一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法

摘要

本发明提供一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法，通过保护测量点对电流进行采样及计算，得到电流采样值的变化量，启动元件及将自由波能量保护段包括速动段、基本段及灵敏段，速动段、基本段及灵敏段作为动作判据对半波长线路自由波能量进行保护。本发明提出的基于自由波能量的半波长线路保护方法降低了采样的数量要求，同时解决了受电容式电压互感器影响的问题；其准确、高效且可靠，兼顾了对半波长线路保护动作可靠性和灵敏性，保证了半波长线路的安全可靠的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法。

背景技术

在全球能源互联网概念的框架体系下，半波输电作为一种交流远距离输电技术越来越受到关注。半波输电就是指输电线路长度为电磁波在半个周期内传输的距离(频率为50HZ时，对应长度为3000公里)。对于半波长输电线路，由于线路的长度远大于常规输电距离，因此，其电磁波的波动特征表现明显。从而导致对于半波长线路的正常运行和故障电气特征与常规中短距离输电线路不同。常规线路保护已无法适应半波长线路的特点和运行要求。为了实现对半波长线路的保护，需要结合其故障电气特征，探讨新的保护方案和方法。

自由波是半波长输电系统的故障暂态过程中的自由分量。在半波长线路区内、外发生故障时，自由波表现出截然不同的波形特征。本发明就是利用这一特征提出的一种新型半波长线路保护方法。现有的保护方案中，行波保护在直流输是线路保护中应用较为广泛。但是也存在一些弊端。如：所需采样率极高，往往到几百K赫兹；受电容式电压互感器影响；单端量行波保护不准确等。因此，需要寻找的基于自由波的保护方法要克服以上缺点。从而提升半波长输电线路的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法，该方法降低了采样的数量要求，同时解决了受电容式电压互感器影响的问题；其准确、高效且可靠，保证了半波长线路的安全可靠的运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法，所述半波长线路上设有保护测量点及启动元件；所述自由波能量设有三个保护段，所述保护段包括速动段、基本段及灵敏段；所述方法包括如下步骤：

步骤1.所述保护测量点对电流进行采样及计算，得到电流采样值的变化量；

步骤2.启动元件发生动作，确定半波长线路故障的发生时间；

步骤3.在所述速动段内计算所述电流采样值的变化量，得到自由波能量；判断所述速动段是否动作；

若是，则所述速动段保护动作；

若否，则进入步骤4；

步骤4.在所述基本段内计算所述电流采样值，得到自由波能量；判断所述基本段是否动作；

若是，则所述基本段保护动作；

若否，则进入步骤5；

步骤5.根据故障位置及允许命令判断所述灵敏段是否动作；

若是，则所述灵敏段保护动作；

若否，则返回步骤1。

优选的，所述步骤1包括：

1-1.所述保护测量点对故障发生前一周波的电流值及当前的电流值分别进行采样，得到各相电流的故障前采样值及当前采样值；其中，采样率为每一周波取48个采样点；

1-2.根据电流的故障前采样值及当前采样值，计算得到电流采样值的变化量。

优选的，所述步骤2包括：

所述启动元件发生动作，确定半波长线路故障的发生时间t：

$>\left(\begin{array}{c}\Delta f\left(t\right)={\mathrm{\Delta i}}_A^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_B^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_C^2\left(t\right)\\ \left|d\Delta f\left(t\right)\right|>f_{set}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

式(1)中，f_set为动作定值，且f_set＝0.1KA²，Δi_A(t)、Δi_B(t)及Δi_C(t)分别为A、B、C三相电流的突变量；Δf(t)为三相电流突变量平方和的变化量。

优选的，所述步骤3包括：

3-1.所述启动元件动作的第-2到22个采样点，逐点采用半波傅氏滤序窗口，计算三相电流变化量Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零序及负序变化量相量；

并计算得到的值；其中，及分别为A、B、C相电流的故障后向量值；及分别为A、B、C相的负序电流的变化量相量值；

3-2.将A、B、C相零序及负序相量和还原为A、B、C相的零序及负序和的采样值Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)；

3-3.滤除采样值变化量中的零负序，得到滤除零序及负序后的电流变化量采样值i_A(t)、i_B(t)及i_C(t)：

i_A(t)＝Δi_A(t)-Δi_A02(t)

i_B(t)＝Δi_B(t)-Δi_B02(t)(2)

i_C(t)＝Δi_C(t)-Δi_C02(t)

式(2)中，Δi_A(t)、Δi_B(t)及Δi_C(t)分别为A、B、C相电流由于故障引起的t时刻的电流采样值变化量；

3-4.构造平方和函数f(t)：

$>f\left(t\right)=i_A^2\left(t\right)+i_B^2\left(t\right)+i_C^2\left(t\right)---\left(3\right)$>

对平方和函数差分后取绝对值，得到|df(t)|；

对|df(t)|进行积分，得到自由波能量值；

3-5.判断所述自由波能量下式(4)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>250+2.5\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,21\}---\left(4\right)$>

式(4)中，i为采样点；I为积分区间；

若式(4)不成立，则进入步骤4；

若式(4)成立，则进入3-6；

3-6.在第22个采样点后，用全波傅立叶数据窗进行滤序；同时将式(4)变换为下式(5)，并判断式(5)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>150+k\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,45\}---\left(5\right)$>

式(5)中，-2～45共48个采样点逐点按照0.05的步长降低k值，k的初值为5；

若式(5)不成立，则进入步骤4；

若式(5)成立，则所述速动段保护动作。

优选的，所述步骤4包括：

4-1.采用全波傅氏滤序窗口，计算三相电流变化量Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零序及负序变化量相量；并计算得到的值；其中，及分别为A、B、C相电流的故障后向量值；及分别为A、B、C相的负序电流的变化量相量值；

4-2.将A、B、C相零序及负序相量和还原为A、B、C相的零序及负序和的采样值Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)；

4-3.滤除采样值变化量中的零负序，根据式(2)得到滤除零序及负序后的电流变化量采样值i_A(t)、i_B(t)及i_C(t)；

4-4.根据式(3)构造平方和函数f(t)，对平方和函数差分后取绝对值，得到|df(t)|；对|df(t)|进行积分，得到自由波能量值；

4-5.判断所述自由波能量下式(6)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>30+0.3\underset{i\in J}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|---\left(6\right)$>

式(6)中，I＝{4,…,45}J＝{46,…,57}

若式(6)不成立，则进入步骤4；

若式(6)成立，则所述基本段保护动作。

优选的，所述步骤5包括：

根据故障位置及允许命令，判断所述灵敏段的判据公式(7)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>8+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{L,...,H\}---\left(7\right)$>

式(7)中，L为积分区间下限，H为积分区间上限；

若接收到所述允许命令且故障位置的估算结果大于2000km时，则所述灵敏段保护动作，且积分区间I取-2～45采样点；

若接收到所述允许命令且故障位置估算结果位于{(1500-l),…,(1500+l)}l≤500km范围内时，则所述灵敏段保护动作，且积分区间I取-2～45采样点；

若接收到所述允许命令且故障位置估算结果位于{α,…,(1500-l)},l≤500km,α≤100km范围内时，则所述灵敏段保护动作，且积分区间I为L～H，其中，$>L=\frac{24}{1000-a}1-\frac{12000}{1000-a}-2,H=48-L;$>

当未接到所述允许命令或故障位置估算结果为{0,…,α},α≤100km范围内时，闭锁保护，返回步骤1。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法，通过保护测量点对电流进行采样及计算，得到电流采样值的变化量，启动元件及将自由波能量保护段包括速动段、基本段及灵敏段，速动段、基本段及灵敏段作为动作判据对半波长线路自由波能量进行保护。本发明提出的基于自由波能量的半波长线路保护方法降低了采样的数量要求，同时解决了受电容式电压互感器影响的问题；其准确、高效且可靠，兼顾了对半波长线路保护动作可靠性和灵敏性，保证了半波长线路的安全可靠的运行。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，通过对区内外故障自由波波形特征的分析，提出将自由波进行积分，即通过比较故障后自由波能量大小，区分区内外故障。以此为基础，提出了自由波能量保护速动段、基本段及灵敏段的动作判据。

2、本发明所提供的技术方案，各段的滤序算法、积分区间和作用时限均不相同，从而兼顾了对半波长线路保护动作可靠性和灵敏性。

3、本发明所提供的技术方案，通过保护测量点对电流进行采样及计算，得到电流采样值的变化量，启动保护元件及将自由波能量保护段包括速动段、基本段及灵敏段；判断速动段、基本段及灵敏段是否启动保护动作。本发明提出的基于自由波能量的半波长线路保护方法降低了采样的数量要求，同时解决了受电容式电压互感器影响的问题；其准确、高效且可靠，兼顾了对半波长线路保护动作可靠性和灵敏性，保证了半波长线路的安全可靠的运行。

4、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种基于自由波能量的半波长线路保护方法的流程图；

图2是本发明的具体应用例中的半波长线路模拟仿真系统示意图；

图3是本发明的具体应用例中的自由波能量保护I段计算点示意图；

图4是本发明的具体应用例中的自由波能量保护II段计算点示意图；

图5是本发明的具体应用例中的自由波能量保护III段积分区间示意图；

图6是本发明的具体应用例中的自由波能量保护I段、II段和III段共同构成的自由波能量保护逻辑图；

图7是本发明的具体应用例中的半波长线路出口F1点三相短路故障自由波示意图；

图8是本发明的具体应用例中的半波长线路反向出口F8点三相短路故障自由波示意图；

图9是本发明的具体应用例中的半波长线路反向出口F8点三相短路故障自由波示意图。

具体实施方式(是否有必要说明保护元件是什么，或写明保护元件与现有线路上的相同)

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，本发明提供一种基于单侧电流的半波长线路自由波能量保护方法，半波长线路上设有保护测量点及启动元件；自由波能量设有积分区间的保护段，保护段包括速动段、基本段及灵敏段；其中，启动元件为程序的启动算法的组成内容；方法包括如下步骤：

步骤1.保护测量点对电流进行采样及计算，得到电流采样值的变化量；

步骤2.启动元件发生动作，确定半波长线路故障的发生时间；

步骤3.在速动段内计算电流采样值的变化量，得到自由波能量；判断速动段是否动作；

若是，则速动段保护动作；

若否，则进入步骤4；

步骤4.在基本段内计算电流采样值，得到自由波能量；判断基本段是否动作；

若是，则基本段保护动作；

若否，则进入步骤5；

步骤5.根据故障位置及允许命令判断灵敏段是否动作；

若是，则灵敏段保护动作；

若否，则返回步骤1。

其中，步骤1包括：

1-1.保护测量点对故障发生前一周波的电流值及当前的电流值分别进行采样，得到各相电流的故障前采样值及当前采样值；其中，采样率为每一周波取48个采样点；

1-2.根据电流的故障前采样值及当前采样值，计算得到电流采样值的变化量。

其中，步骤2包括：

启动元件发生动作，确定半波长线路故障的发生时间t：

$>\left(\begin{array}{c}\Delta f\left(t\right)={\mathrm{\Delta i}}_A^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_B^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_C^2\left(t\right)\\ \left|d\Delta f\left(t\right)\right|>f_{set}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

式(1)中，f_set为动作定值，且f_set＝0.1KA²，Δi_A(t)、Δi_B(t)及Δi_C(t)分别为A、B、C三相电流的突变量；Δf(t)为三相电流突变量平方和的变化量。

其中，步骤3包括：

3-1.启动元件动作的第-2到22个采样点，逐点采用半波傅氏滤序窗口，计算三相电流变化量Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零序及负序变化量相量；

并计算得到的值；其中，及分别为A、B、C相电流的故障后向量值；及分别为A、B、C相的负序电流的变化量相量值；

3-2.将A、B、C相零序及负序相量和还原为A、B、C相的零序及负序和的采样值Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)；

3-3.滤除采样值变化量中的零负序，得到滤除零序及负序后的电流变化量采样值i_A(t)、i_B(t)及i_C(t)：

i_A(t)＝Δi_A(t)-Δi_A02(t)

i_B(t)＝Δi_B(t)-Δi_B02(t)(2)

i_C(t)＝Δi_C(t)-Δi_C02(t)

式(2)中，Δi_A(t)、Δi_B(t)及Δi_C(t)分别为A、B、C相电流由于故障引起的t时刻的电流采样值变化量；

3-4.构造平方和函数f(t)：

$>f\left(t\right)=i_A^2\left(t\right)+i_B^2\left(t\right)+i_C^2\left(t\right)---\left(3\right)$>

对平方和函数差分后取绝对值，得到|df(t)|；

对|df(t)|进行积分，得到自由波能量值；

3-5.判断自由波能量下式(4)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>250+2.5\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,21\}---\left(4\right)$>

式(4)中，i为采样点；I为积分区间；

若式(4)不成立，则进入步骤4；

若式(4)成立，则进入3-6；

3-6.在第22个采样点后，用全波傅立叶数据窗进行滤序；同时将式(4)变换为下式(5)，并判断式(5)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>150+k\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,45\}---\left(5\right)$>

式(5)中，-2～45共48个采样点逐点按照0.05的步长降低k值，k的初值为5；

若式(5)不成立，则进入步骤4；

若式(5)成立，则速动段保护动作。

其中，步骤4包括：

4-1.采用全波傅氏滤序窗口，计算三相电流变化量Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零序及负序变化量相量；并计算得到的值；其中，及分别为A、B、C相电流的故障后向量值；及分别为A、B、C相的负序电流的变化量相量值；

4-2.将A、B、C相零序及负序相量和还原为A、B、C相的零序及负序和的采样值Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)；

4-3.滤除采样值变化量中的零负序，根据式(2)得到滤除零序及负序后的电流变化量采样值i_A(t)、i_B(t)及i_C(t)；

4-4.根据式(3)构造平方和函数f(t)，对平方和函数差分后取绝对值，得到|df(t)|；对|df(t)|进行积分，得到自由波能量值；

4-5.判断自由波能量下式(6)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>30+0.3\underset{i\in J}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|---\left(6\right)$>

式(6)中，I＝{4,…,45}J＝{46,…,57}

若式(6)不成立，则进入步骤4；

若式(6)成立，则基本段保护动作。

其中，步骤5包括：

根据故障位置及允许命令，判断灵敏段的判据公式(7)是否成立：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>8+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{L,...,H\}---\left(7\right)$>

式(7)中，L为积分区间下限，H为积分区间上限；

若接收到允许命令且故障位置的估算结果大于2000km时，则灵敏段保护动作，且积分区间I取-2～45采样点；

若接收到允许命令且故障位置估算结果位于{(1500-l),…,(1500+l)}l≤500km范围内时，则灵敏段保护动作，且积分区间I取-2～45采样点；

若接收到允许命令且故障位置估算结果位于{α,…,(1500-l)},l≤500km,α≤100km范围内时，则灵敏段保护动作，且积分区间I为L～H，其中，$>L=\frac{24}{1000-a}1-\frac{12000}{1000-a}-2,H=48-L;$>

当未接到允许命令或故障位置估算结果为{0,…,α},α≤100km范围内时，闭锁保护，返回步骤1。

本发明提供一种基于自由波能量的半波长线路保护方法的具体应用例，其中，基于自由波能量的半波长线路保护方法在半波长线路模拟仿真系统中实现，半波长线路模拟仿真系统如图2所示，如下：

(1)利用启动元件确定故障发生时刻：

$>\left(\begin{array}{c}\Delta f\left(t\right)={\mathrm{\Delta i}}_A^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_B^2\left(t\right)+{\mathrm{\Delta i}}_C^2\left(t\right)\\ \left|d\Delta f\left(t\right)\right|>f_{set}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

式中：f_set＝0.1kA²，Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)为A、B、C三相电流的突变量。

启动元件的动作时间为保护元件感受到故障发生的时间。本发明中，采样率取为48点每周波。

(2)自由波能量保护I段

自由波能量保护I段为快速段。采取半波傅立叶算法逐点滤序、逐点积分。滤序即滤除零序和负序成份，积分即求能量。

①滤序

启动元件动作的第-2到22个点，逐点采用半波傅氏滤序窗口，计算三相电流变化量Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零、负序变化量相量和将零、负序相量和还原为零负序和的采样值Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)。然后，利用下面的式(2)将采样值变化量中的零负序成份滤除掉。

i_A(t)＝Δi_A(t)-Δi_A02(t)

i_B(t)＝Δi_B(t)-Δi_B02(t)(2)

i_C(t)＝Δi_C(t)-Δi_C02(t)

②积分

首先在式(2)的基础上构造平方和函数：

$>f\left(t\right)=i_A^2\left(t\right)+i_B^2\left(t\right)+i_C^2\left(t\right)---\left(3\right)$>

对平方和函数差分后取绝对值，得到|df(t)|。然后，对|df(t)|进行积分，从而求取得到自由波的能量。再根据下面的式(4)和式(5)是否满足，判断自由波能量保护I段的是否动作。

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>250+2.5\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,21\}---\left(4\right)$>

在第22个采样点后，改用全波傅立叶数据窗进行滤序。同时，降低定值。即(4)式变为下式：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>150+k\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{-2,...,45\}---\left(5\right)$>

式(5)中，-2～45共48个逐点按照0.05的步长降低k值，k的初值取5。

以上计算中采样点的选取计算如图3所示。

(3)自由波能量保护II段(基础段)

①滤序

本保护段在启动元件动作后，采用全波傅氏滤序窗口，计算Δi_A(t)、Δi_B(t)、Δi_C(t)的零负序变化量相量和将零负序相量和还原为零负序采样值和Δi_A02(t)、Δi_B02(t)、Δi_C02(t)。然后，利用式(2)完成对采样值变化量的滤序。

②积分

自由波能量保护I段相同，通过对滤序后的变化量采样值构造平方和函数对平方和函数差分后取绝对值，得|df(t)|。然后，通过对|df(t)|积分得到自由波能量。公式(6)为自由波能量保护II段低定值段判据表达式。

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>30+0.3\underset{i\in J}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|---\left(6\right)$>

上两式中：I＝{4,…,45}J＝{46,…,57}

以上计算中采样点的选取计算如图4所示。

(4)自由波能量保护III段

自由波能量保护III段依据测距结果和对侧允许命令，改变积分区间。从而提高自由波能量保护III段的灵敏度。以保证在确定发生区内故障的情况下，保护可以可靠动作。判据公式表达如下：

$>\underset{i\in I}{\Sigma }\left|df\left(t\right)\right|>8+2\underset{i\in I}{\max }\left|df\left(t\right)\right|,I=\{L,...,H\}---\left(7\right)$>

上式中，L表示积分区间下限，H表示积分区间上限。其取值依据如图5所示。

如图5所示，当接收到允许命令且故障位置估算结果大于2000km时，积分区间取-2～45点；当故障位置估算结果位于{(1500-l),…,(1500+l)}l≤500km范围内时，积分区间取-2～45点；当故障位置估算结果位于{α,…,(1500-l)},l≤500km,α≤100km范围内时，积分区间为L～H，其中$>L=\frac{24}{1000-a}I-\frac{12000}{1000-a}-2,H=48-L.$>当故障位置估算结果为{0,…，α},α≤100km范围内时，闭锁保护。

(4)自由波能量保护

自由波能量保护I段、II段和III段一起构成自由波能量保护。具体逻辑如图6所示。其中，半波长线路出口F1点三相短路故障自由波、半波长线路反向出口F8点三相短路故障自由波及半波长线路正向区外F9点三相短路故障自由波分别如图7、8及9所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。