CN112003233B - 一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法具体为，首先，选择电磁暂态仿真软件建立包含拟整定保护输电线路的仿真系统模型；其次，根据影响时域距离保护测量阻抗的因素制定数字仿真方案，进行故障仿真计算，获取保护安装处电流、电压采样值数据；进而，考虑互感器误差、时间窗、电磁干扰，计算各种情况下的阻抗元件的测量阻抗；最后，由区外故障时的测量阻抗确定保护的整定阻抗，由区内故障时的测量阻抗校验保护的灵敏度。利用本发明的整定方法实现时域距离保护的整定可提高保护灵敏度。

Description

一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法。
背景技术
距离保护不依赖通信通道，对于输电线路的安全运行具有重要意义。距离保护可利用工频量实现测量阻抗的计算(即频域距离保护)。但随着风电、光伏发电等新能源发电并入电网，由于风电侧频率偏移、高次谐波的故障特性及光伏发电的弱馈性，导致线路故障电压、电流频率不一致，利用傅里叶算法求取故障后电压、电流相量值存在较大误差。交直流混联系统中交流线路故障时也存在频率偏移的故障特征。频域距离保护的可靠性受到影响。时域距离保护不受电网频率变化的影响，可用于风电、光伏发电等并网后输电线路保护。
目前时域距离保护整定计算缺乏理论依据，在实际工程应用中，时域距离保护的整定仍沿用频域距离保护的整定原则，即I段保护本线路全长的80％～90％，II段与相邻线路I段配合整定，III段与相邻线路的II段相配合，或按躲开最小负荷阻抗进行整定。
时域距离保护的整定还存在以下问题。
(1)时域距离保护在不同时间窗采用不同的保护范围。通常时间窗10ms时，保护范围为线路全长的30％；时间窗20ms时，保护范围为线路全长的80％；时间窗30ms时，保护范围可达到线路全长的95％。其保护范围根据经验确定，缺乏理论依据，保护定值趋于保守。
(2)时域距离保护整定阻抗的计算仍沿用频域距离保护的方法，仅考虑了继电器误差、互感器误差、参数测量误差等因素，但未考虑模型误差、电磁干扰、时间窗影响等因素。模型误差、电磁干扰等对保护定值的影响理论分析困难，互感器误差对时域距离保护的影响缺乏理论分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，解决了现有技术中存在的时域距离保护整定计算缺乏理论依据的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过数字仿真软件建立包含拟整定保护输电线路的仿真系统模型，其中输电线路采用分布参数模型，系统及输电线路参数按实际系统确定，采样频率与实际保护装置相同；
步骤2、根据影响时域距离保护测量阻抗的因素制定数字仿真方案，进行故障仿真计算，获取保护安装处电流、电压采样值数据；
步骤3、考虑互感器误差、电磁干扰、时间窗长度的影响，将互感器误差、电磁干扰的影响叠加至电流、电压采样值中，根据时间窗长度选择电流、电压采样值数据，并通过保护装置所采用的算法计算测量阻抗；
步骤4、将不同时间窗、区外故障时计算得到的测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m，选出模值最小的Z′m·min，考虑裕度，即线路全长的5％，得到整定阻抗值，即整定阻抗Zset＝Z′m·min-5％ZL，其中，ZL为线路全长阻抗值；
根据阻抗元件的动作特性，由区内故障时的测量阻抗校验阻抗元件的灵敏度。
本发明的特点还在于：
步骤1具体采用电磁暂态数字仿真软件。
步骤2中影响时域距离保护测量阻抗的因素包括故障类型、故障位置和过渡电阻；
所述故障类型包括单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相短路，所述单相接地短路包括A相接地短路、B相接地短路和C相接地短路，所述两相接地短路包括AB两相接地短路、BC两相接地短路和CA两相接地短路，所述两相短路包括AB两相短路、BC两相短路和CA两相短路，所述三相短路为ABC三相短路；
所述故障位置采用故障点距离保护安装处的电气距离占线路全长的百分比表示，具体为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％处；
所述过渡电阻为单相接地故障和相间故障时拟整定保护输电线路电压等级下的金属性故障，即过渡电阻为0、最大过渡电阻的一半、最大过渡电阻。
步骤3中互感器误差、时间窗长度、电磁干扰，具体为：电压互感器和电流互感器的误差按互感器的准确级考虑；时间窗长度包括一个采样周期、5ms、10ms和20ms四种长度；电磁干扰按快速瞬变单脉冲波考虑，以故障发生时刻起互感器测得的第一、二、三个电流数据分别受到干扰，存在2倍误差进行确定。
步骤4中测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m的计算方法为：
Figure BDA0002585697990000041
其中，Z′m为测量阻抗在线路阻抗角方向上的投影，
Figure BDA0002585697990000042
为线路阻抗角，
Figure BDA0002585697990000043
为测量阻抗阻抗角。
本发明的有益效果是：本发明一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，影响因素考虑模型误差、故障位置、故障类型、过渡电阻、互感器误差、时间窗、电磁干扰，给出时域距离保护的整定流程，由区外故障时的测量阻抗确定保护的整定阻抗，由区内故障时的测量阻抗根据阻抗元件动作特性校验保护的灵敏度，从而给出保护整定阻抗及保护范围。该方法有效解决时域距离保护整定计算缺乏理论依据的问题，实现时域距离保护的整定可提高保护灵敏度，对时域距离保护的大规模应用具有积极作用。
附图说明
图1是本发明一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法的流程图；
图2是本发明一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法的输电线路及双侧电源系统图；
图3是本发明实施例方向阻抗元件动作特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过电磁暂态数字仿真软件PSCAD/EMTDC建立包含拟整定保护输电线路的仿真系统模型，其中输电线路采用分布参数模型，系统及输电线路参数按实际系统确定，采样频率与实际保护装置相同；
实施例采用一风电场与系统的110kV联络线作为算例，风机采用双馈机，如图2所示，线路参数：l＝30km，r1＝0.1005Ω/km，l1＝2.5485mH/km，c1＝0.00677μF/km，r0＝0.323Ω/km，l0＝7.0086mH/km，c0＝0.00605μF/km，利用PSCAD/EMTDC建立仿真模型，故障时间设置为1.5s，采样频率为4kHz，保护用电压互感器准确级6P、电流互感器准确级10P，即电压幅值存在±6％的误差、电流幅值存在±10％的误差；
步骤2、根据影响时域距离保护测量阻抗的因素制定数字仿真方案，考虑故障类型、故障位置、过渡电阻，进行故障仿真计算，获取保护安装处电流、电压采样值数据；
1)故障类型有单相接地短路(A相接地短路、B相接地短路、C相接地短路)、两相接地短路(AB两相接地短路、BC两相接地短路、CA两相接地短路)、两相短路(AB两相短路、BC两相短路、CA两相短路)、三相短路(ABC三相短路)四种类型、10种情况；
2)故障位置用故障点距离保护安装处的电气距离占线路全长的百分比表示，考虑0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％处；
3)单相接地故障过渡电阻考虑0、50Ω、100Ω三种情况，相间故障过渡电阻考虑0Ω、1Ω、2Ω三种情况；
根据时域距离保护的原理，需要对采样数据进行低通滤波(截止频率为100Hz)；
步骤3、考虑互感器误差、电磁干扰、时间窗长度的影响，将互感器误差、电磁干扰的影响叠加至电流、电压采样值中，根据时间窗长度选择电流、电压采样值数据，并通过保护装置所采用的算法计算测量阻抗；
1)电压互感器和电流互感器的准确级按系统实际情况考虑，以电压互感器采用6P、电流互感器10P为例，计算测量阻抗时考虑电压存在±6％的误差，电流存在±10％的误差，并考虑最大相位误差；
2)时间窗考虑0.25ms、5ms、10ms、20ms四种情况；
3)电磁干扰按快速瞬变单脉冲波考虑，以故障发生时刻起互感器测得的第一、二、三个电流数据分别受到干扰，存在2倍误差进行确定；
步骤4、将不同时间窗、区外故障时计算得到的测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m，选出模值最小的Z′m·min，考虑裕度(线路全长的5％)得到整定阻抗值。即整定阻抗Zset＝Z′m·min-5％ZL。其中，ZL为线路全长阻抗值。
利用式(1)将测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m，
Figure BDA0002585697990000061
其中Zm为测量阻抗，Z′m为测量阻抗在整定阻抗Zset方向上的投影，
Figure BDA0002585697990000062
为线路阻抗角，
Figure BDA0002585697990000063
为测量阻抗阻抗角；
Z′m占线路全长阻抗的百分比为：
Figure BDA0002585697990000064
以时间窗为5ms、单相接地故障时的整定为例，即利用故障发生后5ms时间窗的数据，得到测量阻抗计算结果。
首先进行单相接地短路区外故障仿真。故障位置设在线路全长的100％、120％处，按照故障类型、故障位置、过渡电阻等因素进行排列组合，得到各种仿真方案，进行故障仿真、得到仿真数据；考虑互感器幅值误差、互感器相位误差、电磁干扰的影响进行测量阻抗计算，并根据式(2)得到测量阻抗落在方向阻抗特性圆上的范围。表1、表2给出故障位置为100％、120％处的测量阻抗计算结果。其中电磁干扰的1、2、3分别表示故障时刻起第一、二、三个电流数据分别受到干扰，存在2倍误差。
表1 5ms时间窗故障位置为100％处单相接地短路阻抗计算结果
Figure BDA0002585697990000071
Figure BDA0002585697990000081
表2 5ms时间窗故障位置为120％处单相接地短路阻抗计算结果
Figure BDA0002585697990000082
Figure BDA0002585697990000091
由表1、表2可知，按照区外故障确定保护动作边界的整定原则，其中最小范围75.66％，考虑5％的裕度，因此确定保护范围为70.66％，约等于为71％。因此，5ms时间窗、单相接地故障的保护范围整定为71％，与此对应的线路阻抗即为整定阻抗。
表3 整定阻抗及保护范围
Figure BDA0002585697990000092
Figure BDA0002585697990000101
其次依据阻抗元件动作特性，利用单相接地短路区内故障时计算得到的测量阻抗进行灵敏度校验。通过对大量仿真结果的计算，在考虑故障位置、过渡电阻等不利于保护动作的条件下，保护均能正确动作。
用相同方法分析其余时间窗、其它故障类型时的保护整定情况，整定阻抗和保护范围如表3所示。
由表3可见，与现有整定方法确定的保护范围相比，本发明提高了保护灵敏度。

Claims (5)

1.一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过数字仿真软件建立包含拟整定保护输电线路的仿真系统模型，其中输电线路采用分布参数模型，系统及输电线路参数按实际系统确定，采样频率与实际保护装置相同；
步骤2、根据影响时域距离保护测量阻抗的因素制定数字仿真方案，进行故障仿真计算，获取保护安装处电流、电压采样值数据；
步骤3、考虑互感器误差、电磁干扰、时间窗长度的影响，将互感器误差、电磁干扰的影响叠加至电流、电压采样值中，根据时间窗长度选择电流、电压采样值数据，并通过保护装置所采用的算法计算测量阻抗；
步骤4、将不同时间窗、区外故障时计算得到的测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m，选出模值最小的Z′m·min，考虑裕度，即线路全长的5％，得到整定阻抗值，即整定阻抗Zset＝Z′m·min-5％ZL，其中，ZL为线路全长阻抗值；
根据阻抗元件的动作特性，由区内故障时的测量阻抗校验阻抗元件的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，其特征在于，所述步骤1具体采用电磁暂态数字仿真软件。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，其特征在于，所述步骤2中影响时域距离保护测量阻抗的因素包括故障类型、故障位置和过渡电阻；
所述故障类型包括单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相短路，所述单相接地短路包括A相接地短路、B相接地短路和C相接地短路，所述两相接地短路包括AB两相接地短路、BC两相接地短路和CA两相接地短路，所述两相短路包括AB两相短路、BC两相短路和CA两相短路，所述三相短路为ABC三相短路；
所述故障位置采用故障点距离保护安装处的电气距离占线路全长的百分比表示，具体为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％处；
所述过渡电阻为单相接地故障和相间故障时拟整定保护输电线路电压等级下的金属性故障，即过渡电阻为0、最大过渡电阻的一半、最大过渡电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，其特征在于，所述步骤3中互感器误差、时间窗长度、电磁干扰，具体为：电压互感器和电流互感器的误差按互感器的准确级考虑；时间窗长度包括一个采样周期、5ms、10ms和20ms四种长度；电磁干扰按快速瞬变单脉冲波考虑，以故障发生时刻起互感器测得的第一、二、三个电流数据分别受到干扰，存在2倍误差进行确定。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字仿真的时域距离保护阻抗元件整定方法，其特征在于，所述步骤4中测量阻抗Zm映射至线路阻抗角直线上得到Z′m的计算方法为：
Figure FDA0002585697980000021
其中，Z′m为测量阻抗在线路阻抗角方向上的投影，
Figure FDA0002585697980000022
为线路阻抗角，
Figure FDA0002585697980000023
为测量阻抗阻抗角。
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