CN111711179A - 一种适应短路电流超标场景的继电保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应短路电流超标场景的继电保护方法。本发明采用的技术方案为：母分断路器在故障后的25ms内切除故障电流；安装于出线侧断路器的继电保护装置在故障后5ms内计算短路电流幅值；若短路电流大于断路器的遮断容量，则暂时闭锁保护逻辑25ms以等待母分断路器断开部分馈入的短路电流；出线侧继电保护装置在闭锁25ms后，重新计算故障电流幅值；电流幅值若小于断路器的遮断容量，则重新开放保护逻辑；反之，若故障电流幅值仍大于断路器的遮断容量，则继续闭锁继电保护装置，同时启动断路器失灵保护，通过跳开故障出线的相邻断路器。本发明实现了短路电流超标场景下故障电流的快速切除，有效地提升系统运行的安全裕度和灵活性。

Description

一种适应短路电流超标场景的继电保护方法
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其是一种适应短路电流超标场景的继电保护方法。
背景技术
随着电力系统规模不断扩大、网架结构日益加强，电力系统中短路电流水平逐年攀升，220kV与500kV母线的短路电流超过50kA，甚至直逼63kA。若故障电流超过断路器的遮断容量，将会出现断路器失灵、保护切除范围扩大等灾难性的后果。短路电流超标已成为电力系统规划、设计、运行面临的重大问题。
针对电网的发展，目前限制短路电流的方法主要包括调整系统运行方式以及采用高阻抗短路电流限制设备两大类。调整系统运行方式包括220kV双母线分列运行、500kV 3/2接线方式下出串运行、机组陪停、拉停线路等，这些方法在限制短路电流的同时，也降低了电网运行的灵活性与安全裕度。采用高阻抗短路电流限制设备的方法主要包括串联限流电抗器、增加变压器及发电机的阻抗等，这些方法在增加故障回路阻抗、限制短路电流的同时，也增加了系统的无功损耗和电压损耗，需要配置额外的无功补偿设备。
发明内容
为解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其在不破坏系统原有运行方式以及不增加限流电抗的前提下，通过改进变电站内继电保护装置的动作策略，以实现短路电流超标场景下故障电流的快速切除。
本发明采用如下的技术方案：一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其在220kV双母线变电站母分处安装母分断路器，正常运行期间母分断路器合闸，双母线合环运行，母分断路器和各出线侧装有继电保护装置；在故障发生后，继电保护装置的动作逻辑包括：
步骤1：在220kV变电站出线发生的短路故障时，母分断路器侧继电保护装置在5ms内判断出故障，在故障后的25ms(包括保护判断时间5ms，断路器动作时间20ms)内母分断路器切除故障电流；
步骤2：安装于出线侧断路器的继电保护装置在故障后5ms内计算短路电流幅值，判断故障电流是否大于断路器的遮断容量；若短路电流大于断路器的遮断容量，则暂时闭锁保护逻辑25ms以等待母分断路器断开部分馈入的短路电流；反之，若短路电流小于断路器的遮断容量，则继续开放保护逻辑而无需闭锁，从而继电保护装置将动作跳开出线侧断路器，以切除故障；
步骤3：出线侧继电保护装置在闭锁25ms后(即故障后30ms时)，重新计算故障电流幅值；电流幅值若小于断路器的遮断容量，则重新开放保护逻辑，此时继电保护装置将动作跳开出线侧断路器，最终实现故障的清除；反之，若故障电流幅值仍大于断路器的遮断容量，则继续闭锁继电保护装置，同时启动断路器失灵保护，通过跳开故障出线的相邻断路器，以彻底隔离短路点，从而避免故障出线侧断路器因强行切除超标短路电流而爆炸。
本发明无需改变系统原有运行方式，亦无需增加系统的限流电抗。
进一步地，所述的步骤1中，位于母分断路器的继电保护装置采集流过母分断流器的电流，通过最小二乘算法在5ms内计算短路电流幅值，当电流幅值大于母分断流器处最大的负荷电流时，继电保护装置发出跳闸指令，触发母分断路器在20ms内切除故障电流。
进一步地，所述的步骤2中，采用最小二乘算法在5ms内计算短路电流幅值。
进一步地，在步骤3中，出线侧继电保护装置在闭锁25ms后，利用故障后25ms至30ms内的电流采样数据采用最小二乘算法重新计算故障电流幅值。
进一步地，通过最小二乘算法计算电流幅值的过程为：
短路电流的时域模型为：
if＝k1e-t/τ+k2sin(ωt+θ) (1)
式中：k1和τ分别为非周期分量的幅值和衰减时间常数，k2和θ分别为基波分量的幅值和初相，ω等于工频对应的角速度100πrad/s。
对式(1)中的指数进行泰勒展开，保留其中前2项，可以得到：
if＝X1+X2t+X3sin(ωt)+X4cos(ωt) (2)
式中：X1、X2、X3、X4为待辨识的参数。
在故障初始的5ms内，得到N个故障电流的采样值if(1)、if(2)、…、if(i)、…、if(N)后，可以构建方程：
Y(N)＝H(N)X(N) (3)
式中：Y(N)＝[if(1) if(2) ... if(N)]T，Y(N)为故障电流采样序列；X(N)＝[X1 X2X3 X4]T，X(N)为待辨识的参数向量；H(N)＝[h(1) h(2) ...h(i)... h(N)]，H(N)为输入输出矩阵，其中h(i)＝{1 iΔts sin[(ω)iΔts] cos[(ω)iΔts]}，Δts为数据的采样周期，i为采样顺序号；
采用最小二次算法可以对参数矩阵进行拟合估算：
X(N)＝[X1 X2 X3 X4]T＝(H(N)TH(N))-1H(N)TY(N) (4)
通过式(4)求解的得到的参数向量，可以推导得到短路电路的工频分量幅值Ifm为：
Figure BDA0002521270300000041
本发明具有以下有益效果：本发明在不破坏系统原有运行方式以及不增加限流电抗的前提下，通过改进变电站内继电保护装置的动作策略，实现了短路电流超标场景下故障电流的快速切除，有效提升系统运行的安全裕度和灵活性。
附图说明
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明具体实施方式中220kV双母线变电站继电保护装置的配置图；
图2是本发明具体实施方式中出线故障后短路电流的分布图；
图3是本发明具体实施方式中故障后切除母分断路器以限制故障点短路电流的示意图；
图4是本发明具体实施方式中母分断路器断开后，若故障出线保护的电流幅值小于断路器的遮断容量，则再跳开出线断路器以实现故障的彻底隔离；
图5是本发明具体实施方式中故障出线保护装置的电流幅值仍大于断路器的遮断容量，则通过启动失灵保护跳开故障出线的相邻断路器的示意图；
图6是本发明具体实施方式中保护动作逻辑示意图；
图7是本发明具体实施方式中保护的动作时序图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，在220kV双母线变电站正常运行期间母分断路器合闸，双母线合环运行。在母分处安装高速的母分断路器，继电保护装置通过采集母分电流实现超高速的过流保护，若母分断路器电流大于最大的负荷电流，则继电保护装置快速动作以切除母分断路器；在各出线处安装普通断路器，各出线的继电保护装置通过采集线路电压、电流实现出线故障的判断。
在第一出线故障发生后，故障电流的分布如图2所示。馈入第一出线侧的短路电流分别来自第一电源和第二电源，其中第一电源馈入的短路电流流经了母分断路器。
步骤1：在故障初始时刻，位于母分断路器侧的继电保护装置采集母分电流，通过短窗最小二乘算法在5ms内提取电流的幅值，并检测到母分电流幅值大于最大的负荷电流，因此触发高速的母分断路器在20ms内动作，从故障发生到母分断路器切除电流的全过程动作时间在25ms内。母分断路器动作可以切除第一电源馈入故障点的短路电流，如图3所示。
步骤2：出线侧的继电保护装置在故障后5ms内计算短路电流幅值，判断故障电流是否大于断路器的遮断容量。此时，由于短路电流大于断路器的遮断容量，故需要暂时闭锁保护逻辑25ms以等待母分断路器断开部分馈入的短路电流。反之，若短路电流小于断路器的遮断容量，则继续开放保护逻辑。
步骤3：出线侧继电保护装置在闭锁25ms后(即故障后30ms时)，利用故障后25ms至30ms的数据重新计算故障电流幅值。电流幅值若小于断路器的遮断容量，则重新开放保护逻辑，开放逻辑后保护将动作跳开出线侧断路器，最终实现故障的清除，如图4所示；反之，若故障电流幅值仍大于断路器的遮断容量，则继续闭锁保护，同时启动断路器失灵保护，通过跳开故障出线相邻支路的断路器以彻底隔离短路点，如图5所示。
保护的动作逻辑及动作时序分别如附图6和附图7所示。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其在220kV双母线变电站母分处安装母分断路器，正常运行期间母分断路器合闸，双母线合环运行，母分断路器和各出线侧装有继电保护装置；其特征在于，在故障发生后，继电保护装置的动作逻辑包括：
步骤1：在220kV变电站出线发生的短路故障时，母分断路器侧继电保护装置在5ms内判断出故障，在故障后的25ms内母分断路器切除故障电流；
步骤2：安装于出线侧断路器的继电保护装置在故障后5ms内计算短路电流幅值，判断故障电流是否大于断路器的遮断容量；若短路电流大于断路器的遮断容量，则暂时闭锁保护逻辑25ms以等待母分断路器断开部分馈入的短路电流；反之，若短路电流小于断路器的遮断容量，则继续开放保护逻辑而无需闭锁，从而继电保护装置将动作跳开出线侧断路器，以切除故障；
步骤3：出线侧继电保护装置在闭锁25ms后，重新计算故障电流幅值；电流幅值若小于断路器的遮断容量，则重新开放保护逻辑，此时继电保护装置将动作跳开出线侧断路器，最终实现故障的清除；反之，若故障电流幅值仍大于断路器的遮断容量，则继续闭锁继电保护装置，同时启动断路器失灵保护，通过跳开故障出线的相邻断路器，以彻底隔离短路点。
2.根据权利要求1所述的一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其特征在于，所述的步骤1中，位于母分断路器的继电保护装置采集流过母分断流器的电流，通过最小二乘算法在5ms内计算短路电流幅值，当电流幅值大于母分断流器处最大的负荷电流时，继电保护装置发出跳闸指令，触发母分断路器在20ms内切除故障电流。
3.根据权利要求1所述的一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其特征在于，所述的步骤2中，采用最小二乘算法在5ms内计算短路电流幅值。
4.根据权利要求1所述的一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其特征在于，在步骤3中，出线侧继电保护装置在闭锁25ms后，利用故障后25ms至30ms内的电流采样数据采用最小二乘算法重新计算故障电流幅值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种适应短路电流超标场景的继电保护方法，其特征在于，通过最小二乘算法计算电流幅值的方程为：
Figure FDA0002521270290000021
式中：Ifm为待求解的电流幅值；Y(N)＝[if(1) if(2) ... if(N)]T，Y(N)为故障电流采样序列，if(1)、if(2)、…、if(i)、…、if(N)为故障5ms后得到的N个故障电流的采样值；X(N)＝[X1 X2 X3 X4]T，X(N)为待辨识的参数向量；X1、X2、X3、X4为待辨识的参数；H(N)＝[h(1) h(2) ...h(i)... h(N)]，H(N)为输入输出矩阵，其中h(i)＝{1 iΔts sin[(ω)iΔts] cos[(ω)iΔts]}，Δts为数据的采样周期，i为采样顺序号，ω等于工频对应的角速度100πrad/s。
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