CN100459356C - 特高压输电线分相电流相位差动保护方法 - Google Patents

特高压输电线分相电流相位差动保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力***输电线路继电保护领域，特别涉及特高压输电线继电保护的方法。本发明提出基于贝瑞隆模型的特高压输电线分相电流相位差动保护方法。利用电流相位差和/或电流故障分量相位差作为保护动作量，整定闭锁角，实现不受分布电容电流影响的故障判定。具有本发明提出的保护方法，能够区分故障类型、相别，对故障的判定准确、可靠、快速。

Description

特高压输电线分相电流相位差动保护方法
技术领域
本发明涉及电力***输电线路继电保护领域，特别涉及特高压输电线继电保护的方法。
背景技术
传统的相位差动高频保护是利用复合过滤器(例如电流的正序分量和负序分量复合过滤器)将三相电流合成一个电流进行相位比较，其缺点是对于不同类型短路反应灵敏度不同，对某些短路类型难以判别，其次是不能判别故障相别；而在应用单相切除、单相自动重合闸时必须配有专门的选相元件。更为严重的是上述的保护方法受线路分布电容影响大，很难应用于呈显著的分布电容特性的特高压长距离输电线继电保护。目前，我国即将动工兴建长距离750千伏和百万伏输电线，迫切需要解决这一难题。
贝瑞隆模型是一种比较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，进而可以用贝瑞隆模型推导出线路上任一点两侧的电压电流相位关系，亦即保护不动作的条件。而当线路发生内部故障时，相当于在故障点增加了一个节点，这种关系被破坏，保护必然动作。
将保护安装处的相量umφ、imφ(Φ＝a、b、c)通过转换矩阵S转换为模量umi、imi(i＝0、1、2)，贝瑞隆模型是一种在每一模量上均成立的线路等值模型。
设um、im和un、in分别为线路两端的电压、电流模分量，电流正方向定义为由母线流向线路。则线路上两端电压电流模量满足：
         [um(t) im(t)]T＝T[un(t) in(t)]T              (1)
传输矩阵T是由线路参数决定的二维矩阵，这样就建立了线路上任一点电压电流与保护安装处电压电流之间的关系。
发明内容
本发明“分相电流相位差动保护”所要解决的技术问题是克服上述难题，提供一种不但对各种短路类型具有相同的判别能力，具有选相功能，而且不受线路分布电容影响，适用于特高压长距离输电线路继电保护的方法。此外，本发明还提供一种基于同一种发明思想，除了能够克服上述难题外，还对过渡电阻具有很高承受能力的一种特高压输电线分相故障分量电流相位差动保护方法。
本发明提供的一种技术方案是：
一种特高压输电线分相电流相位差动保护方法，包括下列步骤：
(1)设定参考点(k)、电流相位差闭锁角
Figure C20061001436600031
(2)利用微机保护装置实时采集保护两侧(m，n)各相电压和电流值；
(3)对保护两侧采样值进行相—模转换，利用贝瑞隆方法计算参考点(k)两侧的电流模量，并对所计算的电流模量进行模—相转换得到参考点(k)两侧的电流相量；
(4)通过k点两侧的电流相量计算其相位差
Figure C20061001436600041
(5)若相位差
Figure C20061001436600042
小于或等于180°与电流相位差闭锁角
Figure C20061001436600043
的差值，或者相位差
Figure C20061001436600044
大于或等于180°与电流相位差闭锁角
Figure C20061001436600045
之和，则判断当前故障为保护范围区内故障，继而判断故障类型、相别，由微机保护装置发送跳闸命令，否则，判断当前故障为保护范围区外故障，微机保护装置不动作。
在上述方案中，用微机保护实现时电流相位差闭锁角
Figure C20061001436600046
整定可小于45°(600km长的1150kV线路)，比同类其他保护要小。故此方案与同类其他保护比较具有较高的灵敏性。
本发明还提出另外一种基于同一种发明思想的特高压输电线分相故障分量电流相位差动保护方法，包括下列步骤：
(1)设定参考点(k)、所述电流故障分量相位差闭锁角
Figure C20061001436600047
(2)利用微机保护装置实时采集保护两侧(m，n)各相电压和电流值，并求得保护两侧电压电流故障分量(线路未发生故障时故障分量为0)；
(3)对保护两侧电压电流故障分量进行相—模转换，利用贝瑞隆方法计算参考点(k)两侧的电流故障分量模量，并对所计算的电流故障分量模量进行模—相转换得到参考点(k)两侧的电流故障分量相量；
(4)通过参考点(k)两侧的电流故障分量相量计算其相位差
Figure C20061001436600048
(5)若相位差小于或等于180°与电流故障分量相位差闭锁角
Figure C200610014366000410
的差值，或者相位差
Figure C200610014366000411
大于或等于180°与电流故障分量相位差闭锁角
Figure C200610014366000412
之和，则判断当前故障为保护范围区内故障，继而判断故障类型、相别，由微机保护装置发送跳闸命令，否则，判断当前故障为保护范围区外故障，微机保护装置不动作。
由于故障分量电流是由故障附加状态网络中故障点电源产生的，灵敏度不受两侧电势夹角和振荡的影响。故应着重考虑区外故障的可靠性问题。本方法的电流故障分量相位差闭锁角
Figure C200610014366000413
可设定为大于其他方法的闭锁角，例如100°(600km长的1150kV线路)，可靠性较其他方法高。
作为优选实施方案，可以将第二种特高压输电线分相电流相位差动保护方法与第一种保护方法相结合，同时采用两种保护方法。
在上述的各个技术方案中，参考点最好为线路中点或串补电容安装点。
贝瑞隆型是建立在输电线上电磁波传播过程之上的准确模型。采用贝瑞隆模型进行故障计算自然的考虑了分布电容的影响，基于此模型分相电流相位差动保护自动地计入了分布电容电流，不再需要进行电容电流补偿。因此本发明提供的继电保护方法与现有的保护方法相比，更为准确和可靠。而且，由于本发明提供的方法比较每一相的相位差，所以理论上对于所发生任何类型的短路，保护装置都能正确判别故障相别和故障类型，并且正确动作。本发明还具有选相功能，不再额外需要安装选相器。
本发明提供的第二种技术方案，是一种对过渡电阻具有很高承受能力的特高压长距离输电线路继电保护方法。除此之外，发明人还有机地结合了两种保护方法，提出一种优选实施方案，该方案在提高区内故障不拒动的继电保护可靠性的同时，还大大提高了区内故障速动特性。
附图说明
图1输电线路故障模型—线路内部无故障的情况；
图2输电线路故障模型—线路内部有故障的情况；
图3本发明的采用分相电流相位差动保护方法进行故障判定的软件流程示意图；
图4本发明的采用分相故障分量电流相位差动保护方法进行故障判定的软件流程示意图；
图5本发明的一种优选实施方案的故障判定的软件流程示意图；
图6采用本发明保护方法实现的微机保护装置结构框图。
具体实施方式
用贝瑞隆模型可以根据输电线始端电压和电流通过模变换计算线路上任一点的电压和电流。如果线路上没有故障，或故障在线路外部，则线路必然满足贝瑞隆模型。可以在输电线上选择一个参考点k(一般可选为线路中点或串补电容安装点)，应用贝瑞隆模型算出该点两侧电流后，判断这个点两侧电流的相位关系。当被保护线路无内部故障时(包括稳态运行和区外故障)，如图1，m点到k点及n点到k点之间的线路都满足贝瑞隆模型，k点两侧电流imk和ink都可以计算得到，经傅氏滤波后得到Imk、Ink，从而可求得其相位
Figure C20061001436600051
此时理论上应有：当线路发生内部故障时，以参考点右侧f点发生故障为例如图2所示，n点到k点之间的线路不再满足贝瑞隆模型，则必然产生很大的动作量。因此这种方法可以区分线路区内、外故障。因此整定一合适的闭锁角，虑及各种因素影响，
Figure C20061001436600053
在区外故障和稳态运行时必然落在闭锁角范围内；而在内部故障时必然落在闭锁角以外的动作角范围内这样便可以保证正常运行或区外故障时不误动，内部故障不拒动。考虑闭锁角后保护动作判据为：
Figure C20061001436600054
或
Figure C20061001436600055
式中
Figure C20061001436600056
为闭锁角，关于
Figure C20061001436600057
的整定须考虑双端通信延时，装置误差等因素，
Figure C20061001436600058
可以取在35°至60°的区间内的值，作为优选实施例，可整定为45°。由于本方法比较每一相的相位差，所以理论上发生任何类型的短路，保护都能正确判别故障相别和故障类型，并且正确动作。这种新的保护方法自动地考虑了电容电流的影响，不再需要进行电容电流补偿。本方法的软件流程图如图3所示。
为了克服分相电流差动方法承受过渡电阻能力弱的缺点，可以用电流故障分量相位差作为保护动作量。类似上面的方法，当被保护线路无内部故障时，可以求得参考点k点两侧的电流故障分量ΔImk、ΔInk，从而可求得其相位
Figure C20061001436600061
理论上，线路未发生故障时故障分量为0，当线路发生内部故障时，参考点k两侧至少有一侧不再满足贝瑞隆模型。同样保护动作判据为
Figure C20061001436600063
或
Figure C20061001436600064
式中
Figure C20061001436600065
为闭锁角，关于
Figure C20061001436600066
的整定与上述分相电流相位差动方法中
Figure C20061001436600067
整定类似。除考虑双端通信延时，装置误差等因素外，可以整定为60～100°。100°是保证保护动作正确性情况下更为可靠的整定值，可根据实际保护灵敏性要求另行整定。此方法同样基于贝瑞隆模型，所以也不受分布电容电流的影响。而且承受过渡电阻能力大大提高了，此种方法可以单独使用，其软件流程如图4所示。
图5所示的软件流程有机地结合了前两种方法，可以作为本发明的优选实施方案。具体的实现步骤如下：
(1)首先用继电保护装置实时采集到的被保护线路两侧的电压和电流值求得线路两侧的电压故障分量和电流故障分量。
(2)将线路两侧的电压电流采样值和求得的电压电流故障分量进行相—模变换，转换为模量。相—模变换矩阵S可选择对称分量法变换矩阵、卡伦贝尔变换矩阵等。
(3)用贝瑞隆方程式(1)，分别计算保护范围参考点k两侧的电流模量和电流故障分量模量。
(4)将计算得到的k点两侧的电流模量和电流故障分量进行模—相变换，计算得到k点两侧电流和电流故障分量的相量值。
(5)计算k点两侧电流故障分量相位角，并求两侧电流故障分量相位差
Figure C20061001436600069
(6)计算k点两侧电流相位角，并求两侧电流相位差
(7)判断是否满足
Figure C200610014366000611
或如果满足则发跳闸令，保护动作跳闸；如果不满足则执行(8)。
(8)判断是否满足
Figure C200610014366000613
或
Figure C200610014366000614
如果满足则发跳闸令，保护动作跳闸；如果不满足则保护不动作。
本发明的微机保护装置的结构框图如图6，下面结合图6对硬件结构做介绍。
(1)交流量输入插件(AC)
本插件负责将***电压互感器，电流互感器二次侧强电信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起强弱电隔离和抗干扰作用。
(2)模拟式启动元件
本插件可根据用户的需要增设，图2中没有画出。
(3)AD模数转换模块
本插件负责将由插件1输出的五路电压和四路电流模拟量转换成微机能够直接处理的数字量。
(4)保护CPU1插件
本插件为装置的核心部分，两块相同的CPU插件用以完成两套独立的保护功能，即保护1与保护2。单片机MCU或DSP用来执行各种保护程序；只读存储器芯片EPROM用以存放保护程序；读写存储器RAM芯片用来存放采样值及计算过程，中间结果和标志；电可擦除可编程存储器芯片EEPROM用来存放保护定值；计数器用于采样计数；并口扩展芯片用于开关量输入、输出；除此之外本插件板根据需要还应有地址锁存器和地址译码器。
(5)同插件3
(6)保护CPU2插件
结构上同插件4，保护2。用于运行另一套不同的保护程序，作为保护1的后备保护。
(7)人机对话插件(MONITOR)
本插件用以人机对话，可完成下述各种功能：对各CPU插件进行巡检，及时反应各CPU插件的工作状态；打印CPU信息，保护运行过程中所有报告均由人机对话插件通过打印机自动输出；硬件时钟；串行通讯接口，本插件设有RS232串行通讯接口，可将各保护信息传送到上位机和有关终端。
(8)开关量输入插件(DI)
本插件内部由多路光隔回路组成，用来将外部的开关量通过光隔引入到CPU，来实现对保护装置功能的控制。开入多采用专用电源，如24V电源。而快速光隔的作用是使CPU电源(+5V)，与开入电源(24V)，AD转换电源(15V)电气上隔离，从而进一步抑制共模干扰，提高微机工作的可靠性。
(9)信号与开入插件(SIGNAL&DI)
本插件装设了三个磁自保持继电器作为跳闸信号继电器、永跳信号继电器、重合闸信号继电器以及呼唤信号继电器、保护动作中央信号继电器，重合闸动作中央信号继电器和复归继电器。本插件上的信号可由手动复归。除此之外，本插件还有四路开光量输入回路。
(10)告警与逻辑插件(ALARM & LOGIC)
本插件设置了下列告警继电器：两个CPU插件告警继电器，分别由对应的CPU插件驱动；巡检中断告警继电器，由CPU1、2驱动；总告警继电器，由人机对话插件驱动；失电报警继电器，正常处于吸合状态，在失去5V或24V电源时继电器返回，由常闭节点给出失电告警中央信号。所有告警继电器均有自保持，由手动复归。本插件还设有逻辑回路，包括以下继电器：出口继电器、跳闸重动继电器、跳闸固定继电器。跳闸重动继电器在出口继电器动作时动作，在保护出口继电器返回时立即返回。跳闸固定继电器在出口继电器动作时动作，并一直保持到整组复归，即一直保持到启动继电器返还时解除自保持。
(11)跳闸插件(TRIP)
本插件装设了启动继电器、跳闸出口继电器、永跳出口继电器、重合闸继电器合后加速继电器。启动继电器同时兼作总开放继电器，由其常开接点接通其它继电器线圈至负电源的回路，跳闸出口继电器为快速干簧继电器，以保证快速动作，但是为了增加接点数量，与跳闸出口继电器并联了一个密封继电器，用于启动开关失灵保护等对速度要求不高的场合，启动继电器及其它继电器均为密封继电器。
(12)电源插件
本插件为逆变电源插件，直流220V或110V电压首先通过一滤波回路滤除高频及干扰分量再接入本插件，利用逆变方法输出本装置所需的三组电压即24V，5V即15V，三组电压均不共地，且采用浮空方式，同外壳不相连。
实际应用中可根据图6构建保护装置，然后再根据本发明编制保护程序，即可完成一套完整的保护。利用微机和光纤通道实现本方法，有很高的精度和速度，由于需要的通信量远小于其他方法和方法，随着采样频率的增加和计算步长的缩短，保护的精度可大大提高。

Claims (2)

1.一种特高压输电线分相故障分量电流相位差动保护方法，包括下列步骤：
(1)设定参考点(k)、电流故障分量相位差闭锁角
Figure C2006100143660002C1
(2)利用微机保护装置实时采集保护两侧(m，n)各相电压和电流值，并求得保护两侧电压电流故障分量；
(3)对保护两侧电压电流故障分量进行相-模转换，利用贝瑞隆方法计算参考点(k)两侧的电流故障分量模量，并对所计算的电流故障分量模量进行模-相转换得到参考点(k)两侧的电流故障分量相量；
(4)通过参考点(k)两侧的电流故障分量相量计算其相位差
Figure C2006100143660002C2
(5)若相位差
Figure C2006100143660002C3
小于或等于180°与电流故障分量相位差闭锁角
Figure C2006100143660002C4
的差值，或者相位差
Figure C2006100143660002C5
大于或等于180°与电流故障分量相位差闭锁角
Figure C2006100143660002C6
之和，则判断当前故障为保护范围区内故障，继而判断故障类型、相别，由微机保护装置发送跳闸命令，否则，判断当前故障为保护范围区外故障，微机保护装置不动作。
2.根据权利要求1所述的特高压输电线分相故障分量电流相位差动保护方法，其特征在于，所述参考点为线路中点或串补电容安装点。
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电力***继电保护. 张保会，尹项根，131-132，中国电力出版社. 2005
电力***继电保护. 张保会，尹项根，131-132，中国电力出版社. 2005 *

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