多端综合阻抗在输电线路保护中的应用

多端综合阻抗在输电线路保护中的应用

1基于方向比较、电流差动和干系统整定原理的广域继电保护算法随着电网结构的复杂性和运营方式的灵活性，过去，仅通过保护安装点和本地电气信息来做出决定和判断的剩余保护，显示出越来越多的缺点。广域测量系统(WAMS)和IEC61850标准的不断发展和应用,为提高和改善继电保护系统的性能提供了契机,近年来人们提出了广域继电保护的概念并进行了初步研究,其中重点讨论集中在广域继电保护的系统构成、故障元件识别算法和跳闸控制策略等几方面。目前对广域继电保护故障元件识别算法的研究主要分为两类:(1)基于方向比较原理的广域继电保护算法。其性能很大程度上受方向元件性能的影响,一般该保护算法具有系统通信量小、易于实现等优点,但其方向元件在高阻接地、系统振荡、非全相运行、转换性故障、功率倒向、带弱馈电源等运行条件下的灵敏度、动作准确性都存在问题,一旦方向元件判断错误,基于方向比较的算法也将得到错误的结果。(2)基于电流差动原理的广域继电保护算法。该保护算法原理简单,能准确反映所有类型的故障。但需要解决高精度同步采样、电容电流的补偿、高阻接地灵敏度下降及定值整定困难等诸多问题。为消除传统两端输电系统光纤电流差动保护受电容电流、过渡电阻的负面影响,文献[11-13]提出了基于综合阻抗的纵联保护新原理,该保护原理无需对电容电流进行补偿,可用于带或不带电抗器补偿的线路,受负荷电流影响小,与过渡电阻无关,对于弱馈及单端供电线路也有较高的灵敏度。随着全球卫星定位系统的不断发展和完善,美国的GPS卫星同步导航系统、俄罗斯GLONASS卫星导航系统、欧洲的“伽利略”卫星同步导航系统及中国的“北斗”卫星同步导航定位系统为广域电网系统的精确同步提供了可能。在此基础上,本文将文献[11-13]提出的两端输电系统综合阻抗纵联保护原理推广到多端输电系统,并应用到广域继电保护中,分析了广域系统区内故障和区外故障时综合阻抗保护的动作特性,并针对广域继电保护特点提出三步保护方案。IEEE10机39节点系统仿真验证了该算法的有效性。理论分析和仿真表明,应用于广域系统的综合阻抗比较保护同样适用于三端输电系统。2综合抗zcd图1为一个典型两端输电系统模型图,线路采用uf070形等效电路模型,在F点发生了故障。图中各符号的定义参见文献。定义综合阻抗为线路上发生区外故障时,综合阻抗的计算结果为此时综合阻抗反应线路的容抗,其虚部是一个绝对值较大的负数,同时幅值较大。线路上发生区内故障时,综合阻抗的计算结果为式中,Z1=Zm+Zlm;Z2=Zn+Zln;K取0.5;uf064为线路两端电压的相位差。此时的综合阻抗与电源阻抗、线路阻抗、过渡电阻和角度uf064有关,经文献分析,Zcd一般位于第1或第2象限,其虚部是一个正数,如果RF及uf064角较大,Zcd有可能落入第4象限,其虚部的绝对值远小于ZC。基于综合阻抗的纵联保护原理根据Zcd虚部的符号和大小来判断被保护线路上是否发生了故障,其判据为式中,Zset根据不同电压等级线路容抗值整定,可取500~600Ω;Iset可固定取为0.2IN,IN为电流互感器(TA)二次侧额定电流。3基于综合阻力比较原理的大规模再压算法3.1广域继电保护动作判据图2a为广域继电保护系统模型图,保护区域可以是两端输电系统,也可以是三端/多端输电系统。广域继电保护区域的综合阻抗定义为式中,N、M分别为广域继电保护区域边界母线数及其进出线路数,当N=M=2时为两端输电系统,当N=M=3时为三端输电系统。广域继电保护区域外发生故障时,如图2b所示,保护区域边界所有线路电流和İcd反映为保护区域内各线路的电容电流之和,将区域内各线路电容容抗综合等效为容抗ZC,则区外故障时保护综合阻抗的计算结果为考虑到广域继电保护区域的有限性,由式(7)可知,综合阻抗Zcd反映保护区域的等效容抗,其幅值较大,且综合阻抗的阻抗角约为-90°。广域继电保护区域内发生故障时,如图2c所示,保护区域边界所有线路电流和主要反映为故障电流İF与线路的电容电流之和。由图2d所示区内故障时系统故障附加电路可知式中,为故障前故障点处电压;Z1,Z2,…,ZN分别为故障点到各系统末端的等效阻抗;RF为过渡电阻。因系统正常运行时,各点电压基本稳定,相差不大,取K值可近似取1.0,为各故障点电压与各母线电压和的相角差,一般取则区内故障时保护综合阻抗的计算结果为考虑到广域继电保护区域的有限性,由式(9)可知,区内故障时综合阻抗Zcd与系统阻抗、线路阻抗、过渡电阻和角度有关,但其虚部为感抗,且其值较小。在高压输电系统中,电源阻抗和线路阻抗的阻抗角都接近90°。在过渡电阻较小时,综合阻抗的阻抗角反映系统与线路阻抗角,趋于90°,随着过渡电阻变大,阻抗角逐渐减小。所以综合阻抗的阻抗角为(0°~90°)±ε,ε为误差。基于区内外故障时保护综合阻抗Zcd的虚部绝对值的大小不同可判断保护区域上是否发生了故障,同时为提高保护的可靠性,以阻抗角的区域判断作为辅助判据。保护判据为式中,Zset一般根据不同电压等级线路容抗值选取,可取600W;ε考虑测量误差、计算误差及角度的影响,一般取15°~30°。从式(10)可以看出,基于综合阻抗比较原理的广域继电保护动作判据通过比较Zcd的虚部绝对值及阻抗角的大小区分区内故障和区外故障。区内故障时,尽管Zcd与过渡电阻、系统阻抗和线路阻抗有关,但其虚部(感抗)与区外故障时Zcd的虚部(容抗)绝对值相比还是相当小,当门槛设置600uf057时,保护动作判据具有很大的裕度及较高的灵敏度。相比常规主保护,基于综合阻抗比较原理的广域继电保护作为后备保护,具有保护范围大、灵敏度高、动作速度相对较慢(主要受系统通信方面的限制)的特点。相比基于电流差动原理的广域继电保护,该算法具有灵敏度高、不受电容电流的影响等优点;相比基于方向比较原理的广域继电保护,该算法采用分相综合阻抗计算,本身具有选相功能,且易整定,不受过渡电阻、非全相运行、转换性故障、系统振荡等因素影响的优点。大量仿真结果也证实了这一结论。3.2正常运行情况下的差流启动为避免广域继电保护系统在正常运行时的大量数据通信和计算,保护系统设置启动元件:|Icdi|>ILset。Icdi为保护区域内各线路的差电流,ILset可以取为0.2~0.5IN,IN为系统的额定电流。当保护系统检测到启动元件动作后才启动广域继电保护程序。基于综合阻抗比较原理的广域继电保护方案分三步:(1)当某线路元件差流启动后,首先经检测程序判断差流启动的可能性:第一种情况:线路故障引起的差流,主要指线路本身故障引起的差流,或线路故障时一端断路器跳开而另一端断路器失灵引起的差流等。第二种情况:主要指由于线路任一端TA断线、电流采集回路故障等原因在电网系统正常运行情况下引起的差流。第三种情况:主要指由于线路一端变电站通信故障(如通信装置或通信通道)、变电站直流消失等情况在电网系统正常运行情况下引起的差流。如果是第一种情况引起的差流启动,广域继电保护系统则直接进行该线路元件的保护综合阻抗计算,然后根据式(10)来判断线路区内故障或区外故障,如图3所示系统的I区,如果判断为区内故障,则根据分相判断结果直接跳开相应断路器切除线路故障,对于失灵情况,如果就地配置失灵保护一般由失灵保护动作,否则由系统跳开线路失灵侧母线所有相连线路或母联的断路器。(2)如果是第二种情况引起的差流启动,广域继电保护系统利用基尔霍夫电流定律,由站域信息直接构建线路失效端的电流,保护范围如图3所示系统的II区,然后再进行差动电流计算,如果差流仍满足启动条件则启动II区域的保护综合阻抗计算,然后根据式(10)来判断区内故障或区外故障,如果判断为区内故障,则根据分相判断结果直接跳开该线路两端断路器切除故障。一方面能够避免正常运行情况保护的误动作,另一方面也保证线路故障时能够可靠动作。(3)如果是第三种情况引起的差流启动,广域继电保护系统不能得到线路对侧电流、电压信息,必须将保护区域扩大,保护系统利用通信系统迂回的方法得到扩大区域的电流电压信息,扩大的保护范围包含本线路及故障侧变电站相连所有线路,如图3所示系统的III区,然后利用保护区域边界所有线路末端的测量信息进行综合阻抗计算,区内故障、区外故障的判据同式(10)。如果判断为区内故障,则根据分相判断结果直接跳开本线路相应断路器,同时跳开直流消失变电站相连所有线路相应断路器。注意:如果直流消失变电站有大量负荷流出,而广域继电保护可能因为通信或其他原因不能得到负荷电流,则此时保护判断因缺少电流信息不能有效计算综合阻抗,故广域继电保护系统将不进行该保护的计算和判断,改由其他保护判断,本文不做详细讨论。3.3保护流程为更清晰地表达三步保护方案之间的配合关系,本文给出基于综合阻抗保护原理的广域继电保护故障元件识别算法整体判断流程,如图4所示。4仿真结果分析为验证本文算法,利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建的IEEE10机39节点电网系统模型进行仿真验证。仿真系统的单线图及其支路编号如图5所示。设定线路L7在距母线6侧线路全长15%处发生各种短路故障(过渡电阻取0~25uf057)和接地故障(过渡电阻取0~300uf057),计算时采用一点差分算法及全波傅里叶滤波算法。为了验证基于综合阻抗比较原理的广域继电保护区内故障、区外故障及三步保护方案的有效性,仿真时分别对不同保护对象进行综合阻抗计算:反应区内故障的L7、L7-B6(线路L7和母线B6共同组成保护区域,以下表示相同)、L7-B8、L7-B6-L6-L11、L7-B7-L8等保护区域;反应区外故障的L5、L6、L8等保护区域。设系统在仿真系统稳态运行后在1s时发生故障,在1.25s后故障返回,其综合阻抗计算如图6所示,以L7为例。表1列举线路L7及L7相关联线路的保护I区在线路L7发生故障后1周波时刻的综合阻抗计算结果。表2列举线路L7的保护II、III区在线路L7发生故障后1周波时刻的综合阻抗计算结果。为比较基于综合阻抗比较的广域保护广域差动保护的灵敏性,仿真实验分别计算在线路L7发生故障后1周波时刻的综合阻抗和差电流,计算结果如图7所示。由表1可知,线路L7发生不同类型故障时,保护区域L7反应为内部故障,故障相Zcd的虚部数值最大为90Ω,远低于定值600Ω,阻抗角在-10°~86°之间;非故障相Zcd的虚部数值最小为9.2kW,远高于定值600Ω,阻抗角基本在-90°左右。保护区域L5、L6、L8反应为外部故障,Zcd的数值最小为9.2kW,远高于定值600Ω,阻抗角基本都在-90°左右。由表2可知,保护区域L7-B6、L7-B8、L7-B6-L6-L11、L7-B7-L8均能可靠反映内部故障,故障相Zcd的数值最大为111Ω,远低于定值600Ω,阻抗角在-10°~86°之间;非故障相Zcd的虚部数值最小为9.2kW,远高于定值600Ω,阻抗角基本都在-90°左右。从图7可知,随着过渡电阻的增加,差动保护差电流明显下降,而综合阻抗基本不变,明显具有较高的灵敏度。仿真结果表明:该算法容易整定,具有选相功能,且不受分布电容电流和过渡电阻影响。5建立广域继电保护方案本文在两端输电线路综合阻抗纵联保护原理研究的基础上,提出了一种基于综合阻抗比较原理的广