CN1797888A - 一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，包括将保护实时测量到的故障分量电压和电流经数模转换器输入到计算机，并求得故障分量的阻抗，在阻抗平面上，根据被保护线路的阻抗，距离原点0.4倍线路阻抗处做线路阻抗对应线段的垂线，从而在阻抗平面上离线得到电抗线；根据阻抗坐标在电抗线的上下位置判断故障类型，如果在电抗线的下部，则判为正方向故障；否则判为负方向故障；根据故障类型启动继电器元件工作，进行相应的保护。本发明提高了反方向元件的动作可靠性，对各类故障灵敏度较高，提高了保护的可靠性，且更加易于实现。适应于高压输电线路的零序、负序功率方向元件和反应正序故障分量和负序分量的复合量的方向元件保护。

Description

一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法
技术领域
本发明涉及电力系统自动化技术领域，尤其涉及一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，在保证正、反方向元件动作灵敏度的前提下，提高反方向方向元件的动作可靠性。
背景技术
方向元件即继电器在现代继电保护装置中占有重要的地位，从简单方向性过电流保护到复杂的超高压线路的快速主保护，它都得到了广泛的应用。传统的方向元件有三种：应用于电压电流保护的90°接线方向继电器，应用于接地保护的零序功率方向继电器，应用于高频保护中的负序功率方向保护继电器。第一种方向元件其特性受故障点过渡电阻的影响，在发生经过渡电阻短路时灵敏度降低，在出口三相短路时有电压死区；在纵联方向保护和方向性零序保护中使用的负序和零序功率方向元件实质上是反应故障分量的，与传统的方向元件相比具有明显的优点。但是系统在发生三相不对称短路时才出现负序分量，在接地短路时才出现零序分量，也就是说，它们都不能反应三相对称短路；正序故障分量方向元件则不受故障类型的影响，也不受系统负荷和故障点过渡电阻的影响，动作灵敏度高。安艳秋、高厚磊在2003年第8期的《电力系统及其自动化学报上》发表的《正序故障分量及其在继电保护中的应用》公开了一种适应于各种故障分量的方向判别方法。王凯在《电工技术》2003(4)发表的《正序故障分量元件在超高压输电线路继电保护中的应用》运用解析法详细分析了正序故障分量元件在测量高压输电线路区内外短路故障的理论依据，由于该元件测量时不受系统振荡等扰动因素影响，具有极强的抗干扰能力。因此，目前广泛采用正序故障分量或正序故障分量与负序分量组合后的复合量方向比较原理构成线路的主保护。但是，正序故障分量方向元件存在的隐患是，对正方向故障，如果保护安装处背后是大系统，在线路发生故障时，正序电压的突变量较小，不能用来进行比相判别，会影响该方向元件的判向可靠性，可能会引起正序故障分量方向元件误判向而导致方向高频保护拒动作。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，提高反方向方向元件的动作可靠性。
为完成上述目的，本发明采取的总体技术方案为：一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，包括以下步骤：
步骤一、将保护装置实时测量到的电压和电流经数模转换器输入到保护装置的数据处理单元，并时时检测电力线路是否发生故障，若检测到线路发生故障，保护装置进入故障处理程序；
步骤二、由当前的正序电压电流量和故障前的正序电压电流量求得正序电压电流变化量ΔU1 &、ΔI1 &，从而求得故障分量的阻抗：
步骤三、在阻抗平面上，根据被保护线路的阻抗，距离原点0.3-0.6倍线路阻抗处作线路阻抗对应线段的垂线，从而在阻抗平面上得到电抗线；
步骤四、根据步骤二求得的阻抗，计算其坐标与电抗线的上下位置关系，如果在其坐标电抗线的下部，则判为正方向故障；否则判为反方向故障；
步骤五、根据判定的故障的方向启动方向继电器元件工作，进行相应的保护逻辑判别。
步骤三所作的垂线位于距离原点0.3-0.6倍(一般取0.4倍)线路阻抗处。
本发明有如下优点：本发明提供了一种在高压电网继电保护中正负序故障分量方向元件和零序功率方向元件的判别故障的方法。测量故障后故障分量的阻抗，根据故障分量阻抗的大小决定故障的方向，用阻抗平面上的电抗线来代替原来的相位比较判据，相当于在相位判断的基础上，又增加了幅值比较的成份，来弥补ΔU1和U0很小的时候会引起误判方向的缺陷，提高了反方向元件的动作可靠性。对各类故障灵敏度较高，不存在死区；对各类故障均具有明确的方向性，不受初始角、故障距离的影响。本发明在不降低正反方向灵敏度的前提下，有效提高了保护的可靠性，且更易于实现。本发明较好地解决了正序故障分量方向元件在大系统长线路末端故障时的灵敏度和误判方向的问题。
附图说明
图1是本发明主流程图；
图2a是本发明实施例的正序故障分量等效网络的正向故障示意图；
图2b是本发明实施例的正序故障分量等效网络的范向故障示意图；
图3是阻抗平面图；
图4是判向动作区域示意图。
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详细的说明。
对电力系统故障的分析，可应用对称分量理论和叠加原理进行分析。将系统中三相电气量分解为正序、负序、零序三个旋转的对称分量，并可将故障时正序分量分解为正常分量和故障分量的叠加。
请参阅图1本发明的主流程图，对输电线路中的正负序故障分量方向和零序功率方向进行判别的方法如下：
首先，保护装置将实时测量到的电压和电流经模数转换器输入到保护装置的数据处理单元，并时时检测电力线路是否发生故障，若检测到线路发生故障，保护装置进入故障处理程序；并由当前的正序电压电流量和故障前的正序电压电流量求得正序电压电流变化量ΔU1 &、ΔI1 &，从而求得故障分量的阻抗：
然后，在阻抗平面上，根据被保护线路的阻抗，距离原点0.3-0.6倍(一般取0.4倍)线路阻抗处作线路阻抗对应线段的垂线，从而在阻抗平面上得到电抗线；
之后，根据所求得的阻抗，计算其坐标与电抗线的上下位置关系，如果在其坐标电抗线的下部，则判为正方向故障；否则判为反方向故障；
最后，根据判定的故障的方向启动方向继电器元件工作，进行相应的保护逻辑判别。
实施例一：正序故障分量方向判别方法。请参阅图2a和图2b，2a和图2b示出一个简单的两端电源系统发生故障时的正序故障分量等效网络，如果考虑M侧的保护，则图2a和图2b分别是正向故障和反向故障的等效网络。图中UF &为正常运行条件下F点的电压，ΔZ为故障附加阻抗，其随短路类型和故障点位置而改变。
根据上面两个图可以得出下面结论：正方向故障时：
反方向故障时：
从上述两式中可以看出，根据实时测量到的ΔU1 &/ΔI1 &是-Zsm还是ZL+Zsn可以判断出是正方向还是反方向故障。
请参阅图3阻抗平面图，判方向的关键是怎样根据ΔU1 &/ΔI1 &求得的阻抗，在图中阻抗平面上确定是P点还是Q点。P点对应正方向，Q点对应反方向。
对保护装置来说，系统阻抗Zsm和Zsn随着系统运行方式而变化，是未知参数。但是被保护线路的阻抗是已知的，即图3中只有线段OR是已知的。为了判别正反方向，可以在图3中线段OR上某点作该线段的垂线，用来区分正反方向，由此可以得到图4判向动作区域图，图中垂线为1，垂足定在0.4ZL处可以保证反方向元件的灵敏度略高于正方向元件。
令
Figure A20041010243800063
ΔR和ΔX可以实时测量得到，其构成的坐标点(ΔR，ΔX)如果在直线1的上侧，判为反方向；如果在1的下侧判为正方向。
由于被保护线路的阻抗已知，所以直线1与线段OR的垂足以及直线1的斜率都能离线得到，即1是已知的直线，令其方程为：aR+bX＝c。
其中，a、b、c为已知的常数，且a＞0，R为横坐标，X为纵坐标。
最后方向元件的动作判据如下
正方向元件动作判据为a·ΔR+b·ΔX＜c；
反方向元件动作判据为a·ΔR+b·ΔX＞c。
从图4可以看出，对长输电线路，判据的正方向方向元件的灵敏度得到很大的提高，且线路越长，灵敏度越高。同时，反方向元件也有0.6ZL对应的判向裕度空间，在两侧电源系统阻抗相同的前提下，反方向元件的灵敏度还是明显高于正方向元件。
实施例：零序功率分量方向判别方法。采用的故障分量为U0 &、I0 &，参考图2a、图2b。
正方向故障时：
Figure A20041010243800071
反方向故障时：
式中Z0sm、Z0sn分别为m、n两侧系统的零序阻抗，Z0L为线路零序阻抗。从上述两式中可以看出，根据实时测量到的U0 &/I0 &是-Z0sm还是Z0L+Z0sn可以判断出是正方向还是反方向故障。余下的判别方法和正序故障分量方向元件的判别方法完全一样。
实施例二：负序功率分量方向判别方法。采用的故障分量为U2 &、I2 &，参考图2a、图2b。
正方向故障时：
反方向故障时：
Figure A20041010243800074
式中Z2sm、Z2sn分别为m、n两侧系统的负序阻抗，Z2L为线路负序阻抗。从上述两式中可以看出，根据实时测量到的U2 &/I2 &是-Z2sm还是Z2L+Z2sn可以判断出是正方向还是反方向故障。余下的判别方法和正序故障分量方向元件的判别方法完全一样。
对零序、负序功率方向元件，以及反应正负序故障分量复合量的方向元件，都可以采用与上述类似的判据，来提高反方向元件的动作可靠性。特别是零序功率方向元件，在现场出现过的几次因零序电压或者电流较小而引起保护拒动的现象，用本发明均能较准确有效地判出故障方向。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1、一种正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、将保护装置实时测量到的故障分量电压和电流经数模转换器输入到保护装置的数据处理单元，并求得故障分量的阻抗；
步骤2、在阻抗平面上，根据被保护线路的阻抗，距离原点0.3～0.6倍线路阻抗处做线路阻抗对应线段的垂线，从而在阻抗平面上离线得到电抗线；
步骤3、根据阻抗坐标在电抗线的上下位置判断故障类型；
步骤4、根据故障类型启动继电器元件工作，进行相应的保护。
2、根据权利要求1所述的正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，其特征在于，步骤1中的求得故障分量的阻抗采用下述公式：
其中ΔU1 &、ΔI1 &分别为正序电压电流变化量，(ΔR，ΔX)为阻抗在阻抗平面上的坐标点，分别表示电阻和电抗。
3.根据权利要求1所述的正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，其特征在于，所述步骤2中的垂线位于阻抗平面图上距离原点0.4倍线路阻抗处。
4、根据权利要求3所述的正负序故障分量方向和零序功率方向判别方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：用测量到的正序故障分量阻抗对应在阻抗平面上的坐标作为正、反方向元件的判向动作量。
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