一种基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法

摘要

本发明公开的一种基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法，具体按照以下步骤实施：设三相线路的两侧为m侧和n侧，采集三相线路m、n两侧的实时电流i

说明书

技术领域

本发明属于电力系统输电线路继电保护技术领域，涉及一种输电线路电流差动保护方法，具体涉及一种基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法。

背景技术

输电线路的电流差动保护以其原理简单、灵敏度高、动作速度快的优点，且能适应系统振荡和非全相运行等复杂的运行状态等优点及天然的选相能力，因而在电力系统得到广泛运用，在超/特高电压输电线路中分相电流差动保护更是常作为快速主保护。但输电线路的相-相和相-地之间都含有分布电容，分布电容的存在使线路各侧测量电流不再满足基尔霍夫电流定律，并使线路电流的大小和相位均发生畸变，从而直接影响了差动保护的灵敏度和可靠性，尤其在超/特高压长距离输电线路中，线路的分布电容电流是影响电流差动保护性能的主要因素。

目前，电流差动保护主要通过动作门槛值调整或电容电流补偿的方法来弥补。一是优化保护方案选择和保护定值整定，选取受电容电流影响小的保护方案，并针对电容电流衰减特性，自适应的调整保护判据和定值；二是采取电容电流补偿措施，把动作电流中的电容电流分量完全补偿。分布电容电流补偿方法主要有三种：(1)补偿并联电抗器。并联电抗器通常采取欠补偿方式，只能补偿稳态电容电流，对高频暂态电容电流补偿能力有限。(2)电容电流补偿算法。主要方法是通过电容电流稳态或时域补偿方法来做一定的弥补。(3)采用差动保护新原理。尚处于理论研究阶段，短期内难以应用于工业现场。

并且目前的分析多是在简化线路模型情况下的定性分析，缺乏直观定量分析，并且电容电流补偿问题也尚未解决，这是因为超高压长线暂态过程非常复杂，线路内部故障时的电容电流受故障电压影响很大，不易准确获得，所以目前的电容电流补偿方法都是基于区外故障的稳态情况，在暂态过程中和线路内部故障时则不能完全补偿电容电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法，解决了现有电流差动保护方法内部故障时远离故障点一侧的固定电容电流补偿误差大的问题，进一步提高内部故障时差动保护的电容电流补偿精度，以提升内部故障时电流差动保护的动作的灵敏度和可靠性。

本发明所采用的技术方案是，一种基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设三相线路的两侧为m侧和n侧，采集三相线路m、n两侧的的实时电流i_mφ(t)、i_nφ(t)和三相母线电压u_mφ(t)、u_nφ(t)，φ＝A、B、C，计算m、n两侧的零序电流：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{m0}\left(t\right)=i_{\mathrm{mA}}\left(t\right)+i_{\mathrm{mB}}\left(t\right)+i_{\mathrm{mC}}\left(t\right)\\ i_{n0}\left(t\right)=i_{\mathrm{nA}}\left(t\right)+i_{\mathrm{nB}}\left(t\right)+i_{\mathrm{nC}}\left(t\right)\end{array}\right),$

判断线路的零序电流是否满足或其中I_0th为整定门槛，按1％～2％的线路额定电流I_N进行整定，T为工频周期；如果满足判据，则判定为接地故障；否则，则判定为相间故障；

步骤2：根据步骤1得到的对零序电流的接地故障和相间故障的判定结果，选择对应的测距方程实现故障相的准故障测距；

步骤3：根据步骤2得到的测距结果进行分布电容电流的补偿，计算m、n侧的补偿电容电流

步骤4：根据步骤3得到的补偿电容电流计算m、n侧补偿后的电流差动保护电流完成全量分相电流保护。

本发明的特点还在于，

其中步骤2中的准故障测距，具体按照以下步骤实施：

计算故障相的测量阻抗Z_m、Z_n：

当故障为接地故障时，分别为m、n侧故障相的测量电压；分别为m、n侧故障相的测量电流，K为零序补偿系数，z₀、z₁为线路单位长度零序阻抗和正序阻抗；

当故障为相间故障时，分别为m、n侧故障相的测量电压；分别为m、n侧故障相的测量电流；

根据测距结果Z_m＝R_m+jX_m、Z_n＝R_n+jX_n的电抗分量X_m、X_n实现准故障测距，即两侧保护的故障距离x为输电线路单位长度的电抗，电阻分量R_m、R_n分别为线路m、n两侧的测量阻抗Z_m、Z_n的电阻分量，j表示对应的测量阻抗的电抗分量部分。

其中步骤3中计算m、n侧的补偿电容电流具体按照以下步骤实施：

式中：为线路m、n侧的电容电流补偿；

为线路两端母线电压；

Y_c为线路全部等值电容的导纳；

l_m为m侧故障测距结果，l为线路全长；当l_m＜0或l_n＜0时，取λ＝0.5；

a)当l_m＞0且l_n＞0时，判为被保护线路的内部故障，按照实际故障测距结果进行精确补偿；

b)当l_m＜0或l_n＜0时，判为被保护线路的外部故障，按照现有半补偿方法进行电容电流补偿，取λ＝0.5。

其中步骤4中全量分相电流保护，保护判断依据如下：

式中：为线路两端相电流；k为制动系数，0＜k＜1；I₀为制动电流门槛，判定保护范围内是否发生故障进而进行相应的保护动作跳闸：当上述保护判据满足动作条件时判为本线路保护范围内发生故障，由相应的线路保护装置跳开对应本线路两侧的断路器进而切除故障线路；反之，若上述判据不满足动作条件时则判为本线路保护范围以外的故障，本线路对应的保护不动作，由所发生的外部故障元件对应的保护装置动作跳闸切除对应的故障元件。

本发明的有益效果是，基于故障相的在线实时准测距结果，根据测距结果自适应实现电容电流补偿，保证了内部故障时随故障位置进行高精度补偿，避免现有半补偿等固定电容电流补偿方式在故障点偏离一侧时补偿误差大的不足。该方法可以用于长距离输电线路的分相电流差动保护。与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)利用故障测量阻抗的电抗分量实现在线准故障测距具有较高的测距精度，具有不受故障点过渡电阻的影响的显著优势。引入零序电流接地故障和相间故障判别元件，能够较好实现接地故障和相间故障的区分。

(2)内部故障时采用基于故障距离的分布电容电流补偿方法，较现有固定电容电流补偿的精度更高；尤其当故障点偏向线路某一侧时，现有固定半补偿方法的补偿精度低，而采用基于准故障测距的补偿方法则能提高内部故障时差动保护的动作性能。

(3)该方法具有良好的适用性，对于现有采用分相电流差动保护的输电线路均可适用，尤其是对于不带并联电抗器补偿的长距离输电线路其补偿效果更为显著。

附图说明

图1是本发明实施例中输电线路具有分相电流差动保护的硬件原理图；

图2是本发明实施例中不带补偿电抗器的输电线路内部故障时等值网络结构图；

图3是本发明实施例中考虑并联电抗器补偿影响的输电线路内部故障时等值网络结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设三相线路的两侧为m侧和n侧，采集三相线路m、n两侧的的实时电流i_mφ(t)、i_nφ(t)和三相母线电压u_mφ(t)、u_nφ(t)(φ＝A、B、C)，计算m、n两侧的零序电流：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{m0}\left(t\right)=i_{\mathrm{mA}}\left(t\right)+i_{\mathrm{mB}}\left(t\right)+i_{\mathrm{mC}}\left(t\right)\\ i_{n0}\left(t\right)=i_{\mathrm{nA}}\left(t\right)+i_{\mathrm{nB}}\left(t\right)+i_{\mathrm{nC}}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

判断线路的零序电流是否满足或其中I_0th为整定门槛，按1％～2％的线路额定电流I_N进行整定，T为工频周期；如果满足判据，则判定为接地故障；否则，则判定为相间故障；

步骤2：利用步骤1得到的零序电流的对接地故障和相间故障的判定结果选择对应的测距方程实现故障相的准故障测距；根据测距结果Z_m＝R_m+jX_m、Z_n＝R_n+jX_n的电抗分量X_m、X_n实现准故障测距，即两侧保护的故障距离x为输电线路单位长度的电抗。具体按照以下步骤实施：

计算故障相的测量阻抗Z_m、Z_n，进而得出故障点距离m、n两侧的距离l_m、l_n，

当故障为接地故障时，分别为m、n侧故障相的测量电压；分别为m、n侧故障相的测量电流，K为零序补偿系数，z₀、z₁为线路单位长度零序阻抗和正序阻抗；

当故障为相间故障时，分别为m、n侧故障相的测量电压；分别为m、n侧故障相的测量电流；

根据测距结果Z_m＝R_m+jX_m、Z_n＝R_n+jX_n的电抗分量X_m、X_n实现准故障测距，即两侧保护的故障距离x为输电线路单位长度的电抗。电阻分量R_m、R_n分别为线路m、n两侧的测量阻抗Z_m、Z_n的电阻分量，j表示对应的测量阻抗的电抗分量部分；

步骤3：根据测距结果判断进行分布电容电流的补偿，计算m、n侧的补偿电容电流

式中：为线路m、n侧的电容电流补偿；

为线路两端母线电压；

Y_c为线路全部等值电容的导纳；

l_m为m侧故障测距结果，l为线路全长；当l_m＜0或l_n＜0时，取λ＝0.5。

a)当l_m＞0且l_n＞0时，判为被保护线路的内部故障，按照实际故障测距结果进行精确补偿；

b)当l_m＜0或l_n＜0时，判为被保护线路的外部故障，按照现有半补偿方法进行电容电流补偿，取λ＝0.5，和传统补偿方法的可靠性相同。

步骤4：根据步骤3得到的补偿电容电流计算m、n侧补偿后的电流差动保护电流并实现全量分相电流保护，保护判断依据如下：

式中：为线路两端相电流；k为制动系数，0＜k＜1；I₀为制动电流门槛。判定保护范围内是否发生故障进而进行相应的保护动作跳闸。当上述保护判据满足动作条件时判为本线路保护范围内发生故障(即内部故障)，由相应的线路保护装置跳开对应本线路两侧的断路器进而切除故障线路；反之，若上述判据不满足动作条件时则判为本线路保护范围以外的故障(即外部故障)，本线路对应的保护不动作，由所发生的外部故障元件对应的保护装置动作跳闸切除对应的故障元件。

判据中的辅助判据主要用于防止线路空投或空载情况下装置因某种原因误动作。只有当辅助判据和主判据同时满足时，差动元件动作。

实施例

如图1所示，输电线路m、n两端分别有电流互感器TA1、TA2和电压互感器TV1、TV2，TA1、TA2分别检测m端、n端三相线路电流，TV1、TV2分别检测m端、n端三相母线电压。虚线框内为硬件结构，由数据采集系统、微机主系统、输入输出系统三部分构成，本发明的方法通过编制程序由微机DSP主系统实现。以m侧为例，输入量为m侧、n侧的三相线路电流和三相母线电压，得到的两侧三相电流和三相母线电压的模拟量经前置低通滤波、采样保持和A/D转换后，送到微机DSP主系统，通过本方法首先进行故障接地和相间故障判别，之后计算出故障相的m、n侧的故障测距结果；然后根据m、n侧的故障测距结果进行补偿，最后由补偿后的电流实现分相电流差动保护。

(1)接地故障或相间故障的确认

采集线路m、n侧三相实时电流i_mφ(t)、i_nφ(t)(φ＝A、B、C)，计算m、n两侧的零序电流满足i_m0(t)、i_n0(t)，满足公式

$\left(\begin{array}{c}{\int }_{t_0}^{t_0+T/4}{i}_{m0}\left(t\right)\mathrm{dt}\ge I_{0\mathrm{th}}\\ {\int }_{t_0}^{t_0+T/4}{i}_{n0}\left(t\right)\mathrm{dt}\ge I_{0\mathrm{th}}\end{array}\right)---\left(5\right)$

(I_0th为整定门槛，T为工频周期)，即为接地故障，否则判定相间故障。

(2)故障相的故障测距

(a)相间故障的测距方程

式中：分别为相间故障时的测量阻抗；

分别为m、n侧故障相的测量电压；

分别为m、n侧故障相的测量电流。

(b)接地故障的测距方程

式中：Z_mφ、Z_nφ分别为接地故障时的测量阻抗；

分别为m、n侧故障相的测量电压；

分别为m、n侧故障相的测量电流；

K为零序补偿系数，z₀、z₁为线路单位长度零序阻抗和正序阻抗。

根据测距结果Z_m＝R_m+jX_m、Z_n＝R_n+jX_n的电抗分量X_m、X_n实现准故障测距，即两侧保护的故障距离x为输电线路单位长度的电抗。

(3)线路内部故障时基于准故障测距的电流补偿

(a)当l_m＞0且l_n＞0时，按照实际故障测距结果进行精确补偿，其网络结构示意图见图2。

式中：为线路m、n侧的电容电流补偿；

为线路两端母线电压；

Y_c为线路全电容的导纳。

l_m为m侧故障测距结果，l为线路全长。

(b)当l_m＜0或l_n＜0时，按照现有半补偿方法进行电容电流补偿

在正常运行和区外故障时，λ＝0.5，和传统补偿方法的可靠性相同。

在实际计算中，需要按照序网图计算出各序补偿电流，再合成各相补偿电流。考虑实际线路为具有均匀分布参数的超高压长线，各序电容计算如下：

$\left(\begin{array}{c}{Y}_{c1}=Y_{C2}=\frac{2({\mathrm{ch\gamma }}_{1}l-1)}{Z_{c1}\mathrm{sh}{\gamma }_{1}l}\\ Y_{c0}=\frac{2(\mathrm{ch}{\gamma }_{0}l-1)}{Z_{c0}\mathrm{sh}{\gamma }_{0}l}\end{array}\right)---\left(10\right)$

式中：Y_c1、Y_c0正序和零序等值容抗；

Z_c1、Z_c0为正序和零序线路波阻抗；

γ₁、γ₀正序和零序传播系数。

最后得m、n侧补偿后的电流为：

(4)补偿后的分相电流差动保护

保护判据

式中：为线路两端相电流；

k为制动系数，0＜k＜1；

I₀为制动电流门槛。

式中的辅助判据主要用于防止线路空投或空载情况下装置因某种原因误动作。只有当辅助判据和主判据同时满足时，差动元件动作。

本发明基于电容电流精确补偿的输电线路电流差动保护方法，对于分相电流差动保护的动作电流或的大小在未补偿、半补偿、准故障测距补偿的情况下其值基本一致(当m、n侧电压接近一致时，动作电流恒定)；而制动电流则在未补偿、半补偿、准故障测距补偿情况下有所差异，经补偿后的制动门槛或要低于未补偿时的制动门槛；且基于故障测距补偿在偏向线路一侧的内部故障时，远离故障点一侧其制动门槛最低，性能优于半补偿法。

对于带高补偿度并联电抗器的线路，其基于准故障测距的分布电容电流补偿的等值网络如图3所示。由于电抗器感性电流的引入削弱了线路分布电容电流的影响，即需要补偿的容性电流为分别为m、n侧的并联电抗器的补偿电流)变小，因此削弱了进行线路分布电容补偿的效果，尤其是对于接近完全补偿的线路，线路分布电容电流对于利用稳态工频量的差动保护影响微弱，可不进行电容电流补偿。

本发明方法在线路内部故障根据故障位置精确补偿电容电流，尤其在线路保护范围内的非中点处故障时灵敏度得到提高，有望作为特高压长线路电流差动保护的电容电流补偿的有效措施。在输电线路实时快速故障测距技术日益成熟的基础之上，该方法具有良好的应用前景。