CN110137918B - 一种自适应距离iii段保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应距离III段保护方法，包括：利用保护安装处测量到的电压电流信息，形成电压电流约束，据此得到随本侧电压变化的自适应距离III段抛球圆动作特性，并与常规距离III段的动作特性相结合，构成新的自适应阻抗继电器R₂，加上电抗线阻抗继电器R₁、过电流限制继电器R_Imax和接地故障继电器R₀，共同构成距离保护III段相间故障和接地故障的动作判据。本发明通过将自适应抛球圆特性限制在电流电压约束内，能够确保在本线路发生过负荷时，距离保护III段不误动，在发生区内故障时距离保护III段能可靠开放，同时保有较高的灵敏度，避免了连锁跳闸现象的发生，保证了线路的正常运行。

Description

一种自适应距离III段保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别是涉及一种自适应距离III段保护方法。

背景技术

当电网中发生局部的一条或者多条线路故障或无故障跳闸时，潮流转移致使跳闸线路的负荷转移到其他线路上，形成线路过负荷。近年来国内外发生的多起大面积停电事故，经分析大部分是由于线路过负荷时距离保护Ⅲ段误动作，进而引起连锁反应造成的。因此，如何改进距离保护Ⅲ段或过负荷保护段，提高防止异常过负荷误动的能力，是值得重视的问题。

现有的过负荷分析方法一般从功角上入手，认为产生过负荷的原因是功角增大，因此，提出在电压平面上利用保护安装处的系统中心等值电压

区分过负荷与短路。然而，线路的负荷电流由线路的阻抗及首、末端电压的压差决定，即使电力系统中各个电源电势同相，功角为零，也可能由于线路两侧电压的模值差产生很大的负荷电流，此时利用

难以区分过负荷与短路。

发明内容

本发明提供一种自适应距离III段保护方法，用以解决现有采用功角来识别过负荷易存在漏检而导致防止过负荷误动的能力较低的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自适应距离III段保护方法，包括：

步骤1、获取线路状态信息；

步骤2、基于所述线路状态信息，分别计算该线路的电抗线阻抗继电器、过电流限制继电器、接地故障继电器和基于电流约束和电压约束的自适应阻抗继电器的逻辑输出值R₁、R_Imax、R₀和R₂；

步骤3、基于R₁、R_Imax、R₀和R₂，计算该线路对应的距离保护继电器的逻辑输出值，完成自适应距离保护。

本发明的有益效果是：由于线路的负荷电流由线路的阻抗及首、末端电压的压差决定。即使电力系统中各个电源电势同相，也可能由于线路两侧电压的模值差，产生很大的负荷电流，本发明提出了一种自适应距离III段保护方法，采用基于电流约束和电压约束的自适应阻抗继电器，并结合电抗线阻抗继电器、过电流限制继电器和接地故障继电器，能够在线路重负荷、相邻线路发生故障被切除或相邻线路开关偷跳使本线路过负荷时，有效防止距离保护Ⅲ段误动，同时在区内发生故障时保护仍能正确动作，且保护速度快和灵敏度高，避免了连锁跳闸现象的发生，保证了线路的正常运行，是一种可普遍适用的线路距离Ⅲ段保护策略。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述距离保护继电器为相间距离继电器和接地距离继电器。

进一步，所述线路状态信息包括本侧测量电压、本侧补偿到对侧母线的电压、线路电流；

则所述电抗线阻抗继电器的逻辑输出值R₁为：

当

时，R₁＝1，否则，R₁＝0，其中，

为该线路的本侧测量电压，

为该线路的本侧测量电流，Z_set为该线路的整定阻抗；

所述过电流限制继电器的逻辑输出值R_Imax为：

当I≥I_Lmax时，R_Imax＝1，否则，R_Imax＝0，其中，I为

的模值，I_Lmax为该线路允许的最大电流模值；

所述接地故障继电器的逻辑输出值R₀为：

当零序电流I₀≥I_0.set时，R₀＝1，否则，R₀＝0，其中，I_0.set该线路的零序电流整定值。

进一步，所述自适应阻抗继电器的逻辑输出值R₂为：当满足如下判据时，R₂＝1，否则，R₂＝0；

其中，U为所述本侧测量电压的模值，U_nor为线路额定电压；Z_L为线路阻抗，A为该线路本侧测量电压和本侧补偿到对侧母线的电压均大于等于0.7倍额定电压；B为由电流和电压约束构成的抛球圆动作特性；C为常规距离III段阻抗圆动作特性；

该线路的测量阻抗模值最大值

该线路的测量阻抗模值最小值

n为所述本侧测量电压与所述线路额定电压的模值比值。

本发明的进一步有益效果是：本发明采用的自适应阻抗元件继电器包含两套动作判据：一套为由电流和电压约束构成的抛球圆动作特性；另一套为常规距离III段动作特性。当满足A＝1时，采用自适应距离III段判据，当满足A＝0时，采用常规距离III段判据。一般情况下，电压低于0.7倍额定电压时，此时已不满足电力系统正常运行的要求，因此当电压符合特定要求时，使用该抛球圆动作特性进行动作判断，极大降低误动概率。电压约束条件包含模值比和角差两个变量，在实际应用中，本侧电压在运行过程中会发生改变，线路的测量阻抗模值的最大值和最小值由实际电压确定，能够有效进行自适应过负荷判断，以避免过负荷误动。

进一步，所述抛球圆动作特性的形成方法，包括：

基于电流约束，得到该线路的电流约束圆：

其中，U为该线路的本侧测量电压的模值，I_L.H2为该线路的导线热稳定性对应的最大电流，Z_m为该线路的本侧测量阻抗；

电流约束圆内为导线不允许的运行区，即不存在落在圆内的过负荷运行工况，因此阻抗继电器不需要考虑过负荷误动的问题，其圆外为阻抗继电器R需要考虑的过负荷误动区，在考虑保护方案时，电流约束条件I_L.H2由电流元件确定，也就是说，阻抗平面上的过电流约束区随电压的变化而变化；

基于电压约束，该线路的本侧测量电压

该线路的补偿到对侧母线的电压

则该线路本侧的测量阻抗表示为

得到：

其中k为

和

的模值比，

为

和

的角差，考虑模值约束时，k为一定值，取角差

则模值约束为一圆，考虑角差约束时，

为一定值，k为任意值，则电压约束亦为一圆；

确定电压约束时，取补偿到对侧母线的电压为电压稳定的极限值0.7U_nor，即

此时，在阻抗平面上，Z_m的轨迹为与n值有关的抛球圆，则该线路的测量阻抗模值最大值

该线路的测量阻抗模值最小值

根据所述电流约束对应的电流约束圆、所述电压约束对应的电压约束圆以及所述常规距离III段阻抗圆动作特性对应的动作区之间位置关系，得到所述抛球圆动作特性，使得该抛球圆动作特性对应的动作区落入所述电压约束圆内。

进一步，所述步骤3包括：

当线路发生相间故障时，则相间距离继电器的动作判据为：

当逻辑输出值T3＝1时，则保护动作；当逻辑输出值T3＝0时，则保护不动作；

当线路发生接地短路故障时，此时各继电器的测量电压为相电压，测量电流加入零序电流补偿，所述电抗线阻抗继电器和所述自适应阻抗继电器的逻辑输出值由R₁和R₂变为R_1d和R_2d，判据不变。则接地距离继电器的动作判据为：

当逻辑输出值T1＝1时，则保护动作；当逻辑输出值T1＝0时，则保护不动作。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种自适应距离III段保护方法的流程框图；

图2为电流约束下的过负荷误动区与常规阻抗继电器保护区的相对位置关系示意图；

图3为本侧测量电压为U_nor时的电压约束圆与常规阻抗继电器保护区的相对位置关系示意图；

图4为电流和电压共同约束下的过负荷误动区、常规阻抗继电器保护区和自适应阻抗继电器保护区的相对位置关系示意图；

图5为发生相间故障时，防止距离保护Ⅲ段误动的自适应保护方案的逻辑框图；

图6为发生接地故障时，防止距离保护Ⅲ段误动的自适应保护方案的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种自适应距离III段保护方法100，如图1所示，包括：

步骤110、获取线路状态信息；

步骤120、基于线路状态信息，分别计算该线路的电抗线阻抗继电器、过电流限制继电器、接地故障继电器和基于电流约束和电压约束的自适应阻抗继电器的逻辑输出值R₁、R_Imax、R₀和R₂；

步骤130、基于R₁、R_Imax、R₀和R₂，计算该线路对应的距离保护继电器的逻辑输出值，完成自适应距离保护。

由于线路的负荷电流由线路的阻抗及首、末端电压的压差决定。即使电力系统中各个电源电势同相，也可能由于线路两侧电压的模值差，产生很大的负荷电流，本发明提出了一种自适应距离III段保护方法，采用基于电流约束和电压约束的自适应阻抗继电器，并结合电抗线阻抗继电器、过电流限制继电器和接地故障继电器，能够在线路重负荷、相邻线路发生故障被切除或相邻线路开关偷跳使本线路过负荷时，有效防止距离保护Ⅲ段误动，同时在区内发生故障时保护仍能正确动作，且保护速度快和灵敏度高，是一种可普遍适用的线路距离Ⅲ段保护策略。

需要说明的是，距离保护有时也称阻抗保护。它是一种反应保护安装处至故障点的距离或阻抗，并根据距离的远近而确定动作时限的保护装置。测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小，故有时又称阻抗保护。短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。一般第Ⅰ段保护线路全长约80％-85％，无时限动作。第Ⅱ段与相邻保护的第Ⅰ段或第Ⅱ段配合整定，动作时限为0.5秒，第Ⅰ、Ⅱ构成主保护。第Ⅲ段按躲过最大负荷电流整定，作为后备保护，时间与相邻线路配合整定。

优选的，距离保护继电器为相间距离继电器和接地距离继电器。

优选的，根据继电保护配合要求整定的电抗线阻抗继电器的逻辑输出值R₁为：

当

时，R₁＝1，保护动作，否则R₁＝0，保护不动作，其中，

为该线路的本侧测量电压，

为该线路的测量电流，Z_set为该线路的根据保护配合要求整定的阻抗整定值。

过电流限制继电器的逻辑输出值R_Imax为：

当I≥I_Lmax时，R_Imax＝1，保护动作，否则，R_Imax＝0，保护不动作，其中，I为

的模值，I_Lmax为该线路的允许最大电流模值；

接地故障继电器的逻辑输出值R₀为：

当发生接地故障且零序电流满足I₀≥I_0.set时，则R₀＝1，即采用接地距离保护。当发生不接地的相间故障时，零序电流不满足I₀≥I_0.set，则R₀＝0，即闭锁接地故障继电器，采用相间距离保护。

优选的，自适应阻抗继电器的判据为：

式中，U_nor为额定电压，

Z_m.set为按保护配合要求整定的整定值。条件A为该线路本侧电压和补偿到对侧母线的电压均大于等于0.7倍额定电压；条件B为由电流和电压约束构成的抛球圆动作特性；条件C为常规距离III段阻抗圆动作特性。

线路的测量阻抗模值最大值

该线路的测量阻抗模值最小值

Z_L为线路阻抗，n为本侧电压与额定电压的模值比值。

本实施例提出的自适应阻抗元件继电器包含两套动作判据：一套为本实施例提出的抛球圆动作特性；另一套为常规距离III段动作特性。当满足线路本侧电压和补偿到对侧母线的电压均大于等于0.7倍额定电压时，采用抛球圆动作特性，否则，采用常规距离III段保护判据。

抛球圆动作特性的形成方法，如下：

a.考虑电流约束。输电线路存在电流限制，设短时间允许最大电流为I_L.H2，超出此电流属严重过负荷，该电流值由导线热稳定决定，当负荷电流达到I_L.H2，要求保护装置快速切除。如果是短路引起的过电流，保护装置将会及时动作，避免导线烧损。

假定此时母线电压为U，则电流约束圆可以表示为：

电流约束圆内为导线不允许的运行区，即不存在落在圆内的过负荷运行工况，因此，常规距离III段阻抗圆动作特性对应的阻抗继电器不需要考虑过负荷误动的问题。其圆外为阻抗继电器R需要考虑的过负荷误动区。

如图2所示，Li圆是电压为U时的电流约束圆，R圆为阻抗继电器的常规距离III段阻抗圆动作特性，图中的阴影区即为该阻抗继电器需要考虑的过负荷误动区。

在考虑保护方案时，电流约束条件I_L.H2由电流元件确定，也就是说，阻抗平面上的过电流约束区随电压的变化而变化。

b.考虑电压约束。本侧测得的测量阻抗可表示为：

式中，k为

和

的模值比，

为

和

的角差，

由此，电压约束条件包含两个变量，即模值比和角差。

考虑模值约束时，当k为某一定值时，取角差

模值约束为一圆。假设补偿到对侧母线的电压为电压稳定的极限值0.7U_nor，例如，当本侧电压为额定值时，

此时电压约束圆如图3所示，图中R圆为阻抗继电器的常规距离III段阻抗圆动作特性，B圆为电压约束圆，B圆内表示电压已低于0.7U_nor，此时已不满足电力系统正常运行的要求，即使是过负荷，也允许继电器动作。B圆外为过负荷可能的误动区，即阴影所示区域为阻抗继电器R可能误动的区域。

考虑角差约束时，

为恒定值，k为任意值，则B亦为一圆。考虑电力系统功角稳定的要求，可取

此时，B圆为以Z_L为直径的圆。

c.综合电流约束和电压约束。常规距离III段阻抗继电器可能的过负荷误动区如图4所示。图4中，Li圆为电流约束圆，B圆为电压约束圆，圆内区域继电器不会误动，圆外为可能的误动区。R圆为继电器常规距离III段阻抗圆动作特性，图中阴影区S为常规阻抗继电器可能的过负荷误动区，此区由B、Li与R圆合围而成。同样，四边形阻抗继电器也存在一定的误动区。

d.抛球圆动作特性：采用一个新的III段阻抗元件R′，如图4所示。此抛球型阻抗继电器动作区全部落在B圆内，即全部处于电压约束区内，因此不存在过负荷误动区。

上述以本侧电压为额定值的特定状态为例，对电压约束进行了初步分析。在实际应用时，本侧电压在运行过程中会发生改变，此时，电压电流约束圆将随电压而改变。因此，本实施例自适应抛球圆特性随电压的改变而改变。

当本侧电压不同而补偿到对侧母线的电压保持为0.7U_nor时，设本侧电压U＝nU_nor，有：

在阻抗平面上，Z_m的轨迹为与n值有关的抛球圆。其模值最大值为：

其模最小值为：

因此，自适应抛球圆特性为：

为更加清楚地说明本发明提出的自适应抛球圆特性，表格1列出若干特殊n值下的阻抗值：

表格1特殊n值下的阻抗值

n

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Z<sub>m.max</sub>

-6.0|Z<sub>L</sub>|

∞

8.00|Z<sub>L</sub>|

4.50|Z<sub>L</sub>|

3.33|Z<sub>L</sub>|

2.75|Z<sub>L</sub>|

Z<sub>m.min</sub>

0.462|Z<sub>L</sub>|

0.500|Z<sub>L</sub>|

0.533|Z<sub>L</sub>|

0.563|Z<sub>L</sub>|

0.588|Z<sub>L</sub>|

0.611|Z<sub>L</sub>|

由表格1可以看出，随着母线电压的不同，约束圆有如下的特点：

a.n＝0.7时，Z_m.max＝∞；

b.n<0.7时,Z_m.max为负值。此时约束圆的方向相反，但圆外为约束区，n<0.7的概率很小；

c.n>0.7时，Z_m.max及Z_m.min为约束圆圆周直径的两端点，随n值大小而变化。n越接近0.7，其最大值越大；n超出0.7越多，其最大值越小。换言之，约束区越小。当补偿到对侧母线的电压为0.7U_nor时，本侧电压一般也会下降。

优选的，系统发生相间短路故障时，保护动作的逻辑框图如图5所示。保护动作判据T3如下式所示，T3＝1时，保护动作；T3＝0时，保护不动作：

图6为系统发生接地短路故障时，保护动作的逻辑框图。此时，电抗线阻抗继电器R₁和自适应阻抗继电器R₂变为R_1d和R_2d。对接地阻抗继电器来说，主要是电压改为相电压，电流加入零序电流补偿，即

此时测量阻抗为

其结果与相间阻抗元件相同，所以其判据也相同，但最后动作判据无需零序电流闭锁，输出动作判据T1如下式所示，T1＝1时，保护动作；T1＝0时，保护不动作：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自适应距离III段保护方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取线路状态信息；

步骤2、基于所述线路状态信息，分别计算该线路的电抗线阻抗继电器、过电流限制继电器、接地故障继电器和基于电流约束和电压约束的自适应阻抗继电器的逻辑输出值R₁、R_Imax、R₀和R₂；

步骤3、基于R₁、R_Imax、R₀和R₂，计算该线路对应的距离保护继电器的逻辑输出值，完成自适应距离保护；

其中，所述自适应阻抗继电器的逻辑输出值R₂为：当满足如下判据时，R₂＝1，否则，R₂＝0；

其中，

为线路本侧测量电压，

为线路本侧测量电流，U为线路本侧测量电压的模值，U_nor为线路额定电压；Z_L为线路阻抗，A为该线路本侧测量电压和本侧补偿到对侧母线的电压均大于等于0.7倍额定电压；B为由电流和电压约束构成的抛球圆动作特性；C为常规距离III段阻抗圆动作特性；

该线路的测量阻抗模值最大值

该线路的测量阻抗模值最小值

n为线路本侧测量电压与所述线路额定电压的模值比值，即

2.根据权利要求1所述的一种自适应距离III段保护方法，其特征在于，所述距离保护继电器为相间距离继电器和接地距离继电器。

3.根据权利要求1所述的一种自适应距离III段保护方法，其特征在于，所述线路状态信息包括本侧测量电压、本侧补偿到对侧母线的电压、线路电流；

则所述电抗线阻抗继电器的逻辑输出值R₁为：

当

时，R₁＝1，否则，R₁＝0，其中，

为该线路的本侧测量电压，

为该线路的本侧测量电流，Z_set为该线路的整定阻抗；

所述过电流限制继电器的逻辑输出值R_Imax为：

当I≥I_Lmax时，R_Imax＝1，否则，R_Imax＝0，其中，I为

的模值，I_Lmax为该线路允许的最大电流模值；

所述接地故障继电器的逻辑输出值R₀为：

当零序电流I₀≥I_0.set时，R₀＝1，否则，R₀＝0，其中，I_0.set该线路的零序电流整定值。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种自适应距离III段保护方法，其特征在于，所述抛球圆动作特性的形成方法，包括：

基于电流约束，得到该线路的电流约束圆：

其中，U为该线路的本侧测量电压的模值，I_L.H2为该线路的导线热稳定性对应的最大电流，Z_m为该线路的本侧测量阻抗；

基于电压约束，该线路的本侧测量电压

该线路补偿到对侧母线的电压为电压稳定的极限值

则该线路本侧的测量阻抗为：

得到

其中，k为

和

的模值比，即

为

和

的角差；

此时，在阻抗平面上，Z_m的轨迹为与n值有关的抛球圆，该线路的测量阻抗模值最大值

该线路的测量阻抗模值最小值

根据所述电流约束对应的电流约束圆、所述电压约束对应的电压约束圆以及所述常规距离III段阻抗圆动作特性对应的动作区之间位置关系，得到所述抛球圆动作特性，使得该抛球圆动作特性对应的动作区落入所述电压约束圆内,并且随电压的改变而改变。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种自适应距离III段保护方法，其特征在于，所述步骤3包括：

当线路发生相间故障时，则相间距离继电器的动作判据为：

当逻辑输出值T3＝1时，则保护动作；当逻辑输出值T3＝0时，则保护不动作；

当线路发生接地短路故障时，此时各继电器的测量电压为相电压，测量电流加入零序电流补偿，所述电抗线阻抗继电器和所述自适应阻抗继电器的逻辑输出值由R₁和R₂变为R_1d和R_2d，判据不变，则接地距离继电器的动作判据为：

当逻辑输出值T1＝1时，则保护动作；当逻辑输出值T1＝0时，则保护不动作。

Images