CN110865312A - 一种适用于upfc接入的工频变化量方向保护改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于含UPFC线路保护技术领域的一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法。继电保护装置配置在UPFC所在线路的首端，同时在线路首端接入电流互感器(TA),分别在线路首端P测点和UPFC串联变压器右侧出口L测点接入电压互感器(PT)，分别求取故障时两测点正序突变量阻抗相角；并计算P测点与L测点正序突变量阻抗相角分别对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂和反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄，求取综合隶属度函数μ,通过判断μ与阈值η的大小关系，实现工频变化量方向元件能正确判别正反向故障。该方法简单易行且投资较少，可有效解决工频变化量方向保护因UPFC存在而引起的则工频变化量方向元件误动问题。

Description

一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法

技术领域

本发明属于含UPFC线路保护技术领域，具体涉及一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法。

背景技术

优化现有电力网络潮流分布是解决我国目前负荷快速增长、输电通道利用率不均匀的有效方法之一。柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems， FACTS)利用大功率电力电子器件快速、准确改变电气参数，在控制电网潮流分布，增大系统传输容量以及提高电力系统稳定性等方面具有独特的优势与广阔的应用前景。根据接入电网方式的不同，典型的FACTS装置可以分为以下三类:1)并联型装置，如静止同步补偿器(STATCOM)；2)串联型装置，如静止同步串联补偿器(SSSC)、晶闸管控制串联电容器(TCSC)；3)串/并联组合型装置，如统一潮流控制器(UPFC)。而UPFC是最有发展前景的FACTS控制器，与传统多电平换流器相比，MMC高度模块化的结构使UPFC更适用于高压大功率的应用场合，并逐渐成为学术界的研究热点。

目前国内外对UPFC的研究大多集中在UPFC接入对线路距离保护的影响以及解决对策研发，现有大量文献就UPFC对距离保护的影响进行了研究分析。张勇 (张勇.统一潮流控制器及其对保护设备的影响[D].北京:华北电力大学, 2005.)分析了故障时UPFC的调节参数对测量阻抗表达式的影响；在感性和容性阻抗增量下，通过比较测量阻抗值和线路阻抗的大小关系，分析了UPFC对线路距离保护的影响。刘青等(刘青.统一潮流控制器对距离保护影响的分析[J].电力科学与工程,2005,3(12):76-78.)指出使用模糊技术、人工神经网络等人工智能技术开发的具有自适应功能的保护方案，对解决UPFC对距离保护的影响有一定的借鉴意义。

现有文献对含UPFC的线路故障方向判别方案研究较少，林金娇等(林金娇. 南京西环网UPFC保护系统及配合策略[J].江苏电机工程,2015,34(6): 56-60.)指出非UPFC线路故障时，会引起UPFC线路方向保护误动或非UPFC线路方向保护拒动；孔祥平等(孔祥平.统一潮流控制器对线路纵联保护的影响分析[J].电力系统保护与控制,2017,45(2):14-21.)定性地分析了UPFC对工频故障分量方向保护的影响，指出线路上UPFC的存在可能导致工频故障分量保护反方向误动，但亦未给出具体的解决方案。因此，为了保障系统的安全稳定运行，保证元件正确判别线路正反方向故障。有必要寻找一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法实现方案，

图11所示传统双端电源的故障附加网络示意图。首先从图11所示传统双端电源的故障附加网络来理解工频变化量方向保护基本原理：图11中，

分别为两端系统阻抗，

分别为线路1、2的等值阻抗。

对于P测点，当正方向f₁点发生故障时，突变量阻抗为D侧系统阻抗和线路 1的阻抗之和的相反数，表达式如下：

其中，

分别是P测点测得的电压、电流变化量；

反方向f₂点发生故障时，突变量阻抗为E侧系统阻抗和线路2的阻抗之和，表达式如下：

其中，

分别是P测点测得的电压、电流变化量。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，具体包括：

UPFC线路系统仿真模型和以模糊逻辑的方法判别故障方向，

所述UPFC线路系统仿真模型，继电保护装置配置在UPFC所在线路1的首端，同时在线路1首端P测点接入电流互感器(TA),在UPFC所在线路2串联变压器T2 的右侧出口L测点接入电压互感器(PT)，分别求取故障时P测点、L测点的正序突变量阻抗相角；将传统工频变化量方向元件的正反向动作区按照与其对应的最大灵敏角的接近程度进一步分别分为灵敏区和不灵敏区，并据此计算P测点与L 测点正序突变量阻抗相角分别对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂和反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄，求取综合隶属度函数μ,通过判断μ与阈值η的大小关系，实现以工频变化量方向元件判别正反向故障；因此仅需在传统工频变化量方向元件的基础上，再接入一个电压互感器(PT)，就可以正确判别线路的故障方向；

所述以模糊逻辑的方法判别故障方向包括以下步骤：

步骤1，确定判别故障正、反方向的判据；

步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

步骤3，将传统工频变化量方向元件的正反向动作区分别划分为灵敏区和不灵敏区；

步骤4，利用模糊逻辑思想判断线路故障方向，包括：

(a)计算θ_P、θ_L正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂；

(b)计算θ_P、θ_L反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄；

步骤5，计算综合隶属度函数μ；

步骤6，判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向。

所述步骤1确定判别故障正、反方向的判据

假设系统阻抗与线路阻抗的阻抗角都等于

那么工频变化量阻抗正方向最大灵敏角

考虑一定的裕度，则正反方向故障判据如下：

正方向故障判据为：

反方向故障判据为：

上述正反方向判据可用(图2所示的)工频变化量方向元件的动作特性表示，其中左下方阴影部分表示正方向动作区，右上方表示反方向动作区。

所述步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

设P测点正序突变量阻抗相角θ_P，设L测点正序突变量阻抗相角θ_L；利用全周傅式算法分别对P测点与L测点采集的电压、电流量提取基频分量，并求取正序突变量阻抗相角，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P为：

式中：Δu_p+为P测点测得的正序故障电压分量，Δi_p+为P测点测得的正序故障电流分量。

L测点的正序突变量阻抗相角θ_L为：

式中：Δu_L+为L测点测得的正序故障电压分量，Δi_L+为L测点测得的正序故障电流分量；

所述将传统工频变化量方向元件正反动作区划分为灵敏区和不灵敏区：

以工频变化量方向元件的正反方向故障最大灵敏角θ_sen为基准划分：±30o为灵敏区，±30o至±90o为不灵敏区(如下

所示)；

5)利用模糊逻辑思想判断线路故障方向：

(a)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂：

隶属度函数λ₁、λ₂表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₁、λ₂的具体数值。

(b)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄：

隶属度函数λ₃、λ₄表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₃、λ₄的具体数值。

所述步骤5，计算综合隶属度函数μ为：

式中：α₁、α₂、α₃和α₄分别对应P测点和L测点正序突变量阻抗相角正反向动作区隶属度函数的权重，都取

所述步骤6判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向：

综合隶属度函数μ的阈值η取值：η＝0；

判据：a)若μ>η，则工频变化量方向元件判定故障方向为正方向故障；

b)若μ<η，则工频变化量方向元件判定故障方向为反方向故障。

本发明的有益效果是通过工频变化量方向元件来正确判别正反向故障。该方案简单易行且投资较少，仅需在传统工频变化量方向元件的基础上，再接入一个电压互感器(PT)，就可以正确判别线路的故障方向。可有效解决工频变化量方向保护因UPFC存在而引起的故障方向判别错误导致元件误动问题。

附图说明

图1为UPFC线路系统仿真模型示意图；

图2为工频变化量方向保护动作特性示意图

图3正反动作区灵敏区与不灵敏区的划分。

图4隶属度函数λ₁、λ₂示意图，

图5隶属度函数λ₃、λ₄示意图，

图6正反动作区灵敏区与不灵敏区划分结果

图7为线路2末端发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)时，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P；

图8为线路2末端发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)时，L测点的正序突变量阻抗相角θ_L；

图9为线路1首端发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)时，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P；

图10为线路1首端发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)时，L测点的正序突变量阻抗相角θ_L；

图11为传统双端电源的故障附加网络示意图。

具体实施方式

本发明提出一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

所述适用于UPFC线路的工频变化量方向元件具体包括：UPFC线路系统仿真模型和以模糊逻辑的方法判别故障方向，

图1所示为UPFC线路系统仿真模型示意图；该UPFC线路系统仿真模型为继电保护装置配置在UPFC所在线路1的首端，同时在线路1首端P测点接入电流互感器 (TA),在UPFC所在线路2串联变压器T2的右侧出口L测点接入电压互感器(PT)，分别求取故障时P测点、L测点的正序突变量阻抗相角；将传统工频变化量方向元件的正反向动作区按照与其对应的最大灵敏角的接近程度进一步分别分为灵敏区和不灵敏区，并据此计算P测点与L测点正序突变量阻抗相角分别对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂和反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄，求取综合隶属度函数μ,通过判断μ与阈值η的大小关系，实现以工频变化量方向元件判别正反向故障；因此仅需在传统工频变化量方向元件的基础上，再接入一个电压互感器(PT)，就可以正确判别线路的故障方向；

所述以模糊逻辑的方法判别故障方向包括以下步骤：

步骤1，确定判别故障正、反方向的判据；

步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

步骤3，将传统工频变化量方向元件的正反向动作区分别划分为灵敏区和不灵敏区；

步骤4，利用模糊逻辑思想判断线路故障方向，包括：

(a)计算θ_P、θ_L正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂；

(b)计算θ_P、θ_L反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄；

步骤5，计算综合隶属度函数μ；

步骤6，判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向。

所述步骤1确定判别故障正、反方向的判据

假设系统阻抗与线路阻抗的阻抗角都等于

那么工频变化量阻抗正方向最大灵敏角

考虑一定的裕度，则正反方向故障判据如下：

正方向故障判据为：

反方向故障判据为：

上述正反方向判据可用图2所示的工频变化量方向保护动作特性示意图中的动作特性表示，其中左下方阴影部分表示正方向动作区，右上方表示反方向动作区。

所述步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

设P测点正序突变量阻抗相角θ_P，设L测点正序突变量阻抗相角θ_L；利用全周傅式算法分别对P测点与L测点采集的电压、电流量提取基频分量，并求取正序突变量阻抗相角，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P为：

式中：Δu_p+为P测点测得的正序故障电压分量，Δi_p+为P测点测得的正序故障电流分量。

L测点的正序突变量阻抗相角θ_L为：

式中：Δu_L+为L测点测得的正序故障电压分量，Δi_L+为L测点测得的正序故障电流分量；

所述将传统工频变化量方向元件正反动作区划分为灵敏区和不灵敏区：

以工频变化量方向元件的正反方向故障最大灵敏角θ_sen为基准划分：±30o为灵敏区，±30o至±90o为不灵敏区(如图3所示)；

5)利用模糊逻辑思想判断线路故障方向：

(a)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂(如图4所示隶属度函数λ₁、λ₂示意图所示)：

隶属度函数λ₁、λ₂表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₁、λ₂的具体数值。

(b)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄(图5隶属度函数λ₃、λ₄示意图所示)：

隶属度函数λ₃、λ₄表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₃、λ₄的具体数值。

所述步骤5，计算综合隶属度函数μ为：

式中：α₁、α₂、α₃和α₄分别对应P测点和L测点正序突变量阻抗相角正反向动作区隶属度函数的权重，都取

所述步骤6判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向：

综合隶属度函数μ的阈值η取值：η＝0；

判据：a)若μ>η，则工频变化量方向元件判定故障方向为正方向故障；

b)若μ<η，则工频变化量方向元件判定故障方向为反方向故障。

实施例

图1中交流线路电压等级为500kV，并联变压器变比为505/36/94kV，容量为300MVA,串联变压器变比为43.5/105/10kV,容量为300MVA,线路单位长度电阻为0.00003213Ω/m，单位长度电抗为0.002865Ω/m。将最大灵敏角θ_sen取为85°。

(1)正、反方向动作区灵敏区与不灵敏区划分结果如下图6所示：

(2)θ_P、θ_L的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂示意图(如图4所示)如下：

其中，C₁＝175°,C₂＝235°,C₃＝295°,C₄＝355°

隶属度函数λ₁、λ₂表达式如下：

(3)θ_P、θ_L的反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄示意图(如图5所示)如下：

其中，C₁＝355°,C₂＝55°,C₃＝115°,C₄＝175°，隶属度函数λ₃、λ₄表达式如下：

(4)综合隶属度函数μ为：

式中：α₁、α₂、α₃和α₄分别对应P测点和L测点正序突变量阻抗相角正反向动作区隶属度函数的权重，都取

(5)工频变化量方向元件动作判据：

综合隶属度函数μ的阈值η取值：η＝0

判据：a)若μ>η，则工频变化量方向元件判定故障方向为正方向故障；

b)若μ<η，则工频变化量方向元件判定故障方向为反方向故障。

为了更清晰地说明基于模糊逻辑的适用于UPFC线路的工频变化量方向元件实现方案的正确性，本发明分别给出了线路2末端(正方向)、线路1首端(反方向)发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)时，P测点和L测点的正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L仿真波形，如图7-10所示。

图1中线路2末端在t＝2s时发生A相非金属接地故障(过渡电阻为100Ω)，从图7、图8可以看出，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P＝-93.7°＝266.3°，L测点的正序突变量阻抗相角θ_L＝170.4°，因此λ₁＝1，λ₂＝0，λ₃＝0，λ₄＝-0.077，μ＝0.231>0，此时工频变化量方向元件判定故障方向为正方向故障，验证了本发明的正确性。

图1中线路1首端在t＝2s时发生A相非金属接地故障A相非金属接地故障 (过渡电阻为100Ω)，从图9、图10可以看出，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P＝163.2°，L测点的正序突变量阻抗相角θ_L＝83.1°，因此λ₁＝0，λ₂＝0，λ₃＝-0.197，λ₄＝-1，μ＝-0.299<0，此时工频变化量方向元件判定故障方向为反方向故障，验证了本发明的正确性。

Claims (7)

1.一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，具体包括UPFC线路系统仿真模型和以模糊逻辑的方法判别故障方向；

所述UPFC线路系统仿真模型，继电保护装置配置在UPFC所在线路1的首端，同时在线路1首端P测点接入电流互感器(TA),在P测点和UPFC所在线路2串联变压器T2的右侧出口L测点分别接入电压互感器(PT)，分别求取故障时P测点、L测点的正序突变量阻抗相角；将传统工频变化量方向元件(继电保护装置、线路1首端P测点的TA、PT)的正反向动作区按照与其对应的最大灵敏角的接近程度进一步分别分为灵敏区和不灵敏区，并据此计算P测点与L测点正序突变量阻抗相角分别对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂和反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄，求取综合隶属度函数μ,通过判断μ与阈值η的大小关系，实现以工频变化量方向元件能正确判别正向和反向故障；因此仅需在传统工频变化量方向元件的基础上，再接入一个电压互感器(PT)，就可以正确判别线路的故障方向；

所述以模糊逻辑的方法判别故障方向包括以下步骤：

步骤1，确定判别故障正、反方向的判据；

步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

步骤3，将传统工频变化量方向元件的正反向动作区分别划分为灵敏区和不灵敏区；

步骤4，利用模糊逻辑思想判断线路故障方向，包括：

(a)计算θ_P、θ_L正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂；

(b)计算θ_P、θ_L反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄；

步骤5，计算综合隶属度函数μ；

步骤6，判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向。

2.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，所述步骤1确定判别故障正、反方向的判据

假设系统阻抗与线路阻抗的阻抗角都等于

那么工频变化量阻抗正方向最大灵敏角

考虑一定的裕度，则正反方向故障判据如下：

正方向故障判据为：

反方向故障判据为：

上述正反方向判据可用工频变化量方向元件的动作特性表示，表示为正方向动作区和反方向动作区。

3.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，所述步骤2，计算P测点与L测点的正序突变量阻抗相角；

设P测点正序突变量阻抗相角θ_P，设L测点正序突变量阻抗相角θ_L；利用全周傅式算法分别对P测点与L测点采集的电压、电流量提取基频分量，并求取正序突变量阻抗相角，P测点的正序突变量阻抗相角θ_P为：

式中：Δu_p+为P测点测得的正序故障电压分量，Δi_p+为P测点测得的正序故障电流分量。

L测点的正序突变量阻抗相角θ_L为：

式中：Δu_L+为L测点测得的正序故障电压分量，Δi_L+为L测点测得的正序故障电流分量。

4.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，所述将传统工频变化量方向元件的正反动作区划分为灵敏区和不灵敏区：

以工频变化量方向元件的正反方向动作区最大灵敏角θ_sen为基准划分：±30°为灵敏区，±30°至±90°为不灵敏区。

5.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，利用模糊逻辑思想判断线路故障方向：

(a)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的正方向动作区隶属度函数λ₁、λ₂：

隶属度函数λ₁、λ₂表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₁、λ₂的具体数值。

(b)分别计算P测点和L测点正序突变量阻抗相角θ_P、θ_L所对应的反方向动作区隶属度函数λ₃、λ₄：

隶属度函数λ₃、λ₄表达式如下，根据θ_P和θ_L的角度范围，求取λ₃、λ₄的具体数值。

6.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，所述步骤5，计算综合隶属度函数μ为：

式中：α₁、α₂、α₃和α₄分别对应P测点和L测点正序突变量阻抗相角正反向动作区隶属度函数的权重，都取

7.根据权利要求1所述一种适用于UPFC接入的工频变化量方向保护改进方法，其特征在于，所述步骤6判断μ与阈值η的大小关系，判别故障方向：

综合隶属度函数μ的阈值η取值：η＝0；

判据：a)若μ＞η，则工频变化量方向元件判定故障方向为正方向故障；

b)若μ＜η，则工频变化量方向元件判定故障方向为反方向故障。

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