一种适用于单回线串接双回输电线路距离保护定值灵敏度校核方法

摘要

本发明公开了一种适用于单回线串接双回输电线路距离保护定值灵敏度校核方法，其工作方式是：根据全线的线路及系统阻抗参数，对于单回线区间，利用故障时测量阻抗和故障距离成正比特性形成单回线区间故障时测量阻抗计算表达式；对于双回线区间，根据输电线路网架结构、线路和系统阻抗参数，对双回线之外的线路和系统阻抗进行归并，形成典型的双回线两端电源的系统格局，再根据阻抗参数形成测量阻抗随故障点位置变化的计算方式，同时对于单相接地和相间故障采取不同计算表达式；综合以上结果，形成全线测量阻抗在单相接地和相间故障时随故障点位置的计算表达式，获取全线故障时测量阻抗的极大值，该极大值和距离保护元件定值相比较即可校核其灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网继电保护定值校核技术，特别涉及单回线串接双回输电 线路的特殊方式的距离保护元件灵敏度校核的技术。

背景技术

随着工业和居民用电需求的日益增长，电力系统装机容量的快速增长，原有 输电线路输送容量接近极限，而新增的输电线路代价越来越高，为尽量利用现有 的输电走廊，出现了单回线中间串入双回线的输电线路新模式。

目前距离保护元件灵敏度的校核方法，通常是计算线路末端发生单相接地故 障和相间故障时测量阻抗，将该值和距离元件定值相比较以确定保护动作灵敏 度，该方式的基本依据是输电线路故障时测量阻抗随故障点远离单调增加。而单 回线串接双回的接线方式，由于双回线的分支作用，改变了测量阻抗全线单调增 加的趋势，使既有的校验方法无法适应该特殊线路需求，从而影响了距离保护元 件的动作性能。

发明内容

本发明的目的，在于为单回线串接双回输电线路提供一种距离保护定值的校 验方法，解决该系统下由于故障时测量阻抗随故障位置非单调变化造成距离保护 定值无法校验的问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

首先，对于单回线路段，故障时测量阻抗和距离长度成正比，可依据如下公 式形成测量阻抗：

$Z=Z_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}$

上式中：L_PM为单回段PM线路全长，L_f为故障点距离P侧继电保护安装处 的线路长度，Z_PM为PM段全线正序阻抗；

对于双回输电线路中的单回线发生单相接地和相间故障时，其测量阻抗值和 故障距离不成正比，将双回线以外的部分进行归并，即将两侧单回线段的阻抗和 对应的系统阻抗串联后的阻抗值作为等效系统阻抗，形成典型的双端电源经过双 回线输电方式。如附图2所示为归并后的系统结构，该线路结构下区内故障时对 应的正序、负序和零序网络分别如附图3、附图4、附图5所示，根据该网络结 构图，可以计算双回线段发生单相接地故障时，测量阻抗如下式所示：

$Z=Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+(1+{2K}_{\mathrm{set}})D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}$

其中：

$A=\frac{{2Z}_{n0}+\left({1-k}_B\right)(Z_{l0}+Z_{M0})}{Z_{n0}+\left({1-k}_B\right)(Z_{m0}+Z_{l0}+Z_{M0})}$

$B=\frac{{2Z}_{m0}+k_B(Z_{l0}+Z_{M0})}{Z_{m0}+k_B(Z_{n0}+Z_{l0}+Z_{M0})}$

$C=\frac{Z_{m1}+k_B(Z_{l1}+Z_{m1}+Z_{n1})}{Z_{n1}+\left({1-k}_B\right)(Z_{l1}+Z_{m1}+Z_{m1})}$

$D=\frac{(1-B)(1+C)}{A-B}$

$k_B=\frac{L_f-L_{\mathrm{PM}}}{L_{\mathrm{MN}}}$

Z_m1、Z_n1、Z_m0、Z_n0分别为归并后m侧系统正序阻抗、n侧系统正序阻抗、 m侧系统零序阻抗，n侧系统零序阻抗；

Z_l1、Z_l0、Z_M0分别为双回线中单回线路全长正序阻抗、零序阻抗、零序互 阻抗；

K_set为距离元件零序补偿系数定值；

L_MN为双回段MN线路全长。

根据正序网络和负序网络示意图，可以计算双回线段发生相间故障时，测量 阻抗如下式所示：

$Z=Z_{l1}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}$

其中：

$E=\frac{\left({1+k}_B\right)Z_{m1}+k_B(Z_{l1}+Z_{n1})}{\left({1-k}_B\right)Z_{m1}+\left({2-k}_B\right)Z_{n1}+\left({1-k}_B\right)Z_{l1}}$

综合上述不同位置下故障测量阻抗计算公式，可形成全线的测量阻抗计算方 法，有单相接地故障时，按如下计算:

$Z=\left(\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}& 0\le L_f\le L_{\mathrm{PM}}\\ Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}& L_{\mathrm{PM}}<L_f\le L_{\mathrm{PN}}\\ Z^{\prime }+Z_{\mathrm{NQ}}*\frac{L_f-L_{\mathrm{MN}}}{L_{\mathrm{NQ}}}& L_{\mathrm{PN}}<L_f\le L_{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

其中：

$Z^{\prime }=Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}|L_f=L_{\mathrm{PN}}$

相间故障时，按如下计算：

$Z=\left(\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}& 0\le L_f\le L_{\mathrm{PM}}\\ Z_{\mathrm{PM}}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}& L_{\mathrm{PM}}<L_f\le L_{\mathrm{PN}}\\ Z^{\prime \prime }+Z_{\mathrm{NQ}}*\frac{L_f-L_{\mathrm{MN}}}{L_{\mathrm{NQ}}}& L_{\mathrm{PN}}<L_f\le L_{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

其中：

$Z^{\prime }=Z_{\mathrm{PM}}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}|L_f=L_{\mathrm{PN}}$

将全线按照固定步长（如0.01*L_PQ）绘制出测量阻抗的轨迹，即可获得该输 电线路在单相接地故障时测量阻抗极大值Z_{max_p}和相间故障测量阻抗极大值 Z_{max_pp}，该极大值和距离保护元件定值相比较,即可分别获取接地距离元件和相 间距离元件的灵敏度如下：

K_{K_p}=Z_{max_p}/Z_{set_p}

K_{K_pp}=Z_{max_pp}/Z_{set_pp}

针对任一参数确定的单回线串入双回线运行系统，通过上述步骤，可以实现 对距离保护元件灵敏度的校核，从而判别该距离元件定值整定的合理性，保证线 路故障时能够可靠动作，切除区内的故障。

附图说明

图1是本发明针对的典型单回线串接双回线的网络结构示意图；

图2是双回线外部线路进行等效归并后的系统示意图；

图3是归并后系统正序网络示意图；

图4是归并后系统负序网络示意图；

图5是归并后系统零序网络示意图；

图6是本发明适用的三种演化网络结构示意图一；

图7是本发明适用的三种演化网络结构示意图二；

图8是本发明适用的三种演化网络结构示意图三。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种适用于单回线串接双回输电线路距离保护定值灵敏度校核方法，对于单 回线路区间，依据故障测量阻抗和故障距离成正比的形成测量阻抗计算公式；对 双回线区间，对外围线路和系统首先进行归并，分别计算单相接地和相间故障时 双回段测量阻抗随故障点位置变化的轨迹；利用全线的测量阻抗轨迹曲线，获取 测量阻抗极大值，和距离保护定值比较校核其灵敏度；

对于双回区间故障时测量阻抗的计算，将双回线以外的部分进行归并，即将 两侧单回线段的阻抗和对应的系统阻抗串联后的阻抗值作为等效系统阻抗，形成 典型的双端电源经过双回线输电方式；

对于双回线区间单相接地故障时双回段的测量阻抗值，根据等效后的正序、 负序和零序网络，形成测量阻抗和故障位置的关系表达式；

对于双回线区相间故障时双回段的测量阻抗值，根据等效后的正序、负序网 络，形成测量阻抗和故障位置关系表达式；

根据输电线路参数形成的全线测量阻抗表达式，可获取全线单相接地和相间 故障测量阻抗的极大值。

如图1所示，本发明在实施时，首先可确定单回线PM区间测量阻抗轨迹随 故障点位置变化单调增加，测量阻抗可按照如下的公式进行描述：

$Z=Z_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}$

上式中：L_PM为PM段线路全长，L_f为故障点距离P侧继电保护安装处的线 路长度，Z_PM为PM段全线正序阻抗；

然后，确定双回线路MN段中单回线发生接地故障时测量阻抗计算式，将输 电线路PM段和NQ段的阻抗参数归并入系统阻抗，等效为M侧和N侧综合系统阻 抗，由此，直接形成了如图2所示的典型双端电源系统，根据该网架结构，对于 单相接地故障时，双回线段的测量阻抗可以按照如下公式描述：

$Z=Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+(1+{2K}_{\mathrm{set}})D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}$

其中：

$A=\frac{{2Z}_{n0}+\left({1-k}_B\right)(Z_{l0}+Z_{M0})}{Z_{n0}+\left({1-k}_B\right)(Z_{m0}+Z_{l0}+Z_{M0})}$

$B=\frac{{2Z}_{m0}+k_B(Z_{l0}+Z_{M0})}{Z_{m0}+k_B(Z_{n0}+Z_{l0}+Z_{M0})}$

$C=\frac{Z_{m1}+k_B(Z_{l1}+Z_{m1}+Z_{n1})}{Z_{n1}+\left({1-k}_B\right)(Z_{l1}+Z_{m1}+Z_{m1})}$

$D=\frac{(1-B)(1+C)}{A-B}$

$k_B=\frac{L_f-L_{\mathrm{PM}}}{L_{\mathrm{MN}}}$

Z_m1、Z_n1、Z_m0、Z_n0分别为归并后m侧系统正序阻抗、n侧系统正序阻抗、 m侧系统零序阻抗，n侧系统零序阻抗；

Z_l1、Z_l0、Z_M0分别为双回线中单回线路全长正序阻抗、零序阻抗、零序互 阻抗；

K_set为距离元件零序补偿系数定值；

L_MN为双回段MN线路全长。

对于相间故障，双回线段的测量阻抗可以按照如下公式描述：

$Z=Z_{l1}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}$

其中：

$E=\frac{\left({1+k}_B\right)Z_{m1}+k_B(Z_{l1}+Z_{n1})}{\left({1-k}_B\right)Z_{m1}+\left({2-k}_B\right)Z_{n1}+\left({1-k}_B\right)Z_{l1}}$

综合各段线路区间发生故障时的测量阻抗特征，可形成如下的测量阻抗轨迹 计算公式。

有单相接地故障时，按如下计算:

$Z=\left(\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}& 0\le L_f\le L_{\mathrm{PM}}\\ Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}& L_{\mathrm{PM}}<L_f\le L_{\mathrm{PN}}\\ Z^{\prime }+Z_{\mathrm{NQ}}*\frac{L_f-L_{\mathrm{MN}}}{L_{\mathrm{NQ}}}& L_{\mathrm{PN}}<L_f\le L_{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

其中：

$Z^{\prime }=Z_{\mathrm{PM}}+k_B{Z}_{l1}\frac{1+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}+k_B{Z}_{m0}\frac{(A-1)D}{2(1+C)+\left({1+3K}_{\mathrm{set}}\right)\mathrm{AD}}|L_f=L_{\mathrm{PN}}$

相间故障时，按如下计算：

$Z=\left(\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{PM}}*\frac{L_f}{L_{\mathrm{PM}}}& 0\le L_f\le L_{\mathrm{PM}}\\ Z_{\mathrm{PM}}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}& L_{\mathrm{PM}}<L_f\le L_{\mathrm{PN}}\\ Z^{\prime \prime }+Z_{\mathrm{NQ}}*\frac{L_f-L_{\mathrm{MN}}}{L_{\mathrm{NQ}}}& L_{\mathrm{PN}}<L_f\le L_{\mathrm{PQ}}\end{array}\right)$

其中：

$Z^{\prime }=Z_{\mathrm{PM}}+\frac{k_B{Z}_{l1}}{1+k_B-E\left({1-k}_B\right)}|L_f=L_{\mathrm{PN}}$

根据上述全线单相接地和相间故障时测量阻抗的轨迹，以一定的步长（譬如 0.01*L_PQ）计算全线不同位置故障时测量阻抗的大小，据此获得单相接地和相间 故障情况下的测量阻抗极大值Z_{max_p}和Z_{max_pp}。

依据测量阻抗的极值，根据下式计算，可直接获取接地距离元件和相间距离 元件的保护定值的灵敏度，可以按照下式进行判别，

K_{K_p}=Z_{max_p}/Z_{set_p}

K_{K_pp}=Z_{max_pp}/Z_{set_pp}

另外，本发明校核方法不仅适用于图1所示的典型系统，对于图6～图8所 示的三种演化网络均能够适应，仅需将单相接地和相间故障表达式中的对应线路 段的长度置0即可。

综上，本发明通过对单回线串入双回线运行的输电线路分段进行测量阻抗计 算，分别绘制其在单相接地和相间故障时的阻抗值，从而获取全线单相接地和相 间故障时的测量阻抗极大值，用以和距离保护定值比对，确定距离保护定值的灵 敏度。