多端綜合阻抗在輸電線路保護(hù)中的應(yīng)用

多端綜合阻抗在輸電線路保護(hù)中的應(yīng)用

1基于方向比較、電流差動(dòng)和干系統(tǒng)整定原理的廣域繼電保護(hù)算法隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)營(yíng)方式的靈活性，過去，僅通過保護(hù)安裝點(diǎn)和本地電氣信息來做出決定和判斷的剩余保護(hù)，顯示出越來越多的缺點(diǎn)。廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,為提高和改善繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能提供了契機(jī),近年來人們提出了廣域繼電保護(hù)的概念并進(jìn)行了初步研究,其中重點(diǎn)討論集中在廣域繼電保護(hù)的系統(tǒng)構(gòu)成、故障元件識(shí)別算法和跳閘控制策略等幾方面。目前對(duì)廣域繼電保護(hù)故障元件識(shí)別算法的研究主要分為兩類:(1)基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。其性能很大程度上受方向元件性能的影響,一般該保護(hù)算法具有系統(tǒng)通信量小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),但其方向元件在高阻接地、系統(tǒng)振蕩、非全相運(yùn)行、轉(zhuǎn)換性故障、功率倒向、帶弱饋電源等運(yùn)行條件下的靈敏度、動(dòng)作準(zhǔn)確性都存在問題,一旦方向元件判斷錯(cuò)誤,基于方向比較的算法也將得到錯(cuò)誤的結(jié)果。(2)基于電流差動(dòng)原理的廣域繼電保護(hù)算法。該保護(hù)算法原理簡(jiǎn)單,能準(zhǔn)確反映所有類型的故障。但需要解決高精度同步采樣、電容電流的補(bǔ)償、高阻接地靈敏度下降及定值整定困難等諸多問題。為消除傳統(tǒng)兩端輸電系統(tǒng)光纖電流差動(dòng)保護(hù)受電容電流、過渡電阻的負(fù)面影響,文獻(xiàn)[11-13]提出了基于綜合阻抗的縱聯(lián)保護(hù)新原理,該保護(hù)原理無(wú)需對(duì)電容電流進(jìn)行補(bǔ)償,可用于帶或不帶電抗器補(bǔ)償?shù)木€路,受負(fù)荷電流影響小,與過渡電阻無(wú)關(guān),對(duì)于弱饋及單端供電線路也有較高的靈敏度。隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善,美國(guó)的GPS衛(wèi)星同步導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的“伽利略”衛(wèi)星同步導(dǎo)航系統(tǒng)及中國(guó)的“北斗”衛(wèi)星同步導(dǎo)航定位系統(tǒng)為廣域電網(wǎng)系統(tǒng)的精確同步提供了可能。在此基礎(chǔ)上,本文將文獻(xiàn)[11-13]提出的兩端輸電系統(tǒng)綜合阻抗縱聯(lián)保護(hù)原理推廣到多端輸電系統(tǒng),并應(yīng)用到廣域繼電保護(hù)中,分析了廣域系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障時(shí)綜合阻抗保護(hù)的動(dòng)作特性,并針對(duì)廣域繼電保護(hù)特點(diǎn)提出三步保護(hù)方案。IEEE10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。理論分析和仿真表明,應(yīng)用于廣域系統(tǒng)的綜合阻抗比較保護(hù)同樣適用于三端輸電系統(tǒng)。2綜合抗zcd圖1為一個(gè)典型兩端輸電系統(tǒng)模型圖,線路采用uf070形等效電路模型,在F點(diǎn)發(fā)生了故障。圖中各符號(hào)的定義參見文獻(xiàn)。定義綜合阻抗為線路上發(fā)生區(qū)外故障時(shí),綜合阻抗的計(jì)算結(jié)果為此時(shí)綜合阻抗反應(yīng)線路的容抗,其虛部是一個(gè)絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù),同時(shí)幅值較大。線路上發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),綜合阻抗的計(jì)算結(jié)果為式中,Z1=Zm+Zlm;Z2=Zn+Zln;K取0.5;uf064為線路兩端電壓的相位差。此時(shí)的綜合阻抗與電源阻抗、線路阻抗、過渡電阻和角度uf064有關(guān),經(jīng)文獻(xiàn)分析,Zcd一般位于第1或第2象限,其虛部是一個(gè)正數(shù),如果RF及uf064角較大,Zcd有可能落入第4象限,其虛部的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于ZC?；诰C合阻抗的縱聯(lián)保護(hù)原理根據(jù)Zcd虛部的符號(hào)和大小來判斷被保護(hù)線路上是否發(fā)生了故障,其判據(jù)為式中,Zset根據(jù)不同電壓等級(jí)線路容抗值整定,可取500~600Ω;Iset可固定取為0.2IN,IN為電流互感器(TA)二次側(cè)額定電流。3基于綜合阻力比較原理的大規(guī)模再壓算法3.1廣域繼電保護(hù)動(dòng)作判據(jù)圖2a為廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)模型圖,保護(hù)區(qū)域可以是兩端輸電系統(tǒng),也可以是三端/多端輸電系統(tǒng)。廣域繼電保護(hù)區(qū)域的綜合阻抗定義為式中,N、M分別為廣域繼電保護(hù)區(qū)域邊界母線數(shù)及其進(jìn)出線路數(shù),當(dāng)N=M=2時(shí)為兩端輸電系統(tǒng),當(dāng)N=M=3時(shí)為三端輸電系統(tǒng)。廣域繼電保護(hù)區(qū)域外發(fā)生故障時(shí),如圖2b所示,保護(hù)區(qū)域邊界所有線路電流和?cd反映為保護(hù)區(qū)域內(nèi)各線路的電容電流之和,將區(qū)域內(nèi)各線路電容容抗綜合等效為容抗ZC,則區(qū)外故障時(shí)保護(hù)綜合阻抗的計(jì)算結(jié)果為考慮到廣域繼電保護(hù)區(qū)域的有限性,由式(7)可知,綜合阻抗Zcd反映保護(hù)區(qū)域的等效容抗,其幅值較大,且綜合阻抗的阻抗角約為-90°。廣域繼電保護(hù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時(shí),如圖2c所示,保護(hù)區(qū)域邊界所有線路電流和主要反映為故障電流?F與線路的電容電流之和。由圖2d所示區(qū)內(nèi)故障時(shí)系統(tǒng)故障附加電路可知式中,為故障前故障點(diǎn)處電壓;Z1,Z2,…,ZN分別為故障點(diǎn)到各系統(tǒng)末端的等效阻抗;RF為過渡電阻。因系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),各點(diǎn)電壓基本穩(wěn)定,相差不大,取K值可近似取1.0,為各故障點(diǎn)電壓與各母線電壓和的相角差,一般取則區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)綜合阻抗的計(jì)算結(jié)果為考慮到廣域繼電保護(hù)區(qū)域的有限性,由式(9)可知,區(qū)內(nèi)故障時(shí)綜合阻抗Zcd與系統(tǒng)阻抗、線路阻抗、過渡電阻和角度有關(guān),但其虛部為感抗,且其值較小。在高壓輸電系統(tǒng)中,電源阻抗和線路阻抗的阻抗角都接近90°。在過渡電阻較小時(shí),綜合阻抗的阻抗角反映系統(tǒng)與線路阻抗角,趨于90°,隨著過渡電阻變大,阻抗角逐漸減小。所以綜合阻抗的阻抗角為(0°~90°)±ε,ε為誤差?；趨^(qū)內(nèi)外故障時(shí)保護(hù)綜合阻抗Zcd的虛部絕對(duì)值的大小不同可判斷保護(hù)區(qū)域上是否發(fā)生了故障,同時(shí)為提高保護(hù)的可靠性,以阻抗角的區(qū)域判斷作為輔助判據(jù)。保護(hù)判據(jù)為式中,Zset一般根據(jù)不同電壓等級(jí)線路容抗值選取,可取600W;ε考慮測(cè)量誤差、計(jì)算誤差及角度的影響,一般取15°~30°。從式(10)可以看出,基于綜合阻抗比較原理的廣域繼電保護(hù)動(dòng)作判據(jù)通過比較Zcd的虛部絕對(duì)值及阻抗角的大小區(qū)分區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。區(qū)內(nèi)故障時(shí),盡管Zcd與過渡電阻、系統(tǒng)阻抗和線路阻抗有關(guān),但其虛部(感抗)與區(qū)外故障時(shí)Zcd的虛部(容抗)絕對(duì)值相比還是相當(dāng)小,當(dāng)門檻設(shè)置600uf057時(shí),保護(hù)動(dòng)作判據(jù)具有很大的裕度及較高的靈敏度。相比常規(guī)主保護(hù),基于綜合阻抗比較原理的廣域繼電保護(hù)作為后備保護(hù),具有保護(hù)范圍大、靈敏度高、動(dòng)作速度相對(duì)較慢(主要受系統(tǒng)通信方面的限制)的特點(diǎn)。相比基于電流差動(dòng)原理的廣域繼電保護(hù),該算法具有靈敏度高、不受電容電流的影響等優(yōu)點(diǎn);相比基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù),該算法采用分相綜合阻抗計(jì)算,本身具有選相功能,且易整定,不受過渡電阻、非全相運(yùn)行、轉(zhuǎn)換性故障、系統(tǒng)振蕩等因素影響的優(yōu)點(diǎn)。大量仿真結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。3.2正常運(yùn)行情況下的差流啟動(dòng)為避免廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的大量數(shù)據(jù)通信和計(jì)算,保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置啟動(dòng)元件:|Icdi|>ILset。Icdi為保護(hù)區(qū)域內(nèi)各線路的差電流,ILset可以取為0.2~0.5IN,IN為系統(tǒng)的額定電流。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到啟動(dòng)元件動(dòng)作后才啟動(dòng)廣域繼電保護(hù)程序?；诰C合阻抗比較原理的廣域繼電保護(hù)方案分三步:(1)當(dāng)某線路元件差流啟動(dòng)后,首先經(jīng)檢測(cè)程序判斷差流啟動(dòng)的可能性:第一種情況:線路故障引起的差流,主要指線路本身故障引起的差流,或線路故障時(shí)一端斷路器跳開而另一端斷路器失靈引起的差流等。第二種情況:主要指由于線路任一端TA斷線、電流采集回路故障等原因在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下引起的差流。第三種情況:主要指由于線路一端變電站通信故障(如通信裝置或通信通道)、變電站直流消失等情況在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下引起的差流。如果是第一種情況引起的差流啟動(dòng),廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)則直接進(jìn)行該線路元件的保護(hù)綜合阻抗計(jì)算,然后根據(jù)式(10)來判斷線路區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,如圖3所示系統(tǒng)的I區(qū),如果判斷為區(qū)內(nèi)故障,則根據(jù)分相判斷結(jié)果直接跳開相應(yīng)斷路器切除線路故障,對(duì)于失靈情況,如果就地配置失靈保護(hù)一般由失靈保護(hù)動(dòng)作,否則由系統(tǒng)跳開線路失靈側(cè)母線所有相連線路或母聯(lián)的斷路器。(2)如果是第二種情況引起的差流啟動(dòng),廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)利用基爾霍夫電流定律,由站域信息直接構(gòu)建線路失效端的電流,保護(hù)范圍如圖3所示系統(tǒng)的II區(qū),然后再進(jìn)行差動(dòng)電流計(jì)算,如果差流仍滿足啟動(dòng)條件則啟動(dòng)II區(qū)域的保護(hù)綜合阻抗計(jì)算,然后根據(jù)式(10)來判斷區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障,如果判斷為區(qū)內(nèi)故障,則根據(jù)分相判斷結(jié)果直接跳開該線路兩端斷路器切除故障。一方面能夠避免正常運(yùn)行情況保護(hù)的誤動(dòng)作,另一方面也保證線路故障時(shí)能夠可靠動(dòng)作。(3)如果是第三種情況引起的差流啟動(dòng),廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)不能得到線路對(duì)側(cè)電流、電壓信息,必須將保護(hù)區(qū)域擴(kuò)大,保護(hù)系統(tǒng)利用通信系統(tǒng)迂回的方法得到擴(kuò)大區(qū)域的電流電壓信息,擴(kuò)大的保護(hù)范圍包含本線路及故障側(cè)變電站相連所有線路,如圖3所示系統(tǒng)的III區(qū),然后利用保護(hù)區(qū)域邊界所有線路末端的測(cè)量信息進(jìn)行綜合阻抗計(jì)算,區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障的判據(jù)同式(10)。如果判斷為區(qū)內(nèi)故障,則根據(jù)分相判斷結(jié)果直接跳開本線路相應(yīng)斷路器,同時(shí)跳開直流消失變電站相連所有線路相應(yīng)斷路器。注意:如果直流消失變電站有大量負(fù)荷流出,而廣域繼電保護(hù)可能因?yàn)橥ㄐ呕蚱渌虿荒艿玫截?fù)荷電流,則此時(shí)保護(hù)判斷因缺少電流信息不能有效計(jì)算綜合阻抗,故廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)將不進(jìn)行該保護(hù)的計(jì)算和判斷,改由其他保護(hù)判斷,本文不做詳細(xì)討論。3.3保護(hù)流程為更清晰地表達(dá)三步保護(hù)方案之間的配合關(guān)系,本文給出基于綜合阻抗保護(hù)原理的廣域繼電保護(hù)故障元件識(shí)別算法整體判斷流程,如圖4所示。4仿真結(jié)果分析為驗(yàn)證本文算法,利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建的IEEE10機(jī)39節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真系統(tǒng)的單線圖及其支路編號(hào)如圖5所示。設(shè)定線路L7在距母線6側(cè)線路全長(zhǎng)15%處發(fā)生各種短路故障(過渡電阻取0~25uf057)和接地故障(過渡電阻取0~300uf057),計(jì)算時(shí)采用一點(diǎn)差分算法及全波傅里葉濾波算法。為了驗(yàn)證基于綜合阻抗比較原理的廣域繼電保護(hù)區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障及三步保護(hù)方案的有效性,仿真時(shí)分別對(duì)不同保護(hù)對(duì)象進(jìn)行綜合阻抗計(jì)算:反應(yīng)區(qū)內(nèi)故障的L7、L7-B6(線路L7和母線B6共同組成保護(hù)區(qū)域,以下表示相同)、L7-B8、L7-B6-L6-L11、L7-B7-L8等保護(hù)區(qū)域;反應(yīng)區(qū)外故障的L5、L6、L8等保護(hù)區(qū)域。設(shè)系統(tǒng)在仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后在1s時(shí)發(fā)生故障,在1.25s后故障返回,其綜合阻抗計(jì)算如圖6所示,以L7為例。表1列舉線路L7及L7相關(guān)聯(lián)線路的保護(hù)I區(qū)在線路L7發(fā)生故障后1周波時(shí)刻的綜合阻抗計(jì)算結(jié)果。表2列舉線路L7的保護(hù)II、III區(qū)在線路L7發(fā)生故障后1周波時(shí)刻的綜合阻抗計(jì)算結(jié)果。為比較基于綜合阻抗比較的廣域保護(hù)廣域差動(dòng)保護(hù)的靈敏性,仿真實(shí)驗(yàn)分別計(jì)算在線路L7發(fā)生故障后1周波時(shí)刻的綜合阻抗和差電流,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由表1可知,線路L7發(fā)生不同類型故障時(shí),保護(hù)區(qū)域L7反應(yīng)為內(nèi)部故障,故障相Zcd的虛部數(shù)值最大為90Ω,遠(yuǎn)低于定值600Ω,阻抗角在-10°~86°之間;非故障相Zcd的虛部數(shù)值最小為9.2kW,遠(yuǎn)高于定值600Ω,阻抗角基本在-90°左右。保護(hù)區(qū)域L5、L6、L8反應(yīng)為外部故障,Zcd的數(shù)值最小為9.2kW,遠(yuǎn)高于定值600Ω,阻抗角基本都在-90°左右。由表2可知,保護(hù)區(qū)域L7-B6、L7-B8、L7-B6-L6-L11、L7-B7-L8均能可靠反映內(nèi)部故障,故障相Zcd的數(shù)值最大為111Ω,遠(yuǎn)低于定值600Ω,阻抗角在-10°~86°之間;非故障相Zcd的虛部數(shù)值最小為9.2kW,遠(yuǎn)高于定值600Ω,阻抗角基本都在-90°左右。從圖7可知,隨著過渡電阻的增加,差動(dòng)保護(hù)差電流明顯下降,而綜合阻抗基本不變,明顯具有較高的靈敏度。仿真結(jié)果表明:該算法容易整定,具有選相功能,且不受分布電容電流和過渡電阻影響。5建立廣域繼電保護(hù)方案本文在兩端輸電線路綜合阻抗縱聯(lián)保護(hù)原理研究的基礎(chǔ)上,提出了一種基于綜合阻抗比較原理的廣