CN106253244A - 一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统继电保护领域的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法。该保护方法利用系统发生不对称故障时线路两端的零序或负序自身电流经微分计算、反向计算、垂直向量计算等数据综合处理，获取送端、受端方向一致的电流参考量，基于测量零序或负序电流与参考量的比较构建新的方向转换判据。进一步，线路两端保护根据本侧方向判断结果与利用纵联信道获得对侧的方向判断结果，利用两端方向的向量和的绝对值与阈值比较构成纵联方向保护判据。该保护原理简洁，仅需要零序或负序电流信息，不需要电压信息，避免高阻接地故障以零序电压作为参考量时保护灵敏度不足的问题；同时基于线路两端电流的比较反映为基于线路两端状态量的比较，应用在工程上容易实现。

Description

一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法

技术领域

本发明属于电力系统中继电保护领域，涉及一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，是一种仅利用电流信息构建参考电流实现电流转换方向信息的关键技术。

背景技术

电力系统输电线路的纵联保护和后备保护均使用了负序方向保护或者零序方向保护，但当系统出现高阻接地故障时，线路背侧系统阻抗较小或者远离故障点的测量点，零序电压或者负序电压均很小，这种基于电压作为参考量的保护将难以判断。另外，在保护装置判断出现测量电压TV断线时，装置采取闭锁使用电压的保护判据，相当于保护直接退出失去效性。再就是当前配电网络中，很多节点仅安装电流互感器，并没有配置电压互感器，在这些情况下，常规的方向判据将不能配置。因此，研究仅基于电流信息构建的方向保护将能够承担很多特殊应用场合，具有重要的意义。

当前，已有学者利用故障电流展开构建方向判据的研究。这类研究大致分为两个方面：一是利用非故障相电流或者背侧系统电流构建方向比较判据；另一是利用故障前的电流作为参考构建方向比较判据。文献(李斌,曾红艳,范瑞卿,等.基于故障分量的相位相关电流差动保护.电力系统自动化,2011)利用故障前电流作为参考量，利用线路两端故障电流分量的相位差特性构建新的方向判据，但文中判据和动作特性受未知系数影响较大，可能致使保护误判断进而降低保护的可靠性；文献(高厚磊.利用故障分量瞬时值的电流纵差保护新判据.电力系统自动化,2000)同样根据故障分量电流的特点，提出基于故障分量瞬时值的电流纵差保护新判据；由于此判据的投入时间是故障后的第1周期，当发生转换性故障或二次关联故障时，故障分量的精确提取将变得困难。这些判据均能够实现方向判断，但受故障类型，系统结构等影响较大。针对谐振接地配电网接地故障，通过以变电站出线端的线路分支故障、非出线端线路分支故障以及故障点前后的零序电流特征，文献(李倍,和敬涵,Tony Yip.一种基于相位相关电流差动的站域后备保护算法.电力系统保护与控制,2014)提出了相位相关电流差动的站域后备保护算法，其中利用正常运行时的电流作为参考量结合传统站域信息构成电流差动的判据。文献(倪广魁,鲍海,张利,等.基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据.中国电机工程学报,2010)基于故障前的电流作为参考量提出一种利用零序电流突变量进行带电故障定位的判据。由于接地现象复杂，暂态持续时间短，当接地保护装置启动后系统暂态过程基本结束，给故障定位带来困难。这些判据结果正确，但易受短路时间限制，仅能够存在2-3个周波。

因此，有必要研究一种仅利用故障电流本身自构建电流参考量，不需要电压测量信息，不受故障电流突变量短时间限制，对于解决上述分析问题具有较好的特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有负序方向保护或者零序方向保护在面临系统高阻接地时或者TV断线时，一些测量点序电压很小，进而影响方向元件的判别；又如TV断线或者配电系统本身有配置电压互感器，在这些情况下，常规的方向判据将失效等问题。进一步纵联电流差动(相量差动或者相位差动)都需要纵联通信大量信息，在应用到广域保护工程中实现困难。本发明提供了一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，在系统故障时仅利用故障电流构建送、受端统一的参考量，将电流信息转换为方向信息，最终由两端方向比较构成纵联保护判据。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，利用测量本身电流构建参考量，再基于测量量与参考量比较将测量电流信息转换为方向判断信息，最终由两端方向结果构成纵联保护判据。

所述一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法包括参考量构建、方向转换判断、纵联比较判据。参考量构建式测量电流方向比较的基础，本发明利用系统不对称故障出现的零序或者负序电流通过微分、反向、垂直向量等计算，得到一种送、受端一致的参考相量。方向转换判断是将测量量与参考量比较结果采用0、1、-1状态量表示，取代电流量传送给对侧，降低通信量。纵联比较判据是判断线路是否发送故障的核心，两端保护装置获得两端的方向比较结果，采用相量和的绝对值是否等于2的判断作为最终保护判据，简单，易实现。

实现本专利发明的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，具体包括如下步骤：

步骤1：系统发生不对称故障时，测量系统的零序电流或者负序电流，并完成对测量电流的微分计算，要求转换后的电流幅值不变；计算完成后进入步骤2；

步骤2：对微分后的电流计算其反向电流，然后取微分电流和反向电流的相量和的向下垂直向量作为参考向量。若参考向量相位在[-π,0]内，则进入步骤3，否则，将参考向量再反向处理后进入步骤3；

步骤3：对测量电流与参考电流比相计算，若相位差满足(-90^°,90^°)则设定方向为1；否则为-1；计算完成后进入步骤4；

步骤4：系统两端同时将本侧电流转换的方向判断结果借助于纵联信道传送给对侧；本侧收到对侧信息进入步骤5；

步骤5：任一端保护装置根据线路两端的方向转换结果，利用两端方向的向量和的绝对值与阈值比较构成纵联方向保护判据；若绝对值等于2判断线路发生区内故障，若绝对值等于0判断为线路发生区外故障；否则转入步骤1重新计算。

作为本发明的进一步改进方案，还包括步骤6，针对系统发生不对称故障，利用步骤1-5使用系统出现的负序或零序电流构建纵联保护；如果是系统发生对称故障，系统不存在零序或者负序分量，此时则可以使用正序电流突变量构建参考相量。

作为本发明的进一步限定方案，步骤1和2中，在所有电流相位计算时，为统一在一个工频周期范围内，控制其相位角度在(-π,π]内。

步骤4中，传送给对侧的方向信息包括1、0、-1三种状态，其中0为未判定状态。步骤5中，保护判断只针对区内故障保护启动的线路进行故障的判断和控制，其他情况:一端为0，另一端1或者-1情况，保护一端启动，但不满足区内故障判据条件,实现系统告警并重新进行新一轮的计算。

本发明一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，有益效果在于：

1)、本发明原理简洁，仅需要零/负序的电流信息，不需要电压信息，避免高阻接地故障以零序电压作为参考量时保护灵敏度不足的问题；

2)、保护利用了故障零/负序电流的微分、反向等数据综合处理，获取送、受端方向一致的电流参考量，达到了两端可以方向比较的一致性。

3)、基于线路两端电流的比较最终反应为基于线路两端状态量的比较，降低纵联信道上的通信量，提高了工程上可实现性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的系统区内故障等值图；

图3为本发明实施例中的系统模型图。

具体实施方式

一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，包括参考量构建、方向转换判断、纵联比较判据。参考量构建式测量电流方向比较的基础，本发明利用系统不对称故障出现的零序或者负序电流通过微分、反向、垂直向量等计算，得到一种送、受端一致的参考相量。方向转换判断是将测量量与参考量比较结果采用0、1、-1状态量表示，取代电流量传送给对侧，降低通信量。纵联比较判据是判断线路是否发送故障的核心，两端保护装置获得两端的方向比较结果，采用相量和的绝对值是否等于2的判断作为最终保护判据，简单，易实现。

如图1所示，本发明提供的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，为便于说明，具体实施方式中以零序为例，但本发明不限于零序电流，以权利要求书为准。保护的具体实施包括如下步骤：

步骤1：系统发生不对称故障时，线路两端保护测量系统的零序电流或者负序电流，并完成对测量电流的微分计算，要求转换后的电流幅值不变。以图2所示区内故障为例，设定Z_sm0、Z_sn0分别为系统两侧的零序阻抗；Z_L0为线路零序阻抗；Z_lm0，Z_ln0分别故障点到线路两端的零序阻抗。分别为线路两端的零序电流，并规定线路指向母线为正方向；为等值零序电源；R_g为接地电阻；V₀∠α为故障点的零序电压幅值与初相位；Z_m0,Z_n0,θ_m,θ_n分别为短路点至M、N侧的等值零序阻抗幅值和相位。

${\stackrel{\·}{I}}_{m0}=\frac{V_0\∠\mathrm{\α}}{Z_{lm0}+Z_{sm0}}=\left|\frac{V_0}{Z_{m0}}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_m)---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{n0}=\frac{V_0\∠\mathrm{\α}}{Z_{\ln 0}+Z_{sn0}}=\left|\frac{V_0}{Z_{n0}}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_n)---\left(2\right)$

假定系统阻抗角与线路阻抗角相等，即θ_m＝θ_n，式(1)、(2)相位相同。对零序电流求导，计算电流对时间的微分

${\stackrel{\·}{I}}_{m0}^{\′}=k\frac{d{\stackrel{\·}{I}}_{m0}}{dt}=\left|\frac{V}{Z_m}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_m+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{n0}^{\′}=k\frac{d{\stackrel{\·}{I}}_{n0}}{dt}=\left|\frac{V}{Z_n}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_n+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(4\right)$

计算完成后进入步骤2。

步骤2：对微分后的电流计算取其反向电流，然后取微分电流和反向电流的相量和的向下垂直向量作为参考向量。若参考向量相位在[-π,0]内，则进入步骤3，否则，将参考向量再反向处理后进入步骤3；

计算反向电流

${\stackrel{\·}{I}}_{rm0}^{\′}=-{\stackrel{\·}{I}}_{m0}^{\′}=\left|\frac{V}{Z_m}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_m-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_{rn0}^{\′}=-{\stackrel{\·}{I}}_{n0}^{\′}=\left|\frac{V}{Z_n}\right|\∠(\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_n-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(6\right)$

参考电流取微分电流和反向电流的相量和的向下垂直向量。由式(3)、式(5)计算M侧电流参考量；由式(4)、式(6)计算N侧电流参考量。

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{refm0}={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_{refn0}=\left|I_{refn0}\right|\&angle;\left(\frac{\&angle;I_{n0}^{\&prime;}+\&angle;I_{rn0}^{\&prime;}}{2}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\left|I_{refn0}\right|\&angle;(\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&theta;}}_n)& -\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&theta;}}_n\&le;0\\ \left|I_{refn0}\right|\&angle;(\&part;-{\mathrm{\&theta;}}_n-\mathrm{\&pi;})& 0<\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&theta;}}_n<0\end{array}\right.---\left(7\right)$

步骤3：对测量电流与参考电流比相计算，若相位差满足(-90°,90°)则设定方向为1；否则为-1；计算完成后进入步骤4。

定义与参考方向相同为同向，输出状态量为1；否则为方向反相，输出状态量为-1。可以由式(8)来表示方向性。

步骤4：系统两端同时将本侧电流转换的方向判断结果借助于纵联信道传送给对侧；本侧收到对侧信息进入步骤5。

步骤5：任一端保护装置根据线路两端的方向转换结果，利用两端方向的向量和的绝对值与阈值比较构成纵联方向保护判据；若绝对值等于2判断线路发生区内故障，若绝对值等于0判断为线路发生区外故障；否则转入步骤1重新计算。

作为本发明的进一步改进方案，还包括步骤6，针对系统发生不对称故障，利用步骤1-5使用系统出现的负序或零序电流构建纵联保护；如果是系统发生对称故障，系统不存在零序或者负序分量，此时则可以使用正序电流突变量构建参考相量。

作为本发明的进一步限定方案，步骤1和2中，在所有电流相位计算时，为统一在一个工频周期范围内，控制其相位角度在(-π,π]内。

步骤4中，传送给对侧的方向信息包括1、0、-1三种状态，其中0为未判定状态。步骤5中，保护判断只针对区内故障保护启动的线路进行故障的判断和控制，其他情况(一端为0，另一端1或者-1情况，保护一端启动，但不满足区内故障判据条件)实现系统告警并重新进行新一轮的计算。

为进一步说明和验证本专利所提出的方法，利用电磁暂态仿真软件PSCAD搭建图3所示两端系统模型进行仿真验证。系统线路电压等级为500kV，线路全长为400km。系统电源阻抗Z_m1＝(1.05+j43.2)Ω，Z_m0＝(0.6+j29.1)Ω,Z_n1＝(26.0+j44.9)Ω,Z_n0＝(20.0+j37.5)Ω。

在仿真中,K₁、K₂、K₃、K₄分别模拟各种金属性故障和带过渡电阻接地故障(过渡电阻取0～300Ω)。K₁,K₃位于线路出口,K₂位于线路中点,K₄位于n端线路反向出口,计算时采用一点差分算法及全周期傅里叶滤波算法。设系统在仿真系统稳态运行后1s后发生故障(选择不同时刻，控制不同初相角)，在1.25s后故障返回。由于故障点至两端系统的等值零序阻抗相位角并不完全相同，从而两端的电流参考量也不完全相同。结果1为在各故障点发生接地故障时，线路两端的零序电流相位、参考电流相位以及方向、保护的判断结果。

注：表1中参数p1为参数p2为参数p3为f(i)，i为m或者n，参数p4为R(L)。

结果2为线路两端的负序电流相位、参考电流相位以及方向、保护的判断结果。

注：表1中参数p1为参数p2为参数p3为f(i)，i为m或者n，参数p4为R(L)。

由结果1、结果2可知，系统发生区内故障时，系统两侧零/负序电流与参考电流方向比较结果相同，保护判据的幅值和等于2；发生区外故障时，两侧零/负序电流与参考电流方向比较结果相反，保护判据的幅值和等于0。基于上述实验结果，在系统发生不同不对称故障类型、高阻接地故障、不同故障初始角等情况下，均能满足本专利所提出的判据，即发生故障时能够正确识别故障元件。

Claims (7)

1.一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：利用测量本身电流构建参考量，再基于测量量与参考量比较将测量电流信息转换为方向判断信息，最终由两端方向结果构成纵联保护判据。

2.根据权利要求1所述一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：所述保护判据包括参考量构建、方向转换判断、纵联比较判据。

3.根据权利要求1所述一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：系统发生不对称故障时，测量系统的零序电流或者负序电流，并完成对测量电流的微分计算，要求转换后的电流幅值不变；计算完成后进入步骤2；

步骤2：对微分后的电流计算其反向电流，然后取微分电流和反向电流的相量和的向下垂直向量作为参考向量。若参考向量相位在[-π,0]内，则进入步骤3，否则，将参考向量再反向处理后进入步骤3；

步骤3：对测量电流与参考电流比相计算，若相位差满足(-90^°,90^°)则设定方向为1；否则为-1；计算完成后进入步骤4；

步骤4：系统两端同时将本侧电流转换的方向判断结果借助于纵联通信通道传送给对侧；本侧收到对侧信息进入步骤5；

步骤5：任一端保护装置根据线路两端的方向转换结果，利用两端方向的向量和的绝对值与阈值比较构成纵联方向保护判据；若绝对值等于2判断线路发生区内故障，若绝对值等于0判断为线路发生区外故障；否则转入步骤1重新计算。

4.根据权利要求3述的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：步骤1中，针对系统发生不对称故障，系统出现负序或零序电流，如果是系统发生对称故障，则可以使用正序电流突变量。

5.根据权利要求3述的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：步骤1和2中，在所有电流相位计算时，控制其相位角度在(-π,π]内。

6.据权利要求3述的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：步骤4中，传送给对侧的方向信息包括1、0、-1三种状态，其中0为未判定状态。

7.根据权利要求3述的一种基于电流自构参考量的电流方向纵联保护方法，其特征在于：步骤5中，保护判断只针对区内故障进行线路的控制，其他情况实现系统告警并重新进行新一轮的计算。