CN108365599B - 半波长输电线路单端量行波保护方法 - Google Patents

半波长输电线路单端量行波保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种半波长输电线路单端量行波保护方法，首先通过理论分析和仿真得到故障点处行波为阶跃信号，频率含量丰富，输电线路参数的频变特性使得不同频率分量在线路中传播的速度不同，行波波前形状发生畸变的结论；由此通过构造α模电流行波故障分量的相关系数形成半波长输电线路单端量行波保护方法。本方法提取波前故障距离信息的同时具有高耐过渡电阻能力，保护范围广，较传统斜率计算方法更可靠，不易受到雷击等扰动影响。本方法利用的是单端量行波包含的故障信息，所利用的数据窗很短，无需通信，所以该方法将有很高的速动性，且不受线路分布参数特性影响。

Description

半波长输电线路单端量行波保护方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种半波长输电线路单端量行波保护方法。
背景技术
全球能源互联网的提出，对长距离交流输电技术的发展提出了新的需求。在长距离输电技术中，为了让输电线路横跨洲际，半波长交流输电技术有着很重要的意义。其传输系统的结构比其他任何可能的超远距离交流或直流输电系统都更为简单，且相比于直流输电技术，交流输电设备的制造成本比直流换流设备更低，具有无需安装无功补偿装置、电压稳定性极好、两端电源电气距离短、经济性高于EHVAC等众多优点。
半波长输电线路的现有的方案是电流差动保护，而电流差动保护的基本原理是基于基尔荷夫电流定律的，这需要在集总参数上才可以正确使用，而对于长达几千公里的长距离输电线路来说，在工频50Hz下已不能当作集总电路，且由于线路分布电容大，存在适用性问题，并且半波长输电适用于高电压等级输电，故障发生后对保护速动性有很高要求，纵联保护需要通信动作速度较慢。因此有必要研究一种高速动性、不受线路分布参数影响的保护方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半波长输电线路单端量行波保护方法，以改善现有半波长保护的缺陷。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
半波长输电线路单端量行波保护方法，包括以下步骤：
1)按式(1)测量并计算线路首端保护安装处故障分量电流：
Δiabc＝iabc-iabc0 (1)
其中，Δiabc为相电流故障分量，iabc为测量的相电流，iabc0为一个周波前相电流；
2)按下式计算出故障分量模电流；
Figure GDA0002726602630000021
3)计算线路首端测得的故障分量α模电流行波斜率，表达式为：
Figure GDA0002726602630000022
其中，iα为线路首端保护测得的故障分量α模电流采样值，n为α模电流采样点序号；k为线路故障分量α模电流斜率值；当满足|k|≥kset，保护启动，计算接下来采样点的斜率，当出现了第一个斜率的减小值时，将之前得到的最大斜率作为相关判别的起始点；
4)保护启动后，对故障类型进行判别；确定了故障类型后，计算故障采样数据与线路中点发生对应的金属性故障时，故障分量α模电流行波采样值之间的相关系数，表达式为：
Figure GDA0002726602630000023
式中T为保护判别所采用的数据长度，Ts为采样步长，iαsetk(j)为线路中点附近发生不同类型的金属性故障时，故障分量α模电流行波波前T时间段内采样值，为相关系数计算基准，k＝1,2,3，代表单相故障、两相故障、三相故障；iα(j)为保护测量的故障分量α模电流采样值；
当满足|ρ|≥ρsetk，判定为区内故障，保护动作，否则为区外故障，保护不动作；式中ρsetk分别为半波长输电线路末端区外发生单相故障、两相故障、三相故障时由式(4)计算出的相关系数。
进一步的，kset整定原则为：躲过线路正常工作时故障分量α模电流不平衡量最大斜率值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明首先通过理论分析和仿真得到故障点处行波为阶跃信号，频率含量丰富，输电线路参数的频变特性使得不同频率分量在线路中传播的速度不同，行波波前形状发生畸变。同种故障类型下，波前畸变程度只与故障距离有关；同种故障类型下，波前幅值和过渡电阻有关。由此通过计算故障分量α模电流采样值和基准之间的相关系数构造保护判据形成半波长输电线路单端量行波保护方法。本方法利用的是单端量行波包含的故障信息，所利用的数据窗很短，所以该方法将有很高的速动性，且不受故障过渡电阻影响，保护可靠、范围广。
本发明所提出的保护方法利用相关系数提取了故障行波波前与相关基准之间畸变的相似程度，提取波前故障距离信息的同时具有高耐过渡电阻能力和方向判别能力。
本方法利用的是单端量行波包含的故障信息，所利用的数据窗很短，无需通信，所以该方法将有很高的速动性，且不受线路分布参数特性影响，保护范围广。
附图说明
图1为半波长输电线路简图；
图2为故障点处行波特征图；其中图2(a)为故障点处A相电流(A相接地)；图2(b)为故障点处α模电流(A相接地)；
图3为不同故障距离下故障行波的特征(将行波到达时刻进行对齐)；
图4为不同过渡电阻下故障行波的特征；
图5为半波长输电线路单端量行波保护方法的流程简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明利用PSCAD/EMTDC研究半波长输电线路故障时行波的特征。图1为仿真时采用的半波长输电线路模型；图2为故障点处行波特征；图3、图4分别为不同故障距离和过渡电阻下故障行波的特征。可以看出：故障点处行波为阶跃信号，频率含量丰富，输电线路参数的频变特性使得不同频率分量在线路中传播的速度不同，行波波前形状发生畸变。并有以下结论：
1)同种故障类型下，波前畸变程度只与故障距离有关。
2)同种故障类型下，波前幅值和过渡电阻有关。
请参阅图1至图5，本发明提出一种半波长输电线路单端量行波保护方法，包括以下步骤：
1)按式(1)测量并计算线路首端保护安装处故障分量电流：
Δiabc＝iabc-iabc0 (1)
其中，Δiabc为相电流故障分量，iabc为测量的相电流，iabc0为一个周波前相电流。
2)按下式计算出故障分量模电流；
Figure GDA0002726602630000041
3)计算线路首端测得的故障分量α模电流行波斜率，表达式为：
Figure GDA0002726602630000042
其中，iα为线路首端保护测得的故障分量α模电流采样值，n为α模电流采样点序号。直线拟合存在两个参数，b是线路故障分量α模电流与x轴交点，k为线路故障分量α模电流斜率值。当满足|k|≥kset，保护启动，计算接下来几个采样点的斜率，当出现了第一个斜率的减小值时，将之前得到的最大斜率作为相关判别的起始点。其中kset整定原则为：躲过线路正常工作时故障分量α模电流不平衡量最大斜率值；
4)保护启动后，对故障类型进行判别；采用现有技术进行故障类型的判别，对于确定了类型的故障(单相故障、两相故障、三相故障)，计算故障采样数据与线路中点发生对应的金属性故障时，故障分量α模电流行波采样值之间的相关系数，表达式为：
Figure GDA0002726602630000051
式中T为保护判别所采用的数据长度，Ts为采样步长，j为采样序号，iαsetk(j)为线路中点附近发生不同类型(单相故障、两相故障、三相故障)的金属性故障时，故障分量α模电流行波波前T时间段内采样值，为相关系数计算基准，k＝1,2,3，代表单相故障、两相故障、三相故障这三种类型的故障；iα(j)为保护测量的故障分量α模电流采样值。
当满足|ρ|≥ρsetk，判定为区内故障，保护动作，否则为区外故障，保护不动作；式中ρsetk分别为半波长输电线路末端区外发生单相故障、两相故障、三相故障时由式(4)计算出的相关系数。
仿真验证：
表1为单相接地故障时不同故障距离与过渡电阻下α模电流故障分量相关系数和斜率；表2为两相接地故障时不同故障距离与过渡电阻下α模电流故障分量相关系数和斜率；表3为三相接地故障时不同故障距离与过渡电阻下α模电流故障分量相关系数和斜率；kqs为令保护启动的第一个斜率，kmax为保护启动后计算出的最大斜率值，N为采样点序号，f为相关系数值。本发明中，iαsetk(j)为线路1400km处发生不同类型的故障(单相故障、两相故障、三相故障)金属性故障时，故障分量α模电流行波波前1.5ms时间段内采样值，kset为1，ρset1、ρset1、ρset1分别取0.9853、0.9983、0.9965，采样频率为20kHz。
可以看出，半波长线路发生故障时，半波长输电线路发生不同类型故障时，保护均能正确启动，对于区内故障，保护正确动作，对于区外故障，保护可靠不动作。不同过渡电阻故对本保护基本没有影响。因此，本方法有效。
表1单相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(0Ω)
Figure GDA0002726602630000061
表2单相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(100Ω)
Figure GDA0002726602630000062
表3单相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(300Ω)
Figure GDA0002726602630000063
Figure GDA0002726602630000071
表4两相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(0Ω)
Figure GDA0002726602630000072
表5两相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(100Ω)
Figure GDA0002726602630000073
Figure GDA0002726602630000081
表6两相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(300Ω)
Figure GDA0002726602630000082
表7三相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(0Ω)
Figure GDA0002726602630000083
表8三相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(100Ω)
Figure GDA0002726602630000091
表9三相接地故障时不同故障距离下α模电流故障分量相关系数和斜率(300Ω)
Figure GDA0002726602630000092

Claims (2)

1.半波长输电线路单端量行波保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按式(1)测量并计算线路首端保护安装处故障分量电流：
Δiabc＝iabc-iabc0 (1)
其中，Δiabc为相电流故障分量，iabc为测量的相电流，iabc0为一个周波前相电流；
2)按下式计算出故障分量模电流；
Figure FDA0002660666320000011
3)计算线路首端测得的故障分量α模电流行波斜率，表达式为：
Figure FDA0002660666320000012
其中，iα为线路首端保护测得的故障分量α模电流采样值，n为α模电流采样点序号；k为线路故障分量α模电流斜率值；当满足|k|≥kset，保护启动，计算接下来采样点的斜率，当出现了第一个斜率的减小值时，将之前得到的最大斜率作为相关判别的起始点；
4)保护启动后，对故障类型进行判别；确定了故障类型后，计算故障采样数据与线路中点发生对应的金属性故障时，故障分量α模电流行波采样值之间的相关系数，表达式为：
Figure FDA0002660666320000013
式中T为保护判别所采用的数据长度，Ts为采样步长，iαsetk(j)为线路中点附近发生不同类型的金属性故障时，故障分量α模电流行波波前T时间段内采样值，为相关系数计算基准，k＝1,2,3，代表单相故障、两相故障、三相故障；iα(j)为保护测量的故障分量α模电流采样值；
当满足|ρ|≥ρsetk，判定为区内故障，保护动作，否则为区外故障，保护不动作；式中ρsetk分别为半波长输电线路末端区外发生单相故障、两相故障、三相故障时由式(4)计算出的相关系数。
2.根据权利要求1所述的半波长输电线路单端量行波保护方法，其特征在于，kset整定原则为：躲过线路正常工作时故障分量α模电流不平衡量最大斜率值。
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