分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法

摘要

本发明公开了一种分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法，包括：步骤一，以突变量电流作为保护启动元件：Img＞0.2Ie (1)；其中Img为mn输电线路中m端突变量电流幅值，Ie为额定电流幅值；当突变量电流满足(1)式时，判断线路发生故障，保护启动；步骤二，结合故障选相结果，对故障相在分布参数模型下，利用保护安装处电压，求出线路80％、100％处电压幅值并判断是否符合：Ul≥U0.8l (2)；其中，Ul为线路100％处的电压幅值，U0.8l为线路80％处的电压幅值；步骤三，公式2成立，为区内故障，则保护动作跳闸；否则，保护不动作。本发明采用分布参数模型，不受线路分布电容电流的影响，耐过渡电阻能力强，只需判断线路末端电压趋势即可判定故障，计算量小。

说明书

【技术领域】

本发明属于电力系统输电线路继电保护领域，涉及一种基于分布参数模型的距离保护方法，尤其是一种分布参数模型下耐高过渡电阻的保护方法。

【背景技术】

距离保护作为线路保护的基本组成部分，其工作性能对电力系统的安全稳定运行有着至关重要的作用。随着电力系统规模的扩大，高压远距离输电线路日益增加，对距离保护的要求也越来越高。

现有距离保护存在如下问题：采用集中参数模型，对于超高压长线而言，其分布参数特性使传统距离保护的测量阻抗与故障距离不成正比，对距离保护的精确计算有很大影响；由于受对端系统助增的影响，耐过渡电阻能力差。

针对上述问题，在其基础上出现了相应解决方法，但由于存在如下问题而无法得到应用。为在距离保护中使用分布参数模型，提高测量精度。专利CN101242094A利用贝瑞隆长线方程将保护安装处的电流、电压补偿到距离I段末端，将距离I段末端至故障点间的线路简化为R-L模型，最后以测距结果判别区内、区外故障。但该方法将故障点与整定点之间的线路等效为R-L集中参数模型，仍然存在模型误差，且耐过渡电阻能力低。专利CN1804650A在贝瑞隆模型基础上，提出了一种基于沿线电压分布的距离保护方案，利用故障电流电压计算沿线电压分布，通过寻找电压幅值最小点确定故障位置。但仅考虑了金属性故障的情况，耐过渡电阻能力低；需要从输电线路保护安装侧向另一侧计算沿线电压分布，对采样频率要求高，计算量大。

传统距离保护使用简单模型，耐过渡电阻能力低；上述专利给予了改进，但仍存在模型误差，计算量大，耐过渡电阻能力低的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法，以克服传统距离保护采用简化模型、耐过渡电阻能力差的不足的问题，及现有分布参数模型距离保护对采样频率要求高、计算量大、耐过渡电阻能力低的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明提出的技术方案是：

一种分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法，是利用分布参数模型，计算线路末端电压，利用线路末端电压的分布趋势，判别区内、区外故障。

为实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法，包括以下步骤：

步骤一，以突变量电流作为保护启动元件

I_mg＞0.2I_e                (1)

其中I_mg为mn输电线路中m端突变量电流幅值，I_e为额定电流幅值；当突变量电流满足(1)式时，判断线路发生故障，保护启动；

步骤二，结合故障选相结果，对故障相在分布参数模型下，利用保护安装处电压，求出线路80％、100％处电压幅值并判断是否符合：

U_l≥U_0.8l                 (2)

其中，U_l为线路100％处的电压幅值，U_0.8l为线路80％处的电压幅值；

步骤三，公式(2)成立，为区内故障，则保护动作跳闸；否则，保护不动作。

本发明进一步的改进在于：线路100％处的电压幅值U_l和线路80％处的电压幅值U_0.8l通过下述公式5和公式6进行计算：

$>{\stackrel{·}{U}}_l={\stackrel{·}{U}}_m-j·\cos {\theta }^{\prime }·({\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mg}}/|{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mg}}\left|\right)·\mathrm{\Delta U}---\left(5\right)$>

$>\mathrm{\Delta U}=|{\stackrel{·}{U}}_m\cosh \mathrm{\gamma l}-{\stackrel{·}{I}}_m{Z}_c\sinh \mathrm{\gamma l}-{\stackrel{·}{U}}_m|---\left(6\right)$>

其中：分别为线路m端的故障后电压、电流；为距m端距离为l处的电压；R、L、C分别为输电线单位长度的电阻、电感、电容；ω为工频角速度；为每千米的传播系数；为输电线路的波阻抗；j为虚数单位，θ′＝θ-θ₀，其中θ为未补偿电压降落与突变量电流的夹角的余角，θ₀为线路阻抗角的余角。

与现有技术相比，本发明的优点是：本发明采用分布参数模型，计算线路末端补偿电压，根据线路末端电压的分布趋势，判别区内、区外故障；该方法基于分布参数模型，在频域中利用单端电气量构成判据，对区内金属性及高过渡电阻故障具有绝对的选择性，不受线路分布电容电流的影响，耐过渡电阻能力强，只需判断线路末端电压趋势即可判定故障，计算量小；与基于输电线路R-L模型的距离保护相比不受分布电容电流的影响；与现有的基于贝瑞隆模型的距离保护相比，耐过渡电阻能力强，对采样率要求低，计算量小。

【附图说明】

图1为分布参数线路模型图；

图2为区内、外故障电压分布图；

图3为判据整定图；

图4为故障相量图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明一种分布参数模型下利用电压分布的距离保护方法，是利用分布参数模型，计算线路末端电压，利用线路末端电压的分布趋势，判别区内、区外故障。

本发明包括以下步骤：

步骤一，以突变量电流作为保护启动元件

I_mg＞0.2I_e             (1)

其中I_mg为m端突变量电流幅值，I_e为额定电流幅值。I_mg由故障前、后电流相减得突变量电流，并求其幅值。当突变量电流满足(1)式时，判断线路发生故障，保护启动。

步骤二，结合故障选相结果，对故障相在分布参数模型下，利用保护安装处电压，求出线路80％(线路mn之间距离m端80％处)、100％处(线路mn之间距离m端100％处，即n端)电压幅值并判断是否符合：

U_l≥U_0.8l             (2)

其中，U_l为线路100％处的电压幅值，U_0.8l为线路80％处的电压幅值。

步骤三，根据步骤二中计算电压幅值若满足保护动作判据U_l≥U_0.8l，则为区内故障，保护动作跳闸；否则，保护不动作。

请参阅图1所示，对于分布参数模型，可由下式计算mn沿线任意一点的电压。

$>{\stackrel{·}{U}}_l={\stackrel{·}{U}}_m\cosh \mathrm{\gamma l}-{\stackrel{·}{I}}_m{Z}_c\sinh \mathrm{\gamma l}---\left(3\right)$>

其中：分别为线路m端的故障后电压、电流；为距m端距离为l处的电压；R、L、C分别为输电线单位长度的电阻、电感、电容；ω为工频角速度；为每千米的传播系数；为输电线路的波阻抗；j为虚数单位，

输电线路的各相之间存在耦合，表现为线路电阻、电容、电感参数矩阵中有非零非对角元素。可以通过相序变换使其参数矩阵对角化即转化为序分量。其中线路的每一模分量都满足分布参数模型。

如上所述，分布参数模型对模量成立，所以在应用中，需要先将保护安装处的电压电流转换为序量然后代入公式(3)，计算线路末端的电压，再反转换为相量。

分布参数模型下计算得沿线电压分布如图2所示，区内故障表现为线路末端电压上升；区外故障表现为线路末端电压下降；因此，可采用线路末端两点电压幅值比较的方式来确定线路末端的上升趋势，从而判别区内、区外故障。

在保护范围末端故障时，两点电压相等，又因为电压幅值最小点前后斜率大小相等、符号相反，因此这两点位于保护范围末端的两侧，且与保护范围末端距离相等。对于要求保护线路90％的距离保护而言，如图3中实线所示，如果其中一点为线路全长，则另一点为线路全长80％处。据此，可得到如下判据：

U_l≥U_0.8l           (4)

对于经高过渡电阻故障，图4为系统经过渡电阻故障相量图及计算得沿线电压分布。图中，为负荷电流，为经过渡电阻故障时m端电压电流，为突变量电流，θ为故障电流与突变量电流的夹角。由于忽略线路电阻，电压降落与m端故障电流垂直，曲线MC即为m端电压电流计算的沿线电压分布。从图中可以看出幅值最小值为与电压降落垂直的OA段，且具有最小幅值不为零、故障点电压幅值不为最小，电压幅值最小点后电压幅值呈上升趋势的特点。

由以上分析可知，高阻故障时沿线电压分布虽然可以反映故障点前任意点的真实电压值，但故障点电压幅值不为最小，因此无法获得故障位置的信息。

本专利需要对电压降落进行补偿，构造一种新的电压分布使故障点电压幅值表现为最小，可通过判断线路末端电压分布趋势判别区内、外故障。

补偿后的电压计算公式如下：

$>{\stackrel{·}{U}}_l={\stackrel{·}{U}}_m-j·\cos {\theta }^{\prime }·({\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mg}}/|{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{mg}}\left|\right)·\mathrm{\Delta U}---\left(5\right)$>

式(5)中，θ′＝θ-θ₀，其中θ为未补偿电压降落与突变量电流的夹角的余角，θ₀为线路阻抗角的余角，在相位补偿中，消除线路阻抗角的影响。ΔU为补偿前沿线电压降落幅：

$>\mathrm{\Delta U}=|{\stackrel{·}{U}}_m\cosh \mathrm{\gamma l}-{\stackrel{·}{I}}_m{Z}_c\sinh \mathrm{\gamma l}-{\stackrel{·}{U}}_m|---\left(6\right)$>

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。