基于参数识别的继电保护原理初探

⒇ 收稿日期 : 2006-11-27; 修回日期 : 2006-12-04 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 50677051)
第 19 卷第 1期 索南加乐等 : 基于参数识别的继电保护原理初探
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高带宽的特点 , 可以真实地传变一次电气信号。光 互感器的应用不仅对传统电气二次设备结构、功能 和变电站设计带来根本的变革 , 而且由于光互感器 的优良的传变特性 , 使得继电保护设备有可能从暂 态故障信号中提取更为丰富可靠的故障信息 ,从而 构成新的继电保护原理 。 着眼未来 , 研究新型的继 电保护原理和技术已经是摆在继电保护工作者面 前的一个重大课题 。 继 电保护要实现快速、 准确 、 有选择性地切除 故障 ,首要的一点是要能从被保护设备的各种运行 参 数及其变化中提取故障信息 [1, 2 ]。由于输电线路 各种运行参数中 , 电气参数在故障发生时变化的时 间常数最短 , 从快速性的要求出发 , 各种继电保护 原理主要是通过反映被 保护元件故障时电流 、 电 压 、阻抗 、 功率等电气量的变化特征实现保护功能 的。 按照所采用的电气量不同 , 现有保护原理可以 分为两大类 : ( 1) 反映输电线路单端电气量变化的 保护 ; ( 2) 反映输电线路双端电气量变化特征的保 护。 从保护使用的信号性质可分为工频电气量保护 和暂态电气量保护 。 反映工频变化量的保护 灵敏度高 , 动作速 度快。 但是 ,工频电气量保护反映的故障信息有限 , 不论电流保护或阻抗保护均只能反映两个故障特 征量 , 即电流相量的实部虚部或阻抗的实部虚部 , 无法得到完整的故障信息 , 而且此方法需要对系统 模型进行一定的限制性假设 , 存在系统性误差。基 于暂态电气量的保护和测距技术目前应用较为成 功的是行波测距 , 但行波信号易受干扰 , 且波头的 捕捉尚无可靠的手段 , 因此行波测距成功率低 , 这 也是行波保护实用化必须解决的难题 。 基于高频暂 态噪声的保护方案缺乏对高频噪声的定量分析 , 保 护定值的整定缺乏理论依据 。 基于双端电气量的保 护原理简单 , 选择性强 , 但需要通道配合 ,同时故障 暂态对其动作速度也有影响 。 从上面的回顾可以看出目前工程上应用的继 电保护使用的电气量单一 , 仅利用工频电气量获取 的故障信息有限且受元件模型的影响 , 原理上存在 缺陷 ,动作速度不能满足特高压大容量电力系统保 护的要求。 参数识别原理的继电保护通过对网络元件参 数的识别获取故障网络内部信息 , 构成保护判据。 对于这一原理 ,国内外学者在变压器保护方面进行 了有益的尝试 [5, 6 ]。文献 [ 5 ] 和 [ 6 ] 在对变压器的漏 感参数进行识别时使用工频信号 , 能识别的参数有
T 1 T
第一种方法为时域法 , 假设网络暂态响应端 口电压和电流可以测量 。 系统的输入阻抗函数可写 为一般式 U (s ) Z(s) = I (s) = m m- 1 bm s + bm - 1s + … + b1s + b 0 ( 1) n an s + an - 1sn - 1 + … + a 1s + 1 上式在已知网络结构及各元件模型的基础上 是容易得到的 ,且阻抗函数中各系数 ai 和 bi 是网络 中各元件参数的表达式 , 即 ai、 bi 取决于元件参数。 据此可以写出输入电流电压满足的微分方程 d( n) u d( n- 1) u du + an - 1 + … + a1 + u= dt dt dt d( m ) i d( m - 1) i di bm + bm - 1 + … + b1 + b0i dt dt dt ( 2) an 上式可改写为 i+ … + u = bm d i + bm - 1 d dt dt ( n) b1 di + b0i - ( an d u + dt dt ( n- 1) u + … + a1 du ) an- 1 d ( 3) dt dt 取 k 个测量数据对 ( u 1 , i 1 ) , ( u2 , i2 ) , … , ( uk , ik ) ( k ≥ n + m + 1) , 可以得到一系列的微分方程 d ik dik + … + b1 + b0ik dt dt (n ) d uk duk ( an + … + a1 ) dt dt 上式写成矩阵形式 , 即 uk = bm
[ 3, 4]
限 , 其原理和实现技术并未体现出参数识别自身的 优点。另外 , 由于电磁式互感器本身频带的限制 , 在 传变暂态信号时引起二次信号失真严重 , 限制了参 数识别原理的应用。研究表明 , 故障暂态信号的频 谱能量主要集中在低频和工频段。 利用该频带范围 内的信号 , 可以识别更多的网络参数 , 同时可以避 免高频信号易受干扰影响的缺陷。 但目前应用的参 数识别保护和暂态量保护仅使用了工频和高频信 息 , 灵敏度不足。 本文依据电网络理论 , 在分析网络模型及其响 应之间关系的基础上 , 建立元件模型及参数和故障 信息之间的关系 , 通过参数识别获取故障网络的全 部信息构成保护和测距原理。初步研究表明 , 利用 该原理可以实现单端电气量无系统误差的准确故 障定位 [7, 8 ]、 快速方向元件 [9, 10 ]、串补电容线路故障 位置的可靠识别 [11 ] , 小电流接地系统准确故障选 线 [12 ] 等工程难题 , 具有良好的应用前景 。
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电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2007 年 2 月 bm b0 an 图 1 RLC线性网络 Fig. 1 RLC network a1
= Dc
( 5)
式 ( 5) 是一个关于系数向量 c 的线性方程 , 当 k = n + m + 1 时 , 上式为完备方程 , 可直接解系 数向量。 当 k > n + m + 1时 , 上式为超定方程 , 可 以通过最小二乘法得到系数向量的最优估计解 , 即 u1 c = [D D ] D
netw o rk analysis and the mo del that deals with the relatio nship be tween the ne two rk respo nses a nd the netw o rk para meters, using the netw o rk r espo nses sig nal, th e pa rame ters o f fa ult netw o rk estimated by para meter ide ntificatio n method are ta ken as the criterion of the new principle. Th e new c rite rio n w ill no t be influenced by system opera tio n mode, the fault resistance and will be imm une to the pow er system swing . Resea rch results indicate tha t so me enginee ring issue in the field of rela y pro tectio n can be reso lv ed by using the principle pro po sed in this pa per , such a s the accura te fa ult lo ca tio n method for transmissio n line using o ne-ter minal da ta , th e instantaneous dir ectio nal pro tectio n, th e fault identifica tion o f series compensa ted t ransmissio n lines , the fault line selection in th e non so lid ea rthed netwo r k. The principle ha s go od pro ject . applica tio n pro spect Key words: para meter identification; f requency domain ana ly sis; time domain ana ly sis; fault location; dir ectio nal pro tectio n element
假设图所示的rlc网络中不包含全部由纯电容构成的回路也不包含全部由纯电感支路构成的割集同时任意支路只包含一个独立电阻电阻的串联用一个等值电阻来代替任意两个节点间不存在并联电阻电阻的并联也用一个等值电阻来代替这在进行故障网络建模过程中是易于通过合适的网络等值变换满足的
第 19卷第 1期 电 力系统及其自动化学报 V ol. 19 N o. 1 2007年 2月 Proceedings o f the CSU -EPSA Feb. 2007
2. Xi 'a n Xi rui Pro tection and Co ntro l CO. L T D, Xi 'a n 710075, Chi na)
Abstract : A new relay pro tectio n principle is pr oposed in this paper. Ba sed o n the theor y of elec tro nic
Survey on Relay Protection Using Parameter Identification
1 1 1 1 2 SUON AN Jia -le , KAN G Xiao -ni ng , SON G Guo -bi ng , JIAO Zai -bin , YUN Bao -ji ( 1. Co lleg e of El ect rical Engineering , Xi 'a n Ji ao t ong Univ ersi ty , Xi 'a n 710049, Chi na;
网络列为 “十一五 ” 期间能源建设的重特大研究项 目。 由于特高压输电网络输送容量巨大 , 因而线路 故障能否快速正确地切除对电网能否安全稳定运 行起着极其重大的作用。 因此结合我国电网发展形 势 , 研究新型继电保护原理对提高继电保护的快速 性 、可靠性 、灵敏性和保证选择性具有重大意义 。 近几年 , 光传感技术已由科研阶段逐步走向商 业化运行。光互感器具有高采集速率、 高线性度和
基于参数识别的继电保护原理初探
索南加乐 1 , 康小宁 1 , 宋国兵 1 , 焦在滨 1 ,
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
保记 2
( 1. 西安交通大学电气工程学院 , 西安 710049; 2. 西安西瑞保护控制设备有限责任公司 , 西安 710075)
摘要 : 从网络分析理论出发 , 通过建立网络响应和网络参数之间的数学模型 , 利用网络的全响应 信号 ,采用模 型参数 识别的方法得到故 障网络的故障参数 信息构成保护原理 。 参 数识别的保护原理不 受系统运行方式变 化 的影响 ,不受 过渡电阻和系统振 荡的影响 。 初步研究表明 ,利用该原 理可以解决单端电 气量无系统误差的 准确故 障定位 、快 速方向元件 、 串补电容线路故障 位置的可靠识别和 小电流接地系统准确 故障选线等工程难 题 , 具有良好的应用前景 。 关键词 : 参数识别 ; 频域分析 ; 时域分析 ; 故障定位 ; 方向元件 中图分类号 : TM 771 文献标识码 : A 文章编号 : 10038930( 2007) 010014-07
1 前言
我国能源资源和生产力发展呈逆向分布 , 长 距离 、 大容量输电是我国未来 电网发展的必然趋 势 。2005年 10 月 ,我国已建成并投运了第一条 750 kV 特高压输电线路。为解决能源的大规模远距离 传输问题 , 国家发改委和国家 电网公司已将建设 1 000 kV 交流输电和 ± 800 kV 直流特高压输电
2 参数识别
参数的概念有广义和狭义两种 。 狭义的参数是 指系统中能表征各个元件物理特性的特征量及其 数 值 , 如元件的电阻 、 电感、 电容以及线路的长度 等。 广义的参数除包含狭义参数的意义外 , 还包含 一切反映系统特征的物理量及非物理量的数值 , 如 系统激励的频谱特征、 系统的输入阻抗等 。文中所 指的参数是指广义的参数 。 下面从狭义的参数概念出发 ,介绍参数识别保 护的基本思想。 对于输电线路而言 ,其故障信息主要指故障相 别 、故障位置、是否金属性故障等。 由于故障选相是 一个逻辑判别过程 ,其判别过程及判别难度相对简 单 , 下面的分析都假设故障相别信息经选相元件判 别已经确定 。 对于被保护元件 , 特别是输电线路 , 一 旦确定故障相别 , 则故障系统的内部电路结构就完 全确定 。 因此所谓参数识别就是在系统结构已知的 前提下 , 如何由系统的端口采集信息求取系统内各 元件参数的过程 。 一般而言 ,输电线路 , 不论是分布参数 ,还是集 中参数 , 都可以将其近似看作是一个 RL C 线性网 络 , 如图 1 所示。 如果 RL C 网络的内部结构已知 , 则有两种方 法可以实现参数识别 。