CN1472857A - 输电线路纵联保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域,尤其涉及超高压和特高压长线路上进行电流差动保护和相位差动保护的场合。为解决目前在超高压和特高压长线路上,传统的电流差动保护和相位差动保护受分布电容电流影响很大的问题,从而提高继电保护的灵敏度,及其运行的安全性、可靠性,本发明采用的技术方案是,按照一种输电线路模型公式,计算得到线路一侧当前时刻电流量的计算值,然后用一种滤波算法,对电流实测值和计算值进行滤波,得到各自的基波矢量,然后分别仿照传统的分相电流差动保护和相位差动保护对线路一侧的实测值和计算值进行比较,即比较同侧量。本发明主要用于电力系统中电网输电线路的保护。

Description

输电线路纵联保护方法
                                      技术领域
本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域,尤其涉及超高压或特高压长线路上进行电流差动保护和相位差动保护的场合。
                                     背景技术
迄今为止,输电线纵联保护的原理主要有比较线路两端功率方向的方向纵联保护,比较线路两端电流相位的相位差动纵联保护和比较两端全电流的电流差动纵联保护。1994年中国电力出版社(China Electric Power Press)出版,贺家李,宋从矩,(He Jiali,Song Congju)编写的《电力系统继电保护原理》(Principles of Protective relaying in Electric PowerSystems),阐述了该种保护的原理,这些原理各有其优点和缺点。其中电流差动原理,尤其是分相电流差动原理和相位差动原理具有明显的优越性。但是在超高压、特高压长线路上,分布电容电流较大,尤其在故障的暂态过程中电容电流更大,并且随着故障电压中谐波的频率增大而增大,难以进行有效的补偿。这极大地影响了电流差动保护和相位差动保护在外部故障时的安全性和内部故障时的可靠性,参见贺家李,李永丽,郭征,李斌,董新洲(HeJiali,Li,Yongli,Guo Zheng,Li Bin,Dong Xinzhou).著:特高压输电线继电保护配置方案:(一)特高压输电线的结构与运行特点,(Relay protection for UHV transmission lines:Part One Construction and Operation Characteristics).电力系统自动化(Automation ofElectric Power System),2002,26(23):1-6.;以及贺家李,李永丽,李斌,郭征,董新洲(He Jiali,Li Yongli,Li Bin,Guo Zheng,Dong Xinzhou).著:特高压输电线继电保护配置方案:(二)保护配置方案(Relay protection for UHV transmission lines:Part TwoConfiguration of relay protection system).电力系统自动化(Automation of ElectricPower System)2002,26(24):1-6。
                                 发明内容
为克服现有技术的不足,解决目前在超高压和特高压长线路上,传统的电流差动保护和相位差动保护受分布电容电流影响很大的问题,从而提高继电保护的灵敏度,及其运行的安全性、可靠性,本发明采用的输电线路纵联保护方法包括下列步骤:
在输电线两侧配置电流差动纵联保护或相位差动纵联保护,在一侧通过采样得到保护安装处各时刻电压、电流采样值,在另一侧也通过采样得到保护安装处各时刻电压、电流采样值,以所述一侧当前时刻的电压量和以前时刻的电压、电流量和另一侧的对应相同时刻电压、电流量,按照一种输电线路模型公式,计算得到所述一侧当前时刻电流量的计算值,然后用滤波算法对所述一侧的电流实测值和计算值进行滤波,得到各自的基波矢量,然后分别仿照传统的分相电流差动保护或相位差动保护对实测值和计算值进行比较,形成一侧保护的动作量;
以所述一侧以前时刻的电压、电流量和另一侧对应相同时刻电压、电流量以及当前时刻的电压量,按照一种输电线路模型公式,计算得到所述另一侧当前时刻电流量的计算值,然后用滤波算法对所述另一侧的电流实测值和计算值进行滤波,得到各自的基波矢量,然后可以仿照传统的分相电流差动保护或者相位差动保护对实测值和计算值进行比较,形成另一侧保护的动作量;
如果仿造分相电流差动保护,则在线路两侧分别求出电流实测值和计算值之差后,在两侧分别按给定的定值,判断是否有内部故障,定值可按大于外部故障时可能产生的最大不平衡动作量给定,如果一侧动作量大于定值,则跳开该侧相应断路器,并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端;
如果仿造相位差动保护,则设相位差动保护比较I1 &+k·I2 &电流,称为比相电流或操作电流,k为系数,在输电线路两侧由实测电流得到比相电流,用一种输电线路模型公式再计算出两侧比相电流的计算值,在两侧分别将比相电流实测值相位与其计算值相位进行比较,按给定的定值进行判断,在任一侧如果大于定值,则判为发生区内故障,立即跳开本端断路器,并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端。
其中,所述的输电线路模型公式为贝瑞隆模型或考虑参数频率特性的模型中的一种;所述的滤波算法是如下算法中的一种:半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、最小二乘算法、改进的傅氏算法、卡尔曼滤波算法;所述的传输线路为三相线路,所述的电流、电压为每一相上的电流和电压;所述的系数k为6至8。
由以上分析可以看出本发明提出的基于输电线路仿真模型(如:贝瑞隆模型、考虑参数频率特性的模型)的纵联保护判据与传统的判据相比,差别就在于前者是比较同侧量,后者是比较异侧量。因为线路有分布电容电流,使用异侧量相比较就会受其影响,而使用同侧量相比较就避免了电容电流的影响,从而提高继电保护的灵敏度,及其运行的安全性、可靠性。
                                 附图说明
图1是输电线路每一模量上的贝瑞隆等值计算电路
图2是输电线路一侧保护判据的计算过程
图3是仿真时使用的系统图
                               具体实施方式
下面以输电线的一种模型——贝瑞隆模型为例,结合附图和实施方法进一步说明本发明。
由Bergeron提出的贝瑞隆模型是一种精确的输电线路模型,它反映了输电线路内部无故障时(包括稳态运行和区外故障)两端电压电流之间的关系,参见H.W.Dommel.著“DigitalComputer Solution of Electro-Magnetic Transients in Single and MultiphaseNetworks.”,文献IEEE,期刊号PAS-88,1969,April:388-399。而线路内部故障时,相当于在故障点增加了一个节点,这种关系被破坏。本发明提出利用这一差别区分线路内部和外部故障,构成两种新的差动保护方法。这两种新的保护方法自动地考虑了电容电流的影响,解决了需要电容电流补偿的难题。
输电线贝瑞隆模型简介,参见吴维韩,张芳榴(Wu Weihan,Zhang Fangliu)著:电力系统过电压数值计算(Numerical Calculation Of Over Voltages In Power Systems).科学出版社(Press Of Science)1989.2。
输电线路的各相之间都是有耦合的,这表现在线路电阻、电容、电感参数(在超高压和特高压线路上可忽略电导)矩阵中有非零的非对角元素。无论是完全换位的平衡线路还是不平衡线路,都可以通过一定的转换矩阵使其参数矩阵完全对角化或近似对角化即转化为模分量,从而形成相互之间没有耦合的模分量。其中线路的每一模分量都满足贝瑞隆模型,如图1。图中所示为每一模分量的一相线路。本发明举例采用Karenbauer变换矩阵求模分量,对于3相均匀换位线路来说,变换矩阵形式如下: S = 1 1 1 1 - 2 1 1 1 - 2 S - 1 = 1 3 1 1 1 1 - 1 0 1 0 - 1 对于非均匀换位线路不能使用固定的模变换矩阵,可以根据线路参数在实域或复数域中求解模变换矩阵。对于每一模分量有: Z 0 = L 0 / C 0 ; Z = Z 0 + R / 4 ; h = ( Z 0 - R 4 ) / ( Z 0 + R 4 ) ; τ = l / v = l L 0 C 0 I mn ( t - τ ) = - l - h 2 [ u m ( t - τ ) Z + hi m ( t - τ ) ] - l + h 2 [ u n ( t - τ ) Z + hi n ( t - τ ) ] - - - - ( 1 ) I nm ( t - τ ) = - l - h 2 [ u n ( t - τ ) Z + hi n ( t - τ ) ] - l + h 2 [ u m ( t - τ ) Z + hi m ( t - τ ) ] - - - - ( 2 ) 以上各式中L0和C0分别是模量上线路每公里的电感、电容;R是模量上线路全长的电阻;Z0是无损线波阻抗;Z是近似考虑线路损耗以后的等值波阻抗;l是线路长度(单位kM);v是模量上的波速;Imn和Inm是等值电流源,代表从对端来的反射波;τ是模量上波在线路上的传播时间;um和un分别是模量上线路两侧电压;im和in分别是模量上线路两侧电流,其正方向如图1中所示。
由图1知:im(t)=um(t)/z+Imn(t-τ)……………………………………...(3)
         in(t)=un(t)/z+Inm(t-τ)…………………………..………….(4)
下面结合附图分段做进一步说明:1保护动作判据
对于一条双端三相线路,两侧装有新的电流差动纵联保护或相位差动纵联保护,以一侧(m侧)为例说明保护的工作程序。在m侧通过采样得到保护安装处各时刻三相电压、电流采样值:uma、umb、umc、ima、imb、imc,通过光纤或微波通道,也可以得到对侧(n侧)保护安装处经过采样同步化后各相同时刻的电压电流采样值:una、unb、unc、ina、inb、inc。用m侧当前时刻t的三个电压量和以前(t-τ)时刻m侧三相的六个电压、电流量和对侧(n侧)三相的六个电压、电流量,用贝瑞隆法公式(1)和(3)计算得到线路m侧当前时刻三个电流量的计算值iJma、iJmb、iJmc。然后用半波差分傅氏算法对三个电流实测值ima、imb、imc和三个计算值iJma、iJmb、iJmc进行滤波得到各自的基波矢量Ima &、Imb &、Imc &、IJma &、IJmb &、IJmc &,然后分别仿照传统的分相电流差动保护和相位差动保护对实测值和计算值进行比较,形成保护的动作量,上述计算过程见图2。在n侧与此相似,应用t时刻n侧的三个电压量una、unb、unc和(t-τ)时刻m侧的六个电压、电流量和n侧六个电压、电流量,用贝瑞隆法公式(2)和(4)计算得到线路n侧t时刻的电流计算值iJna、iJnb、iJnc,用半波差分傅氏算法对三个电流实测值ina、inb、inc和三个计算值iJna、iJnb、iJnc进行滤波得到各自的基波矢量Ina &、Inb &、Inc &、IJna &、IJnb &、IJnc &,将实测值和计算值进行比较,求得保护的动作量,从而构造两种新的保护判据。以上计算中都应先将三相的量(相量,phase value)转换成模分量,用贝瑞隆等值电路计算后,再将模分量转换成相量,此处从略。1.1新的分相电流差动判据
在线路两侧分别求出各相电流实测值和计算值之差:在m侧求出
Figure A0313001400061
在n侧求出
Figure A0313001400062
然后在两侧分别按给定的定值,判断是否有内部故障。定值可按大于外部故障时可能产生的最大不平衡动作量给定。以A相为例,如果在m侧dIma大于定值,则跳开m侧相应断路器(单相或三相),并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端。如果在n侧dIna大于定值,则与上相似,跳开两侧断路器。如果dIma和dIna都小于定值,说明A相区内无故障,两侧保护都不动作。保护的A相动作判据为:m侧dIma≥定值,n侧dIna≥定值,B、C相故障与此相似。1.2新的相位差动判据
图2.输电线路一侧保护判据的计算过程。
设相位差动保护比较I1 &+k·I2 &电流,称为比相电流或操作电流。在m侧和n侧分别由实测电流Ima &、Imb &、Imc &和Ina &、Inb &、Inc &求出m侧比相电流IM &=Im1 &+k·Im2 &和n侧比相电流IN &=In1 &+k·In2 &。再计算出两侧(Calculating process of the protective criterion ofm side)比相电流的计算值:IJM &=IJm1 &+k·IJm2 &和IJN &=IJn1 &+k·IJn2 &,在两侧分别将比相电流实测值相位与其计算值相位进行比较。为了使在不对称短路时负序电流占主导地位,系数k可以取6~8,本发明举例取7。设m侧比相电流实测矢量IM &与计算矢量IJM &的角度差为dgm,n侧矢量In &和IJN &的角度差为dgn。按给定的定值进行判断。在m侧如果dgm大于定值,则判为发生区内故障,立即跳开本端断路器,并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端。在n侧如果dgn大于定值,则与上相似,跳开两端断路器。如果dgm和dgn都小于定值,说明区内无故障,保护不动作。保护的动作判据为:m侧为dgm>定值,n侧为dgn>定值。
因为贝瑞隆模型真实地反映了两端母线之间线路内无故障的稳态运行或外部故障的暂态过程,故在内部无故障时理论上计算值和实测值应该基本相等,因此有Ima &=IJma &、Imb &=IJmb &、Imc &=IJmc &、Ina &=IJna &、Inb &=IJnb &、In &=IJnc &。故两侧新的分相电流差动保护的动作量dIma、dImb、dImc、dIna、dInb、dInc和新的相位差动的动作量dgm、dgn都应该等于零。但考虑到各种误差和简化考虑损耗的影响,他们不会绝对为零。可按最大可能的误差规定一定值,如果这些动作量都小于此定值,则表示电压电流关系满足贝瑞隆模型,输电线内部没有故障。如果线路发生内部故障,则贝瑞隆模型被破坏,必然产生很大的动作量,从而使保护动作。
为了便于说明,上面对故障的判断过程分别在两侧进行,亦即只按本侧实测量和计算量进行比较,实际上每侧都有两侧的实测量和计算量,每侧都可同时比较两侧的实测量和计算量,如果两侧的动作判据都满足时判为内部故障,这样则判断更为可靠。当然也可规定只要一侧的判据满足即可判为内部故障。这给使用者以灵活运用的可能性。
由以上分析可以看出基于贝瑞隆模型的保护判据与传统的判据相比,差别就在于前者是比较同侧量,后者是比较异侧量。因为线路有分布电容电流,使用异侧量相比较就会受其影响,而使用同侧量相比较就避免了电容电流的影响。2仿真结果对比
仿真选用750kV双电源系统,线路长为500公里,如图3所示,其中:
Zm=0.8ZL Zn=1.5ZL
r1=0.013326Ω/kM;X1=0.266079Ω/kM;c1=0.0138776μF/kM
r0=0.307915Ω/kM;X0=0.814968Ω/kM;c0=0.00977857μF/kM
线路参数取自某设计中的750kV线路完全换位参数,忽略电导,两侧电源角度差设为40度,进行了各种内、外部故障的仿真。因篇幅所限,下面仅以A相内、外部短路  时的情况为例加以说明。内部短路发生在线路中点,外部短路在n侧出口处。表1给出了输电线路保护区内发生A相接地故障时,新的和传统的分相电流差动保护判据的仿真结果。表2给出了输电线路保护区外发生A相接地短路时,新的和传统的分相电流差动保护判据的仿真结果。表3给出了输电线路保护区内、外分别发生A相接地短路时,新的和传统的相差保护判据的仿真结果。表3中给出的都是使保护动作的角度。
    表1.保护区内发生A相接地短路时两种分相电流差动保护动作量的比较Table 1.Comparison of operating quantities of two kinds of segregated phase currentdifferential protection in case of single phase(A)to ground fault in protected
                                   zone
Figure A0313001400071
    92     2347.19  2362.59   108.87   110.51   112.64   111.86  2102.29  1063.04  1115.39
    94     2424.48  2422.62   87.68   92.33   81.53   90.14  2288.49  1071.43  1082.10
    96     2608.35  2611.40   108.63   103.81   94.44   95.90  2323.86  1070.10  1071.59
    98     2725.10  2724.45   138.92   129.79   134.32   126.70  2344.02  1023.70  1132.27
    100     2770.15  2769.78   256.00   268.44   254.28   267.30  2407.26  992.08  1158.08
    表2.保护区外发生A相接地短路时两种分相电流差动保护动作量的比较Table 2.Comparison of operating quantities of two kinds of segregated phase currentdifferential protection in case of single phase(A)to ground fault out of protected
                                   zone
  表3.保护区内和区外分别发生A相接地短路时两种相差保护动作量的比较Table 3.Comparison of operating quantities of two kinds of phase differentialprotection in case of single phase(A)to ground fault in and out of protected zone
                              respectively
           区内故障              区外故障
新判据 传统判据         新判据   传统判据
 序号   dgm   dgn   dg   dgm     dgn     dg
故障前   77   0.17   0.19   78.74   0.15     0.47    79.09
  78   0.22   0.20   78.75   0.84     0.16    78.74
  79   0.21   0.26   78.75   0.20     0.38    78.40
  故障时刻 80 0.16 0.09 78.75 0.42 0.39 143.91
故障后  82     9.91  82.20   76.20   0.52     0.24  173.34
84     173.88  122.51 138.95 18.08 0.16 171.00
86     136.74  148.47 147.51 7.90 0.09 24.64
88     130.75  148.85 151.36 3.36 1.95 34.07
90     168.84  143.17 154.37 1.93 2.44 30.51
92     150.24  159.36 159.76 1.48 2.94 16.12
94     144.64  164.53 160.83 3.92 1.29 4.79
96     172.99  147.05 159.12 2.54 2.11 2.21
98     175.01  144.36 161.10 2.04 0.70 17.22
100     171.73  154.40 162.07 1.95 1.49 18.16
102     135.53  123.05 162.10 1.06 1.89 2.06
所有表中dIa、dIb、dIc分别表示传统的分相电流差动保护A、B、C各相的动作量(差动量),dg表示传统的相差保护的动作量(如高频信号的间断角)。所有表中故障都发生在序号为80的采样时刻,每周采样40点。由于数据量大,对于故障后表中只给出了序号为偶数的数据。所有角度以度为单位,所有电流值是以安培为单位的一次电流。3仿真结果分析
(1)从表1可见,在内部短路时,对于新判据,故障相故障后的动作量比故障前可增大到300倍左右,差别很大,不难选取合适的整定值。而传统的分相电流差动保护的动作量只能增大到2~3倍,很难区别内部和外部故障。
举例说明两者灵敏度差别如下。以表1和2中A相内、外部接地短路为例,内部短路时非故障相最大不平衡电流为268.44A(一次电流,下同),外部短路时最大不平衡电流为165.32A。按大于最大不平衡电流整定,取可靠系数为2,则定值Iset应取为
Iset=2×268.44=536.88A在内部短路时A相动作量在故障后1/4周期即可达到1928.55A,即灵敏度Kλ可达
Iλ=1928.55/536.88=3.59而对于传统的分相电流差动保护,仍按上述方法计算,最大不平衡电流为1476.45A,内部短路后半个周期的差电流为2407.26,即使取可靠系数为1.5,则
Iset=1.5×1476.45=2214.67A    Kλ=2407.26/2214.67=1.087
实际上已不能应用。
对于相位差动保护,从表3可见,对于新方法,在正常运行和外部短路时被比较电流的相位差最大可达18.08°,考虑到CT误差和装置误差22°,闭锁角可定为40°。而内部短路时被比较电流相角差可达130°以上,动作非常可靠。而对于传统保护,在正常运行时,由于电容电流影响,被比较电流相角差即达78.75°,闭锁角要在78.75°+22°=100.75°以上,在内部短路时工作已很不可靠。
(2)表3中外部故障后几个采样点时两种新判据动作量突然增大随后减小是由于线路电流、电压在故障瞬间会发生跃变,不连续。在应用公式(3)和(4)计算时,因τ一般不是Δt的整数倍,使用离散值的计算中必需使用线性插值,从而引入了较大的误差,提高采样率将可减少这种误差。实际使用中可以从定值上躲开,同时要求连续多个点满足判据才使保护动作,即可保证保护正确工作;
(3)从表1中第1、2列看到动作量在故障后是逐渐增大的,这是因为采用的半波傅氏滤波中利用了部分故障前数据;
(4)由于新方法要求比较同侧量,被比较的两个量具有相似的特性,故对滤波算法的优劣不敏感;
(5)由仿真结果(如表1、3)可以看出虽然本发明举例使用了半波差分傅氏算法,但在内部故障后还不到半周波时间,故障相两种保护判据的动作量都已经很大,因此通过合理的整定,保护动作时间可以小于半周波。
(6)由于新的相差保护判据的动作角度有很大的裕度,可以大大缩小闭锁角,故有可能在比相电流中不使用负序电流,而直接比较各相两侧相电流测量值和计算值的角度,这样也可以实现具有选相功能的相差纵联保护。4结论
(1)本发明提出的基于贝瑞隆法的输电线路纵联保护方法,从原理上不受电容电流的影响,解决了电容电流影响纵联保护的难题;
(2)仿真计算证明了此新原理的正确性和可靠性。证明了分相电流差动和相位差动这种卓越的保护原理也能应用于超长距离的超高压和特高压线路上;
(3)同理,线路模型也可以选择考虑参数频率特性的模型,而所提出的两种保护判据公式不变。
随着电力系统的发展,电网规模的不断扩大,故障后因不能及时准确的将其切除而引起故障进一步扩大甚至系统失稳所带来的经济损失是难以估量的。从仿真结果可以明显看出本发明解决了在超高压和特高压线路上传统的纵联差动保护受分布电容电流影响的难题,是继电保护原理的又一个创新,它的使用必将极大地提高电力系统运行的安全性和可靠性,从而产生巨大的经济效益。

Claims (5)

1.一种输电线路纵联保护方法,其特征是包括下列步骤:
在输电线两侧配置电流差动纵联保护或相位差动纵联保护,在一侧通过采样得到保护安装处各时刻电压、电流采样值,在另一侧也通过采样得到保护安装处各时刻电压、电流采样值,以所述一侧当前时刻的电压量和以前时刻的电压、电流量和另一侧的对应相同时刻电压、电流量,按照一种输电线路模型公式,计算得到所述一侧当前时刻电流量的计算值,然后用滤波算法对所述一侧的电流实测值和计算值进行滤波,得到各自的基波矢量,然后分别仿照传统的分相电流差动保护或相位差动保护对实测值和计算值进行比较,形成一侧保护的动作量;
以所述一侧以前时刻的电压、电流量和另一侧对应相同时刻电压、电流量以及当前时刻的电压量,按照一种输电线路模型公式,计算得到所述另一侧当前时刻电流量的计算值,然后用滤波算法对所述另一侧的电流实测值和计算值进行滤波,得到各自的基波矢量,然后可以仿照传统的分相电流差动保护或者相位差动保护对实测值和计算值进行比较,形成另一侧保护的动作量;
如果仿造分相电流差动保护,则在线路两侧分别求出电流实测值和计算值之差后,在两侧分别按给定的定值,判断是否有内部故障,定值可按大于外部故障时可能产生的最大不平衡动作量给定,如果一侧动作量大于定值,则跳开该侧相应断路器,并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端;
如果仿造相位差动保护,则设相位差动保护比较I1 &+k·I2 &电流,称为比相电流或操作电流,k为系数,在输电线路两侧由实测电流得到比相电流,用一种输电线路模型公式再计算出两侧比相电流的计算值,在两侧分别将比相电流实测值相位与其计算值相位进行比较,按给定的定值进行判断,在任一侧如果大于定值,则判为发生区内故障,立即跳开本端断路器,并通过通信通道发出跳闸信号或允许信号跳开对端。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路纵联保护方法,其特征是,所述的输电线路模型公式为贝瑞隆模型或考虑参数频率特性的模型中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种输电线路纵联保护方法,其特征是,所述的滤波算法是如下算法中的一种:半波差分傅氏算法、全波差分傅氏算法、最小二乘算法、改进的傅氏算法、卡尔曼滤波算法。
4.根据权利要求1所述的一种输电线路纵联保护方法,其特征是,所述的传输线路为三相线路,所述的电流、电压为每一相上的电流和电压。
5.根据权利要求1所述的一种输电线路纵联保护方法,其特征是,所述的系数k为6至8。
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