CN111668815B - 一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。本发明方法，包括：获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值。本发明能够增加调相机对侧保护的距离Ⅱ段的动作范围，且无需附加装置，具有较强的实用性。

Description

一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法及系统。

背景技术

我国幅员辽阔，资源分布极不均衡，发电地区与负荷中心往往距离很远。直流输电系统以其传输功率高、可控性能好等优势，广泛应用于大功率远距离输电工程。直流输电采用的大容量换流器运行时需消耗大量无功功率，因此要求受端交流系统具有一定的无功补偿和电压支撑能力。常使用的无功补偿设备有静止无功补偿器、静止同步补偿器以及同步调相机。静止无功补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压，其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。但静止无功补偿器的补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合。静止同步补偿器是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。

相比静止无功补偿器、静止同步补偿器等无功补偿装置，调相机在系统暂态惯量、短路电流和动态无功方面有较强的支撑能力，能够抑制不同程度的直流换相失败，提高系统稳定性。在合适的站点安装同步调相机可大幅提高直流受端系统暂态电压稳定性，抑制直流换相失败。同步调相机可以通过调节励磁电流实现无差调节输出无功的大小，调节精度较高，具有较强的短时过载能力，同时使用年限长，更有助于提高特高压直流输电系统的稳定性。

调相机本质上是一台空载运行的同步电动机，其暂态过程故障特性将直接影响交流系统的故障特征。目前对于调相机接入系统后对交流电网距离保护的影响方面研究较少，特别是大规模调相机接入交流电网后，原有的距离保护整定及配合需要进一步优化。

距离保护的Ⅰ段保护线路全长的85％，一般按照躲过下级线路出口处短路来整定。距离保护的Ⅱ段与相邻线路距离保护Ⅰ段相配合，且需要考虑分支效应的影响。调相机的加入会使得系统短路电流增加，引起分支系数的变化。在下级线路发生故障时，系统的测量阻抗会增大，减小了保护的范围，对保护引起不利影响，为了提高系统运行的稳定性与可靠性，有必要研究调相机的大规模接入后交流线路距离保护的整定优化策略。

发明内容

针对上述问题本发明提出了一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法，包括：

获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值。

可选的，距离保护定值，包括：相间距离保护Ⅱ段的整定值和接地距离保护Ⅱ段的整定值。

可选的，固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

可选的，正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路PM与MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数。

可选的，距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护Ⅱ段的整定值、Z_set.2为接地距离保护Ⅱ段的整定值、K_rel.1为距离Ⅱ段的可靠系数、K_rel.2配合段距离Ⅰ段的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

本发明还提出了一种用于确定交流电力系统距离保护定值的系统，包括：

参数获取模块，获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

第一计算模块，确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

第二计算模块，对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值。

可选的，距离保护定值，包括：相间距离保护Ⅱ段的整定值和接地距离保护Ⅱ段的整定值。

可选的，固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

可选的，正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路PM与MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数。

可选的，距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护Ⅱ段的整定值、Z_set.2为接地距离保护Ⅱ段的整定值、K_rel.1为距离Ⅱ段的可靠系数、K_rel.2配合段距离Ⅰ段的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

本发明能够增加调相机对侧保护的距离Ⅱ段的动作范围，且无需附加装置，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法流程图；

图2为本发明一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法交流网络等值拓扑结构图；

图3为本发明一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法交流系统理论分析图；

图4为本发明一种用于确定交流电力系统距离保护定值的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提出了一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法，如图1所示，包括：

获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值。

其中，距离保护定值，包括：相间距离保护Ⅱ段的整定值和接地距离保护Ⅱ段的整定值。

固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路PM与MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数。

距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护Ⅱ段的整定值、Z_set.2为接地距离保护Ⅱ段的整定值、K_rel.1为距离Ⅱ段的可靠系数、K_rel.2配合段距离Ⅰ段的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

下面结合实施例及附图对本发明进行进一步说明：

实际工程中，调相机作为直流输电的动态无功补偿装置，通常接于受端的交流环网中，为使本发明更详细的说明，将实际中的复杂环网交流电力系统的拓扑等值为如图2所示双端供电网络拓扑；

如图2所示，图中E_q1与E_q2为系统等效的电压源、Z_s1与Z_s2为两个等值电源的系统阻抗、调相机本质上为一台空载的电机，因此将调相机支路等效为电源串阻抗的形式、图中E_sc为调相机的等效电动势、Z_sc为调相机与母线的联系阻抗、1与2为线路MN的保护安装处和f₁、f₂以及f₃分别为线路PM、MN、NQ的短路故障发生处。

针对不同故障位置，调相机对测量阻抗的影响也不同，当线路MN的f₂处发生故障时，该故障为保护1的距离Ⅰ段的保护范围，由于此时保护1与保护2所测得的阻抗为线路的阻抗，与交流电力系统的电源无关，所以可以很好的反应线路MN的故障位置以及短路点的距离，此时调相机对保护1没有影响，当保护1的下级线路NQ的f₃处发生短路故障时，保护1测得的阻抗依然与系统无关，保护1的测量阻抗不受调相机的影响，因此f₂、f₃故障时，调相机对距离保护的测量值没有影响，保护的整定值无需改变。

以下研究调相机组下级线路f₁处发生故障时，调相机对保护2的距离Ⅱ段的整定值优化。

在交流电力系统故障时，调相机经历了次暂态、暂态以及稳态过程，且体现出的电抗也随之而变，为了充分保证选择性，距离保护Ⅱ段应设置一定的时限约为0.5s，由于调相机的次暂态过程很短，在距离Ⅱ段中调相机主要经历暂态过程。

如图3所示，在调相机的下级线路发生短路故障时，根据电路定理：

式中

为A母线的电压，

为保护安装处侧得的电流，

为调相机流向母线的电流、

与

为调相机接入点相邻母线与调相机的等效电势源、Z_MN为线路MN的阻抗、Z_sc为调相机等效电势源与母线的联系阻抗和Z_S2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗。

通常认为交流电力系统等值电动势与调相机电动势相等，整理可得：

分支系数定义为通过被配合的保护的电流与通过被整定的保护的电流，因此调相机接入后的分支系数为：

设X'_d为调相机的暂态阻抗，Z_T为变压器的短路阻抗。在M母线接入n台调相机后，调相机等效电势源与系统母线M的正序联系阻抗为：

其零序联系阻抗为：

在有n台调相机接入后的正序助增系数为：

零序助增系数为：

在加入调相机后，系统的分支系数会对增大测量阻抗。此时为了使保护安全动作，需要将保护2的距离Ⅱ段的整定值需要重新设定，对于相间距离Ⅱ段定值，在保证本线路末端发生金属性相间故障有足够的灵敏度来整定，并与相邻线路相机距离Ⅰ段配合，且需要躲开调相机主变压器低压侧出口处短路时的阻抗值，动作时间取0.5s。

Z_set.1＝min{K_rel.1[Z_MN+K_rel.2K_br1Z_PM],K_rel.3[Z_MN+K_br1Z_T]} K_sen≥1.25 (10)

式中K_rel.1为距离Ⅱ段的可靠系数，一般取0.8，K_rel.2为下一段线路距离Ⅰ段的可靠系数，一般取0.85，K_rel.3为与变压器相配合时的可靠系数，由于Z_T的误差较大，一般取0.7。

相间距离保护Ⅲ段定值按可靠躲过本线路的最小负荷阻抗整定，并与相邻线路相间距离保护Ⅱ段配合，若配合有困难，可与相邻线路接地距离Ⅲ段配合整定。

接地距离保护的Ⅱ段的整定，需要考虑综合的分支系数。假设两条相邻线路的零序补偿系数相等，会使得接地距离保护Ⅱ段的整定值偏小，不会造成保护范围的超越，则整定公式为：

Z_set.2＝min{K_rel.1[Z_MN+K_rel.2K_br.3Z_PM],K_rel.3[Z_MN+K_br.3Z_T]} K_sen≥1.25 (11)

式中，K_br.3为零序助增系数K_br1与正序助增系数K_br0的较小值。

接地距离保护Ⅲ段定值按可靠躲过本线路的最小负荷阻抗整定，并与相邻线路接地距离保护Ⅱ段配合。若配合有困难，可与相邻线路接地距离Ⅲ段配合整定。

利用PSCAD/EMTDC软件进行仿真验证，分别在三处线路发生短路故障，记录保护的测量阻抗，特别关注在线路PM发生短路时，对分支系数的大小以及在更新整定定值后的保护动作情况进行仿真，通过仿真发现，在MN与NQ发生故障时，保护1与保护2的测量阻抗与未加入调相机之前没有差别。在线路PM处发生故障时，仿真所得的分支系数与调相机的接入数量成线性关系，且在PM线路50％处发生三相短路故障时，保护2可正确动作，证明了理论的正确性以及整定的有效性。

本发明还提出了一种用于确定交流电力系统距离保护定值的系统200，如图4所示，包括：

参数获取模块201，获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

第一计算模块202，确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

第二计算模块203，对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值。

其中，距离保护定值，包括：相间距离保护Ⅱ段的整定值和接地距离保护Ⅱ段的整定值。

固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路PM与MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数。

距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护Ⅱ段的整定值、Z_set.2为接地距离保护Ⅱ段的整定值、K_rel.1为距离Ⅱ段的可靠系数、K_rel.2配合段距离Ⅰ段的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

本发明能够增加调相机对侧保护的距离Ⅱ段的动作范围，且无需附加装置，具有较强的实用性。

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。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

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。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于确定交流电力系统距离保护定值的方法，所述方法包括：

获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值；

所述正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数；

所述距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护II段的整定值、Z_set.2为接地距离保护II段的整定值、K_rel.1为距离II段的可靠系数、K_rel.2为配合段距离I段的可靠系数、K_rel.3为与变压器相配合时的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

2.根据权利要求1所述的方法，所述距离保护定值，包括：相间距离保护II段的整定值和接地距离保护II段的整定值。

3.根据权利要求1所述的方法，所述固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

所述主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

4.一种用于确定交流电力系统距离保护定值的系统，所述系统包括：

参数获取模块，获取目标交流电力系统的固有参数及接入目标交流系统的调相机的主要参数；

第一计算模块，确定当接入目标交流系统的调相机处于系统保护的下游时，根据固有参数和主要参数，确定目标交流电力系统接入调相机后的正序助增系数和零序助增系数；

第二计算模块，对目标交流电力系统进行距离保护优化，根据正序助增系数和零序助增系数确定目标交流电力系统的距离保护定值；

所述正序助增系数和零序助增系数的确定公式，如下：

其中、K_br1为正序助增系数、n为接入目标交流电力系统的调相机数量、Z_s2为调相机接入点相邻母线的系统阻抗、Z_MN为线路MN的阻抗值、X′_d调相机暂态阻抗、Z_T为调相机变压器短路阻抗和K_br0为零序助增系数；

所述距离保护定值的确定公式，如下：

其中、Z_set.1为相间距离保护II段的整定值、Z_set.2为接地距离保护II段的整定值、K_rel.1为距离II段的可靠系数、K_rel.2为配合段距离I段的可靠系数、K_rel.3为与变压器相配合时的可靠系数和K_br.3为零序助增系数与正序助增系数的较小值。

5.根据权利要求4所述的系统，所述距离保护定值，包括：相间距离保护II段的整定值和接地距离保护II段的整定值。

6.根据权利要求4所述的系统，所述固有参数，包括：目标交流电力系统的调相机接入点相邻母线的系统阻抗和线路阻抗；

所述主要参数，包括：调相机接入目标交流电力系统的数量、调相机暂态阻抗、调相机变压器短路阻抗和调相机与连接母线的正序联系阻抗及零序联系阻抗。

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