CN109245057B - 输电线路时域全波形保护装置及相间突变量方向判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输电线路时域全波形保护装置及相间突变量方向判断方法，通过采集故障后和设定周期前的第一组相间电流瞬时值、第二组相间电流瞬时值、第一组相间电压瞬时值、第二组相间电压瞬时值，计算突变量相间电流和突变量相间电压，然后根据突变量相间电流和突变量相间电压的约束关系建立方程组，求解得到正序电抗和正序电阻的大小，进而准确的判断是否是正向故障，解决了现有方向元件无法准确可靠的判断出相间故障方向问题，以及现有方向元件在电力电子化电力***中不可靠的问题。

Description

输电线路时域全波形保护装置及相间突变量方向判断方法

技术领域

本发明属于电力***故障判断技术领域，具体涉及输电线路时域全波形保护装置及相间突变量方向判断方法。

背景技术

随着智能变电站的发展，光学电流互感器技术已得到了广泛的应用，运行也越来越稳定，光学电流互感器解决了诸如磁饱和、绝缘、二次回路等诸多常规电磁式互感器无法解决的问题，在原理上能准确、迅捷地传变一次电流全波形信息，促进全波形保护新原理和新技术研究和发展。

新能源发电、直流输电在电力***应用越来越多，使得电力***电力电子化加剧，造成现代电力***中短路故障特性以及直流输电交流侧短路故障特性与传统交流同步电机电源***的故障特性有本质区别，给传统继电保护装置正常稳定工作带来巨大挑战。在含新能源或直流落点的交流线路发生短路故障时，其故障特征受新能源或直流换流阀的电力电子设备和控制***的影响，导致故障特征复杂多样，传统的方向元件不能可靠的判别故障方向，难以适应电力***的变化。

公告号为CN102508098B的中国专利公开了一种用于交直流混联电网的快速零序方向元件判别方法，根据保护安装处三相电压、电流的采样值计算零序电压、电流的采样值；建立基于零序电压、相间电流瞬时采样值的时域微分方程；利用时域微分方程及最小二乘法计算零序电阻、零序电感分量；将***零序电阻、零序电感分量转换到频域，计算出工频零序阻抗；根据零序阻抗在阻抗平面所在区域落在正方向或反方向动作区判别是否发生正向或反向接地故障；该方法不受低频分量及分数次谐波及交直流混联电网故障后正序、负序阻抗不相等的影响，保证了计算结果的可靠性，动作性能远优于基于半周傅式算法及其各种工频方向元件，基于零序的方向元件能够判断发生了正方向接地故障，但无法定位故障相；在同杆线路发生与另一回线的非接地故障时，该方法的故障方向元件将判断失效，且该方法基于零序的判别只能针对接地故障，对相间及非接地故障不适用。

发明内容

本发明的目的是提供输电线路时域全波形保护装置及相间突变量方向判断方法，用于解决现有零序方向元件无法准确可靠的判断出相间故障方向问题。

为解决上述技术问题，实现非接地故障的方向判别方法，并准确定位故障相，本发明提出一种输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组相间电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电流瞬时值，算故障发生后的n个采样点的第一组相间电压瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电压瞬时值；

2)根据第一组相间电流瞬时值和第二组相间电流瞬时值得到各采样点的突变量相间电流；根据第一组相间电压瞬时值和第二组相间电压瞬时值得到各采样点的突变量相间电压；

3)根据突变量相间电流、突变量相间电压、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相间发生了正向故障。

考虑到现有采用全波形距离保护技术没有适用的快速方向元件，本发明通过采集故障后和设定周期前的第一组相间电流瞬时值、第二组相间电流瞬时值、第一组相间电压瞬时值、第二组相间电压瞬时值，计算突变量相间电流和突变量相间电压，然后根据算突变量相间电流和突变量相间电压的约束关系建立方程组，求解得到正序电抗和正序电阻的大小，进而准确的判断是否是正向故障，解决了现有方向元件无法准确可靠的判断出相间故障方向问题，以及现有方向元件在电力电子化电力***中不可靠的问题。

进一步，n个采样点的任一相间的n个突变量相间电压的公式为

k为故障发生后第一个采样点的采样时刻，N为周期，m为周期个数，

为第一组相间电压瞬时值，

为第二组相间电压瞬时值；对应相间的n+1个突变量相间电流的公式为

为第一组相间电流瞬时值，

为第二组相间电流瞬时值；

所述约束关系的公式为：

式中，L₁、R₁分别为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；其中

t_s为采样间隔。

进一步，所述n维方程组的公式为：

进一步，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种输电线路时域全波形保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组相间电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电流瞬时值，算故障发生后的n个采样点的第一组相间电压瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电压瞬时值；

2)根据第一组相间电流瞬时值和第二组相间电流瞬时值得到各采样点的突变量相间电流；根据第一组相间电压瞬时值和第二组相间电压瞬时值得到各采样点的突变量相间电压；

3)根据突变量相间电流、突变量相间电压、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻；

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相间发生了正向故障。

进一步，n个采样点的任一相间的n个突变量相间电压的公式为

k为故障发生后第一个采样点的采样时刻，N为周期，m为周期个数，

为第一组相间电压瞬时值，

为第二组相间电压瞬时值；对应相间的n+1个突变量相间电流的公式为

为第一组相间电流瞬时值，

为第二组相间电流瞬时值；

所述约束关系的公式为：

式中，L₁、R₁分别为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；其中

t_s为采样间隔。

进一步，所述n维方程组的公式为：

进一步，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

附图说明

图1是一种输电线路时域全波形保护装置的相间突变量方向判断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明提供一种输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组相间电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电流瞬时值，计算故障发生后的n个采样点的第一组相间电压瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电压瞬时值。具体的：

通过故障发生后的n个采样点的三相电压，计算得到对应采样点的相间电压

即第一组相间电压瞬时值，其中相间电压计算公式，以ab相为例：

u_ab(j₁)＝u_a(j₁)-u_b(j₁)

式中，j₁＝k、k-1...k-n+1，k为故障发生后第一个采样点的采样时刻。

根据m个周期前n个采样点的三相电压，计算得到对应的相间电压

即第二组相间电压瞬时值，N为周期，m为周期个数，其中相间电压计算公式，以ab相为例：

u_ab(j₁)＝u_a(j₁)-u_b(j₁)

式中，j₁＝k、k-1...k-n+1。

通过故障发生后的n+1个采样点的三相电流，计算得到对应采样点的相间电流

即第一组相间电流瞬时值，其中相间电流计算公式，以ab相为例：

i_ab(j₂)＝i_a(j₂)-i_b(j₂)

式中，j₂＝k、k-1...k-n。

根据m个周期前n+1个采样点的三相电流，计算得到对应的相间电流

即第二组相间电流瞬时值，其中相间电流计算公式，以ab相为例：

i_ab(j₂)＝i_a(j₂)-i_b(j₂)

式中，j₂＝k、k-1...k-n。

2)根据第一组相间电流瞬时值和第二组相间电流瞬时值得到各采样点的突变量相间电流；根据第一组相间电压瞬时值和第二组相间电压瞬时值得到各采样点的突变量相间电压。具体的：

n个采样点的任一相间的n个突变量相间电压的公式为

k为故障发生后第一个采样点的采样时刻，N为周期，m为周期个数，

为第一组相间电压瞬时值，

为第二组相间电压瞬时值；对应相间的n+1个突变量相间电流的公式为

为第一组相间电流瞬时值，

为第二组相间电流瞬时值。

3)根据突变量相间电流、突变量相间电压、正序电抗以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；具体的，约束关系为：

L₁、R₁为正序网络的等值正序电抗、正序电阻；其中

可由两点微分算法公式求得：

若取频率50Hz，采样率1200，则t_s采样间隔为0.833333ms。

n维方程组，为二元一次n维方程组，如下：

上述公式中除L₁、R₁外，其他参数均为已知。

4)利用最小二乘法对该n维方程组进行求解得到正序电抗和正序电阻。

5)判断正序电抗和正序电阻是否均小于零，若是，则发生了相间的正向故障。

利用光学电流互感器采集继电保护安装处电压和电流采样值信息，当线路发生短路故障时，获得继电保护安装处故障后的电压和电流采样值信息，并处理获得相间电流瞬时值信息、相间电压瞬时值信息、记忆相间电流瞬时值、记忆相间电压瞬时值，计算出突变量相间电压瞬时值、突变量相间电流瞬时值；利用全波形信息按R-L线路模型列出微分方程；利用n个采样点得到n个微分方程；解微分方程得到R₁、L₁的值，最终根据R₁和L₁的符号来判断故障方向，实现故障方向的判定。

上述的方法可以应用于一种输电线路时域全波形保护装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行上述程序时实现上述的判断方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组相间电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电流瞬时值，计算故障发生后的n个采样点的第一组相间电压瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电压瞬时值；

2)根据第一组相间电流瞬时值和第二组相间电流瞬时值得到各采样点的突变量相间电流；根据第一组相间电压瞬时值和第二组相间电压瞬时值得到各采样点的突变量相间电压；

3)根据突变量相间电流、突变量相间电压、正序电感以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电感和正序电阻；

5)判断正序电感和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相间发生了正向故障。

2.根据权利要求1所述的输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，其特征在于，n个采样点的任一相间的n个突变量相间电压的公式为

j₁＝k、k-1...k-n+1，k为故障发生后第一个采样点的采样时刻，N为周期，m为周期个数，

为第一组相间电压瞬时值，

为第二组相间电压瞬时值；对应相间的n+1个突变量相间电流的公式为

j₂＝k、k-1...k-n，

为第一组相间电流瞬时值，

为第二组相间电流瞬时值；

所述约束关系的公式为：

式中，L₁、R₁分别为正序网络的等值正序电感、正序电阻；其中

t_s为采样间隔。

3.根据权利要求2所述的输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，其特征在于，所述n维方程组的公式为：

4.根据权利要求3所述的输电线路时域全波形保护装置相间突变量方向判断方法，其特征在于，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

5.一种输电线路时域全波形保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)根据保护安装处三相电压、电流的采样值信息，计算故障发生后的n+1个采样点的第一组相间电流瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电流瞬时值，算故障发生后的n个采样点的第一组相间电压瞬时值、各对应采样点在设定周期前的第二组相间电压瞬时值；

2)根据第一组相间电流瞬时值和第二组相间电流瞬时值得到各采样点的突变量相间电流；根据第一组相间电压瞬时值和第二组相间电压瞬时值得到各采样点的突变量相间电压；

3)根据突变量相间电流、突变量相间电压、正序电感以及正序电阻之间的约束关系，建立n维方程组；

4)对该n维方程组进行求解得到正序电感和正序电阻；

5)判断正序电感和正序电阻是否均小于零，若是，则对应相间发生了正向故障。

6.根据权利要求5所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，n个采样点的任一相间的n个突变量相间电压的公式为

j₁＝k、k-1...k-n+1，k为故障发生后第一个采样点的采样时刻，N为周期，m为周期个数，

为第一组相间电压瞬时值，

为第二组相间电压瞬时值；对应相间的n+1个突变量相间电流的公式为

j₂＝k、k-1...k-n，

为第一组相间电流瞬时值，

为第二组相间电流瞬时值；

所述约束关系的公式为：

式中，L₁、R₁分别为正序网络的等值正序电感、正序电阻；其中

t_s为采样间隔。

7.根据权利要求6所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，所述n维方程组的公式为：

8.根据权利要求7所述的输电线路时域全波形保护装置，其特征在于，步骤4)中利用最小二乘法求解所述n维方程组。

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