CN1655417A - 基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统自动化领域内，涉及电力系统继电保护。本发明提出一种新的基于变时间窗傅立叶变换的保护方法和整套技术方案。利用对原始线路方程的在一个采样间隔内的积分消除衰减直流分量影响；利用傅立叶变换抑制高频暂态分量的影响；无需差分滤波和低通滤波。利用变时间窗技术提高保护动作速度，同时无需计算全波相量而直接将电压电流在短窗内的矢量进行比相来确定故障是区内或是区外。

Description

基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法

技术领域：

本发明属于电力系统自动化领域内，涉及电力系统继电保护。

背景技术：

高压线路保护装置中普遍包含距离保护元件，或者作为后备保护，或者是作为装置的主保护。目前距离保护方法分为两大类，解微分方程方法和基于傅立叶变换的比相式方法。前者根据输电线路故障时的微分方程，利用不同时刻采样点的电压和电流值，求解测量阻抗的电阻和电抗，通过判断测量阻抗是否在动作区域内来确定保护是否动作；后者则首先在一个工频周期内将时域内电压电流转换为相量，然后利用区内外故障时操作电压相量和极化相量的不同相位特征构成比相式的保护判据。

解微分方程方法在实际运算过程中，由于对微分项的离散化处理(用两个采样点的差来代替微分)，导致该方法对故障产生的高频暂态分量很敏感，放大了高频分量的影响，因此在应用时，必须前置低通滤波器抑制高频暂态分量的影响，这大大影响了保护的动作速度，另外，由于解微分方程方法的保护判据的动作区域具有很强的经验性，因此可靠性较差。比相式方法具有不受高次谐波的影响，由于傅立叶变换本身具有带通滤波的特性，因此对故障产生的高频暂态分量也具有一定的抑制作用，但由于从时域信号转换为相量需要一个工频周期的时间，因此其动作速度也受到很大的限制。而且衰减的非周期分量对比相式方法的影响非常大，通常采用差分滤波的方法来抑制衰减直流分量的影响，然而差分滤波的效果非常有限，而且放大了高频暂态的影响程度。为了提高比相式方法的动作速度，有人提出了短窗或变时间窗的傅立叶方法，但这些方法都是通过半波或者1/4周波短窗求解电压电流全波相量的的方法，无疑，这些方法对电压电流波形的要求特别高，也就是说，衰减的直流分量对这些短窗方法的影响更大了。

随着电力系统规模的不断扩大，为了维持电力系统的稳定性对继电保护的动作速度的要求也越来越高。另外，由于输电电压等级的不断提高，线路故障后的暂态过程越来越长，暂态电气量对保护动作准确性的影响也越来越大。

发明内容：

本发明提出一种新的基于变时间窗傅立叶变换的保护方法和整套技术方案。利用对原始线路方程的在一个采样间隔内的积分消除衰减直流分量影响；利用傅立叶变换抑制高频暂态分量的影响；无需差分滤波和低通滤波。利用变时间窗技术提高保护动作速度，同时无需计算全波相量而直接将电压电流在短窗内的矢量进行比相来确定故障是区内或是区外。

本发明方法包括如下步骤：

a.数据采集；

b.启动元件计算；这里省略了启动元件中的具体过程。启动元件中的具体过程可采用申请日以前的公知技术实现。

c.令时间窗的宽度W＝RelayPts-1，RelayPts是继电器确认进入动作区的点数(防止由于扰动使得个别点进入动作区导致继电器误动作)。

d.如果启动元件不动作，中断返回；如果启动元件动作，则进入下面的故障处理程序；

e.判断时间窗的宽度是否达到一个周波，如果没有达到，则将时间窗增加一个点：W＝W+1，如果达到一个周期，时间窗保持一个周波的宽度；

f.进行故障选相；

g.计算时间窗宽度为W的电压电流矢量，并判断故障是区内还是区外，如果是相间故障，计算故障相的操作电压矢量和极化电压矢量，判断故障是区内还是区外；如果是单相接地故障，计算相应故障相的操作电压和极化矢量，结合方向判据判断是否为区内故障。

本方案为传统的三段式距离保护整体方案的一部分，为了说明问题，这里只给出关于本文提及的快速距离保护部分，而忽略了具体的诸如PT、CT断线元件、故障选相元件、以及II段、III段、振荡闭锁等元件，以上忽略部分可采用申请日以前的公知技术实现本发明。本发明涉及的其他的流程与传统的比相式距离保护流程一致。可采用申请日以前的公知技术实现。

本发明将故障产生的暂态分量也作为有用的信号和工频信号一起加以处理，无需滤波，构造一个满足全电气量的基于变时间窗技术的快速距离保护原理方法和方案。本发明利用对原始线路方程的在一个采样间隔内的积分消除衰减直流分量影响；利用傅立叶变换抑制高频暂态分量的影响；无需差分滤波和低通滤波。利用变时间窗技术提高保护动作速度，同时无需计算全波相量而直接将电压电流在短窗内的矢量进行比相。与以前的方法和方案相比，具有如下优点：

(1)几乎不受衰减直流分量的影响。该方法不受衰减直流分量的影响，由于离散时的计算，导致存在一定的误差，其误差只与采样间隔有关，采样间隔越小，误差越小；对衰减直流分量的抑制程度与解微分方程方法相同。

(2)具有最大程度上的对高频暂态分量的抑制，对高频暂态分量的抑制随着时间窗的增大而增强，当时间窗达到一个工频周期时，具有和比相式方法相同的抑制程度。

(3)保护方法具有很高的动作速度，一般在故障后第二个采样点进入动作区，第五个点就可以可靠出口。如果采样频率为每周波16点，则5ms内就可以可靠出口；且利用自适应保护动作范围使得保护具有较高可靠性。

(4)计算简单。虽然采用变时间窗的傅立叶变换技术，但无需计算全波相量，也无需滤波，理论上说故障产生的暂态分量满足保护判据。而且保护判据的动作区域具有自适应性，具有同比相式方法相同的动作区域和动作特性，但计算量与之相当。

(5)不受系统中各种谐波的影响，凡是满足线路方程的所有电气量都不对该保护方法产生不良影响。线路上的谐波必然满足线路方程，因此各次谐波对保护判据没有影响。

上述相间故障的区内外判别方法包括如下步骤：

a.计算故障后电压和电流的短窗矢量以及故障前电压矢量；

b.计算操作电压矢量；

c.以故障或故障前电压矢量作为极化量，比较极化电压和操作电压矢量，判断故障是区内还是区外。

上述计算故障后电压和电流的短窗矢量以及故障前电压矢量的方法是由如下公式实现的：

(公式1)

(公式2)

(公式3)

(公式4)

上述计算操作电压矢量的方法是有如下公式实现的：

(公式5)

上述判断故障是区内还是区外的方法是有如下公式实现的：

(公式6)

如果有连续至少两点的数据满足判据6，则认为故障在保护区内，反之则在区外。

上述单相接地故障区内外判别方法包括如下步骤：

a.计算电压、电流等矢量；

b.计算操作电压矢量；

c.以移相的零序电流矢量为极化量，与操作电压矢量进行比相，判断故障是区内还是区外。

上述计算电压、电流等矢量的方法是由如下公式实现的：

(公式7)

(公式8)

(公式9)

(公式10)

$i_0^{\′}\left(k\right)=i_0\left(k\right)-[i_0\left(k\right)-i_0(k-1)]\frac{N{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{set}}}{2\mathrm{\π}}$ (公式11)

利用下面公式计算操作电压矢量：

(公式12)

上述判断故障是区内还是区外的方法是由如下公式实现的：

(公式13)

如果连续有至少两点满足公式，则故障在区内，否则在区外。与传统的比相式方法相似，公式13构成的新的快速零序电抗继电器同样不具有方向性，需要增加方向元件。其技术方案可采用申请日以前的公知技术实现。

上述公式中，输入离散的电压电流数据：第k时刻的电压用u(k)表示，电流用i(k)表示；

N表示每周波的采样点数；

W表示时间窗的宽度，当继电器检测到故障发生时，为了保证可靠性，用三点连续启动确认故障发生，此时W＝3，以后每增加一个采样点，W的值就加1，直到W＝N为止；

j为虚数，为

V^&、I^&表矢量，是一个复数，具有实部和虚部；

Z_set＝R_set+jX_set＝(R₁+jX₁)l_set为整定阻抗，R_set为电阻部分，X_set为电抗部分，R₁、X₁表示每公里长度线路的正序电阻和正序电抗，l_set为整定点到保护安装点的距离。

$K_R=\frac{R_0-R_1}{3R_1}$ 为线路的零序电阻补偿系数， $K_L=\frac{X_0-X_1}{3X_1}$ 为零序电抗补偿系数，R₀和X₀分别为线路每公里长的零序电阻和零序电抗；

δ_set为接地距离中零序电抗继电器的整定角度，其整定以防止超越为原则。

下标φ表示故障相，例如，如果A相故障，φ就代表A；下标φφ表示相间故障的两个故障相，比如，BC相间短路(或相间接地短路)，φφ就代表BC相；下标|0|代表故障前一个周波的电气量；

下标op表示操作量，也称为补偿量；下标p表示极化量；

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括如下步骤：

(1)所有保护部分软件都设置在装置的采样中断中，采样中断是一个级别很高的定时中断。当装置运行进入采样中断后，首先对A/D转换数据的读取和保存。

(2)然后进入启动元件计算的流程。

(3)计算完启动元件后，令时间窗的宽度W＝RelayPts-1。

(4)如果启动元件不动作，则说明没有故障发生，中断返回，如果启动元件动作，则进入下面的故障处理程序。

(5)判断时间窗的宽度是否达到一个周波，如果没有达到，则将时间窗增加一个点：W＝W+1，如果达到一个周期，时间窗保持一个周波的宽度。

(6)进行故障选相；

(7)如果是相间故障，则然后利用公式(1～5)计算故障相的操作电压矢量和极化电压矢量，然后根据公式6，判断故障是区内还是区外。如果是单相接地故障，则利用公式(7～12)计算相应故障相的操作电压和极化电压矢量，并利用公式(13)结合方向判据判断是否为区内故障。

(8)其他的流程与传统的比相式距离保护流程一致。可采用申请日以前的公知技术实现。

(1)相间距离保护方法(用于保护相间故障)：

第一步：利用下面的公式计算故障后(前)电压和电流的短窗矢量：

(公式1)

(公式2)

(公式3)

(公式4)

第二步：利用下面的公式计算操作电压矢量：

(公式5)

第三步：以故障电压矢量作为极化量，比较极化电压和操作电压矢量，判断故障是区内还是区外，动作判据如下式：

(公式6)

如果连续有至少两点点都满足方程6，则认为故障在保护区内，反之则在区外。

(2)接地距离保护方法(用于保护单相接地故障)

第一步：利用下面的公式计算电压、电流等矢量：

(公式7)

(公式8)

(公式9)

(公式10)

$i_0^{\′}\left(k\right)=i_0\left(k\right)-[i_0\left(k\right)-i_0(k-1)]\frac{N{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{set}}}{2\mathrm{\π}}$ (公式11)

注：上面的式子中，i₀(k)＝i_A(k)+i_C(k)+i_C(k)为三倍的零序电流，i₀′为零序电流偏移δ_set角度后的电流。

第二步：利用下面公式计算操作电压矢量：

(公式12)

第三步：以移相的零序电流矢量为极化量，与操作电压矢量进行比相，判据如下所示：

(公式13)

如果连续至少两点都满足公式13，则故障在区内，否则在区外(配合方向判据)。

Claims (5)

1.一种基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法，其特征在于，所属的方法包括如下步骤：

a.数据采集；

b.启动元件计算；

c.令时间窗的宽度W＝RelayPts-1；

d.如果启动元件不动作，中断返回；如果启动元件动作，则进入下面的故障处理程序；

e.判断时间窗的宽度是否达到一个周波，如果没有达到，则将时间窗增加一个点：W＝W+1，如果达到一个周期，时间窗保持一个周波的宽度；

f.进行故障选相。

g.计算时间窗宽度为W的电压电流矢量，并判断故障是区内还是区外，如果是相间故障，计算故障相的操作电压矢量和极化电压矢量，判断故障是区内还是区外；如果是单相接地故障，计算相应故障相的操作电压和极化矢量，结合方向判据判断是否为区内故障。

2.如权利要求1所述的基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法，其特征在于，所述相间故障判断方法包括如下步骤：

a.计算故障后电压和电流的短窗矢量以及故障前电压矢量；

b.计算操作电压矢量；

c.以故障或故障前电压矢量作为极化量，比较极化电压和操作电压矢量，判断故障是区内还是区外。

3.如权利要求2所述的基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法，其特征在于，所述计算故障后电压和电流的短窗矢量以及故障前电压矢量的方法是有如下公式实现的：

所述计算操作电压矢量的方法是有如下公式实现的：

所述判断故障是区内还是区外的方法是有如下公式实现的：

如果连续有至少两点的数据满足公式，则认为故障在保护区内，反之则在区外。

4.如权利要求1或2或3所述的基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法，其特征在于，所述单相接地故障判断方法包括如下步骤：

a.计算电压、电流等矢量；

b.计算操作电压矢量；

c.以移相的零序电流矢量为极化量，与操作电压矢量进行比相，判断故障是区内还是区外。

5.如权利要求4所述的基于变窗矢量的高压输电线路快速距离保护方法，其特征在于，所述计算电压、电流等矢量的方法是有如下公式实现的：

$i_0^{\′}\left(k\right)=i_0\left(k\right)-[i_0\left(k\right)-i_0(k-1)]\frac{{\mathrm{N\δ}}_{\mathrm{set}}}{2\mathrm{\π}};$

利用下面公式计算操作电压矢量：

所述判断故障是区内还是区外的方法是有如下公式实现的：

如果连续有至少两点满足公式，则故障在区内，否则在区外。