CN107968387A - 基于阻抗平面分析正序极化电压的继电器控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于阻抗平面分析正序极化电压距离继电器动作行为的分析方法。分析方法包括：通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为。即步骤Sa，电力系统发生故障时，将电力系统拆分为正、负、零序子系统，并求解各序子系统等值阻抗；步骤Sb，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。本继电器的分析方法利用电流、电压数据实时计算出系统的正、负、零序阻抗，因此可以逐点分析距离保护的行为，同时计算所得的系统零、正、负序阻抗是精确的，可实时地反映了电力系统一次运行方式的变化。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路距离继电器技术领域，具体涉及基于阻抗平面分析正序极化电压距离继电器动作行为的分析方法，适用于正序极化电压接地距离继电器、正序极化电压相间距离继电器。
背景技术
距离保护是一种广泛运用于中高压电力系统输电线路的保护，它具有受系统运行方式变化影响小，易于整定的特点；并且适用于各种系统(接地或不接地)、各种故障类型(对称、不对称故障，接地、不接地故障)。距离保护本质是反映保护安装处距故障点的阻抗值，据此来判断故障点位于区内或区外。过流、欠压继电器仅做简单相量幅值比较，方向继电器仅做简单相量的相位比较，正序极化电压距离继电器利用工作电压与正序极化电压(组合相量)比相，因此距离继电器从实现上说具有天然的复杂性。
距离保护从实现的角度看，一般以电压比相或者比幅的形式完成，因此当前部分分析距离保护动作行为的方法是基于电压平面完成的，在电压平面分析动作特性湮灭了距离保护的物理本质特征，所以显得不直观；正序极化电压的距离继电器，因正序电压构成复杂，因此造成当前基于阻抗平面分析其动作行为的方法，仅具备定性特征，无法定量地勾勒出距离保护的动作边界与计算阻抗之间的关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种继电器动作行为的分析方法及分析系统，用以分析距离继电器的动作行为，进而解决当前基于阻抗平面分析距离保护动作行为的方法，仅具备定性特征，无法定量地勾勒出距离保护的动作边界与计算阻抗之间关系的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分析距离继电器的动作行为的方法，包括：通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为。
进一步，所述通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为包括如下步骤：
步骤Sa，电力系统发生故障时，将电力系统拆分为正、负、零序子系统，并求解各序子系统的等值阻抗；
步骤Sb，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
进一步，所述步骤Sa中求解各序子系统的等值阻抗的方法包括：
线路正方向短路时，即
系统M侧的零、正、负序阻抗的计算公式：
线路反方向短路时，即
系统N侧零、正、负序阻抗与输电线路零、正、负序阻抗之和的计算公式：
上式中，i的取值0表示零序，1表示正序，2表示负序；即
通过i的相应取值以表示电压零、正、负序故障分量；
通过i的相应取值以表示电流零、正、负序故障分量；
ZLi通过i的相应取值以表示输电线路零、正、负序阻抗；以及
ZsNi通过i的相应取值以表示系统N侧零、正、负序阻抗。
进一步，所述步骤Sb中建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程的方法包括：
在线路正/反方向短路时，接地距离继电器、相间距离继电器的动作方程。
进一步，线路正方向短路时，所述动作方程，即
上式中，Zk为距离保护的计算阻抗，且包括过渡电阻；
Zzd为距离保护整定值；
ρ为阻抗系数；
ZsM1为系统M侧正序阻抗；
δ为系统电势与母线正序电压的夹角；其中
为保护安装处母线相电压，其中表示A相、B相或C相；为保护安装处线路对应相的零序电流；为保护安装处线路对应相的正序电流；为保护安装处线路对应相的负序电流；
在线路反方向短路时，所述动作方程，即
上式中，ZL1为输电线路的正序阻抗，ZsN1为系统N侧正序阻抗。
进一步，对于接地距离继电器，则接地距离继电器对应的动作方程中阻抗系数ρ对应的公式如下：
上式中，为保护安装处线路对应相的相电流；K为输电线路的零序补偿系数，其中ZL0为输电线路的零序阻抗，ZL1为输电线路的正序阻抗；
K′为系统M侧的等效负序补偿系数，K″为系统M侧的等效零序补偿系数，即
其中ZsM0、ZsM1、ZsM2分别是系统M 侧的零、正、负序阻抗。
进一步，对于相间距离继电器，则相间距离继电器对应的动作方程中阻抗系数ρ对应的公式如下：
上式中，为保护安装处的相间电流，其中适于表示相间AB、相间BC 和相间CA；为保护安装处的负序相间电流，K′为系统M侧的等效负序补偿系数，即
其中ZsM1、ZsM2分别是系统M侧的零、正、负序阻抗。
又一方面，本发明还提供了一种继电器的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程；
步骤S2，根据上述动作方程确定距离继电器的动作边界。
进一步，通过所述的继电器动作行为的分析方法创建步骤S1中所述动作方程。
第三方面，本发明还提供了一种继电器动作行为分析系统。
所述继电器动作行为分析系统包括：
等值阻抗计算模块，用于求解各序子系统的等值阻抗；以及
动作方程构建模块，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
本发明的有益效果是：通过本继电器动作行为的分析方法获得了距离公式的阻抗表达形式，即相应动作方程，化简推导的过程中未做任何近似处理，因此阻抗表达式可以精确地还原比相公式，定量地分析距离继电器的动作行为；并且本继电器的分析方法利用电流、电压数据实时计算出电力系统的正、负、零序阻抗，因此可以逐点分析距离保护的行为，同时计算所得的系统零、正、负序阻抗信息是精确的，实时地反映了电力系统一次运行方式的变化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的继电器的分析方法的流程图；
图2是输电线路正方向短路示意图；
图3是输电线路反方向短路示意图；
图4是继电器的控制方法的流程图；
图5是继电器动作行为分析系统的原理框图；
图6是模拟在出口处正方向经过小过渡电阻AG短路的系统拓扑图；
图7是模拟在出口处正方向经过小过渡电阻AG短路的阻抗平面距离保护动作分析图；
图8是模拟在出口处反方向经过小过渡电阻AG短路的系统拓扑图；
图9是模拟在出口处反方向经过小过渡电阻AG短路的阻抗平面距离保护动作分析图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明要解决的技术问题是：克服当前基于阻抗平面分析距离继电器动作行为的方法仅具备定性特征，无法定量地勾勒出距离保护动作边界与计算阻抗之间的关系的技术问题，提供一种基于阻抗平面定量分析线路距离继电器动作行为的方法。
本发明的目的是提供一种继电器动作行为的分析方法及分析系统，以解决当前基于阻抗平面分析距离继电器行为特征的方法，仅具备定性特征，无法定量地勾勒出距离保护的动作边界与计算阻抗之间的关系的技术问题。本发明通过本继电器的分析方法获得了距离公式的阻抗表达形式，即相应动作方程，化简推导的过程中未做任何近似处理，因此阻抗表达式可以精确地还原比相公式，定量地分析距离继电器的动作行为；并且本继电器的分析方法利用电流、电压数据实时计算出电力系统的正、负、零序阻抗，因此可以逐点分析距离保护的行为，同时计算所得的系统阻抗信息是精确的，实时地反映了电力系统一次运行方式的变化。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种继电器动作行为的分析方法，即通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为。
其中，本实施例中所述继电器具体是正序极化电压距离继电器，且包括但不限于正序极化电压接地距离继电器、正序极化电压相间距离继电器，即本实施例获得在线路正/反方向短路时，接地距离继电器、相间距离继电器的动作方程。
本继电器动作行为的分析方法因为一般保护、录波器等二次设备可以记录系统扰动前2～4个周波的数据，利用既有的IED(IntelligentElectronicDevice) 设备生成的录波文件可以定量分析正序极化电压的距离保护的动作行为，无需额外的设备投资，节约维护成本。
如图1所示，本继电器的分析方法具体包括以下步骤：
步骤Sa，电力系统发生故障时，将电力系统拆分为正、负、零序系统，并求解各序子系统的等值阻抗；
具体的，电力系统发生故障时，电力系统为正、负、零序系统的迭加，因故障分量序网图是无源网络，所以使用故障分量电流、电压可以求取等值阻抗或者系统阻抗与线路阻抗之和。
如图2和图3所示，对于安装于M侧的保护而言，正方向故障是指故障点位于M侧保护用电流互感器与对侧(N侧)系统电势之间的短路故障；反方向故障是指故障点位于M侧保护用电流互感器与本侧(M侧)系统电势之间的短路故障。
当输电线路正方向短路时，可得：
系统M侧的零、正、负序阻抗的计算公式：
如图3所示，线路反方向短路时，即
系统N侧零、正、负序阻抗与输电线路零、正、负序阻抗之和的计算公式：
上式中，i的取值0表示零序，1表示正序，2表示负序；即
通过i的相应取值以表示电压零、正、负序故障分量；
通过i的相应取值以表示电流零、正、负序故障分量；
ZLi通过i的相应取值以表示输电线路零、正、负序阻抗；以及
ZsNi通过i的相应取值以表示系统N侧零、正、负序阻抗。
步骤Sb，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
所述步骤Sb中建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程的方法包括：
在线路正/反方向短路时，接地距离继电器、相间距离继电器动作方程。
具体的，建立动作方程的方法如下：
线路正方向短路时，对于以正序电压为极化电压的相地距离继电器，可用公式表达为如下形式：
其中为保护安装处(即M侧)母线相电压(其中表示A相、B相或C 相)，为保护安装处线路对应相的相电流，为保护安装处线路对应相的零序电流，Zzd为距离保护整定定值，为输电线路的零序补偿系数，是保护安装处的母线相的正序电压。
因系统电势仅为正序，无负序、零序电势，因此可设比相方程仅涉及相角的比较，无关幅值，因此忽略x，认为δ为系统电势与母线正序电压的夹角，即两者相角之差，代入比相方程得：
将系统电势表达成正、负、零网络合成的形式：
其中为保护安装处的母线负序电压；为保护安装处的母线零序电压；为保护安装处线路对应相的正序电流；保护安装处线路对应相的负序电流，则比相方程可以变形转换为：
此式中为保护安装处线路负序电流。
其中上式中，为保护安装处线路对应相的相电流；K′为系统M侧的等效负序补偿系数，K″为系统M侧的等效零序补偿系数，即
通过步骤Sa计算获得系统正序阻抗ZsM1、负序阻抗ZsM2和零序阻抗ZsM0，
其中是距离保护的计算阻抗，且包括过渡电阻。
所述计算阻抗是指保护安装处(一般是母线)至故障点大地之间的阻抗值，若为金属性短路，就是母线至故障点那段输电线路的正序阻抗；若经过过渡电阻短路，则除了输电线路的阻抗外还要加上过渡电阻的阻抗，因为有负荷电流的影响，往往导致本来是电阻的过渡电阻，在计算过程表现为阻抗形式影响结果。如果线路上无故障，则计算阻抗极大，如果线路上有故障，则计算阻抗大体与故障点远近成比例。
在线路反方向短路时，参照正向故障的推导过程可以将比相方程转换为如下的形式：
无论正/反方向短路，基于电压的比相方程都可以推导转换成基于阻抗的比相方程。式中的计算阻抗、系统阻抗(系统阻抗与线路之和)都可以求得，因此阻抗方程可以定量地描绘出来。
在本实施例中，对于相间距离继电器，在线路正方向短路时，对于以正序电压为极化电压的相间距离继电器，用公式表达为如下形式：
其中为保护安装处的母线的相间电压，为保护安装处的相间电流，为保护安装处母线的相间电压的正序分量，正方向短路时，比相方程经过变形转换，可得
反方向短路时，比相方程经过变形转换，得
其中，对于相间距离继电器，阻抗系数上式中，为保护安装处的相间电流，其中适于表示相间AB，或相间BC，或相间CA；为保护安装处的负序相间电流，K′为系统M侧的等效负序补偿系数。
无论正/反方向短路，基于电压的比相方程都可以推导转换成基于阻抗的比相方程。式中的计算阻抗、系统阻抗(或系统阻抗与线路阻抗之和)都可以求得，因此阻抗方程可以定量地描绘出来。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例提供了一种继电器的控制方法，如图4所示，本控制方法包括以下步骤：
步骤S1，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程；
步骤S2，根据上述动作方程确定距离继电器的动作边界。
在本实施例中，关于步骤S1中建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程的方法可以采用如实施例1所述的继电器动作行为的分析方法来实现。
实施例3
如图5所示，在实施例1基础上，本实施例提供了一种继电器动作行为分析系统。
本继电器动作行为分析系统包括：
等值阻抗计算模块，用于求解各序子系统的等值阻抗；以及
动作方程构建模块，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
以下通过使用PSCAD搭建系统模型对本发明的继电器的分析方法以及控制方法进行具体说明；模拟母线出口处正反故障两则，在阻抗平面分别分析正序极化电压、母线极化电压这两种不同距离继电器的动作情况。
第一动作情况，模拟在出口处正方向经过小过渡电阻AG短路，以A相为例， AG短路的意思是故障为：A相与大地之间的短路。
500kV系统结构图如图6，设ZsM1＝ZsM2＝ZsM0＝23.17∠77.5°Ω， ZsN1＝ZsN2＝ZsN0＝8.5∠86°Ω，线路MN的参数为r1＝0.0046517Ω/kM， xL1＝0.0293133Ω/kM，r0＝0.0116786Ω/kM，xL0＝0.122803Ω/kM，xC1＝2.0128*105Ω*kM， xC0＝3.5478*105Ω*kM，线路全长100kM，设距离Ⅰ段的整定值为85％的线路全长。故障前线路空载。模拟线路M侧出口处正方向经5ΩAG短路。取故障发生后40ms 至60ms的数据进行傅里叶变换得：UMA＝85.99∠-118.801°kV，UMB＝320.793∠179.924°kV， UMC＝310.611∠68.445°kV，IMB＝1.351∠-118.287°kA， IMC＝1.310∠-122.403°kA。
A相接地距离继电器的工作电压UopA＝693.493∠153.214°kV，母线正序电压为 UM+＝224.392∠-62.414°kV，对于极化电压Upolar取UM+，距离继电器动作；若Upolar若取UMA，距离继电器不动作。计算阻抗Zk＝3.118∠-3.938°Ω，从本第一动作情况不难算出系统阻抗Zk、母线正序电压与系统等值电势的夹角δ以及阻抗系数ρ，在阻抗平面描绘分别描绘出极化电压取正序电压作、母线相电压时的动作方程，如图7中C1、C2所示。顺着计算阻抗Zk相角的方向做延长线，求得其与C1、C2的交点S1、S2。
S1＝14.025∠-3.938°Ω，S2＝2.234∠-3.938°Ω。不难算出在此工况下，若极化电压取正序电压，保护最多可容忍14.025Ω的过渡电阻不拒动；反观若取母线电压为极化电压，最多可容忍2.234Ω的过渡电阻不拒动。显然正方向出口经小过渡电阻单相接地短路时，正序极化电压距离继电器相比于母线极化电压距离继电器可包容的更大阻值的过渡电阻而不拒动。
第二动作情况，模拟出口处反方向经过小过渡电阻AG短路。
500kV系统结构图如图8所示。
设ZsM1＝ZsM2＝ZsM0＝26.400∠18.745°Ω，ZsN1＝ZsN2＝ZsN0＝56.56∠90°Ω，线路MN的参数、以及距离Ⅰ段整定值同第一种动作情况，故障前线路空载。模拟线路N 侧出口处反方向经2ΩAG短路。取故障发生后40ms至60ms的数据进行傅里叶变换得：UMA＝19.549∠-125.025°kV，UMB＝348.946∠-175.434°kV，UMC＝295.486∠76.093°kV， IMA＝4.53∠70.479°kA，IMB＝0.956∠-101.464°kA，IMC＝0.86∠-103.824°kA。
A相接地距离继电器的工作电压UopA＝185.767∠-34.492°kV，母线正序电压为 UM+＝215.524∠-51.823°kV，对于极化电压Upolar取UM+，距离继电器不动作；若Upolar若取UMA，距离继电器动作。计算阻抗-Zk＝2.638∠164.449°Ω，处于第Ⅱ象限。利用实施例1不难算出系统阻抗Zk、母线正序电压与系统等值电势的夹角δ以及阻抗系数ρ，在阻抗平面描绘分别描绘出极化电压取正序电压作、母线相电压时的动作方程，如图9中 C1、C2所示。顺着计算阻抗-Zk相角的方向做延长线，求得其与C2的交点S2(与 C1无交点)。S2＝2.871∠164.449°Ω。
图6和图8中，电阻Rg表示过渡电阻，即短路时短路点与大地之间的阻值。
不难推算出在此工况下，以正序极化电压距离继电器无误动可能，母线极化电压距离继电器经过小于2Ω的过渡电阻Rg短路时，存在误动风险。传统上母线极化电压距离继电器在极化过低时，采用记忆电压作为极化电压，如本例中所示。采用记忆电压时，继电器的动作行为基本等同于以正序电压为极化电压的情况。不过在记忆量消失后，母线极化电压距离继电器依然存在误动风险。
因此，本继电器的分析方法可以集成至PC分析软件之中，作为对于继电保护设备时候动作行为解析分析的工具。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种继电器动作行为的分析方法，其特征在于，包括：
通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，
所述通过构建的阻抗平面，分析正序极化电压距离继电器的动作行为包括如下步骤：
步骤Sa，电力系统发生故障时，将电力系统拆分为正、负、零序子系统，并求解各序子系统的等值阻抗；
步骤Sb，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，
所述步骤Sa中求解各序子系统的等值阻抗的方法包括：
线路正方向短路时，即
系统M侧零、正、负序阻抗的计算公式：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>M</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
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<mover>
<mi>U</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mi>I</mi>
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</msub>
</mrow>
</mfrac>
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</mtd>
<mtd>
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<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>,</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
线路反方向短路时，即
系统N侧零、正、负序阻抗与输电线路零、正、负序阻抗之和的计算公式：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
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<mi>Z</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>N</mi>
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</mrow>
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<mo>=</mo>
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<mi>U</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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</msub>
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<mi>I</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>,</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
上式中，i的取值0表示零序，1表示正序，2表示负序；即
通过i的相应取值以表示电压零、正、负序故障分量；
通过i的相应取值以表示电流零、正、负序故障分量；
ZLi通过i的相应取值以表示输电线路零、正、负序阻抗；以及
ZsNi通过i的相应取值以表示系统N侧零、正、负序阻抗。
4.根据权利要求3所述的分析方法，其特征在于，
所述步骤Sb中建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程的方法包括：
在线路正/反方向短路时，接地距离继电器、相间距离继电器的动作方程。
5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，
线路正方向短路时，所述动作方程，即
上式中，Zk为距离保护的计算阻抗，且包括过渡电阻；
Zzd为距离保护整定值；
ρ为阻抗系数；
ZsM1为系统M侧正序阻抗；
δ为系统电势与母线正序电压的夹角；其中
为保护安装处母线相电压，其中表示A相、B相或C相；
为保护安装处线路对应相的零序电流；为保护安装处线路对应相的正序电流；为保护安装处线路对应相的负序电流；
在线路反方向短路时，所述动作方程，即
上式中，ZL1为输电线路的正序阻抗，ZsN1为系统N侧正序阻抗。
6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，
对于接地距离继电器，则接地距离继电器对应的动作方程中阻抗系数ρ对应的公式如下：
上式中，为保护安装处线路对应相的相电流；K为输电线路的零序补偿系数，其中ZL0为输电线路的零序阻抗，ZL1为输电线路的正序阻抗；
K′为系统M侧的等效负序补偿系数，K″为系统M侧的等效零序补偿系数，即
其中ZsM0、ZsM1、ZsM2分别是系统M侧的零、正、负序阻抗。
7.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，
对于相间距离继电器，则相间距离继电器对应的动作方程中阻抗系数ρ对应的公式如下：
上式中，为保护安装处的相间电流，其中适于表示相间AB，或相间BC，或相间CA；为保护安装处的负序相间电流，K′为系统M侧的等效负序补偿系数，即
其中ZsM1、ZsM2分别是系统M侧的零、正、负序阻抗。
8.一种继电器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程；
步骤S2，根据上述动作方程确定距离继电器的动作边界。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，其特征在于，
通过如权利要求1所述的继电器动作行为的分析方法创建步骤S1中所述动作方程。
10.一种继电器动作行为分析系统，其特征在于，包括：
等值阻抗计算模块，用于求解各序子系统的等值阻抗；以及
动作方程构建模块，建立基于阻抗平面的正序极化电压距离继电器的动作方程。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108845183A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-20 | 西北工业大学 | 一种多电飞机电缆阻抗测量方法 |
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