CN111490531A - 一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法及系统,本发明基于不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据以及电流谐波解除闭锁判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,保证一个半开关接线或环形接线方式下反方向故障电流互感器饱和时距离保护可靠不误动,同时保证正方向故障及各类反方向转正方向故障时距离保护可靠动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法及系统,属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
距离保护的动作范围和灵敏性受系统运行方式影响较小,能够满足复杂系统对故障快速切除的需求,广泛应用于高压输电线路中。距离保护的基本工作原理是测量故障点至保护安装地点之间的距离,并根据距离的远近而确定动作时间。电流互感器(TA)的传变特性是影响距离保护的重要因素之一,电流互感器饱和时二次电流的畸变会影响距离保护的动作行为。
IEEE Std C37.110标准指出,在环形接线或一个半开关接线方式下,线路保护所用电流为两路电流互感器电流的和电流,母线故障时,电流互感器流过很大的穿越性电流,如果发生电流互感器饱和,和电流可能呈现出很大的反向电流,距离保护有误动的风险。
为解决在一个半开关接线(即3/2接线方式)或环形接线方式下,反方向故障电流互感器饱和距离保护误动问题,国内外学者进行了大量的研究。现有的方法,并不能适应各种工况的要求,反方向故障电流互感器饱和时距离保护仍有误动的可能。
发明内容
本发明提供了一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法及系统,解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法,包括,
根据距离保护所涉及电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据;
根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据;
根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据;
基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护电流互感器饱和识别。
不完全差动闭锁判据为,
不完全差动开放判据为,
工作电压闭锁判据为,
工作电压开放判据为,
将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据,将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据。
满足闭锁距离保护判据进行闭锁距离保护后,若距离保护所涉及电流互感器电流以及它们的和电流满足电流谐波解除闭锁判据,则开放距离保护。
电流谐波解除闭锁判据为,
其中,Im为和电流,Im_h2为和电流的二次谐波含量,Im1、Im2为距离保护所涉及电流互感器电流,Im1_h2、Im2_h2为距离保护所涉及电流互感器电流的二次谐波含量,kH为谐波含量比率门槛。
一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别系统,包括,
不完全差动判据模块:根据采集的距离保护所涉及电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据;
工作电压判据模块:根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据;
距离保护判据模块:根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据;
距离保护模块:基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护。
距离保护判据模块包括与模块和或模块;
与模块:将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据;
或模块:将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法。
一种计算设备,包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法的指令
本发明所达到的有益效果:本发明基于不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,保证一个半开关接线或环形接线方式下反方向故障电流互感器饱和时距离保护可靠不误动,同时保证正方向故障及各类反方向转正方向故障时距离保护可靠动作。
附图说明
图1为一个半接线方式系统图;
图2为正方向短路故障时电流分布图;
图3为反方向短路故障时电流分布图;
图4为同塔双回线路BRK3断开时的系统图;
图5为反方向故障电压分布;
图6为正方向故障电压分布;
图7为同塔双回线路BRK4断开时的系统图;
图8为本发明方法的逻辑图;
图9为RTDS仿真系统;
图10为正故障时判据特性;
图11为反方向故障时判据特性;
图12为反方向故障且电流互感器饱和时判据特性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法,包括以下步骤:
步骤1,根据一个半接线方式或环形接线方式下,距离保护所涉及的两路分电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据;不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据统称不完全差动判据。
对于应用于环形接线或一个半开关接线方式的超特高压线路保护,线路保护所涉及的两路电流采用两路分电流互感器的方式接入保护,分别进行采样计算,不同于传统的采用两路电流互感器电流在外部物理合成和电流再接入保护的方法。以一个半开关接线方式为例,如图1所示,传统方式下,线路L1的保护获取的电流为外部物理合成的(为物理合成的和电流, 分别为边开关、中开关电流互感器输出电流),而本发明中,线路L1的保护分别采集距离保护所涉及电流互感器电流,即图中电流互感器电流Im1、Im2,并采用短数据窗算法(半波傅氏算法)分别计算各自的电流变化量。
根据电流变化量构建的不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据如下:
不完全差动闭锁判据:
不完全差动开放判据:
图2为正方向线路近端F1点短路故障时附加状态,规定电流正方向为指向线路,即在F1点施加同故障前电压幅值相同方向相反的ΔUf,由该电压引起的流经边开关、中开关电流互感器的电流变化量均为反方向,其关系满足式(1)所表达的不完全差动开放判据。
图3为反方向线路近端F2点短路故障时附加状态,即在F2点施加同故障前电压幅值相同方向相反的ΔUf,由该电压引起的电流变化量为正方向,为反方向,两者方向相反,其关系满足式(2)所表达的不完全差动闭锁判据。
式(1)、(2)中,的计算均采用短数据窗算法(半波傅氏算法),在发生近端金属性正、反方向故障时,不完全差动开放判据、闭锁判据能够快速动作。但对于近端经高阻故障或远端故障,该判据灵敏性不够,会造成误判,例如在图4所示特殊工况下,一个半开关的两条出线以同塔方式架设,BRK3断开时(定义为工况A),在线路末端或N侧母线发生短路故障,会非常小,此时ΔIcd≈ΔIzd,不完全差动闭锁判据动作,造成距离保护拒动。
因此上述单独的不完全差动判据是无法进行全面的电流互感器饱和识别,需要与其他判据进行结合,即后续的工作电压判据。
步骤2,根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据;工作电压闭锁判据和工作电压开放判据统称工作电压判据。
工作电压闭锁判据:
工作电压开放判据:
式(3)、(4)中:
对于反方向故障,有:
其中,ZR为保护正方向的等值正序阻抗;
将式(6)代入式(5)可得:
故障点处的电压变化量为:
对于正方向故障,有:
其中,ZS为保护背后电源的等值正序阻抗;
将式(9)代入式(5)可得:
故障点处的电压变化量为:
其中,ZF为从短路点到保护安装处的正序阻抗。
式(3)、(4)中,均采用短数据窗算法(半波傅氏算法)计算,在一般工况下,正方向故障时,工作电压开放判据动作;反方向故障时,工作电压闭锁判据动作。但是,对于某些特殊工况,如图7所示,在BRK4断开运行时,发生反方向母线故障时,保护获取的和电流为零,此时造成该判据失效。
步骤3,根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据。
不完全差动判据和工作电压判据在不同系统工况下各个故障点的动作情况如表1所示,其中F1、F2、F3分别为线路近端、远端及反方向母线故障点。从表1中可得到如下结论:
1)工况一,无论何种故障,工作电压闭锁判据始终动作,工作电压开放判据始终不动作;不完全差动判据动作正常;
2)工况二,发生F3点故障时,不完全差动闭锁判据动作,不完全差动开放判据不动作,工作电压判据动作正常;
3)一般工况,不完全差动判据与工作电压判据均正常动作。
因此,将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据,将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据;实现在所有工况下,判据具有严格的方向性。
由于判据是基于电流互感器饱和前线性传变区的特征获得,为避免饱和后电流畸变对判据的影响,将闭锁判据与开放判据相互闭锁(如图8),保证饱和期间判据的持续性。
表1不完全差动判据和工作电压判据动作情况
步骤4,基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护;满足闭锁距离保护判据进行闭锁距离保护后,若距离保护所涉及两路分电流互感器电流以及它们的和电流满足电流谐波解除闭锁判据,则开放距离保护。
电流谐波解除闭锁判据:
其中,Im为和电流,Im_h2为和电流的二次谐波含量,Im1、Im2为距离保护所涉及电流互感器电流,Im1_h2、Im2_h2为距离保护所涉及电流互感器电流的二次谐波含量,kH为谐波含量比率门槛,一般取0.15。
当反方向故障距离保护进入闭锁期后,计算电流中的谐波含量,当谐波含量低于某一门槛,并且距离保护满足动作条件时,解除距离保护闭锁。该判据能够实现反方向故障转为正方向故障电流互感器饱和消失时,距离保护能够再动作。
上述方法基于不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,保证一个半开关接线或环形接线方式下反方向故障电流互感器饱和时距离保护可靠不误动,同时保证正方向故障及各类反方向转正方向故障时距离保护可靠动作。
结合上述方法的内容,对于某一交流输电系统模型提供以下仿真实施例:
如图9所示,在RTDS平台上搭建500kV电压等级,一侧为一个半开关接线,另外一侧为双母线接线方式的同塔双回线路仿真模型,在模型中设置了区内F1-F3故障点,区外F4、F5故障点,各个故障点可以分别模拟各种类型的故障。仿真系统两侧的系统阻抗和线路参数如表2所示,两侧的等值系统可以根据测试需要进行更改。
表2系统阻抗和线路参数
项目 | 参数 | 单位 |
正序电阻 | 0.028 | ohm/km |
正序感抗 | 0.275 | ohm/km |
正序并联容抗 | 0.225 | Mohm*km |
零序电阻 | 0.094 | ohm/km |
零序感抗 | 0.674 | ohm/km |
零序并联容抗 | 0.313 | Mohm*km |
线路长度 | 100 | km |
M系统等值阻抗 | 10∠85° | ohm |
N系统等值阻抗 | 20∠85° | ohm |
分别将依据上述方法开发的装置(装置A)和普通保护装置(装置B)接入线路L1的M侧。其中,装置A分别接入电流互感器1、电流互感器2(即线路保护所涉及电流互感器)的输出电流,装置B接入和电流。距离Ⅰ段的定值分别按线路全长阻抗的0.8整定;距离Ⅱ段定值按线路全长1.2倍整定,时间定值为0.5s。
模拟线路在不同运行方式下,发生正、反方向金属性故障,仿真结果如表3所示。
表3不同运行方式下保护装置的动作行为
故障点 | 装置A | 装置B | |
两侧强 | F1 | 距离Ⅰ段12ms | 距离Ⅰ段12ms |
两侧强 | F2 | 距离Ⅰ段21ms | 距离Ⅰ段21ms |
两侧强 | F4 | 不动作 | 不动作 |
M侧强N侧弱 | F1 | 距离Ⅰ段10ms | 距离Ⅰ段10ms |
M侧强N侧弱 | F3 | 距离Ⅱ段521ms | 距离Ⅱ段521ms |
M侧强N侧弱 | F5 | 不动作 | 不动作 |
对比装置A与装置B可知,在一般运行工况下,正、反方向故障时,两者距离保护动作特性一致,说明上述方法对距离保护原有动作特性不产生影响。
在模拟F1点故障时装置A录波如图10所示,故障后不完全差动开放判据和工作电压开放判据快速满足,开放距离保护;在模拟F5点故障时装置录波如图11所示,故障后不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据快速满足,闭锁距离保护。
模拟正、反方向发生转换性故障,仿真结果如表4所示。由仿真结果可知,对于转换性故障,两套保护装置动作行为一致,在反方向转正方向故障时,距离保护能够准确开放再动作,验证了电流谐波量解除闭锁判据的可行性。
表4转换性故障下保护装置的动作行为
模拟反方向F4点单相接地故障,分别模拟一个半开关接线侧,两个电流互感器不同程度出现饱和,保护装置的动作行为如表5所示。对于反方向故障电流互感器饱和,线性传变区大于等于2ms时,装置A均能可靠闭锁,而装置B会误动。
表5反方向F4点故障保护动作行为
饱和电流互感器 | 线性传变时间 | 装置A | 装置B |
电流互感器1 | 2ms | 不动作 | 动作 |
电流互感器1 | 2.5ms | 不动作 | 动作 |
电流互感器1 | 5ms | 不动作 | 动作 |
电流互感器2 | 2ms | 不动作 | 不动作 |
电流互感器2 | 5ms | 不动作 | 不动作 |
模拟F4点故障且电流互感器1发生饱和时,装置录波如图12所示,在故障后电流互感器线性传变区内,不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据快速满足,距离保护闭锁判据动作。在进入电流互感器饱和区后,工作电压开放判据和不完全差动开放判据先后满足,但由于距离保护闭锁判据先满足,闭锁了开放判据,所以维持了距离保护的闭锁状态。
模拟工况一各种运行方式下,再发生F3点单相接地故障,将保护装置的距离保护装置的动作行为如表6所示。
表6正方向F3点故障保护动作行为
模拟工况二,反方向F5点单相接地故障,分别模拟一个半开关接线侧,两个电流互感器不同程度出现饱和,保护装置的动作行为如表7所示。
表7区外F5点故障保护动作行为
饱和电流互感器 | 线性传变时间 | 装置A | 装置B |
电流互感器1 | 2ms | 不动作 | 不动作 |
电流互感器1 | 5ms | 不动作 | 不动作 |
电流互感器2 | 2ms | 不动作 | 动作 |
电流互感器2 | 5ms | 不动作 | 动作 |
由两种特殊工况的仿真结果可知,装置A在正方向故障时不拒动,反方向故障且电流互感器饱和时不误动,而装置B存在误动的情况。验证了不完全差动判据和工作电压判据相结合,解决了特殊工况下单个判据误动的问题,保证了在所有工况下判据的正确动作。
一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别系统,包括,
不完全差动判据模块:根据采集的距离保护所涉及电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据。
工作电压判据模块:根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据。
距离保护判据模块:根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据。
距离保护判据模块包括与模块和或模块;
与模块:将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据;或模块:将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据。
距离保护模块:基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行输电线路距离保护方法。
一种计算设备,包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行输电线路距离保护方法的指令。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法,其特征在于:包括,
根据距离保护所涉及电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据;
根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据;
根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据;
基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护电流互感器饱和识别。
4.根据权利要求1所述的一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法,其特征在于:将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据,将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据。
5.根据权利要求1所述的一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别方法,其特征在于:满足闭锁距离保护判据进行闭锁距离保护后,若距离保护所涉及电流互感器电流以及它们的和电流满足电流谐波解除闭锁判据,则开放距离保护。
7.一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别系统,其特征在于:包括,
不完全差动判据模块:根据采集的距离保护所涉及电流互感器电流变化量,构建不完全差动闭锁判据和不完全差动开放判据;
工作电压判据模块:根据保护安装处的电压变化量和工作电压变化量,构建工作电压闭锁判据和工作电压开放判据;
距离保护判据模块:根据不完全差动闭锁判据、不完全差动开放判据、工作电压闭锁判据和工作电压开放判据,构建闭锁距离保护判据和开放距离保护判据;
距离保护模块:基于闭锁距离保护判据和开放距离保护判据,进行距离保护。
8.根据权利要求7所述的一种输电线路距离保护电流互感器饱和识别系统,其特征在于:距离保护判据模块包括与模块和或模块;
与模块:将不完全差动闭锁判据和工作电压闭锁判据作与运算,构建闭锁距离保护判据;
或模块:将不完全差动开放判据和工作电压开放判据作或运算,构建开放距离保护判据。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质,其特征在于:所述一个或多个程序包括指令,所述指令当由计算设备执行时,使得所述计算设备执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备,其特征在于:包括,
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序,其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法的指令。
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