（电力系统及其自动化专业论文）自适应电流、电压保护的研究.pdf

山东大学硕士学位论文a b s t r a c tt r a d i t i o n a lc u r r e n tr e l a y sa r eu s e dw i d e l yt op r o t e c to v e r h e a dl i n e sr a t e da t3 5 k vo r1 0 k v i t sp e r f o r m a n c ei sr e l i a b l ea n di t sp r i n c i p l ei sn o tc o m p l e x i ta l s oh a st h ea b i l i t vt or e f l e c tt h ee x i s t e n c eo ft h ea r cr e s i s t a n c e b u tt h et r a d i t i o n a lc u r r e n tp r o t e c t i o nh a si t ss h o r t c o m i n g s ，i t sp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e dg r e a t l yb yt h ec h a n g e so ft h er u n n i n gp a t t e r na n df a u l ts t a t e s s o m e t i m e si th a sn or e l a yr e a c h t h ea d a p t i v ec u r r e n tp r o t e c t i o nc a r lg e tr i do ft h ed e f e c t i t sc u r r e n ts e t t i n go n i n ec a nb ec a l c u l a t e da n dd e t e r m i n e d ，a c c o r d i n gt ot h eu p t o d a t ap o w e rs y s t e mo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n df a u l ts t a t e s ，t h ep r o t e c t i o nz o n ei se n l a r g e d t h ev o l t a g es e t t i n gc a na l s ob ea u t o m a t i c a l l yo n li n ec a l c u l a t e da n dd e t e r m i n e da c c o i q i n gt oc u r r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o no fp o w e ds y s t e m ，t h ep r o t e c t i o nz o n ei se n l a r g e d as i m p l i f i e ds e t t i n ga n dc o o r d i n a t i o nm e t h o do fm i c r o p r o c e s s o r b a s e di n v e r s et i m eo v e r c u r r e n tr e l a y sb yu s i n gt h et i m ec o e f f i c i e n tt pi sd e s c r i b e d ，a l s oac o m p u t e ra i d e ds e t t i n ga n dc o o r d i n a t i o np r o g r a mi sp r e s e n t e d a sar e s u l t ，t h es e t t i n ga n dc o o r d i n a t i o no ft h ei n v e r s et i m eo v e r c u r r e n tr e l a y sc a nb ea ss i m p l ea st h a to ft h ed e f i n i t et i m eo v e r c u r r e n tr e l a y s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i v ec u r r e n ta n d9 0 1 c a g ei n s t a n t a n e o u st r i pp l o t e c t i v er e l a y su s e do nt r a n s m i s s i o n1 i n ew i t hs i n g l es o u r c ea n dt w o e n ds o u r c e sa r ea n a l y z e da ta n yp o i n to ff a u l t si np o w e rn e t w o r k a i s ot h ep e r f o r m a n c e su n d e rp o w e rs w i n ga n dv o l t a g ec i r c u i tb r o k e nc o n d i t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n tf u n c t i o i l ss h o u l db et a k e na r ed e s c r i b e d t h er e s u i ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d a p t i r ec u r r e n ta n dv o l c a g ei n s t a n t a n e o u st r i pp r o t e c t i o ni ss a t i s f a c t o r ya n dar e l a yb a s e do np r o p o s e dp r i n c i p l e si sq u i t ed e s i r a b l e i nt h ep r e f a u l tc o m p o n e n tt h e r ei sad e c r e a s i n ge x p o n e n t i a ld cc o m p o n e n t h o wt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h ed e c r e a s i n ge x p o n e n t i a ld ec o m p o n e n to nt h ef u n d a m e n t a lw a v ec o m p o n e n tist h ef o c u so fh o wt oc h o o s et h ea l g o r i t h m t h eg o o da l g o r i t h mi ss t a b l e ，a c c u r a t e ，a n dh i g h an e wk i n do fa n nf i l t e ra l g o r i t h mb a s e do nt h ea d a l i n ea n dan e wm e t h o db a s e do nh o l o c y l en o n r e c u r s i v ef o u r i e ra l g o r i t h ma r ed e s c r i b e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ec o m p a r i s i o n sa r eg i v e na tt h es a m et i m e t h e r ei sap r o g r a mm a d ew i t ht h ecp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dt h i si sad a t ai m i t a t i n ga c t u a lc o n d i t i o n sd e s i g no nt h eb a s i so ft h ee m t pt e c h n o l o g y 。t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef e e d e rs y s t e mw i t hv a r i o u sf a u l tt y p e si ss i m u l a t e da n dv e r i f i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l to fe m t pp r o v e st h a tt h ep r o t e c t i o ns c h e m ei sp r o p e ra n de f f e c t i v e i th a sav e r yp r a c t i c a lv a l u e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o n c l u s i o no ft h ei m i t a t i o n ，w ec o u l dc l e a r l yo r e a l i z et h es u p e r i o r i t vo ft h ea d a p t i v ec u r r e n tp r o t e c t i o ni nr e l a t i o i lt ot h et r a d i t i o n a lc u r r e n tp r o t e c t i o n t h ea d a p t i v ep r o t e c t i o nh a sas p l e n d i df u t u r e ，a n di ti sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fc o m p u t e rr e l a y山东大学硕士学位论文d e v e l o p m e n t k e y w o r dm i c r o c o m p u t e r - b a s e dp r o t e c t i o na d a p t i v ep r o t e c t i o ni n s t a n t m a e o u st n pp r o t e c t i o np e r f o r m a n c ea n a l y s i s摘要传统的电流、电压保护具有性能可靠、原理简单的优点，并具有反应弧光电阻的能力，在3 5 k v 、i o k v 线路保护中得到广泛的应用。但是根据传统速断保护整定原理可知其有不可避免的缺陷，其动作性能受系统运行方式变化和故障类型的影响，在某些运行方式或故障条件下，其保护范围很小，甚至在有些情况下( 如+ 短线路、短路电流曲线变化平衡时) 保护范围等于零。为克服这一缺点，可利用微机自适应继电保护技术，通过在线计算系统电源侧阻抗及判断故障类型的方法，使保护具备自动识别系统运行状态和故障类型的能力，并针对状态的改变，实时自动地调整保护的性能，其中包括保护动作特陛、动作原理和整定值，从而使其达到最佳效果。本文在自适应电流保护和自适应电压保护原理的基础上对保护在单端电源条件下发生正、反方向各种类型短路故障时的保护动作性能进行了分析，同时也对它们在两端电源条件下发生故障和系统振荡时的动作行为进行了分析。在此基础上分析自适应电流、电压保护的适用条件和为保证保护正确动作应采取的有效措施。通过分析可看出与传统保护相比，自适应电压、电流保护显著扩大了保护的适用范围。但是自适应电流速断保护和自适应电压速断保护都受运行方式的影响，但它们之间有很大的互补性，将自适应电流速断保护和自适应电压速断保护结合起来组成自适应电流、电压综合速断保护将会进一步提高保护的性能。对于过电流保护利用微机保护的智能作用，用时间系数t p 整定反时限特性，从而使反时限特性的整定与定时限特性同样简便。算法的研究是微机保护理论研究的重点之一。一个好的算法应该是精度高，所用数据窗( 需要的采样点数) 短，运算工作量小。在目前微机自适应保护的数字滤波中多采用差分加傅氏滤波的方法。滤波的精度决定着保护动作的精度。本文中将一种非递推全周波傅氏算法、神经网络滤波算法与差分加傅氏滤波方法的滤波性能进行了比较。通过c 语言编写的程序对这三种算法进行了仿真研究。仿真结果表明，这两种新算法的稳定性、精度要好于差分加傅氏滤波算法。本文最后利用e m t p 仿真程序模拟配电网中出现的各种类型的故障，提供保护安装处故障前后一周期的电压、电流数据，并采用c 语言编写的保护程序对故障数据进行了分析研究。分析结果表明自适应电压、电流保护的性能是令人满意的，具有实用价值。关键词微机保护自适应保护速断保护性能分析2山东文学硕士学位论文引言继电保护的作用是在电力系统中电气元件发生故障时将故障元件从电力系统中切除，使电器元件免于遭受更大破坏，并保证系统尽快恢复f 常运行。数十年来，继电保护技术总是在适应电力生产的需要和应用相邻学科中的新理论、新技术、新器件的条件下不断取得进步和发展，基本上满足了电力系统提出的新要求。近十余年来，微机保护得到了飞速发展。它所具有的一系列优点使继电保护装置在性能上、可靠性和方便性上都远远超过了传统保护，受到了用户的欢迎和信赖，其优越性已无可置疑了。尽管目前继电保护已取得迅猛的发展，从1 9 8 4年原华北电力学院推出第一套微机距离保护装置，国内各高校、科研、生产单位已陆续研制和生产出适用于线路和元件的各种微机保护装置，从而使我国的微机保护进入当前国际先进行列；但是不少微机保护装置韵原理和性能基本上与传统保护一样，只是传统保护的翻版，传统保护中已经存在的问题动作性能受系统运行方式变化和故障类型的影响，在某些运行方式或故障条件下，其保护范围很小，甚至在有些情况下等于零，在微机保护中依然存在，计算机潜在的智能作用还有待进一步发挥。自适应继电保护是在本世纪8 0 年代提出的一个研究课题，可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能n 。电力系统由为数众多的电源设备、送变电设备、线路和各种用户组成，其运行状态( 其中包括用户负荷的变化、设备的投切、发电机的出力变化等) 处于频繁的变化之中，除上述正常运行情况外，电力系统中还有可能发生各种类型的故障，故障可能时瞬时性或永久性的，又有可能是金属性短路或经过渡电阻短路。传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态。在电流速断保护的整定值按系统运行最大运行方式下，线路末端发生三相短路考虑。过电流保护按线路的最大负荷考虑。这种按最严重的条件确定保护定值的方法，能保证所有可能的正常和故障条件下，保护都不会错误地切除被保护的线路。但存在着一个主要缺点：按该方法设定的定值，在其它运行方式下( 包括系统的主要运行方式) 不是最佳，另外在最不利的短路条件下，保护可能失效。在传统保护中也有白适应性能，例如过电流保护的反时限特性。由此可见，自适应保护并不是一个新提出的概念，它早已存在于传统继电保护之中。当我们考虑自适应保护时，必须考虑电力系统运行状态和故障过程的变化。传统的电流、电压保护在3 5 k v 、i o k v 线路保护具有性能可靠、原理简单的优点，得到广泛的应用。但是根据传统速断保护整定原理可知其有不可避免的缺陷，其动作性能受运行方式变化和故障类型的影响。利用自适应保护技术可克服同类型传统保护长期存在的困难和问题，使保护具有自动识别系统运行状态和故障状态的能力，能针对状态的改变，实时自动地调整保护的性能，其中包括保护动作特性、动作原理、和整定值，从而使其达到最佳效果并提高了微机保护的智能化水平。目前，计算机在电力系统和控制中的应用以及相关技术的发展，电网调度自动化和变电站综合自动化为实时处理有用信息提供了便利条件，更为自适应继电保护的发展，提供了前所未有的良机。计算机保护具有高速运算和逻辑判断能力、3山东大学硕士学位论文强大的记忆能力以及其固有的可编程特点。如何更充分在继电保护中发挥其智能作用仍是一个正在深入研究的重要领域。第一章、自适应电流、电压保护原理1 1自适应电流速断保护1 1 1 传统电流速断保护的问题传统电流保护因其简单可靠及其有效性，在配电系统中得到广泛的应用。传统电流速断保护随系统运行状态及故障类型的不同而有不同的保护范围。一般为了保证动作的选择性，动作电流按照系统最大运行方式下三相短路的条件整定，这样就使得保护装置在系统最大运行方式下三相短路时其保护范围最大”1 。当出现其它运行方式或其它类型故障时，其保护范围最小，甚至在有些情况下( 如短线路、短路电流曲线变化平衡时) 保护范围等于零。，。吐，= 盖n ，。为电流速断的整定值，e 为系统等效电源的相电势，z 。为保护设置处到系统等效电源之间的最小阻抗，z 。为被保护线路的阻抗，七；可靠系数实际上，短路电流的大小与系统运行方式、短路类型和短路点在线路上的位置有关。设在线路处短路，则短路电流为：p 毒麓妲式中z ；为保护安装处到系统等效电源之间的实际阻抗，k 。为故障类型系数。：! ! ( 三。! ! 型二! ! 兰!( 3 )t z 由式( 3 ) 可见，由于七。 1 ，k 。1 ，z 。 z 一，因此实际的保护范围口总小于最大运行方式下的保护范围，且保护范围将随着丸变小和z 。增大而缩短。由此可得出保护范围等于零的条件为：z 。= ( z 一+ zl )( 4 )1 1 2 自适应电流速断保护”11 1 2 1 基本原理为克服传统电流速断保护的缺点，自适应电流速断保护的定值应随着系统运行方式和短路类型的实际情况而改变，其电流整定值可表示为j 二= 老( 5 )要使电流速断的定值按式( 5 ) 整定，必须实时测定故障类型系数k 。和保护4山东大学硕士学位论文装设处到系统等效电源之间的阻抗z 。“1 。在此基础上，令式( 5 ) 和式( 2 ) 相等。可得出自适应电流速断保护的范围a 。：口一：互二亟二! 垦( 6 )盘t z 式( 6 ) 表明，口也不是常数，它随着实际系统z 。的变化而变化，但总是根据电流速断动作原理的基本要求而处于最佳状态。系统阻抗z 。可由故障分量u 。和，。求出a自适应电流速断的保护范围等于零的条件可表示为，”z 一：兰!( 7 )。k i 一1自适应电流速断保护自动整定计算步骤如下：a 由故障类型决定系数b 由故障分量计算出系统综合阻抗c 设定或在线实时计算ed 可靠系数k 。与z 。已事先存入e 鳃iz f 由保护在线求出动作电流，。实现自适应馈线保护装置的关键技术是在线实时计算出系统电源侧的综合阻抗乙和正确识别故障状态七。1 1 2 2 自适应速断保护范围的分析保护范围是衡量速断保护性能的一个重要指标。电流速断的效果可以用其保护范围来衡量。当电流速断的定值确定后，保护范围由短路电流的大小决定，在被保护线路内的以，处短路时，得到自适应电流速断保护范围为：口：互二咝二! 臣( 6 )k k zl将( 3 ) 与( 6 ) 比较可得a a如果按最低保护区不小于线路全长的2 0 来计算，( 6 ) 考虑最不利的条件，即取计算条件为系统最小运行方式和两相短路，则有z 。2z 。，5山东史学硕士学位论文互二煎= ! 垦z 0 2k k z 将上式左侧分子、分母均除以z 。，可得出自适应电流速断保护可选用的最低条件为( 1 0 2 k 。) k 。一( 七i 1 ) tr 0或k 。一s k ，0( 8 )式中k 。为长度系数，加= 号l ，0 为方式系数，k l = 等2s 为斜率。“s m。s m ms ：塾二11 0 2 k k对于传统的电流速断，按最低保护区不小于线路全长的2 0 计算，考虑最不利条件，即为系统最小运行方式和两相短路，z s ：z s 一，k e ：宴代入( 6 ) 得拿( 乙一+ 乙) 一缸生一0 2( 9 )k k z l由此可得出传统电流速断保护可选用得最低条件为：七一生笠+! ：墅o ( 1 0 )i i 2 3 过渡电阻的影响以单电源线路条件进行分析比较，图1 为单电源系统，设系统阻抗z ：，线路三，阻抗为z l ，线路上。保护装置设在线路m 端。图1当在线路m 端采用自适应电流速断保护时，在f 点经过渡电阻r 故障，短路电流为2 羔6山东大学硕士学位论文自适应电流速断的动作条件表示为k 。口，：互二生二! ! ! 互型七。z 口a ：由上式可见，过渡电阻使保护的保护区变小。传统电流速断保护只用电流信息，简单可靠，其主要缺点是保护范围受系统运行方式的影响大。自适应电流速断保护定值由微机保护装置在线、实时自动计算整定，输入被保护线路的阻抗值，计算整定的全过程由装置自动完成，不需人工干预。并能根据系统运行方式的变化和不同的故障类型自动改变保护的动作原理、性能和整定。值，从而使保护处于最佳工作状态。除电流信息外，在计算系统综合阻抗时，还要用电压信息，但能达到速断保护范围显著增大的效果。自适应电流速断保护利用的是电流的故障分量，因此不存在电压死区。自适应电流速断定值不受过渡电阻的影响，但短路电流受其影响，因此，自适应电流速断保护的性能受到过渡电阻影响。在电力系统等值电抗较大或线路较短的情况下，当线路上不同地点发生相间短路时，短路电流变化曲线比较平坦，电流速断保护的保护范围较小不能满足要求时，这种情况下，可采用自适应电压速断保护。1 2 自适应电压速断保护“11 2 1 传统电压速断保护的问题电压速断不带时限动作，从保证选择性出发，定值应按躲过在最小运行方式下，下一条线出口短路时，保护处的最低电压一整定，表示为：睨3 等2 丽e z l ( 1 )l k 一电压速断的整定值；e 一系统等效电源的相电势；互一一最小运行方式下的系统阻抗；t 一可靠系数；z 。为被保护线路的阻抗故障时保护处电压的大小不仅与系统阻抗大小有关，而且与故障点的位置有关，设在线路上的珏。处短路，则得保护处的电压【o 表示为2 罴( 2 )z i 一故障时的实际系统阻抗，口一故障位置系数保护的动作条件为( 3 )7山东大学硕士学位论文将式( 1 ) 和式( 2 ) 代入式( 3 ) 可求出在当前运行方式下电压速断的保护范围，表示式为：a ：当( 4 )a = 一l qjk k z s 一十( 吒一1 ) z l由式( 4 ) 可见，由于七。 1 ，z 。 z 。，因此实际的保护范围一般总小于最小运行方式下的保护的最大保护范围令互= z ，一得出最大保护范围2 禚1( 5 )颤+ ( t 1 ) ；l将z = z s 一代入式( 4 ) 求出最小保护范围为口一t 孕+ ( tz s ( 6 )1 2 2 自适应电压速断保护1 2 2 1 基本原理自适应电压速断保护的主要特点是能在发生故障时实时求出对应于当时运行方式下的系统电源侧的综合阻抗，自动进行整定计算，从而使电压速断保护的性能达到最佳状态。自适应电压速断保护的动作值= 丽e z l ( 7 )自适应电压速断保护的动作值不是根据最小运行方式下的系统阻抗互一，而是根据故障时实际的系统阻抗互确定的。其动作值不是固定的，随系统运行方式变化而变化，但总是使动作值保持在理想状态。自适应电压速断保护的动作条件表示为u 。( 8 )自适应电压速断保护的在线自动整定步骤如下：( 1 )输入被保护线路参数z 。及缸值。( 2 )电势e 可根据网络电压事先设定，也可在线实时计算；( 3 )故障时在线计算系统综合阻抗z ；( 4 )求出吒8山东大学硕士学位论文( 5 )根据故障时数据求出u 。( 6 )保护的动作条件u 。1 2 2 2 保护范围将式( 2 ) 、式( 7 ) 代入式( 8 ) 可得自适应电压速断保护范围的表达式为哎2 赢1 丐口，= 7l gj缸+ ( 丸一1 ) 将互= z 。一代入式( 9 ) 可得出在最小运行方式下的最大保护范围为吼一= 二丁( 1 0 )k 。+ ( k 。一1 ) ；l厶j 础将互= 忍一代入式( 9 ) 可得出在最大运行方式下的最小保护范围为口f 而砭1 )t + ( 缸一1 ) ；l1 2 2 3 自适应电压速断与传统电压速断保护范围比较由式( 5 ) 和式( 1 0 ) 可知传统电压速断和自适应电压速断最小运行方式下有相同的最大保护范围，即有口一= 口一( 1 2 )比较式( 6 ) 与式( 1 1 ) 可见哎一( 1 3 )除最小运行方式外，在其它任何方式下，自适应电压速断保护范围均较大，而且比值越大，即运行方式变化越大，传统电压速断保护范围将近一步急剧减小。根据式( 4 ) 和式( 9 ) 可以对自适应电压速断与传统电压速断保护范围进行比较。1 2 2 4 保护最低选用条件的比较根据对电压速断保护的最低要求，保护区应不小于线路全长的2 0 ，式( 6 )中令。0 2 ，可得传统电压速断保护满足最低要求的表达式为口：三一0 ，2 ( 1 4 )2 硒了而乩9山东史学硕士学位论文或也等式中k 为长度系数，k c = 号l ，为方式系数，= 等一，颤为可靠系数a“5 m l n一5 删。当t2 1 3 ，式( 1 4 ) 为k c = 1 6 6 7 一d 3 3 3 k i( 1 5 )当k 2 l 2 式( 1 4 ) 为k c = 2 5 6 t( 1 6 )由式( 1 1 ) 可得自适应电压速断保护最低满足条件的表达式为：。2 石瓦1 瓦。2 ( 1 7 )当缸= 1 3 ，式( 1 7 ) 为k c s l 2 3 3 或互= 1 2 3 3 z , ( 1 8 )当k k = 1 2 式( 1 7 ) 为k c 1 9 或z ，= 1 9 z 。( 1 9 )1 3 自适应过电流保护为了保证过电流保护选择性动作，除动作电流的正确配合外，还必须保证动作时间的配合。保证动作的配合可采用定时限或反时限的动作特性。与定时限相比，反时限特性的优点显而易见。电流大时动作时间短，电流小时动作时间长。在电源附近的线路上发生短路时可以较快地切除故障，在远端短路时动作时间变长，因此一般情况下用反时限过电流保护可以用较短的平均动作时间切除短路故障。微机具有的运算速度快和记忆功能为发挥反时限过电流保护的优点，克服其缺点创造了有利条件，利用输入时间系数的方法可使微机保护装置反时限特性的调整与定时限同样简便”3 。与传统过电流保护不同，自适应过电流保护的动作值可根据当前的实际负荷电流或短路电流由装置自动设定，由于负荷电流通常均小于最大负荷电流，因此，按当前负荷电流整定有利于提高保护的灵敏度，而按短路电流整定则能保证保护可靠动作的要求”3 。n微机式反时限电流继电器的时限一电流特性的统一表示式为：t = ；上一f 生) 一一1一njt 为继电器的动作时限；k 为常系数；t 。为时间系数；i 。为起始动作电流；i 继电器通入的电流：n 为系数。根据不同的用途，目前通常采用的典型反时限特性有一般反时限特性、非常反时限特性和极端反时限特性三种。1 。一般反时限特性适用于短路电流大小主要取决于短路时刻系统容量的场合：非常反时限特性用于短路电流主要取决于短路点与保护装置相对距离的场合；极端反时限特性主要用于和熔断器配合的场合【t o 1 0山东大学硕士学位论文三种不同的反时限特性的主要区别在于动作时限反比与通过电流和起始动作电流的倍数的程度，有系数n 决定的。n = o 0 2 时为一般反时限特性，n = 1 时为非常反时限特性，n = 2 时为极端反时限特性。以保护1 、2 为例，当其采用同一种反时限特性时，在最大运行方式条件下，保护i 按线路术端的动作时限取为f ：= t ：+ 出，与保护2 配合，则在其他运行方式下保护的动作时限必能满足选择性的要求。( 1 ) 取保护1 线路末端短路的动作时限f ：= t ：+ a t+ 。r 、一2 计算出保护1 的时间系数o2 ii 专j 一1i( 3 ) 搏蟓扪胸惴毗2 亭对于农网中负荷较小的长距离线路，如果按照上述原则整定会因过流保护整定值较小而导致线路在末端故障时实时计算出的跳闸时间延长，远远超过规定的动作时限，导致线路长时间在故障状态下运行。为避免这种情况发生，可在程序中设定过流跳闸的最长动作时间z t 咄，当按照反时限电流保护原则实时计算出的跳闸动作时间t 7 k 时取动作时间为t = ? 二。第二章、故障分量及其在自适应速断保护中的应用传统的电流、电压保护在3 5 k v 、i o k v 线路保护具有性能可靠、原理简单的优点。但是根据传统速断保护整定原理可知其有不可避免的缺陷：在传统电流速断保护的整定值按系统运行最大运行方式下，线路末端发生三相短路考虑。过电流保护按线路的最大负荷考虑。这种按最严重的条件确定保护定值的方法，能保证所有可能的正常和故障条件下，保护都不会错误地切除被保护的线路。但按该方法设定的定值，在其它运行方式下( 包括系统的主要运行方式) 不是最佳，另外在最不利的短路条件下，保护可能失效，其动作性能受运行方式变化和故障类型的影响。传统电压速断保护的动作性能也受到系统运行方式的影响。为克服这一缺点，需通过在线计算系统电源侧阻抗及判断故障类型，使保护具备自动识别系统运行状态和故障状态的能力，并针对状态的改变，实时自动地调整保护动作特性、动作原理、和整定值，从而使其达到最佳效果。2 1 故障分量原理在自适应电流、电压速断保护中利用故障分量实现在线计算系统电源侧阻抗。实现故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础。1 。故障信息是电力系统故障的表征特性，只在故障时出现。电力系统会发生各种类型的短路故障，各种故障所出现的特征也各有其特殊性，但是任何设备发生故障时必然有故障信息出现。山东大学硕士学位论文根据故障信息的这个基本特点，可以用叠加原理“来研究故障信息的特征。在线性电路的假设前提下，可以把网络内发生故障后的状态视为非故障状态和故障附加状态的叠加。表示为：故障状态= 非故障状态+ 故障附加状态图a 故障后状态图b 故障附加状态圜c 非故障状态则故障后的网络内m 点的电压、电流可以表示为u = + i 。= i 咄+ 1 ul 一发生短路后m 点的实测电压、电流k 一非故障状态下m 点的电压、电流。m g1 m 一故障附加状态下的m 点的电压、电流由以上两式可知，故障附加状态下所出现的故障分量中包含的只是故障信息。主要有以下主要特征：a 非故障状态下并不存在故障分量的电压、电流，故障分量只在故障状态下出现。b 故障分量独立于非故障状态，仍受系统运行方式的影响。c 故障点的电压故障分量最大，系统中性点的电压为零。d 保护设置处电压故障分量和电流故障分量间的相位关系由保护设置处到系统中性点处的阻抗决定，且不受系统电势和短路过渡电阻的影响。发生短路时，由保护设置处的实测电压、电流减去非故障状态下的电压、1 2山东大学硕士学位论文电流，可以得到电压、电流的故障分量。非故障状态下的电压、电流的准确获得是一个复杂的问题。但对于快速动作的保护，可近似认为电压、电流中的非故障分量等于其故障前的分量。这种假设与实际情况相符。因此，可将故障前的电压、电流存储下来，然后从故障时测量到的相应量中减去故障前的电压、电流，就可得到故障分量。用数字量提取故障分量时可将故障前一个周波或半个周波的电压、电流采样值记忆下来，再与故障后的电流、电压采样值相减即可。2 2 故障分量在计算系统阻抗中的应用在利用故障分量计算系统阻抗时，可认为是在故障点处人为地接入了一组电势源“。该电势源的三相电势与上述故障点处的各相电压大小相等，但方向相反。分析三相短路时，由于电路是对称的短路电流周期分量也是对称的，只需分析其中一项就可以了但是，在系统发生不对称短路时，电路的对称性受到破环，网络中出现了三相不对称的电压和电流，。对称电路变成了不对称电路，不能只取一相进行计算。利用对称分量法将这组电势源分解成正序、负序、零序三组电势源。正序网络中只有正序电势在作用，网络中只有正序电流，所遇到的阻抗是正序电抗，其参数与故障后电网各处的稳态电抗相一致。因此采用正序故障网络计算电源侧系统阻抗。利用保护设置处的电压、电流正序故障分量可以实时计算出被保护线路背侧系统阻抗的大小。z ；= 一二土= 二呈兰= z siigg根据系统阻抗和线路阻抗的计算结果，电流、电压速断保护能自动调整其值。这种方法可使速断保护的范围相对稳定，在任何运行方式下都能达到最佳效果。2 3 故障分量在判断故障类型中的应用自适应速断保护要求能识别出故障状态，传统的选相不能满足要求，因此研制出新的选相元件有着重要的价值。2 2 1 利用相电流差区分故障类型相电流差工频变化量选相元件是在系统发生故障时利用两相电流差的变化量的幅值特征来区分各种类型故障。相电流差工频变化量也就是相电流差的故障分量，因此可用故障分量来说明其动作原理。现将接入选相元件的两相电流差的变化量分别为( l 一，a ) 。( i b t ) 。( 1 一l ) 。利用对称分量法可得l 。= ( l 一) 。= ( 1 一a 2 ) c 。i ，( 1 一a ) c j ：；厶。= ( 厶一t ) 。= ( 口2 一a ) c , i 。，( d a 2 ) e f t ：。k = ( l l ) 。= ( a 一1 ) c j 。+ 0 2 1 ) c 。i ：；式中1 ，z z r 一故障点的正、负序故障分量电流；1 3山东大学硕士学位论文c t 岛一保护端的正、负序电流分布系数；假定c l = q ，上式的幅值又可表示为ki = | c l ( 卜n2 ) 。，( 1 一a ) i ：。】厶。l = l q 【( 2 一a ) i 。，( n 一口2 ) j ：。】l = m o 一1 ) ，。+ ( n 2 1 ) i ：。 i( 1 ) 单相接地短路，以a 相接地短路为例，n ：f f z , 。= 。z s ，代入上式可得kl _ 以。1lkl _ 0l j 。l - 拈m 。l单相接地短路的幅值特性是两非故障相的电流差等于零( 2 ) 两相短路以c 、b 两相短路为例分析，则有；= 7 ：；，代入上式可得ki - 拈ilki = 2 压l c f f 。li ，。i = 拈ic l 气l两相短路的幅值特性是故障相电流差值最大。( 3 ) 三相短路三相短路么= 0 ，代入可得i | ：| k = k i( 4 ) 两相接地短路以b 、c 两相接地短路为例分析，则有i2 9 = 一。e假定为全金属性接地短路，则o k i ，代入式中可得| j 。l = 铜c ，( 1 + t ) ，i4lr8+女一(c万=畸，山东土学硕士学位论文l ，。l = 3 1 一k k + ) ，。l在一般情况下，两相接地短路的幅值特性与两相短路的相同，即两故障相电流差最大。为了进一步区分是否是两相接地短路，可采取以下附加措施：判别是否是接地故障的最简便方法是检查是否有零序电流或零序电压的存在。由于三相电流不平衡或其它原因，在正常运行情况下就有零序电流或零序电压存在，为可靠的检测出接地故障，也可以采用零序电流变化量的方法。也可采用零序电压，当零序电压取自电压互感器开口三角侧时，可防止电压回路断线的影响。我国1 0 k v 3 5 k v 配电系统通常采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。而电流互感器只在两相上装设或在三相均装设。此时，可采用两相电流的故障分量识别故障状态的方法。2 2 2 利用贷序电流区分两相及三相短路两相短路的判据为式中7 ，7 - 分别为负序、正序电流；系数k ( 1在只利用两相电流的条件下，考虑到在中性点非直接接地系统中有关系式，。= 一( ，一+ ，c ) 存在，于是可得出：击( ，e - j 3 。+ ，c ej 9 0 0 )，：= 万1 y , o o + ，c e y g o 。)上述算法同样适用于三相装设电流互感器的条件，缺点是不能同时选出故障相别。2 2 3 利用相电流故障分量区分两相及三相短路选相算法( 1 ) b c 两相短路i j 。l = 墨i 七i( 2 ) a b 两相短路 ，。i = 墨ll 。i( 3 ) c a 两相短路1 1 。+ ，臼l = 墨ll 。i当只满足上式中一个算式时，为两相短路；三个算式都满足时，为两相短路。1 5山东大学硕士学位论文第三章不同条件下自适应速断保护的动作性能分析自适应速断保护的动作性能分析“”自适应速断保护的核心元件是测量元件，其性能对自适应速断保护的动作起着决定性作用。自适应速断保护的测量元件的动作表达式为：自适应电流速断保护和自适应电压保护的范围可分别表示如下口。警髓兰一“k 。zs + 岱x q z l由上式可见，自适应电流速断保护在最大运行方式下( 乙= 互。) a ，有最大值，随着乙的增大，口。逐渐减小。与此相反，自适应电压速断保护在最小运行方式下( 五= 互一) a 有最大值，随着乙的减小，吼逐渐减小。上述分析结果说明，虽然自适应电流速断保护和自适应电压速断保护都受运行方式的影响，但它们之间有很大的互补性，将自适应电流速断保护和自适应电压速断保护结合起来组成自适应电流、电压综合速断保护将会进一步提高保护的性能。3 1 单端电源条件下自适应电流速断保护的动作分析我国l o k v 3 5 k v 线路通常以开环方式运行，线路在单电源条件下运行。1 6山东大学硕士学位论文圄0 n 二卜_j n寺阳3 1 1 被保护线路正方向发生短路故障在单端电源条件下，白适应速断保护在正方向短路故障时，根据保护的整定值已完全能可靠区分线路内、外故障。目3设在正常运行条件下通入保护的电压、电流分别为巩， ，在保护正方向e处发生三相短路时，线路1 处自适应电流速断保护求出的系统综合阻抗为：乙：一生：丝：z 。igig式中u ii ，分别为保护求出的电流、电压故障分量3 1 2 相邻线路故障，被保护线路带有负载1 7山东史学硕士学位论文假定在易点发生三相短路，则对应的故障附加状态网络图如下所示根据叠加原理：己，g = 一【，ig = 一ih由此可得乙：一生：一( z l + z )ib于是自适应电流保护的定值为：l 刮羲卜圈当z 。为无源负载时，线路电流为：l = 0i 岛，保护可靠不动作。当z 。为有源负载时，线路电流为：l =l l ，保护可靠不动作。自适应电压速断保护的保护定值为：=此时，保护处的电压为：吒= 0可得吼，保护误动作。为防止上述误动，可利用所求出的乙的实部、虚部符号闭锁保护。在保护正方向故障时，其符号为正，允许保护动作。当符号为负时，将保护闭锁。由上述可见，自适应电流、电压速断保护不仅可利用在线实时求出系统综合等值阻抗来适应系统运行方式的变化，而且还可作为方向元件使用。3 1 3 相邻线路故障，被保护线路空载当相邻线路出口处e 点发生三相短路1 b一五b 一+一乙山东大学硕士学位论文z h = 。ig = 0ug = 一uhz j = 。此时，线路上的故障分量电流。= 0 ，启动元件不会动作，故保护不会误动。当线路空载，在相邻线路发生三相短路时，乩= 0 ，保护启动元件不动作，故保护不会误动。3 2 两端电源条件下自适应速断保护的动作分析3 2 1 ，被保护线路正方向发生三相短路当被保护线路正方向f 处发生三相短路时，对应的故障附加状态网络如图所示。ni l叫当2 l 卜_ 二卜_ 一 庙圈5由图可知，保护求出的系统综合阻抗为z 。：一u ：z 。lg在保护范围内发生故障时保护均能可靠动作。3 2 2 被保护线路反方向发生三相短路当图2 中的f 2 处发生三相短路时，对应的故障附加状态网络如图所示1 9山东史学硕士学位论文保护求出的系统综合阻抗为：乙一u ：! 兰丝- ( z + z i 。)6 ，一t 。，igig将上式带入式( 1 ) 可得：式中z 。为归算到母线n 的系统侧综合阻抗。件下当b l 与i 乓l 相近时，总有l l因此自适应电流速断保护在反方向动作时不会误动，但为提高不误动的可靠性，可利用乙的方向特性将保护闭锁。对于自适应电压速断保护，可得um =而在最不利条件下u m = 0所以，总有乩l 0 ，自适应电压速断保护在反方向故障时会误动作，因此必须用乙的方向特性将保护闭锁3 3 电力系统振荡时动作性能分析条陪一剖l i 肚=l而l山东史学硕士学位论文当输电线路传输功率过大超过静稳极限，或当系统无功功率严重不足而引起系统电压降低，或当发生短路时由于故障切除太慢以及采用非同期重合闸时，并列运行的发电机有可能发生失步现象，从而发生系统振荡。在振荡过程中，两个发电机或系统两部分的等值电源电势之间的相角随时间作周期性的变化，从而使系统中的各点电压，线路电流呈现周期性的变化。在电力系统发生振荡的条件下，对自适应速断保护的动作情况分析就不像传统速断保护那样简单、明确。在自适应速断保护中，保护的定值是根据系统实际运行方式在线实时计算的，而又必须首先求出的系统综合阻抗z 。由于系统振荡时电压、电流的幅值、相位不断发生变化，故障分量的准确提取出现困难。为了能对电力系统振荡的过程进行分析，同时不影响结论的下确性，提出以下几点假设：( 1 ) 将所研究的系统，按其电气连接的特点简化为一个具有双侧电源的开式网络。7( 2 ) 系统振荡时，两测系统的电势幅值相等，相角差以占表示，占在0 。- 3 6 0 。之间变化。( 3 ) 系统中各元件的阻抗角相等，以表示。总阻抗为( 4 ) 振荡过程中不考虑负荷电流的变化。3 3 1 振荡时电气量的变化振荡时电流的变化当e ”和e ”之间的相角为占时，两个电源之间的电流为振荡电流。该电流表示为：；：墨兰二墨! ：皇竺! ! 二! ：12z zz2振荡电流的有效值为，：竺：丝生s i l l 至z z 2当占在0 。3 6 0 。之间变化，振荡电流的大小和相位都发生变化。振荡时电压的变化系统振荡时线路两段母线电压分别为u ，= e m 一，z d 。：三。+ j z 。振荡时测量阻抗的变化当系统只发生振荡时，由叠加原理知此时相当于附加一个变化的电压回路2 1山东大学硕士学位论文翻8e ue ”一em与前一周期电压、电流相减后的电压故障分量为u 。= u c o s ( 耐+ 2 矾f + 口)电流故障分量为，。g = i c o s ( ( o t + 2 矾h - 妒) 。电力系统的振荡周期一般在0 2 5 s 2 5 s 范围内，设电力系统的周期为乏，其频翠为 z 。对电压故障分量、电流故障分量分别进行傅氏滤波u 。= r uc 。s ( f + 2 z f j + 口) s i n 础- 2 叭i n ( 矾n 咖i n ( 矾畎面专赫丽uu = ic o s ( m t + 2 耐：+ o