（电力系统及其自动化专业论文）基于能量法的超高压输电线路保护.pdf

浙江大学博士学位论文p i i a b s t r a c t t h e e n e r g y - b a s e dr e l a yi sab r e a k t h r o u g ho ft h ec o n c e p t i o ni nt r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o n b a s e do n t h ee n e r g yo f t h ef a u l ta t t a c hs t a t e t h er d a vc a nd i s c r i m i n a t et h e f a u l td i r e e t i o n c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lt r a n s i e n td i r e c t i o n a lr e l a y , w h i c hc a nn o t h o l dt h ec o l t e c td i r e c t i o nf o r l o n gt i m e t h ee n e r g y - b a s e dr e l a yc a nr e s o l v et h i s p r o b l e md u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o ft h e u l t r a - h i g h - v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，s o m eq u e s t i o a s a r e d e e p l y s t u d i e d t h ea e h i e v e m e n ti sa s f o l l o w i n g ： 1 p r e s e n tt h ep a t c ho ft h er e l a y i n gt h e o r yw i t ht r a n s i e n te n e r g y s o l v et h ez e r o c r o s s i n gp r o b l e mu n d e rt h ei n d u c t a l i c ed o m i n a t e dp o w e rs y s t e ma n di m p r o v et h e r e l a y ss e n s i t i v i t ya n ds e c u r i t y 2p r e s e n tan e ws w i n gf r e q u e n c yt r a c e m e t h o d a p p l y i n gt h i s m e t h o dt o e x t r a c tt h ef a u l tc o m p o n e n t s ，t h eu n b a l a n t eo u t p u tc a nb er e d u c e dp a l p a b l ya n dt h e s e n s i t i v i t vo ft h et r a n s i e n t o n e r g yb a s e d d i r e c t i o n c o m p o n e n t c a l lb ei m p r o v e d o b v i o u s l yd u r i n g t h ep o w e r s y s t e mo s c i l l a t i n g 3p r e s e n tan e wc o r r a l a t i v ed i s t a n c er e l a yf o rc l e a r i n gs o m es e r i o u sf a u l t si n u l t r a - h i g h - s p e e dw i t h o u tc o m m u n i c a t i o n t h el o g i ca n d 0 f t h ee n e r g yb a s e dd i s t a n c e r e l a y , t h ec o i t e l 砒i v ed i s t a n c er e l a yc a nc l e a rt h ef o r w a r d s e r i o u sf a u l to nt h e c o m p e n s a t e l i n ew i t h o u t r e d u c i n gt h ep r o t e c t i o ns c o p e 4 a f t e rs t u d y i n gt h em e a s u r e m e n ti m p e d a n c ed u r i n gt h ep o w e rs y s t e ms w i n g ， p r e s e n tt h r e en e ws w i n g b l o c k i n gm e t h o d s ：s w i n g d e t e c tm e t h e 正i m p e d a n c e - c h a n g e - d e t a c tm e t h o da n di m p e d a n c e c o m p a r em e t h o d t h es c h e m eb a s e do nt h e s em e t h o d s c a nf r e et h e b l o c k i n gr a p i d l yf o rm o s tf a u l t s 5t 0r e s o l v et h ed e f e e t so f t h ec u r r e n tf a u l tc o m p o n e n t sp h a s es a l e e t o ra n dt h e c l l r r e n t s e q u e n c ec o m p o n e n t sp h a s es e l a c t o ru n d e rs o m et r a n s f e rf a u l t a n ds o m e f l y o v e rf a u l t ，p r e s e n tt h ev o l t a g ef a u l tc o m p o n e n t sp h a s es e l e c t o ra n dt h ev o l t a g e s e q u e n c ec o m p o n e n t sp h a s es a l e c t o r o nt h ea d v a n t a g eo ft h e s ec o m p o n e n t s ，an e w s c h e m eg a v eo u tf o rt h eu l t r a - h i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e 6 a c c o r d i n gt o a b o v ea c h i e v e m e n t s ，p r e s e n tan e ws c h e m ef o ru l t r a - h i g h - v o l t a g e 仃a n s m i s s i o nl i n eb a s e do nt h er e l a y i n gt h e o r yw i t ht r a n s i e n te n e r g yt h e r ea r e a l s os e v e r a ln 删v i e w p o i n t sa b e u tm ei m p e d a n c eo p e r a t es c o p e t h ec o u n t e r m e a s u r e w h i l ep tb r e a k so f f , t h ed i r e c t i o ni u d g e m e n tf o rt h ec o m p e n s a t i n gl i n ea n dt h ec i r c u i t s e l e c t i o nf o rt h ed o u b l e c i r c u i t k e y w o r d s ： u l t r a - h i g h - v 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 n t h ee n e r g y - b a s e d r e l a y s w i n gf r e q u e n c y t r a c e s w i n g b l o c k i n g p h a s e s e l e c t o r 浙江大学博士学位论文p1 o 1 课题的意义 绪论 快速切除故障是提高电力系统暂态稳定最基本、最有效的措施，也是 其它安全措施得以发挥作用的前提条件。在一般的系统情况下，加速切除 故障对提高极限送电水平的作用随着电网结构与电厂在系统中所处的位置 而异，但对于要求传输大功率的长距离线路和弱受端系统效果特别突出。 我国电力系统的实践说明，有的系统仅加速了电厂出口附近的短路故障切 除时间，就取得了保持三相短路后的暂态稳定性；有的系统在适当加快故 障切除时间的同时，取消了原来需要的电气制动，同样取得了良好的暂态 稳定效果。我国某2 2 0 k v 送电线路稳定计算表明1 1 53 1 ，切除近端故障的时 间由01 2 秒缩短到01 秒就可以替代1 0 0 兆瓦负荷，可见效果之大。根 据国外某电力系统的计算”，如果使故障切除时间减少一个周波，就可 以提高传输功率约2 0 万千瓦。 此外，快速切除故障除去保证系统稳定运行以外还会带来许多其它有 益的效果。例如，可以减轻设备的损坏和提高自动重合闸的成功率等。因 此，研制采用安全可靠的超高速继电保护，以缩短故障切除时间，能给电 力系统带来巨大的经济效益，也是继电保护学科一直所关注的课题。 目前输电线路所广泛使用的传统保护是反映工频电气量的，由工频电 压、电流或二者的组合来进行故障判断。但由于在故障发生后的暂态过程 中，故障电压和电流含有丰富的非工频分量，会影响传统保护的精度。这 些暂态非工频分量包括： 1 、由故障电压突变引起的频率为数千赫兹的高频分量，这些高频分 量主要由电压突变量行波在输电线路上传播和反射形成。由于线路的集肤 效应，这种高频分量衰减较快； 2 、频率为数百赫兹的高频分量。这些高频分量是由整个系统等效电 感和等效分布电容之间引起的暂态振荡分量。振荡主频由电感和电容参数 决定，衰减参数主要由线路阻抗角决定。对于超高压长距离线路，主频相 对降低，而衰减常数增大； 3 、由于线路电感电流不能突变而引起的衰减的非周期分量，衰减常 数由线路电感和电阻的比值决定。对于超高压线路，衰减时间常数较大a 4 、对于并联电抗器的输电线路，并联电抗和线路分布电容之间会产 生低频分量；对于串补线路与线路电感之间也会产生低频分量。 上述这些次暂态分量通过电压互感器和电流互感器时，还会产生二 次暂态过程。例如，电流互感器饱和时的电流波形严重畸变：在采用电容 式电压互感器时，将会出现二次电压不能及时跟随一次电压变化的情况， 例如当一次电压突然降至零时，二次电压将延时经振荡衰减至零。 要消除暂态分量的影响，必须采用滤波技术，从畸变波形中滤出工频 分量。但滤波理论表明，必须要有足够时间长度的信息量才能滤出精确的 工频分量2 1 ，也就是说采用滤波器以后，会给保护的动作带来延时，延 时的长短与采用的滤波器有关。另一方面，如果频率与工频越接近，滤波 浙江大学博士学位论文p 2 难度就越大。对于超高压输电线路，由行波产生的数千赫兹的高频分量， 由于衰减快，频率高，一般对保护的影响不大；对于由线路电感和分布电 容引起的高频分量，线路长度越长，谐波频率越低；对于非周期分量，其 频谱中除了直流分量外，还含有丰富的低频和高频分量，这些都增加了滤 波难度。研究表明，对于超高压长距离线路，要获得较理想的滤波效果， 其延时总要在一个工频周期左右，也就从本质上限制了传统保护方式的动 作速度。 上述问题促使了对故障暂态分量本身的研究。故障暂态分量是由故障 点电压变化引起的，与故障位置和系统结构有着本质上的联系。其中包含 的一些特征量能够反映出故障方向和故障位置等特性。利用这些特性构成 的继电保护使暂态分量成为有用的信息，对于滤波的要求很低，因此从本 质上解决了保护的动作速度。本课题在己提出的能量方向保护 1 6 5 基础 上，进一步完善并付之实施，以期形成一套完整的利用故障分量的高速保 护装置。 0 2 超高速输电线路保护的发展历史 利用故障暂态分量进行电力输电线路故障辨识的尝试至少可追溯到五 十年代。1 9 5 7 年文献【1 1 报道了利用故障行波在输电线路的反射进行故障 探测的试验。l nw a l k e r 和他的同事们在6 0 年代末提出了一种非常规的 保护方法【4 1 ，并进行了一些试验。他们通过计算机仿真计算，发现故障暂 态分量中高次谐波分量的频率与故障距离成反比，由此建议通过计算高频 分量的频率来实现距离保护。暂态分量与系统和故障类型有很大关系，而 实际系统又非常复杂，因而使保护的整定非常困难，另外，若系统背后存 在其它分支线路，暂态分量的频谱中会同时存在几个极大值，其中只有一 个与故障距离有关。因此这种方法在理论上不完善，没有获得实际应用。 实用的输电线路超高速保护原理是7 0 年代末开始发展的。至今已在方向 保护，差动保护上获得了应用，在距离保护方面也进行了理论探讨。 1 9 7 7 年，t a k a g i 等人研制了行波差动保护装置【2 1 2 k 【2 ”。利用行波 代替线路电流，消除了线路分布电容的影响，从而使保护的动作速度和灵 敏度都得到了提高。关于行波差动保护进一步的研究报告报道得很少。 利用故障暂态量实现距离保护的研究还处于理论研究阶段，主要是通 过测量故障行波在线路故障点反射后传播到保护装置点的时间来计算故障 距离。行波距离保护原理需解决的关键问题是如何从故障行波的复杂波形 中辨识出故障点的反射波。有多种识别方法，比较成熟的是p a c r o s s l e y 提出的相关系数法h ”。相关系数法通过记忆某段时间的故障行波波形， 再与以后行波进行相关计算。当该行波在故障点的反射波到达时，由于入 射波与反射波形状相似，故相关系数达到极大值。以后c h r i s t o p o u l o s 等 人利用这个技术研制了实验样机1 7 “。这种方法在多相系统中，要受到远 端母线的行波穿越故障点后引起波形混乱的影响。近年来，开始利用小波 变换实现行波距离保护的研究，但目前还没有较完善的方法。 在输电线路超高速保护中，方向保护的进展最大。1 9 7 8 年c h a m i a 和 l i b e r m a n 研制成功第一台行波方向保护装置 2 ”。它利用电压和电流故障 浙江大学博士学位论文p3 分量的初始极性判别故障方向，动作时间达到2 4 m s ，大大超过了常规 方向保护，引起了人们的极大兴趣。同年，d o m m e l 等人也提出了一种故 障行波函数判别方式的方向保护原理1 2 5 1 ，该方法采用故障行波及对时间 的导数构成一个行波方向判别函数，使电压过零附近短路时保护的灵敏度 得到了提高。m a n s o u r 和s w i f t 对d o m m e l 的工作进行了进一步的样机， 并研制了一套多c p u 结构的数字式试验样机【5 ”。1 9 8 1 年，mv i t i n s 提 出了一种超高速方向保护原理【3 。通过观察a u r a i 平面上故障轨迹，根 据故障的初始轨迹所处的象限来判别故障的方向。这个原理与c h a m i a 的 行波极性比较方式有点类似，只是更多地利用非行波分量，使正确方向极 性维持更多的时间，并用一个菱形的整定区来躲过电压过零前短路时， u 、i 极性很快翻转而引起保护误判的问题。fe n g l e 、oel a n g 等人 发展了m ，v i t i n s 的方法1 4 ”，用故障分量中电流和一个复阻抗的乘积代替 r a i ，当系统等效阻抗与复阻抗相等时，其稳态轨迹是一直线，也就是说 保护能长期保持正确的方向性。但该方向受谐波的影响比较大，由于保护 动作很快，要滤除谐波是困难的，故只能通过定值和适当的延时来躲过谐 波的影响。a ，t j h o n s 等人稍后提出了类似的原理”“，并在提高保护安全 性的措施以及保护的快速复归问题等方面也进行了研究。ks p r a k a s h 在 超高速方向保护计算方面做研究【7 9 1 ，提出了幅值比较方式的方法判别 式。据该文作者的仿真计算结果，保护的灵敏度比极性比较方式要高。 上述各种方向保护原理都不能保证故障期间方向性保持不变。所以只 能通过定值或延时的办法来防止误判。这不但降低了保护的灵敏度和动作 速度，而且影响了保护的安全性。这是超高速方向保护存在的主要问题。 o 3 论文的主要工作 针对输电线路超高速方向保护存在的问题，早在9 4 年本课题组提出 了用故障分量能量函数构成的方向保护新方法【l ”】。该方法在理论上解决 了以前的超高速方向保护原理不能长期保持正确方向性这一主要缺点。目 前，本课题组正在研制基于能量方向保护的数字式超高压线路成套保护装 置。本论文的主要工作是结合该项目，将能量方向保护应用于实践，并对 超高压输电线路保护中的其它一些重要问题进行深入研究，主要有以下几 个方面： 1 、故障分量能量函数的基本原理就是根据叠加原理分离出来的故障 系统为一单激励网络，故障系统中所有元件吸收的能量均由唯一的假想电 源来提供，因此只要根据测量点能量的方向性就可以判断出故障点的方 向，并且在理论上就决定了方向的恒定性。但对于电感占优的实际系统， 由于电感储存的能量同电流的平方具有相同的变化规律，因此当假想电源 在系统中产生的电流过零点时，能量函数的幅值近似等于零，此时方向元 件的裕度较小。为此，本文提出了将能量函数再次积分，从理论上消除了 故障时能量函数的过零点问题，进步提高了能量方向保护的灵敏度和安 全性。对于故障分量的求取，传统的办法是将故障后的信号减去故障前一 周波的信号。但这种提取方法的前提是信号频率为工频。对于正常情况下 频率偏移工频的信号，用上述方法提取的故障分量显然是不精确的，严重 情况如系统发生振荡，此时有可能导致能量方向的灵敏度很低。为此，本 浙江大学博士学位论文p4 文对故障分量的提取方法进行了深入的研究，提出了一种自适应的故障分 量提取方法。仿真结果表明，采用自适应的故障分量提取方法，能大大提 高振荡时能量方向保护的灵敏度。 2 、能量方向保护的整组动作时间要受到通道延时的影响。对于目前 广泛采用的高频载波通道，为了清除通道干扰的影响，需要带一定的延对 1 0 s l ，影响了纵联保护的整组动作时间。一些近端故障，特别是出口故 障，对整个系统的稳定运行影响很大，需要尽快切除。本文提出了不依赖 于通道信号的快速保护原理，由相关距离元件和能量距离元件构成。相关 距离元件采用相关技术来躲避系统暂态分量的影响，不需要滤波；定值采 用反时限系数，大大提高了出口处故障时保护的动作速度，同时又能保汪 区外故障时可靠不动作。该方法的另外一个优点是在串补线路中不需要缩 小整定值，保护范围不受影响。 3 、振荡闭锁一直是超高压输电线路保护的重要问题。国内传统的方 法是在短路发生后利用故障检测元件迅速短时开放保护【l 3 0 l ，过后就实现 闭锁直到各种保护元件返回，并确认振荡己结束为止，于是振荡c 酲锁装置 整组复归，准备下一次再动作。这种逻辑可以有效地在暂态稳定破坏时实 现对保护的闭锁，但在振荡闭锁期间发生区内故障时保护将拒动。近年 来，对振荡闭锁期间距离保护再开放的方法进行了较深入的研究，有多种 方法”5 l ，【1 4 5 1 ，【1 5 6 】，【1 6 3 】，【“7 1 在微机线路保护装置中获得应用，但各种方法均 存在缺陷，至今无理想的方法。本文对系统振荡时测量阻抗的变化规律， 特别对如何避免振荡结束前第一个同步周期内距离保护的误动问题，作了 深入的研究，提出三种振荡闭锁新方法：振荡检测法、阻抗变化检测法和 阻抗比较法。 振荡检测法主要是根据各个回路的测量阻抗变化律来判别振荡闭锁期 间系统是否真正发生振荡。由于随着电网的不断增强，振荡机会已经很 少，因此保护经过短时开放进入振荡闭锁后，绝大多数情况实际系统并没 有发生振荡，而现有的各种振荡闭锁方法对保护动作速度和灵敏度的影响 都较大。因此若用振荡检测法实时判断系统是否真正发生振荡，可以大大 提高保护的性能。 阻抗变化检测法根据测量阻抗最小变化率来开放振荡时发生的故障a 由于对测量阻抗最小变化率的判定采用了新的技术，同传统的根据电气量 的变化来开放振荡闭锁的方法相比，该方法具有更快的动作速度。 阻抗比较法采用零序和负序分区判别和辅助阻抗比较相结合来开放距 离保护。与广泛采用的i 。+ i ： m i ，等利用系统不对称开放保护的方法”1 相比。本文提出的方法在高阻接地时能可靠动作，同时在本线路或相邻线 路非全相运行时也能正确动作。 4 、故障选相是超高压输电线路保护装置中的一个重要元件。目前广泛采用 的选相元件有阻抗选相元件1 、对称分量选相元件“5 1 “l ，【1 7 3 】和反应两相电流 差的突变量选相元件“l i l 7 ”，在转换性故障、同杆并架线路的跨线故障、弱馈 线路的故障选相等方面还存在较多的问题。本章提出了电压突变量和电压序分 量的新的选相方法，成功地解决了上述问题。 5 、提出了超高压纵联保护和距离保护完整的方案，并在方案中就串补线路 阻抗继电器的处理、合闸与故障线路保护、p t 断线时的保护等方面提出了新的 思想。 浙江大学博士学位论文p5 本论文主要有以下几章构成： 第一章针对能量方向保护基本原理在电感占优系统中的过零点问 题，提出了将能量函数再次积分的实用判据，进一步提高了能量方向保护 的安全性和实用性。根据电力系统故障信号的特点，提出了一种新的故障 分量提取方法，大幅提高了振荡时能量方向元件的灵敏度。 第二章研究了不依赖于通道信号的快速保护，提出了能以特高速 切除近端严重故障的相关距离继电器；由相关距离继电器和能量距离 “与”门输出，构成了一种适合于串补线路保护的快速距离保护。 第三章分析了振荡时测量阻抗的变化律以及振荡伴随故障时测量 阻抗的变化轨迹，提出了三种新的振荡闭锁方法。结合三种方法构成的振 荡闭锁新方案，能够快速切除振荡闭锁期间的区内故障，并有效地防止系 统纯振荡及振荡中发生区外故障时保护的误动。 第四章提出了一种振荡频率跟踪新方法。应用这种新方法，大幅 减小了第一章提出的故障分量提取方法在振荡时的不平衡输出。 第五章针对电流突变量和序分量选相元件在转换性故障和跨线故 障时的局限，提出了基于电压突变量和电压序分量的选相新方法。最后结 合各种选相元件的优缺点，给出了适用于高压线路的突变量选相方案和稳 态选相方案。 第六章结合前面几章提出的新的理论成果，提出了一套超高压线 路保护的新方案，并在阻抗动作特性、p t 断线时的保护方法、串补线路 的故障方向判别，以及同杆并架线路的选跳问题等方面提出了新的方法和 观点。 第七章对论文的结论进行了总结。 浙江大学博士学位论文p 6 第一章能量方向保护 本章在系统阐述故障分量能量函数的基础上，针对其中存在的过零点 问题提出了相应的改进形式，并给出了能量方向的实用判据。根据电力系 统故障信号的特点，提出了一种新的故障分量提取方法，该方法能大幅提 高振荡时能量方向元件的灵敏度。最后，通过大量仿真计算分析了能量方 向保护的在系统各种运行方式下的特性。仿真结果表明，能量方向保护不 受暂态过程和串补电容电流的影响，包括振荡在内的各种运行方式下均能 长期保持正确的方向性，并且具有很快的动作速度。 1 1 故障分量能量函数的基本原理1 1 6 5 1 根据叠加原理，系统发生故障后可分解成正常系统和故障分量系统。 图1l 表示线路正方向短路时的故障分量系统。f 为故障点，p m 、p n 为系统 等效无源网络，i 、u 为线路故障电流分量和故障电压分量。 由图11 知，故障分量系统是一个单激励网络，故障前系统初始值为 零，故障时( t = o ) 在故障点上突然加上个假想电源u ，( o ) 。令 吾。( t ) = 斧_ d t ( 11 ) 显然，s 。( t ) 为一u f ( o ) 向p m 提供的能量，设s m ( t ) 为p m 在故障后所吸收 的能量。考虑到i 的参考方向，有 s 。( t ) = 一s p m ( t )【12 ) 由于p m 是初始值为零的无源网络，它只能吸收能量，故有 s p = ( t ) 0 ，s 。( t ) 0( 13 ) 图12 为线路反方故障时的故障分量系统。此时， s 。( t ) = s x ( t ) + s p n ( t ) ( 14 ) 其中s 。( t ) 、s 。( t ) 分别为线路和r 从系统中所吸收的能量，显然 s 。( t ) 0( 15 ) 本文称s 。f t ) 为l i t 点的故障分量能量函数 对于线路n 端，同样存在能量函数s 。( t ) 。对于正向故障系统，有 图12 反方向故障时的故障分量系统 f i g 1 2a b a c k w a r df a u l tc o m p o n e n t 剐s t e m 浙江大学博士学位论文p7 s 。( t ) = 一s p ( t ) ，s 。( t ) s 0 反向故障系统，有 s n ( t ) = s x ( t ) + s p m ( t ) ，s n ( t ) 2 0 综上所述，能量函数s 。( t ) 有如下性质： = 0无故障 琵( t ) 0 正向故障 j 0 反向故障 当线路负荷电流中除纯基波分量外， 想的故障分量i 与噪声分量i ，之和： i ：i + 。 ( 16 ) ( 17 ) ( 18 ) 还存在其它噪声时，将是理 顺便指出，i 。是指正常负荷分量中的噪声。 在i 中，不属于i 。 u 的计算与i 相同，同样u 也可表示成 a u ：a u + a u 。 ( t9 ) 故障后的暂态分量包含 ( 11 0 ) 将式( 1 9 ) 、式( 11 0 ) 代入式( 11 ) ，得 s m ( t ) 2 j 。a u a i d t j “u w a i d t j 。j u i w d t + j t u w a 7 w d t ( 1 11 ) 其中i w 、u w 不能直接测量，但由于故障前( t o ) i ( t ) 、a u ( t ) 中含 有噪声_ 。和i 。，并且i 。、u 。在一周波内的变化很小，故可以通过 故障前a i ( t ) 、a u ( t ) 来估计。设i 。、u 。为i w 、u w 的估计值，本文取 a i 。= 15 m a x l a i ( t 一九) i( 11 2 ) t ，2 3 ，2 t a u 。= l5 m a x l a u ( t 一九) j( 11 3 ) t ，2 0 、 s s h 【t ) 0 ，因此有 陆删一l 墨。删= k ( t ) ( 12 5 ) 由此可得，反方向侧能量函数的积分大于正方向侧能量函数的积分， 两者之差为被保护线路所消耗和存储的能量的积分。因此，反方向侧保护 的方向元件的灵敏度高于正方向侧方向元件的灵敏度，符合方向元件保护 灵敏度配合的要求。 对式( 1 1 8 ) 两边进行积分，有 s s 。( t ) 一s s ( t ) s s m ( t ) s s m ( t ) + s 。( t ) 其中， s s 。( t ) 2 上s m ( t ) d t s s d z ( t ) 2 上s d z ( t ) d t 对应的，基于能量函数积分的方向保护的实用判据为 s 。( t ) + s 。d z ( t ) 0 判定反向故障 1 3 故障分量的提取方法 ( 12 4 ) ( 12 5 ) ( 12 6 ) ( 1 2 7 ) ( 12 8 ) 故障分量u 、i 是不能直接测量的，必须通过某种技术进行提取。 以i 为例，目前主要有以下四种方法”： i ( t ) = i ( t ) 一i ( t t ) ( 1 2 9 ) a i ( t ) = i ( t ) 一2 i ( t t ) + i ( t 一2 t ) ( 13 0 ) i ( t ) ( 1 3 1 ) i ( t ) = i ( t ) + i it i tl i ( t t ) 一i lt 一等l ( 13 2 ) 二 上述四种方法对于故障分量的提取，都是基于正常运行情况下电流为 纯基波分量。当实际电流不符合此假设时，i ( t ) 就会存在误差。即使系统 没有发生故障，i 也有不平衡输出。引起误差的因素各种各样，主要有 负荷的变化、谐波、系统频率的偏差及振荡的影响等。其中系统振荡时对 于计算i 的影响最大。相比之下，在系统振荡时上述第四种方法的不平 衡输出最小”，但即使是这种方法，在快速振荡时仍有较大的不平衡 量，使能量方向( 包括其它的暂态故障分量保护) 的灵敏度大大下降。为 此，本文提出了一种新的故障分量提取方法 i ( t ) ：i ( t ) + i i t 一导h t 一导 + i f t 一半1 ( 13 3 ) 其中t l = 、t 2 = ，f l 、f ：为振荡电流中的两个不同频率分量。 i i1 2 对应的传递函数 浙江大学博士学位论文p1 0 h ( 0 0 = l + e3 。五7 2 + e j 。t 2 7 2 + e 一扣( 丐。t ：】7 2 h ：0 + e 1 呱”x l + e 巾驯) h ( o ) = 4 c o ( - 警- 3 c 。s ( 爿e - j 掣 幅频特性为 删：4 | c o c 。 ( 1 3 4 ) ( 13 5 ) o23456 图13 幅频特性 f i g1 3 a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r i e t e r i s t i e 图1 3 为新的故障分量提取方法在f j = 4 5 h z 、f 2 = 5 5 h z 时的幅频特 性。显然，如果能正确估算振荡频率，i 在振荡时的不平衡输出为零。 系统没有发生振荡时，提取效果同式f 13 3 ) 所表示的提取方法相同。 这种故障分量提取方法的关键技术是如何实现对于系统频率和振荡频 率的实时检测，检测方法将在第四章论述。 电压故障分量的提取方法同电流一样。 1 4 能量方向保护的特性分析 臭：昌- l d足 ( 沙f 占盆l ，曰色广- 一u s m = 1 0 0 0 0 m v a s n 2 1 0 0 0 m v a 线路参数：r o = o 1 9 n k i n r 1 = o 0 1 8 0 k m l o = 3 4 5 6 m h k m c o = 0 0 0 7 1 旷k m c i = 0 0 1 1 3 斗f k m l t 5 0 9 3 6 m h k m 图14仿真模型 f i g l4s i m u l a t i o nm o d e l 为了考察能量方向保护在各种故障条件下的特性，用e m t p 程序进行 了仿真计算。系统模型如图l4 所示。l 1 为被保护线路，s 。= 1 0 0 0 0 m v a ， 浙江大学博士学位论文p1 1 系统容量较大，s 。= 1 0 0 0 m v a ，是一个小系统。线路采用三相完全换位的 分布参数模型，线路长度为3 0 0 k m 。仿真结果如图1 5 图11 1 所示。图 中s 。、s 。分别表示l i 线路m 侧和n 侧的能量函数，s 。、s s 。则为对应的积 分。 图15 为l ，线路2 5 0 k m ( 相对于m 点，下同 短路时电压和电流波形，s 。 的波形如图1 6 ( a ) 所示。由于是正向故障，s 。始终小于零。s 。的变化趋势 与电流变化近似，在i 过零附近l s 。i 达到最小值，s 。趋向于零但不会大于 零。对于其它故障，也存在此现象，说明在电感占优的系统中s 。的大小 取决于系统电感中所贮存的能量。由于正方向故障，能量函数始终小于 零，因此其对应的积分为一始终小于零的单调递减函数，如图l6 ( b ) 所 不。 2 e 一 1 ，e - d 3 5e 0 2 0 e 0 0 5e 0 2 王_ e + 0 3 2e + 0 3 5e + 0 3 0e + 0 0 5e + 0 3 1 e + 0 4 2 e + 0 4 2e + 0 4 3e + 0 4 3e + 0 4 8e + 0 0 6 e + 0 0 t 4e + 0 0 2 e + 0 0 0 e + 0 0 2 ，e 0 0 ( a ) 故障电压( b ) 故障电流 ( a ) f a u l tv o l t a g e( b ) f a u l tc u r r e n t 图l5 故障电压和电流( l 线路2 5 0 k m 处短路，p = 9 0 。) 0e + 0 0 一ie + 0 5 2 ，e 0 5 3e + 0 5 4e + 0 5 5e + 0 5 ( a ) 能量函数 ( b ) 能量函数积分 ( a ) e n e r g yf u n c t i o n( b ) i n t e g r a t i o no f t h ee n e r g yf u n c t i o n 图1 6 能量函数及其积分( l ，线路2 5 0 k m 处短路，p = 9 0 。) f i g1 6 e n e r g yf u n c t i o na n d i t s i n t e r g r a t i o n ( s h o r t c i r c u i t ，2 50 k mf r o mt h er e l a ya tl l ，( p = 9 0 。) 浙江大学1 尊士学位论文pt 2 图1 7 示l ，线路2 5 0 k m 短 路时，l ，线路的能量函数。 由于短路点靠近n 侧，线路的 稳态功率方向是从n 侧指向m 侧。但图l7 的结果显示，s 。 在故障开始的一段时间内也 处于反向的状态，以后才改 变符号，这是由于线路分布 电容的充电所引起的，对保 护来说是有利的。图17 的结 果还表明s 。 l s m l ，也就是说反 3 e + 0 4 2e * 0 4 1e + 0 4 0 e t 0 0 一ie + 0 4 2 e + 0 4 图17 能量函数( l 2 线路2 5 0 k m 处短路) f i g1 7 e n e r g yf u n c t i o n ( s h o r t c i r c u i t ，2 5 0 k mf r o mt h er e l a ya tl z ) 向侧的灵敏度高于正向侧。事实上，两者之间有s - - i s 。l + s 。，s x 为线路吸 收的能量。由于s 。 o ，故s 。 s 。a 双回线系统相邻线路故 障切除时，常规功率方向保 护存在功率倒向问题，此时 要将保护延时几十毫秒以防 误动，图l7 和图l8 分别为 线路l ，靠近n 侧短路和断路 器4 跳闸时的能量函数，对于 故障分量方向保护( 包括能量 方向保护) ，短路和断路器跳 8e + 0 2 6 e + 0 2 4e + 0 2 2e + 0 2 0e + 0 0 2 e + 0 2 4e + 0 2 图1 8 能量函数( 断路器4 跳闸) f i g1 8 e n e r g yf u n c t i o nf b r e a k e r4t r i p ) 闸引起的扰动方向是相同的，不存在功率的倒向。但若m 侧断路器先跳 闸，则会产生功率倒向。这个现象与常规功率方向保护刚好相反。若此时 由能量方向元件与常规方向元件构成与门输出，则在区外转区内故障时不 必延时，使保护的动作加快。 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 - 2 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 ( a ) 不考虑振荡频率，提取故障分量 ( a ) e x t r a c tf a u l tc o m p o n e n t s n oc o n s i d e rt h eo s c i l l a t i n gf r e q u e n c y 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 ( b ) 考虑振荡频率，提取故障分量 ( b ) e x t r a c tf a u l tc o m p o n e n t s c o n s i d e rt h eo s c i l l a t i n gf r e q u e n c y 图l9 基于能量函数积分的方向判据( 系统发生振荡且l 。线路2 5 0 k m 处短路) f 培1 9i n t e g r a t i o no ft h ee n e r g yf u n c t i o nb a s e d d i r e c t i o n a ld e t e r m i n a t i o “ ( o s c i l l a t i n ga n ds h o r t c i r c u i t ，2 5 0 k mf r o mt h er e l a ya tl 1 ) 浙江丈学博士学位论文pl3 结合第四章对振荡频率估算的研究成果，取相同的仿真模型，对两端 电源频率随时间变化的振荡系统进行仿真。模拟线路1 ，2 5 0 k m 处三相故 障，故障时的振荡频率为98 赫兹。如图1 9 ( a ) 所示，如果在提取故障分量 时不考虑振荡频率，方向元件启动后，几乎没有正、反方向元件同时满足 条件的动作区域，保护将拒动。估算振荡频率并应用于对故障分量的提 取，此时正、反方向元件的动作情况如图1 9 ( b ) 所示，灵敏度有了较大幅 度的提高。 本文对n = 1 2 、2 0 、 4 0 、6 4 四种采样率下的能量 函数进行了仿真计算。为了 满足采样定理，在模型中采 用了二阶r c 低通滤波器，截 止频率为5 0 0 h z 。结果表 明，能量函数的离散计算误 差很小，具有很好的稳定 性。因此，该原理应用于计 算机保护装嚣时，对硬件要求 低，易于实现。图11 0 示 千s 图11 0 能量函数( n = 2 0 ) f i g1 10e n e r g yf u n c t i o n ( n 3 2 0 ) n = 2 0 时的能量函数s 。离敖计算值，故