CN112039036B - 一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及*** - Google Patents

一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及***，包括根据采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；根据故障时刻以及采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量绝对值大小判断是否发生区内故障。本发明判据简单、动作速度快，可有效提升交流线路距离保护的动作速度，可提升交流电网的安全稳定性。

Description

一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及***
技术领域
本发明属于电力***继电保护领域，更具体地，涉及一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及***。
背景技术
目前，我国各大区域电网以超/特高压交直流输电线路实现互联，已形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网。在大规模新能源接入的交直流混联大电网格局下，高压交流输电线路作为电力传输的大动脉，其运行安全直接关乎整个电力***的安全稳定，因此对线路故障的切除速度提出了更高的要求。
距离保护在交流输电***中得到了广泛的应用，随着交流输电电压等级提升，输送容量进一步扩大，对距离保护的动作速度提出更高的要求。距离保护动作速度的提升对于保证***安全稳定运行具有重要的意义。
目前传统的距离保护一般是基于工频相量，其动作速度会受到工频相量提取算法时间窗的限制，动作速度较慢，故障切除时间较长不利于***的安全稳定。同时基于工频相量的距离保护其理论基础是基于同步发电机电源特性的故障分析方法，然而新能源以及直流***的故障暂态特性与同步发电机存在显著区别，基于工频相量的距离保护在电网新形势下存在性能劣化的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及***，旨在解决现有技术中存在的交流线路距离保护动作速度慢，故障切除时间较长的技术问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法，方法基于的***结构包括：第一等值电源、第一交流线路、第一母线、被保护交流线路、第二母线、第二交流线路、第二等值电源、第一继电保护装置和第二继电保护装置，第一等值电源通过第一交流线路与第一母线相连，第一母线通过被保护交流线路与第二母线相连，第二母线通过第二交流线路与第二等值电源相连；第一继电保护装置安装在第一母线出口处，第二继电保护装置安装在第二母线出口处。
所述方法包括下述步骤：
S1：根据采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
S2：根据故障时刻以及采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
S3：将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
S4：利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
S5：利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
S6：根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障。若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则等待下一次故障发生，当交流线路发生故障时转入步骤S1。
更进一步的，步骤S1中，整定点电压的计算方法为：uSETk(t)＝f1[uk(t)，ik(t)]；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uSETk(t)为整定点电压，uk(t)为采集的三相电压，ik(t)为采集的三相电流，f1[uk(t)，ik(t)]为uk(t)和 ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定点电压。
更进一步的，步骤S2中，虚拟故障点电压重构方法为：故障时刻前，虚拟故障点电压为被保护线路上某一点电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零；步骤S2中故障时刻前虚拟故障点电压的计算方法为： uFAULTk(t)＝f2[uk(t)，ik(t)]；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uFAULTk(t)为整定点电压，uk(t)为采集的三相电压，ik(t)为采集的三相电流，f2[uk(t)，ik(t)]为uk(t)和 ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的虚拟故障点电压。
更进一步的，步骤S3中，数字低通滤波器的截止频率根据被保护线路的长度进行选择。
更进一步的，步骤S4中，整定点电压变化量的计算方法为： u1k(t)＝uSET_LPFk(t)-uSET_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为当前时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u1k(t)为整定点电压变化量，uSET_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的整定点电压。
更进一步的，步骤S5中，虚拟故障点电压变化量的计算方法为： u2k(t)＝uFAULT_LPFk(t)-uFAULT_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u2k(t)为虚拟故障点电压变化量，uFAULT_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压；
更进一步的，步骤S6中，区内外故障的判别方法为：
若故障后预设时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值始终大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区内故障；若故障后一段时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值不满足持续大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区外故障。若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则等待下一次故障发生，当交流线路发生故障时转入步骤 S1。
本发明另一方面提供了一种交流线路瞬时值变化量距离保护***，包括整定点电压获取模块，用于根据采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
虚拟故障点电压获取模块，用于根据故障时刻以及采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
滤波模块，用于将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
整定点电压变化量获取模块，用于利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
虚拟故障点电压变化量获取模块，用于利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
判断模块，用于根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障，若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则保护不动作。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明利用继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；根据故障时刻以及继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；比较故障后预设时间内整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量绝对值的大小判断是否发生区内故障。本发明提出的交流线路瞬时值变化量距离保护方法，判据简单、所需数据窗短，能有效提升交流线路距离保护动作速度，提升***的安全稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的交流输电***结构示意图；
图2是本发明实施例提供的典型500kV交流输电***结构示意图；
图3为本发明500kV交流输电***第一继电保护装置正方向被保护线路40％处发生a相短路故障(图2中f1点)时，第一继电保护装置计算的整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量变化曲线；
图4为本发明500kV交流输电***第一继电保护装置正方向被保护线路90％处发生a相短路故障(图2中f2点)，第一继电保护装置计算的整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量变化曲线；
附图标注：
1为第一等值电源、2为第一交流线路、3为第一母线、4为被保护交流线路、5为第二母线、6为第二交流线路、7为第二等值电源、8为第一继电保护装置、9为第二继电保护装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明针对传统的交流线路距离保护动作速度慢，故障切除时间较长的问题，提供一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法。
在本发明实施例中，利用继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；根据故障时刻以及继电保护装置采集的三相电压和电流信息，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；比较故障后预设时间内整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量绝对值的大小判断是否发生区内故障。本发明提出的交流线路瞬时值变化量距离保护方法，判据简单、所需数据窗短，能有效提升交流线路距离保护动作速度，提升***的安全稳定性。
如图1所示，本发明实施例提供的一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法，该方法基于的***结构包括：第一等值电源1、第一交流线路2、第一母线3、被保护交流线路4、第二母线5、第二交流线路6、第二等值电源7、第一继电保护装置8和第二继电保护装置9，第一等值电源1通过第一交流线路2与第一母线3相连，第一母线3通过被保护交流线路4与第二母线5相连，第二母线5通过第二交流线路6与第二等值电源7相连；第一继电保护装置8安装在第一母线3出口处，第二继电保护装置9安装在第二母线5出口处。
所述方法包括下述步骤：
S1：根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
S2：根据故障时刻以及继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
S3：将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
S4：利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
S5：利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
S6：根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障，若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则等待下一次故障发生，当交流线路发生故障时转入步骤S1。
更进一步的，步骤S1中，整定点电压的计算方法为：uSETk(t)＝f1[uk(t)，ik(t)]；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uSETk(t)为整定点电压，uk(t)为保护装置采集的三相电压，ik(t)为保护装置采集的三相电流， f1[uk(t)，ik(t)]为uk(t)和ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定点电压。
更进一步的，步骤S2中，虚拟故障点电压重构方法为：故障时刻前，虚拟故障点电压为被保护线路上某一点电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零；步骤S2中故障时刻前虚拟故障点电压的计算方法为： uFAULTk(t)＝f2[uk(t)，ik(t)]；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uFAULTk(t)为整定点电压，uk(t)为保护装置采集的三相电压，ik(t)为保护装置采集的三相电流， f2[uk(t)，ik(t)]为uk(t)和ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的虚拟故障点电压。
更进一步的，步骤S3中，数字低通滤波器的截止频率需要根据被保护线路的长度进行选择。
更进一步的，步骤S4中，整定点电压变化量的计算方法为： u1k(t)＝uSET_LPFk(t)-uSET_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为当前时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u1k(t)为整定点电压变化量，uSET_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的整定点电压。
更进一步的，步骤S5中，虚拟故障点电压变化量的计算方法为： u2k(t)＝uFAULT_LPFk(t)-uFAULT_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u2k(t)为虚拟故障点电压变化量，uFAULT_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压。
更进一步的，步骤S6中，区内外故障的判别方法为：
若故障后一段时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值始终大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区内故障；若故障后一段时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值不满足持续大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区外故障。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的交流线路瞬时值变化量距离保护方法，现结合附图以及具体实例详述如下：
具体实施方式以典型的500kV交流输电***为例进行说明，如图2所示，典型的500kV交流输电***包含第一等值电源1、第一交流线路2、第一母线3、被保护交流线路4、第二母线5、第二交流线路6、第二等值电源7、第一继电保护装置8和第二继电保护装置9，第一等值电源1通过第一交流线路2与第一母线3相连，第一母线3通过被保护交流线路4与第二母线5相连，第二母线5通过第二交流线路6与第二等值电源7相连；第一继电保护装置8安装在第一母线3出口处，第二继电保护装置9安装在第二母线5出口处。
采用上述***，交流线路暂态量距离保护方法按照以下步骤实施：
步骤1：根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
步骤2：根据故障时刻以及继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
步骤3：将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
步骤4：利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
步骤5：利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
步骤6：根据故障后一短时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障。
在本发明实施例中，步骤1中，基于交流输电线路RL模型，整定点电压的计算方法具体为：
Figure BDA0002666717210000091
其中，t为时刻；useta(t)，usetb(t)，usetc(t)为整定点三相电压；ua(t)，ub(t)， uc(t)为保护装置采集的三相电压；ia(t)，ib(t)，ic(t)为保护装置采集的三相电流；rs为被保护线路单位长度自电阻；rm为被保护线路单位长度互电阻；ls为被保护线路单位长度自电感；lm为被保护线路单位长度互电感；Lset为保护范围，在本实施例中设置为被保护线路全长的80％。
在本发明实施例中，步骤2中，虚拟故障点电压重构方法具体为：故障时刻前，虚拟故障点电压为被保护线路上某一点电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零；基于交流输电线路RL模型，故障时刻前虚拟故障点电压的计算方法具体为：
Figure BDA0002666717210000092
其中，t为时刻；useta(t)，usetb(t)，usetc(t)为整定点三相电压；ua(t)，ub(t)， uc(t)为保护装置采集的三相电压；ia(t)，ib(t)，ic(t)为保护装置采集的三相电流；rs为被保护线路单位长度自电阻；rm为被保护线路单位长度互电阻；ls为被保护线路单位长度自电感；lm为被保护线路单位长度互电感；Ld为线路长度，在本实施例中设置为被保护线路全长的50％。
在本发明实施例中，步骤3中，数字低通滤波器截止频率根据被保护线路长度的进行选择，实施例中被保护线路长度为200km，则数字低通滤波器截止频率选择为200Hz。
在本发明实施例中，步骤4中，整定点电压变化量的计算方法为：u1k(t)＝uSET_LPFk(t)-uSET_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相；t为当前时刻；t0为当前时刻之前的某时刻，在本发明实施例中，t0设置为故障发生时刻；u1k(t)为整定点电压变化量；uSET_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的整定点电压；
在本发明实施例中，虚拟故障点电压变化量的计算方法为： u2k(t)＝uFAULT_LPFk(t)-uFAULT_LPFk(t0)；
其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相；t为时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，在本发明实施例中，t0设置为故障发生时刻；u2k(t)为虚拟故障点电压变化量；uFAULT_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压。
在本发明实施例中，步骤6中，区内外故障的判别方法具体为：
若|u1k(t)|＞|u2k(t)|在故障后3ms内持续成立超过1ms，则认为发生k相区内故障；其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相；若|u1k(t)|＞|u2k(t)|在故障后 3ms内持续成立未超过1ms，则认为发生k相区外故障；其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相。
在本实施例中，设置第一继电保护装置8正方向被保护线路40％处发生a相短路故障(图2中f1点)，第一继电保护装置8计算的整定点电压变化量与虚拟故障点电压变化量如图3所示，整定点电压变化量的绝对值大于虚拟故障点电压变化量的绝对值在故障后3ms内持续成立超过1ms，故判定为区内故障，在故障后1ms即可发出跳闸指令。
在本实施例中，设置第一继电保护装置8正方向被保护线路90％处发生a相短路故障(图2中f2点)，第一继电保护装置8计算的整定点电压变化量与虚拟故障点电压变化量如图4所示，整定点电压变化量绝对值大于虚拟故障点电压变化量在故障后3ms内持续未持续成立超过1ms，故判定为区外故障。
参照图3、图4，图3为本发明典型500kV交流输电***第一继电保护装置8正方向被保护线路40％处发生单相接地故障(f1)时，第一继电保护装置计算8的整定点电压变化量与虚拟故障点电压变化量变化曲线；图4 为本发明典型500kV交流输电***第一继电保护装置8正方向被保护线路 90％处发生单相接地故障(f2)时，第一继电保护装置计算的整定点电压变化量与虚拟故障点电压变化量变化曲线。从图3-图4中可以看出，本发明实施例提供的方法能够快速判断是否发生区内故障。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S1：根据采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
S2：根据故障时刻以及采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
S3：将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
S4：利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
S5：利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
S6：根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障，若故障后预设时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值始终大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区内故障；若故障后预设时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值不满足持续大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区外故障；若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则等待下一次故障发生，当交流线路发生故障时转入步骤S1。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，整定点电压的计算方法为：
uSETk(t)＝f1[uk(t),ik(t)]
其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uSETk(t)为整定点电压，uk(t)为采集的三相电压，ik(t)为采集的三相电流，f1[uk(t),ik(t)]为uk(t)和ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定点电压。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，虚拟故障点电压重构方法为：故障时刻前，虚拟故障点电压为被保护线路上某一点电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零；故障时刻前虚拟故障点电压的计算方法为：
uFAULTk(t)＝f2[uk(t),ik(t)]
其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，uFAULTk(t)为整定点电压，uk(t)为采集的三相电压，ik(t)为采集的三相电流，f2[uk(t),ik(t)]为uk(t)和ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的虚拟故障点电压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，数字低通滤波器的截止频率根据被保护线路的长度进行选择。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，整定点电压变化量的计算方法为：
u1k(t)＝uSET_LPFk(t)-uSET_LPFk(t0)
其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为当前时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u1k(t)为整定点电压变化量，uSET_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的整定点电压。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，虚拟故障点电压变化量的计算方法为：
u2k(t)＝uFAULT_LPFk(t)-uFAULT_LPFk(t0)
其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为时刻，t0为当前时刻之前的某时刻，u2k(t)为虚拟故障点电压变化量，uFAULT_LPFk(t)为经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压。
7.一种交流线路瞬时值变化量距离保护***，其特征在于，包括：
整定点电压获取模块，用于根据采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；
虚拟故障点电压获取模块，用于根据故障时刻以及采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；
滤波模块，用于将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理；
整定点电压变化量获取模块，用于利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；
虚拟故障点电压变化量获取模块，用于利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；
判断模块，用于根据故障后预设时间内所述整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量的绝对值大小判断是否发生区内故障，若故障后预设时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值始终大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区内故障；若故障后预设时间内，计算的整定点电压变化量的绝对值不满足持续大于虚拟故障点电压变化量绝对值，则认为发生了区外故障；若判断发生区内故障则跳闸；若判断发生区外故障则保护不动作。
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