适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法.pdf

一种适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法：采用故障线路上的三相电流；求取零序电流分量，判断零序电流分量是否存在，根据零序电流分量是否存在来分别确定三相对称故障选相元件判据中的门槛值Iset和裕度比Kset；求出三相电流突变量ΔIA、ΔIB和ΔIC；判断三相电流突变量的幅值是否均大于设定的门槛值；判断所求出的三相电流中最大突变量与最小突变量间的比值K是否小于已设定的裕度比定值Kset。本发明选相结果可靠、动作速度快，在发生转换性三相故障时可正确、快速选择三相故障，所提三相对称故障选相元件不受过渡电阻影响，而不对称故障时过渡电阻加快暂态分量的衰减速度并使突变量减小都有利于三相故障的选择。

1.  一种适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用故障线路上的三相电流；
2)求取零序电流分量，判断零序电流分量是否存在，根据零序电流分量是否存在来分别确定三相对称故障选相元件判据中的门槛值I_set和裕度比K_set，即分别设定无零序电流分量时的门槛值和裕度比和存在零序电流分量时的门槛值和裕度比；
3)求出三相电流突变量ΔI_A、ΔI_B和ΔI_C；
4)判断三相电流突变量的幅值是否均大于设定的门槛值；
即min(ΔT_A，ΔT_B，ΔI_C)＞I_set
如果上面不等式不成立，则判定故障为不对称故障；
如果上面不等式成立，则进一步求三相电流突变量中最大突变量与最小突变量的比值K＝ΔI_max/ΔI_min；
5)判断所求出的三相电流中最大突变量与最小突变量间的比值K是否小于已设定的裕度比定值K_set；
即K＜K_set
如果上面不等式不成立，则所出故障为不对称故障；
如果上面不等式成立，则判定所发生故障为三相故障。

2.  根据权利要求1所述的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，其特征在于，所述的存在零序电流分量时的门槛值I_set＝I_set0，裕度比K_set＝K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。

3.  根据权利要求1所述的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，其特征在于，所述的无零序电流分量时取门槛值为I_set＝0.5I_set0、裕度比为K_set＝2K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。

适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统输电线路继电保护领域，特别是涉及一种适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法。
背景技术
负序方向纵联保护具有悠久的历史和丰富的运行经验。特高压输电线路长，分布电容大，而方向元件的动作范围大、是半个平面，经过大量的分析认为，负序方向纵联保护可作为特高压线路主保护的方案。特高压输电线路的相间距离一般在15米以上，完全同时的三相故障可能性很小，大部分三相故障的初瞬间都有短时的不对称，但由于滤波算法的跨窗问题，以及暂态故障分量的影响，在故障转换为三相故障后10ms左右，由滤波算法求得此时的不平衡负序电压、电流仍然较大，难以用负序电流的幅值门槛加以限制，如图1所示，图中横轴是时间，故障发生在0时刻，纵轴分别为负序电压、电流的幅值。可见，不平衡负序电压、电流较大，可能导致负序方向元件不正确动作。考虑到这一情况，在负序方向元件的动作逻辑中应加入三相对称故障的选相元件，要求该元件应该具有较快的动作速度，其动作速度要大于保护的动作速度，一旦故障由不对称发展为三相对称，可以快速闭锁负序方向元件，如同对方来的闭锁信号一样。一般保护装置中选相元件是为了在单相接地短路时，选出故障相单相跳闸，在两相和三相短路时三相跳闸。而此处设立的三相不对称故障选相元件的目的在于判断是否发生了三相对称故障，当发生的是不对称故障时也不需对不对称故障的类型加以区分。另外，在一些专门反应三相对称故障的保护原理上也需要采用三相故障选相元件。在选择单相故障和相间故障时利用序分量进行选相要优于故障分量选相，但是三相故障时理论上不存在负序和零序电流分量，所以应用序分量进行选相是不可能的；而如果应用相电流差突变量选相元件，著作：胡婷，游大海，金明亮《一种电流突变量选相元件三相短路判据的探讨》，电力自动化设备，2006，26(10)：107-109页中已提出，由于故障时暂态分量的影响，这一选相元件往往将三相对称故障误判为两相短路故障。因此，已有的选相方案都不能可靠判定三相短路，需要提出新的三相对称故障选相元件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于特高压输电线路，其选相结果可靠、动作速度快，在发生转换性三相故障时可正确、快速选择三相故障的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，包括如下步骤：
1)采用故障线路上的三相电流；
2)求取零序电流分量，判断零序电流分量是否存在，根据零序电流分量是否存在来分别确定三相对称故障选相元件判据中的门槛值I_set和裕度比K_set，即分别设定无零序电流分量时的门槛值和裕度比和存在零序电流分量时的门槛值和裕度比；
3)求出三相电流突变量ΔI_A、ΔI_B和ΔI_C；
4)判断三相电流突变量的幅值是否均大于设定的门槛值；
即min(ΔI_A，ΔI_B，ΔI_C)＞I_set
如果上面不等式不成立，则判定故障为不对称故障；
如果上面不等式成立，则进一步求三相电流突变量中最大突变量与最小突变量的比值K＝ΔI_max/ΔI_min；
5)判断所求出的三相电流中最大突变量与最小突变量间的比值K是否小于已设定的裕度比定值K_set；
即K＜K_set
如果上面不等式不成立，则所出故障为不对称故障；
如果上面不等式成立，则判定所发生故障为三相故障。
所述的存在零序电流分量时的门槛值I_set＝I_set0，裕度比K_set＝K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。
所述的无零序电流分量时取门槛值为I_set＝0.5I_set0、裕度比为K_set＝2K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。
本发明的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，充分考虑了特高压输电线路要求保护动作速度快，而暂态分量影响大的特点，应用自适应原理，对三相电流突变量的相近性进行判别，如果三相电流突变量相近且大于门槛值则判为三相对称故障，否则判为不对称故障。具有如下特点：
(1)本专利所提三相对称故障选相原理适用于特高压输电线路，其选相结果可靠、动作速度快，在发生转换性三相故障时可正确、快速选择三相故障；
(2)所提三相对称故障选相元件不受过渡电阻影响，而不对称故障时过渡电阻加快暂态分量的衰减速度并使突变量减小都有利于三相故障的选择。
附图说明
图1是在5ms时刻不对称故障转换为三相故障的负序电压、电流幅值的变化情况；
其中，(a)为负序电压；(b)为负序电流
图2是本发明的流程图；
图3是1000kv特高压输电线路系统。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法做出详细说明。
本发明通过对三相电流突变量ΔI_A，ΔI_B，ΔI_C的判别和比较来进行三相故障的判定。当线路上发生三相故障时，此时ABC三相电流皆有突变量且三相突变量在不考虑暂态分量的情况下大小是相等的，然而，实际系统发生三相短路故障时，由于暂态分量的影响，尤其在特高压输电线路上暂态分量丰富，三相突变量之间会有很大的偏差。考虑特高压输电线路的特点和对三相对称故障选相的要求，确定三相对称故障选相元件的启动原则为三相均有突变量且三相突变量基本相等。分为三种情况：
一、当三相电流均有突变时：
三相电流突变量幅值均大于一定的门槛值：
min(ΔI_A，ΔI_B，ΔI_C)＞I_set                                     (1)
I_set——门槛值。
二、当三相突变量基本相等时：
a.考虑到保护动作快，由于暂态非周期分量及谐波分量对滤波算法的影响，三相故障时三相突变量彼此间会不相同，但相对于不对称短路，其差别小，基本上彼此相接近；
b.两相接地和单相接地故障时由于零序互感及暂态分量对滤波算法的影响，非故障相均有一定突变量。
根据上述因素，本原理对三相突变量基本相等的判据采用三相电流中最大突变量与最小突变量间的比值来判断其是否相等，这一比值可称之为裕度比，用K来表示，公式如下：
K＝ΔI_max/ΔI_min                                                (2)
即求取K，与事先设定好的裕度比定值K_set比较，如果裕度比K小于裕度比定值K_set说明三相突变量接近，即认为此时发生的是三相故障，否则说明此时发生的是不对称故障。判别式如下：
K＜K_set                                                         (3)
K_set——裕度比定值。
三、应用自适应原理选取定值：
设立了两套定值，第一套定值是将突变量定值取为I_set＝I_set0和裕度比定值取为K_set＝K_set0；第二套定值是将突变量定值取为I_set＝0.5I_set0，裕度比定值取为K_set＝2K_set0。两套定值的选取是根据故障后是否有零序电流分量。
两相接地和单相接地故障时由于零序互感的影响，非故障相电流有突变量，这会使三相电流突变量的最小值ΔI_min接近突变量门槛值I_set，同时使裕度比K减小并接近K_set，因此可能误判为三相故障。
本发明所涉及的选相原理，首先判断零序电流分量(零序分量受故障暂态分量影响小)是否存在，如果故障后没有零序电流分量，则说明此时发生三相故障或两相故障。接下来只需区分开三相故障和两相故障，因两相故障时非故障相无突变量，即便考虑了暂态过程对滤波算法的影响，非故障相求得的突变量相对于故障相也非常小，两相故障时求得的裕度比K非常大，远远大于裕度比定值K_set，因此设置第二套定值中的突变量定值减小和裕度比定值增大，可以增加三相故障选相元件的灵敏度，同时并不影响对三相故障和两相故障的区分。
如图2所示，本发明的适用于特高压输电线路自适应三相对称故障选相的方法，具体包括如下步骤：
1)采用故障线路上的三相电流；
2)求取零序电流分量，判断零序电流分量是否存在，根据零序电流分量是否存在来分别确定三相对称故障选相元件判据中的门槛值I_set和裕度比K_set，即分别设定无零序电流分量时的门槛值和裕度比和存在零序电流分量时的门槛值和裕度比；
所述的存在零序电流分量时的门槛值I_set＝I_set0，裕度比K_set＝K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。。
所述的无零序电流分量时取门槛值为I_set＝0.5I_set0、裕度比为K_set＝2K_set0，其中：I_set为门槛值，K_set为裕度比值，I_set0和K_set0为设定常数。
3)求出三相电流突变量ΔI_A，ΔI_B，ΔI_C；
所述的求出三相电流突变量ΔI_A、ΔI_B和ΔI_C是采用如下公式：
Δi_A(k)＝i_A(k)-i_A(k-2N)。
4)判断三相电流突变量的幅值是否均大于设定的门槛值，即min(ΔI_A，ΔI_B，ΔI_C)＞I_set，如果上面不等式不成立，则判定故障为不对称故障；如果上面不等式成立，则进一步求三相电流突变量中最大突变量与最小突变量的比值K＝ΔI_max/ΔI_min；
5)判断所求出的三相电流中最大突变量与最小突变量间的比值K是否小于已设定的裕度比定值K_set；
即K＜K_set
如果上面不等式不成立，则所出故障为不对称故障；
如果上面不等式成立，则判定所发生故障为三相故障。
下面以发生两相短路(设BC两相故障)为例，将本发明与相电流差突变量选相元件进行比较：
两故障相间(设BC两相故障)的相电流差为
|I·BCg|=23|C1I·1g|---(4)]]>
另外两个相电流差为
|I·ABg|=3|C1I·1g|---(5)]]>
|I·CAg|=3|C1I·1g|]]>
-故障点的正序故障分量电流。
因此，两相故障时求得裕度比K＝ΔI_max/ΔI_min＝2。而三相对称故障时，理论上裕度比K＝1，可见，利用相电流差突变量进行选相，两相故障和三相故障时，裕度比分别为2和1，其区分度很小。如果考虑特高压输电线路故障时暂态分量影响，则相电流差突变量选相元件根本无法区分三相故障和两相故障。
本发明所提出的自适应相电流突变量选相元件，在两相故障时(设BC两相故障)非故障相突变量很小，可以认为ΔI_A＝0，故裕度比理论上为无穷大即K＝ΔI_max/ΔI_min＝∞，而实际上裕度比也为很大的值，因此能够明确判断出三相故障和两相故障。仿真结果也证明了，在三相故障的判定上，本发明所提三相对称故障选相元件采用相电流突变量原理明显优于相电流差突变量选相元件。
下面是三相对称故障选相元件仿真结果：
仿真模型为电压等级为1000kV，被保护线路全长500km。正常运行时，两侧系统电势夹角为65度。K₁为区内故障，K₂为区外故障。常数I_set0选为额定电流的0.075～0.15倍(额定电流设为传输自然功率下的电流有效值即)，常数K_set0选为6。仿真步长0.5ms；判断为三相故障的条件为连续5点有3点判为三相故障，即5取3。仿真结果见表1。
表1仿真结果

由仿真结果可知，三相对称故障选相元件动作速度快；对于短时不对称三相故障，三相对称故障选相元件在故障转换为三相故障后2.5-4ms可快速判出三相故障，避免了不对称故障转化为对称故障后由于滤波算法的跨窗及暂态分量的影响引起负序方向纵联保护误动问题。
图3是1000kv特高压输电线路系统，该系统具体参数如下：
r₁＝0.00805Ω/km  L₁＝0.82525e-3H/km C₁＝14.03699e-9F/km
r₀＝0.20489Ω/km  L₀＝2.37599e-3H/km C₀＝9.03439e-9F/km