适应故障限流器的突变量距离保护整定方法

摘要

本发明涉及一种适应故障限流器的突变量距离保护整定方法，包括如下步骤：步骤1：基于电力系统双端供电模型金属性接地故障前、后继电保护安装处测量的相电压和相电流计算电压和电流突变量及故障前继电保护整定末端的负荷电压；步骤2：在电力系统双端供电模型中确定金属性接地故障辅助点F

说明书

技术领域

本发明涉及继电保护技术领域，具体涉及一种适应故障限流器的突变量距离保护整定方法。

背景技术

近年来，随着高压、特高压电网的发展和电力系统规模的扩大，短路电流超标现象越来越严重，给电力系统的安全、稳定运行带来很大的挑战。各种故障限流器应运而生，这其中超导限流器集检测、启动、限流功能于一身，具备响应速度快、不启动时损耗低等优点而受到世界各国的广泛关注。

现有的突变量距离保护，利用故障前1～3个周波的记忆数据，与故障时刻实时测量的电气量来计算工频突变量，在此基础上进行突变量距离保护的整定。突变量保护的基本原理是叠加定理，然而，故障限流器的启动，使得故障前后的线路参数改变，利用记忆数据计算的突变量并不准确，给基于突变量的继电保护整定方案(包括突变量距离保护)带来了颠覆性难题。现有的突变量距离保护整定方案并不适应安装故障限流器的电力系统。

如图1～3所示，图1为典型的电力系统双端供电模型，图2为故障前电力系统等效电路图，图3为限流器启动后的电力系统等效电路图，故障前(金属性接地故障，包括三相金属性接地故障与单相接地故障)，保护安装位置测量的负荷电流为保护安装位置测量的负荷电压为电阻型超导限流器启动，等效负荷电流分量为(不可测量，无法推算)，等效负荷电压分量为(不可测量，无法推算)；

其中，分别为送电端系统和受电端系统的电压，Z_s1，Z_s2分别为送电端系统和受电端系统的内阻抗，Z_L为保护线路L_AB的阻抗。R_fcl为超导限流器的限流阻抗，分别为故障前互感器安装处测量的负荷电流和电压相量，故障前可测量记录。分别为限流设备启动后，实际的负荷电流、电压分量，两者均不可测量。

基于故障前记忆数据的工频突变量其中i_km，u_km分别为继电保护安装处互感器安实时测量的电流、电压瞬时值。i_|0|、u_|0|分别为故障前继电保护安装处互感器测量的负荷电流、电压瞬时值。△i_*，△u_*分别为计算的电流、电压的突变量瞬时值。

由此可知，故障前、后由于超导限流器的启动，工频突变量中不仅包含故障分量的影响，还包括由于限流电阻的投入对负荷分量造成的影响。总而言之，限流器的启动使得电路模型改变，使得故障前、后采集的电压、电流数据并不对应于同一个电路，传统的工频突变量原理失去叠加条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应故障限流器的突变量距离保护整定方法，该方法能解决突变量距离保护与故障限流器之间的继电保护配合问题。

为解决上述技术问题，本发明所设计的适应故障限流器的突变量距离保护整定方法，包括如下步骤：

步骤1：基于电力系统双端供电模型金属性接地故障前、后继电保护安装处互感器测量的相电压和相电流计算电压和电流突变量△u_*、△i_*及故障前继电保护整定末端的负荷电压U_set|0|；

步骤2：在所述电力系统双端供电模型中确定金属性接地故障辅助点F_*，所述金属性接地故障辅助点F_*能使电力系统双端供电模型中送电端电源到金属性接地故障辅助点F_*之间的电路模型与电力系统双端供电模型金属性接地故障前保持一致，使得金属性接地故障前、后互感器安装位置处测量的相电压、电流计算的突变量电压电流，进而推导的金属性接地故障辅助点F_*的工作电压，满足电路叠加定理(Superposition>*的制动电压，即可形成新的故障限流器的突变量距离保护整定判据。

目前，针对故障限流器与继电保护的配合问题的研究，主要集中在电流保护、常规距离保护、方向保护等保护方案。目前，故障限流器与突变量继电保护的配合问题的研究尚处于空窗期。仅有的一篇关于故障限流器对突变量距离保护的改进方案的研究，最终选择了一种自适应电流速断保护，失去了突变量距离保护的初衷。本发明基于电路模型的等效转换，借助辅助故障点F*，通过补偿制动电压，完全弥补了限流器的影响，完整保留了突变量距离保护的动作特性。本发明提出的适应故障限流器的突变量距离保护整定方案，具备无损的带过渡电阻能力，并且带过渡电阻能力完全不受故障限流阻抗的影响；另一方面，故障位置越近、故障电流越大，速动性越高，突变量距离保护同时兼具速动性和反时限电流保护的优点。与其它电流速断保护、常规距离保护相比，本发明具备更高的带过渡电阻能力，且带过渡电阻能力能屏蔽故障限流阻抗的影响。本发明的平均速动性也高于电流速断保护和常规距离保护。是一种更适应高速动性、高过渡电阻能力的电力系统继电保护方案。

本发明提出的突变量距离保护整定方案，同样适用于安装有限流阻抗可知、响应速度快的限流设备的电力系统。并且，本发明提出的基于等效电路模型转换的矫正电压、电流突变量的思想方法，同样适用于其它基于突变原理的保护方案和定位方案。

附图说明

图1为典型的电力系统双端供电模型；

图2为背景技术中故障前电力系统等效电路图；

图3为背景技术中限流器启动后的电力系统等效电路图；

图4为背景技术中限流器启动后故障分量等效电路图；

图5为背景技术中正向故障限流器启动后电位图；

图6为背景技术中反向故障限流器启动后电位图；

图7为本发明中正向故障时限流器启动后的电路模型转换图；

图8为本发明中反向故障时限流器启动后的电路模型转换图；

图9为本发明中制动电压与实际电压突变量；

图10为本发明中区外故障时工作电压模值与制动电压模值仿真图；

图11为区内故障时，工作电压模值与制动电压模值仿真图。

其中，图1中，i_km，u_km分别为继电保护安装处，实时测量的电流、电压瞬时值。图2中，i_|0|、u_|0|分别为故障前记录的负荷电流、电压瞬时值，两者均可测量，u_F|0|为故障前故障点的电压，它不可测量，不可推算。图3中，i_L、u_L为超导限流器启动后，等效的负荷分量，它不可测量，u_FR|0|为超导限流器系统启动后，故障点的等效电压分量，它不可测，不可推算。图4中，Δi，Δu为未矫正的，基于故障前记忆数据的故障分量瞬时值，事实上，图4和图2的电路模型不一致，导致直接计算的突变量必然出现极大的偏差。图5中，无限流器时，基于故障前、后测量的电压、电流计算的制动电压与工作电压分别为ΔU_F和ΔU_op，ΔU_op*为限流器启动后，原始算法下的工作电压，这种算法导致继电保护动作范围缩短；图中Z_set为整定阻抗，一般取线路80％的阻抗，Z_k为首端电源出线端A到故障位置的线路阻抗，简称故障阻抗。图6中，无限流器时，基于故障前后测量的电压、电流计算的制动电压与工作电压分别为ΔU_F和ΔU_op，ΔU_op*为限流器启动后，原始算法下的工作电压，导致继电保护对区外故障灵敏性降低，其中Z_R为受端电源到首端电源背面出口总阻抗，Z_k为首端电源出线端A到故障位置的线路阻抗，简称故障阻抗。图7和图8中，F为实际故障位置，F*为辅助故障位置，和为继电保护安装位置测量的电压和电流，u_F*为辅助位置的故障电压。图9中，利用辅助点电路模型等效转换计算的补偿的制动电压U_ref与实际电压突变量ΔU_F稳态值几乎相同，证明了基于电路模型等效转换方案的可行性。图10中，补偿后的制动电压U_ref与动作电压U_op，Uop-100％：线路100％位置发生故障，即整定范围外的故障，继电保护不动作。同理Uop-80％为线路80％位置发生故障，动作电压大于制动电压，继电保护动作。图11中，补偿后的制动电压U_ref与工作电压U_op，Uop-10％,30％,50％为线路相应位置发生故障，动作电压大于制动电压，继电保护动作。总结图10和11，区内故障(80％以内)可靠动作，区外故障100％位置不动作。验证了本方案的选择性和可靠性。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明涉及一种适应故障限流器的突变量距离保护整定方案。具体步骤如下：1)获取故障前保护安装处互感器测量的负荷电压、电流，故障后超导限流器启动后测量的实时短路电压、电流；计算电压、电流突变量Δu_*、Δi_*及故障前继电保护整定末端的负荷电压U_set|0|。2)分析以电阻型超导限流器(R-SFCL)为代表的故障限流器启动后对线路参数的影响，指出故障限流器的启动使得故障前后测量的电压、电流并不对应同一个电路模型，导致故障前后测量的电压、电流并不满足叠加条件，给安装故障限流器的电力系统的突变量距离保护的整定造成颠覆性难题；3)基于电路模型的等效转换，提出一种适应故障限流器的突变量距离保护整定方案，该方案具体包括如下步骤：

步骤1：基于电力系统双端供电模型金属性接地故障前、后继电保护安装处互感器测量的相电压和相电流计算电压和电流突变量Δu_*、Δi_*及故障前继电保护整定末端的负荷电压U_set|0|；

步骤2：在所述电力系统双端供电模型中确定金属性接地故障辅助点F_*，所述金属性接地故障辅助点F_*能使电力系统双端供电模型中送电端电源到金属性接地故障辅助点F_*之间的电路模型与电力系统双端供电模型金属性接地故障前保持一致，使得金属性接地故障前、后互感器安装位置处测量的相电压、电流计算的突变量电压电流，进而推导的金属性接地故障辅助点F_*的工作电压，满足电路叠加定理，此时，计算出金属性接地故障辅助点F_*的制动电压，即可形成适应故障限流器的突变量距离保护整定判据。

上述技术方案的步骤1中：

其中，i_km、u_km分别为继电保护安装处，故障后实时测量的电流、电压瞬时值，i_|0|、u_|0|分别为故障前继电保护安装处测量的负荷电流、电压瞬时值，Δu_*、Δi_*为根据i_km、u_km、i_|0|、u_|0|计算的电压和电流突变量，分别为电压和电流突变量的相量值，为故障前继电保护整定末端的负荷电压相量，Z_set为线路首端到整定末端的线路阻抗，一般取整个输电线L_AB的80％。

上述技术方案的所述步骤2中：

基于电路模型的等效转换，将实际故障点F转移为辅助点F_*，通过补偿制动电压，弥补限流阻抗的影响。

工频变化量距离保护的工作原理：

其中，为工频突变量电流，Z_s1为送电端电源内部等效阻抗，Z_set为继电保护的整定阻抗，一般为线路阻抗Z_L的80％。为突变量距离保护阻抗继电器的工作电压，为制动电压。U_F|0|为故障点F在电力系统正常运行时的负荷电压模值；因为故障位置的不确定性导致其负荷电压难以计算，一般采用故障前继电保护整定末端(一般整定范围为线路的80％)处的负荷电压或者线路额定电压作为制动电压。采用线路80％处的负荷电压作为制动电压时，现行的突变量距离保护动作判据如下：

k_rel为可靠系数，取值范围为1.0～1.1。

故限流器启动后，不仅影响了电压、电流的故障分量，也影响了电压、电流的负荷分量，一方面，故障限流器对负荷分量的影响不可测量。另一方面，故障后实时测量的电流、电压瞬时值i_km、u_km与故障前的记忆数据i_|0|、u_|0|对应的电路模型并不相同，不满足叠加定理。无法求出正确的工频突变量。

研究分析电力系统电路模型可知，如图2，在不包含故障限流器的电路模型中，限流器启动前后的电压、电流满足叠加条件。因此，基于电流模型的等效转换原理，在不包含故障限流器的辅助点F*如图7、8，基于故障前互感器测量的电压、电流的工频突变量整定的制动电压完全正确，只需推导出F*点准确的工作电压，就可以形成新的动作判据。

当电力系统双端供电模型正方向金属性接地故障时(电力系统双端供电模型中送电端到受电端之间的故障)，如图7，金属性接地故障前后送端电源到金属性接地故障辅助点F_*之间的电路模型一致，由此得到：

其中，为金属性接地故障辅助点F_*的工频电压突变量模值，为电流突变量的相量值，Z_s1为送电端系统的内阻抗，Z_k为线路首端到故障位置的阻抗，Z_set为线路首端到整定末端的线路阻抗，为突变量距离保护阻抗继电器的工作电压模值，为电压突变量的相量值；

正方向区内故障时，满足的条件；正向区外故障时，满足条件；

金属性接地故障时，金属性接地故障辅助点F_*制动电压的具体计算方式为：

其中，为金属性接地故障后辅助点F_*的电压相量，为金属性接地故障辅助点F_*在故障前的负荷电压，为金属性接地故障后继电保护安装处互感器实时测量的电流相量，R_fcl为电阻型超导限流器的限流电阻阻值，为故障前继电保护整定末端的负荷电压相量；

则正向区内故障必然满足不等式

其中，为电力系统双端供电模型金属性接地故障前的负荷电压、电流；

当电力系统双端供电模型反方向金属性接地故障时，故障前后受端电源到金属性接地故障辅助点F_*之间的电路模型一致，由此推导：

其中，Z_R表示受端电源到送端电源反向出口的总体阻抗，Z_k为线路首端到故障位置的阻抗，Z_set为线路首端到整定末端的线路阻抗；

反方向故障时，必然满足的条件；

金属性接地故障辅助点F_*的制动电压为：

其中，为金属性接地故障后继电保护安装处互感器实时测量的电流相量，R_fcl为电阻型超导限流器的限流电阻，为金属性接地故障辅助点F_*在故障前的负荷电压，为金属性接地故障后辅助点F_*的电压相量，为金属性接地故障辅助点F_*的工频电压突变量模值，即金属性接地故障辅助点F_*的制动电压，为电力系统双端供电模型金属性接地故障前的负荷电压、电流，Z_set为线路首端到整定末端的线路阻抗；

综合，正方向故障、反方向故障时，工作电压与制动电压的关系，得到适应故障限流器的突变量距离保护整定判据为：

其中，Z_fcl为阻抗可知的故障限流器的限流阻抗，为电压突变量的相量值；当满足上述判据时，继电保护动作，否则不动作。

实例中电网结构如图1，送电端电压为E_s1>s2为220kV。双侧电源阻均为Z_s1＝Z_s2＝0.01+5.84j；220kV线路L_AB＝100km，线路参数为r＝0.08Ω/km，x＝0.417Ω/km，线路阻抗R_fcl＝25Ω。

本实例中，故障前电路系统模型如图2，为负荷电压、电流。故障发生后，超导限流器启动。电力系统模型如图3，为通过继电保护安装处的测量装置实时测量的电压、电流。对比图2～4，超导限流器启动后，电路模型明显不一样，与的差值中不仅包含故障分量，还保护限流阻抗的影响。如果继续采用与的差值进行工频突变量保护，区内故障如图5，实际的工作电压偏小，动作范围显著缩小如图5中阴影部分。区外故障如图6，实际的工作电压偏大，区外故障的灵敏性降低。传统的工频突变量距离保护的动作范围缩短。总而言之，限流器的启动使得传统的基于故障前负荷电压、电流的工频突变量距离保护不能正确动作。

本发明采用的基于电路模型等效转换的突变量距离保护改进方案，通过补偿制动电压，完全弥补了限流阻抗的影响，如图9补偿后的稳态制动电压与故障点的实际电压突变量完全相同，证明了基于电路模型等效转换的补偿方案的可行性，补偿后的继电保护动作结果如图10、图11,表1，能够很好地恢复保护范围。如表2，补偿后突变量距离保护具备无损的带过渡电阻能力，且带过渡电阻不受限流阻抗的影响。表2，与其他保护方案如电流速断保护、传统距离保护相比，本发明提出的突变量距离保护具备更高的带过渡电阻能力，且带过渡电阻能力不受限流阻抗的影响。表3，与其它保护方案如电流速断保护、传统距离保护相比，本发明提出的突变量距离保护仍然具备速动性上的优势。综上所述，本发明为安装有故障限流设备的电力系统，提供了一种在速动性、带过渡电阻能力具备明显优势的继电保护整定新方案。本发明提出的基于电路模型等效转换原理的矫正突变量的思想方法，为其它基于突变量原理的继电保护、故障定位方案的改进提供了借鉴。

表1 SFCL启动前后工频突变量距离保护动作情况

表2突变量距离保护带过渡电阻能力分析

表3突变量距离保护速动性分析

表3中，FCL为Fault Current Limiter，故障限流器。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。