（电气工程专业论文）超高压线路保护若干问题的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统西电东送、全国联网、特高压输电等工程的建设，大量的超高压 线路在电网中运行。为了保证互联电网的安全稳定运行，对适应系统要求的超高压 线路保护的性能提出了更高要求。本文围绕线路保护的几个关键技术问题展开了详 细分析。1 ) 提出按相补偿的接线方式。新的按相补偿的接线方式既保证了故障相阻 抗测量的准确性，又最大程度的避免了非故障相阻抗继电器误动。2 ) 提出了基于线 路贝瑞龙模型的分布电容电流解决方法。针对分布电容电流对距离保护解微分防城 算法计算精度及线路纵联差动保护灵敏度的影响，从线路的电磁暂态模型出发，在 电磁暂态模型中已经考虑到分布电容，从根本上解决了电容电流的影响问题。3 ) 提 出了新型选相方案。在深入分析故障情况下单相及相间阻抗之间的幅值、相位关系 的基础上，提出了新的阻抗选相方案，为实现稳态量选相提供了一种新的解决思路。 关键字：超高压线路， 继电保护，按相补偿，阻抗选相 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ts u c ha sp o w e rt r a n s m i t t e df o 皿w e s t c h i n at oe a s tc h i n a ，p o w e rg r i di n t e r l i n kp r o je c t ，u l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n ，l a r g e n u m b e r so fe h vt r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e nc o m m i s s i o n e di nc h i n a i no r d e rt ok e e pt h e s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，t h eh i g h e rd e m a n do ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl l i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nh a sb e e np u tf o r w a r d t l h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n c e m s a b o u tt h es t u d y0 fh o wt 0r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta ne h vt r 勰s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n w i t hh i g hp e r f o m 距c e i h es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa r e 弱f o l l o w s ：1 ) ho r d e rt o a c c u r a t e l ym e a s u r ct h ei m p e d a n c e ，an e wr e s i d u a lc l l r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d0 nt h e c u r r e n tm a g n i t u d eo fe a c hp h a s ef o rm h oe l e m e n t si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 2 ) b a s e d o nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tm o d e lo ft h ed i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n e ，an e w m e t h o db a s e d0 nt h eb e r g e r o nm o d e l0 ft h et r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e np u tf o r w a r d t h e i n n u e n c eo ft h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n th a sb e e nc o n s i d e r e di nt h i sn e wm o d e l 3 ) h o wt og e tt h ec o r r e c tp h a s es e l e c t i o nr e s u l ti ss t i l lsd i f f i c l l l tq u e s t i o nf o rt h eb a c k u p p r o t e c t i o n0 ft h et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n an e wm e t h o df o rp h a s es e l e c t i o nb a s e d o ni m p e d a n c ei nm i c r o p r o c e s s o rb a s e dp r o t e c t i v er e l a yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r n e w s c h e m em a yb eo n eo ft h es o l u t i o n sf o rt h ep h a s es e l e c t i o nb a s e do ns t e a d yc o m p o n e n t t a n gj i e ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n 酚 d i r e c t e db y p r o f c h a n gx i a n r o n g k e yw o r d s ：e h vt r a n s m i s s i o nl i n e ， p r o t e c t i v er e i a y ， a d a p t i v e c u r r e n t c o m p e n s a t i o n ，p h a s es e l e c t i o n 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统西电东送、全国联网、特高压输电等工程的建设，大量的超高压 线路在电网中运行。为了保证互联电网的安全稳定运行，对适应系统要求的超高压 线路保护的性能提出了更高要求。本文围绕线路保护的几个关键技术问题展开了详 细分析。1 ) 提出按相补偿的接线方式。新的按相补偿的接线方式既保证了故障相阻 抗测量的准确性，又最大程度的避免了非故障相阻抗继电器误动。2 ) 提出了基于线 路贝瑞龙模型的分布电容电流解决方法。针对分布电容电流对距离保护解微分防城 算法计算精度及线路纵联差动保护灵敏度的影响，从线路的电磁暂态模型出发，在 电磁暂态模型中已经考虑到分布电容，从根本上解决了电容电流的影响问题。3 ) 提 出了新型选相方案。在深入分析故障情况下单相及相间阻抗之间的幅值、相位关系 的基础上，提出了新的阻抗选相方案，为实现稳态量选相提供了一种新的解决思路。 关键字：超高压线路， 继电保护，按相补偿，阻抗选相 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ts u c ha sp o w e rt r a n s m i t t e df o 皿w e s t c h i n at oe a s tc h i n a ，p o w e rg r i di n t e r l i n kp r o je c t ，u l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n ，l a r g e n u m b e r so fe h vt r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e nc o m m i s s i o n e di nc h i n a i no r d e rt ok e e pt h e s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，t h eh i g h e rd e m a n do ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl l i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nh a sb e e np u tf o r w a r d t l h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n c e m s a b o u tt h es t u d y0 fh o wt 0r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta ne h vt r 勰s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n w i t hh i g hp e r f o m 距c e i h es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa r e 弱f o l l o w s ：1 ) ho r d e rt o a c c u r a t e l ym e a s u r ct h ei m p e d a n c e ，an e wr e s i d u a lc l l r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d0 nt h e c u r r e n tm a g n i t u d eo fe a c hp h a s ef o rm h oe l e m e n t si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 2 ) b a s e d o nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tm o d e lo ft h ed i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n e ，an e w m e t h o db a s e d0 nt h eb e r g e r o nm o d e l0 ft h et r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e np u tf o r w a r d t h e i n n u e n c eo ft h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n th a sb e e nc o n s i d e r e di nt h i sn e wm o d e l 3 ) h o wt og e tt h ec o r r e c tp h a s es e l e c t i o nr e s u l ti ss t i l lsd i f f i c l l l tq u e s t i o nf o rt h eb a c k u p p r o t e c t i o n0 ft h et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n an e wm e t h o df o rp h a s es e l e c t i o nb a s e d o ni m p e d a n c ei nm i c r o p r o c e s s o rb a s e dp r o t e c t i v er e l a yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r n e w s c h e m em a yb eo n eo ft h es o l u t i o n sf o rt h ep h a s es e l e c t i o nb a s e do ns t e a d yc o m p o n e n t t a n gj i e ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n 酚 d i r e c t e db y p r o f c h a n gx i a n r o n g k e yw o r d s ：e h vt r a n s m i s s i o nl i n e ， p r o t e c t i v er e i a y ， a d a p t i v e c u r r e n t c o m p e n s a t i o n ，p h a s es e l e c t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文超高压线路保护若干问 题的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统继电保护是一门综合性的科学，它奠基于理论电工、电机学和电力系 统故障分析等基础理论，还与电子技术、通信技术、计算机技术和信息科学等新理 论新技术有着密切的联系i 。电力系统自身的发展是继电保护理论和技术发展的源 泉，相关领域新理论、新技术、新概念、新方法不断的发展为继电保护发展提供了 物质基础【2 j 【3 】。继电保护已经由过去的模拟保护发展到现在的微机数字式保护，这 是继电保护发展上的一次巨大飞跃。微机保护不仅具有精确的数字测量功能，更重 要的是微机保护具有极强的推理能力，对于微机保护而言，应利用自身的优势，使 保护原理构成及保护配置都能够更好地与电网运行状态相适应。保护设计中，如何 发挥计算机的优势，进一步改善保护的性能，尤其是如何进一步发展微机保护在功 - 能上的优势，使保护识别复杂状态的能力有所提高，解决传统继电保护原理中未能 很好解决的状态识别问题，这将是继电保护原理在微机保护阶段得以发展的重要方 面。本文试图充分利用微机保护的天然优势，解决现有保护中未能很好解决的几个 具体问题。 1 2 超高压线路保护的发展及其现状 1 2 1 线路保护的发展历程及现状 早在2 0 世纪2 0 年代，已经提出了电流差动、电流方向、距离及高频等一系列 继电保护原理，迄今在保护基本原理方面没有新的突破。在电力系统不断对继电保 护提出新要求的条件下，3 0 年代以来，在继电保护中广泛而成功地应用了故障时出 现的对称分量。虽然继电保护的基本原理早已提出，但它总是根据电力系统发展的 需要，不断从相关学科取得的最新成果中吸收营养，发展和完善自身。继电保护装 置硬件的发展，则经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型和数字计算机型 五个阶段。保护发展到微机保护阶段实现了重要的飞跃，微机保护不仅全面提高了 保护装置的性能，更重要的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性。微 机保护把微机的运算能力、记忆能力、分析能力、通信能力赋予继电保护，使得从 原理上采用更加广泛的新原理、新方法、新技术成为可能。保护的数字化、智能化 为微机保护提供了广阔的发展空间【5 1 。 计算机在继电保护领域的发展是继电保护发展历史上的一个里程碑。在微机保 护的发展过程中，相关的继电保护研究人员为微机保护的实用化做出了巨大的贡 1 华北电力大学工程硕士学位论文 献。1 9 6 5 年英国剑桥大学的p g mc l a r e n 等人率先提出利用采样技术实现输电线路 的距离保护1 6 j ，随后，1 9 6 6 年澳大利亚南威尔士大学的i fm o r r i s o n 预测了输电线路 和变电站采用计算机控制的前景i7 ，接着他们继续进一步研究了微机保护的理论基 础，主要研究集中在微机保护的各种算法。1 9 6 9 年，美国西屋公司的g d r o c k e f e l l e r 在文章中论述了用一个计算机保护e h v 变电站及其出线的可行性【8 j ，并于1 9 7 2 年 发表了装置的试运行样机的原理、结构和现场运行结果【9 1 。这是一套比较完整的用 于现场的计算机继电保护样机，它具备了微机保护的基本组成部分。国内的微机保 护研究工作起步较晚，但进展却比较迅速。1 9 8 4 年华北电力学院杨奇逊教授研制的 国内第一套微机距离保护样机在河北马头电厂试运行后，首先通过鉴定【1 0 】。1 9 8 6 年杨奇逊教授研制成功国内第一套微机高压线路保护装置，并在系统中获得实际应 用，为微机保护的推广开辟了道路，揭开了我国继电保护发展史上新的一页。 在微机保护形成与发展的历史中，保护的各种新原理不断涌现，其中具有代表 性的是故障分量原理保护得到广泛认同，并取得良好的运行效果。故障信息及故障 特征的提取、处理和利用一直是继电保护技术发展的基础和关键【3 1 。三十年代以来， 在继电保护技术中广泛而成功地应用了故障时出现的负序和零序分量构成保护装 置。五十年代以来，开展了暂态分量用于保护的研究，开辟了继电保护技术中利用 故障信息的新途径。微机保护的出现为识别和获取故障信息创造了前所未有的有利 条件，充分利用微机的运算能力、记忆能力、分析能力不断发掘和利用新的故障信 息对继电保护技术的进一步发展具有十分重要的意义。 故障分量保护的成功应用促进了继电保护原理的进一步发展，基于故障分量原 理的保护主要分为工频故障分量保护和暂态故障分量保护，其中工频故障分量原理 是至今最为成功的原理之一。反应工频故障分量的保护具有灵敏度高、动作速度快。 受过渡电阻影响小且不受负荷分量影响等特点，故障分量距离保护【1 2 1 、工频故障分 量方向保护【1 3 】被广大用户接受并普遍应用，同时工频故障分量原理被不断推广，如 故障分量纵联差动保护等，并相继取得成功，效果显著。 传统的继电保护是建立在工频故障信息基础上的，而实际上高压长距离输电线 路的分布参数特性很明显，在故障时会产生从非周期、工频到高频等丰富的频率分 量。传统保护中多是利用工频分量来获取故障信息和实现保护功能，而将高频分当 作噪声滤掉，事实上，故障暂态过程中产生的高频信号中含有更多的故障信息，可 用来实现利用工频信号实现不了的新型保护。暂态分量原理保护包括暂态行波保护 和利用暂态频率特性的保护，后者又称为暂态保护。行波保护是暂态量保护的一种， 但只利用了行波初始波头及后续两三个反射波所包含的故障信息而未完全使用故 障产生的暂态量。利用行波进行保护的研究则始于五十年代末【1 4 1 ，并在七、八十年 代达到高潮。这期间，日本学者t t a k a 酉提出了行波差动保护原理【”】，d o m m e l 和 m i c h e l s 提出了行波判别式方向保护原理【1 6 】，j o h n s 和a g g a 刑a l 提出了幅值比较式行 2 华北电力大学工程硕士学位论文 波保护原理【1 7 l ，c h a m i a 和“b e 皿a n 提出了极性比较式行波保护原理【1 8 】，c r o s s l e v 和m c l a r e n 等入提出了行波距离继电器1 1 9 】。早期的行波保护装置，受当时技术条件 的限制，很难处理好快速性和可靠性之间的矛盾，并没有在电力系统中得以广泛应 用。行波保护未能成为具有标志性的新一代保护，最主要原因是保护原理的可靠性 问题。目前，利用暂态分量的保护分为有通信保护和无通信保护两种。由于受通信 通道性能的限制，目前有通信的暂态保护主要通过通信传递两端的保护动作信息， 2 0 世纪9 0 年代，z q b o 和a t j o h n s 等人用暂态电流信号作为保护的判断量，在同 一条母线上通过比较进入母线和离开母线的高频暂态电流能量水平来确定故障的 方向，利用双端信息综合判断以实现方向保护【2 0 1 。随后，在此基础上，z q b o 等 人进一步讨论了t 型回路情况下该保护的特性【2 1 1 。该保护不受故障类型、故障位 置和接地阻抗的影响，尤其是可以区分保护区内故障和母线上其他设备故障，此保 护方案主要基于信号频谱分析，而没有信号的时间信息，同时，由于故障时高频信 号的分散性使得保护在电压过零点故障时高频信号分量不明显的情况下保护灵敏 度不足。目前研究较多的是无通信暂态保护。在2 0 世纪9 0 年代，a t j o h i l s 和 z q b o 等人陆续提出了一系列无通信单端暂态量故障信息提取及测量技术和保护的 具体实施方案。在文献【2 2 】中，a t j o h n s 利用单端的高频电压分量作为保护判断量， 将1 5 0 k h z 的高频电压信号作为研究对象，通过方向检测实现单端保护，并通过特 别的调谐器设计，使得区内和区外故障时此频率信号的能量有显著的差异。在随后 的研究中，a tj o h n s 逐渐形成了比较系统的信号获取和处理方法【z 3 j ，利用阻波器同 调谐器将故障产生的高频信号限制在保护区内，借助连接在c v l 上的调谐回路将高 频信号提取出来，利用快速信号处理单无来检测故障高频信号在频域内的特性，以 区分区内、外故障。随后为了方便保护判断，z q b o 在以上保护基础上，将高频段 和相对较低频段两个频段信号能量比值的对数值作为区分区内、外故障和母线故障 的判据，综合多次判断结果进行保护判断【矧。由于电压互感器暂态性能的不足，以 上保护都使用了专门的调谐器以获取高频电压信号，造成保护构成比较复杂。z q b 0 等人分析了母线杂散电容对故障时故障电流的衰减效应，发现进入保护单元的高频 电流信号在区内和区外故障时明显不同，保护不需要另加专用的阻波器，也不需要 问c v ，r 相联的调谐器，而直接从t a 中获得电流信号【2 副。利用这个原理通过专门 设计的暂态量检测单元来捕获故障产生的暂态电流信号，对其进行积分获得谱能量 分别对1 k h z 和8 0 k h z 两个频段的电流分量进行分析。在区内故障和区外故障时， 这两个频段的电流分量有明显的不问，将这两个能量的比值作为保护判断量。该保 护不需要附加阻波器和调谐器，便于实现，并且不受故障初始角、接地阻抗和故障 位置的影响，但在接近保护边界母线的内部和外部故障时，分辨率不够。同暂态行 波保护一样，如何确保保护原理的可靠性是暂态保护应用的关键问题。暂态保护的 效果还有待进一步的理论研究和现场运行实践，离实用还有比较远的距离。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 进入9 0 年代，硬件水平的迅猛提高使得实时、复杂的信号处理成为可能，随 着信号处理手段、智能技术的发展，利用d s p 提取信号特征以及保护功能的综合优 化与智能化成为保护发展的中心，保护的构成方式与原理在一定程度上得到了长足 发展。继电保护发展到今天，从国内外继电保护技术发展来看，计算机化、网络化、 保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化已经成为继电保护的发展趋势， 这对继电保护研究人员提出了艰巨的任务，同时也开辟了广阔的活动天地【1 1 】。 1 2 2 故障选相现状及发展 线路故障时，故障相电流升高，电压降低，根据此特征，早期的传统保护通常 采用相电流选相元件、低电压选相元件和阻抗选相元件。相电流和低电压选相元件 虽然实现简单，但前者仅适用于电源侧且灵敏度较低，容易受负荷电流和系统运行 方式的影响，因此只作为辅助选相之用。后者仅适用于电源较小的受电侧或线路很 一短的送电侧，应用场合受到限制。阻抗选相元件受负荷电流和过渡电阻的影响较大， 现在也不单独使用，往往作为辅助判据。 在数字式微机保护中，选相元件通常由软件实现，这给选相元件的实现带来了 很大的灵活性。目前主要采用工频相电流差突变量选相和序分量相结合的选相元 件。在保护启动后第一次利用工频相电流差突变量选相，振荡闭锁期间由于突变量 提取困难而采用序分量选相。 1 ) 突变量选相 目前广泛采用的相电流差突变量选相是利用不同故障时两相工频电流差的变 化量的幅值特征选相，附加鉴别有无零序分量区分两相短路和两相短路接地。该元 件在故障初期灵敏度高，不受负荷电流和过渡电阻影响。但是当保护位于弱电源侧 或发生转换性故障时灵敏度不足甚至会导致误选相【矧。为了克服这一缺陷，可以考 虑采用相间电压突变量选相，该元件具有相电流差突变量选相的特点，又弥补了其 不足，但在长线末端故障时存在灵敏度可能不足的问题。补偿电压突变量选相同时 具有相电流差突变量和相间电压突变量选相的优点，其选相性能比较优越，近年来 也获得了比较广泛的应用1 2 引。文献f 2 9 】综合利用了相问电压突变量和补偿相电流差 突变量，由二者的组合运算构造了相间标量。通过分析三个相间标量在不同故障下 的关系实现选相。文献【3 0 】提出了一种反应工频相电流突变量与零序电流突变量幅 值之比的选相元件。文中推导时假设c 0 = c 1 = c 2 ( 分别为零序，正序，负序电流分配 系数) 成立。但在实际系统中，这一条件往往不满足，为此采用浮动门槛值。该元件 只用于接地故障时选相，其应用受到限制。文献【3 ，3 1 1 采用c l a r k 模变换获得保护装 设处各模电流故障分量在不同类型故障下的幅值特征，以此构成选相判据。但由文 献【3 2 】可知，该元件进行理论分析时，隐含了z 2 = z l 的假设。所以，当故障发生使得 系统的正负序综合阻抗不等时，该元件达不到理论上的优越性。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 序分量选相 系统故障时，可分为正常网络和故障附加网络的叠加。对故障附加网络运用对 称分量法进行分析，可得到各序电流或电压分量在不同故障下的相位和幅值特征。 不同文献基于此构造了选相元件。文献【3 3 】根据正序和负序电流故障分量的相位关 系划分相区。文献【3 4 】提出了一种零、负序电流相对相位相区划分方法，辅以相间 阻抗排除法实现选相，具有很强的耐过渡电阻的能力。但对于单相接地故障，其相 区的裕度较小，可能由于计算误差或较为特殊的扰动而使单相接地时的相位移出相 应相区，从而误选为相间接地故障。文献【3 5 】进一步分析了不同故障时各电流序分 量间相位关系和幅值关系。相区的划分有6 0 0 的裕度，与幅值关系的结合，提高了选 相的可靠性。文献【3 6 】基于不同故障情况下每相正负序电流分量之间的相角差选相。 文献【3 7 】通过对正负序故障分量电流波形进行相关分析，求得相关系数实现选相。 以上电流量选相元件具有共同的问题：当保护位于弱电源侧，选相灵敏度不足。 为了解决这一问题，研究了电压序分量选相元件。文献f 3 3 1 根据比较保护装设处正 序电压故障分量和负序电压的相位关系选相。文献 3 4 】首先根据故障后的功率方向 自动投入不同判据：送端判据或受端判据，然后由接地故障时负序和零序电压的相 位关系实现相区划分。在重叠相区内，由正序电压、零序电压的相位关系区分具体 故障。文献【3 5 】运用模糊逻辑思想将电流电压序分量选相元件有机融合在一起，创 新性的通过故障序分量比相结果所处的故障相区的对比获得更好的选相效果。 随着暂态保护的提出，保护的动作速度得到了很大提升，在利用暂态故障分量 的继电保护和故障测距中，为了保证选相速度，有文献构造了基于暂态故障分量的 选相元件。 3 ) 基于故障暂态量选相 1 9 7 8 年，a s e a 公司的m c h a m i a 和s u b e r l n a l i 提出了基于行波原理的保护装 置，其中利用行波方向元件兼作故障选相元件。文献【1 1 基于电流行波比较原理，通 过比较三相行波电流之差的极性选相。文献【3 6 3 9 】将具有时频局部化性能的小波 变换引入行波信号分析中，通过不同尺度下小波变换来判断行波浪涌。文献【4 0 】提 出了基于模量小波变换能量特征的选相原理，根据各暂态电流模量的小波能量，通 过比较其大小选择故障相。文献 4 1 ，4 2 】利用电压故障分量中的高频成分，提取三相 电压的以不同相为基准的模变换的频域特征，利用模糊集合理论对该特征进行处理 实现故障选相。 4 ) 人工神经网络选相元件 人工神经网络o 心n ) 是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的一种人工智能 技术。它具有分布式存储知识的结构，具有自适应和自组织能力，可将其应用于故 障选相。文献【4 3 】以线路三相电压电流和零序电流的频谱密度为输入，以故障类型 为输出，分别比较了多层前馈神经网络和k o h o n e n 网络在故障选相方面的应用。在此 5 华北电力大学工程硕士学位论文 基础上，文献4 4 1 构造了组合神经网络选相元件，特征向量选用电压、电流的基频 分量以及反映接地故障的零序电流。文献【4 5 】采用前馈神经网络( f n n ) ，为了获得好 的收敛速度，用加动量项的b p 算法对网络训练。特征向量选取三相电流和电压。为 了提高选相可靠性，加了一个后处理单元，只有一个输出值连续三次大于门槛值时 才确定为相应故障。该元件具有非常快的选相速度，可在7m s 内实现选相。但是， 为了保证可靠性，必需极大量的训练样本数据。文献【4 6 】利用故障时产生的高频信 号，通过对前馈神经网络的训练实现选相。该元件具有不受过渡初始角，大接地过 渡电阻和系统稳态情况下操作产生的谐波影响等特点。文献【4 7 】将b p 神经网络和模 糊理论结合在一起，由电流序分量模块( 区分是接地故障和不接地故障) ，相电流模 块1 ( 区分单相接地和两相短路接地) ，相电流模块2 ( 选出具体故障相别) 3 个主要模块 构成选相元件。仿真结果表明在不同系统运行方式下，该元件具有快速，准确选相， 鲁棒性强等优点。 随着小波变换算法的不断成熟，当今的一些学者正致力于利用小波分析这一强 有力的数学工具对行波的特征进行更有效的提取；d s p 技术，更高速采集芯片，g p s 卫星定位系统等在电力系统中应用日趋成熟；光电互感器的出现及发展，光学电压 互感器高频传变能力的提高；人工神经网络、模糊逻辑、粗糙集等人工智能技术在 系统中广泛的应用：人们对故障过程及可能对选相造成干扰的各种现象认识的更加 深入，所有这一切，为解决上述问题提供了美好前景。如何将这些优势更好结合在 一起，以构造超高速且可靠性好的理想选相元件，应引起人们的重视。 1 3 本论文的主要工作 本文以超高压线路保护相关问题为研究内容，在总结前人研究成果的基础上， 主要做了以下工作。 首先，回顾了线路保护方法的发展历程，论述了超高压线路保护的发展现状和 发展趋势，并提出了本文的主要工作。 对于线路距离保护而言，一个最根本的问题在于如何利用电压、电流实现从保 护安装到故障点的距离的测量，其接线方式对保护性能有着非常重要的影响。现有 的单相阻抗继电器，为了准确测量距离采用了零序电流补偿的接线方式，此接线方 式保证了故障相阻抗测量的准确性，但是研究分析表明，采用零序电流补偿的接线 方式，在一些特定故障条件下可能还会带来不利影响，对于非故障相阻抗继电器可 能会发生误动，针对单相故障情况下，非故障相阻抗继电器可能会误动这一问题， 本文进行了详细的分析研究，提出一种新的按相补偿的接线方式，新的补偿方法实 现了零序电流的自适应补偿，既能保证故障相测量的准确性，又能最大程度的避免 非故障相阻抗继电器因为零序电流的影响而误动，明显改善了继电器性能。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 对于7 5 0k v 超高压线路，为提高其传输能力，减小其电压损耗和能量损耗，必 须尽可能地减小输电线路单位长度的电阻和电感，减小漏电导，增大电容，因此 7 5 0 k v 系统输电线都采用多根分裂导线构成相线。输电线路的相与相、相与地之间 都存在分布电容，同时因为其担负着远距离、大容量输电任务，因此对于超高压长 线路，分布电容作用已不可忽略。为了提高模型的精确度，最大程度的降低分布电 容电流对保护的影响，本文从线路的电磁暂态计算模型出发，考虑分布电容对距离 保护解微分方程算法以及纵联差动保护的影响，提出一种新电容电流的解决方法。 利用b e r g e r o n 模型将长线路进行分段，长线路经分段后，利用保护安装处的电流、 电压瞬时值应用b e r g e r o n 方法计算分段点处的电流、电压瞬时值，利用分段点处电 流、电压应用解微分方程算法即可较为精确地计算出线路阻抗。 保护选相问题是超高压线路后备保护研究中的薄弱环节，要保证线路保护在各 种故障情况下、保护启动后的各个阶段都能够做到快速准确的确定故障相仍然是一 个很有 7 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章基于按相补偿的阻抗测量方法的研究 距离保护中，一个最根本问题在于如何利用电压、电流实现从保护安装处到故 障点的距离测量。下面以图2 _ l 所示三相平衡线路为例，分析没有任何分流的线路 区段m g 流过的电流和电压降的关系。 mg a b c 图2 一l 三相平衡线路示意图 设线路每相自阻抗为z ，相间互感阻抗为z 崩，则有： z u 。z2 l z l z 。 z 眦iz t + 2 z m 其中z l f 为线路正序阻抗，z 。，为线路零序阻抗 以a 相为参考相，对于不同序网则有： u 肘1 一u g l + ，l z u u 脚2 一u g 2 + ，2 2 2 f um oi u g o + i o z 啦 则由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 得： u 胁一u j i ，1 + uj i ，1 + u 肼2 一痧白o 。+ 警3 矗) 一痧囟嗍口n + 强矗) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中k 一( z 叫一z ) 3 z u ，由以上的推导过程可知，只要线路区间内没有短路故障， 上式电压表达式恒成立。 由式( 2 6 ) 可得： z 。墼。粤 i4 + k 3 i o i4 + k 3 i o z 巾。当 i 套+ k 3 i o 8 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 式( 2 8 ) 为距离保护进行阻抗测量的基础，其中的零序电流补偿保证了故障 相阻抗测量的准确性，常用的接地距离保护大都是基于上式进行阻抗或距离测量1 4 1 。 2 2 零序电流补偿接线方式的误动分析 对于高压电网，从故障统计数据来看。单相接地故障的几率最高。因此，在微 机保护原理设计中，重视对故障几率较大的单相接地故障时候保护的动作行为分析 具有重大的现实意义。研究分析表明，在某种故障情况下，采用零序电流补偿的接 线方式对于非故障相阻抗继电器可能会发生误动。下面以a 相故障为例，详细分析 故障情况下的非故障继电器的动作情况。 为了分析方便，我们作以下假设：故障前空载，对于非故障相来说，故障前后 电压不变，电流为零，分别对非故障相的方向阻抗继电器和突变量的距离阻抗继电 器进行动作分析。 2 2 1 方向阻抗继电器的动作分析 方向阻抗继电器的动作方程为： 9 0 。s a r g 尘l 一墨2 7 0 。 ( 2 9 ) u o 一( ，o + 3 k j o ) z 磁 为了保证出口故障时方向阻抗继电器的动作可靠性，实际应用中，方向阻抗继 电器的极化电压通常采用记忆电压，在这里，因为我们分析非故障相继电器的动作 情况，且假设故障前空载，所以其极化电压采用相电压。对于方向阻抗继电器，由 其动作方程可以看出，继电器的动作情况主要决定于极化电压和补偿电压之间的相 位关系。对于非故障相而言，u o u o + 3 k ，o ) 捌一u 一觚，o 励 ( 2 1 0 ) 补偿电压的相位很大程度的取决于3 k j o 捌这一项。对于a 相经过渡电阻出口 短路情况下，如果背后系统等值阻抗很小，短路电流很大，此时因为故障电流幅值 很大，因此强，o 删幅值就很大，对于c 相的方向阻抗继电器，u c 与 uc - u 一3k ，o 励之间的相位差比较大，满足( 2 9 ) 动作方程时c 相方 向阻抗继电器发生误动作。 2 2 2 突变量距离继电器的动作分析 突变量距离继电器的动作方程为：i d 垂i l d 叫叫l ( 2 11 ) 其中痧o 。痧。一( j o + 觚j b ) 倒；l 公d 叫0 1 1 爿故障箭补偿电压的幅值，大小约为 额定电压。 在a 相接地故障情况下，因为故障前空载，所以u c 。0 ，j c 一0 。因此c 相的 动作量为：l 痧c l = i d c 一( j c + 疆j 。) 黝l i 疆j 。黝l ( 2 一1 2 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 当1 3 k j 。劂l i 痧喇1 时，满足动作方程，从而导致非故障相误动。 下面在电压平面上分析以上距离继电器的动作情况，对于a 相经过渡电阻短路 时候的电压相 u n 、0 ， 弋 净f _ c i 腻 v 一3 k ，o 刊u 。d 6 n z d 图2 2 出口a 相故障短路接地的电压相量图 a 相短路接地，根据复合序网可得： ，置l 一，置2 一，量。一e 爿( z o + z z l + z z 2 + 3 r g ) 一，3 ( 2 1 3 ) 由此j ，落后壹4 的角度为：9 口，c 增! l 竖生三l ( 2 1 4 ) + ，2 + r 0 + 强暑 当题发生变化时，故障电压相量末端落在以彳为弦的圆弧上。因为假定故障 前空载，所以有e _ - u 。i q 。非故障相继电器的动作情况分析如下： 对于非故障相c 相来说，由于过渡电阻的存在，使得故障电流幅值变小，从而 会使其极化电压和补偿电压之间的相位差变小，但过渡电阻的存在同时会使故障电 流和故障前a 相电压之间的相位差变小，因此过渡电阻的影响还要针对具体系统情 况进行分析。对于非故障相c 相，图中大圆以外即为c 相突变量阻抗继电器的动作 区，因为觚，0 2 磁的影响，短路电流越大、整定阻抗越大，c 相继电器的补偿电压 和极化电压之间的相位差也就越大。由相量图可知，如果当3 k j o 黝很大时，就有 可能使得u c 位于动作范围之内，从而导致非故障相突变量距离继电器误动。 以上分析表明，对于非故障相，在某些故障情况下，觚，o 捌的存在可能会给 保护的动作带来不利影响，因此，希望能够找到一种零序电流补偿方法，对于故障 相能够准确测量故障距离，对于非故障相能够最大程度的减小故障零序电流补偿所 带来的负面影响。基于以上思路，并根据故障相量的特征，本文提出了一种新的按 相补偿的阻抗测量方法。 2 3 新的按相补偿阻抗测量方法 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 本文提出了一种新的按相补偿的阻抗测量方法：z 巾；竺l ( 2 一1 5 ) i m + m 套k 3 i q 其中m o l ，一，一= 朋缸，而，尼) 即为相电流幅值最大值。 对于故障a 相，其相电流幅值最大，对应故障相补偿系数朋巾。生：等；1 ， 呲 口 rr 保证了距离阻抗测量的准确性。对于非故障相，其补偿系数，l o - 手l 一等 l z 啊l ， j 叫 其中z m 为按相补偿方式下的测量阻抗；z m 为原接线方式下的测量阻抗。由此可见， 对于非故障相，阻抗幅值不会变小，保证了采用按相补偿的接线方式后不会带来负 面影响。 2 3 1 基于按相补偿的阻抗测量方法的特性分析 2 3 1 1 单相接地故障 以a 相接地故障为例，在保护安装处有： fi a i l + 1 2 + i o | c l l n + c 2 ik 2 + c o i k o l ，口一口2 j l + 口，2 + ，o 一口2 c i ，n + 口c 2 j 七2 + c o ，i o ( 2 一1 6 ) l ，c 一口，1 + 口2 ，2 + j o 一口c i ，七l + 口2 c 2 j 七2 + c o ，t o 其中，、j b 、j c 为保护安装地点的三相测量电流；，- 、，z 、，o 为保护安装地点的测 量电流序分量：，置l 、，磁、，置。为故障支路的电流序分量；c 1 、c 2 、q 为保护安装地点 的序分量分配系数。 当发生a 相接地故障时，a 相为特殊相，故障支路存在，n 一，i z j m 由( 2 1 6 ) 可得： i ib ic ( 2 c l + c o ( c l + c o lk q ，七o ，七o 1 1 ( 2 1 7 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 且 ”老= 小 ( 2 1 8 ) 对上式进行分析，c 。与c o 大小差别不是很大时，按相补偿的效果比较明显，当 c 1 一c 。时，棚口= 朋c = 0 ，按相补偿的效果最好；在弱馈情况下，当c 。一0 时， 小丑= 胁c 一1 此时按相补偿方式与原补偿方式一样。由此可知s 咖口；m cs 1 ， m 矗、胁c 与l 畈的关系如图所示。 m 口，肌c 1 o 0 5 o c o c 1 图z 一3 a 利馁地故障时，m 口，朋c 与c o c l 关系图 2 3 1 2 两相