚拟中性点电压。
根据式(2)可得系统等效虚拟中性点的电压为：
当系统各元件阻抗角相等时，则式(3)可改写为：
可以看出式(4)中k12、k13和k23间存在关系：
k12+k23+k13＝1 (17)
进而可得母线A处的测量电流和测量电压分别为：
由式(6)和(7)可以得出，母线A、B处的测量电压和电流均受到系统三机等效电动势幅值和相位的影响，同理可以求得母线B、C处的测量电压为：
以线路AB靠近母线A处的保护为例，其保护安装处的测量电流为：
式(10)中，CAB为分支系数。
由式(10)可得线路AB靠近母线A处的保护安装处的测量阻抗为：
假设等效系统中发电机机端阻抗相等均为ZO，各联络线路上的阻抗也均相等为Z，将其代入式(11)中可得保护安装处的测量阻抗为：
式(12)中δ12＝δ1-δ2，δ13＝δ1-δ3。
由式(12)可以得出，保护安装处测量阻抗将跟随系统等效电动势与间夹角δ12以及与间夹角δ13发生变化。在δ1落后于δ2和δ3，且δ3的变化率为δ2的1.5倍情况下，δ1和δ2间夹角由0°摆开至360°时，可得到多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹。
根据振荡时测量阻抗依次穿越距离保护II段和I段动作区域的特点，可以构造图3所示的距离保护的多频振荡闭锁方案。
需要注意的是，图2中仅列出了特定条件下的测量阻抗穿越特性，由式(11)中可以看出，保护安装处测量阻抗受δ1、δ2和δ3的共同影响，在系统等效电动势幅值不相等时，测量阻抗也会发生改变，其穿越特性的其余可能性如下：
(1)测量阻抗未进入保护II段动作区域，更未进入保护I段动作区域，此时对保护的动作情况无影响。
(2)测量阻抗进入保护II段动作区域，但未进入保护I段动作区域，保护I段可靠不动作，保护II段通过阻抗继电器的返回特性将保护闭锁，按照最长振荡周期1.5s考虑，该返回时间小于距离保护II段动作所需的0.5s，该情况下，本方案仍能正确动作。
(3)测量阻抗依次进入距离保护II段和I段动作区域，若在穿越I段动作区域期间，线路上发生对称性故障，保护有可能无法正确动作，此时需将保护重新开放。
综上所述，本方案在系统多频振荡期间能够正确动作；但在保护闭锁后，需添加能够区别振荡和故障的再开放判据。
为了构造保护再开放判据，采用保护安装处的测量电流为观测量，定义测量电流的动态相量估算差为：
式中，i代表第i个采样点编号。
由1.2中分析可知，在振荡时，保护安装处测量电流的动态相量估算差约等于0，即TI≈0；发生三相短路时，保护安装处测量电流的动态相量估算差大于0，即TI＞0。因此，可构造系统多频振荡场景下发生三相短路故障的保护再开放判据为：
TI＞TIset (26)
式中，TIset为动态相量估算差的门槛值，取为0.1In，In为系统正常运行时负荷电流的幅值。
据此可以构造图4所示的多频振荡场景下保护再开放方案。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其特征在于：保护振荡闭锁与再开放系统包括顺序连接的信息采集模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；
所述信息采集模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；
所述保护振荡闭锁模块用于根据阻抗继电器的动作顺序与时限判断系统是否发生振荡并闭锁保护；
所述保护再开放模块用于区分系统振荡与对称性故障，在识别故障后再开放保护；
对所述保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、建立多频振荡三机等效模型系统，分析多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹及其对距离保护动作特性的影响；
步骤二、通过线路两侧保护动作信息融合构建振荡闭锁方案；
步骤三、在振荡闭锁期间通过计算保护安装处测量电流的动态相量估算差TI，构造振荡中发生对称性故障的再开放方案，其中动态相量估算差TI的表达式为：
式(13)中i代表第i个采样点编号，tn为电流实际值和动态相量估算值之差。
2.根据权利要求1所述的保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其特征在于：步骤一中还包括，多频振荡三机等效模型系统中的等效电动势的幅值相等均为E，相位不同分别为δ1、δ2和δ3，三个等效电动势的表达式为：
分析保护安装处的测量阻抗，需求解模型系统中母线A、B、C处的母线电压和线路AB、BC、AC上的支路电流，根据KCL和Y-Δ变换公式，将多频振荡三机等效模型系统表示为：
式(2)中，Z∑1＝Z0A+ZAO，Z∑2＝Z0B+ZBO，Z∑3＝Z0C+ZCO，为虚拟中性点电压,ZA、ZB、ZC分别为多频振荡三机等效模型系统中线路AB、BC、AC的支路阻抗，ZAO、ZBO、ZCO分别为等效三机系统中A、B、C三点到O点的线路阻抗，ZOA、ZOB、ZOC分别为等效三机系统中A、B、C三侧等效子系统阻抗；
根据式(2)可得系统等效虚拟中性点的电压为：
当系统各元件阻抗角相等时，则式(3)可改写为：
式(4)中k12＝Z∑1Z∑2/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑1Z∑3)、k23＝Z∑2Z∑3/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑1Z∑3)、k13＝Z∑1Z∑3/(Z∑1Z∑2+Z∑2Z∑3+Z∑1Z∑3)；
可以看出式(4)中k12、k13和k23间存在关系：
k12+k23+k13＝1 (5)
进而可得母线A处的测量电流和测量电压分别为：
由式(6)和(7)可以得出，母线A、B处的测量电压和电流均受到系统三机等效电动势幅值和相位的影响；
同理可以求得母线B、C处的测量电压为：
以线路AB靠近母线A处的保护为例，其保护安装处的测量电流为：
式(10)中，CAB为分支系数；
由式(10)可得线路AB靠近母线A处的保护安装处的测量阻抗为：
假设等效系统中发电机机端阻抗相等均为ZO，各联络线路上的阻抗也均相等为Z，将其代入式(11)中可得保护安装处的测量阻抗为：
式(12)中δ12＝δ1-δ2，δ13＝δ1-δ3；
由式(12)可以得出，保护安装处测量阻抗将跟随系统等效电动势EA与EB间夹角δ12以及EA与EC间夹角δ13发生变化，在δ1落后于δ2和δ3，且δ3的变化率为δ2的1.5倍情况下，δ1和δ2间夹角由0°摆开至360°时，可得到多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹；
所述得到的多频振荡场景下测量阻抗的穿越轨迹中：大圆为线路距离保护II段全阻抗圆，小圆为线路距离保护I段全阻抗圆，曲线为测量阻抗相量端点在阻抗复数平面上的运动轨迹，依次与两个阻抗圆交于点S、P、Q、T；
根据振荡时测量阻抗依次穿越距离保护II段和I段动作区域的特性，形成距离保护动作特性。
3.根据权利要求1所述的保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其特征在于：所述的振荡闭锁方案中保护振荡闭锁与再开放系统通过被保护线路两侧的保护动作信号实现振荡闭锁，在线路两侧任意一侧距离保护II段先于I段动作的情况下，均将线路两侧保护闭锁，为了防止单纯故障时，保护不正确闭锁，设置距离II段先于I段动作的时间不小于5ms，同时，若阻抗继电器出现动作后又返回的情况，亦将两侧保护闭锁，判别逻辑所需时间较长，仅适用于闭锁距离保护II段。
4.根据权利要求1所述的保护振荡闭锁与再开放系统的控制方法，其特征在于：所述再开放方案中保护振荡闭锁与再开放系统在检测到振荡标志位不为0后，即进入保护再开放流程，通过计算测量电流实际值和动态相量估算值之差tn得到动态相量估算差TI，将动态相量估算差TI与门槛值TIset比较，若TI＞TIset，判断系统中发生了故障，短时开放保护200ms；若不满足TI＞TIset，判断系统仍处于振荡状态，继续保持振荡闭锁。
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