一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法.pdf

本发明涉及一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，属电力系统继电保护技术领域。将三角环网每条线路的方向纵联保护看成一个被保护单元；故障发生后，利用固定时窗内线路量测端的方向元件获得的正向行波和反向行波幅值积分之比λ来判断故障方向；若比值λ小于或者等于整定的门槛值λ∑set，则判为正方向故障，若比值λ大于门槛值λ∑set，则判为反方向故障。当一条支路两端方向元件均判定为正方向故障时，则判为故障位于该支路，说明三角形环网保护区域内部发生故障；否则，判定为三角形环网外部发生故障。大量仿真实验表明，本发明效果良好。

1.  一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，其特征在于：将三角环网每条线路的方向纵联保护设置为一个被保护单元；故障发生后，利用固定时窗内线路量测端的方向元件获得的正向行波和反向行波幅值积分之比λ来判断故障方向；若比值λ小于或者等于整定的门槛值λ_∑set，则判为正方向故障，若比值λ大于门槛值λ_∑set，则判为反方向故障；当一条支路两端方向元件均判定为正方向故障时，则判为故障位于该支路，判定三角形环网保护区域内部发生故障；否则，判定为三角形环网外部发生故障。

2.  根据权利要求1所述的基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，其特征在于具体步骤为：
A、将行波暂态信号的采样率设置为20kHz，定义t₀为首波头到达量测端的时刻，l_min为量测端最短的健全出线；三角环网线路中，定义三个端分别为M端、N端和Q端，M、N两端的方向继电器分别为R₁、R₂；N、Q两端的方向继电器分别为R₃、R₄；Q、M两端的方向继电器分别为R₅、R₆；在[t₀,t₀+2l_min/v]时间内，当故障发生时，三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆分别根据式(1)和式(2)得到离散化的量测端正向和反向行波绝对值：
u⁺＝(u(k)+Z_Ci(k))/2  (1)
u^-＝(u(k)-Z_Ci(k))/2  (2)
方向继电器R₁～R₆分别根据式(3)和式(4)得到离散化的量测端正向和反向行波幅值积分值：
S+=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(3)]]>
S-=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(4)]]>
式中，是线路波阻抗，L和C为单位长度线路的电感和电容，Δt为采样间隔，m为窗长为2l_min/v的采样点数，k表示采样点，t₀时刻记k＝0；
B、利用式(1)和式(2)计算得到的正向行波幅值积分和S⁺、反向行波幅值积分和S^-按照式(3)计算其比值：
λ_∑＝S⁺/S^-  (5)
C、将λ_∑与设定的门槛值λ_∑set进行比较，若λ_∑≤λ_∑set，则判定为正方向故障；若λ_∑>λ_∑set，则判定为反方向故障，λ_∑set的值取为1.2；
D、结合三角环网内线路两端方向继电器的判别结果就可以确定故障支路，即：
若λR1Σ<λR1Σset]]>且λR2Σ<λR2Σset,]]>则故障位于MN支路；
若λR3Σ<λR3Σset]]>且λR4Σ<λR4Σset,]]>则故障位于NQ支路；
若λR5Σ<λR5Σset]]>且λR6Σ<λR6Σset,]]>则故障位于QM支路；
若上述三式均不满足，则判定三角环网线路外部发生故障。

一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
随着超高压及特高压输电线路的不断建设，大容量机组的陆续投运，电网的互联，这些都对电力系统继电保护提出了更高的要求，线路故障后，快速、可靠地清除故障是增强线路输电能力和提高电网暂态稳定性的有效措施。而传统的基于工频量的继电保护已经逐渐显现出不能快速检测出故障的弱势。始于上世纪70年代的利用故障暂态产生的行波来检测故障的行波保护，与基于工频量的工频量线路保护相比，由于其极快的故障检测速度而备受人们关注。
由于三角环网的特殊结构，故障初始行波会通过健全线路构成的回路传播至量测端，使得传统的使用电流突变方向构成的纵联保护不再适用，而通过三角环网三条线路的方向纵联保护构成一个单元保护能很好解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于行波幅值比较式方向保护，利用正向行波和反向行波幅值之比来构成判据，提出一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，克服传统工频量保护受线路分布电容，电流互感器饱和度影响的缺点。
本发明的技术方案是：一种基于方向行波积分比较原理的三角形环网暂态量单元保护方法，将三角环网每条线路的方向纵联保护设置为一个被保护单元；故障发生后，利用固定时窗内线路量测端的方向元件获得的正向行波和反向行波幅值积分之比λ来判断故障方向；若比值λ小于或者等于整定的门槛值λ_∑set，则判为正方向故障，若比值λ大于门槛值λ_∑set，则判为反方向故障；当一条支路两端方向元件均判定为正方向故障时，则判为故障位于该支路，判定三角形环网保护区域内部发生故障；否则，判定为三角形环网外部发生故障。
具体步骤为：
A、将行波暂态信号的采样率设置为20kHz，定义t₀为首波头到达量测端的时刻，l_min为量测端最短的健全出线；三角环网线路中，定义三个端分别为M端、N端和Q端，M、N两端的方向继电器分别为R₁、R₂；N、Q两端的方向继电器分别为R₃、R₄；Q、M两端的方向继电器分别为R₅、R₆；在[t₀,t₀+2l_min/v]时间内，当故障发生时，三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆分别根据式(1)和式(2)得到离散化的量测端正向和反向行波绝对值：
u⁺＝(u(k)+Z_Ci(k))/2  (1)
u^-＝(u(k)-Z_Ci(k))/2  (2)
方向继电器R₁～R₆分别根据式(3)和式(4)得到离散化的量测端正向和反向行波幅值积分值：
S+=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(3)]]>
S-=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(4)]]>
式中，是线路波阻抗，L和C为单位长度线路的电感和电容，Δt为采样间隔，m为窗长为2l_min/v的采样点数，k表示采样点，t₀时刻记k＝0；
B、利用式(1)和式(2)计算得到的正向行波幅值积分和S⁺、反向行波幅值积分和S-按照式(3)计算其比值：
λ_∑＝S⁺/S^-  (5)
C、将λ_∑与设定的门槛值λ_∑set进行比较，若λ_∑≤λ_∑set，则判定为正方向故障；若λ_∑>λ_∑set，则判定为反方向故障；由于总存在：正方向故障时，λ_∑<1；反方向故障时，λ_∑≥1，故可以选定大于1的值作为门槛值。为保证可靠性和灵敏度，经过PSCAD/EMTDC大量仿真，取门槛值取为1.2。
D、结合三角环网内线路两端方向继电器的判别结果就可以确定故障支路，即：
若λR1Σ<λR1Σset]]>且λR2Σ<λR2Σset,]]>则故障位于MN支路；
若λR3Σ<λR3Σset]]>且λR4Σ<λR4Σset,]]>则故障位于NQ支路；
若λR5Σ<λR5Σset]]>且λR6Σ<λR6Σset,]]>则故障位于QM支路；
若上述三式均不满足，则判定三角环网线路外部发生故障。
本发明的有益效果是：
(1)本方法在行波幅值比较式保护基础之上利用积分构建判据，比行波幅值比较式方向保护可靠性更高，而对比与传统工频量保护，则克服了传统工频量保护受线路分布电容，电流互感器饱和度影响的缺点。
(2)本方法通过三角环网三条线路的方向纵联保护构成一个单元保护，克服了传统使用电流突变方向构成的纵联保护无法对三角形环网正确动作的缺点。
附图说明
图1为三角环网单元保护的仿真线路模型图；
图2为F₃点故障时M端保护R₁的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图3为F₃点故障时N端保护R₂的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图4为F₃点故障时N端保护R₃的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图5为F₃点故障时Q端保护R₄的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图6为F₃点故障时Q端保护R₅的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图7为F₃点故障时M端保护R₆的正向行波绝对值和反向行波绝对值。
图8为F₁点故障时M端保护R₁的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图9为F₁点故障时N端保护R₂的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图10为F₁点故障时N端保护R₃的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图11为F₁点故障时Q端保护R₄的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图12为F₁点故障时Q端保护R₅的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图13为F₁点故障时M端保护R₆的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图14为F₄点故障时M端保护R₁的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图15为F₄点故障时N端保护R₂的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图16为F₄点故障时N端保护R₃的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图17为F₄点故障时Q端保护R₄的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图18为F₄点故障时Q端保护R₅的正向行波绝对值和反向行波绝对值；
图19为F₄点故障时M端保护R₆的正向行波绝对值和反向行波绝对值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：实施例1：在图1所示的仿真系统中，PM、MN、NQ和QM四段线路长度分别为100km，100km，70km和80km。规定各保护的电流正方向均为母线指向线路。假设故障位于MQ支路，距离M端20km，过渡电阻为10Ω。
A、将行波暂态信号的采样率设置为20kHz。定义t₀为首波头到达量测端的时刻，l_min为量测端最短的健全出线。三角环网线路中，定义三个端分别为M端、N端和Q端，M、N两端的方向继电器分别为R₁、R₂；N、Q两端的方向继电器分别为R₃、R₄；Q、M两端的方向继电器分别为R₅、R₆。在[t₀,t₀+2l_min/v]时间内，当故障发生时，三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆分别根据式(1)和式(2)得到离散化的量测端正向和反向行波绝对值，如图2～图7。
u⁺＝(u(k)+Z_Ci(k))/2  (1)
u^-＝(u(k)-Z_Ci(k))/2  (2)
方向继电器R₁～R₆根据式(3)和式(4)得到离散化的量测端正向和反向行波幅值积分值，
S+=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(3)]]>
S-=ΔtΣk=0m|u(k)+Zci(k)|/2---(4)]]>
式中，是线路波阻抗，L和C为单位长度线路的电感和电容，Z_c＝239.38Ω；Δt为采样间隔；m为窗长为2l_min/v的采样点数，m＝20；k表示采样点，t₀时刻记k＝0。
计算结果为：SR1+=0.3639,SR1-0.1645;SR2+=0.1638,SR2-=0.3486;SR3+=0.0255,SR3-=0.1892;]]>
SR4+=0.1878,SR4-=0.0266;SR5+=0.3598,SR5-0.5626;SR6+=0.3550,SR6-=0.7007.]]>
B、利用式(3)和式(4)计算得到的正向行波幅值积分和S⁺、反向行波幅值积分和S^-按照式(5)计算其比值，再将其与门槛值λ_∑set＝1.2进行比较，
λ_∑＝S⁺/S^-  (5)
计算结果为，λΣR1=2.2122,]]>满足λ_∑>λ_∑set，λΣR1=2.2122,]]>满足λ_∑≤λ_∑set；λΣR3=0.1350,]]>满足λ_Σ≤λ_ΣsetλΣR4=7.0695,]]>满足λ_∑>λ_∑set；λΣR5=0.6380,λΣR6=0.5066,]]>满足λ_∑≤λ_∑set。于是我们得到R₅、R₆均发生正方向故障，故障发生在线路MQ上，为区内故障，验证了此三角环网暂态量单元保护判断正确。
实施例2：在图1所示的仿真系统中，假设故障位于MN支路，距离M端10km，过渡电阻为10Ω，采样频率为20kHz。
按实施例1的方法计算三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆正向行波的绝对值和反向行波的绝对值，其结果为图8～图13。再计算方向继电器R₁～R₆处离散化的量测端正向和反向行波幅值积分值，然后计算三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆的λ_∑值。
计算结果为，λΣR1=0.5263,λΣR2=0.5992,]]>满足λ_∑≤λ_∑set；λΣR3=1.3011,]]>满足λ_∑>λ_∑set，λΣR4=0.7865,]]>满足λ_∑≤λ_∑set；λΣR1=2.2122,]]>满足λ_∑≤λ_∑set，λΣR6=1.7794,]]>满足λ_∑>λ_∑set。于是我们得到R₁、R₂均发生正方向故障，故障发生在线路MN上，为区内故障，验证了此三角环网暂态量单元保护判断正确。
实施例3：在图1所示的仿真系统中，假设故障位于线路PM，距离M端50km，过渡电 阻为10Ω，采样频率为20kHz。
按实施例1的方法计算三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆正向行波的绝对值和反向行波的绝对值，其结果为图14～图19。再计算方向继电器R₁～R₆处离散化的量测端正向和反向行波幅值积分值，然后计算三角形环网内各端方向继电器R₁～R₆的λ_∑值。
计算结果为，λΣR1=2.2122,]]>满足λ_∑>λ_∑set，λΣR2=0.5685,]]>满足λ_∑≤λ_∑set；λΣR3=0.6690,]]>满足_λ∑≤λ_∑set，λΣR4=1.4361,]]>满足λ_∑>λ_∑set；λΣR5=0.5800,λΣR6=1.6818,]]>满足λ_∑>λ_∑set。于是得到故障发生在区外，验证了此三角环网暂态量单元保护判断正确。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。