CN109066614A - 一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法 - Google Patents

一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，属电力***继电保护技术领域。在检测到故障时，通过首末两端检测到的暂态电气量计算电压、电流突变量，通过暂态电压、电流突变量的乘积计算瞬时功率，并通过瞬时功率的积分求取暂态能量，以暂态能量的极性其构造区内、外故障判据，无论故障点位于线路何处该方法均可可靠实现区内、外故障辨识，此外暂态能量极性不受故障角、过渡电阻改变而改变极性，因此暂态能量保护法适用于半波长输电线路。

Description

一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，属于电力***继电保护技术领域。
背景技术
半波长交流输电是指输电距离接近半个工频波长的超远距离交流输电技术，在工频50HZ时，输电距离约为3000km，半波长输电技术是由苏联学者在20世纪40年代提出的，由于当时没有实际工程需求，且其关键技术未突破，半波长输电技术虽可用于能源基地与负荷中心之间远距离、大规模、大容量的电力输送难题，但迄今为止尚无半波长输电网络投入运行。半波长交流输电技术作为大容量、远距离交流输电方式，其优势是：①全线无功自平衡，无需安装无功补偿设备；②电压稳定性好，全线稳态均压1p.u；③从功率传输的角度而言，其等效电气距离为0，理论上输电能力无穷大；④经济特性优异，相较于UHVDC，半波长交流输电技术利用纯交流***的自然特性，无需额外运行控制设备。目前，半波长领域相关基础课题研究已纳入中国国家电网公司的战略发展规划，并受到广泛关注。
半波长线路故障时线路的电压电流特征与普通线路完全不同，而且分布电容大，容易受分布电容的影响，所以传统的保护原理不适用于半波长线路。对于距离保护，半波长线路测量阻抗随故障点位置非线性变化，线路的空间距离与电气距离不再呈线性关系，无法区分线路首端及正向出口故障，存在严重的正向超越，距离保护不再适用。现有文献提出了一种半波长线路伴随阻抗保护。该保护利用线路两侧保护安装处的电气量推导出故障点补偿电压和电流，利用补偿电压和电流构建伴随阻抗。该方法用到了线路两侧的电气量，需依赖通道。另一现有文献提出了一种改进的距离保护方法，重新组合了电压电流分量，测量阻抗为双曲实数函数，在半波长输电范围内单调变化。但是该距离保护仅适用于相间故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，在检测到故障时，通过首端检测到的暂态电气量计算电压突变量、电流突变量，通过暂态电压、电流突变量的乘积计算瞬时功率，并通过瞬时功率的积分求取暂态能量，规定电流正方向为母线指向线路的方向，当M侧正方向故障时，以暂态能量的极性来构造区内、外故障判据，对区内、外故障进行判别。
具体步骤为：
(1)通过检测电压故障分量和线路电流故障分量检出输电线路发生故障，为输电线路三相的编号；
(2)提取输电线路故障发生后线路电压故障分量和线路电流故障分量 为输电线路三相的编号；
(3)计算故障分量***功率P(t)：
P(t)＝Δua×Δia+Δub×Δib+Δuc×Δic
a、b、c为输电线路三相的编号；
(4)功率在一定时间段上积分或求和即可得到暂态能量：
式中t表示故障后某一时刻，0表示故障时刻；
(5)规定电流正方向为母线指向线路的方向，当线路MN段发生故障时，此时：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝-EPN(t)
EPM(t)、EPN(t)分别为***PM、PN消耗和存储的能量，当***中同时存在电感和电容时，电感和电容之间存在能量的交换，EPM(t)、EPN(t)在故障后的任一时刻都将储存一定的能量，即EPM(t)、EPN(t)始终大于零。故有：
EM(t)＜0
EN(t)＜0
(6)当线路PM段发生故障时，此时有：
EM(t)＝EX(t)+EPN(t)
EN(t)＝-EPN(t)
其中EX(t)、EPN(t)分别为线路和***PX所吸收的能量。由于***PN及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPN(t)均不小于零。此时有：
EM(t)≥0
EN(t)＜0
(7)当线路NQ段发生故障时，此时有：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝EX(t)+EPM(t)
其中EX(t)、EPM(t)分别为线路和***PM所吸收的能量。由于***PM及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPM(t)均不小于零。此时有：
EM(t)＜0
EN(t)≥0
(8)据此，提出判据：
本发明的有益效果是：
1、随着故障距离增大，区内故障的暂态能量绝对值会逐渐减小，但该方法在末端故障时仍能可靠的识别区内、外故障；
2、随着过渡电阻的增大，暂态能量绝对值逐渐减小，但该方法由于采用方向元件本质上是通过暂态能量的正负极性来判断区内、外故障，对暂态能量值的大小要求不高，且特高压输电网络中高阻故障发生情况极少，因此只需考虑躲过整定值并判别出极性即可，另一方面，由于暂态能量是瞬时功率的积分，在所选取的时窗内，能量的大小必能满足极性判断所需要求；
3、由于暂态能量方向元件并不依赖初始行波波头极性，即使在故障初始角很小时，暂态能量的方向性仍旧明显，由此构成的方向元件灵敏度依旧很高。
附图说明
图1是本发明实施例半波长输电线路仿真***模型；
图2是本发明特高压半波长输电线路杆塔模型；
图3是本发明正、反方向故障附加状态仿真***图；
图4是本发明M侧瞬时功率与暂态能量波形图；
图5是本发明在线路不同段发生故障时双端暂态能量波形图；
图6是本发明暂态能量随故障距离的变化曲线图；
图7是本发明暂态能量随故障过渡电阻的变化曲线图；
图8是本发明暂态能量随故障初始角的变化曲线图；
图9是本发明的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，在检测到故障时，通过首末两端检测到的暂态电气量计算电压突变量Δu(t)、电流突变量Δi(t)，通过暂态电压、电流突变量的乘积计算瞬时功率P(t)，并通过瞬时功率的积分求取暂态能量E(t)，规定电流正方向为母线指向线路的方向，首端母线M侧暂态能量为EM，末端母线N侧暂态能量为EN，以首末两端暂态能量的极性其构造区内、外故障判据，若EM＜0且EN＜0，则为区内MN段故障；若EM≥0且EN＜0，则为***PM侧P端到母线M端的区外PM段故障；若EM＜0且EN≥0，则为母线N端到***PN侧Q端的区外NQ段故障。
具体步骤为：
(1)通过检测电压故障分量和线路电流故障分量检出输电线路发生故障，为输电线路三相的编号；
(2)提取输电线路故障发生后线路电压故障分量和线路电流故障分量 为输电线路三相的编号；
(3)计算故障分量***功率P(t)：
P(t)＝Δua×Δia+Δub×Δib+Δuc×Δic
a、b、c为输电线路三相的编号；
(4)功率在一定时间段上积分或求和即可得到暂态能量：
式中t表示故障后某一时刻，0表示故障时刻；
(5)规定电流正方向为母线指向线路的方向，当线路MN段发生故障时，此时：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝-EPN(t)
EPM(t)、EPN(t)分别为***PM、PN消耗和存储的能量，当***中同时存在电感和电容时，电感和电容之间存在能量的交换，EPM(t)、EPN(t)在故障后的任一时刻都将储存一定的能量，即EPM(t)、EPN(t)始终大于零。故有：
EM(t)＜0
EN(t)＜0
(6)当线路PM段发生故障时，此时有：
EM(t)＝EX(t)+EPN(t)
EN(t)＝-EPN(t)
其中EX(t)、EPN(t)分别为线路和***PN所吸收的能量。由于***PN及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPN(t)均不小于零。此时有：
EM(t)≥0
EN(t)＜0
(7)当线路NQ段发生故障时，此时有：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝EX(t)+EPM(t)
其中EX(t)、EPM(t)分别为线路和***PM所吸收的能量。由于***PM及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPM(t)均不小于零。此时有：
EM(t)＜0
EN(t)≥0
(8)据此，提出判据：
实施例1：建立如图1所示的半波长输电线路仿真***模型，模型参数选用特高压1000kV线路参数，以图2所示特高压杆塔作为特高压半波长输电线路杆塔，设线路均匀换位，两端电源***，线路全长3000km，仿真步长设置为100kHZ。利用图3所示仿真***对母线M处正方向F1点和反方向F2点两处故障情况进行分析，M侧瞬时功率与暂态能量曲线如图4所示。
由图4(a)可知，由于行波在故障点和负荷之间来回折反射，瞬时功率的正负极性在故障之后的变化并不恒定，这是由于零初始状态下能量在保护背侧***中的储能元件之间发生了交换；瞬时功率对时间积分所求得的暂态能量极性确始终保持不变，则是因为其中的电阻上消耗的能量总是单调上升，且储能元件在故障后任一时刻都将存储着部分能量。
对于N侧方向继电器R2而言，有相同判据EN。在如图3所示的输电线路仿真***中，分别在线路PM上、MN上距M端300km以及NQ上发生故障时双端的暂态能量变化曲线如图5所示。
当故障发生在被保护线路MN区内时，如图5(a)所示，M侧和N侧两端的暂态能量均小于零，双端判别结果均为正向故障；当故障发生在线路PM段时，如图5(b)所示，M侧暂态能量大于零而N侧暂态能量小于零，对于M侧而言，判别为反向故障，而N侧判别结果相反；同理，如图5(c)所示，当故障发生在线路NQ段时，M侧判为正向，而N侧判为反向。因此，由M、N双端方向继电器R1、R2可构成纵联保护决策表如下表1所示。
表1由方向继电器R1、R2构成的纵联保护决策表
故障位置 E<sub>M</sub> E<sub>N</sub> R<sub>1</sub> P<sub>2</sub> 判别结果 决策结果
F<sub>1</sub> -25300 -27120 - - 区内MN段故障 保护动作
F<sub>2</sub> 21770 -13260 + - 区外PM段故障 闭锁R<sub>1</sub>-R<sub>2</sub>
F<sub>3</sub> -14110 19430 - + 区外NQ段故障 闭锁R<sub>1</sub>-R<sub>2</sub>
注：表中“-”代表正方向故障，而“+”代表反方向故障
实施例2：建立如图1所示的变压器内部故障仿真***模型，其参数在实施例1中做了详细说明，这里不再赘述。
假设在M侧正方向线路MN段发生A相接地短路故障，短路电阻为10Ω，故障初始角为60°，以100km的增量对不同的故障位置进行仿真验证，在3ms时窗内的暂态能量值随故障距离变化如图6所示。
由图6可知，随着故障距离增大，区内故障的暂态能量绝对值会逐渐减小，但在末端故障时仍能可靠的识别正、反方向故障。
假设在M侧正方向300km处发生A相接地故障，故障初始角为60°，过渡电阻在0～600Ω之间以30Ω递增，M侧保护安装处检测到的暂态能量值如图7所示。
由图7可知，随着过渡电阻的增大，暂态能量绝对值逐渐减小，但由于采用方向元件本质上是通过暂态能量的正负极性来判断正、反向故障，对暂态能量值的大小要求不高，且特高压输电网络中高阻故障发生情况极少，因此只需考虑躲过整定值并判别出极性即可，另一方面，由于暂态能量是瞬时功率的积分，在所选取的时窗内，能量的大小必能满足极性判断所需要求。
假设距M端正方向300km处发生A相接地故障，过渡电阻为10Ω，故障初始角在0～90°之间以每10°递增，M侧保护处检测到暂态能量值随故障初始角变化如图8所示。
由图8可知，由于暂态能量方向元件并不依赖初始行波波头极性，即使在故障初始角很小时，暂态能量的方向性仍旧明显，由此构成的方向元件灵敏度依旧很高。
结果证明该方法可在全线任意位置、任意故障角和过渡电阻的情况下有效识别单相接地故障，实现区内、外故障辨识。此外该方法不受故障距离、过渡电阻、故障初始角的影响。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，其特征在于：在检测到故障时，通过首末两端检测到的暂态电气量计算电压突变量Δu(t)、电流突变量Δi(t)，通过暂态电压、电流突变量的乘积计算瞬时功率P(t)，并通过瞬时功率的积分求取暂态能量E(t)，规定电流正方向为母线指向线路的方向，首端母线M侧暂态能量为EM，末端母线N侧暂态能量为EN，以首末两端暂态能量的极性其构造区内、外故障判据，若EM＜0且EN＜0，则为区内MN段故障；若EM≥0且EN＜0，则为***PM侧P端到母线M端的区外PM段故障；若EM＜0且EN≥0，则为母线N端到***PN侧Q端的区外NQ段故障。
2.根据权利要求1所述的基于暂态能量的半波长输电线路保护方法，其特征在于具体步骤为：
(1)通过检测电压故障分量和线路电流故障分量检出输电线路发生故障，为输电线路三相的编号；
(2)提取输电线路故障发生后线路电压故障分量和线路电流故障分量 为输电线路三相的编号；
(3)计算故障分量***功率P(t)：
P(t)＝Δua×Δia+Δub×Δib+Δuc×Δic
a、b、c为输电线路三相的编号；
(4)功率在一定时间段上积分或求和即可得到暂态能量：
式中t表示故障后某一时刻，0表示故障时刻；
(5)规定电流正方向为母线指向线路的方向，当线路MN段发生故障时，此时：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝-EPN(t)
EPM(t)、EPN(t)分别为***PM、PN消耗和存储的能量，当***中同时存在电感和电容时，电感和电容之间存在能量的交换，EPM(t)、EPN(t)在故障后的任一时刻都将储存一定的能量，即EPM(t)、EPN(t)始终大于零。故有：
EM(t)＜0
EN(t)＜0
(6)当线路PM段发生故障时，此时有：
EM(t)＝EX(t)+EPN(t)
EN(t)＝-EPN(t)
其中EX(t)、EPN(t)分别为线路和***PN所吸收的能量。由于***PN及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPN(t)均不小于零。此时有：
EM(t)≥0
EN(t)＜0
(7)当线路NQ段发生故障时，此时有：
EM(t)＝-EPM(t)
EN(t)＝EX(t)+EPM(t)
其中EX(t)、EPM(t)分别为线路和***PM所吸收的能量。由于***PM及线路等无源网络只能吸收能量，故EX(t)、EPM(t)均不小于零。此时有：
EM(t)＜0
EN(t)≥0
(8)据此，提出判据：
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