CN1440102A - 基于模型识别的高压线路选相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型识别的高压线路选相方法，用于振荡闭锁期间的选相元件。其特点是采用了模型识别方法：对发生接地故障，存在单相接地和两相短路接地两种模型，分别计算该两种故障模型下的距离及故障点三序电压，通过判别三序电压是否满足相应故障下的边界条件，以此确定实际故障相别。本发明的高压线路选相方法解决了以往选相元件在电力系统振荡情况下的误选相问题，具有耐高阻的能力，并且完全不受分支系数和系统运行方式的影响。

Description

基于模型识别的高压线路选相方法

一、所属技术领域

本发明涉及电力系统高压输电线路保护，特别涉及一种基于模型识别的高压线路选相方法。

二、背景技术

目前国内数字式高压线路保护中主要采用突变量选相和稳态量选相相结合，在保护启动后第一次选相是采用相电流差突变量选相，由于其不受负荷电流的影响，有很高的选相精度；振荡闭锁期间的选相元件，由于突变量提取困难而采用稳态量选相，一般情况采用序电流的分区结合阻抗比较方法构成。

序分量选相中接地故障采用零、负序分量的相对相位关系结合阻抗选相，不接地故障采用阻抗选相。序分量选相是根据不同故障情况下负序及零序电流相对相位来确认的，相区的划分如图A。

由

相对相位和故障类型之间的关系见上表，表中，(2)、(4)、(6)为单一故障相别的相区，直接确认为相应的相间故障，在(1)、(3)、(5)相区包含单相和相间两种故障类型，由于两种故障类型的相别总是不相关的，采用相间阻抗排除法，即如果保护装置测量到的相间阻抗值在整定的相间阻抗范围内，则确认为是相间故障，否则，确认为相应的单相接地故障。采用相间阻抗排除法的原因是认为相间阻抗元件对于两相故障总能准确动作。

目前，利用序电流的分区以及测量阻抗比较的方法，作为振荡闭锁期间的选相元件(参考文献：徐振宇，杨奇逊，刘万顺等。一种序分量高压线路保护选相元件。中国电机工程学报，1997，17(3)：214～216)。振荡闭锁期间，测量阻抗(特别是非故障相)受系统振荡的影响非常大，测量阻抗比较这一辅助元件会将单相接地误选为两相短路接地故障，也会将两相短路接地误判为单相接地，其耐过渡电阻的能力也很差，这是当前高压输电线路保护中的一大隐患。

三、发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于模型识别的高压线路选相方法。

实现本发明的目的模型识别的高压线路选相方法的技术方案是这样的：对发生单相接地和两相短路接地两种模型，分别计算该两种故障模型下的距离及故障点三序电压，通过判别三序电压是否满足相应故障下的边界条件，以此确定实际故障相别。包括以下步骤：

1)设置已知量

(1)实时测量保护安装处的三序电压_M1、_M2、_M0和电流 电流以母线流向线路方向为正；

(2)实时测量到的单相阻抗的电抗部分X_A、X_B、X_C，保护实时测量到的相间阻抗的电抗部分X_BC、X_CA、X_AB；

(3)设线路单位长度的正序和零序阻抗分别为z₁和z₀，线路单位长度的正序和零序电抗分别为x₁和x₀；

(4) 和

分别为故障点对地的正、负和零序电流；

2)模型识别中用到的故障点三序电压量

(1)两相短路接地模型

假定输电线路发生相间接地故障。则假定的相间接地故障点处三序电压分别为： ${\stackrel{\·}{U}}_1^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_0/x_1$

其中：X_ij表示i、j两相相间测量电抗值；

(2)单相接地模型

假定输电线路发生单相接地故障。则假定的单相接地故障点处三序电压分别为： ${{\stackrel{\·}{U}}_1=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_i\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_2=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_i\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_0=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_i\·z_0/x_1$ 其中：X_i表示i相的测量电抗值；

(3)两相相间短路的情况

令X_n＝min{X_BC、X_CA、X_AB}，X_d＝mid{X_BC、X_CA、X_AB}，X_x＝max{X_BC、X_CA、X_AB} ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\min }=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_n\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\min }=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_n\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{0\min }=\stackrel{\·}{U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_n\·z_0/x_1$ ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\mathrm{mid}}=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_d\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\mathrm{mid}}=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_d\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{0\mathrm{mid}}=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_d\·z_0/x_1$ ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\max }=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_x\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\max }=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_x\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{0\max }=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_x\·z_0/x_1$

dN：min{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

dD：mid{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

dX：max{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

3)分析判定

(1)单相接地：

单相接地有 ${\stackrel{\·}{U}}_1+{\stackrel{\·}{U}}_2+{\stackrel{\·}{U}}_0=3{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·R_f,$ ，又 ${\stackrel{\·}{U}}_2=-{\stackrel{\·}{I}}_{f2}\·Z_{\mathrm{\Σ}2},{\stackrel{\·}{U}}_0=-{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·Z_{\mathrm{\Σ}0},{\stackrel{\·}{I}}_{f1}={\stackrel{\·}{I}}_{f2}={\stackrel{\·}{I}}_{f0},$ ，得到 ${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_{f0}(Z_{\mathrm{\Σ}2}+Z_{\mathrm{\Σ}0}+3\·R_f),$ ，从而有这样的结论：|₁+₂+₀)/₁|＜1和90°＜arg(₁/₂)＜270°；

(2)两相短路接地：

不论有没有经过过渡电阻，此时在故障点有′₁＝′₂；给予一定的裕度，从而得到这样的结论：|U′₁-U′₂)/U′₂|＜U′₂和|arg(′₁/′₂)|＜90°；

(3)两相相间短路：

故障点正负序电压幅值和相位都相等，与(2)有同样结论。

本发明的模型识别的高压线路选相方法，解决了以往选相元件在电力系统振荡情况下的误选相问题，具有耐高阻的能力，并且完全不受分支系数和系统运行方式的影响。

四、附图说明

图A为负序及零序电流相对相位相区的划分图；

图1为单相接地和两相短路接地序网图；

图2为该选相方法的流程图，其中图2a)是流程图的主程序，图2b)是流程图的一个子程序(分支1)；图2b)是流程图的另一个子程序(分支2)；

图3为由 确定的相区划分图；

图4为接地故障时故障点处的三序电压。其中(a)、(b)为单相接地，(c)、(d)为两相短路接地；(a)、(c)表示相对于保护安装侧电源电势而言，故障点电压没有改变方向，(b)、(d)表示故障点电压发生变向。

五、具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

依本发明的技术方案，结合图1，可以看到：

(1)单相接地：单相接地有 ${\stackrel{\·}{U}}_1+{\stackrel{\·}{U}}_2+{\stackrel{\·}{U}}_0=3{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·R_f,$ ，又 ${\stackrel{\·}{U}}_2=-{\stackrel{\·}{I}}_{f2}\·Z_{\mathrm{\Σ}2},{\stackrel{\·}{U}}_0=-{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·Z_{\mathrm{\Σ}0},$ ， ${\stackrel{\·}{I}}_{f1}={\stackrel{\·}{I}}_{f2}={\stackrel{\·}{I}}_{f0},$ ，得到 ${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_{f0}(Z_{\mathrm{\Σ}2}+Z_{\mathrm{\Σ}0}+3\·R_f),$ ，从而有这样的结论：|₁+₂+₀)/₁|＜1和90°＜arg(₁/₂)＜270°。

(2)两相短路接地：不论有没有经过过渡电阻，此时在故障点有′₁＝′₂；给予一定的裕度，从而得到这样的结论：|(U′₁-U′₂)/U′₂|＜0.2和arg(′₁/′₂)|＜90°。

(3)两相相间短路：故障点正负序电压幅值和相位都相等，与(2)有类似结论。参见附图2，该流程图中ε₁＝0.5，ε₂＝50°，s＝-05+j0.866，s²＝-0.5-j0.866， $\mathrm{\α}=\arg ({\stackrel{\·}{I}}_0/{\stackrel{\·}{I}}_2);$ ；m₁＝0.1～0.15，m₂＝0.15～0.2；流程图中，电压、电流序分量都是以A相为基准得到的。

(1)I₀/I₁＜m₁说明线路中的零序电流很小，没有发生接地故障。理论上没发生接地故障时零序电流应该为零，为了躲过系统正常运行时线路中的零序不平衡电流，给一定的裕度范围。同样I₂/I₁＜m₂，说明线路中负序电流很小，输电线路没有发生不对称故障。

(2)如果故障启动元件启动后，同时满足上面两个条件，并且系统没有发生振荡，则说明系统发生三相短路；如果系统发生振荡，则线路可能发生了三相短路，或者，线路上发生其它类型故障且故障点接近振荡中心，同时线路两侧等效电源的相角差接近180度。

(3)在I₂、I₀都大于门槛值的情况下，说明系统发生了不对称接地故障。可以根据

和 的相对相位分成A、B、C三个区(见图3)：A区包括AG和BCG两种故障，B区包括BG和CAG两种故障，C区包括CG和ABG两种故障。

(4)下面说明中，以AG、BCG为例来说明利用模型识别法区别单相接地和两相接地短路的具体过程。Arg(z)表示向量z在X-Y坐标平面上的相角。

(5)图4(a)～图4(d)中，(a)、(b)为单相接地故障，(c)、(d)为两相相间短路故障；(a)、(c)表示相对于保护安装侧电源电势而言，故障点正序电压没有改变方向，(b)、(d)表示故障点正序电压发生倒向。

(6)流程图中，先有保护安装处的正负序电压相对相位关系确定出两组：第一组：(a)、(d)，第二组：(b)、(c)；前者在保护安装处正负序电压方向相反，后者同向。当然，图4(b)也有可能出现保护安装处的正负序电压反向的情况，只要把图中母线M向右移动，但是在这种情况下，具有两相短路接地故障点电压边界条件特征的位置位于保护反方向，方向元件判断为反方向发生故障，从而可以排除该种现象的发生。图4(d)也有类似的情况。利用保护安装处的正负序电压相对相位关系，主要用来细化流程，使得保护延时动作的范围缩小，提高选相元件的选相实时性。

(7)下面以第一组来说明选相方案(第二组方案类似)，如果X_BC＜X₄，用两相接地模型，图4(a)中，在保护安装处与单相接地点之间的整个线路上，正负序电压′₁、′₂之间反向，同时′₁和′₂之间的幅值相差得比较大；而图4(d)中，′₁、′₂完全是两相接地故障点处的正负序电压量，不管有没有过渡电阻，′₁和′₂之间相位和幅值基本相同。从而可以判断出单相接地和两相短路接地。如果X_A＜X_BC，先用单相接地模型，用X_A代入得到假定的单相接地故障点电压，如果不满足单相接地故障点边界条件|₁+₂+₀)/₁|＜1和90°＜arg(₁/₂)＜270°，说明线路发生BCG；如果满足单相接地模型，再用两相短路接地模型，用X_BC代入，代入后若不满足两相短路接地模型，由于前面用X_A代入后满足单相接地模型，故必为AG，如果也满足两相接地模型，那么延时选相。由于同时满足单相和两相短路接地的概率比较小，并且系统发生振荡时，非故障相(或相间)的电抗值是在不断变化，也就是经过延时后总有一个会不满足自己模型对应的边界条件。

(8)在一般情况下，发生相间短路(以BC为例)时，大部分情况下X_BC＜X_CA，X_BC＜X_AB，所以流程中第一个用X_n＝min{X_BC、X_CA、X_AB}来确认是哪两相发生相间短路；当线路发生振荡，两侧相角差接近180度，且振荡中心和两相故障点相比较，振荡中心更加靠近保护装置时，有X_BC＞X_CA且X_BC＞X_AB，故在流程图中，接下来用X_x＝max{X_BC、X_CA、X_AB}来确认。

(9)流程框图中对于在B区、C区的流程中，只要用正、负序电压向量分别乘以相应的角度转换因子s或者s²即可。

新元件的选相性能已经通过了电力系统数字仿真实验，选相结果准确可靠，申请人将很快用于数字式微机线路保护装置中。

采用本发明的高压线路选相方法，使新选相元件避免使用受系统振荡影响很大的测量阻抗比较这一选相辅助元件，解决了以往选相元件在电力系统振荡情况下的误选相问题，同时，该选相元件具有耐高阻的能力，并且完全不受分支系数和系统运行方式的影响。

Claims (1)

1.一种基于模型识别的高压线路选相方法，其特征在于，对发生单相接地和两相短路接地两种模型，分别计算该两种故障模型下的距离及故障点三序电压，通过判别三序电压是否满足相应故障下的边界条件，确定实际故障相别；包括以下步骤：

1)设置已知量

(1)实时测量保护安装处的三序电压_M1、_M2、_M0和电流

电流以母线流向线路方向为正；

(2)实时测量到的单相阻抗的电抗部分X_A、X_B、X_C，保护实时测量到的相间阻抗的电抗部分X_BC、X_CA、X_AB；

(3)设线路单位长度的正序和零序阻抗分别为z₁和z₀，线路单位长度的正序和零序电抗分别为x₁和x₀；

(4) 和

分别为故障点对地的正、负和零序电流；

2)模型识别中用到的故障点三序电压量

(1)两相短路接地模型

假定输电线路发生相间接地故障，则假定的相间接地故障点处三序电压分别为： ${\stackrel{\·}{U}}_1^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_{\mathrm{ij}}\·z_0/x_1$

其中：X_ij表示i、j两相相间测量电抗值；

(2)单相接地模型

假定输电线路发生单相接地故障，则假定的单相接地故障点处三序电压分别为： ${\stackrel{\·}{U}}_1^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_i\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_i\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{U}}_0^{\′}={\stackrel{\·}{U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_i\·z_0/x_1$ 其中：X_i表示i相的测量电抗值；

(3)两相相间短路的情况

令X_ij＝min{X_BC、X_CA、X_AB}，X_d＝mid{X_BC、X_CA、X_AB}，X_x＝max{X_BC、X_CA、X_AB} ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\min }=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_n\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\min }=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_n\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{0\min }=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_n\·z_0/x_1$ ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\mathrm{mid}}=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_d\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\mathrm{mid}}=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_d\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{0\mathrm{mid}}=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_d\·z_0/x_1$ ${{\stackrel{\·}{U}}_{1\max }=\stackrel{\·}{U}}_{M1}-{\stackrel{\·}{I}}_{M1}\·X_x\·z_1/x_1,{{\stackrel{\·}{U}}_{2\max }=\stackrel{\·}{U}}_{M2}-{\stackrel{\·}{I}}_{M2}\·X_x\·z_1/x_1,{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{0\max }=U}}_{M0}-{\stackrel{\·}{I}}_{M0}\·X_x\·z_0/x_1$

dN：min{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

dD：mid{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

dX：max{X_BC、X_CA、X_AB}对应的两故障相；

3)分析判定

(1)单相接地：

单相接地有 ${\stackrel{\·}{U}}_1+{\stackrel{\·}{U}}_2+{\stackrel{\·}{U}}_0=3{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·R_f,$ ，又 ${\stackrel{\·}{U}}_2=-{\stackrel{\·}{I}}_{f2}\·Z_{\mathrm{\Σ}2},{\stackrel{\·}{U}}_0=-{\stackrel{\·}{I}}_{f0}\·Z_{\mathrm{\Σ}0},{\stackrel{\·}{I}}_{f1}={\stackrel{\·}{I}}_{f2}={\stackrel{\·}{I}}_{f0},$ ，得到 ${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_{f0}(Z_{\mathrm{\Σ}2}+Z_{\mathrm{\Σ}0}+3\·R_f),$ ，从而有这样的结论：|₁+₂+₀)/₁|＜1和90°＜arg(U₁/U₂)＜270°；

(2)两相短路接地：

不论有没有经过过渡电阻，此时在故障点有′₁＝′₂；给予一定的裕度，从而得到这样的结论：|(U′₁-U′₂)/U′₂|＜0.2和|arg(′₁/′₂)|＜90°；

(3)两相相间短路：

故障点正负序电压幅值和相位都相等，与(2)有类似结论。

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