CN111985079B - 一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法 - Google Patents

一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，包括以下步骤：对罗氏线圈电流传变电路进行暂态等值建模分析，构建虚拟等值的罗氏线圈数字模型；依据虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对电压采样值信号进行虚拟等值微分处理，得到微分电压信号；将罗氏线圈传变的微分电流信号和微分电压信号，应用于软件测距运算；预先设定一数据窗，从故障起始时刻开始计时，若故障时间大于数据窗，采用最小二乘法计算出测距结果；否则，采用虚拟故障点电压多次迭代逼近法计算出测距结果。通过罗氏线圈电流型互感器采样回路不含采样信号积分环节，避免了传统罗氏线圈积分器环节的影响，简化了采样回路，测距精度高，动作速度快。

Description

一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法。
背景技术
罗氏线圈电流型互感器具有测量频带宽、动态响应范围大、无饱和效应、绝缘结构简单、体积小、重量轻等诸多优点，在电力系统中已有大量工程应用。由于罗氏线圈工作传变输出是与被测电流信号微分成正比电压信号，罗氏线圈电流型互感器内部通常配置有积分器，以恢复罗氏线圈传变的电流信号。由于积分器的存在，罗氏线圈电流型互感器易受开关操作或短路故障产生的高频暂态电流的影响，导致输出信号发生畸变，响了罗氏线圈电流型互感器的运行可靠性，降低了距离保护测距精度。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，通过对罗氏线圈电流传变电路进行建模分析，构造出虚拟等值的罗氏线圈数字模型，并利用该虚拟等值的罗氏线圈数字模型对距离保护测距使用的故障相电压测量信号和故障点虚拟电压信号进行虚拟等值微分处理，降低了测距电压和电流的采样回路之间的传变误差；对距离保护测距方程进行了重新设计，可以将罗氏线圈传变的微分电压、电流信号直接用于距离保护软件测距运算，避免了传统罗氏线圈积分器环节带来的误差影响；通过虚拟故障点电压，多次迭代逼近计算后测距结果，提高了距离保护的测距精度和动作速度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，包括以下步骤：
1)对罗氏线圈电流传变电路进行暂态等值建模分析，构建虚拟等值的罗氏线圈数字模型；
2)依据所述虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对电压采样值信号进行虚拟等值微分处理，得到距离保护软件测距使用的微分电压信号；
3)将所述罗氏线圈传变的微分电流信号和经所述虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的微分电压信号，直接应用于距离保护进行软件测距运算；
4)预先设定一数据窗，从故障起始时刻开始计时，若故障时间大于所述数据窗，采用最小二乘法计算出测距结果；否则，若故障时间小于等于所述数据窗，采用虚拟故障点电压多次迭代逼近法计算出测距结果。
进一步地，所述步骤1)中采用的虚拟等值罗氏线圈数字模型为：
其中，x(n)、x(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理前的第n和n-1个数据采样值；y3(n)、y3(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的第n和n-1个数据采样值；y1(n)、y2(n)、y1(n-1)、y2(n-1)为中间计算数据。
式(1)中，M为罗氏线圈互感系数，A和B为虚拟等值的罗氏线圈数字模型传变系数，其表达式如下：
式(2)和(3)中，Rs为线圈内阻，RL＝2L/Δt,Ra为负载电阻，L为线圈自感，C0为线圈匝间电容，Δt为采样间隔。
进一步地，所述步骤2)中经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理的电压采样值信号包括保护安装处故障相测量电压和输电线路故障点虚拟电压；
经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的故障点虚拟电压可用下式表示：
u′f＝u'f1+i′fRf (4)
其中，u′f、u'f1、i′f分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型传变后的故障点电压、故障前故障点电压、故障点电流，Rf为故障点过渡电阻。
进一步地，所述步骤3)中距离保护软件测距运算所使用的测距方程为：
其中：um′、u′f分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的保护安装序补偿系数，R1、R0、L1、L0分别为单位长度线路的正序电阻、零序电阻、正序电感、零序电感；D为保护安装处到故障点的距离。
进一步地，所述步骤4)中距离保护软件测距对故障点虚拟电压迭代逼近计算仅在故障时间小于等于所述数据窗时使用，且迭代次数为4次。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过对罗氏线圈电流传变电路进行建模分析，构造出虚拟等值的罗氏线圈数字模型，并利用该虚拟等值的罗氏线圈数字模型对距离保护测距使用的故障相电压测量信号和故障点虚拟电压信号进行虚拟等值微分处理，降低了测距电压和电流的采样回路之间的传变误差；对距离保护测距方程进行了重新设计，可以将罗氏线圈传变的微分电压、电流信号直接用于距离保护软件测距运算，避免了传统罗氏线圈积分器环节带来的误差影响；通过虚拟故障点电压，多次迭代逼近计算后测距结果，提高了距离保护的测距精度和动作速度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法流程图；
图2是本发明实施例提供的基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法逻辑判断图；
图3是本发明实施例提供的虚拟等值罗氏线圈数字等效模型电路图图；
图4是本发明实施例提供的基于罗氏线圈的快速距离保护数据传变环节示意图；
图5是本发明实施例提供的220kV输电线路系统模型等效示意图；
图6是本发明实施例提供的单相金属性接地故障该专利方法测距仿真结果示意图；
图7是本发明实施例提供的相间金属性接地故障该专利方法测距仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明针对传统罗氏线圈电流型互感器内部积分器，易受开关操作或短路故障产生的高频暂态电流的影响，导致传变信号发生畸变，提供了一种基于罗氏线圈电流传变的新型快速距离保护方法。该方法利用罗氏线圈传变环节对测量数据的微分功能，构建出虚拟等值的罗氏线圈数字模型，以实现对距离保护测距使用的电压和电流信号进行微分处理，并将微分电压和电流信号直接用于距离保护软件测距运算，提高了距离保护动作的可靠性。下面以220kV输电线路系统测距为例来进行说明。
图1是本发明实施例提供的罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法逻辑判断图。
图3是本发明实施例提供的虚拟等值罗氏线圈数字等效模型电路图图。
图4是本发明实施例提供的基于罗氏线圈的快速距离保护数据传变环节示意图。
请参照图1、图2、图3和图4，本发明实施例提供一种罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，包括以下步骤：
1)对罗氏线圈电流传变电路进行暂态等值建模分析，构建虚拟等值的罗氏线圈数字模型。
2)依据虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对电压采样值信号进行虚拟等值微分处理，得到距离保护软件测距使用的微分电压信号。
3)将罗氏线圈传变的微分电流信号和经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的微分电压信号，直接应用于距离保护进行软件测距运算。
4)预先设定一数据窗，从故障起始时刻开始计时，若故障时间大于数据窗，采用最小二乘法计算出测距结果；否则，若故障时间小于等于数据窗，采用虚拟故障点电压多次迭代逼近法计算出测距结果。
具体的，步骤1)利用节点电压法对图3中的各节点电压u1(t)、u2(t)、u3(t)列出节点电压方程，推导构建出虚拟等值罗氏线圈数字模型为：
其中，x(n)、x(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理前的第n和n-1个数据采样值；y3(n)、y3(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的第n和n-1个数据采样值；y1(n)、y2(n)、y1(n-1)、y2(n-1)为中间计算数据。
式(1)中，M为罗氏线圈互感系数，A和B为虚拟等值的罗氏线圈数字模型传变系数，其表达式如下：
式(2)和(3)中，Rs为线圈内阻，RL＝2L/Δt,Ra为负载电阻，L为线圈自感，C0为线圈匝间电容，Δt为采样间隔。
请参照图4，具体的，步骤2)中距离保护使用的测量电压采样值来自电压互感器，且没有经过微分处理。经过罗氏线圈传变后的电流采样值是微分处理后的数据，不能直接与电压信号进行测距运算。
因此，将被测量的电压信号采样值，按采样间隔时序代入公式(1)中的x(n)、x(n-1)，计算出对应时刻经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的微分电压信号y3(n)。
另外，由于故障点电压是未知数，是否经过渡电阻也未可知，无法实现对故障点电压进行虚拟等值罗氏线圈数字模型处理，因此将故障点电压进行虚拟，隔离出未知变量过渡电阻影响后，再进行虚拟等值传变处理，表示如下：
u′f＝u'f1+i′fRf (4)
其中，u′f、u'f1、i′f分为经虚拟等值罗氏线圈数字模型传变后的故障点电压，故障前故障点电压，故障点电流，Rf为故障点过渡电阻。
由式(4)可知，仅Rf为未知的常数量值。因此，仅需要将故障前电压uf1和故障点电流if代入式(1)进行虚拟等值微分处理即可。
图5是本发明实施例提供的220kV输电线路系统模型等效示意图。
请参照图5，步骤3)中，对于220kV输电线路系统的等值电路经过合适的低通滤波后，可以近似等效为R-L模型。对图5中的R-L模型，进行微分变换后，可得到距离保护软件测距方程如下：
其中：um′、u′f分别为经虚拟等值罗氏线圈模型处理后的保护安装处故障相测量电压和故障点电压，i′m、3i′0分别为经罗氏线圈模型处理后的保护安装处故障相测量电流和零序电流；分别为线路零序补偿系数，R1、R0、L1、L0分别为单位长度线路的正序电阻、零序电阻、正序电感、零序电感；D为故障点到保护安装处的距离。
由式(5)可知，只有D和u′f是未知量值，然后将故障时刻的经过罗氏线圈模型微分处理后点测量电压um′和测量电流i′m，以及测量零序电流3i′0代入式(5)，组成多维方程组，利用最小二乘法，计算出测距结果D。
具体的，步骤4)中最小二乘法解多维方程组时，需要一定长度的数据窗数据，本例中取数据窗长度为5ms的数据，使用本方法来计算测距结果。但是在故障时间小于等于5ms时，距离保护测距使用的测量数据介于正常态和故障态之间，最小二乘法计算出的测距结果误差比较大。
因此，当故障时间小于等于5ms时，通过虚拟故障点电压迭代逼近的方法来计算测距结果，其迭代步骤如下：
a)假设故障点位于被保护线路中间位置处，l为线路总长度；
b)根据故障点到保护安装处的距离可以虚拟出故障点电压，虚拟电压公式如下：
将故障时间小于等于5ms内的某时刻电压、电流微分采样值代入式(6)，可以虚拟出新的故障点电压。
c)将步骤b)中虚拟的故障点电压值，重新代入式(5)，再通过最小二乘法计算出新的故障距离D，并更新故障点的位置；
d)实时检测迭代次数是否大于4次，若迭代次数大于4次，输出测距结果；否则，若迭代次数小于等于4次时，跳转到步骤b)，重复执行如下步骤b)～步骤d)。
图6是本发明实施例提供的单相金属性接地故障该专利方法测距仿真结果示意图。
图7是本发明实施例提供的相间金属性接地故障该专利方法测距仿真结果示意图。
请参照图5，输电线路参数取值如下：正序电阻0.037219Ω/km，正序电抗0.303986Ω/km，正序容抗262624Ω·km，零序电阻0.31551Ω/km，零序电抗1.081049Ω/km，零序容抗410305Ω·km，输电线路全长80km。M系统的等值参数为：正序电阻2.78Ω，正序电抗22.73Ω，零序电阻6.42Ω，零序电抗21.98Ω。N系统的等值参数为：正序电阻7.60Ω，正序电抗62.04Ω，零序电阻17.5Ω，零序电抗60Ω。
如图3中，罗氏线圈电路模型参数取值如下：线圈内阻＝288Ω，电感L＝58.5mH，负载电阻＝32kΩ，互感系数M＝10.26μH，杂散电容＝30nF。
如图4中，输电线路系统低通滤波器设计如下：
其中，滤波器系数b0～b9分别为0.007757,0.034659,0.086280,0.149170,0.193398,0.193398,0.149170,0.086280,0.034659,0.007757。
利用最小二乘法解和虚拟故障点电压法求解R-L微分方程，数据窗数据取5ms内的故障数据，重复步骤1～4，随采样点向后移动计算数据窗，每移动一个采样点计算一次故障点位置，计算出故障后30ms内每个数据窗对应的故障位置D，其单相金属性接地故障和相间金属性接地故障的测距结果如图6和图7所示。
本发明利用虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对故障相测量电压和故障点电压进行微分处理，并将微分处理后的电压和电流信号直接用于距离保护测距运算的方法，避免了传统罗氏线圈积分器环节带来的传输信号畸变的缺陷影响，提高了距离保护动作可靠性，测距精度10ms左右计算误差不超过2.5％。
本发明实施例旨在保护一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，包括以下步骤：1)对罗氏线圈电流传变电路进行暂态等值建模分析，构建虚拟等值的罗氏线圈数字模型；2)依据虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对电压采样值信号进行虚拟等值微分处理，得到距离保护软件测距使用的微分电压信号；3)将罗氏线圈传变的微分电流信号和经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的微分电压信号，直接应用于距离保护进行软件测距运算；4)预先设定一数据窗，从故障起始时刻开始计时，若故障时间大于数据窗，采用最小二乘法计算出测距结果；否则，若故障时间小于等于数据窗，采用虚拟故障点电压多次迭代逼近法计算出测距结果。上述技术方案具备如下效果：
通过对罗氏线圈电流传变电路进行建模分析，构造出虚拟等值的罗氏线圈数字模型，并利用该虚拟等值的罗氏线圈数字模型对距离保护测距使用的故障相电压测量信号和故障点虚拟电压信号进行虚拟等值微分处理，降低了测距电压和电流的采样回路之间的传变误差；对距离保护测距方程进行了重新设计，可以将罗氏线圈传变的微分电压、电流信号直接用于距离保护软件测距运算，避免了传统罗氏线圈积分器环节带来的误差影响；通过虚拟故障点电压，多次迭代逼近计算后测距结果，提高了距离保护的测距精度和动作速度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对罗氏线圈电流传变电路进行暂态等值建模分析，构建虚拟等值的罗氏线圈数字模型；
2)依据所述虚拟等值的罗氏线圈数字模型，对电压采样值信号进行虚拟等值微分处理，得到距离保护软件测距使用的微分电压信号；
3)将所述罗氏线圈传变的微分电流信号和经所述虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的微分电压信号，直接应用于距离保护进行软件测距运算；
4)预先设定一数据窗，从故障起始时刻开始计时，若故障时间大于所述数据窗，采用最小二乘法计算出测距结果；否则，若故障时间小于等于所述数据窗，采用虚拟故障点电压多次迭代逼近法计算出测距结果；
所述步骤1)中采用的虚拟等值罗氏线圈数字模型为：
其中，x(n)、x(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理前的第n和n-1个数据采样值；y3(n)、y3(n-1)分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的第n和n-1个数据采样值；y1(n)、y2(n)、y1(n-1)、y2(n-1)为中间计算数据；
式(1)中，M为罗氏线圈互感系数，A和B为虚拟等值的罗氏线圈数字模型传变系数，其表达式如下：
式(2)和(3)中，Rs为线圈内阻，RL＝2L/Δt,Ra为负载电阻，L为线圈自感，C0为线圈匝间电容，Δt为采样间隔；
所述步骤2)中经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理的电压采样值信号包括保护安装处故障相测量电压和输电线路故障点虚拟电压；
经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的故障点虚拟电压可用下式表示：
u′f＝u'f1+i′fRf (4)
其中，u′f、u'f1、i′f分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型传变后的故障点电压、故障前故障点电压、故障点电流，Rf为故障点过渡电阻。
2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，其特征在于，所述步骤3)中距离保护软件测距运算所使用的测距方程为：
其中：um′、u′f分别为经虚拟等值罗氏线圈数字模型处理后的保护安装处故障相电压和故障点虚拟电压，i′m、3i′0分别为经罗氏线圈数字模型处理后的保护安装处故障相电流和零序电流；分别为线路零序补偿系数，R1、R0、L1、L0分别为单位长度线路的正序电阻、零序电阻、正序电感、零序电感；D为保护安装处到故障点的距离。
3.根据权利要求2所述的基于罗氏线圈电流传变的快速距离保护方法，其特征在于，所述步骤4)中距离保护软件测距对故障点虚拟电压迭代逼近计算仅在故障时间小于等于所述数据窗时使用，且迭代次数为4次。
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