超高压线路近端故障的快速距离保护

超高压线路近端故障的快速距离保护
董成明;李振坤;王永全;符杨
【摘要】提出了一种针对超高压线路近端故障的快速距离保护新算法.该方法利用积分算法响应速度快、计算工作量小的特点,基于微分方程模型,结合工频变化量原理,有效地实现了超高压长线路近端故障的正确快速动作.基于RTDS数模仿真平台,对500 kV线路的多种故障形式进行了数模仿真试验,验证了该算法在超高压线路近端故障时可靠快速的动作性能.
【期刊名称】《上海电力学院学报》
【年(卷),期】2014(030)006
【总页数】5页(P579-583)
【关键词】距离保护;近端故障;微分方程算法;工频变化量;超高压线路
【作者】董成明;李振坤;王永全;符杨
【作者单位】国网浙江省电力公司嘉兴供电公司,浙江嘉兴314000;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090
【正文语种】中文
【中图分类】TM773
超高压线路担负着电力系统骨干网架的作用，提高其故障时的保护动作速度，可有效提高系统的稳定裕度.因此，电力系统对超高压线路保护的动作速度有着严格的要求，［1-2］对研究如何提高超高压线路保护动作速度具有重要的现实意义.
鉴于超高压线路保护的重要性，国内外对其保护原理和算法进行了广泛的理论研究和工程实践.［3-8］文献［9］提出了基于贝瑞隆模型的长距离输电线路距离保护原理.文献［10］研究了高压输电线路超高速方向继电器新算法的实现方法.文献［11］提出了基于R-L模型误差的自适应距离保护.文献［12］研究了基于参数识别的时域长线距离保护.文献［13］通过仿真分析了短路时的电磁暂态过程对距离保护的影响.
上述研究都是针对超高压线路的全长进行分析，取得了良好的保护效果.由于超高压线路具有输电距离远、分布电容影响大、可能存在同杆双回线输电方式等特点，［14］线路模型较为复杂.［15］为了快速切除近端故障，国网和南网超高压线路保护技术规范中都明确提出应有反映近端故障的快速保护功能.［16-17］
针对上述问题，本文对超高压线路近端故障的快速保护展开了研究，利用改进的微分方程算法，结合工频变化量原理，实现了对超高压线路近端故障的超高速保护.最后，基于RTDS数模仿真平台，对500kV线路的多种故障形式进行了数模仿真试验，并验证了此算法对于超高压输电线路近端故障的可靠快速动作性能.
1 近端故障快速距离保护实现方法
距离保护在高压及超高压输电线上获得了广泛的应用，一套性能完善的距离保护设备，需要具备多种功能，包括距离测量、故障选相、故障方向判别、高阻故障识别等，近端故障时的距离保护同样包括这些内容.
1.1 测量阻抗算法
分布电容对超高压线路的影响不容忽视，暂态情况下的电容电流对线路的影响更为严重，针对线路全长保护时要基于分布参数模型进行分析，但发生近端故障时，分布电容产生的电流频率较高，且高频分量的衰减很快，利用保护装置中常用的前置低通滤波器即可滤除，无需增加数字滤波器.因此，发生近端故障时，线路可等效为R-L集中参数模型.如单相接地故障时，相电压uφ和相电流iφ之间的关系可表
示为:
式中:i0——零序补偿电流.
相间故障时，线电压uφφ和线电流iφφ如下:
式中:kr，ki——电阻和电抗的零序补偿系数;
r0，l0，r1，l1——输电线路每千米的零序和正序的电阻和电感.
基于电压和电流关系的故障诊断算法具有数据窗短、不受非周期分量及电网频率变化影响等优点.
1.2 故障方向判定
由于工频变化量仅反应故障分量中的工频分量，因此工频变化分量是由故障点的附加电源产生的.线路正反向故障的系统接线图见图1.
图1 线路正反向故障系统接线示意
M侧继电器在正反方向短路时的工频变化量之间的基本关系式分别为:
式中:——线路电压、电流的故障分量，由母线流向被保护线路的电流为正; Zm——保护背后电源的等值正序阻抗;
Zn+Zl——保护安装处正方向的等值正序阻抗.
正方向短路和反方向短路时，保护所用的电压变化量和电流变化量之间的夹角相反，具有明确的方向性.
其中，正方向夹角为:
反方向夹角为:
在方向继电器的构成中，考虑线路阻抗角为80°，则正方向的方向元件的动作方程为:
式中:——线电压和线电流的变化量.反方向的方向元件的动作方程为:
由于上述方向继电器需要计算出电压和电流的工频变化量Δ˙U和Δ˙I以进行比相运算，若使用傅氏算法，则所需数据窗较长，运算量较大.因此，本文同样使用线路的R-L集中参数模型，基于微分方程的单相接地故障工频变化量方程为:
式中:Δuφ，Δiφ——相电压和相电流的工频变化量.
相间故障应满足式(10)，Δuφφ和Δiφφ为线电压和线电流的工频变化量.
设线路阻抗角为φL，由于Zm和Zn的相角一般约为80°，则当正方向故障时，方向元件的最大灵敏角为φL+180°;反方向故障时，方向元件的最大灵敏角为φL.其方向继电器的动作特性图如图2所示.
图2 方向继电器的动作特性
上述基于工频变化量的方向判别法不受负荷电流、系统振荡等因素的影响，可以反映全相和非全相状态下的各种故障，且动作速度很快，方向性明确.
1.3 故障相别判定
本文采用电压突变量原理构成的选相算法来判别故障类型和相别，［18］显然故障相的ΔU大于非故障相的ΔU，以 A相故障为例，有:ΔUA＞ΔUAB=ΔUCA＞ΔUB=ΔUC，ΔUBC=0
1.4 保护动作特性
本文提出的保护方案采用具有偏移特性的多边形方向阻抗继电器，该继电器具有反映故障点过渡电阻能力强、躲负荷阻抗能力好，以及在保护中易于实现的特点.多
边形方向阻抗继电器的动作特性如图3所示.
图3 多边形方向继电器的保护动作特性
多边形的范围由图3中α，β，γ，δ 4个角度决定，多边形以内为继电器的动作区，以外为不动作区.为了防止保护区末端经过渡电阻短路时可能出现的超范围动作，α角取为7°～10°;为了保证在出口处经过渡电阻短路时保护能可靠动作，可使β角
下倾20°～30°;为了能更好地躲过最小负荷阻抗，并保持在末端短路时对过渡电阻的反应能力，γ角应略小于输电线路的阻抗角;为了保证被保护线路发生金属性短
路故障时能够可靠动作，δ角取为105°～120°.
2 微分方程算法的改进
通过上述分析可以看出，超高压长线路近端故障保护快速动作问题可以归结为式(1)、式(2)、式(9)、式(10)，且均为基于 R-L模型的微分方程形式，因此微分方程算法对该保护方案的动作速度影响较大.
文献［19］对求解微分方程的4种算法进行了对比分析，文献［20］分析了最小
二乘法在微分方程求解中的应用.由于积分具有响应速度快、计算工作量小的特点，本文使用积分算法求取R和L.
为了求取R和L两个未知量，分别在两个时间区间t1～t2和t3～t4进行积分，即:
式(11)和式(12)各项积分可用梯形法近似求得，然后在二元一次方程中即可解出R 和L.
式中:f——采样率
式(14)中的 c，d，e，f均具有积分滤波性质，a和b具有差分滤波性质.当积分区
间增大时，就具有一定的滤波作用，同时计算精度会逐步提高，但动作时间也随之增长.本文中的积分算法采用变区间，其数据窗自保护启动后随着采样点的增加而
自动增加，最终稳定为半周积分.
本算法在故障时具有良好的动作特性，在正常运行时不参与计算.正常运行时
Δu≈0，Δi≈0，因此需由启动元件启动.启动元件公式为:
式中:ΔIdz——电流突变量启动定值;
ΔIT——浮动门槛，随着变化量输出的增大而逐步自动提高，取1.25倍可保证门
槛电流始终略高于不平衡输出.
3 基于RTDS的仿真分析
采用实时数字仿真系统RTDS搭建仿真系统模型，用以验证上述保护算法，系统
模型见图4.
图4 仿真系统模型示意
图4中，电压等级为500kV，线路长度为500 km，线路采用分布参数模型，系
统频率为50 Hz，每周波采样100点，保护安装在M侧，故障点K1为母线故障，K2为线路出口故障，K3为线路全长30%处近端故障.
仿真系统模型参数如表1所示.针对不同故障时刻下单相接地、相间及相间接地等
故障类型进行了大量试验，部分仿真结果如图5至图7所示，假设故障发生时刻
均为0 ms.
表1 仿真系统模型参数x0 x1 C0 C1 Φ0 Φ1(Ω·km-1) (μF·km-1) (°)1.30 0.436 0.006 23 0.008 9 76 81
图5 K1点A-G故障仿真曲线
图6 K2点A-G故障仿真曲线
图7 K3点A-G故障仿真曲线
图5至图7分别为K1，K2，K3点发生A相单相接地故障时，依据本算法所得到的方向电阻和方向电抗的时间曲线，以及此3处发生故障时测量电阻和测量电抗
的时间曲线.由图7可知，测量阻抗在经过不到3 ms的时间内就收敛于一条较平
直的曲线，呈现良好的收敛性，有效保证了保护动作的快速性.当在母线K1点或线路出口K2点发生故障时，由于测量阻抗过小，容易引起误动，但此时方向元件具有明确的方向性，保证了动作的准确性.
在大量试验中发现，当线路出口发生故障时，保护均能够做到在3 ms内正确动作，当近端30%处发生故障时，即仿真算例中K3点故障，正确动作时间也不超过5 ms.
4 结语
为了保护超高压线路全范围的可靠动作，传统超高压线路保护均为相对复杂的算法，使得线路近端故障不能获得理想的快速动作行为.本文针对该问题，充分利用积分
算法响应速度快、计算工作量小的特点，基于微分方程算法，结合工频变化量原理，有效实现了超高压线路近端故障的快速动作.仿真结果表明，此算法对于超高压输
电线路近端故障具有可靠快速的动作性能.该方法不需要增加数字滤波器，积分算
法简单快速，有效提高了保护动作的速度，且不受系统频率变化等因素的影响，可靠性高，具有一定的应用价值.
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