CN110082596A - 基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出了基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法及系统，包括：采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗。通过提取故障后电压、电流中的高频谐波分量，使得不受过渡电阻和故障位置的影响，计算误差均优于传统方案；谐波分量越丰富，计算结果越接近于实际值；提取高频谐波所需采样窗长短，有助于提升距离保护的动作时间，具备良好的工程实用价值。

Description

基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法及系统

技术领域

本发明属于电力领域，尤其涉及基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法及系统。

背景技术

按照国标要求，在高压及以上电力系统中线路保护装置必须配置阶段式距离保护和快速距离保护功能，以作为差动保护(纵联保护)的有效补充。然而，单相接地时过渡电阻的存在，导致测量阻抗无法真实反映故障位置，严重影响着距离保护的动作性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法及系统，借助提取故障后电压、电流中的高频谐波分量，解决过渡电阻引起的距离保护误动或拒动问题。

具体的，一方面，本申请实施例提出了基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法，包括：

步骤1：采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；

步骤2：根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；

步骤3：基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗。

可选的，所述根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比，包括：

由于Z_m由代表保护安装处到故障点的线路阻抗的真实故障阻抗αdZ_l和附加阻抗ΔZ两部分构成，因此确定如公式一所示的距离测量阻抗表达式

式中，Z_l表示线路单位阻抗；表示故障点电压；表示保护安装处测量电流；ΔZ表示故障附加阻抗，线路全长为d，故障点F到母线M侧的距离百分比为α

当发生单相接地故障时，确定如公式二所示的保护安装处电压与电流间存在关系

式中，表示保护安装处测量电压，R_m、L_m分别表示M侧系统等值电阻与等值电抗，R_n、L_n分别表示N侧系统等值电阻与等值电抗，R_l、L_l分别表示线路单位电阻与电抗，R_F表示过渡电阻，为母线M侧的序电流，为故障点序电流；

将公式二所示的保护安装处测量电压分解，得到如公式三所示的虚实部表达式

式中，Re表示取实部；Im表示取虚部；

消除电流分配系数C_mi与过渡电阻R_F，求得如公式四所示的距离百分比α

式中，为保护安装处的电压，为保护安装处的电流，为保护安装处的序电流，d为线路长度，R_l为线路单位电阻，L_l为线路单位电抗，Re表示取实部；Im表示取虚部。

可选的，所述基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗，包括：

确定如公式五所示的线路单位阻抗表达式

Z_l＝R_l+jL_l＝R_l+j2πfl_l公式五

式中，f表示频率；l_l表示单位电感；

将公式五代入公式一中的真实故障阻抗αdZ_l表达式中，得到如公式六所示的距离保护测量阻抗表达式

Z＝αd(R_l+j314*l_l)公式六。

另一方面，本申请还提出了一种基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算系统，包括数据读入模块、距离百分比计算模块和故障阻抗计算模块；

所述的数据读入模块分别与故障距离百分比计算模块、故障阻抗计算模块相连；

所述的距离百分比计算模块与故障阻抗计算模块相连；

所述数据读入模块用于采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；

所述距离百分比计算模块用于根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；

所述故障阻抗极端模块用于基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过提取故障后电压、电流中的高频谐波分量，使得不受过渡电阻和故障位置的影响，计算误差均优于传统方案；谐波分量越丰富，计算结果越接近于实际值；提取高频谐波所需采样窗长短，有助于提升距离保护的动作时间，具备良好的工程实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的附图。

图1是基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法的流程示意图；

图2是双电源系统图；

图3是过渡电阻引起的四边形特性距离保护不正确动作图；

图4是负序和零序网络图；

图5是线路阻抗角与频率变化曲线图；

图6(a)是不同频率下负序电流分配系数相角与故障位置的变化曲线；

图6(b)是不同频率下零序电流分配系数相角与故障位置的变化曲线；

图7是本发明提供的一种基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算系统结构图；

图8是新英格兰10机39节点仿真系统；

图9(a)是距母线B5侧40km处经100Ω过渡电阻发生A相接地故障时电压波形图；

图9(b)是距母线B5侧40km处经100Ω过渡电阻发生A相接地故障时电流波形图；

图10(a)为采用负序电流不同过渡电阻时仿真结果一；

图10(b)为采用零序电流不同过渡电阻时仿真结果二；

图11(a)为采用负序电流不同故障位置时仿真结果一；

图11(b)为采用零序电流不同故障位置时仿真结果二。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本申请实施例提出了基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法，如图1所示，包括：

步骤1：采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；

步骤2：根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；

步骤3：基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗。

具体的，以图2所示的双电源系统为例，本发明提供的基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算系统的工作原理是：

母线M侧和N侧的系统电压分别是和线路全长为d，故障点F到母线M侧的距离百分比为α。

经过渡电阻发生单相接地故障时，母线M侧的距离保护测量阻抗Z_m为：

式中，Z_l表示线路单位阻抗；表示故障点电压；表示保护安装处测量电流；ΔZ表示故障附加阻抗。

可以看出，Z_m由真实故障阻抗αdZ_l(保护安装处到故障点的线路阻抗)和附加阻抗ΔZ两部分构成，而ΔZ将直接决定距离保护能否正确动作。

当ΔZ呈纯阻性时，区内故障时可能引起保护拒动；

当ΔZ呈阻容性时，区外故障时可能引起保护误动；

当ΔZ呈阻感性时，可能引起保护在区内故障时拒动，或反向出口故障时失去方向性。以四边形特性的距离保护为例，过渡电阻可能引起的不正确动作如图3所示。

考虑到故障点电压难以直接测量或计算，因此无法直接消除测量阻抗中的故障附加阻抗ΔZ。为解决ΔZ引起的距离保护不正确动作问题，可通过间接方法近似求取故障点电气量，如利用保护安装处的序电流计算得到故障点电流。

系统发生图2所示的区内单相接地后，对应的负序与零序网络如图4所示。

图4中，R_m、L_m分别表示M侧系统等值电阻与等值电抗；

R_n、L_n分别表示N侧系统等值电阻与等值电抗；

R_l、L_l分别表示线路单位电阻与电抗；R_F表示过渡电阻；

表示故障点序电压。

根据图4可知，母线M侧的序电流与故障点序电流之间存在关系：

式中，C_mi表示电流分配系数。

可以看出，当线路阻抗与系统等值阻抗的相角相同时，C_mi恒为实数，保护安装处序电流与故障点序电流同相位。

否则，C_mi为虚数，保护安装处序电流与故障点序电流之间存在相位差，且由线路两端系统等值阻抗、线路阻抗和故障位置共同决定。

单相接地故障时，保护安装处电压与电流间存在关系：

式中，表示保护安装处测量电压。

研究表明，在高压及以上系统中，鉴于各电力设备阻抗角接近，电流分配系数可近似当作实数处理。在此基础上，将公式二按照实部与虚部分开，进一步得到方程组：

式中，Re表示取实部；Im表示取虚部。根据公式三中第一个公式求得后，消除电流分配系数C_mi与过渡电阻R_F，带入公式三中第二个公式就可求得：

然而，在实际电网中，由于各设备阻抗角接近但不相同，C_mi实为虚数，因此利用公式四无法准确求取故障点保护保护安装处的距离百分比α。同时，根据公式四可知，当C_mi的相角为正时，保护安装处序电流超前于故障点序电流，会导致计算的距离百分比α偏小；当C_mi的相角为负时，保护安装处序电流滞后于故障点电流，会导致计算的距离百分比α偏大。

对各电力设备而言，其阻抗中电抗部分远大于电阻部分，且电抗值与频率成正比关系。以线路单位阻抗为例，其表达式为：

Z_l＝R_l+jL_l＝R_l+j2πfl_l公式五

式中，f表示频率；l_l表示单位电感。

理论上，当f越高，阻抗Z_l中电阻部分R_l占比越小，电抗部分L_l占比越大，其阻抗角均越接近90°。以某220kV线路为例，线路阻抗角与频率的变化曲线如图5所示。

同理，随着系统频率增大，各电力设备的阻抗角均会接近于90°，此时，系统发生故障时电流分配系数会越接近于实数。图6(a)、6(b)分别给出了某220kV系统在不同频率情况时，负序电流分配系数、零序电流分配系数的相角与故障位置的仿真结果。可以看出，不管是负序或零序电流分配系数，频率越高，其相角均越接近于0°，保护安装处序电流与故障点序电流之间的相位差越小。

考虑到公式四在任何频率下均成立，因此本文提取故障后的高频谐波分量来参与公式四计算，以消除过渡电阻对测量阻抗的影响。在此基础上，令f＝50,π＝3.14，确定2πf＝314，从而求得工频下(即频率f＝50Hz)保护安装处到故障点的真实故障阻抗为：

Z＝αd(R_l+j2*3.14*50*l_l)＝αd(R_l+j314*l_l)公式六

采用高频谐波进行计算，不仅能够减小将电流分配系数当作实数处理的误差，同时相比于基波，高频谐波的采样窗长短，有助于提升距离保护的动作速度。

实施例二

本发明提供的基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算系统2，如图7所示，该系统包括数据读入模块21、距离百分比计算模块22和故障阻抗计算模块23；

所述的数据读入模块21分别与故障距离百分比计算模块22、故障阻抗计算模块23相连；

所述的距离百分比计算模块22与故障阻抗计算模块23相连；

所述数据读入模块21用于获取线路长度、线路单位电感、线路单位电阻、保护安装处的相电流和电压，并将采集的数据发送至距离百分比计算模块；

所述距离百分比计算模块22用于提取保护安装处的电流和电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比，并发送至故障阻抗计算模块；

所述故障阻抗极端模块23用于根据距离百分比、线路单位电阻、线路单位电感计算真实故障阻抗。

为验证本发明的正确性，采用PSCAD/EMTDC搭建额定电压为220kV的新英格兰10机39节点仿真系统进行仿真验证，如图8所示。在仿真过程中，以线路4-5发生故障时母线B5侧的距离保护作为仿真对象，采用全周傅氏算法提取基波整数倍谐波为例说明本方案的正确性。故障时刻设置为t＝0.5s，仿真结果均采用相对误差表示。

距母线B5侧40km处经100Ω发生A相接地故障时，保护安装处的电压、电流波形分别如图9(a)、9(b)所示。以提取100Hz谐波为例，分别采用负序电流和零序电流时仿真结果如下表所示。可以看出，不论是采用负序电流或零序电流，100Hz谐波的计算误差均小于50Hz基波的仿真结果；而与零序电流相比，采用负序电流时计算误差较小。

距母线B5侧20km处经不同过渡电阻发生B相接地故障时，以提取200Hz谐波为例，仿真结果分别如图10(a)、10(b)所示。可以看出，不论采用负序电流或零序电流，与50Hz基波相比，基于200Hz谐波的仿真误差小，且不受过渡电阻的影响。

距母线B5侧不同位置经150Ω过渡电阻发生C相接地故障时，以提取250Hz谐波为例，仿真结果分别如图11(a)、11(b)所示。可以看出，在不同位置发生故障时，不论采用负序电流或零序电流，基于250Hz谐波的仿真结果均优于50Hz基波。

基于PSCAD/EMTDC平台的算例验证结果表明，该系统不论过渡电阻大小和故障位置远近，计算误差均优于传统方案；谐波分量越丰富，计算结果越接近于实际值；提取高频谐波所需采样窗长短，有助于提升距离保护的动作时间，具备良好的工程实用价值。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算方法，其特征在于，所述故障阻抗计算方法包括：

步骤1：采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；

步骤2：根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；

步骤3：基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗。

2.根据权利要求1所述的故障阻抗计算方法，其特征在于，所述根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比，包括：

由于Z_m由代表保护安装处到故障点的线路阻抗的真实故障阻抗αdZ_l和附加阻抗ΔZ两部分构成，因此确定如公式一所示的距离测量阻抗表达式

式中，Z_l表示线路单位阻抗；表示故障点电压；表示保护安装处测量电流；ΔZ表示故障附加阻抗，线路全长为d，故障点F到母线M侧的距离百分比为α；

当发生单相接地故障时，确定如公式二所示的保护安装处电压与电流间存在关系

式中，表示保护安装处测量电压，R_m、L_m分别表示M侧系统等值电阻与等值电抗，R_n、L_n分别表示N侧系统等值电阻与等值电抗，R_l、L_l分别表示线路单位电阻与电抗，R_F表示过渡电阻，为母线M侧的序电流，为故障点序电流；

将公式二所示的保护安装处测量电压分解，得到如公式三所示的虚实部表达式

式中，Re表示取实部；Im表示取虚部；

消除电流分配系数C_mi与过渡电阻R_F，求得如公式四所示的距离百分比α

式中，为保护安装处的电压，为保护安装处的电流，为保护安装处的序电流，d为线路长度，R_l为线路单位电阻，L_l为线路单位电抗，Re表示取实部；Im表示取虚部。

3.根据权利要求2所述的故障阻抗计算方法，其特征在于，所述基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗，包括：

确定如公式五所示的线路单位阻抗表达式

Z_l＝R_l+jL_l＝R_l+j2πfl_l 公式五

式中，f表示频率；l_l表示单位电感；

将公式五代入公式一中的真实故障阻抗αdZ_l表达式中，得到如公式六所示的距离保护测量阻抗表达式

Z＝αd(R_l+j314*l_l) 公式六。

4.一种基于高频暂态量的距离保护故障阻抗计算系统，其特征在于，所述系统包括数据读入模块、距离百分比计算模块和故障阻抗计算模块；

所述的数据读入模块分别与故障距离百分比计算模块、故障阻抗计算模块相连；

所述的距离百分比计算模块与故障阻抗计算模块相连；

所述数据读入模块用于采集电缆数据，所述电缆数据包括距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波、电缆数据中的线路单位电阻和电感；

所述距离百分比计算模块用于根据电缆数据中的距离保护安装处的电流、电压中的高频谐波，计算故障点到保护安装处的距离百分比；

所述故障阻抗极端模块用于基于得到的距离百分比，结合电缆数据中的线路单位电阻和电感，计算距离保护的真实故障阻抗。