CN115411708B - 基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护方法，通过测量并记录输电线路两侧各相电流、两侧各相电压，利用软件计算出输电线路两侧的负序电压、负序电流。比较负序电流与负序电压的相位，若线路一侧负序电流方向确定为正方向，一侧确定不为反方向，则负序电流高频保护则动作跳开线路两侧断路器。若线路任一侧负序电流方向为反方向，则不允许该线路两侧断路器跳闸。本发明主要针对110kV单侧电源线路单相断线故障，本发明能快速隔离110kV输电线路断线故障，保证线路区外断线故障准确不误动。

Description

基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护 方法

技术领域

本发明涉及继电保护领域，特别涉及一种基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护方法。

背景技术

当前电网运行中，110kV高压输电线路是覆盖面较广的输电线路之一，而在长时间运行后，线路难免出现如断线在内的各种故障，但由于目前缺乏对110kV线路单相断线详细分析，针对110kV输电线路断线目前尚无可靠的故障切除机制。虽然存在部分方案能够实现110kV线路的故障判断，但均存在一定的局限性。如中国专利CN201911186617.6，“采集线路负荷端母线电压的110kV线路断线保护方法”，是通过检测断线负荷端110kV母线三相电压来判断110kV进线是否发生断线故障的方案，但这一类方案仅用于线路负荷端主变中性点接地方式运行，对于受电端无主变接地点的输电线路并不适用。中国专利CN202210268888.1，“一种适用于输电线路发生断线时的故障判别方法”，也仅适用于输电线路两侧均有主变接地点的运行方式，不适应于110kV单侧电源线路断线故障分析。因为110kV断路器均为三相联动操作机构，在不考虑断路器非全相运行情况，仅考虑线路或导线连接线发生断线故障的情况下，由于110kV单侧电源线路负荷侧主变接地通常为中性点不接地方式，若110kV单侧电源线路发生两相断线，三相相电流为0，负荷侧用户停电，所以110kV单相电源线路发生两相断线故障时极易被发现，但单相断线时则难以被及时发现并切除故障。

发明内容

为了克服目前没有可靠的110kV输电线路断线保护故障切除的技术问题，本发明提供一种能够有效切除110kV单侧电源线路单相断线故障的保护方法，即允许式负序电流高频保护，通过比较被保护线路两侧负序电流方向，判断被保护线路是否发生不对称故障(包括线路单相断线故障、短路接地故障)，从而确保线路在发生以上故障时能够及时有效的进行故障切除。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护方法，包括以下步骤：

步骤1，测量线路本侧各相电流及各相电压，其中线路本侧各相电压为各相电流为/>φ为相别；

步骤2，根据步骤1中测量的各相电压判断是否发生母线电压互感器断线；如果母线电压互感器断线，则中止后续步骤并按电压互感器断线故障处理，否则进入步骤3；

步骤3，根据步骤1中测量的各相电流，计算线路本侧用于触发启动元件的变化量，如果变化量大于预设的启动值时则触发启动元件以进入步骤4；

步骤4，进行负序电流和负序电压的相位比较以实现负序电流方向判断：

若负序电流方向为正方向，则负序电流正方向元件动作以标记负序电流方向为正，并进入步骤5；

若负序电流方向为反方向，则负序电流反方向元件动作以标记负序电流方向为反，则返回步骤2；

若无法判断负序电流方向，则负序电流正方向元件和负序电流反方向元件均不动作，并进入步骤6；

步骤5，向对侧发送断路器的跳闸允许信号f₁并等待预设时间；当在预设时间内收到对侧发送的跳闸允许信号f₂时，则使本侧断路器跳闸，并复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法；当在预设时间内未收到f₂时，则返回步骤2；

步骤6，等待预设时间；当在预设时间内收到f₂时，则使本侧断路器跳闸，并向对侧发送f₁，同时复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法；否则返回步骤2。

所述的方法，所述的步骤3中，判断启动元件的变化量是否大于预设的启动值，是基于110kV线路常规保护相电流突变量，即：

Δi_φ＞I_qd+1.25·ΔI_T

其中Δi_φ为电流瞬时值比前一周波的突变量，Δi_φ＝|i_φ(kT_s)-2i_φ(kT_s-NT_s)+i_φ(kT_s-2NT_s)|，其中T_s是采样周期，i_φ(kT_s)表示t＝kT_s时的电流采样数据，k表示当前采样周期数，t为时间，i_φ(kT_s-NT_s)表示前N个T_s时刻的电流采样数据，NT_s为一个工频电流周期；i_φ(kT_s-2NT_s)表示前2N个T_s时刻的电流采样数据；ΔI_T为浮动门槛；I_qd为变化量启动电流定值，设置为0.2I_N，I_N为电流互感器二次电流。

所述的方法，所述的步骤4中，进行负序电流和负序电压的相位比较以实现方向判断，是通过以下步骤实现的：

首先获取本侧线路负序电流和负序电压/>其中负序电流、负序电压的计算公式如下：

其中a为常量，i为虚数单位；

再判断是否大于2V，如果/>不大于2V，则认为无法判断负序电流方向；否则根据下式判断负序电流方向：

当满足公式时，则认为负序电流方向为正方向；不满足则认为负序电流方向为反方向。

所述的方法，本侧发送跳闸允许信号所使用的频率，与接收对侧的跳闸允许信号所使用的频率不同。

所述的方法，所述的步骤6中，在向对侧发送f₁时，是持续发送预定时间的f₁，以确保对侧断路器跳闸。

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如前述的方法。

一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述的方法。

本发明的技术效果在于，本发明能有效切除110kV单侧电源线路断线故障，主要针对110kV单侧电源线路单相断线故障实现切除，并能够保证线路区外断线故障准确不误动。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为负荷端主变中性点不接地110kV输电线路单相断线故障示意图；其中(a)为线路单相断线故障示意图，(b)线路为A相断线复合序网图。

图2为负荷端主变中性点不接地110kV线路单相断线且同相负荷端接地时故障示意图；其中(a)为线路断线故障示意图；(b)为正序网络示意图；(c)为负序网络示意图；(d)为零序网络示意图。

图3为本发明的线路各处单相断线故障示意图。

具体实施方式

本实施例所提出的允许式负序电流高频保护，主要针对单侧电源线路在发生单相断线时，判断是被保护线路区内断线还是区外断线故障。下面针对110kV单侧电源线路单相断线的特征解释允许式负序电流高频保护动作机制，特别是在负荷端主变中性点不接地情况下发生单相断线故障以及单相断线再接地的复故障。

下面对相关故障特征进行分析。

负荷端主变中性点不接地线路单相断线故障特征分析：

如图1所示，M侧为大电源接地系统，N侧为主变中性点不接地系统，在k处发生A相断线。

已知断口处边界条件：

式中：表示断口处两点间B、C相电压。

将A相断线的边界条件用序分量表示，得到断口处故障相各序电压为

式中：表示断口处两点间A相电压差；/>分别表示断口处两点间A相正序、负序、零序电压差。

线路断口处两端的阻抗如式(3)所示：

式中：Z_mxt1表示断口处电源端系统正序阻抗；Z_mxl1表示断口处M侧线路正序阻抗；Z_nxl1表示断口处N侧线路正序阻抗；Z_fhn1表示综合负荷阻抗。

假设正序阻抗等于负序阻抗。由图1(b)线路A相断线复序网图可知，线路两端对应正序电流、负序电流大小相等，可以判断该线路断线情况下不会引起线路光差保护动作。

正序、负序电流及断线两端电压差为

式中：表示A相正序电流；/>表示A相负序电流。

由式(4)可得其他正常运行两相电流，

由式(5)可知，非断线相电流大小相等，方向相反。

结合式(2)、(4)可知断口处两点间A相电压差为

由于M侧为大电流接地系统侧，断线时线路电源侧A相电势维持负荷端A相电势为

根据式(7)可知，在110kV大电源供电系统中，当负荷端无中性点接地时，110kV线路A相断线后，负荷端电压A相电压大小变成正常时的电压一半，方向相反。

断口处负荷端A相各序电压分量如下：

式中：a表示算式因子e^j120。

断口处电源端A相各序电压分量如下：

假设系统中各元件正序阻抗的阻抗角为80°，假设负序电流正方向由母线指向线路，根据式(6)可知线路断口处负荷端负序电流、负序电压相位有如下关系：

根据式(7)可知线路断口处电源端负序电流、负序电压相位有如下关系：

由此可知，在110kV系统中，当线路负荷端主变中性点不接地时，线路发生单相断线故障时，负荷端存在一定负序电流、负序电压，且负荷端负序电压超前负序电流-100°；线路电源端存在较小负序电压。

负荷端主变中性点不接地线路单相断线再接地故障特征分析：

参见图2，M侧为110kV大电流接地系统，有若干个主变中性点接地点，N侧为负荷端，主变中性点不接地运行。

以图2(a)中A相断线为例，断口边界条件：

式中：表示断口处电源端A相电流；/>分别表示断口处m侧的断线A相正序、负序、零序电流；/>分别表示断口处两点间的A相正序、负序、零序电压差。

接地短路边界：

式中：表示断口处负荷端接地故障点相电压；/>表示端口处负荷端非故障相对横向故障电流；/>分别表示端口处负荷端接地故障相正序、负序、零序电压；/>分别表示端口处负荷端接地故障相正序、负序、零序电流。

由式(12)-(13)易知单相断线端口处两点间各序网络电压差相等，单相接地故障点故障相的各序电流相等。

本文利用四端网络方程来求解断线再接地这一类复故障，因断线接地故障相为同一相，可用理想移相变压器1:1，来满足边界条件，根据图2中(b)、(c)、(d)图中序网图的关系，建立正序网络、负序网络、零序网络方程，分别如下式(14)所示，

式中：Z_m1表示断口处m侧的正序阻抗；Z_n1表示断口处n侧的正序阻抗；Z_m0表示断口处m侧的零序阻抗；表示mn处正常运行时的A相负荷电流；/>表示f点正常运行时A相电压。

将上式(14)正序、负序、零序方程相加，得式(15)，

求解式(15)，得

已知代入式(14)进行计算，可以分别得出M侧的断线相A相的正序、负序、零序电流，以及N侧接地故障点A相的正序、负序、零序电压。

由式(16)可知，可知当负荷端主变中性点不接地时，发生110kV输电线路单相断线且断线相负荷端同时接地故障，负荷端母线PT开口三角形绕组两端电压有一定电压，若该电压值达到主变间隙电压保护定值，则间隙保护动作跳主变各侧。

断口处电源端A相各序电压如式(17)，

断口处负荷端A相各序电流:

根据式(16)、(18)，可知线路断口处负荷端负序电流、负序电压相位有如下关系：

根据式(16)-(17)，线路断口处电源端负序电流、负序电流相位有如下关系：

由此可知，在110kV系统中，当线路负荷端主变中性点不接地时，线路发生单相断线且负荷侧接地故障时，线路电源端、负荷端存在一定负序电流、负序电压，且两端负序电压超前负序电流-100°。

通过序网图分析断线线路两侧的负序电流变化，负序电流属于故障分量，是不对称故障的显著特征。当系统出现断线或短路故障时，便产生负序电流。而零序电流的产生依赖系统运行方式，若断线线路某一侧主变中性点不接地，则零序电流由于回路不通无法产生。对比零序电流，负序电流的产生不依赖线路两侧的主变接地点，故本实施例中采用负序电流继电器作为线路断线的判断依据。

为详细描述被保护线路线路区内区外断线故障对本线路两侧负序电流方向判断的影响，以图3与表1为例进行说明。当线路发生区外断线故障时有如下两种情况，第一种情况，下级负荷线路断线时，本线路两侧负序方向继电器由于电源侧电压影响几乎为零，导致负序电压较小，无法进行断线故障判断。第二种情况，上级电源线路断线时，两侧负序电流方向分别为一正一反。

表1不同位置单相断线时本线路(MN)两侧负序电流方向判断

根据表1分析，在本线路断线故障时，线路N侧正方向元件动作，线路M侧方向元件没有明确方向性，需要从对侧获得允许信号。线路两侧方向元件不明确的情况下不发允许信号到对侧，即不允许保护动作跳闸。若本侧反方向元件动作，即使收到对侧允许信号无法跳闸，同时禁止对侧跳闸。综合考虑110kV单侧电源线路单相断线时线路两侧的负序电流与负序电压特征，提出“允许式负序电流高频保护”这一保护概念，该保护可有效切除110kV单侧电源线路单相断线故障。

本实施例中，负序电流方向保护中由负序电流正方向元件动作而负序电流反方向元件不动作的一端向对端发允许信号，收到对侧的允许信号，再判断本端负序电流反不动作且负序电流达到整定值，两个构成”与”门逻辑发跳闸命令。

具体来说，本实施例所提供的方案包括以下步骤：

步骤1，测量线路本侧各相电流及各相电压，其中线路本侧各相电压为各相电流为/>φ为相别，即A相、B相或C相。

步骤2，根据步骤1中测量的各相电压判断是否发生母线电压互感器断线。如果母线电压互感器断线，则中止后续步骤并按电压互感器断线故障处理，否则进入步骤3。其中判断母线电压互感器断线可采用常规的公知方法实现，本实施例中不再赘述。

步骤3，根据步骤1中测量的各相电流，计算线路本侧用于触发启动元件的变化量，如果变化量大于预设的启动值时则触发启动元件以进入步骤4。本实施例中是基于110kV线路常规保护相电流突变量作为变化量，即：

Δi_φ＞I_qd+1.25·ΔI_T

其中Δi_φ为电流瞬时值比前一周波的突变量，Δi_φ＝|i_φ(kT_s)-2i_φ(kT_s-NT_s)+i_φ(kT_s-2NT_s)|，其中T_s是采样周期，i_φ(kT_s)表示t＝kT_s时的电流采样数据，k表示当前采样周期数，t为时间，i_φ(kT_s-NT_s)表示前N个T_s时刻的电流采样数据，NT_s为一个工频电流周期；i_φ(kT_s-2NT_s)表示前2N个T_s时刻的电流采样数据；ΔI_T为浮动门槛；I_qd为变化量启动电流定值，设置为0.2I_N，I_N为电流互感器二次电流。

步骤4，进行负序电流和负序电压的相位比较以实现负序电流方向判断：

若负序电流方向为正方向，则负序电流正方向元件动作以标记负序电流方向为正，并进入步骤5。

若负序电流方向为反方向，则负序电流反方向元件动作以标记负序电流方向为反，则返回步骤2。

若无法判断负序电流方向，则负序电流正方向元件和负序电流反方向元件均不动作，并进入步骤6。

具体来说，首先获取本侧线路负序电流和负序电压/>其中负序电流、负序电压的计算公式如下：

其中a为常量，i为虚数单位；

再判断是否大于2V，如果/>不大于2V，则认为无法判断负序电流方向；否则根据下式判断负序电流方向：

正方向判据：

当满足公式时，则认为负序电流方向为正方向；不满足则认为负序电流方向为反方向。

步骤5，向对侧发送断路器的跳闸允许信号f₁并等待预设时间。当在预设时间内收到对侧发送的跳闸允许信号f₂时，则使本侧断路器跳闸，并复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法。当在预设时间内未收到f₂时，则返回步骤2。其中本侧发送跳闸允许信号所使用的频率，与接收对侧的跳闸允许信号所使用的频率不同。即发信机的发信频率和收信频率是不同的两个频率，每一端只能收到对端的信号不能收到本端信号，以免发生干扰。这里预设时间可根据具体情况设置，比方说设置为5-10秒。

步骤6，等待预设时间，同样这里可以根据具体情况设置预设时间，比如与步骤5中相同的5-10秒。当在预设时间内收到f₂时，则使本侧断路器跳闸，并向对侧发送f₁，同时复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法。否则返回步骤2。本步骤中，在向对侧发送f₁时，是持续发送预定时间的f₁，以确保对侧断路器跳闸。这是为了防止动作元件复位后导致信号发送中断，预定时间可根据需要设置，比如可设置为150毫秒-300毫秒。

根据本发明的实施例，本发明还提供了一种电子设备和一种计算机可读介质。

其中电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

具体使用中，用户能够通过作为终端设备的电子设备并基于网络来与同样作为电子设备的服务器进行交互，实现接收或发送消息等功能。终端设备一般是设有显示装置、基于人机界面来使用的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等。其中终端设备上根据需要可安装各种具体的应用软件，包括但不限于网页浏览器软件、即时通信软件、社交平台软件、购物软件等。

服务器是用于提供各种服务的网络服务端，如对收到的相应电网运行数据进行分析计算，以实现电网故障判断并给出相应的操作，再将最终的操作指令返回至终端设备。

本实施例所提供的方法一般由服务器执行，在实际运用中，在满足必要条件下，终端设备亦可直接执行本实施例所提供的方法。

类似的，本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的方法。

Claims (7)

1.一种基于110kV单侧电源线路断线的允许式负序电流高频保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，测量线路本侧各相电流及各相电压，其中线路本侧各相电压为各相电流为φ为相别；

步骤2，根据步骤1中测量的各相电压判断是否发生母线电压互感器断线；如果母线电压互感器断线，则中止后续步骤并按电压互感器断线故障处理，否则进入步骤3；

步骤3，根据步骤1中测量的各相电流，计算线路本侧用于触发启动元件的变化量，如果变化量大于预设的启动值时则触发启动元件以进入步骤4；

步骤4，进行负序电流和负序电压的相位比较以实现负序电流方向判断：

若负序电流方向为正方向，则负序电流正方向元件动作以标记负序电流方向为正，并进入步骤5；

若负序电流方向为反方向，则负序电流反方向元件动作以标记负序电流方向为反，则返回步骤2；

若无法判断负序电流方向，则负序电流正方向元件和负序电流反方向元件均不动作，并进入步骤6；

步骤5，向对侧发送断路器的跳闸允许信号f₁并等待预设时间；当在预设时间内收到对侧发送的跳闸允许信号f₂时，则使本侧断路器跳闸，并复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法；当在预设时间内未收到f₂时，则返回步骤2；

步骤6，等待预设时间；当在预设时间内收到f₂时，则使本侧断路器跳闸，并向对侧发送f₁，同时复位包括负序电流正方向元件、负序电流反方向元件和启动元件在内的动作元件后，结束本方法；否则返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，判断启动元件的变化量是否大于预设的启动值，是基于110kV线路常规保护相电流突变量，即：

Δi_φ＞I_qd+1.25·ΔI_T

其中Δi_φ为电流瞬时值比前一周波的突变量，Δi_φ＝|i_φ(kT_s)-2i_φ(kT_s-NT_s)+i_φ(kT_s-2NT_s)|，其中T_s是采样周期，i_φ(kT_s)表示t＝kT_s时的电流采样数据，k表示当前采样周期数，t为时间，i_φ(kT_s-NT_s)表示前N个T_s时刻的电流采样数据，NT_s为一个工频电流周期；i_φ(kT_s-2NT_s)表示前2N个T_s时刻的电流采样数据；ΔI_T为浮动门槛；I_qd为变化量启动电流定值，设置为0.2I_N，I_N为电流互感器二次电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中，进行负序电流和负序电压的相位比较以实现方向判断，是通过以下步骤实现的：

首先获取本侧线路负序电流和负序电压/>其中负序电流、负序电压的计算公式如下：

其中a为常量，i为虚数单位；

再判断是否大于2V，如果/>不大于2V，则认为无法判断负序电流方向；否则根据下式判断负序电流方向：

正方向判据：

当满足公式时，则认为负序电流方向为正方向；不满足则认为负序电流方向为反方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本侧发送跳闸允许信号所使用的频率，与接收对侧的跳闸允许信号所使用的频率不同。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中，在向对侧发送f₁时，是持续发送预定时间的f₁，以确保对侧断路器跳闸。

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5中任一所述的方法。

7.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的方法。