CN109088402A - 输电线路时域全波形保护装置及其相突变量方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统故障判断技术领域，特别是输电线路时域全波形保护装置及其相突变量方向判断方法。根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值及任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流；根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流；根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系得到正序电抗和正序电阻；当正序电抗和正序电阻均小于零，即该相发生了正向故障，解决了现有采用全波形距离保护技术对相间及非接地故障不适用导致判别不可靠的问题。

Description

输电线路时域全波形保护装置及其相突变量方向判断方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障判断技术领域，特别是输电线路时域全波形保护装置及其相突变量方向判断方法。

背景技术

随着智能变电站的发展，光学电流互感器技术已得到了广泛的应用，运行也越来越稳定，光学电流互感器解决了诸如磁饱和、绝缘、二次回路等诸多常规电磁式互感器无法解决的问题，在原理上能准确、迅捷地传变一次电流全波形信息，促进全波形保护新原理和新技术研究和发展。

新能源发电、直流输电在电力系统应用越来越多，使得电力系统电力电子化加剧，造成现代电力系统中短路故障特性以及直流输电交流侧短路故障特性与传统交流同步电机电源系统的故障特性有本质区别，给传统继电保护装置正常稳定工作带来巨大挑战。在含新能源或直流落点的交流线路发生短路故障时，其故障特征受新能源或直流换流阀的电力电子设备和控制系统的影响，导致故障特征复杂多样，传统的方向元件不能可靠的判别故障方向，难以适应电力系统的变化。

有中国专利公告号为CN102508098B的专利文献公开了一种用于交直流混联电网的快速零序方向元件判别方法，根据保护安装处三相电压、电流的采样值计算零序电压、电流的采样值；建立基于零序电压、零序电流瞬时采样值的时域微分方程；利用时域微分方程及最小二乘法计算零序电阻、零序电感分量；将系统零序电阻、零序电感分量转换到频域，计算出工频零序阻抗；根据零序阻抗在阻抗平面所在区域落在正方向或反方向动作区判别是否发生正向或反向接地故障；该方法不受低频分量及分数次谐波及交直流混联电网故障后正序、负序阻抗不相等的影响，保证了计算结果的可靠性，动作性能远优于基于半周傅式算法及其各种工频方向元件。但其基于零序的判别只能针对接地故障，对相间及非接地故障不适用；基于零序的方向元件能够判断发生了正方向接地故障，但无法定位故障相，而且容易导致同杆线路与另一回线的非接地故障产生。

发明内容

本发明的目的是提供输电线路时域全波形保护装置及其相突变量方向判断方法，解决现有采用全波形距离保护技术对相间及非接地故障不适用导致判别不可靠的问题。

为了实现非接地故障的方向判别方法，并准确定位故障相，解决现有采用全波形距离保护技术对相间及非接地故障不适用导致判别不可靠的问题。本发明提供一种输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值和各对应采样点的任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流；

2)根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流；

3)根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相发生了正向故障。

进一步地，为了提高精确性，上述n+1个采样点的任一相的n个突变量相电压的公式为Δu_a(j)＝u_a(j)-u_a(j-mN)，对应相的n+1个突变量相电流的公式为Δi_a(j)＝i_a(j)-i_a(j-mN)，对应采样点的n+1个突变量零序电流的公式为Δ3i₀(j)＝3i₀(j)-3i₀(j-mN)，所述约束关系的公式为

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；k_l、k_r为零序电抗补偿系数、零序电阻补偿系数；其中t_s为采样间隔。

进一步地，为了快速求解，所述n维方程组的公式为

进一步地，为了快速求解，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

为了便于实施上述方法，本发明提供一种输电线路时域全波形保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值和各对应采样点的任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流；

2)根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流；

3)根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相发生了正向故障。

进一步地，为了提高精确性，该装置中n+1个采样点的任一相的n个突变量相电压的公式为Δu_a(j)＝u_a(j)-u_a(j-mN)，对应相的n+1个突变量相电流的公式为Δi_a(j)＝i_a(j)-i_a(j-mN)，对应采样点的n+1个突变量零序电流的公式为Δ3i₀(j)＝3i₀(j)-3i₀(j-mN)，所述约束关系的公式为

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；k_l、k_r为零序电抗补偿系数、零序电阻补偿系数；其中t_s为采样间隔。

进一步地，为了快速求解，该装置中所述n维方程组的公式为

进一步地，为了快速求解，该装置中步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

附图说明

图1是一种输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值和各对应采样点的任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流。

通过最新n+1个采样点的三相电流计算得到最新n+1个零序电流3i₀(k)、3i₀(k-1)…3i₀(k-n)；其中：

3i₀(j)＝i_a(j)+i_b(j)+i_c(j)

j＝k、k-1...k-n。

通过m个周期前n+1个采样点的三相电流计算得到n+1个记忆零序电流3i₀(k-mN)、3i₀(k-1-mN)…3i₀(k-n-mN)；其中：

3i₀(j)＝i_a(j)+i_b(j)+i_c(j)

j＝k-mN、k-1-mN...k-n-mN，k表示故障发生后第一个采样点对应的采样时刻，N表示周期，m表示周期个数，故障发生后的n+1个采样点的数据构成第一组零序电流瞬时值，对应的设定周期前时刻的数据构成第二组零序电流瞬时值。

n+1个采样点的任一相的n个突变量相电压的公式为Δu_a(j)＝u_a(j)-u_a(j-mN)，其中j＝k、k-1...k-n+1。

对应相的n+1个突变量相电流的公式为Δi_a(j)＝i_a(j)-i_a(j-mN)，其中j＝k、k-1...k-n。

2)根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流。

n+1个突变量零序电流的公式为Δ3i₀(j)＝3i₀(j)-3i₀(j-mN)，其中j＝k、k-1...k-n。

3)根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组。

约束关系的公式为

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；k_l、k_r为零序电抗补偿系数、零序电阻补偿系数；其中可由两点微分算法公式求得：

若取频率50Hz，采样率1200，则t_s采样间隔为0.833333ms。

n维方程组，为二元一次n维方程组，如下：

L₁、R₁外，均为已知。

4)利用最小二乘法对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻。

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则发生了正向故障。

利用光学电流互感器采集继电保护安装处电压和电流采样值信息，当线路发生短路故障时，获得继电保护安装处故障后的电压和电流采样值信息，并处理获得零序电流瞬时值信息；根据记忆相电压瞬时值、记忆相电流瞬时值、记忆零序电流瞬时值、故障后相电压瞬时值、相电流瞬时值、零序电流瞬时值，计算出突变量相电压瞬时值、突变量相电流瞬时值、突变量零序电流瞬时值；利用全波形信息按R-L线路模型列出微分方程；利用n个采样点得到n个微分方程；解微分方程得到R₁、L₁的值，最终根据R₁和L₁的符号来判断故障方向，实现故障方向的判定。

上述的方法可以应用于一种输电线路时域全波形保护装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行上述程序时实现上述的判断方法。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值和各对应采样点的任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流；

2)根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流；

3)根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相发生了正向故障。

2.根据权利要求1所述的输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，其特征在于，n+1个采样点的任一相的n个突变量相电压的公式为Δu_a(j)＝u_a(j)-u_a(j-mN)，对应相的n+1个突变量相电流的公式为Δi_a(j)＝i_a(j)-i_a(j-mN)，对应采样点的n+1个突变量零序电流的公式为Δ3i₀(j)＝3i₀(j)-3i₀(j-mN)，所述约束关系的公式为

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；k_l、k_r为零序电抗补偿系数、零序电阻补偿系数；其中t_s为采样间隔。

3.根据权利要求2所述的输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，其特征在于，所述n维方程组的公式为

4.根据权利要求3所述的输电线路时域全波形保护装置相突变量方向判断方法，其特征在于，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

5.一种输电线路时域全波形保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组零序电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组零序电流瞬时值和各对应采样点的任一相的突变量相电压以及对应相的突变量相电流；

2)根据第一组零序电流瞬时值和第二组零序电流瞬时值得到各采样点的突变量零序电流；

3)根据突变量零序电流、突变量相电压、突变量相电流、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相发生了正向故障。

6.根据权利要求5所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，n+1个采样点的任一相的n个突变量相电压的公式为Δu_a(j)＝u_a(j)-u_a(j-mN)，对应相的n+1个突变量相电流的公式为Δi_a(j)＝i_a(j)-i_a(j-mN)，对应采样点的n+1个突变量零序电流的公式为Δ3i₀(j)＝3i₀(j)-3i₀(j-mN)，所述约束关系的公式为

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；k_l、k_r为零序电抗补偿系数、零序电阻补偿系数；其中t_s为采样间隔。

7.根据权利要求6所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，所述n维方程组的公式为

8.根据权利要求7所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。