CN113224727B - 一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，转供模态满足突变量I_op启动，当转供线路功率大于5％额定功率P₀时，确认两个系统处于转供状态，利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，基于常规反时限过电流继电器的动作特性方程调整送电侧和受电侧的时间整定系数K。本发明仅靠送电侧转供线路的功率方向和时间级差调整就能实现两站之间的保护配合，并且能够适用于常规模态和转供模态，保证保护之间的选择性，在最短的时间内将故障切除。

Description

一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法

技术领域

本发明涉及一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，特别是一种联络线转供方式运行下小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，是电力系统与用户联系最直接的环节，担负着分配电能、服务用户的重要任务，也是保证供电质量、提高电力系统运行效率的关键环节，一旦故障将影响用户正常供电，造成巨大经济损失和社会影响。对于中性点经小电阻接地的10kV配电网，在实际的现场运行维护中会出现电源线路故障退出运行情况，为保证供电可靠性，就需要由其他配电网增设联络线进行转供；当两个系统处于转供状态时，如果电源故障退出运行的受电侧馈线发生单相接地故障，从送电侧角度看，故障发生在送电侧的馈线中，因为转供线路是由送电侧馈线连接到受电侧；但是，为保证受电侧供电可靠性，受电侧故障馈线和转供线路的保护不能同时动作，必须将受电侧的故障馈线及时切除，使得受电侧中其他馈线可以正常运行。

反时限过电流保护是动作时限与被保护线路中电流大小有关的一种保护，当电流大时保护的动作时限短，而电流小时动作时限长，即近处故障时动作时限短，在远处故障时动作时限自动加长，可以同时满足速动性和选择性的要求。为将受电侧的故障馈线切除，并且保证保护之间动作的选择性，其动作时限应逐级配合，选取不同的动作时间曲线(K值)，保护之间自然形成级差配合，从而两站之间的馈线保护就不需要通讯配合。

现有的小电阻单相接地故障保护方法均假设配电网线路为辐射状，当配电网中出现两个系统之间转供情况，改变了原有的保护配置方案，系统之间各个保护会出现失配的问题，在发生单相接地故障时，从线路结构上看，送电侧的转供馈线为故障馈线；而从电气量特征上看，转供线路也表现为故障线路特征，原有的馈线反时限保护将可能失配或误动；若保护装置出现失配或误动，都将威胁配电网的供电可靠性与运行安全性。因此，涉及两个配电网之间进行转供的配电网短路故障保护问题亟待解决，而目前这方面的研究成果较少，迫切需要一种用于联络线转供方式运行下小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合配合保护方法，在转供期间能可靠的将故障切除，保证供电可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，仅通过反时限级差配合而不需依赖两个变电站之间通讯，解决保护在转供方式下存在的停电范围扩大的问题。

本发明的技术方案是：一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，转供模态满足突变量I_op启动，当转供线路功率大于5％额定功率P₀时，确认两个系统处于转供状态，利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，基于常规反时限过电流继电器的动作特性方程调整送电侧和受电侧的时间整定系数K。

具体步骤为：

Step1：当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，表明线路上有故障发生，即I＞I_op时，转供模态满足突变量I_op启动。

Step2：读取转供线路断路器处故障扰动前稳态电压电流数据U_pre、I_pre和扰动后的电压电流数据U_after、I_after，利用故障前转供线路功率判断是否处于转供状态，若转供线路功率大于5％额定功率P₀时，即P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀，则判定两个系统处于转供状态。

Step3：利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，断路器的功率方向判别为：

当正方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

规定功率正方向由送电侧流向受电侧，此时转供线路上游为送电侧，而转供线路下游为受电侧。

当反方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

此时转供线路上游为受电侧，而转供线路下游为送电侧。

式中，

为电压、电流之间的相角，符号arg表示相量

的幅角，即分子的相角超前于分母相角的角度，

为从送电侧母线至故障点f1之间的线路阻抗角，其值为

为从受电侧母线至故障点f2之间的线路阻抗角，其值为

Step4：对反时限特性曲线(K值)进行调整。

常规的反时限过电流继电器的动作特性方程为

式中，I_op为继电器的启动电流，I为流入继电器的电流，K为时间整定系数，t为动作时间。

Step4.1：当转供线路功率不满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，此时两个站之间没有处于转供状态，保护的反时限特性曲线不需要进行调整，执行既有的反时限保护方案，即所有馈线均采用统一的反时限特性曲线，对应的时间整定系数为K。

Step4.2：当转供线路功率满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，判为两个站之间处于转供状态，需对两个站之间的反时限特性曲线进行调整，具体为：

利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角识别出送电侧和受电侧，当满足

时，转供线路上游判为送电侧，而转供线路下游判为受电侧。

当满足

时，转供线路上游判为受电侧，而转供线路下游判为送电侧，送电侧所有馈线反时限曲线系数K按式(3)调整为K+1。

转供线路中靠近送电侧的断路器反时限曲线调整为K，靠近受电侧的断路器反时限曲线调整为K-1，受电侧所有馈线反时限曲线调整为K-2。实时的进行保护定值调整，仅通过级差配合而不需依赖两个变电站之间通讯，解决保护在转供方式下存在的停电范围扩大的问题。

本发明的有益效果是：提出了一种通过判断转供线路的断路器功率流动方向，进而调整各个保护动作时限逐级实现配合的保护方法，相当于送电侧和受电侧之间的保护通过自适应提升和降低反时限动作曲线，实时的进行保护定值调整，确保故障范围不会扩大，在最短的时间内将故障切除。此方法仅通过反时限级差配合而不需依赖两个变电站之间通讯，解决保护在转供方式下存在的停电范围扩大的问题。

附图说明

图1是本发明的步骤流程图；

图2是本发明转供模态下配电网络结构图；

图3是本发明方向元件工作原理的分析图，其中，(a)是网络接线图，(b)是f1点短路相量图，(c)是f2点短路相量图；

图4是本发明反时限过电流保护的配合图，其中，(a)是网络接线图，(b)是短路电流分布曲线图，(c)各保护动作的时限特性，(d)是整定值的选择与配合关系图；

图5是本发明送电侧转供受电侧动作曲线调整图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，对于中性点经小电阻接地的10kV配电网，在实际的现场运行维护中会出现电源线路故障退出运行情况，而为保证供电可靠性，就需要采用由其他配电网作为送电侧进行负荷转供的运行方式；当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，转供模态满足突变量I_op启动，当转供线路功率大于5％额定功率P₀时，进而确认两个系统处于转供状态，利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，基于常规反时限过电流继电器的动作特性方程调整送电侧和受电侧的时间整定系数K。

结合中性点经小电阻接地的10kV配电网的实际运行工况，设有两个独立运行的配电系统，送电侧和受电侧的馈线保护均采用统一的反时限特性曲线。如图2所示的配电网络结构，分别由电源1和电源2供电，中性点均采用小电阻接地方式，两个系统处于正常运行状态，运行一段时间后电源2故障退出运行，受电侧馈线失压，同时将两个系统之间转供线路的隔离开关A和B闭合，由电源1为受电侧的馈线供电；当电源1故障退出运行时，隔离开关C和D闭合，由电源2为受电侧供电。利用PSCAD/EMTDC建立如图3所示的10kV配电网模型进行仿真分析，送电侧和受电侧由转供线路连接。

具体步骤为：

Step1：当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，表明线路上有故障发生，即I＞I_op时，转供模态满足突变量I_op启动。

Step2：读取转供线路断路器处故障扰动前稳态电压电流数据U_pre、I_pre和扰动后的电压电流数据U_after、I_after，利用故障前转供线路功率判断是否处于转供状态，若转供线路功率大于5％额定功率P₀时，即P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀，则判定两个系统处于转供状态。

Step3：利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，断路器的功率方向判别为：

当正方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

规定功率正方向由送电侧流向受电侧，此时转供线路上游为送电侧，而转供线路下游为受电侧。

当反方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

此时转供线路上游为受电侧，而转供线路下游为送电侧。

式中，

为电压、电流之间的相角，符号arg表示相量

的幅角，即分子的相角超前于分母相角的角度，

为从送电侧母线至故障点f1之间的线路阻抗角，其值为

为从受电侧母线至故障点f2之间的线路阻抗角，其值为

Step4：对反时限特性曲线(K值)进行调整。

常规的反时限过电流继电器的动作特性方程为

式中，I_op为继电器的启动电流，I为流入继电器的电流，K为时间整定系数，t为动作时间。

Step4.1：当转供线路功率不满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，此时两个站之间没有处于转供状态，保护的反时限特性曲线不需要进行调整，执行既有的反时限保护方案，即所有馈线均采用统一的反时限特性曲线，对应的时间整定系数为K。

Step4.2：当转供线路功率满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，判为两个站之间处于转供状态，需对两个站之间的反时限特性曲线进行调整，具体为：

利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角识别出送电侧和受电侧，当满足

时，转供线路上游判为送电侧，而转供线路下游判为受电侧。

当满足

时，转供线路上游判为受电侧，而转供线路下游判为送电侧，送电侧所有馈线反时限曲线系数K按式(3)调整为K+1。

如图5所示，转供线路中靠近送电侧的断路器反时限曲线调整为K，靠近受电侧的断路器反时限曲线调整为K-1，受电侧所有馈线反时限曲线调整为K-2。实时的进行保护定值调整，仅通过级差配合而不需依赖两个变电站之间通讯，解决保护在转供方式下存在的停电范围扩大的问题。

按照Step3及Step4进行反时限特性上下级间的配合。反时限过电流保护装置的启动电流应按照定时限过电流保护躲过最大负荷电流的原则进行整定。同时为保证各保护之间动作的选择性，其动作时限也应该逐级配合确定。图4(b)为最大运行方式下短路电流的分布曲线，假设在每条线路的始端(k1、k2、k3、k4点，也称配合点)短路时的最大短路电流分别为I_k8.max、I_k9.max、I_k10.max和I_k4.max，则在此电流的作用下，各线路自身的保护装置的动作时间均为最小。为了在线路保护装置之间保证动作的选择性，各保护可按下列步骤进行整定。

首先，从距离电源1最远的保护8开始，其启动电流按照定时限过电流保护整定为I_op.8，其动作时间为t₁，可以确定a1点。当k1点短路时，在I_k8.max的作用下，保护8可整定为继电器的固有动作时间t_b，从而确定b点。这样保护8的时限特性曲线(或k值)即可根据以上两个条件确定，使其通过a1和b两点，如图4(d)中的曲线①。

再来整定保护9，其启动电流按照定时限过电流保护整定为I_op.9，确定a2点的坐标；当k1点短路时(保护8、9的配合点)，为保证动作的选择性，就必须选择当电流为I_k8.max时，保护9的动作时限比保护8高出一个时间阶梯Δt，即t_c＝t_b+Δt，因此保护9的时限特性曲线应通过c点。在继电器的特性曲线族中选取一条适当的曲线，使其通过a2和c两点，如图4(d)中的曲线②，该曲线即为保护9的特性曲线。这样选择之后，当被保护线路始端k2点短路时，在短路电流I_k9.max的作用下，其动作时间为t_d，此时间小于t_c，因此能较快的切除近处的故障。

保护10的整定，可按上述原则进行，即首先按照定时限过电流保护算出其启动电流I_op.10，确定特性曲线的a3点，然后按照在k2点短路时与保护9相配合的原则，选取当电流为I_k9.max时的动作时间为t_e＝t_d+Δt，即确定了特性曲线的e点，即图4(d)中的曲线③，当被保护线路始端k3短路时，其动作时间为t_f仍小于t_e，同样能较快的切除近处的故障。同理可以整定保护4，按式(4)算出其启动电流I_op.4，确定特性曲线的a4点，然后按照在k3点短路时与保护10相配合的原则，选取当电流为I_k10.max时的动作时间为t_g＝t_f+Δt，即确定了特性曲线的g点，得出图4(d)中的曲线④，当被保护线路始端k4短路时，其动作时间为t_h仍小于t_g，同样能较快的切除近处的故障。

通过各个保护之间的整定配合，使得在原理上满足了保护之间选择性的要求，当在保护出口故障时也能较快的切除近处故障，上述配合方案相当于将系统1保护4的动作时限延长，反时限动作曲线提升，而系统2保护8的动作时限缩短，反时限动作曲线下移；保护8的动作时间整定为继电器的固有动作时间t_b，保护9的动作时限为t_c＝t_b+Δt，保护10的动作时间为t_e＝t_d+Δt，保护4的动作时间为t_g＝t_f+Δt，由图4(d)可知，动作时间的大小顺序为t_g＞t_e＞t_c＞t_b，即保护4>保护10>保护9>保护8。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种小电阻接地配网反时限保护自适应级差配合保护方法，其特征在于：当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，转供模态满足突变量I_op启动，当转供线路功率大于5％额定功率P₀时，确认两个系统处于转供状态，利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，基于常规反时限过电流继电器的动作特性方程调整送电侧和受电侧的时间整定系数K；

具体步骤为：

Step1：当受电侧故障电流I大于保护启动电流I_op时，转供模态满足突变量I_op启动；

Step2：读取转供线路断路器处故障扰动前稳态电压电流数据U_pre、I_pre和扰动后的电压电流数据U_after、I_after，利用故障前转供线路功率判断是否处于转供状态，若转供线路功率大于5％额定功率P₀时，即P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀，则判定两个系统处于转供状态；

Step3：利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角判断转供线路断路器功率方向判别，进而判断送电侧和受电侧，断路器的功率方向判别为：

当正方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

当反方向短路时，转供线路电压与电流之间的相角满足：

式中，

为电压、电流之间的相角，符号arg表示相量

的幅角，即分子的相角超前于分母相角的角度，

为从送电侧母线至故障点f1之间的线路阻抗角，其值为

为从受电侧母线至故障点f2之间的线路阻抗角，其值为

Step4：对反时限特性曲线进行调整；

反时限过电流继电器的动作特性方程为

式中，I_op为继电器的启动电流，I为流入继电器的电流，K为时间整定系数，t为动作时间；

Step4.1：当转供线路功率不满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，此时两个站之间没有处于转供状态，保护的反时限特性曲线不需要进行调整，执行既有的反时限保护方案，即所有馈线均采用统一的反时限特性曲线，对应的时间整定系数为K；

Step4.2：当转供线路功率满足P_pre＝U_preI_pre＞5％P₀时，判为两个站之间处于转供状态，需对两个站之间的反时限特性曲线进行调整，具体为：

利用故障后转供线路电压电流U_after、I_after阻抗角识别出送电侧和受电侧，当满足

时，转供线路上游判为送电侧，而转供线路下游判为受电侧；

当满足

时，转供线路上游判为受电侧，而转供线路下游判为送电侧，送电侧所有馈线反时限曲线系数K按式(3)调整为K+1；

转供线路中靠近送电侧的断路器反时限曲线调整为K，靠近受电侧的断路器反时限曲线调整为K-1，受电侧所有馈线反时限曲线调整为K-2。

Images