（电力系统及其自动化专业论文）输电线微机自适应分相方向电流差动纵联保护.pdf

a b s t r a c t m o r ee x t r a - h i g hv o l t a g e ( e h v ) a n du l t r a - h i g hv o l t a g e ( u h v ) t r a n s m i s s i o nl i n e s w i l l a p p e a r 谢md e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mi nc h i n a s t u d yo fn e wp r o t e c t i o n p r i n c i p l ei sk r li m p o r t a n ta p p r o a c ht oe n s l u eq u i c ka n dc o r r e c ts w i t c h i n go f ff a u l t s a n dt om a i n t a i np o w e rs y s t e m s t a b i l i t y o na c c o u n to f i n f l u e n c eo fc u r r e n t t r a n s f o r m e rs a t u r a t i o na n dd i s t r i b u t e d c a p a c i t i v ec u r r e n t so ft h ep r o t e c t e dl i n e ，g r e a t u n b a l a n c ec u r r e n tw i l lb ep r o d u c e dd u r i n ge x t e r n a lf a u l t sa n dm a k e p r o t e c t i o nt o r e a l o p e r a t i o n ，s ot h a ts o m er e s t r a i n i n gm e a s u r e sm u s tb ea d o p t e d 。t h e r ea r em a n y r e s t r a i n i n gp r i n c i p l e sp r o p o s e d ，b u ta tp r e s e n t ，t h e yc a n t a s s u r es t r o n gb r a k i n g e f f e c t d u r i n ge x t e r n a lf a u l t s a sw e l la sh i g h s e n s i t i v i t yd u r i n gi n t e r n a lf a u l t s t h e r e f o r es o m ep r o t e c t i o n sa d o p tc o m p l i c a t e dr e s t r a i n i n gc h a r a c t e r i s t i co fp o l y g o n a l f o r m ，i tm a k e sp r o t e c t i o nc o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tt os e l e c tp r o p e rs e t t i n g sf o ri t r e s t r a i n i n gc h a r a c t e r i s t i c o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e da d a p t i v es e g r e g a t e d d i r e c t i o n a lc u r r e n td i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o np r i n c i p l ep r o p o s e di nt h i sp a p e rp u t s f o r w a r dan o n l i n e a rr e s t r a i n i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h er e s t r a i n i n gq u a n t i t yi n c r e a s e sw i t h i n c r e a s eo ft h ec u r r e n to fo t h e rs i d e n o n l i n e a r l ya n dw i l lc h a n g ei n t oo p e r a t i n g q u a n t i t yd u r i n gi n t e r n a lf a u l t s t h i sa s s u r e ss u f f i c i e n ts e c u r i t yd u r i n ge x t e r n a lf a u l t s a n ds e n s i t i v i t yd u r i n gi n t e r n a lf a u l t sa n dr e s o l v e st h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m t h i s p r i n c i p l ei so r i g i n a la n df i r s t l yp r o p o s e di n t h i sp a p e r v a l u e so fr e s t r a i n i n gf a c t o r k k ti nt h i sp r i n c i p l ec a nb es e l e c t e da sa n yb i gv a l u e sw i t h o u ta n yr e s t r i c t s a tt h es a n l et i m e ，i n c r e a s eo fr e s t r a i n i n gq u a n t i t yd o e sn o t i m p a c to ns e n s i t i v i t y d u r i n gi n t e r n a lf a u l t s ，j u s tt h ec o n t r a r y , i ti n c r e a s e sp r o t e c t i o ns e n s i t i v i t y i nt h i s p a p e rt h ec r i t e r i o na n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi ta r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h o t h e rp r i n c i p l e si nd e t a i l t h ec o m p a r i s o ns h o w st h ea d v a n t a g eo ft h en e w p r i n c i p l e m a n ys i m u l a t i o ns t u d i e so ft h ep r o t e c t i o no ne h va n du h vt r a n s m i s s i o nl i n e s 5 0 0 k va n d7 5 0 k vs h o wt h ec o l t e c t n e s sa n da d v a n t a g eo f t h en e w p r i n c i p l e am i c r o p r o c e s s o r - b a s e ds e g r e g a t e dc u r r e n td i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o np m g r a r n h a v eb e e nw o r k e do u tb a s e do nt h en e w p r i n c i p l e t h i sp r o t e c t i o n w i l ln o tm a l 一 一o p e r a t ed u r i n gc tc i r c u i tb r e a k i n ga to n es i d e ，a tt h es a m et i m et h ep r o t e c t i o na tt h e o t h e rs i d ew i l ln o ts t a r t ，s o t h e p r o t e c t i o nw i l ln o tm a l o p e r a t ea saw h o l e t h e p r o t e c t i o nc a r lb eb l o c k e dw i t hat i m ed e l a yb yu s i n gt h ec o m m u n i c a t i o n c h a n n e l f o rt h ep u r p o s et op r e v e n tt h ep r o t e c t i o nf r o mm a l o p e r a t i o no w i n gt oe x t e r n a lf a u l t s i nt h ep r o t e c t i o np r o g r a mt h r e ew o r k i n gm o d e sa l ec o n s i d e r e ds u c ha so u t p u tt r i p p i n g c o m m a n d t h r o u g ha n dg a t e ，o rg a t eo ft r a n s f e rt r i pb yc o m m u n i c a t i o n c h a n n e li n o r d e rt oi n c r e a s er e l i a b i l i t ya n dt h ef l e x i b i l i t y t h ep r o g r a mi sd e v e l o p e db a s e db o t ho ns a m p l e dv a l u e sa n do np h a s o r su s i n g t h i sn e w p r i n c i p l ed i r e c t i o n a lo v e r c l 2 t t e n tp r o t e c t i o no f z e r o s e q u e n c ew a s u s e da s b a c ku pp r o t e c t i o n ，i te n s u r e ss u f f i c i e n ts e n s i t i v i t yo fp r o t e c t i o nd u r i n gg r o u n df a u l t t h r o u g hh i 曲i n t e r m e d i a t er e s i s t a n c e s k e yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，p r o t e c t i o nf o rt r a n s m i s s i o nl i n e s ， s e g r e g a t e dc u r r e n td i f f e r e n t i a lp i l o tp r o t e c t i o n ，r e s t r a i n i n gc h a r a c t e r i s t i c ，a d a p t i v e p r i n c i p l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨洼蠢堂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：蘸寸敏 签字日期：2 。哆年7 月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：药t 敏 签字日期：? d 口；年，月，g 日 新躲颂当旁 签字日期：刃稗月寥日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在现代2 2 0 k v 及以上的高压输电系统中，为了保证电力系统运行的稳定性， 在大多数情况下，要求保护能无延时地切除被保护线路任何一点的故障。电流 电压保护、方向电流保护和距离保护原理应用于输电线路时，由于互感器传变 的误差、线路参数值的不精确性以及继电器本身的测量误差等原因，这种保护 装置的无时限i 段的保护范围只能整定为线路全长的8 0 9 0 ，对于其余的 1 0 2 0 线段上的故障，只能按第工i 段的时限切除。为了保证故障切除后电力 系统的稳定运行，这对于某些重要线路是不能允许的“。在这种情况下，只能采 用所谓的纵联保护原理保护输电线路，以实现线路全长范围内故障的无时限切 除。 输电线的缴联保护，就是用某种通信通道( 简称通道1 将输电线两端或各端 ( 对于多端线路) 的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量( 电流、功率的方向 等) 传送到对端进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从 而决定是否切断被保护线路。 1 2 电流差动保护原理 电流差动保护原理咀克希霍夫电流定律为基础，具有绝对的选择性。如果 不考虑输电线分布电容、分布电导和并联电抗器则电流差动保护原理对任何故 障都是适用的。导引线纵差保护充分利用了这一优势。在不考虑电流互感器传 变误差和饱和的影响时，可以不要任何制动，就能保证保护在任何故障情况下 都能正确工作。但是限于导引线的通信能力和通信距离，只能用于短线路。应 用载波和微波通道，本来可以仿照导引线保护传送被比较电流的时闻函数( 波形) 进行直接比较但由于载波和微波信号在传送过程中的巨大衰耗。同时因幅度 调制，如同调幅式广播一样受干扰影响大，抗扰度低，不能正确传送电流幅值， 调制，如同调幅式广播一样受干扰影响大，抗扰度低，不能正确传送电流幅值， 第一章绪论 因而发展了相位差动原理。相位差动原理有很多优点，但只利用了被比较电流 的相位特征，没有充分利用电流的全部信息。在某些特殊故障情况下判别故障 能力不足。例如在长距离重负荷线路上发生内部三相短路时，由于线路负荷重， 线路两侧系统电势的夹角可能很大，使得内部故障时线路两端的短路电流之间 有很大的相位差，使保护不能动作。在此情况下如果除了相位外，同时对电流 的幅值也进行比较，将有助于提高保护判别故障位置的能力。因此在6 0 年代曾 出现过对高频电流幅、相差动保护原理的研究。1 ，提出用抗扰度最大的频率调制， 如同调频式广播，传送电流的幅值，仍用方波调制传送电流相位。经过实验室 试验和现场试运行证明，这种保护原理是可行的。但由于相差高频保护和方向 高频保护已能满足当时电力系统的需要，该保护原理未能推广应用。在数字通 信普遍采用后，利用微波或光纤通道同时传送四个电流瞬时采样值数字量的数 字微波和数字光纤电流差动纵联保护原理已得到广泛应用，成为超高压长距离 输电线理想的保护原理o “1 。 用于低压配电网中短距离输电线的导引线纵差动保护，由于线路短，分布 电容电流小，如果两端电流互感器正确选择和匹配，在外部短路时，不会产生 很大的不平衡电流，因此一般不需要制动。 对用于长距离高压输电线的分相电流差动保护，则因线路分布电容电流大， 并联电抗器电流以及短路电流中非周期分量使电流互感器饱和等原因，在外部 短路可能引起的不平衡电流大，必须采用某种制动方式，才能保证保护不误动。 随着采用的制动量不同，保护有不同的动作特性和分析方法。 电流差动保护原理是一种简单、可靠和广泛适用的继电保护原理；由于它 能根据被保护元件各端的电流矢量关系正确地判别区内和区外故障，因此是构 成快速动作保护的主要原理之一。电流差动保护，作为主保护，广泛地应用于 发电机、变压器、母线、大型电动机以及较短的输电线路上。长期的运行考验 证明了它的优越性。 电流差动保护原理在不考虑输电线分布电容、分布电导和并联电抗器影响 时，具有绝对的选择性。电流差动保护原理已有约九十年的历史，至今仍在不 断的研究和发展，研究的主要目标是解决外部故障时大电流条件下c t 饱和使保 护误动和内部故障电流小时的灵敏度问题。为了解决这个相互矛盾的问题，提 出了各种带制动的动作判据，本文提出了带制动特性的微机自适应方向纵差保 护原理，通过与性能优良的其它动作判据进行比较，得出这一新的判据具有更 第一章绪论 好的动作特性，能更好地解决上述矛盾。 1 3 输电线微机保护发展概况 2 0 世纪6 0 年代末期，国外提出计算机构成继电保护的构想，当时的计算机 硬件非常昂贵，还不具备商业性生产这类保护装置的条件。早期的研究工作是 以小型机为基础的。出于经济上的考虑，要采用一台小型计算机来实现多个电 气设备或整个变电站的保护功能，但这种方案的可靠性受到怀疑。 7 0 年代中期，随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机进入了实用阶 段，性价比和可靠性大为提高，为微机保护的实用化打下了硬件基础。 伴随着计算机硬件水平的不断提高，各种微机保护的算法不断被提出，为 继电保护的推广和应用提供了理论基础。 随着微机保护的普遍应用，伴随着计算机技术的不断进步，对计算机保护 研究向更高层次发展。自从1 9 8 5 年自适应概念用于继电保护的初次尝试，针对 各种保护原理以提高保护的性能和改善其动作特性为目的自适应技术的研究掀 起了高潮。 经过3 0 多年的发展和变化，目前微机保护已经在电力系统的变电站、发电 厂和线路上大量使用。自适应原理也已成熟，因此本文将所提出的自适应原理 应用到微机分相差动保护装置上，使保护的性能得到很大提高”。 1 4 本文所做的工作 1 4 1 提出一种新的动作判据 分相电流纵差保护是最理想和最有发展前景的输电线快速继电保护原理， 本文提出了- - 利e 新的带制动的电流差动保护原理，并将该原理与自适应原理相 结合应用到保护中，这样大大提高了保护的制动特性和灵敏度。文中分析了其 判据和动作特性，并对该原理与其他原理进行了详细的比较，同时介绍了自适 应原理在本保护原理中的实现方法。通过大量仿真试验证明了此新原理的优越 性能。由仿真实验证明该原理适用于特高压输电线路的保护，因此本保护判据 具有广阔的应用前景。 第一章绪论 1 4 2 开发出了一套保护软件 利用本文所提出的新的保护判据开发出了一套微机保护程序，本套保护程 序不怕因c t 断线雨引起误动的问题；同时为了加快保护动作，采用采样值差动 和本原理相配和，以加快保护的动作；为了防止接地故障过渡电阻过大时，差 动保护灵敏度不足的问题，采用零序过流保护有效地解决了这一高阻接地问题。 在保护程序中设有多种工作方式( 即“或门”出口方式、“与门”出口方式和远 方跳闸方式) ，可以根据系统不同的要求采取不同的工作方式，这样大大增加了 保护装置工作的灵活性。 第二章方向电流差动保护原理 2 1 引言 第二章方向电流差动保护原理 随着电力系统的发展和大电网的建设，我国现己拥有大量的高压和超高压 输电线路，这些线路在系统中所占比例越来越大，担负着输送巨大功率的任务， 在电力系统中占有举足轻重的地位，此时作为线路主保护的电流差动保护其性 能的提高有着巨大的意义。电流差动保护的性能主要决定于它所使用的制动方 式和动作判据，本文提出了一种新的具有优良制动特性的电流差动保护判据。 2 2 保护的动作方程和判据 本文提出的自适应方向纵差保护的动作方程和动作判据如下。1 。如图2 - 1 所 示的系统接线，在用导引线通道时仿照机电式方向继电器的原理，对于m 端的 保护采取： 图2 一l 被保护输电线路示意图 d l 动作方程为 f = ，。ms i n 0 ( 2 1 ) 动作判据为f e 式中 ，_ ；，= j k ，m + j k ”i 一 ( 2 - 2 ) ，一一动作量：f 。一一动作定值； 0 一一m 和，。之间的相差角，以， 超前，。为正； l 一一m 端( 本端) 二次电流( 见图1 ) ；i 。一一n 端( 对端) 二次电流； k 、足一一比例系数，可以整定的正整数( k ” k ) 将m 与n 对调即可得到n 端保护的动作方程和判据。 第二章方向电流差动保护原理 2 3 保护的动作特性 j k 1 f x 一：曩 ，7 xi 。 图2 - 2 内部故障两侧电流相差角为妒时的矢量图( ，。超前于，) 与所有的差动保护一样，在线路外部短路时，保护的动作情况与系统运行 状态基本无关，但在线路内部短路时。两侧电势可能有很大相位差，且短路点 至两侧的阻抗的幅值和角度可能相差很大，以及电容电流的影响等，可能使两 侧系统供给的短路电流的幅值不等，而且可能有很大的相差角。由上述动作方 程可推导出保护动作量与两侧系统供给的短路电流幅值和相位夹角的关系如 下。 对于m 端的保护( n 端动作特性的推导与此相似) 按照式( 1 ) 和式( 2 ) ，以矢量 。为参考矢量，即令，。= l z 0 。，以，。超前于，的角为正时( 当庐角为负时分 析结果相同) ，则r n = ，。e j 式( 2 ) 可写成 i = j ( k j i m + i 4 ) 从矢量图2 2 可知 ，m = ( k 1 l ) 2 + ( k ”) 2 + 2 k 1 k ”i j c o s e j 0 0 。删 ( 2 3 ) 。口：；兰刍堡垒! ! ! !( 2 4 ) ( k ) 2 + ( 定”l ) 2 + 2 k k ”l lc o s g ； 从图2 2 可知0 = 9 0o + 口，代入动作方程公式( 1 ) 并化简，得 f = l ls i n ( 9 0 。+ 口) = l k c o s 口 = ，。( 髟l + 足”lc o s 庐) ( 25 ) 第二章方向电流差动保护原理 动作判据为 ，。( k ，。+ ki 。c o s ) 瓦 ( 2 6 ) 上式即为本方向纵差保护的动作判据，可见该动作判据与两侧电流间相差 角的大小有关系。在单端电源线路内部短路时，无电源端故障相无电流，i 。= 0 ， f = k i m 2 屹。选择适当定值凡，保护能可靠动作跳开本端保护，同时发出 远方跳闸令，跳开另一端，或专设弱电源的保护去跳开无电源的一端。 在应用光纤或微波通道传递电流的数字量时，可直接计算出，。、i 。和庐角， 代入式( 2 - 6 ) 即可。 图2 2 中是以j 。超前于j 。为例说明的，那么t 滞后于，。的情况分析如下： 邀i 。 - 鞋z t 图2 3 内部故障两侧电流相差角为时的矢量图( ，超前于，一) 对m 端保护，从图2 3 可知 ：瓜巧可两再琢z 瓦面叫一卜 。o 。口：；丝鱼丝墨! 掌；： ( 五l ) 2 + ( 足”l ) 2 + 2 k + k ”l l c o s 从图2 - 3 可知o = 9 0o a ，将上面两式代入动作量公式( 2 1 ) 并化简，得 f = ，i f 。s i n ( 9 0 。一口) = i m ，庸c o s 口 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 第二章方向电流差动保护原理 = ，。( k l + k i 。c o s ) 动作判据为 ，。( 足。+ 足”，。c o s ) 月： 由上分析可如与j 。超前于j 。所得结论是一样的。 2 3 1 外部故障 在图2 1 中d 。点外部短路时，。和。两电流大小基本相等( 如图2 4 ( a ) ) ，相 位差1 8 0 0 ( 暂时忽略电流互感器的误差和分布电容电流) ，因k k “故 落后 l 9 0 0 ，曰为负，从式( 2 - 1 ) 失n f 0 ，因而保护处于被制动状态。世”比k 1 大出愈多， 制动量愈大，更能保证外部故障时不误动。在上面分析中，如将下标符号m 矛l l n 对调，即可得到n 端保护动作情况。可知n 端保护也处于被可靠制动状态。 j ki 矗l r7 _ - 。啐。 图2 - 4 线路短路时的矢量图 ( a ) d 。点外部故障的矢量图 ( b ) d ：点内部故障的矢量图 2 3 2 内部故障 在图2 - 1 中d ：点内部短路时，对端( n 端) 电流改变方向( 如图2 4 ( b ) ) 。此 时j 。、j k + j 。相位不变，但j 。、j k 。；。转过1 8 0 。厶是由雎j 。和肛“j 。相加 产生，因所得矢量幅值很大，且其相位超前于，。9 0 “，口为正，故产生很大的动 作量只使保护动作很灵敏。k “愈大，则保护动作的灵敏度愈高。将下标符号m 和i 1 对调，即可知n 端保护也同样可灵敏的动作跳闸。 第二章方向电流差动保护原理 足+ 为制动系数，增大k ”k 1 可以加强外部故障时保护的制动量和内部 故障时保护的动作量。根据上述动作判据( 2 - 6 ) ，可以作出保护的特性曲线( 如 图2 5 ) 。 盯o 士 芦j 妒= 0 1 搿v 一 。妤飞 i 缸 专 ( a )( b ) 图2 5 m 侧保护装置在故障情况下的动作特性 ( a ) 两侧电流同相和反相时的动作特性 ( b ) 两侧电流在各种相角下的动作特性 2 4 自适应的实现 在内部短路时，一般情况下莎 9 0 但由于两侧电势相角差以及线路阻抗角 和系统阻抗角之差和c t 误差等原因，考虑到最严重的情况下有庐茎1 2 0 ( 考虑到 静稳定储备，两侧电势相角差一般小于7 0 0 ，短路点两侧阻抗角之差一般小于3 0 0 ， 还有c t 误差7 0 ，另外考虑到故障时的非周期分量及其它误差的影响1 3 0 ) ，而外 部故障时只是c t 误差引起的相位差和分布电容电流的影响，相位差一般不会超 过6 0 0 ( 即闭锁角取为6 0 0 ) 0 1 ，故当9 0 函1 2 0 。时不可能是外部故障。本保护 装置引入自适应原理，当妒角在这一范围时采用动作方程 f = i 。( k ，。一茁”lc o s 矿) ，以保证保护能够灵敏、正确的动作。自适应原理的应 用使保护的特性得到大大的加强，制动系数的选取不受任何限制，可以选得很 大。用微机实现这种自适应非常容易。首先计算出角，然后根据庐角的范围， 选取不同的动作方程，亦即： 当0 。西9 0 。和1 2 0 。 1 ) 。 直线o p 对横轴的斜率或直线o p 对竖轴的斜率为形，取厅= o 则两直线 分别对横轴和竖轴的斜率为 戌+ = ；一0 3 3 扎 由此可知，在外部短路时，使保护不误动允许的最大百分误差为( 1 一 净料 或 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 0 3 3 3 ) x1 0 0 = 6 6 6 。这可大大提高保护不误动的可靠性。同时，如果内部故障 有电流流出时，如果流出电流对流入电流的百分比小于3 3 3 ，保护也可动作。 此时电流流出线例如o o 和o q 。分别对横轴和竖轴的斜率小于0 3 3 3 ，因而可以 进入动作区“。 3 3 2 相位特性 以，”为基准，令i m = z o o 度，由( 3 - - 3 ) 式，得 j ( 1 + q e 忡) 陋 即，1 ( 1 + q e 埘) i 由( 3 4 ) 式，得 铲等，妒为j 侧日l 的角 ( 3 一1 1 ) k l l + q e 隆l + q 眠 1 + q e j 。i 等( 3 - 1 2 ) 为了分析在两端电流大小和相位为任何值的情况，我们利用复平面作图的 方法对复合式动作判据进行分析，从而得到其相位特性如图3 - 3 ( a ) 、( b ) 所示。 1 m s q = 1 。 j q = 0 5 ， t 露遵涵 ( a )( b ) 图3 3相位特性 ( a ) ( 3 3 ) 式的相位特性( b ) ( 3 - 4 ) 式的相位特性 式( 3 1 1 ) 所对应的相位特性如图3 - 3 ( a ) 所示，图中给出在几种q 值下，m 端 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 保护的动作电流倍数哆对不同值的曲线( 对于“端也可以作出类似的曲线) a 由图3 3 ( a ) 中所对应的曲线可见在驴= 1 8 0 。时，乡t 趋于c 。，即保护可靠不动 作；在庐= 0 。时，1 ，保护能可靠动作。式( 3 一1 2 ) 表示庐与g 和k 的关系如 图3 - 3 ( b ) 所示，图中给出了在不同k 值和q 值下，保护能够动作的最大相角差九 的曲线，曲线以下满足动作条件。例如取足= 2 ，q = 1 时，丸= 1 2 0 。，即式( 3 4 ) 的动作条件为庐一 1 2 0 0 ，因此外部故障q = 1 ，妒= 1 8 0 。时，保护可靠不动作。在 内部故障时，根据q 和k 的不同，可以计算出保护能动作的最大角度九。只要妒 九同时又满足式( 3 3 ) 保护即可动作。可见( 3 3 ) 式、( 3 4 ) 式组合后使保护的 性能得到太大的改善。复合式动作判据的( 3 - 3 ) 式和( 3 4 ) 式也可画在一幅图上， 如图3 - 4 所示。图中式( 3 - 3 ) 用虚线表示，式( 3 4 ) 用实线表示。图中示出了矽 1 2 0 。( 取k = 2 ，q - - - - 1 的情况) 和毋 一1 3 4 4 。( 取k = 2 ，q = 2 或0 5 的情况) 两种情 况，图中有影线区域为动作区。可见在k 一定时，最大动作角度或闭锁角随q 的 大小而改变，这是一个缺点。 i m 角度度 图3 4复合式动作判据的相位特性 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 由复合式动作判据的相位特性可知如果外部故障q l 时，且相位误差较大 时有误动的可能，例如：取k = 2 ，q = 1 6 时，由( 3 - 1 2 ) 式得九1 2 5 7 6 0 ；由( 3 - 1 1 ) 式得，当= 1 2 5 。时， = o 7 6 1 ，即这时保护很可能会误动：内部故障时保护 - s ， 灵敏性随q 值的减小( 9 = 孚，对端电流幅值越小于本端电流的幅僮) 而降低， m 例如：g = 0 5 ，庐= 1 1 0 。时，由( 3 - 1 1 ) 式得，7 ：1 0 4 9 ，这时保护的灵敏度较 1 s 低。而本文所提出的自适应方向纵差保护动作判据克服了复合式动作判据的这 些不足，下面详细分析自适应方向纵差保护的动作特性。 3 4 自适应方向纵差保护的幅值特性分析 自适应方向纵差保护动作判据如下： 当0 。庐9 0 。和1 2 0 。 1 8 0 。时，采用动作方程 i u ( k i m + k ”，c o s ) ，s 2 ( 3 1 3 ) 5 9 0 。 1 2 0 。时，采用动作方程 k ( 芷，m 一世”1 c o s 妒) i s 。 ( 3 1 4 ) 自适应分相差动保护在单端电源情况下内部故障时，由式( 3 1 3 ) 和式( 3 - 1 4 ) 知当如= 0 ，只要满足k + 毛2 2 ，即, k 。l s 保护就能可靠动作；在两端 电源情况下内部故障时，只要庐9 0 。，当如寸m 时，m 端动作电流k 一0 。 外部故障时1 2 0 。 d 茎1 8 0 。，式( 3 1 3 ) 可写成 k 1 m k 。i c o s 。1 s i u 瓤参南一等南 式中砂= 1 8 0 0 一妒 上式所代表的动作特性为非线性曲线如图3 - 5 ( b ) 所示。 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 当，。_ o c 时，曲线的渐近线为，。= 一等- i n c o s 矽，渐进线的斜率为 卵= 一善“c 。s ( c 。s 为负值) 。此蓝线表示几愈大，m 端所需的动作电流k 愈大，而且是呈非线性增大晶，从而得到一个很强的制动特性，而制动作用随善 和商的增大而增强。将符号m 和n 互换即可得n 端保护的相似的制动特性。 ( a ) ( b ) 图3 5m 端自适应方向纵差判据幅值特性 ( a ) 内部故障( b ) 外部故障 如图3 - 5 ( a ) 所示，在内部故障时，当0 。痧9 0 。时，随着两端电流相角差 西的减小，动作电流的幅值减小，使保护更加灵敏、可靠地动作；在9 0 。 1 2 0 。 时，随着两端电流相位差的增大，动作量增大，使保护灵敏度提高：外部故障 时，1 2 0 。 矽_ i s 2 ， k ”世+ 取为4 ，k 。= 0 4 9 ( 3 1 6 ) 绝对值之和制动方式的动作方程： l + ，。f k z ( i i + il1 ) i s ，足：取0 3 矢量差制动方式的动作方程： ( 3 1 7 ) l ，。+ ，。l k l ，。一i 。陲s ， k 取0 3( 3 - 1 8 ) 分别在外部和内部短路时，对其进行动作特性比较。在k 、k z 和k 如上取 ， 值的情况下， l = 0 时，三种制动方式的最小动作电流都是k = 音，即三条 曲线在纵坐标轴上截距相同，见图3 - 6 ( a ) 。 曲线历示区域，顺次代表三种动作特性，画影线的区域为动作区。 可见都小于单端供电时的最小动作电流，都能满足灵敏度的要求。 外部短路时( 西= 1 8 0 。) 动作判据分别为： 本保护制动方式：k ，。2 一k ，。l i s ； ( 3 1 9 ) 绝对值之和制动方式：j 。1 l 一+ k k z ，i 。- + 1 一i 云s 一； ，。l l 一+ k k z ，i 。+ 卜i i s ； ( 3 2 。) 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 矢量差制动方怒，m 等l + 志 篇击。 2 1 ) 动作特性分别如图3 - 6 ( b ) 中曲线所示，画影线的区域为动作区。可 见本原理在外部故障( = 1 8 0 。) 时制动特性很强。首先是因为本保护的制动特性 呈二次曲线形，动作电流随对端电流的增大呈曲线上升，这非常有利于外部短 路电流很大时防止c t 饱和引起的误动作；而其它两种制动方式的制动特性为直 线，不利于防止c t 饱和时保护的误动作；再者本保护只是单端有误动区( 曲线 只有一条) ，从( 3 1 9 ) 式可看出，只有，。过大时有误动区，。愈大左端动作量 愈小，没有误动区。其他两种制动方式是无论哪端电流过大都有误动区。 内部故障时( 毋= 0 。) 动作特性示于图3 - 6 ( a ) ，动作判据分别为： 本保护制动方式：足+ ，。2 + k ”，1 。1 。2 ； ( 3 2 2 ) 绝对值之和的制动方式； l 专一，。； ( 3 2 3 ) l a z 矢量差制动方怒耻一篇，n + 去一篇去。( 3 - 2 4 ) 3 6 结论 图3 - 6 各保护动作特性比较 ( a ) 内部短路( b ) 外部短路 1 利用相位特性分析法和幅值特性分析法分析了输电线电流差动保护优良的 制动特性，得出了有益的结论； 2 】复合式动作判据与自适应方向纵差保护动作判据有共同的特点：都利用控制 第三章带制动特性的差动保护原理的分析比较 或设定最大动作角度的方法提高外部故障的选择性和内部故障的灵敏度；都 具有内部故障时灵敏度高，而外部故障时制动性强的优点； 3 】自适应方向纵差保护动作判据是根据两端电流相角差来选择不同的动作方 程即内部故障时选择增加保护灵敏度的动作方程，外部故障时选择增加制动 作用的动作方程，这大大增强了保护的可靠性和灵敏性；复合式动作判据， 在制动系数选定时，两端电流幅值之比决定了最大动作的相角差，这提高了 外部故障时的可靠性，保护只有相角差在允许动作的范围内且满足f 3 3 ) 式时 才可动作，制动系数不能任意选取； 【4 自适应方向纵差保护动作判据外部故障的制动性和内部故障的灵敏度都优 于复合式动作判据例如：自适应方向纵差保护动作判据在9 0 0 西1 2 0 0 的内部故障时随相角差的增大灵敏度增加，而复合式动作判据在动作范围内 是随相角差的增大灵敏度减弱；自适应方向纵差保护动作判据的制动系数 ( k “足。大于1 1 的选取不受限制，可以根据灵敏度和可靠性的要求来选取， 取值越大内部故障的灵敏度和外部故障的可靠性越高，而提高自适应方向纵 差保护动作判据外部故障的制动量并不影响内部故障的灵敏度，相反的可增 加保护的灵敏度：复合式动作判据是由制动特性的制动系数和两端电流幅值 之比决定保护最大动作相角差，当制动特性的制动系数选定时，最大动作相 角差是随两端电流幅值之比变化的，如图3 3 ( b ) 所示，当世值一定时，两端 电流幅值相差越大即g 值与1 相比变小或变大，矾：随之增大。如图3 - 4 所示， 随九，增大保护存在外部故障误动的可能； 【5 由本保护与其它几种制动方式的比较可知，本保护具有以下优越性能非线 性制动特，即外部故障时保护的动作电流随对端电流的增大呈非线性上升； 单端误动特性，即外部故障时只有本端电流过大时会误动，对端电流越大 动作量会越小，保护不会误动，由动作特性曲线可见此时没有误动区；制 动系数的选取不受任何限制。 第四章仿真分析 4 1 引言 第四章仿真分析 m a t l a b 是1 9 8 4 年由美国m a t h w o r k s 公司推出的荣誉软件产品。早在2 0 世 纪8 0 年代中期，就曾在我国出现，但真正大规模流行是在9 0 年代中期以后。 现在m a t l a b 已成为各行各业从事科学研究、工程计算的广大科技工作者的计算 工具，是从理论通向实际的桥梁，是最可信赖的科技资源之一。s i m u l i n k 是 m a t l a b 最重要的组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集 成环境。具有适应面广、结构和流程清晰、仿真精细、贴切实际的特点。“。 针对对本文所提出的保护新原理，本章利用m a 礼a b 的组件s i m u l i n k 对电 力系统进行仿真，利用m a t l a b 本身强大的数值计算功能，对实际线路的仿真结 果运用该原理进行分析计算，得到本文所提出的新保护原理的动作定值。根据 不同故障下的保护动作定值分析该原理的性能。本章对不同电压等级下的各种 故障进行了仿真和数值分析，仿真分析结果真实、清晰地反映本新原理的动作 特性。 4 2 仿真实现方法 拿p h a s ef a u l t 图4 1 系统模型 在s i m u l i n k 下的系统模型组成如图4 1 所示，由2 个三相电源、输电线路 和故障发生器组成。在仿真过程中，用示波器实时显示信号波形，同时示波器 第四章仿真分析 缓冲区接收送来的信号，我们导出缓冲区中的数据，进行数值计算验证相应的 结论。 4 2 i 仿真数据送入m a t l