CN109449900A - 一种基于电流幅值比的纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流幅值比的纵联保护方法，首先根据逆变型电源短路电流的幅值与系统侧短路电流幅值的差异，构成幅值比较的纵联保护判据；然后根据送出线路T接对该保护判据的影响，对所述纵联保护判据进行改进。上述方法只需传递电流幅值信息，对于同步能力和信道传输能力要求较低，同时在新能源弱出力(无风/无光)情况下故障以及重合于永久性故障时均具有良好的动作性能。

Description

一种基于电流幅值比的纵联保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于电流幅值比的纵联保护方法。

背景技术

规模化开发和利用光伏、风电等新能源成为电力、能源领域的必然发展趋势，由于风能、太阳能丰富的地区通常远离负荷中心，因此规模化新能源集中汇集送出接入同步系统成为新能源并网发电重要形式。送出线路保护的正确动作对于规模化新能源的高效利用至关重要，逆变型电源的故障特性与传统同步电源特性区别明显，传统比率制动式差动保护面临灵敏性下降、甚至拒动的挑战。

现有技术中对于送出线路的纵联保护的研究成果较少，主要方法通常在时域入手，一种是利用差动电压和差动电流的一阶导数是否符合电容模型来区分区内外故障，但是一阶导数受高频分量影响，保护性能稍差；另外一种是通过皮尔逊相关系数度量两侧暂态电流波形的差异，但是该方法在新能源弱出力情况下故障以及重合于永久性故障均无法正确动作，因此有必要研究新的纵联保护方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电流幅值比的纵联保护方法，该方法只需传递电流幅值信息，对于同步能力和信道传输能力要求较低，同时在新能源弱出力(无风/无光)情况下故障以及重合于永久性故障时均具有良好的动作性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电流幅值比的纵联保护方法，所述方法包括：

步骤1、根据逆变型电源短路电流的幅值与系统侧短路电流幅值的差异，构成幅值比较的纵联保护判据；

步骤2、然后根据送出线路T接对该保护判据的影响，对所述纵联保护判据进行改进。

在步骤1中，将新能源内电势的变化均等效到内阻抗Z_P的变化上，将其记为Z′_P，则流过P，Q两侧的电流为：

其中，为逆变型新能源场站的等值电动势，为同步系统等值电动势，Z′_P为逆变型新能源场站的等效内阻抗，Z_Q系统等效内阻抗，Z_L为送出线路的总阻抗，λ为故障点到Q母线的线路阻抗占整条送出线路阻抗的比例，且0<λ<1；

由式(1)和式(2)可知，在假定的前提下，两侧电流的幅值比为：

上述式(3)中的分母大于分子，因此可得纵联保护判据为：

其中，|.|表示相量的模值，ρ_set为整定系数；

当系统正常运行或者外部故障时，两侧电流的幅值相等，纵联保护判据ξ值为1；当内部发生故障时，纵联保护判据ξ小于1，从而能可靠区分故障。

在步骤1中，当场站容量较大时，|Z′_P|接近于|Z_Q|，此时该纵联保护判据会失效；

进一步的，在P母线出口发生短路故障时，新能源提供的短路电流幅值最大，而系统侧提供的短路电流最小，该纵联保护判据最易拒动，此时有：

假设新能源场站短路容量与所接系统短路容量之比为1：β，则有Z′_P＝βZ_Q，新能源场站能输出最大短路电流为2I_N，则新能源场站最小等值阻抗：

额定电流I_N由场站额定容量P_N和送出线路额定电压U_N求得，即同时E_P＝U_N，结合式(5)和式(6)获得在一定场站容量下送出线路长度的约束条件为：

其中：L为送出线路的长度约束；z₁为送出线路的单位正序阻抗。

在步骤2中，对所述纵联保护判据进行改进的过程具体为：

当新能源场站2加入时，新能源场站2的加入会导致P侧电流小于Q侧电流，随着新能源场站2容量的增大，将会导致所述纵联保护判据误动；

在正常运行时新能源场站1和新能源场站2电流相位基本相等，故当新能源场站2的额定容量达到新能源场站1额定容量的18％时，保护就会误动，因此对所述纵联保护判据进行改进，具体来说：

所述新能源场站2接入后，正常运行时电流关系满足：

为保证正常运行时，所述纵联保护判据不会误动，将式(10)两侧同时取模值，将所述纵联保护判据改写为：

在步骤2中，进一步对改进后纵联保护判据的动作性能进行分析，具体为：

首先分析其在正常运行及区外故障时能否可靠不动，利用绝对值不等式的性质可知：

因此正常运行时有：

从式(13)中可知，正常运行以及右侧区外故障时，改进后的判据能够可靠不动；

针对P母线左侧发生区外故障时，此时电流关系满足：

同时考虑绝对值不等式性质：

结合式(14)和式(15)可得：

从式(16)可知，当F处发生区外故障时，改进后的判据能够可靠不动，同理能够证明其他位置区外故障以及新能源场站1和新能源场站2失电时该改进后的判据均不会误动；

当区内发生故障时，Q侧故障电流的表达式为：

上述式(17)中，由于附加阻抗λ₁ZL₁(ZL₂+Z_Q)/Z_W∑的值在分母中占比较小，因此W支路对系统侧提供的短路电流值的影响很小；

同时为分析T接时改进后判据的适用范围，假设新能源场站1和新能源场站2均能输出最大短路电流，其值为：

此时有：

从式(19)可知，此时与新能源场站1和新能源场站2在P母线并联接入输出的短路电流最大值相等，因此步骤3中的约束条件仍然成立；

且此时P_N为两个场站容量之和，即L＝L₁+L₂或L＝L₃+L₂，两种情况均满足约束条件。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法只需传递电流幅值信息，对于同步能力和信道传输能力要求较低，同时在新能源弱出力(无风/无光)情况下故障以及重合于永久性故障时均具有良好的动作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于电流幅值比的纵联保护方法流程示意图；

图2为本发明所举实例中逆变型新能源场站送出线路的主接线示意图；

图3为本发明所举实例中送出线路区内故障的等效电路图；

图4为本发明所举实例中新能源场站T接示意图；

图5为本发明所举实例中送出线路T接内部故障等效电路图；

图6为本发明所举实例中大规模新能源接入容量下传统比率制动式差动保护的动作性能示意图；

图7为本发明所举实例中所提幅值比较判据在大规模新能源接入情况下的动作性能示意图；

图8为本发明所举实例中区外故障时送出线路T接时的动作性能示意图。

具体实施方式

下面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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于电流幅值比的纵联保护方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据逆变型电源短路电流的幅值与系统侧短路电流幅值的差异，构成幅值比较的纵联保护判据；

在该步骤中，由于故障后新能源的内电势和内阻抗不再恒定，为便于分析，本实施例认为新能源内电势在故障前后保持不变，将其变化均等效到内阻抗Z_P的变化上，将其记为Z′_P，流过P，Q两侧的电流为：

其中，为逆变型新能源场站的等值电动势，为同步系统等值电动势，Z′_P为逆变型新能源场站的等效内阻抗，Z_Q系统等效内阻抗，Z_L为送出线路的总阻抗，λ为故障点到Q母线的线路阻抗占整条送出线路阻抗的比例(0<λ<1)。

由式(1)和式(2)可知，在假定的前提下，两侧电流的幅值比为：

逆变型新能源具有限流特性，等效内阻抗较大，因而式(3)中的分母通常大于分子，因此可得纵联保护判据为：

其中：|.|表示相量的模值，ρ_set为整定系数。

当系统正常运行或者外部故障时，两侧电流的幅值相等，纵联保护判据ξ值为1；当内部发生故障时，纵联保护判据ξ小于1，从而能可靠区分故障。

另外，考虑新能源的进一步发展，当场站容量较大时，|Z′_P|可能接近于|Z_Q|，此时该纵联保护判据可能会失效，为分析其适用范围，考虑最极端情况，在P母线出口发生短路故障时，新能源提供的短路电流幅值最大，而系统侧提供的短路电流最小，该纵联保护判据最易拒动，此时有：

假设新能源场站短路容量与所接系统短路容量之比为1：β，则有Z′_P＝βZ_Q，同时认为新能源场站可以输出最大短路电流2I_N，则新能源场站最小等值阻抗：

考虑额定电流I_N可以由场站额定容量P_N和送出线路额定电压U_N求得，即同时可认为E_P＝U_N，结合式(5)和式(6)可得在一定场站容量下送出线路长度的约束条件为：

其中：L为送出线路的长度约束，z₁为送出线路的单位正序阻抗。

步骤2、然后根据送出线路T接对该保护判据的影响，对所述纵联保护判据进行改进。

在该步骤中，对所述纵联保护判据进行改进的过程具体为：

当新能源场站2加入时，新能源场站2的加入会导致P侧电流小于Q侧电流，随着新能源场站2容量的增大，将会导致所述纵联保护判据误动；

在正常运行时新能源场站1和新能源场站2电流相位基本相等，故当新能源场站2的额定容量达到新能源场站1额定容量的18％时，保护就会误动，因此对所述纵联保护判据进行改进，具体来说：

所述新能源场站2接入后，正常运行时电流关系满足：

为保证正常运行时，所述纵联保护判据不会误动，将式(10)两侧同时取模值，然而此时涉及相量传输，增加了通信压力，为降低对通信的要求，考虑仅利用幅值特性，将判据改写为：

进一步对改进后纵联保护判据的动作性能进行分析，具体为：

首先分析其在正常运行及区外故障时能否可靠不动，利用绝对值不等式的性质可知：

因此正常运行时有：

从式(13)中可知，正常运行以及右侧区外故障时，改进后的判据能够可靠不动；

针对P母线左侧发生区外故障时，此时电流关系满足：

同时考虑绝对值不等式性质：

结合式(14)和式(15)可得：

从式(16)可知，当F处发生区外故障时，改进后的判据能够可靠不动，同理能够证明其他位置区外故障以及新能源场站1和新能源场站2失电时该改进后的判据均不会误动；

当区内发生故障时，Q侧故障电流的表达式为：

上述式(17)中，由于附加阻抗λ₁ZL₁(ZL₂+Z_Q)/Z_W∑的值在分母中占比较小，因此W支路对系统侧提供的短路电流值的影响很小；

同时为分析T接时改进后判据的适用范围，考虑最极端情况，假设新能源场站1和新能源场站2均能输出最大短路电流，其值为：

此时有：

从式(19)可知，此时与新能源场站1和新能源场站2在P母线并联接入输出的短路电流最大值相等，因此步骤3中的约束条件仍然成立；

且此时P_N为两个场站容量之和，即L＝L₁+L₂或L＝L₃+L₂，两种情况必须均满足约束条件(7)。

下面以具体的实例对上述方法的实施过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例中逆变型新能源场站送出线路的主接线示意图，逆变型电源经过箱变升压后接入汇集系统，经过汇集系统汇集后经过主变高压送出接入同步系统，送出线路场站侧母线命名为P母线，系统侧母线为Q母线，电流参考正方向均为母线指向线路。

如图3所示为本发明所举实例中送出线路区内故障的等效电路图，图中为逆变型新能源场站的等值电动势，为同步系统等值电动势，Z_P为逆变型新能源场站的等效内阻抗，Z_Q系统等效内阻抗，Z_L为送出线路的总阻抗，λ为故障点到Q母线的线路阻抗占整条送出线路阻抗的比例(0<λ<1)。

如图4所示为本发明所举实例中新能源场站T接示意图，新能源场站2与新能源场站1在送出线路中点T接，然后集中外送；L₁为线路PO的长度，L₂为线路OQ的长度,L₃为线路OW的长度，图4中电流方向均为参考正方向。

如图5所示为本发明所举实例中送出线路T接内部故障等效电路图，图5中，Z_L1和Z_L2分别为线路L₁和L₂的正序阻抗，λ₁为故障点到O点的线路阻抗占L₁线路阻抗的比例，Z_WΣ为场站2内阻抗Z_W与线路L₃阻抗Z_L3之和。

如图6所示为本发明所举实例中大规模新能源接入容量下传统比率制动式差动保护的动作性能示意图，左图为两相短路，右图为三相短路；从图中可以看出在两相短路时C相差动电流与制动电流比值接近0.8，因此C相差动保护存在拒动风险，而在三相短路时，三相差动保护的动作性能均会劣化。

如图7所示为本发明所举实例中所提幅值比较判据在大规模新能源接入情况下的动作性能示意图，左图为两相短路，右图为三相短路；从图中可以看出，在传统比率制动式差动保护存在拒动的情况下，比幅值判据表现出了良好的动作性能。BC两相短路时B相和C相的ξ值分别为0.269和0.214，三相短路时三相ξ值均在0.260附近，远低于整定值0.82。

如图8所示为本发明所举实例中区外故障时送出线路T接时的动作性能示意图，从图中可以看出无论是左侧区外故障还是右侧区外故障，改进的比幅值判据ξ值均大于或等于1，保护可靠不动。

仿真结果表明，所提电流幅值比较判据在送出线路发生相间故障时具有良好的动作性能，且所提适用于T接线路的改进判据也能够正确识别区内外故障，该方法原理简单、可靠，适合于大规模新能源接入情况下送出线路的主保护。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于电流幅值比的纵联保护方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据逆变型电源短路电流的幅值与系统侧短路电流幅值的差异，构成幅值比较的纵联保护判据；

步骤2、然后根据送出线路T接对该保护判据的影响，对所述纵联保护判据进行改进。

2.根据权利要求1所述基于电流幅值比的纵联保护方法，其特征在于，在步骤1中，

将新能源内电势的变化均等效到内阻抗Z_P的变化上，将其记为Z′_P，则流过P，Q两侧的电流为：

其中，为逆变型新能源场站的等值电动势，为同步系统等值电动势，Z′_P为逆变型新能源场站的等效内阻抗，Z_Q系统等效内阻抗，Z_L为送出线路的总阻抗，λ为故障点到Q母线的线路阻抗占整条送出线路阻抗的比例，且0<λ<1；

由式(1)和式(2)可知，在假定的前提下，两侧电流的幅值比为：

上述式(3)中的分母大于分子，因此可得纵联保护判据为：

其中，|.|表示相量的模值，ρ_set为整定系数；

当系统正常运行或者外部故障时，两侧电流的幅值相等，纵联保护判据ξ值为1；当内部发生故障时，纵联保护判据ξ小于1，从而能可靠区分故障。

3.根据权利要求2所述基于电流幅值比的纵联保护方法，其特征在于，在步骤1中，

当场站容量较大时，|Z′_P|接近于|Z_Q|，此时该纵联保护判据会失效；

进一步的，在P母线出口发生短路故障时，新能源提供的短路电流幅值最大，而系统侧提供的短路电流最小，该纵联保护判据最易拒动，此时有：

假设新能源场站短路容量与所接系统短路容量之比为1：β，则有Z′_P＝βZ_Q，新能源场站能输出最大短路电流为2I_N，则新能源场站最小等值阻抗：

额定电流I_N由场站额定容量P_N和送出线路额定电压U_N求得，即同时E_P＝U_N，结合式(5)和式(6)获得在一定场站容量下送出线路长度的约束条件为：

其中：L为送出线路的长度约束；z₁为送出线路的单位正序阻抗。

4.根据权利要求1所述基于电流幅值比的纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，对所述纵联保护判据进行改进的过程具体为：

当新能源场站2加入时，新能源场站2的加入会导致P侧电流小于Q侧电流，随着新能源场站2容量的增大，将会导致所述纵联保护判据误动；

在正常运行时新能源场站1和新能源场站2电流相位基本相等，故当新能源场站2的额定容量达到新能源场站1额定容量的18％时，保护就会误动，因此对所述纵联保护判据进行改进，具体来说：

所述新能源场站2接入后，正常运行时电流关系满足：

为保证正常运行时，所述纵联保护判据不会误动，将式(10)两侧同时取模值，将所述纵联保护判据改写为：

5.根据权利要求4所述基于电流幅值比的纵联保护方法，其特征在于，在步骤2中，进一步对改进后纵联保护判据的动作性能进行分析，具体为：

首先分析其在正常运行及区外故障时能否可靠不动，利用绝对值不等式的性质可知：

因此正常运行时有：

从式(13)中可知，正常运行以及右侧区外故障时，改进后的判据能够可靠不动；

针对P母线左侧发生区外故障时，此时电流关系满足：

同时考虑绝对值不等式性质：

结合式(14)和式(15)可得：

从式(16)可知，当F处发生区外故障时，改进后的判据能够可靠不动，同理能够证明其他位置区外故障以及新能源场站1和新能源场站2失电时该改进后的判据均不会误动；

当区内发生故障时，Q侧故障电流的表达式为：

上述式(17)中，由于附加阻抗λ₁Z_L1(Z_L2+Z_Q)/Z_W∑的值在分母中占比较小，因此W支路对系统侧提供的短路电流值的影响很小；

同时为分析T接时改进后判据的适用范围，假设新能源场站1和新能源场站2均能输出最大短路电流，其值为：

此时有：

从式(19)可知，此时与新能源场站1和新能源场站2在P母线并联接入输出的短路电流最大值相等，因此步骤3中的约束条件仍然成立；

且此时P_N为两个场站容量之和，即L＝L₁+L₂或L＝L₃+L₂，两种情况均满足约束条件。