159、新型突变量距离算法研究

1、新型突变量距离算法研究钱国明陈福锋王帆薛明军（国电南京口动化股份有限公司中国南京210003）摘要：文章首先简单介绍了传统的突变量距离保护原理，指出了其存在的不足，并在此基础 上提出新型突变屋距离算法。新算法采用更为精确的分布参数模型计算补偿电压的突变量, 采用浮动的动作电压门槛，并将比幅判据和比相判据相结合。突变量距离新算法和传统算法 相比受系统阻抗和负荷的影响很小，保护灵敏度显著提髙；且新算法错从原理上就解决了受 非周期分量的影响，区外故障更安全。emtp数字仿真验证了原理的正确性和实用性。 关键词：突变量距离灵敏度补偿电压分布参数模型0引言突变量距离继电器（或称工频变化量距离继电器、故障

2、分量距离继电器）的发展与应用 是近十多年来继电保护领域的重人进展卜戮 突变量距离继电器动作速度快，耐受过渡电阻 能力强，方向性明确。另外，在微机保护屮突变量的求取无需增加额外的硕件，实现起来也 很方便，在实用中取得了良好的效果。但是，现场运行经验表明，其保护范围不够稳定，与 系统阻抗和线路阻抗的阻抗比有关系，为系统阻抗和线路阻抗的阻抗比增大时，突变量距离 保护范围很小甚至几乎没冇®7】。另外，突变量距离继电器同时也受负荷影响。作为切除近 端严重性故障的快速保护，其性能的好坏直接影响系统的安全稳定运行。因此进一步研究突 变量距离继电器特性，提高其动作范围的稳定性和安全性具有重大意义。1

3、传统突变量距离原理简介令为补偿电压，即突变量距离整定范恫末端的计算电压，可得is（ 1）其中，d为保护安装处的电压，/为保护安装处的电流。相间突变量距离继电器中 s，i = i和 单相突变量距离继电器中s i = . + kzio。（p（p = ab,bc,ca, （p = abc, kz为零序补偿系数，人为零序电流。突变量距离继电器的动作判据为= （2）其中可靠系数£一般取为1.051.2倍额泄电压，匕为额立电压，相间回路和单相回路 分别取100v和58vo上述突变量距离继电器有动作速度快、方向性好等优点，但也有不足, 英动作范围不稳定，受系统阻抗和线路长度影响严重，同时受负荷影响

4、，线路负荷越重保护 动作范闌越小；另外，故障暂态过程中的非周期分量容易造成传统的突变量距离继电器超越。2新型突变量距离算法介绍2.1补偿电压的精确计算传统的突变量距离其基本原理实质是计算保护幣尬点电压（补偿电压）的变化暈，根据 其变化量的大小区分区内外故障。新算法采用更为精确的分布参数模型计算补偿电压。i叭如oo"com图1单相无损传输线路模型图1所示为单相无损传输线路模型，可知01侧保护女装处与突变量距离整定点z间满 足正反行波方程如式（3）和（4）。l " 一 q）+% a 一 口）/ j=r（。+% / ©（ 3）l,n a）+% （r） / = -i

5、74; （/ - j）+% （t-rm）/zc（4）其中和分别为m侧保护处电流和电压的采样值：和，”为整定点的电流和电 压；为行波从m侧到整定点的传播延时；佥为波阻抗。令t =并代入式（4）可得&+5）+% &+5）/ © = -爲（0+% （t）/zc（5）将式（3）和式（5）相加并整理可得% =£ 陆 c - 5）- l （/ + 5） j +（札（/ - 口）+ % （/ + 5）】（6）由式（6）即可根据保护安装处的电气量计算得到保护整定范围末端的电压，这个计算 电压即为补偿电压。用此法计算的补偿电压是基于时域的，和传统的频域下计算补偿电压的 方法相

6、比，此法更为精确，不受电容电流影响，尤其适介超高压长线路。以上推导均是基于 单相均匀传输线展开的，对于三相输电线路，应用模量变换方法，可把三相线路分解为三个 独立的单相线路，每一单相线路对应一个模量，上述分析的结果对每个模量都适用。求出各 相补偿电压的釆样值后用傅氏滤波便能得到补偿电压的向量值兀，其中（p = ci,b,c 02.2新突变量距离算法保护启动后利用保存的历史采样数据计算出两周波前的补偿电压“作为突变量距离 门槛，此门槛仅计算一次并保持；根据故障厉采样数据计算当前的补偿电压卩；,。突变量距 离新算法的动作判据1如下。串-。（po > * 训（）（7）其中比为可靠系数，可取为1

7、.11.2之间。为提高新算法的灵敏度，当式（7）不能满足 且有> 0.5v时，增加判据2如式（8）所示。 120“ v arg佝 < 240"（8）u、4为保护女装处的电压，式（7）或（8）任一个满足，新算法的突变量距离保护即可 动作出口。3新算法性能的分析3.1系统阻抗对新算法的影响新算法巾式（7）作为主判据结合式（8）的辅助判据，与式（2）的传统的突变量距离 算法相比，从形式上看主要有两点区别：其-是直接釆用补偿电压的计算值参与判别，补偿 电压的计算采用更为准确的分布参数模型；其二是新算法的门槛采用故障前的补偿电压，不 再固定，根据负荷情况自动调整。新算法中的判据1主

8、要针对长线路近端故障，对于大部分严垂故障判据1均能快速切除 故障。对于短线路，尤其是背侧为小电源的悄况，判据1的动作范围同传统突变量距离算法 一样受到很大影响，其主要原因在于可靠系数r值的引入，下面以传统算法为例简单分析其 原因。式（2）的动作条件可以等效为式（9）,其中乙为保护整定阻抗，z$为背侧系统阻 抗,zk为故障回路阻抗。zy + z<jr + z j(9)假设线路阻抗和系统阻抗均为纯电抗，可得区内金属性短路的保护范i书i为z <zy+(l- £)乙(10)由于可靠系数r均人于1,在背侧电源阻抗较人时，保护范用将很小。令r = l.l,保护 整定范围为80%的线路

9、全长时，只要系统阻抗大于8借的线路阻抗，保护就将失去动作范 围血匕新算法屮判据1的动作行为在受系统阻抗的影响方面基本和传统算法是一样的，因 此本文引入判据2。判据2为相位判据，精度较高，灵敏度也高。图2区内故障补偿电压示意图対于判据2只要满足pj > 0.5v便可以投入，下面主要分析区内故障吋补偿电压的幅值 情况。如图2中区内f点故障，令保护安装处电压为力卄 故障点到保护安装处zi'可的线路 阻抗为zk，保护背侧的系统阻抗为z” °=爲刁笃(口)勺+乙k令突变量距离整定阻抗为80%的线路阻抗，即zy = 0.8z,其中z为整尬阻抗，z,为线路全长阻抗。令故障阻抗为r倍的

10、整定阻抗。补偿电压为 1 zy zp *1.25zw /zl+k'> 0.5v可得(12)(13)u =u =-eo7u m m乙k令系统各元件阻抗角相同，由u'1f0.5>1.25|z/z+ f |爲 |可得保护的动作范围为57.7-0.625k582(14)其中k = |zw /zj o图3所示为突变量距离新算法的保护范围和系统线路阻抗比z间关 系曲线。从图3可以看出和传统算法相比，新算法的保护范围受系统阻抗的影响小得多。即 使在系统阻抗为线路阻抗20倍的情况下，新算法的保护范围仍能达到整定范围的75%以上; 而在系统阻抗为线路阻抗8倍的情况下，新算法动作范围达

11、到整定范围的90%以上，如上 分析此吋传统算法己经没有了灵敏度。图3保护动作范围与系统线路阳抗的关系曲线3.2负荷对新算法的影响传统的突变量距离算法由于采用固定门槛，受负荷影响较人，上要原因在于重载情况f 故障点电压较低，采用固定门槛相当于提高了可靠系数k ffl,从而缩小了保护范围。负荷 越重，故障点电压越低，保护范围缩小越是严重。新算法中判据1等效为九-"©lol =&|zs+zm >k f/（o（15）即|&|> 上旦 （16）z + z仪另外，故障电流突变量可表示为亚kz$ +zk(17)其中为故障点电压变化量，对于金属性故障即为故障点故

12、障前正常运行电压。将 式（13）代入式（12）可得iaejz5 +zk< i zs+zzd （rh于受负荷影响，全线各点电压均不完全相等，从式（18）可以看出，新算法判据1的保护范围仍将在一定程度上受到负荷的影响，只有在整定点故障时满足|aej= 101 ,此 时判据1的动作范围才不受负荷影响。故障点离开整定范围末端越近，正常运行时故障点电 压和整定点越是接近，保护范围受负荷影响越小；相反，故障点离开整定范围末端越远保护 范围受负荷影响越大，从这一点来说对于保护是冇利的。另外，对于判据2来说其动作条件 基木不受负荷电流影响，新的突变量距离算法在受负荷影响方而已经有了很大的改善。3.3非周

13、期分量对新算法的影响工频变化量阻抗继电器使用的是工频稳态量，应用中一般采用全波傅氏、半波傅氏等向 量算法。高压、特高压长距离输电系统中的暂态过程的故障电流包含很人的衰减直流分量, 且衰减地很慢，对上述向量算法存在较大的影响，因此算法也会对工频变化量距离的性能产 生影响。系统中各元件阻抗角一般相差不大，可以认为暂态过程中电压是不含衰减直流分量 的。传统的突变量距离算法需要用到电流突变量的向量值，因此受电流中非周期分量影响容 易造成区外故障超越动作。新算法不使用电流向量，完全由补偿电压向量构成判据。补偿点 电压由式（6）在时域下进行计算，不涉及傅氏算法，不受电流屮非周期分量影响。因此新 的突变量距

14、离算法在原理上就不受非周期分量影响。4仿真验算为验证木文提出突变量距离保护新算法的正确性和有效性，文章用emtp电磁暂态仿真 程序仿真了如图4所示的500rv双端输电线路区内外故障，并用matlab编程对所提原理 进行了计算验证。m侧为电源侧，n侧为无穷大系统，线路长60kmo突变量距离整处范围 为线路全长的80%,即48km。图4双端输电线路模型线路参数：m止序参数：/； =0.0270/to,闵=0.30320/加，,=4.27x10/零序参数：=0.196q/如，y/0 =0.69450/to, %严2.88x10"s/如m端背后的系统参数：匕小运行方式：zw1 = j98.2

15、62q , z1o = ;15.oq大运行方式：zw1=j18.2q , z,n0 = ；2.48qn端背后的系统参数：正序：z=.j45.149o 零序：z“ = )23.3210文章针对两种不同的运行方式和不同的负荷状态情况对传统的突变量距离算法和本文所提算法 作了验算对比，表1和表2仅以相间故障为例列出相关计算结果。其中传统算法根据不同的向量滤 波算法分为两类，一种为半波傅氏算法，另一种为半波差分傅氏算法。表1大运行方式下仿真结杲负荷情况结果故障,4、传统算法新算法判据1判据2动作情况半波傅氏半波差分突变量动作门槛补偿电压比相结果空载50%155.2530116.1689113.6002

16、100.743010.3425180.3211动作60%169.3149125.1109121.666118.6261180.3659动作70%159.5900117.9388115.684512.2379180.3546动作80%150.3259111.7619110.28507.2604180.3654动作90%141.8152106.9365105.55023.0631180.4285动作110%127.6636100.1220100.74332.742636.2177不动作120%121.819997.3546100.74335.25620.6975不动作130%115.660293.

17、3261100.81357.30150.3942不动作2000a50%134.5454110.9048111.291679.224019.5848189.7035动作60%135.2602108.9798108.015111.3260190.4736动作70%134.4239103.5148102.34047.9395191.1338动作80%128.339398.250997.75401.0126191.6031动作90%117.049989.553190.31940.9629192.2281动作110%103.030782.765784.09240.426314.6255不动作120%10

18、1.910884.092084.94123.337916.1439不动作130%75.591761.302862.32014.518212.4922不动作表2小运行方式下仿真结杲负荷情况结果 故障传统算法新算法判据1判据2动作情况半波傅氏半波差分突变最动作门槛补偿电压比相结果空载50%129.1965114.7915113.2419101.64237.4139181.5132动作60%125.2169112.7636111.35865.2377181.4406动作70%121.39381101864108.92311.8737181.8894动作80%117.7344107.3405106.5

19、4961.5720181.9464动作90%114.2930103.6458103.12191.0577182.3488动作110%108.8255103.7238103.98540.256438.0105不动作120%106.7373103.7116103.83052.23607.2444不动作130%104.1466102.4839102.40414.59745.5936不动作1200a50%111.0901105.9375105.425479.52515.9757195.6263动作60%109.0901103.4354103.46644.3732195.0737动作70%107.286

20、6101.6392100.46163.9417195.0737动作80%106.627299.6561198.33402.9777202.4415动作90%103.627296.656196.33401.2987200.4986动作110%89.965486.567186.39890.564745.4556不动作120%84.234179.135279.54331.742344.3434不动作130%79.321176.871276.43832.537544.8521不动作从仿真结果町以看出：(1)采用半波傅氏滤波的传统突变量距离算法受非周期分量的影响容易 发生超越，在整定值的120%处仍然会

21、超越；(2)采用半波差分傅氏滤波的传统突变量距离算法很 大程度上降低了非周期分量的影响，但是保护灵敏度很低，若可靠系数取为1.2,即使大运行方式下 在幣定值的50%处故障仍不能动作；(3)新算法在各种运行方式和负荷状态下动作范围都能达到整 定范围的90%以上，具有很高的灵敏度，且区外故障不超越；(4)新算法中判据1在空载情况下的 灵嫩度和传统算法相当，但山于采用浮动门槛在重载悄况下其灵敏度比传统算法高；(5)新算法中 判据2的比相结果在一定程度上受负荷影响，但即使重负荷情况下也有足够的灵敏度。5结论传统的突变量距离保护实质就是反映整定点计算电压(补偿电压)的变化量，木文在此基础上 采用分布参数

22、模型提出了新算法。新算法补偿电压的计算更为精确，不受分布电容电流影响，更适 介在高电压长距离线路上使用；采用浮动门槛的电压门槛，降低了负荷对于突变量距离算法的影响; 新算法采用比邮和比相相结合的算法基本解决了系统阻抗对突变量距离保护的影响；新算法的判据 中均不直接使用电流向量，因此也不存在传统算法受非周期分量影响的缺点。emtp数字仿真验证 了新算法的正确性和冇效性。参考文献：1j沈国荣.工频变化量距离继电器的研究.中国电机工程学会笫四次全国继电保护及安全 口动装置学术会议，1986.shen guorong. study of power frequency variation distan

23、ce relay. proceedings of the 4th relay and auto installation academic institute of the cseej986.2 戴学女.继电保护原理的重大突破一综论工频变化量继电器j电力系统自动化，1995,19(1)： 41-17dai xuean. a brief discussion on the protection relay based on power frequency variation principle. automation of electric power systems, 1995, 19(1)： 41 -473 隋凤海,陈淘,李钢.论突变量距离继电器j.电力系统自动化,1995, 19(11):34-37.sui fenghai, chen tao, li gang. on fault comp