CN114221307B - 线路差动保护制动系数调整方法、装置及电子设备 - Google Patents

线路差动保护制动系数调整方法、装置及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线路差动保护制动系数调整方法，包括：采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；根据所述两侧相位差的差值计算制动系数。本发明方案适用于有电力电子电源接入的输配电线路，能够显著提高高渗透率电力电子设备接入电网的线路差动保护灵敏度。

Description

线路差动保护制动系数调整方法、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及电力***继电保护领域，尤其涉及一种线路差动保护制动系数调整方法、装置及电子设备。
背景技术
随着新能源发电、柔性直流输电等技术的快速发展和工程建设，传统电力***结构逐渐发生变化，传统同步发电机占比不断下降，电力电子电源占比逐渐增加，由于电力电子电源故障特性与同步发电机存在较大差异，传统基于同步发电机设计的电力***继电保护也面临着前所未有的挑战。
差动保护是目前输电线路最常用的主保护，大部分区内故障均由差动保护动作切除，有力保障了电网的安全稳定运行。在传统电力***中，受益于同步发电机故障前后恒定不变地等值电势，差动保护具有很好的灵敏性。但当高渗透率电力电子电源接入电网时，电网故障形态表现为很强的可控性，区内故障线路两侧的短路电流相位可能摆开较大的角度，造成差动电流减小、制动电流增大，差动保护的灵敏性大幅下降，给电网的安全运行带来了极大的威胁，需要研究高渗透率电力电子电源接入电网的差动保护灵敏性提升技术。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明公开了一种线路差动保护制动系数调整方法、装置及电子设备，利用线路两侧的电压故障分量与电流故障分量相位差的差值，动态调整差动保护制动系数，实现电力电子电源接入电网时差动保护灵敏性的提升。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案如下：
作为本发明的第一方面，提出了一种线路差动保护制动系数调整方法，包括：
采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；
基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；
根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；
根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；
根据所述两侧相位差的差值计算制动系数。
进一步地，所述基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量包括：
基于线路两侧同步电压和同步电流根据对称分量法计算两侧电压和电流的正序分量及负序分量；
基于两侧电压和电流的正序分量及负序分量计算两侧电压故障分量和电流故障分量。
进一步地，所述电压故障分量包括正序电压故障分量、负序电压故障分量；所述电流故障分量包括正序电流故障分量、负序电流故障分量。
进一步地，所述线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差计算公式为：
其中，分别为本侧正序电压故障分量、本侧负序电压故障分量；分别为本侧正序电流故障分量、本侧负序电流故障分量；θm +、θm -分别为本侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、本侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；
分别为对侧正序电压故障分量、对侧负序电压故障分量；/> 分别为对侧正序电流故障分量、对侧负序电流故障分量；θn +、θn -分别为对侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、对侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差。
进一步地，所述两侧相位差的差值计算公式为：
其中，Δθ为两侧相位差的差值；分别为本侧、对侧的正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差；/>分别为本侧、对侧的负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；K+、K-分别为正序权重系数和负序权重系数，满足0≤K+≤1，0≤K-≤1，K++K-＝1。
进一步地，所述制动系数的计算公式为：
其中，Kr为制动系数；Krmin、Krmax分别为制动系数最小限值和最大限值，0＜Krmin＜Krmax＜1；Δθ为两侧相位差的差值；Δθset1、Δθset2为第一差值阈值和第二差值阈值，Δθset1＜Δθset2；函数Kr＝f(|Δθ|)满足当Δθset1≤|Δθ|≤Δθset2时，Kr随着|Δθ|的增大而增大。
进一步地，函数Kr＝f(|Δθ|)为线性函数或者非线性函数。
进一步地，所述制动系数与差动电流、制动电流一起构成线路差动保护判据，
所述差动电流为两侧同步电流相量之和，所述制动电流为两侧同步电流相量之差，
线路差动保护判据的制动特性方程为：
其中，Kr为制动系数，为差动电流，/>为制动电流，Iset为差动门槛值；
当满足上述制动特性方程时判定为区内故障，否则判定为区外故障。
作为本发明的第二方面，提出了一种线路差动保护装置，包括数据采集单元、故障分量计算单元、电压电流相位差计算单元、差值计算单元、制动系数计算单元以及故障判定单元，其中：
数据采集单元，用于采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；
故障分量计算单元，用于基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；
电压电流相位差计算单元，用于根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；
差值计算单元，用于根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；
制动系数计算单元，用于根据所述两侧相位差的差值计算制动系数；
故障判定单元，用于根据制动系数构成线路差动保护判据进行故障判定。
作为本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述任一方法的步骤。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，摒弃了原有差动保护制动系数固定不变的方案，采用电压故障分量与电流故障分量相位差表征电源的故障特性，根据两侧电源故障特性的差异来动态调整差动保护制动系数。对于有电力电子电源接入的线路，发生区内故障时，差动保护制动系数会随着两侧短路电流相位摆开的程度自适应调整，从而显著提升差动保护的灵敏性。
附图说明
图1是根据一示例性实施例的两节点***示意图；
图2是本发明实施例提出的线路差动保护制动系数调整方法的流程图；
图3是本发明差动保护制动系数较优的调整曲线；
图4是本发明差动保护制动特性的示意图；
图5是本发明示例实施例的一种线路差动保护装置示意图；
图6是出本发明示例实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
线路差动保护通过对比线路两侧电流构成的差动电流和制动电流来识别故障。区内故障时，两侧短路电流都是由母线流向线路，差动电流很大，制动电流很小，差动元件动作。区外故障时时，一侧电流由母线流向线路，另一侧电流由线路流向母线，两电流大小相同，方向相反，所以差动电流为零，差动元件不动作。在传统电力***中，受益于同步发电机故障前后恒定不变地等值电势，差动保护具有很好的灵敏性。但当高渗透率电力电子电源接入电网时，电网故障形态表现为很强的可控性，区内故障线路两侧的短路电流相位可能摆开较大的角度，造成差动电流减小、制动电流增大，差动保护的灵敏性大幅下降。本申请利用线路两侧的电压故障分量与电流故障分量相位差的差值，动态调整差动保护制动系数，实现电力电子电源接入电网时差动保护灵敏性的提升。
图1示出根据一示例性实施例的两节点***示意图。如图1所示，为一个两节点***示意图,为便于描述将M侧称为本侧，N侧称为对侧，保护装置M、N用来接收电流、电压电气量数据，进行线路故障识别。
如图2所示，本发明实施例提供的一种线路差动保护制动系数调整方法，包括如下步骤：
S10：采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流。
安装在线路两侧的保护装置通过电压互感器和电流互感器获取保护安装处的同步电压和同步电流，本侧同步电压和同步电流记为对侧同步电压和同步电流记为/>其中/>代表不同相。
S20：基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量。其中，电压故障分量包括正序电压故障分量、负序电压故障分量；所述电流故障分量包括正序电流故障分量、负序电流故障分量。
一些实施例中，S20的具体实施步骤包括：
S21：基于线路两侧同步电压和同步电流根据对称分量法计算两侧电压和电流的正序分量及负序分量；
其中，分别为本侧的同步电压正序分量和负序分量，/>分别为本侧的同步电流正序分量和负序分量，/>分别为对侧的同步电压正序分量和负序分量，/>分别为对侧的同步电流正序分量和负序分量，α代表相量相位关系的运算子，计算式如下所示：
S22：基于两侧电压和电流的正序分量及负序分量计算两侧电压故障分量和电流故障分量。两侧电压故障分量、电流故障分量由当前时刻的电压、电流相量值减去k(k≥1)个周波前时刻的电压、电流相量值得到。
S30：根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差。
线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差计算公式为：
其中，分别为本侧正序电压故障分量、本侧负序电压故障分量；分别为本侧正序电流故障分量、本侧负序电流故障分量；θm +、θm -分别为本侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、本侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；
分别为对侧正序电压故障分量、对侧负序电压故障分量；/> 分别为对侧正序电流故障分量、对侧负序电流故障分量；θn +、θn -分别为对侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、对侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差。
S40：根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值。
两侧相位差的差值计算公式为：
其中，Δθ为两侧相位差的差值；分别为本侧、对侧的正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差；/>分别为本侧、对侧的负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；K+、K-分别为正序权重系数和负序权重系数，满足0≤K+≤1，0≤K-≤1，K++K-＝1。
S50：根据所述两侧相位差的差值计算制动系数。
制动系数的计算公式为：
其中，Kr为制动系数；Krmin、Krmax分别为制动系数最小限值和最大限值，0＜Krmin＜Krmax＜1；Δθ为两侧相位差的差值；Δθset1、Δθset2为第一差值阈值和第二差值阈值，Δθset1＜Δθset2；函数Kr＝f(|Δθ|)满足当Δθset1≤|Δθ|≤Δθset2时，Kr随着|Δθ|的增大而增大。
一些实施例中，函数Kr＝f(|Δθ|)为线性函数，比如Kr＝f(|Δθ|)＝a·|Δθ|+b，其中a和b为常数,a≠0。
一些实施例中，函数Kr＝f(|Δθ|)为非线性函数，比如Kr＝f(|Δθ|)＝c(|Δθ|)2+d，其中c和d为常数，c≠0。比如其中g和h为常数，g≠0。
比如Kr＝f(|Δθ|)＝xarctan(y(|Δθ|-90°))+z，其中x、y和z为常数，x≠0，y≠0。
图3所示为一种差动保护制动系数较优的调整曲线，当|Δθ|较小时，发生区内故障的概率较大，可以设置较小的制动系数获得较高的灵敏度，随着|Δθ|不断增大，发生区内故障的概率不断减小，发生区外故障的概率不断增大，因此制动系数随之增大，防止区外故障时因互感器饱和等原因造成差动保护误动作。
一些实施例中还包括：将所述制动系数与差动电流、制动电流一起构成线路差动保护判据。
差动电流为两侧同步电流相量之和，制动电流/>为两侧同步电流相量之差。
其中，为本侧相电流；/>为对侧相电流；/>为差动电流；/>为制动电流。
线路差动保护判据的制动特性方程为：
其中，Kr为制动系数，为差动电流，/>为制动电流，Iset为差动门槛值；
当满足上述制动特性方程时判定为区内故障，否则判定为区外故障。
图4所示为差动保护制动特性的示意图，为了防止区外故障或正常运行时的不平衡电流造成差动保护误动作，设置了差动动作门槛值Iset，同时制动特性的制动系数可以随着线路两侧的电压故障分量与电流故障分量相位差的差值在Krmin与Krmax之间自适应变化，当差动电流和制动电流落在图中阴影部分时则判为区内故障，否则判为区外故障。
如图5所示一种线路差动保护装置600，包括：数据采集单元610、故障分量计算单元620、电压电流相位差计算单元630、差值计算单元640、制动系数计算单元650以及故障判定单元660，其中：
数据采集单元610，用于采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；
故障分量计算单元620，用于基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；
电压电流相位差计算单元630，用于根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；
差值计算单元640，用于根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；
制动系数计算单元650，用于根据所述两侧相位差的差值计算制动系数；
故障判定单元660，用于根据制动系数构成线路差动保护判据进行故障判定。
装置执行与前面提供的方法相同的功能，其他功能可参见前面的描述，此处不再赘述。
图6示出根据一示例性实施例的一种电子设备的框图。
下面参照图6来描述根据本申请的这种实施方式的电子设备700。图6显示的电子设备700仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图6所示，电子设备700以通用计算设备的形式表现。电子设备700的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元710、至少一个存储单元720、连接不同***组件(包括存储单元720和处理单元710)的总线730、显示单元740等。
其中，存储单元存储有程序代码，程序代码可以被处理单元710执行，使得处理单元710执行本说明书描述的根据本申请各种示例性实施方式的方法。
存储单元720可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)7201和/或高速缓存存储单元7202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)7203。
存储单元720还可以包括具有一组(至少一个)程序模块7205的程序/实用工具7204，这样的程序模块7205包括但不限于：操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线730可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、***总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备700也可以与一个或多个外部设备700'(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备700交互的设备通信，和/或与使得该电子设备700能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口750进行。并且，电子设备700还可以通过网络适配器760与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器760可以通过总线730与电子设备700的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备700使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。根据本申请实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行根据本申请实施方式的上述方法。
软件产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化唯一不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。
本发明不受上述实施例子的限制，上述实施例中的描述只用于帮忙理解本发明的核心思想，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，都应该属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种线路差动保护制动系数调整方法，其特征在于，包括：
采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；
基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；
根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；所述线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差计算公式为：
其中，分别为本侧正序电压故障分量、本侧负序电压故障分量；分别为本侧正序电流故障分量、本侧负序电流故障分量；θm +、θm -分别为本侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、本侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；/>分别为对侧正序电压故障分量、对侧负序电压故障分量；/>分别为对侧正序电流故障分量、对侧负序电流故障分量；θn +、θn -分别为对侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、对侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；
根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；所述两侧相位差的差值计算公式为：
其中，Δθ为两侧相位差的差值；K+、K-分别为正序权重系数和负序权重系数，满足0≤K+≤1，0≤K-≤1，K++K-＝1；
根据所述两侧相位差的差值计算制动系数；所述制动系数的计算公式为：
其中，Kr为制动系数；Krmin、Krmax分别为制动系数最小限值和最大限值，0＜Krmin＜Krmax＜1；Δθset1、Δθset2为第一差值阈值和第二差值阈值，Δθset1＜Δθset2；函数Kr＝f(|Δθ|)满足当Δθset1≤|Δθ|≤Δθset2时，Kr随着|Δθ|的增大而增大；
根据制动系数构成线路差动保护判据进行故障判定。
2.如权利要求1所述的线路差动保护制动系数调整方法，其特征在于，
所述基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量包括：
基于线路两侧同步电压和同步电流根据对称分量法计算两侧电压和电流的正序分量及负序分量；
基于两侧电压和电流的正序分量及负序分量计算两侧电压故障分量和电流故障分量。
3.如权利要求1所述的线路差动保护制动系数调整方法，其特征在于，所述电压故障分量包括正序电压故障分量、负序电压故障分量；所述电流故障分量包括正序电流故障分量、负序电流故障分量。
4.如权利要求1所述的线路差动保护制动系数调整方法，其特征在于，
函数Kr＝f(|Δθ|)为线性函数或者非线性函数。
5.如权利要求1所述的线路差动保护制动系数调整方法，其特征在于，所述制动系数与差动电流、制动电流一起构成线路差动保护判据，
所述差动电流为两侧同步电流相量之和，所述制动电流为两侧同步电流相量之差，
线路差动保护判据的制动特性方程为：
其中，Kr为制动系数，为差动电流，/>为制动电流，Iset为差动门槛值；
当满足上述制动特性方程时判定为区内故障，否则判定为区外故障。
6.一种线路差动保护装置，其特征在于，包括数据采集单元、故障分量计算单元、电压电流相位差计算单元、差值计算单元、制动系数计算单元以及故障判定单元，其中：
数据采集单元，用于采集线路两侧保护安装处的同步电压和同步电流；
故障分量计算单元，用于基于线路两侧所述同步电压和同步电流计算线路两侧电压故障分量和电流故障分量；
电压电流相位差计算单元，用于根据所述电压故障分量和电流故障分量计算线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差；所述线路两侧电压故障分量与电流故障分量的相位差计算公式为：
其中，分别为本侧正序电压故障分量、本侧负序电压故障分量；分别为本侧正序电流故障分量、本侧负序电流故障分量；θm +、θm -分别为本侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、本侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；/>分别为对侧正序电压故障分量、对侧负序电压故障分量；/>分别为对侧正序电流故障分量、对侧负序电流故障分量；θn +、θn -分别为对侧正序电压故障分量与正序电流故障分量相位差、对侧负序电压故障分量与负序电流故障分量相位差；
差值计算单元，用于根据线路两侧的电压故障分量与电流故障分量的相位差计算两侧相位差的差值；所述两侧相位差的差值计算公式为：
其中，Δθ为两侧相位差的差值；K+、K-分别为正序权重系数和负序权重系数，满足0≤K+≤1，0≤K-≤1，K++K-＝1；
制动系数计算单元，用于根据所述两侧相位差的差值计算制动系数；所述制动系数的计算公式为：
其中，Kr为制动系数；Krmin、Krmax分别为制动系数最小限值和最大限值，0＜Krmin＜Krmax＜1；Δθset1、Δθset2为第一差值阈值和第二差值阈值，Δθset1＜Δθset2；函数Kr＝f(|Δθ|)满足当Δθset1≤|Δθ|≤Δθset2时，Kr随着|Δθ|的增大而增大；
故障判定单元，用于根据制动系数构成线路差动保护判据进行故障判定。
7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
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