利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法

摘要

本发明公开了一种利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法，根据不同供电系统的拓扑在线路上安装扼流圈构造线路边界，然后利用被保护线路区、内外故障时电气量差异的差异构造保护判据，实现单端电气量全线速动保护。本发明采用扼流圈构造线路的边界后可以在目前无边界元件的线路上实现单端量全线速动保护，利用本发明方法可以有效克服含多换流器中交流线路工频量保护灵敏度低的问题，也满足直流线路对保护快速动作的要求，同时应用于配电网时无需保护配合，仅需要单端的电气量就可以实现保护区内外故障的快速判别，可以有效解决含多换流器电网的继电保护问题。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法。

背景技术

随着风机、光伏电源的大规模接入以及直流输配电的大量应用，电力系统呈现出含多换流器形态。对于交流系统而言，逆变器提供短路电流能力有效导致保护灵敏度降低；对于直流系统而言，换流器的脆弱性要求保护能够快速切除故障。同时对于配电网而言，分布式电源等的接入导致其为一个多源供电系统，短路电流的双向流动导致电流保护配合困难，使用双端量的差动保护和纵联保护时需要通信，造价高，无法大规模使用。

线路边界保护基于边界元件对故障时产生的高频信号阻滞与否实现，具体为区外故障时高频信号经过边界元件后高频分量极大地衰减，而区内故障时高频信号不会被边界元件吸收而衰减，据此差异构造的单端量保护就是边界保护。因为边界保护无需配合、能够做到全线速动，所以可以很好地解决含多换流器电网的继电保护问题。

目前电力系统所用的边界元件主要有高压交流线路中用于载波通信的阻波器、LCC-HVDC系统的用于滤波的平波电抗器和直流滤波器环节、VSC-HVDC系统的用于滤波和稳定直流母线电压的并联电容器以及基于MMC的柔性直流电网中用于限制短路电流的串联电抗器等。以上边界元件都是由特定输电形式以及拓扑决定，会随着电力系统的发展而变化，比如曾经在高压交流线路中大量使用的阻波器，随着光纤通信的普及而逐渐被电力系统淘汰，未来交流输电线路将不再有边界。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法，利用扼流圈构造线路的边界，然后实现线路的区内外故障判别，构成全线速动保护。

本发明采用以下技术方案：

利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法，根据待保护供电系统的拓扑在线路上安装扼流圈构造线路边界，然后利用被保护线路区、内外故障时电气量差异构造保护判据，实现单端电气量全线速动保护。

具体的，对于单侧供电系统，线路靠近电源或换流器侧安装扼流圈，对于双端供电系统，线路两端均安装扼流圈，当主干线上有分支线时，在分支线靠近主干线侧安装扼流圈。

具体的，单端电气量包括线路某一端的电压电流或其模量、序量以及由电压和电流运算得到的其它量，电压为扼流圈单侧、双侧电压或双侧压差，电流为流过扼流圈的电流。

进一步的，利用电气量差异实现被保护线路区、内外故障判别的原理包括电气量的采集、特征频率信号的提取、保护启动和区内外故障判别与保护出口部分，具体步骤如下：

S1、通过传感器采集线路某一端的单端电气量；

S2、步骤S1采集的单端电气量进行滤波，获得特定特征的电气量；

S3、将步骤S2得到的特定特征电气量与启动值进行比较，当满足启动条件时启动保护装置；

S4、将步骤S2得到的特定频率电气量的特征与保护定值进行比较，当满足区内故障时保护出口，发断路器跳闸信号或者换流器闭锁信号，当不满足区内故障时保护不发断路器跳闸信号或者换流器闭锁信号。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

含多换流器电网中交流线路的工频量保护存在低灵敏性，直流线路的保护具有快速动作的要求，同时对于配电网而言，短路电流的双向流动导致电流保护配合困难，使用双端量的差动保护和纵联保护时需要通信，造价高，无法大规模使用，本发明提出利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护来解决上述问题，可以有效克服含多换流器中交流线路工频量保护灵敏度低的问题，也满足直流线路对保护快速动作的要求，同时应用于配电网时无需保护配合，仅需要单端的电气量就可以实现保护区内外故障的快速判别。

进一步的，由于现有的单端量全线速动保护都是基于已有线路边界构造的，无法适用于无边界元件的线路，本发明利用扼流圈构造线路边界具有以下优点：直流或者工频下阻抗很小，对系统的正常运行基本无影响，高频下阻抗很大，能够对故障时产生的高频信号产生阻滞作用；可靠性高，即使自身故障也能自行退出，不影响系统的正常供电；安装简单，造价低，可以大规模使用，然后实现线路的区内外故障判别，构成全线速动保护。

进一步的，对于单侧供电系统，线路靠近电源或换流器侧安装扼流圈，对于双端供电系统，线路两端均安装扼流圈，当主干线上有分支线时，在分支线靠近主干线的首端安装扼流圈，这样既可以保证全网扼流圈安装数量最优，投资成本最低，也可保证故障时提供短路电流的电源可靠切除。

进一步的，对于单端量全线速动保护，由于扼流圈对高频信号的阻滞作用，区外故障时高频信号经过扼流圈后极大地衰减，保护检测到的高频信号很少，但区内故障时高频信号不经过扼流圈，所以高频信号含量大，据此来识别区内外故障可以保证保护具有较高的灵敏度。

进一步的，故障时由于电网中储能元件之间的能量交换会激发出各种频率的故障分量，属于突变信号，小波变换得到的模极大值可以很好地刻画信号的突变、而故障时的电压或电流暂态量的有效值、幅值、能量、电压或电流行波的变化率都与正常运行时具有明显的差异，通过此设置启动判据，可以有效减少正常运行时保护的误启动，从而降低保护误动作的风险。

进一步的，因为扼流圈的阻抗具有频变特性，高频下阻抗极大，所以对高频的信号阻滞作用很强，而对低频信号的阻滞作用很小，这样扼流圈故障侧的特定频率电压的幅值、有效值或能量就远大于非故障侧的，据此差异构造的方向元件可靠性高，可以保证不误判。

进一步的，由于区外正方向最严重故障时本级线路所感受的暂态量最丰富，但只要保护定值躲过正方向区外最严重情况下本级线路保护所感受到的特征频率信号特征，正方向区外故障时保护才会可靠不误动，从而保证了保护的选择性。

综上所述，采用扼流圈构造线路的边界后可以在目前无边界元件的线路上实现单端量全线速动保护，利用本发明提出的单端电气量全线速动方法可以有效克服含多换流器中交流线路工频量保护灵敏度低的问题，也满足直流线路对保护快速动作的要求，同时应用于配电网时无需保护配合，仅需要单端的电气量就可以实现保护区内外故障的快速判别。因此本发明能够有效解决含多换流器电网的继电保护问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为基于PSCAD的交流配电网仿真模型示意图；

图2为区内ABCG金属性故障时两侧电压差高频分量有效值示意图；

图3为区内ABCG金属性故障时两侧电压高频分量有效值比示意图；

图4为区内BCG金属性故障时两侧电压差高频分量有效值示意图；

图5为区内BCG金属性故障时两侧电压高频分量有效值比示意图；

图6为区内BC金属性故障时两侧电压差高频分量有效值示意图；

图7为区内BC金属性故障时两侧电压高频分量有效值比示意图；

图8为区内AG金属性故障时两侧电压差高频分量有效值示意图；

图9为区内AG金属性故障时两侧电压高频分量有效值比示意图；

图10为反方向区外ABCG金属性故障时两侧电压差高频分量有效值示意图；

图11为反方向区外ABCG金属性故障时两侧电压高频分量有效值比示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用扼流圈构造线路边界的单端电气量全线速动保护方法，安装扼流圈构造线路边界，然后利用被保护线路区、内外故障时特定频率电气量差异来区分内外故障；对于单侧供电系统，线路靠近电源或换流器侧安装扼流圈，对于双端供电系统，线路两端都安装扼流圈，当主干线上有分支线时，在分支线靠近主干线侧安装扼流圈。

单端电气量包括线路某一端的电压电流或其模量、序量以及由电压和电流运算得到的其它量，电压为扼流圈单侧、双侧电压或双侧压差，电流为流过扼流圈的电流。

利用特定频率电气量差异实现被保护线路区、内外故障判别的具体步骤如下：

S1、通过行波传感器采集线路某一端扼流圈任意一侧电压或两侧电压或扼流圈两侧电压差以及电流；

S2、通过带通滤波器或者其它数学算法对电压、电流或者电压电流进行滤波，获得用于区分区内外故障特征的电气量，具体数学算法包括小波变换，S变换等；

用于区分区内外故障特征的选择原则为：带通滤波器对应的频率为f_c～f_s/2，下限频率f_c需要保证区内各种故障情况下的保护灵敏度，上限频率为采样频率f_s的1/2。

S3、将步骤S2得到的电气量与启动值进行比较，当满足启动条件时保护装置启动；

启动值为通过小波分析得到的模极大值、电压或电流暂态量的有效值、幅值、能量、电压或电流行波的变化率等。

本发明另一种方案，将电气量的区分区内外故障特征与方向元件判据进行比较，当满足正方向故障时进行步骤S4，否则返回步骤S2重新计算；方向元件判据基于扼流圈两侧特定频率电压的幅值、有效值或能量差异构成。

S4、将特定频率电气量的特征与保护定值进行比较，当满足区内故障时保护动作，当不满足区内故障时保护不动作。

保护定值的整定依据为区外最严重故障时保护可靠不误动，区内任意故障保护都可以动作。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

1：对于图1所示的配电网仿真模型，在靠近主电源侧都安装磁环作为边界，同时在DG所在线路靠近主干线的出口安装磁环；考察3.6km线路首端保护动作情况，f₁点为正方向区内故障，f₂为正方向区外故障，f₃为反方向区外故障，采样率取2MHz。

2：利用行波电压传感器采集磁环线路侧的相对地电压u_line以及磁环母线侧和线路侧的电压差u_d，并将磁环线路侧的三相对地电压以及磁环母线侧和线路侧的电压差分别经过式(1)进行相模变换；

[u₀>1>2]^T＝S^-1[u_a>b>c]^T(1)

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模分量，u_a、u_b、u_c表示A、B、C三相的u_line或u_d，矩阵S满足式(2)：

采用20阶带通滤波器对线路两端磁环线路侧的电压以及母线侧和线路侧的电压差的1模分量进行滤波，滤波器的频带为400kHz～1MHz；

3：采用式(3)求取u_d的导数u′_d，当u′_d大于0.3时进行步骤4，否则返回步骤2。

u′_d＝[u_d(k+1)-u_d(k)]/T_s>

其中，u_d(k)和u_d(k+1)为u_d的相邻采样点，T_s为采样周期；

4：采用式(4)计算母线侧和线路侧电压差的有效值u_dm并与整定值u_dset进行比较，当u_dm＞u_dset时进行步骤5，否则返回步骤2。

式(4)中N＝N_window-n，N_window＝t_window×f_s，表示保护所用数据窗t_window内采样点的个数；

其中，t_window的选取原则包括两点：

1)N_window＞n；

2)时间窗尽量短；

这样保护灵敏度更高，此处数据窗长为100us。

u_dset是下级线路出口发生最严重故障时根据式(4)计算得到的u_d的有效值，对于图1所示的模型，按照下级线路最严重故障即f₂为ABCG金属性故障时整定保护定值，仿真可得按照式(4)计算得到的u_dm为0.244，所以整定值u_dset＝0.25。

5：采用式(5)分别计算线路两端母线侧和线路侧电压有效值的比值并与1进行比较，当R＜1时表示正方向故障，保护动作，当R＞1保护不动作，返回步骤2继续计算。

其中，u_line(k)和u_d(k)分别为磁环线路侧的相对地电压以及磁环母线侧和线路侧的电压差的第k个采样点。

仿真验证

下面仿真f₁点发生不同类型金属性故障时保护的性能。

1)ABCG故障

母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值与整定值的比较如图2所示，可以看出母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值大于整定值，可以判定为是正方向区内故障或反方向区外故障。母线侧电压高频分量有效值与线路侧电压高频分量有效值的比值与整定值的比较如图3所示，可以看出比值小于1，满足步骤7中正方向故障判据，所以最终判定故障发生在被保护线路内，保护动作。

2)BCG故障

母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值与整定值的比较如图4所示，可以看出母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值大于整定值，可以判定为是正方向区内故障或反方向区外故障。母线侧电压高频分量有效值与线路侧电压高频分量有效值的比值与整定值的比较如图5所示，可以看出比值小于1，满足步骤7中正方向故障判据，所以最终判定故障发生在被保护线路内，保护动作。

3)BC故障

母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值与整定值的比较如图6所示，可以看出母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值大于整定值，可以判定为是正方向区内故障或反方向区外故障。母线侧电压高频分量有效值与线路侧电压高频分量有效值的比值与整定值的比较如图7所示，可以看出比值小于1，满足步骤7中正方向故障判据，所以最终判定故障发生在被保护线路内，保护动作。

4)AG故障

母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值与整定值的比较如图8所示，可以看出母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值大于整定值，可以判定为是正方向区内故障或反方向区外故障。母线侧电压高频分量有效值与线路侧电压高频分量有效值的比值与整定值的比较如图9所示，可以看出比值小于1，满足步骤7中正方向故障判据，所以最终判定故障发生在被保护线路内，保护动作。

下面给出f₃点发生ABCG金属性故障时保护的动作情况，母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值与整定值的比较如图10所示，可以看出母线侧和线路侧电压高频分量差的有效值大于整定值，可以判定为是正方向区内故障或反方向区外故障。

母线侧电压高频分量有效值与线路侧电压高频分量有效值的比值与整定值的比较如图11所示，可以看出比值故障初始大于1，满足步骤7中反方向故障判据，所以最终判定故障发生在被保护线路背侧，保护不动作。

综合以上区内故障以及反方向区外故障的仿真可以看出区内故障时保护可以可靠灵敏动作，而区外故障时保护可以可靠不动作。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。