CN105391035A - 基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法，所述方法包括步骤：A、采集线路两端的电流、节点注入电流、线路序阻抗和线路对地序电容节点支路关联矩阵计算；B、根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，C、根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子；D、确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时确定是否发送跳闸信号。利用本发明的输电线路差动保护***及保护方法，能够在发生故障后准确地判断故障，对各种类型故障均具有较高的灵敏度。

Description

基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法

技术领域

本发明涉及电力***继电保护技术领域，特别是涉及到输电线路差动保护技术。

背景技术

电流差动保护是继电保护中的一种，其原理是利用基尔霍夫电流定理工作。例如当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流(折算后的电流)相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧(或三侧)向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流的和正比于故障点电流，差动继电器动作。

电流差动保护原理简单、工作可靠且具有良好的选择性，作为输电线路的主保护在电力***中广泛应用，长期以来其原理研究及应用受到了保护工作者的极大关注。

现有技术中，差动保护的动作判据可以分为两类，基于工频正弦稳态分量的差动判据和基于的暂态分量的差动判据。基于稳态分量的差动判据易受负荷电流的影响，在区外故障时灵敏度低，在区内高阻接地故障时可能出现保护拒动。例如现有技术1(汤俊、王晓茹，“反应重负荷下高阻故障的稳态量线路差动保护判据”[J]，《中国电机工程学报》，2008，28(4)：72-77)提出了一种自适应电流差动保护判据，通过调节制动系数提高了保护的灵敏度。基于故障分量的保护方案能不受过度电阻和负荷电流的影响，但故障分量只在故障初期短时开放，不能适应高阻缓慢爬升型故障。现有技术2(柳焕章、周泽昕、周春霞，“输电线路突变量电流差动继电器”[J]，《中国电机工程学报》，2013，33(1)：146-151)在制动量中引入灵敏系数，实时修正动作特性，以提高区外短路时保护的可靠性和区内故障时的灵敏度。总体说来，现有技术中的电流差动保护具有负荷电流及故障电流大小对保护存在影响，而且现有技术中的差动保护易受高阻接地、也容易发生转换性故障等。

发明内容

有鉴如此，本发明目的在于解决现有技术中的技术问题，提出一种基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法，消除负荷电流及故障电流大小对保护的影响，用于解决传统差动保护易受高阻接地、转换性故障等因素影响的问题。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种基于故障因子的输电线路差动保护***，所述***包括数据读入模块、故障稳态分量提取模块、保护计算模块和保护动作模块，所述数据读入模块连接至故障稳态分量提取模块和保护计算模块，故障稳态分量提取模块连接至保护计算模块，保护计算模块连接至保护动作模块，其中，

所述数据读入模块用于采集线路两端的电流、线路阻抗、线路对地电容以及节点注入电流值，并将线路两端的电流以及节点注入电流发送至故障稳态分量提取模块，将线路阻抗、线路对地电容以及所形成节点支路关联矩阵并发送至保护计算模块；

所述故障稳态分量提取模块用于根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，并将故障稳态分量发送至保护计算模块；

所述保护计算模块用于根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子，并将线路故障因子发送至保护动作模块；

所述保护动作模块用于确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时，根据线路故障因子确定是否发送跳闸信号。

其中所述保护计算模块确定线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|},$

其中F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量；

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量；

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|;$

故障发生时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|$

其中是指故障点电流相量，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比。

特别地，所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。

一种基于故障因子的输电线路差动保护方法，所述方法包括步骤：

A、采集线路两端的电流、节点注入电流、线路序阻抗和线路对地序电容节点支路关联矩阵计算；

B、根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，

C、根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子；

D、确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时确定是否发送跳闸信号。

另外，步骤C中所述根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|},$

其中F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量；

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量；

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|;$

故障发生时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|$

其中是指故障点电流相量，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比。

特别地，步骤D中所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。

本发明的基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法中，判断故障的判据为故障后的故障稳态分量构造的判据，与现有技术的故障突变量判据相比，只要故障存在，则判据一直成立，无需故障保持逻辑，等待延时即可出口动作，因此本发明对线路故障识别准确，能够在发生故障后准确地判断故障，对各种类型故障均具有较高的灵敏度；同时，本发明具有较高的可靠性，在发生转换性故障的情况下，仍具有较好的选择性。

附图说明

图1为根据本发明具体实施方式的基于故障因子的输电线路差动保护***的结构示意图。

图2是内部发生不对称故障时的负序网络图。

图3是故障稳态网络模型。

图4是***线路故障时故障稳态网络等值模型。

图5是本发明基于故障因子的输电线路差动保护***和方法的应用场合——新英格兰10机39节点分析***图。

图6是区内发生不同类型故障时故障因子变化曲线。

图7是区内经不同过渡电阻发生接地时故障因子分析结果图。

图8是线路内部不同位置发生故障时故障因子分析结果图。

图9是区外故障时故障因子分析结果表。

图10是发展型故障时故障因子分析结果图。

图11是转换型故障时故障因子分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

首先集中说明本说明书中出现的符号所代表的含义。

F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量；

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量；

为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，

为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比，

分别表示故障点电压和电流，

分别表示线路两端电流，

分别线路两端电压，

Z_mn表示线路MN的等值阻抗，

y_m、y_p表示等值导纳；

表示母线M端的测量电流，

表示母线N端的测量电流，

K_rel为可靠系数，

为故障状态下节点注入电流相量，

为无故障状态下节点电压相量为

为无故障状态下节点注入电流相量为

为无故障状态下支路电流相量，

Y_b为支路导纳矩阵，

Y为节点导纳矩阵，

A为节点支路关联矩阵，

和为故障暂态的节点注入电流相量和支路电流相量，

为故障稳态的支路电流相量，

I为支路电流列相量；

Y为节点导纳矩阵；

Y_b为支路导纳矩阵；

A为节点支路关联矩阵；

C表示相关度系数矩阵。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

为了说明本发明的具体技术方案，首先介绍其技术原理。

若将发电机和负荷电流都用节点注入电流来表示，由于电网运行与基准频率下，在不计***中电力电子等非线性器件时网络参数基本为常数，故障状态网络可以看成线性网络。由叠加原理可知,故障状态网络可以由无故障状态网络、故障暂态网络和故障稳态网络叠加而成。其中，故障状态是指发生故障的***所处的实际状态，其节点电压相量为节点注入电流相量为支路电流相量为无故障网络故障稳态是指正常运行情况下***所处的实际状态，其节点电压相量为节点注入电流相量为支路电流相量为：

${\stackrel{\→}{I}}_n=Y_b{\mathrm{AY}}^{-1}{\stackrel{\→}{J}}_n---\left(1\right)$

式中：Y_b为支路导纳矩阵，Y为节点导纳矩阵，A为节点支路关联矩阵。

故障暂态是指故障发生后由节点注入电流变化而引起的暂态过渡过程，其节点注入电流相量为则支路电流列向量为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}_z=Y_b{\mathrm{AY}}^{-1}{\stackrel{\→}{J}}_z\\ {\stackrel{\→}{J}}_z={\stackrel{\→}{J}}_f-{\stackrel{\→}{J}}_n\end{array}\right.---\left(2\right)$

故障稳态是由故障点附加电源引起的状态，其支路电流相量表示为根据网络叠加关系，可通过式(3)计算得出。

${\stackrel{\→}{I}}_w={\stackrel{\→}{I}}_f-{\stackrel{\→}{I}}_n-{\stackrel{\→}{I}}_z---\left(3\right)$

如图2所示为某一正常运行状态网络模型，以线路MN为例，当线路mp发生故障时，其故障稳态网络模型如图3所示。图中，α表示故障点到M端的线路距离百分比(0≤α≤1)；分别表示故障点电压和电流；分别表示线路两端电流，分别线路两端电压。

依据电路理论知识，列写节点电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}(y_m+\frac{1}{{\mathrm{\αZ}}_{mn}}){\stackrel{\·}{U}}_{mf}-\frac{1}{{\mathrm{\αZ}}_{mn}}{\stackrel{\·}{U}}_f={\stackrel{\·}{I}}_{mf}\\ (y_n+{\frac{1}{(1-\mathrm{\α})Z}}_{mn}){\stackrel{\·}{U}}_{nf}-\frac{1}{(1-\mathrm{\α})Z_{mn}}{\stackrel{\·}{U}}_f={\stackrel{\·}{I}}_{nf}\\ -\frac{1}{{\mathrm{\αZ}}_{mn}}{\stackrel{\·}{U}}_{mf}-\frac{1}{(1-\mathrm{\α})Z_{mn}}{\stackrel{\·}{U}}_{nf}+(\frac{1}{{\mathrm{\αZ}}_{mn}}+\frac{1}{(1-\mathrm{\α})Z_{mn}}){\stackrel{\·}{U}}_f={\stackrel{\·}{I}}_f\end{array}\right.---\left(4\right)$

消去故障点电压将式(4)改写为：

$\left[\begin{array}{cc}{y}_m+\frac{1}{Z_{mn}}& -\frac{1}{Z_{mn}}\\ -\frac{1}{Z_{mn}}& y_n+\frac{1}{Z_{mn}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{mf}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{nf}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f\\ {\stackrel{\·}{I}}_{nf}+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_f\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据式(5)可知，线路MN故障附加网络的等效模型如图4所示。与图3对比可看出，故障附加网络等值模型将故障点的电流分配到线路两端，电流值的大小跟故障点的位置有关，且***节点数和拓扑结构在故障前后不变。

在图4所示的故障附加网络等值模型中，仅在线路MN的母线节点处存在注入电流，即节点注入电流列向量J_s中仅在与母线M和N对应的位置有非0值，其余元素均为0，即

$J_S={\left[\begin{array}{ccccccc}0& ...& (1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f& ...& \mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_f& ...& 0\end{array}\right]}^T,$

式中，T表示转置。

依据电网络知识，节点注入电流列向量J_f在各线路上产生的电流为：

I＝Y_bA^TY^-1J_s＝CJ_s，

式中，C表示相关度系数矩阵，且其元素取值范围为[-1，1]。

定义线路MN的故障因子为：

$F_{mn}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|},$

下面分析在线路内部发生故障和未发生故障情况下故障因子的取值范围：

A线路内部发生故障时故障因子取值范围。

根据图3可知，对于故障线路MN，故障附加网络中线路两端的注入电流分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{mf}=C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f+C_{MN,N}*\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_f-(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f\\ {\stackrel{\·}{I}}_{nf}=-C_{MN,N}*(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f-C_{MN,N}*\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_f-\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_f\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素。

线路两端电流和的相量和模值、相量差模值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|\\ \left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|\end{array}\right.---\left(7\right)$

当线路MN发生故障时，F_mn可表示为：

F_mn＝|2*(C_MN,M*(1-α)+C_MN,N*α)+(2α-1)|(8)

式中，2*C_MN,N*(1-α)的取值范围为[-2，2]，2*C_MN,N*α的取值范围为[-2，2]，2α-1的取值范围为[-1，1]，因此，故障因子F_mn的取值范围为[0，5]。

B线路未发生故障时故障因子取值范围。

当线路MN未发生故障时，线路两端电流分别为：

$\{{\stackrel{\·}{I}}_{{\mathrm{nf}}^{=-C_{MN,N}*(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f-C_{MN,N}*\mathrm{\α}\stackrel{\·}{I}}{\mathrm{fm}}^{f=C}MN,M}*(1-\mathrm{\α}){\stackrel{\·}{I}}_f+C_{MN,N}*\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_{f_{\left(9\right)}}$

线路两端电流和的相量和模值、相量差模值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=0\\ \left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|\end{array}\right.---\left(10\right)$

当线路MN未发生故障时，F_mn可表示为：

$F_{mn}=\frac{|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|}{0}---\left(11\right)$

可以看出，线路未发生故障时，故障因子F_mn为无穷大。

因此，如图1所示，本发明具体实施方式的基于故障因子的输电线路差动保护***包括数据读入模块、故障稳态分量提取模块、保护计算模块和保护动作模块，所述数据读入模块连接至故障稳态分量提取模块和保护计算模块，故障稳态分量提取模块连接至保护计算模块，保护计算模块连接至保护动作模块，其中，

所述数据读入模块用于采集线路两端的电流、线路阻抗、线路对地电容以及节点注入电流值，并将线路两端的电流以及节点注入电流发送至故障稳态分量提取模块，将线路阻抗、线路对地电容以及所形成节点支路关联矩阵并发送至保护计算模块；

所述故障稳态分量提取模块用于根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，并将故障稳态分量发送至保护计算模块；

所述保护计算模块用于根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子，并将线路故障因子发送至保护动作模块；

所述保护动作模块用于确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时，根据线路故障因子确定是否发送跳闸信号。

因此，本发明的基于故障因子的输电线路差动保护***中，判断故障的判据为故障后的故障稳态分量构造的判据，与现有技术的故障突变量判据相比，只要故障存在，则判据一直成立，无需故障保持逻辑，等待延时即可出口动作，因此本发明对线路故障识别准确，能够在发生故障后准确地判断故障，对各种类型故障均具有较高的灵敏度。

在一个更加具体的实施方式中，所述保护计算模块确定线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|},$

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|;$

故障发生时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|$

相应地，所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。

与本发明的基于故障因子的输电线路差动保护***相对应，本发明还公开了一种基于故障因子的输电线路差动保护方法，所述方法包括步骤：

A、采集线路两端的电流、节点注入电流、线路序阻抗和线路对地序电容节点支路关联矩阵计算；

B、根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，

C、根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子；

D、确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时确定是否发送跳闸信号。

其中，步骤C中所述根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|},$

其中F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量；

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量；

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=\left|\right|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)\left|\right|{\stackrel{\·}{I}}_f|;$

故障发生时，其值满足： $\left|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}\right|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|$

其中是指故障点电流相量，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比。

相应地，步骤D中所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。

下面通过更加具体的示例来说明本发明的技术效果。

采用新英格兰10机39节点***，以线路18-17为例对本方案进行分析测试，分析模型如图5所示。分析过程中，可靠系数K_rel设为2；故障发生时刻为t＝0.4s。

a不同故障类型

在线路18-17中点处发生不同类型故障时，故障因子变化曲线如图6所示，其中，图(a)为单相接地短路故障，过渡电阻为300Ω；图(b)为两相短路故障；图(c)为两相地短路故障，过渡电阻为300Ω；图(d)为三相接地短路故障。可以看出，本方案不受故障类型的影响，不论是对称或不对称故障，故障因子均远大于10，具有较高的裕度，均能够可靠正确动作。

b不同过渡电阻

在线路17-18中点处经不同过渡电阻发生接地故障时，故障因子分析结果如图7所示，其中，图(a)为单相短路接地故障，图(b)为两相短路接地故障。可以看出，不论过渡电阻取值大小，故障因子均远小于10，本方案均能够正确识别区内接地故障。

c不同故障位置

在线路17-18上，距母线B₁₈不同位置发生不同类型故障时，故障因子分析结果如图8所示。可以看出，本方案不受故障点位置的影响，在各类故障下故障因子远小于10，具有足够的灵敏度。

B区外故障分析

在母线B₁₈和B₁₇侧反向出口发生不同类型故障时，故障因子分析结果如图9所示。可以看出，不论发生何类区外故障，故障因子均远大于10，本方案可靠不动作。

C发展型故障分析

在母线B₁₈侧正向出口和反向出口处分别发生A相接地，经0.02s后发展成AB两相接地故障时，故障因子变化曲线如图10所示，其中，图(a)为母线18侧正向出口发生A相接地发展为AB相接地时故障因子变化曲线，图(b)为母线18侧反向出口发生A相接地发展为AB相接地时故障因子变化曲线。可以看出，在发生区内故障时，由于线路本身结构发生变化，即使再发生其他类型故障，结构依然不健全，本方案能够可靠动作；在发生区外故障时，发生发展型故障后线路本身结构仍未发生破坏，本方案可靠不动作。

D转换型故障分析

在母线B₁₈侧出口处发生A相接地，经0.02s后发展成AB两相接地时，故障因子变化曲线如图11所示，其中，图(a)为母线18侧正向出口发生A相接地转换为反向出口AB相接地时故障因子变化曲线，图(b)为母线18侧反向出口发生A相接地转换为正向出口AB相接地时故障因子变化曲线。可以看出，在发生转换型故障后，本方案能够在短时间内识别故障，具有很强的反应自身结构变化的能力。

通过以上示例表明，本发明具体实施方式中的基于故障因子的输电线路差动保护***及保护方法***能够实现以下技术效果：

1)能够适应***各种运行方式，不受***故障类型和接地电阻等因素的影响，各种故障下都能可靠地、灵敏地、准确地故障定位；

2)判据能够持续反应故障状态，无需附加保持逻辑，只要故障持续存在，判据就一直成立，等待延时到达即可动作；

3)原理上避免了故障电流大小对保护动作特性的影响，可以降低保护门槛值，提高保护动作灵敏度。

4)仅利用电流相量进行计算，方法简单，易于实现。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于故障因子的输电线路差动保护***，所述***包括数据读入模块、故障稳态分量提取模块、保护计算模块和保护动作模块，所述数据读入模块连接至故障稳态分量提取模块和保护计算模块，故障稳态分量提取模块连接至保护计算模块，保护计算模块连接至保护动作模块，其中，

所述数据读入模块用于采集线路两端的电流、线路阻抗、线路对地电容以及节点注入电流值，并将线路两端的电流以及节点注入电流发送至故障稳态分量提取模块，将线路阻抗、线路对地电容以及所形成节点支路关联矩阵并发送至保护计算模块；

所述故障稳态分量提取模块用于根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，并将故障稳态分量发送至保护计算模块；

所述保护计算模块用于根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子，并将线路故障因子发送至保护动作模块；

所述保护动作模块用于确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时，根据线路故障因子确定是否发送跳闸信号。

2.根据权利要求1中所述的基于故障因子的输电线路差动保护***，其特征在于，所述保护计算模块确定线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|}{|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|},$

其中F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量；

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量；

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|;$

故障发生时，其值满足： $|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|$

其中是指故障点电流相量，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比。

3.根据权利要求2中所述的基于故障因子的输电线路差动保护***，其特征在于，所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。

4.一种基于故障因子的输电线路差动保护方法，所述方法包括步骤：

A、采集线路两端的电流、节点注入电流、线路序阻抗和线路对地序电容节点支路关联矩阵计算；

B、根据线路两端的电流、节点注入电流以及节点支路关联矩阵计算的***故障稳态分量，

C、根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子；

D、确定是否满足保护判据启动条件，并在满足保护判据启动条件时确定是否发送跳闸信号。

5.根据权利要求4中所述的基于故障因子的输电线路差动保护方法，其特征在于，步骤C中所述根据线路两端故障稳态电流计算相关度系数矩阵和线路故障因子包括：

$F_{mn}=\frac{|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|}{|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}+{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|},$

其中F_mn为线路的故障因子，

分别为线路一端保护安装处故障稳态电流分量，

分别为线路另一端保护安装处的故障稳态电流分量，

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量和模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足：

故障发生时，其值满足：

所述的为线路两端故障稳态电流分量的相量差模值，其具体取值为：

正常运行时，其值满足： $|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})+(2\mathrm{\α}-1)|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|,$

故障发生时，其值满足： $|{\stackrel{\·}{I}}_{mf}-{\stackrel{\·}{I}}_{nf}|=|2*(C_{MN,M}*(1-\mathrm{\α})+C_{MN,N}*\mathrm{\α})|\left|{\stackrel{\·}{I}}_f\right|,$

其中是指故障点电流相量，

C_MN,M和C_MN,N分别表示支路相关因子矩阵中线路MN对应行中第M个和N个元素，

α为故障点到M端的线路距离百分比。

6.根据权利要求5中所述的基于故障因子的输电线路差动保护方法，其特征在于，步骤D中所述保护判据启动条件的判据为：

其中，所述K_rel为取值大于1的可靠系数。