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文档简介
1、第27卷 第28期 中 国 电 机 工 程 学 报V ol.27 No.0 July 2007文章编号:0258-8013 (2007 07-0000-05 中图分类号:TM77 文献标识码:A 学科分类号:47010远距离输电线路等传变瞬时值差动保护文明浩,陈德树,尹项根,张 哲(华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室,湖北省 武汉市 430074)Long Transmission Line Current Differential Protection by Using InstantaneousValue after Equal Transfer ProcessesWEN Ming
2、-hao, CHEN De-shu, YIN Xiang-gen, ZHANG Zhe(Electric Power Security and High Efficiency Lab, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, Hubei Province, ChinaABSTRACT: It is revealed that the interaction between transient voltage and current still satisfies a uniform transmission lin
3、e's distributed parameters model after distributed voltage and current pass through the same linear circuit. The distribution of voltage is a liner function along the transmission line when its frequency is near power frequency. On the basic of the analytical results, a new scheme of long transm
4、ission line current differential protection by using instantaneous value after equal transfer processes was presented. The voltage and current have equal transfer processes from primary electrical quantities to instantaneous values used by differential protection. At first the current sampling value
5、s pass through virtual digital CVTs. And then the voltage and current sampling values are processed by a low pass filter. According to the instantaneous value of transmission line voltage, the current instantaneous values of shunt reactors and equivalent circuit capacitance can be calculated. After
6、removing these two kinds of current, sampling value differential protection based on all components and fault component can be applied. The results calculated by ATP show that the proposed technique has highly reliability, a short operation time, excellent performance under high-resistance earth-fau
7、lt conditions and phase selection ability.KEY WORDS :long transmission line; current differential protection by using instantaneous value after equal transfer processes;distributingcapacitance;capacitivevoltagetransformer; shunt reactor; relay protection摘要:证明了线路分布电压、电流经过相同的线性电路传变后,其相互关系仍符合原线路分布参数模型,
8、工频附近的电基金项目:国家自然科学基金项目(50477046。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477046压信号在线路上接近线性分布。在此基础上,提出一种用于远距离输电线路保护的等传变瞬时值差动保护方法,该方法从线路一次电气量到用于差动保护计算的瞬时值,电压和电流经过的传变环节基本相同。首先将电流采样值经虚拟数字CVT 处理,然后对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理。由线路电压瞬时值分别实时计算出流入并联电抗器和流入线路型等值电路两侧电容的电流瞬时值,再从线路每侧电流除去这两部分电流,
9、用得到的新电流瞬时值作常规采样值差动和故障分量采样值差动保护计算。A TP 仿真表明,等传变瞬时值差动保护可靠性高、动作速度快、耐过渡电阻能力强、具有选相能力。关键词:远距离输电线路;等传变瞬时值差动;分布电容;电容式电压互感器;并联电抗器;继电保护0 引言远距离输电线路一般是500kV 以上电压等级的长线路,其发生内部故障时,需要由继电保护装置迅速将故障切除,以减少事故损害程度。差动保护是500kV 以上电压等级的线路主保护之一,它能无延时的切除故障,但是为了保证远距离输电线路差动保护正确、可靠、有选择性的工作,必须克服一个主要障碍,即外部故障和正常运行时,输电线路的分布电容电流不要造成差动
10、保护误动作,且在内部故障时,不要因采取技术措施而降低保护装置的灵敏度。采样值差动保护1-2主要应用于短线路,由于分布电容电流问题,目前还不能作为远距离线路的主保护。现有技术中对分布电容电流问题,国内外采用最多的技术是提高差动保护的动作门槛和基于相量差动保护3-4的电容电流补偿算法。这两种技术有如下不足:提高差动保护的动作门槛将明显降低60 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷保护的灵敏度;基于相量差动保护的电容电流补偿算法,需要计算故障发生后的相量,对暂态分布电容电流补偿效果差,使差动保护延时跳闸。特高压远距离输电线路的分布电容电流问题更严重的影响到差动保护动作性能5。远距离输电线路的能量
11、平衡保护6-7是一种不受分布电容电流影响的保护方案,与基于贝瑞隆模型的纵联差动保护一样8,都是建立在远距离输电线路分布参数模型的基础上,保护方案的实现都需要输电线路的精确参数,工程实践暂时有一定困难。输电线路模型的电容电流时域补偿方法9利用微分方程模型对电容电流瞬时值进行补偿计算。然而目前在 330kV 、500kV 及以上电压等级电力系统中已广泛使用电容式电压互感器(CVT作为电力系统一次电压的传感设备。在正常状态下,一次系统处于正弦稳态,CVT 的电压变换准确度是令人满意的,但当一次系统发生故障时,电压突然下降,由于 CVT 有很大的电容和电感,因此其输出不能跟踪输入,暂态过程可能延续数十
12、毫秒,严重影响保护的动作性能10-12。目前的补偿算法均没有考虑CVT 暂态影响这个问题13-19;并且由于受传统分相电流差动保护的影响,基本采用按相补偿分布电容电流的方式。线路内部单相接地故障时,非故障相的补偿是存在问题的,因为相模转换中,非故障相的模量中包含与故障相有关的相间模量和地模量,而目前的补偿算法是基于无内部故障的线路模型,对包含故障相的模量做电容电流补偿会存在一定偏差,影响保护的选相能力。500kV 以上电压等级的长线路一般都带有并联电抗器,流入并联电抗器电流的直接获取,工程实践还存在一定困难。 本文提出一种用于远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法,较好的解决了上述几
13、个问题,对新方法获得电流瞬时值可作常规采样值差动和故障分量采样值差动保护计算,可靠性高、动作速度快、耐过渡电阻能力强、有选相能力等,能满足电力系统远距离输电线路主保护的要求。1 保护原理分析继电保护电气量经过的传变环节,一般是单输入单输出,只要是线性电路,总可以表示成如下常系数线性微分方程组:( ( ( ( ( ( t z t f t y t z t f t =+=+zA B C D (1 式中:A 、B 、C 、D 为常系数矩阵;z (t 为状态变量;f (t 为输入量;y (t 为输出量。因为模量实际上是相量的线性组合,因此模量输入和输出量的关系和相量是一致的,符合同一个常系数线性微分方程
14、组。线路的每个模量应满足均匀传输线偏微分方程:0000(, (, (, (, (, (, u x t i x t L R i x t x t i x t u x t C G u x t x t =-=-(2 如果将线路上任一点x 的电压和电流u (x , t 、i (x , t 都经过状态方程为式(1的传变环节变换,那么此传变环节的状态变量z (t 和输出量y (t 不仅是时间t 的函数还是空间x 的函数。把输入量为u (x , t 的输出量表示为y u (x , t ,把输入量为i (x , t 的输出量表示为y i (x , t ,可以证明y u (x , t ,y i (x , t 满足
15、原均匀传输线偏微分方程式(2。因此,只要设法使从线路一次电气量到用于继电保护计算的电气量电压和电流经过的传变环节基本相同,对继电保护计算的电气量仍然可以用被保护线路均匀传输线偏微分方程进行分析。远距离输电线路分布电流补偿的主要困难在于输电线路电压的分布。如果线路两端保护计算的电压和电流经过了相同的线性电路传变,分析问题时可以认为输电线路的分布电压和电流经过了相同的线性电路传变。实际上,只要在传变环节中增加一个低通滤波,使电压和电流的频率限制在工频附近,输电线路经过传变后的分布电压是较接近线性分布的。不考虑线路损耗,式(2的通解为1212(, ( (, ( /( /C Cu x t f x vt
16、 f x vt i x t f x vt Z f x vt Z =-+=-+ (3 经过低通滤波,滤除了u (x , t 、i (x , t 的高频信号,f 1(x -vt 、f 2(x +vt 是u (x , t 、i (x , t 的线性组合,它们的主要频谱也在050Hz。先分析f 1(x -vt 中的工频信号,t 变化20ms 为一个工频周期,而f 1(x -vt 是x -v t 的函数,则保持t 不变,x 变化6000km 为一个周期(v 按接近光速考虑 。600km 线路同一时刻两端正弦量相差36,以连接首尾直线去拟合36的正弦波,最大误差在正弦峰值附近,约为4.9%,300km 线
17、路的最大误差只有1.2%,而f 1(x -vt 中低于工频的其它信号,线路两端相差角度更小,线性拟合效果更好。同样可分析f 2(x +vt ,因此,在工程上可认为输电线路经过低通滤波传变后的分布电压u (x , t 是较接近第28期 文明浩等: 远距离输电线路等传变瞬时值差动保护 61线性分布的。由线路两端电压模量,通过线性拟合表示t 时刻x 处电压模量:(, 0, , 0, u l t u t u x t u t x l-=+ (4则全线路此模量对应的分布电容电流总和为(000, 0, , 22lu x t u t u l t C l C l C x t t t= + (5 式(5即按型电路
18、等值,由线路两端电压对电容电流进行补偿,C 0为单位长度电容,l 为被保护线路全长。2 等传变瞬时值差动2.1 保护工作流程在以上分析的基础上,提出一种用于远距离输电线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法。该方法首先将电流采样值经虚拟数字CVT 处理,然后对电压和电流采样值通过相同的低通滤波处理。保护采用3个空间模量进行计算,由线路电压瞬时值分别实时计算出流入并联电抗器和流入线路型等值电路两侧电容的空间模量电流瞬时值,再从线路每侧空间模量电流中除去这两部分电流,用得到的新电流瞬时值作常规采样值差动和故障分量采样值差动保护计算,最后根据3个空间模量保护动作结果选相跳闸。等传变瞬时值差动保护从线路
19、一次电气量到用于差动保护计算的瞬时值,电压和电流经过的传变环节基本相同,如图1所示。 图1 保护的传变环节Fig. 1 Transfer processes of the protection2.2 虚拟数字CVT为了使保护获得的电压和电流量所经过的传变环节一致,等传变瞬时值差动保护首先将电流采样值经虚拟数字CVT 处理。电流经过的虚拟数字CVT 电路和电压经过的实际CVT 等值电路完全相同,如图2所示,CVT 由分压电容、补偿电抗器、中间电抗器、阻尼器等部分组成。其中,U 为实际CVT 输入电压,即相电压一次值;U 1为CVT 等值电路输入电压;C 1、C 2为实际CVT 分压电容;C e
20、为等效分压电容; L 1为补偿电感和中间变压器的漏感之和;R 1 为相应的电阻;R f 、C f 、L f 和 r f 为谐振型阻尼器的参数;L b 和 R b 为负载电感和电阻;L m 和 R m 为激磁支路电感和电阻(通常CVT 中间变压器铁心不饱和 。1112e 12/(U C C C UC C C =+=+ (6U f图2 CVT 等值电路Fig. 2 Equivalent circuit of CVT为将图1所示保护装置AD 采样获得的电流采样值经虚拟数字CVT 处理,首先用数值分析的方法处理电路中的电感和电容,作出各元件只包含电流源和电阻的t 时刻等值电路。以电感元件为例,电感微分
21、方程为d /d jk j k L i t u u =- (7 应用梯形积分公式,化为差分方程:1( ( ( jk j k L L i t u t u t I t t R =-+- (8其中,2/L R L t =;( ( (Ljk j I t t i t t u t -=-+- (/k L t u t t R -。因此t 时刻电感支路的电压和电流关系可以用图3所示的等值电路代替。u j (u I (t -t (a实际电路 (b暂态等值计算电路图3 电感元件电路 Fig. 3 Inductance circuit这样在每一个采样时刻CVT 暂态等值电路就变成只包括3种电气元件的简单直流电路:输入
22、电压源、电感电容等值电路的电流源、电阻。电感、电容等值电路电流源,其初值可设为零,经虚拟CVT 传变后t 时刻电流采样值计算步骤如下:(1)根据相电流的采样值计算t 时刻输入电压源U 1的数值,U 1=C 1 /(C 1 +C 2U ,U 的每个采样时刻的数值等于输入保护二次相电流的采样值。(2)根据已知的t 时刻输入电压源和电容、电感等值电路中电流源的数值,求解t 时刻CVT 暂态等值直流电路,得到t 时刻各个节点电压和支路电流,其中CVT 负载支路压降即相电流经过虚拟CVT 传变后t 时刻的采样值。62 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷(3)由式(2中得到t 时刻各个电感、电容等值
23、电路的电压和支路电流,计算t +t 时刻各个电感、电容等值电路电流源的值。 2.3 低通滤波根据第1节的分析,采用普通的低通滤波器,截止频率为50Hz ,就可以满足要求。这里采用二阶巴特沃斯滤波器,采样率2.4kHz 。y (n =0.00392x (n +0.00784x (n -1+0.00392x (n -2+1.815y (n -1 -0.831y (n -2 (9 式中:x (n 为n 时刻低通滤波器输入采样值;y (n 为输出瞬时值。2.4 模分量与选相前面分析得出输电线路经过传变后的分布电压u (x , t 较接近线性分布的结论是基于无内部故障的线路模型的。如果采用按相补偿分布电
24、容电流的方式,在线路内部单相接地故障时,非故障相的补偿是存在问题的。因为相模转换中,非故障相的模量中包含与故障相有关的空间模量和地模量。对包含故障相的模量做电容电流补偿会存在一定偏差,影响保护的选相能力。超高压、特高压输电线路一般要求选相跳闸,区内单相故障要求跳单相,区内多相故障跳三相,因此选相问题的关键是找出区内单相故障的故障相。这里借鉴文献20中的方法,采用3个空间模量进行保护计算,具体算法如下:(1)采用3个空间模量分别进行保护计算,这3个空间模量分别是模量1:u M A -u M B 、i M A -i M B 、u N A -u N B 、i N A -i N B ;模量2:u M
25、A -u M C 、i M A -i M C 、u N A -u N C 、i N A -i N C ;模量3:u M B -u M C 、i M B -i M C 、u N B -u N C 、i N B -i N C (假设被保护线路为MN ,u M A -u M B 为M 侧A 相电压与B 相电压之差,i N A -i N B 为N 侧A 相电流与B 相电流之差 。(2)仅对应1个空间模量的保护动作,保护不跳闸。(3)对应2个空间模量的保护动作,跳单相。对应模量1和模量2的保护动作,发A 相跳闸命令;对应模量1和模量3的保护动作,发B 相跳闸命令;对应模量2和模量3的保护动作,发C 相跳
26、闸命令。(4)对应3个空间模量的保护动作,保护三相跳闸。当被保护线路发生相间故障时,3个空间模量中每一个模量至少包含1个故障相信息,对应各模量的保护一般具有足够灵敏度迅速动作,保护能够三相跳闸,如区内BC 两相短路,模量1包含故障相B 相信息,模量2包含故障相C 相信息,模量3包含故障相B 、C 两相信息。当发生单相接地故障时,3个空间模量中只有2个模量包含故障相信息,另一个模量只包含2个非故障相信息。只包含非故障信息的模量,经过图1中传变后的分布电压和电流u (x , t 、i (x , t 是较接近线性分布的,按式(5能够对电容电流进行较好的补偿,保护将可靠的不动作,而另2个模量都包含的相
27、别就是故障相,根据算法第3条,保护能够选相跳闸。例如区内B 相单相接地,模量2只包含非故障相A 、C 两相信息,模量2对应保护将可靠的不动作,模量1和模量3都包含故障相B 相信息,模量1、模量3对应的保护都能够较迅速动作,发B 相跳闸命令,保护准确选相跳闸。 2.5 并联电抗器如果能从并联电抗器引入电流互感器,将流入输电线路每侧保护的电流减去流入本侧并联电抗器的电流就得到本侧流入输电线路的电流。然而工程上线路保护装置有时可能无法直接引入并联电抗器电流互感器二次电流,则可采用数值分析的方法计算出流入并联电抗器的电流瞬时值。根据2.4节分析,保护采用空间模量计算,因此只需计算相间电流,以M 侧并联
28、电抗器AB 相间电流为例(假设被保护线路为MN 。将电感方程u =L d i /dt 离散化,可得到每个采样时刻计算公式:i ML_AB (n =i M AB (n -1+0.5u M A (n -u M B (n +u M A (n -1 -u M B (n -1t /L式中:i ML_AB (n = i M A L (n -i M B L (n ;L 为并联电抗器的正序电感值;i M A L (n 为n 时刻并联电抗器A 相电流瞬时值;t 为采样间隔时间。当电力系统没有发生故障且三相电压和电流对称时,可通过全周傅氏算法求出并联电抗器电流相量,从而确定积分的初值。 2.6 电容电流补偿保护采
29、用空间模量计算,因此只需计算相间电容电流。将式(5用差分公式表示,以M 侧AB 相间电容电流为例:i MC _AB(n =0.5u M A (n u M B (n u M A (n 1 u M B (n 1C /t 式中C 为被保护线路相间电容。第28期 文明浩等: 远距离输电线路等传变瞬时值差动保护 633 仿真计算为了验证所提出远距离输电线路等传变瞬时值差动保护的性能,以1000kV 特高压线路模型,应用 A TP 电磁暂态程序进行仿真分析。系统结构如图4所示。为分析全面,分别计算了晋东南到南阳和南阳到荆门两段被保护线路,考虑了双侧电源-90907种电源电势角差、大小系统阻抗、4种故障类型
30、、单相接地060011种过渡电阻、单侧电源、外部故障切除和空充等多种情况,仿真计算时被保护线路设置了11个内部故障点,相邻线路和变压器的线路侧和电源侧共设置了6个外部故障点。等传变瞬时值差动保护采样率为2.4kHz ,保护使用处理后新电流瞬时值作常规采样值差动和故障分量采样值保护计算。 图4 特高压系统图Fig. 4 UHV power system表1是被保护线路为晋东南到南阳,电源电势角差为60的保护动作情况,发生故障初始40ms 使用故障分量采样值保护判据,以后采用常规采样值差动判据,判据都采用24取8保护动作,动作门槛0.1倍额定电流(额定电流为4000A ,比例制动系数k 取0.6。
31、表中,内部单相接地故障包括高阻接地都实现了选相跳闸,相间故障所示为三相均跳闸的动作时间,“NF ”表示保护不动作。表1 保护动作情况举例Tab. 1 Example of the results of simulation过渡电阻/单相接地 两相 短路 两相 接地 三相 短路 0100 300 600 内部故障动作时间/ms0% 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 5.0 3.8 20% 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 5.0 3.8 40% 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 5.0 3.8 60% 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 5.0 4.6 80% 3.8 3.
32、8 3.8 5.0 3.8 5.4 4.2 100% 3.8 3.8 3.8 5.4 3.8 4.6 4.6 外部 故障B NF NF NF NF NF NF NF DNF NF NF NF NF NF NF K NF NF NF NF NF NF NF N NF NF NF NF NF NF NF C NF NF NF NF NF NF NF ZNFNFNFNFNFNFNF图5和图6的被保护线路为晋东南到南阳。图5是距晋东南30%处发生A 相金属性接地内部故障时,等传变瞬时值差动保护的差流波形图(一次电流值 。B 、C 两相均为非故障相,尽管经过了虚拟数字CVT 、并联电抗器、分布电容电流几
33、个离散化步骤的计算,模量3的补偿效果还是比较理想,最大差流峰值不到100A 。图6是外部故障波形图,区外D 点发生三相短路故障,120ms 后故障切除。曲线1是等传变瞬时值差动保护的差流波形,曲线2是未经并联电抗器和分布电容电流补偿的原始采样值差流波形。曲线1最大差流峰值为136A ,出现在外部故障切除后,比较曲线2可知,暂态差流得到了实时、有效的补偿。1 21 41 61 81采样点 1 21 41 61 81采样点0 -4000 -800040000 -200-400200 400(a模量1(AB相 差流波形 (b模量3(BC相 差流波形图5 内部故障差流波形Fig. 5 Differen
34、tial current waves of interior fault1 97 193 289 385采样点 -20002000i /A21图6 外部故障差流波形Fig. 6 Differential current waves of external fault常规采样值差动、故障分量采样值差动保护由于未对暂态电容电流作有效的补偿,会出现较大的差流,图6曲线2差流的最大峰值超过了4000A 。仿真分析表明,为保证各种情况下内部无故障时保护不误动,并且有一定裕度,动作门槛须整定为4000A ,比例制动系数k 取0.8。可是按此整定时,不64 中 国 电 机 工 程 学 报 第 27 卷 但带
35、过渡电阻单相接地故障拒动,许多相间金属性 故障也会拒动,尤其是在小系统阻抗情况下。因此 常规采样值差动、故障分量采样值差动保护在远距 离输电线路应用只能起到提高部分金属性故障动作 速度的目的。 至于相量差动保护, 如采用低通滤波、 全周傅氏算法,仿真分析表明,为保证各种情况下 内部无故障时保护不误动,并且有一定裕度,动作 门槛须整定为额定电流1200A,比例制动系数k取 0.8, 其金属性内部故障动作速度必然大于20ms, 高 阻接地故障由于需采用电容电流相量补偿,保护的 动作速度将更慢;而半周傅氏算法相对于常规采样 值差动、故障分量采样值差动保护,在保护动作速 度和灵敏度上并无明显改善。从以
36、上仿真结果分析 表明,等传变瞬时值差动保护方法在动作速度、灵 敏度和准确性均明显优于常规采样值差动、故障分 量采样值差动保护和相量差动保护。 力系统自动化,2000,24(20:37-39 Wen Minghao, Chen Deshu, Yin Xianggen Study of current phasor differential protection for long UHV transmission line J Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(20: 37-39(in Chinese 5 罗四倍, 段建东, 张保会基于暂
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44、nt differential protection based on transient capacitance current compensation JAutomation of Electric Power Systems,2005,29(12:61-67(in Chinese 4 结论 从理论上分析论证了线路分布电压、电流经过 相同的线性电路传变后,其相互关系仍符合原线路 分布参数模型,工频附近的电压信号在线路上接近 线性分布。在此基础上提出一种应用于远距离输电 线路微机保护的等传变瞬时值差动保护方法,将原 来仅适用于短线路的常规采样值差动和故障分量采 样值差动保护成功应用于远距离
45、输电线路,解决了 CVT对保护影响、单相接地内部故障健全相电容电 流补偿与选相的关系、并联电抗器电流计算、分布 电容电流补偿等一系列问题。 参考文献 1 陈德树,尹项根,张哲再谈采样值差动保护的一些问题J电 力自动化设备,2000,20(4:1-3 Chen Deshu, Xianggen, Yin Zhang ZheOn problems about sampling value 2 differential protectionJ Electric Power Automation Equipment,2000,20(4:1-3(in Chinese 杨经超,尹项根,陈德树,等采样值差动保
46、护动作特性的研究 J中国电机工程学报,2003,23(9:71-77 Yang Jingchao,Yin Xianggen,Chen Deshu,et alStudy on the operation characteristic of sampled value differential protecti Zheng, He JialiNovel principle of pilot differential relay protection of transmission linesJ Automation of Electric Power Systems, 2004, 28(11:1-
47、5(in Chinese 3 伍叶凯,邹东霞 电容电流对差动保护的影响及补偿方案J继 电器,1997 ,25(4 :4-6 Wu Yekai,Zou DongxiaThe influence of capacitance current to differential protection and its compensation schemeJ Relay, 1997, 25(4:4-6(in Chinese 4 文明浩,陈德树,尹项根超高压长线相量差动保护的研究J电 第 28 期 文明浩等: 远距离输电线路等传变瞬时值差动保护 65 14 毕天姝,于艳莉,黄少锋,等超高压线路差动保护电容电流的 精确补偿方法J电力系统自动化,2005,29(15:30-34 Bi Tianshu,Yu Yanli,Huang Shaofeng,et alNovel accurate compensation method of capacitance current of uhv transmission line JAutomation of Electric Power Systems,2005,29(8:30-34(in Chinese 15 苏斌,董新洲,孙元章适用于特高压线路的差动保护分布电容 电流补偿算法J电力系统自动化,2005,29(8:36-40 Su B
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