多端綜合阻抗在輸電線路保護中的應(yīng)用

多端綜合阻抗在輸電線路保護中的應(yīng)用

1基于方向比較、電流差動和干系統(tǒng)整定原理的廣域繼電保護算法隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運營方式的靈活性，過去，僅通過保護安裝點和本地電氣信息來做出決定和判斷的剩余保護，顯示出越來越多的缺點。廣域測量系統(tǒng)(WAMS)和IEC61850標準的不斷發(fā)展和應(yīng)用,為提高和改善繼電保護系統(tǒng)的性能提供了契機,近年來人們提出了廣域繼電保護的概念并進行了初步研究,其中重點討論集中在廣域繼電保護的系統(tǒng)構(gòu)成、故障元件識別算法和跳閘控制策略等幾方面。目前對廣域繼電保護故障元件識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,一般該保護算法具有系統(tǒng)通信量小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,但其方向元件在高阻接地、系統(tǒng)振蕩、非全相運行、轉(zhuǎn)換性故障、功率倒向、帶弱饋電源等運行條件下的靈敏度、動作準確性都存在問題,一旦方向元件判斷錯誤,基于方向比較的算法也將得到錯誤的結(jié)果。(2)基于電流差動原理的廣域繼電保護算法。該保護算法原理簡單,能準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)光纖電流差動保護受電容電流、過渡電阻的負面影響,文獻[11-13]提出了基于綜合阻抗的縱聯(lián)保護新原理,該保護原理無需對電容電流進行補償,可用于帶或不帶電抗器補償?shù)木€路,受負荷電流影響小,與過渡電阻無關(guān),對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[11-13]提出的兩端輸電系統(tǒng)綜合阻抗縱聯(lián)保護原理推廣到多端輸電系統(tǒng),并應(yīng)用到廣域繼電保護中,分析了廣域系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障時綜合阻抗保護的動作特性,并針對廣域繼電保護特點提出三步保護方案。IEEE10機39節(jié)點系統(tǒng)仿真驗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同樣適用于三端輸電系統(tǒng)。2綜合抗zcd圖1為一個典型兩端輸電系統(tǒng)模型圖,線路采用uf070形等效電路模型,在F點發(fā)生了故障。圖中各符號的定義參見文獻。定義綜合阻抗為線路上發(fā)生區(qū)外故障時,綜合阻抗的計算結(jié)果為此時綜合阻抗反應(yīng)線路的容抗,其虛部是一個絕對值較大的負數(shù),同時幅值較大。線路上發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,綜合阻抗的計算結(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)文獻分析,Zcd一般位于第1或第2象限,其虛部是一個正數(shù),如果RF及uf064角較大,Zcd有可能落入第4象限,其虛部的絕對值遠小于ZC?；诰C合阻抗的縱聯(lián)保護原理根據(jù)Zcd虛部的符號和大小來判斷被保護線路上是否發(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廣域繼電保護動作判據(jù)圖2a為廣域繼電保護系統(tǒng)模型圖,保護區(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)。廣域繼電保護區(qū)域的綜合阻抗定義為式中,N、M分別為廣域繼電保護區(qū)域邊界母線數(shù)及其進出線路數(shù),當N=M=2時為兩端輸電系統(tǒng),當N=M=3時為三端輸電系統(tǒng)。廣域繼電保護區(qū)域外發(fā)生故障時,如圖2b所示,保護區(qū)域邊界所有線路電流和?cd反映為保護區(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)外故障時保護綜合阻抗的計算結(jié)果為考慮到廣域繼電保護區(qū)域的有限性,由式(7)可知,綜合阻抗Zcd反映保護區(qū)域的等效容抗,其幅值較大,且綜合阻抗的阻抗角約為-90°。廣域繼電保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時,如圖2c所示,保護區(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)故障時系統(tǒng)故障附加電路可知式中,為故障前故障點處電壓;Z1,Z2,…,ZN分別為故障點到各系統(tǒng)末端的等效阻抗;RF為過渡電阻。因系統(tǒng)正常運行時,各點電壓基本穩(wěn)定,相差不大,取K值可近似取1.0,為各故障點電壓與各母線電壓和的相角差,一般取則區(qū)內(nèi)故障時保護綜合阻抗的計算結(jié)果為考慮到廣域繼電保護區(qū)域的有限性,由式(9)可知,區(qū)內(nèi)故障時綜合阻抗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,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)外故障時保護綜合阻抗Zcd的虛部絕對值的大小不同可判斷保護區(qū)域上是否發(fā)生了故障,同時為提高保護的可靠性,以阻抗角的區(qū)域判斷作為輔助判據(jù)。保護判據(jù)為式中,Zset一般根據(jù)不同電壓等級線路容抗值選取,可取600W;ε考慮測量誤差、計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動作判據(jù)通過比較Zcd的虛部絕對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,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Zcd的虛部(容抗)絕對值相比還是相當小,當門檻設(shè)置600uf057時,保護動作判據(jù)具有很大的裕度及較高的靈敏度。相比常規(guī)主保護,基于綜合阻抗比較原理的廣域繼電保護作為后備保護,具有保護范圍大、靈敏度高、動作速度相對較慢(主要受系統(tǒng)通信方面的限制)的特點。相比基于電流差動原理的廣域繼電保護,該算法具有靈敏度高、不受電容電流的影響等優(yōu)點;相比基于方向比較原理的廣域繼電保護,該算法采用分相綜合阻抗計算,本身具有選相功能,且易整定,不受過渡電阻、非全相運行、轉(zhuǎn)換性故障、系統(tǒng)振蕩等因素影響的優(yōu)點。大量仿真結(jié)果也證實了這一結(jié)論。3.2正常運行情況下的差流啟動為避免廣域繼電保護系統(tǒng)在正常運行時的大量數(shù)據(jù)通信和計算,保護系統(tǒng)設(shè)置啟動元件:|Icdi|>ILset。Icdi為保護區(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。當保護系統(tǒng)檢測到啟動元件動作后才啟動廣域繼電保護程序?；诰C合阻抗比較原理的廣域繼電保護方案分三步:(1)當某線路元件差流啟動后,首先經(jīng)檢測程序判斷差流啟動的可能性: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)正常運行情況下引起的差流。如果是第一種情況引起的差流啟動,廣域繼電保護系統(tǒng)則直接進行該線路元件的保護綜合阻抗計算,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,對于失靈情況,如果就地配置失靈保護一般由失靈保護動作,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,廣域繼電保護系統(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,保護范圍如圖3所示系統(tǒng)的II區(qū),然后再進行差動電流計算,如果差流仍滿足啟動條件則啟動II區(qū)域的保護綜合阻抗計算,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行情況保護的誤動作,另一方面也保證線路故障時能夠可靠動作。(3)如果是第三種情況引起的差流啟動,廣域繼電保護系統(tǒng)不能得到線路對側(cè)電流、電壓信息,必須將保護區(qū)域擴大,保護系統(tǒng)利用通信系統(tǒng)迂回的方法得到擴大區(qū)域的電流電壓信息,擴大的保護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),然后利用保護區(qū)域邊界所有線路末端的測量信息進行綜合阻抗計算,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荷流出,而廣域繼電保護可能因為通信或其他原因不能得到負荷電流,則此時保護判斷因缺少電流信息不能有效計算綜合阻抗,故廣域繼電保護系統(tǒng)將不進行該保護的計算和判斷,改由其他保護判斷,本文不做詳細討論。3.3保護流程為更清晰地表達三步保護方案之間的配合關(guān)系,本文給出基于綜合阻抗保護原理的廣域繼電保護故障元件識別算法整體判斷流程,如圖4所示。4仿真結(jié)果分析為驗證本文算法,利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建的IEEE10機39節(jié)點電網(wǎng)系統(tǒng)模型進行仿真驗證。仿真系統(tǒng)的單線圖及其支路編號如圖5所示。設(shè)定線路L7在距母線6側(cè)線路全長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),計算時采用一點差分算法及全波傅里葉濾波算法。為了驗證基于綜合阻抗比較原理的廣域繼電保護區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障及三步保護方案的有效性,仿真時分別對不同保護對象進行綜合阻抗計算:反應(yīng)區(qū)內(nèi)故障的L7、L7-B6(線路L7和母線B6共同組成保護區(qū)域,以下表示相同)、L7-B8、L7-B6-L6-L11、L7-B7-L8等保護區(qū)域;反應(yīng)區(qū)外故障的L5、L6、L8等保護區(qū)域。設(shè)系統(tǒng)在仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行后在1s時發(fā)生故障,在1.25s后故障返回,其綜合阻抗計算如圖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I區(qū)在線路L7發(fā)生故障后1周波時刻的綜合阻抗計算結(jié)果。表2列舉線路L7的保護II、III區(qū)在線路L7發(fā)生故障后1周波時刻的綜合阻抗計算結(jié)果。為比較基于綜合阻抗比較的廣域保護廣域差動保護的靈敏性,仿真實驗分別計算在線路L7發(fā)生故障后1周波時刻的綜合阻抗和差電流,計算結(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,保護區(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,遠高于定值600Ω,阻抗角基本在-90°左右。保護區(qū)域L5、L6、L8反應(yīng)為外部故障,Zcd的數(shù)值最小為9.2kW,遠高于定值600Ω,阻抗角基本都在-90°左右。由表2可知,保護區(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,差動保護差電流明顯下降,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建立廣域繼電保護方案本文在兩端輸電線路綜合阻抗縱聯(lián)保護原理研究的基礎(chǔ)上,提出了一種基于綜合阻抗比較原理的廣