CN110912090B - 一种电力系统距离ⅱ段后备保护的快速介入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，通过采样线路两端的电流值形成电流矩阵，并对矩阵进行随机矩阵谱分析，以此诊断线路是否故障；然后在线路故障且主保护失效的时候，直接介入距离Ⅱ段后备保护，使距离Ⅱ段保护只配合线路的主保护，通过激进压缩距离Ⅱ段后备保护的动作时间，使故障切除时间进一步缩短，更加接近主保护原有动作时间，缩小了故障在电网中的发展空间，避免故障范围扩大以及电力设备损坏，提高了电力系统的可靠性、运行稳定性以及系统线路和设备的安全性。

Description

一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法

技术领域

本发明属于继电保护技术领域，更为具体地讲，涉及一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法。

背景技术

继电保护装置对电力系统的安全、稳定运行有着极为关键的作用。当电力系统发生故障或异常工况时，继电保护装置应能反映出电气设备故障或异常，在最短时间和最小区域内，迅速地、有选择性地动作断路器，将故障设备从系统中切除，保证剩余无故障电力系统继续运行，最大限度的保证系统供电可靠性和运行安全性。继电保护必须满足可靠性、速动性、选择性及灵敏性的基本要求，且由主保护和后备保护组成可靠性双重保障体系。主保护可在全线范围提供速动的保护，后备保护不能在全线范围速动，要带一定的延时。如果主保护或断路器拒动时，后备保护应及时介入切除故障，避免扩大故障区域。

为满足更高电压等级复杂网络快速、有选择性地切除故障元件的要求，必须采用性能更加完善的继电保护装置，距离保护就是其中一种。距离保护利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反映故障点到保护安装处的距离，将该比值与整定距离相比较，如果比值小于整定值则说明故障在保护范围内，保护应该动作触发断路器跳闸切除故障。如果距离I段保护拒动，距离Ⅱ保护一个固定的时延后开始动作，往往这个时延是比较长的，容易导致故障范围的扩大。

在传统的距离保护整定中，为保证灵敏性，让距离Ⅱ段与相邻元件的距离Ⅱ段配合，从而动作时间也要与相邻元件距离Ⅱ段的动作时间配合，导致动作时间过长，无法满足速动性要求。另一方面，当电网结构较为复杂时，最小分支系数的计算较为困难，需要选择不同的运行方式进行大量的计算，才能找出最小分支系数，整定计算的工作量非常大。在距离保护之间的配合过程中，距离Ⅱ段后备保护的介入时间过晚(至少一个级差)，可能造成故障范围扩大，如果能够快速确切的判定故障线路及主保护的动作状态，完全可以触发后备保护快速介入，提高继电保护系统的完备性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电力系统介入距离Ⅱ段后备保护的方法，实时监测判断电力系统主要线路的运行状态及保护动作信息，在线路故障及主保护失效时，快速介入距离Ⅱ段后备保护，并压缩后备保护动作时间，使距离Ⅱ段后备保护快速替代线路的主保护动作时序，从而缩小故障在电网中的发展空间，减少电力设备的损坏，提高了电力系统运行的可靠性和稳定性，更好地保障了系统重要线路和设备的安全性。

为实现上述发明目的，本发明一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集电力系统的线路正序电流以及继电保护动作信息；

(2)、根据线路正序电流计算判断线路故障的平均谱半径；

(2.1)、根据线路正序电流，采样线路两端的电流波形，得到采样电流值，记为原始电流数据矩阵I₀；

其中，t₁～t_n表示n个采样时刻，i₁,i₂表示线路两端的采样电流值；

(2.2)、对矩阵I₀进行分块、平移，得到非Hermitian矩阵I；

将矩阵I₀的n列按顺序平均划分为q个块，形成q个子矩阵；

将子矩阵

分别依次移动到子矩阵

的下方，形成的非Hermitian矩阵I；

(2.3)、根据矩阵的单环定理，对矩阵I进行处理，得到标准矩阵I_S；

(2.3.1)、对矩阵I进行归一化处理，得到过渡矩阵I'；

其中，m＝1,2,…,2q，n＝1,2,…,n/q；i'_mn为I'的第m行第n列元素，i_mn为I的第m行第n列元素，i_m为I的第m行元素，i'_m为I'的第m行元素，μ(·)表示求均值，σ(·)表示求方差；

(2.3.2)、求过渡矩阵I'的奇异值等价矩阵I^*；

其中，U为哈尔酉矩阵，上标H表示矩阵共轭转置；

(2.3.3)、获取标准矩阵I_s；

(2.4)、计算标准矩阵I_S的所有特征值，记为λ_i，i＝1,2,…,N，N为特征值总个数；

(2.5)、计算所有特征值λ_i的模长的平均值，得到标准矩阵I_s的平均谱半径

(3)、根据平均谱半径

判断线路是否故障，如果线路故障，则进入步骤(4)，否则，继续保持电力系统的当前状态，并结束。

(4)、当线路故障时，根据采集的继电保护动作信息判断电力系统的主保护是否失效，如果主保护未失效，则启动主保护动作，并结束；如果主保护失效，则进入步骤(5)；

(5)、电力系统介入距离II段后备保护，并计算距离Ⅱ段保护动作的激进压缩时间t；

其中，

为与距离II段后备保护配合的相邻元件保护I段或者Ⅱ段最大的动作时延，t_d故障诊断时间，t′为压缩常数，t″为激进压缩常数；1类压缩时间为考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时，2类压缩时间为不考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时。

(6)、将激进压缩时间t反馈距离II段后备保护，加速距离II段后备保护动作，从而保持电力系统稳定。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，通过采样线路两端的电流值形成电流矩阵，并对矩阵进行随机矩阵谱分析，以此诊断线路是否故障；然后在线路故障且主保护失效的时候，直接介入距离Ⅱ段后备保护，使距离Ⅱ段保护只配合线路的主保护，通过激进压缩距离Ⅱ段后备保护的动作时间，使故障切除时间进一步缩短，更加接近主保护原有动作时间，缩小了故障在电网中的发展空间，避免故障范围扩大以及电力设备损坏，提高了电力系统的可靠性、运行稳定性以及系统线路和设备的安全性。

附图说明

图1是IEEE10机39节点仿真系统图；

图2是本发明一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法流程图；

图3是故障线路25-26的电流波形图；

图4是长短线路配合情况下保护范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法流程图。

在本实施例中，以如图1所示IEEE10机39节点系统仿真数据为例，故障描述：1s时，线路25-26发生单相接地故障，故障点为k1点，测量线路25-26两侧的电流并采样2000个点，假设线路25-26的主保护装置故障，发生拒动。

下面我们结合图1，对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明一种电力系统介入距离Ⅱ段后备保护的方法，包括以下步骤：

S1、采集电力系统的线路正序电流以及继电保护动作信息；

采集电力系统各线路的电流、电压及功率数据及监控系统信息，筛选出故障线路25-26的正序电流以及监控系统信息中的继电保护动作信息；

S2、根据线路正序电流计算判断线路故障的平均谱半径；

S2.1、测量故障线路25-26两侧的电流，25侧电流为i₁，26侧电流为i₂，线路两端的电流波形如图3所示。采样线路25-26两端电流波形各2000个采样数据(每个周期采样400个点)，形成一个2×2000阶的原始电流数据矩阵，记为原始电流数据矩阵I₀；

其中，t₁～t_n表示n＝2000个采样时刻，i₁,i₂表示线路两端的采样电流值；

S2.2、对矩阵I₀进行分块、平移，得到非埃尔米特(Hermitian)矩阵I；

将矩阵I₀的2000列按顺序平均划分为20个块，形成20个子矩阵；

将子矩阵

分别依次移动到子矩阵

的下方，形成40×100阶的非Hermitian矩阵I；

S2.3、根据矩阵的单环定理，对矩阵I进行处理，得到标准矩阵I_S；

S2.3.1、对矩阵I进行归一化处理，得到过渡矩阵I'；

其中，m＝1,2,…,40，n＝1,2,…,100；i'_mn为I'的第m行第n列元素，i_mn为I的第m行第n列元素，i_m为I的第m行元素，i'_m为I'的第m行元素，μ(·)表示求均值，σ(·)表示求方差；

S2.3.2、求过渡矩阵I'的奇异值等价矩阵I^*；

其中，U为哈尔酉矩阵，上标H表示矩阵共轭转置；

S2.3.3、获取标准矩阵I_s；

S2.4、计算标准矩阵I_S的所有特征值，记为λ_i，i＝1,2,…,N，N为特征值总个数，本实施例中，N＝40；

S2.5、计算所有特征值λ_i的模长的平均值，得到标准矩阵I_s的平均谱半径

通过将上述参数代入，可以计算出标准矩阵I_s的平均谱半径

S3、根据平均谱半径

判断线路是否故障，如果线路故障，则进入步骤S4，否则，继续保持电力系统的当前状态，并结束。

其中，K_s.rel作为可靠性系数，取0.85。

在本实施例中，

可判定线路25-26故障。

S4、当线路25-26故障时，根据采集的继电保护动作信息判断电力系统的主保护是否失效，如果主保护未失效，则启动主保护动作，并将线路两端断路器跳闸，正确切除故障，结束；如果主保护失效，则进入步骤S5；

S5、电力系统介入距离II段后备保护，并计算距离Ⅱ段保护动作的激进压缩时间t；

其中，

为与距离II段后备保护配合的相邻元件保护I段动作时延或者Ⅱ段最大的动作时延，取值为0.5s；t_d故障诊断时间，取值为0.25s；t′为压缩常数，取值为0.3s；t″为激进压缩常数，取值为0.2s；

在本实施例中，我们需考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时，将其分为1类和2类，其中，1类表示压缩时间需要考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时，2类表述压缩时间不需要考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时，本实施例，因此计算得到将激进压缩时间t＝0.55s。

S6、将激进压缩时间t＝0.55s反馈距离II段后备保护，加速距离II段后备保护动作，使线路两端断路器跳闸，正确切除故障，从而保持电力系统稳定。

本实施例还提供另外一种故障情况：

如果相邻线路较短时，Ⅱ段定值可能会超过相邻线路的Ⅰ段保护范围，甚至Ⅱ段保护范围，因此选取G9到G10这一条线路作为时间激进压缩整定的进一步分析目标，来验证本发明的选择性以及时间压缩，该线路包括母线29到母线26的线路，母线26到母线25的线路以及母线25到母线2的线路，线路长短分别为17km、9km和2.5km，长短线路配合情况下保护范围如图4所示。

如果诊断结果为本线路发生故障则可以加速本线路距离II段保护动作，以此达到时间激进压缩整定的目标；如果本线路没发生故障，则闭锁本线路距离II段保护，避免保护误动，造成停电区域扩大。距离II段后备保护的时间激进压缩整定结果如表1所示。

表1是距离II段后备保护的时间激进压缩整定结果表；

表1

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集电力系统的线路正序电流以及继电保护动作信息；

(2)、根据线路正序电流计算判断线路故障的平均谱半径；

(2.1)、根据线路正序电流，采样线路两端的电流波形，得到采样电流值，记为原始电流数据矩阵I₀；

其中，t₁～t_n表示n个采样时刻，i₁,i₂表示线路两端的采样电流值；

(2.2)、对矩阵I₀进行分块、平移，得到非Hermitian矩阵I；

(2.3)、根据矩阵的单环定理，对矩阵I进行处理，得到标准矩阵I_S；

(2.3.1)、对矩阵I进行归一化处理，得到过渡矩阵I'；

其中，m＝1,2,…,2q，n＝1,2,…,n/q，q为常数；i'_mn为I'的第m行第n列元素，i_mn为I的第m行第n列元素，i_m为I的第m行元素素，i'_m为I'的第m行元素，μ(·)表示求均值，σ(·)表示求方差；

(2.3.2)、求过渡矩阵I'的奇异值等价矩阵I^*；

其中，U为哈尔酉矩阵

(2.3.3)、获取标准矩阵I_s；

(2.4)、计算标准矩阵I_S的所有特征值，记为λ_i，i＝1,2,…,N，N为特征值总个数；

(2.5)、计算所有特征值λ_i的模长的平均值，得到标准矩阵I_s的平均谱半径

(3)、根据平均谱半径

判断线路是否故障，如果线路故障，则进入步骤(4)，否则，继续保持电力系统的当前状态，并结束；

(4)、当线路故障时，根据采集的继电保护动作信息判断电力系统的主保护是否失效，如果主保护未失效，则启动主保护动作，并结束；如果主保护失效，则进入步骤(5)；

(5)、电力系统介入距离II段后备保护，并计算距离Ⅱ段保护动作的激进压缩时间t；

其中，

为与距离II段后备保护配合的相邻元件保护I段或者Ⅱ段最大的动作时延，t_d故障诊断时间，t′为压缩常数，t″为激进压缩常数；1类表示压缩时间需要考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时，2类表述压缩时间不需要考虑时间继电器的正误差以及电流继电器的惯性返回延时；

(6)、将激进压缩时间t反馈距离II段后备保护，加速距离II段后备保护动作，从而保持电力系统稳定。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，其特征在于，所述步骤(2.2)中，获取非Hermitian矩阵I的具体过程为：

将矩阵I₀的n列按顺序平均划分为q个块，形成q个子矩阵；

将子矩阵

分别依次移动到子矩阵

的下方，形成非Hermitian矩阵I；

3.根据权利要求1所述的一种电力系统距离Ⅱ段后备保护的快速介入方法，其特征在于，所述步骤(3)中，判断线路是否故障的具体方法为：

其中，K_s.rel为可靠性系数。

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