CN110739669A - 一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法 - Google Patents

一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法，线路发生故障时，判断是区内故障还是区外故障，并针对性地确定阻抗修正系数，将阻抗修正系数引入反时限过流保护动作方程，计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护。本发明对线路故障是区内故障还是区外故障进行判断，针对性地确定阻抗修正系数，区外故障的过流保护的速动性更好；采用阻抗修正指数调节阻抗修正系数，即调节反时限特性曲线修正程度，在保证上下级保护配合关系的前提下，最大程度缩短保护的动作时间。

Description

一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法
技术领域
本发明属于配电网继电保护领域，具体涉及一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法。
背景技术
反时限过流保护的动作速度易受系统运行方式、故障类型及线路级数影响。另外，分布式电源(distributed generation，DG)的广泛接入也对反时限过电流保护的选择性和速动性带来不利影响。
针对上述问题，目前已有的应对方案主要是根据电压量或阻抗量反映故障位置的特征，在反时限动作方程中引入电压修正因子或阻抗修正因子对反时限特性曲线进行修正以达到提升保护速动性和选择性的目的。李永丽等的论文《低电压加速反时限过电流保护在微电网中的应用》提出了一种基于低电压加速的反时限过电流保护方案，引入电压修正因子后，在线路首端故障时，因电压较低，接近于0，保护动作时间较短，加速了保护动作，但这也将导致上下级保护的失配。刘玉娟等的论文《低阻抗加速反时限过电流保护》提出利用测量阻抗反时限过电流保护进行加速的保护方案，与电压修正类似，引入阻抗修正因子后，在线路首端发生故障时，对应保护的动作时限降至最低，保护能迅速切除故障。然而，该方案在区外故障时依旧沿用原有的反时限特性曲线，但分布式电源的接入将使其接入点上游保护的后备保护段延时增大，速动性降低。
发明内容
本发明的技术问题是现反时限过流保护的动作速度易受系统运行方式、故障类型及线路级数的影响，易导致上下级保护的失配，影响保护的选择性和速动性。
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法，在线路发生故障时，判断是区内故障还是区外故障，并针对性地确定阻抗修正系数，得到基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程，计算各保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护。
本发明的技术方案是一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法，线路发生故障时，判断是区内故障还是区外故障，并针对性地确定阻抗修正系数，通过反时限过流保护动作方程计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护，基于阻抗修正的反时限过流保护方法包括以下步骤，
步骤1：采集Zm、Zline、Zall，计算Z＝Zm/Zline，其中Zm为保护测量阻抗、Zline为本线路阻抗、Zall为从保护安装处起向下所有线路阻抗值，Z为测量阻抗百分比；
步骤2：根据Z的大小，判断线路故障是区内故障还是区外故障；
步骤2.1：若Z<1，则判断线路故障为区内故障；
步骤2.2：若Z≥1，则判断线路故障为区外故障；
步骤3：根据步骤2判断的线路故障类别，确定阻抗修正指数r，计算阻抗修正系数Z’＝Zr；
步骤3.1：对于区内故障，确定区内故障阻抗修正指数r1，计算阻抗修正系数Z’＝Zr1；
步骤3.2：对于区外故障，确定区外故障阻抗修正指数r2，计算阻抗修正系数Z’＝Zr2；
步骤4：将Z’引入反时限过流保护动作方程，得到基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程分别计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护。
步骤4中，所述基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程为
Figure BDA0002254337710000021
Tp.i表示保护Si的时间常数，Ii表示保护Si的测量电流，Iop.i表示保护Si的启动电流，n表示曲线形状系数，a表示平移系数；ti表示保护Si的动作时间。
所述确定区内故障阻抗修正指数r1，根据电网对保护速运性的要求整定得到，r1取更大的值时第一段保护动作速度更快。
所述确定区外故障阻抗修正指数r2，同下级线路保护相配合，通过阻抗修正系数，使下级线路首端或末端发生最严重故障时，本段保护动作时间仅仅比下级保护多一个时间阶梯Δt，动作时间差既满足保护选择性要求又满足保护速动性要求。
优选地，所述曲线形状系数n为0.02。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1)本发明对线路故障是区内故障还是区外故障进行判断，针对性地确定阻抗修正系数，区外故障的过流保护的速动性更好；
2)本发明采用阻抗修正指数调节阻抗修正系数，即调节反时限特性曲线修正程度，在保证上下级保护配合关系的前提下，最大程度缩短保护的动作时间；
3)本发明采用测量阻抗百分比Z进行修正，相比采用电压修正的过流保护方法，具有不受故障类型和系统运行方式影响的优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是基于阻抗修正的反时限过流保护方法的流程示意图。
图2是本发明的实施例的配电网结构示意图。
图3是实施例中F3发生三相短路故障时各保护安装处A相电流波形示意图。
图4是实施例中F3发生两相短路故障时各保护安装处A相电流波形示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于阻抗修正的反时限过流保护方法，线路发生故障时，判断是区内故障还是区外故障，并针对性地确定阻抗修正系数，通过反时限过流保护动作方程计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护，基于阻抗修正的反时限过流保护方法包括以下步骤，
步骤1：采集Zm、Zline、Zall，计算Z＝Zm/Zline，其中Zm为保护测量阻抗、Zline为本线路阻抗、Zall为从保护安装处起向下所有线路阻抗值，Z为测量阻抗百分比；
步骤2：根据Z的大小，判断线路故障是区内故障还是区外故障；
步骤2.1：若Z<1，则判断线路故障为区内故障；
步骤2.2：若Z≥1，则判断线路故障为区外故障；
步骤3：根据步骤2判断的线路故障类别，确定阻抗修正指数r，计算阻抗修正系数Z’＝Zr；
步骤3.1：对于区内故障，确定区内故障阻抗修正指数r1，计算阻抗修正系数Z’＝Zr1；
步骤3.2：对于区外故障，确定区外故障阻抗修正指数r2，计算阻抗修正系数Z’＝Zr2；
步骤4：将Z’引入反时限过流保护动作方程，得到基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程为
Figure BDA0002254337710000031
Tp.i表示保护Si的时间常数，Ii表示保护Si的测量电流，Iop.i表示保护Si的启动电流，n表示曲线形状系数，a表示平移系数；ti表示保护Si的动作时间。
Z’采用分段函数进行描述以区分区内故障和区外故障，当Zm小于Zline时，判断线路故障为区内故障，此时Z和r1共同作用，主要提升保护的速动性；而当Zm大于Zline时，判断线路故障为区外故障，此时Z和r2共同作用，优化同下级保护的配合关系以使保护选择性得到满足，并使速动性达到最优。
在不同的r下，保护动作时间呈现不同变化率，通过调整r来调节Z对保护的修正程度，以使保护的速动性和选择性均达到最优。
对于区内故障的r1，根据具体电网对保护速动性的要求整定得到。由于Z小于1，那么当r1的值越大时，阻抗修正系数(Z)r1越小，相应的区内故障时第一段保护动作速度越快。对于区外故障的r2，则需考虑同下级线路保护相配合，使其动作时间差既满足保护选择性要求又满足保护速动性要求。
一种实施例中，曲线形状系数n为0.02，区内故障阻抗修正指数r1＝2。
实施例的配电网结构如图2所示，图中DG为分布式电源，保护具体整定流程如下：
从最末端保护S3开始整定，由于其不涉及到r2，其整定流程与传统反时限过流保护的整定配合一致。经阻抗修正后的反时限保护动作方程为：
Figure BDA0002254337710000041
对于保护S2第一段，根据选择性要求，在下级线路CD首端发生最严重故障时，保护S2的动作时间仅比保护S3多Δt，Δt为时间阶梯。由于经测量阻抗修正，保护S3瞬时动作，则保护S2的动作时间t2＝Δt，代入基于阻抗修正的反时限过流保护方法的动作方程可得保护S2第一段的时间常数为：
Figure BDA0002254337710000042
其中Ikmax.3为线路CD末端故障时保护S2的测量电流。
对于保护S2第二段，需同时满足保护的选择性和速动性。在下级线路CD首端、末端发生最严重故障时，保护S2的动作时间仅仅比保护S3多Δt。据此，则可得到如下的等式关系：
Figure BDA0002254337710000043
式中，Za表示线路CD首端故障时保护S2的测量阻抗百分比、Zb表示线路CD末端故障时保护S2的测量阻抗百分比。联立求解上述方程式即可得到保护S2第二段的时间常数TP.2和阻抗修正指数r2。
对于保护S1的整定类比保护S2。
在PSCAD中搭建图2所示的配电网仿真模型，系统电压等级为10kV，等效阻抗Zs＝(0.64+j0.5)Ω。线路AB、线路BC、线路CD长度均为10km，线路阻抗Zl＝(0.22+j0.239)Ω/km。系统容量为5MVA，分布式电源DG容量为系统容量的10％，等效阻抗Zg＝(6.2+j3.7)Ω。负荷Load的容量为(0.8+j0.5)MVA，设定时间阶梯Δt＝0.2秒，断路器的最小动作时间为0.04秒，线路CD首端发生最严重故障时，保护S3动作时间tb为断路器的最小动作时间，即0.04秒。
根据上述反时限过流保护方法对图2所示的配电网结构进行参数整定，得到的参数如表1所示。
表1基于阻抗修正的反时限过流保护整定的参数
Figure BDA0002254337710000044
为便于比较，采用传统反时限过电流保护方法进行参数整定，得到的参数如表2所示。
表2传统反时限过电流保护方法整定的参数
Figure BDA0002254337710000051
在线路CD的中点F3设置三相短路故障，设置故障时刻为0.2s，仿真时长为0.5s。仿真得到保护S1、S2和S3安装处的A相电流波形如图3所示，由图3可知，故障后各保护安装处电流增大，其中保护S2和S3安装处的电流由于分布式电源DG的助增效应大于保护S1安装处的电流。对仿真得到的波形数据进行计算，得到各保护的动作时间如表3所示。
改变故障类型为两相短路接地故障，再次进行仿真得到各保护安装处A相电流波形如图4所示，同样计算得到的各保护动作时间，如表3所示。表3、表4、表5中，ITOC表示传统反时限过流保护方法，ICITOC表示本发明的基于阻抗修正的反时限过流保护方法。
由表3可知，在线路CD中点F3发生三相短路或两相短路故障时，各保护采用传统反时限保护方法的动作方程得到的动作时间均大于本发明方法的动作方程得到的动作时间。
表3 F3点故障时各保护动作时间
再次分别在线路AB和BC的中点F1和F2设置不同类型的故障，仿真得到各保护的动作情况如表4、表5所示。从表4可以看到，当三相短路故障发生在线路BC的中点时，对于后备保护S1而言，按照传统反时限方法的动作方程，保护动作时间为0.441秒；而根据本发明方法的经阻抗修正后的反时限动作方程，保护动作时间降低至0.296秒，下降了约0.15秒。
表4 F2点故障时各保护动作时间表
Figure BDA0002254337710000053
从表5可以看出，线路AB中点发生三相短路故障时，按照传统反时限动作曲线，保护动作时间为0.35秒，而本发明方法的动作时间仅为0.044秒，动作时间缩短了0.306秒。
表5 F1点故障时各保护动作时间表
Figure BDA0002254337710000061
从以上仿真结果可以得到，在Z及r的共同作用下，基于阻抗修正的反时限过流保护方法，无论是作为主保护还是后备保护，其动作速度明显提升。在不同的故障位置及不同的故障类型下，各保护不仅速动性得到提升，上下级保护的配合关系均能得到满足，最大程度改善了反时限保护的性能。

Claims (4)

1.一种基于阻抗修正的反时限过流保护方法，其特征在于，线路发生故障时，判断是区内故障还是区外故障，并针对性地确定阻抗修正系数，通过反时限过流保护动作方程计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护，基于阻抗修正的反时限过流保护方法包括以下步骤，
步骤1：采集Zm、Zline、Zall，计算Z＝Zm/Zline，其中Zm为保护测量阻抗、Zline为本线路阻抗、Zall为从保护安装处起向下所有线路阻抗值，Z为测量阻抗百分比；
步骤2：根据Z的大小，判断线路故障是区内故障还是区外故障；
步骤2.1：若Z<1，则判断线路故障为区内故障；
步骤2.2：若Z≥1，则判断线路故障为区外故障；
步骤3：根据步骤2判断的线路故障类别，确定阻抗修正指数r，计算阻抗修正系数Z’＝Zr；
步骤3.1：对于区内故障，确定区内故障阻抗修正指数r1，计算阻抗修正系数Z’＝Zr1；
步骤3.2：对于区外故障，确定区外故障阻抗修正指数r2，计算阻抗修正系数Z’＝Zr2；
步骤4：将Z’引入反时限过流保护动作方程，得到基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程，分别计算线路保护的动作时间，对线路进行反时限过流保护。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗修正的反时限过流保护方法，其特征在于，步骤4中，所述基于阻抗修正的反时限过流保护动作方程为
Figure FDA0002254337700000011
Tp.i表示保护Si的时间常数，Ii表示保护Si的测量电流，Iop.i表示保护Si的启动电流，n表示曲线形状系数，a表示平移系数；ti表示保护Si的动作时间。
3.根据权利要求1所述的基于阻抗修正的反时限过流保护方法，其特征在于，所述确定区内故障阻抗修正指数r1，根据电网对保护速运性的要求整定得到，r1取更大的值时第一段保护动作速度更快。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于阻抗修正的反时限过流保护方法，其特征在于，所述确定区外故障阻抗修正指数r2，同下级线路保护相配合，通过阻抗修正系数，使下级线路首端或末端发生最严重故障时，本段保护动作时间仅仅比下级保护多一个时间阶梯Δt，动作时间差既满足保护选择性要求又满足保护速动性要求。
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