（电力系统及其自动化专业论文）采样值突变量距离继电器的研究与仿真.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文 摘要 本文在原有的补偿电压突变量判据的基础上进行研究，提出了一种基于采样值数据 的突变量距离继电器快速动作保护判据。此判据方法利用采样值积分得到保护的制动量 和动作量，并采用简单有效的按相补偿和双重浮动门槛值的方法，既可以在线路近端故 障的初始阶段快速有选择动作，又可以提高保护的抗干扰能力，达到既快速又可靠的要 求。利用综合相电流突变量的特性作为启动元件判据，能够有效的防止振荡过程中的误 启动，而且具有很高的灵敏度。此外，本文利用补偿电压突变量相位比较方式研究了突 变量距离继电器保护判据，利用余弦电压检测系统运行方式，自动调整保护判据范围， 扩大保护动作范围并增加耐受过渡电阻能力。两种继电器相互配合，充分利用采集的数 据，达到了快速动作和增强耐受过渡能力二者的统一。最后本文通过r t d s 数据进行仿 真验证，该继电器能够满足线路保护的要求。 关键字：补偿电压；采样值；距离继电器；线路保护 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt oo l dm e t h o do fs u p e r i m p o s e dc o m p o n e n to fc o m p e n s a t i o n v o l t a g e ，an e w a c t i o nc r i t e r i o n so fd i s t a n c er e l a yb a s e do ns a m p l e dv a l u e si s p u t f o r w a r d t h i sm e t h o du s e sc o m p e n s a t i o nv o l t a g ei n t e g r a t e do n ec y c l es a m p l e dv a l u e sa s r e s t r a i n tt h r e s h o l d q u a n t i t y a n da c t i o n q u a n t i t y , a n ds i m p l ea d a p t i v e r e s i d u a lc u r r e n t c o m p e n s a t i o na n dd o u b l ef l o a t i n gt h r e s h o l da r eu s e d ，i no r d e rt oo p e r a t et h en e a rl i n ef a u l t o p t i o n a l l ya n dq u i c k l y , a n di m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e t h es u p e r i m p o s e do f c o m p r e h e n s i v ep h a s ec u r r e n ti su s e dt oc o n s t i t u t es t a r t i n ge l e m e n t ，w h i c ha v o i df a u l ts t a r t i n g b yp o w e rs y s t e ms w i n gw i t hh i 曲s e n s i t i v e l ym o r e o v e r , t h ep a p e rr e s e a r c h e sf u l l - f o u r i e r a l g o r i t h mc o m p a r e dt h ea n g l eo ff a u l ta n dp r e f a u l tc o m p e n s a t i o nv o l t a g e s ，a n da d a p t e dt h e o p e r a t i n gb o u n d a r ya c c o r d i n gt oc o s i n ev o l t a g e ，w h i c hc a ne n l a r g et h ea r e ao fp r o t e c t e dl i n e a n de n h a n c ec a p a b i l i t ya g a i n s tf a u l tr e s i s t a n c e t h e s et w or e l a y sw o r kt o g e t h e r , m a k eu s eo f s a m p l e dv a l u e s ，a n dh a v eu l t r a - h i g hs p e e do fo p e r a t i o na n dg r e a tc a p a b i l i t ya g a i n s tf a u l t r e s i s t a n c e f i n a l l y , r t d st e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w or e l a y sc a ns a t i s f yt h ed e m a n d so f t r a n s m i s s i o nl i n e s l i ud a p e n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gs h a o f e n g k e yw o r d s ：c o m p o n e n tv o l t a g e ；s a m p l e dv a l u e s ；d i s t a n c er e l a y ；t r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i o n i 华北电力大学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 距离保护的研究现状1 1 3 本论文的主要工作2 第二章采样值突变量距离继电器的研究4 2 1 突变量距离保护原理4 2 1 1 突变量距离保护基本原理4 2 1 2 突变量距离保护的特点8 2 2 采样值突变量距离继电器的提出与分析9 2 2 1 稳态量幅值与采样值积分之间的转化9 2 2 2 电压值修正系数1 2 2 2 3 电流值修正系数1 5 2 3 采样值突变量距离继电器动作方程1 7 2 3 1 保护判据的设置方法1 7 2 3 2 保护选相基本原则1 8 2 4 仿真验证1 9 2 4 1 故障波形仿真分析1 9 2 4 2 性能比较2 4 2 5 本章总结2 7 第三章采样值综合相电流快速启动元件2 9 3 1 传统启动元件基本原理2 9 3 2 采样值综合相电流快速启动元件原理3 0 3 2 1 启动判据设置3 0 3 2 2 不平衡电流输出分析3 1 3 2 3 零序突变量辅助启动3 4 3 3 仿真验证3 5 3 4 本章总结3 9 第四章基于补偿电压的自适应突变量距离继电器4 0 4 1 补偿电压相位突变量距离继电器的基本原理及存在的问题4 0 4 2 自适应突变量距离继电器原理4 1 4 2 1 余弦电压特性4 1 华北电力人学硕十学位论文 4 2 2 保护判据的设定4 2 4 2 3 保护选相基本原则4 3 4 3 仿真验证4 4 4 4 本章总结5 1 第五章结论5 2 参考文献5 4 致谢5 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 电力系统继电保护的主要任务是在电力系统中的电气元件发生故障时，能够将 故障元件从系统中尽快切除，使故障元件免于受到更大程度的破坏，并保证电力系 统能够尽快恢复正常运行n 。5 1 。我国地域辽阔，能源资源分布不均匀，为了能够满足 经济的发展，我国电网正在向能够满足大容量、远距离输电的超高压、特高压电网 发展。现代大电网结构复杂，系统的运行方式变化多样，都对电力系统继电保护提 出了极高的要求。 继电保护为电网服务的最高标准是电力系统的安全和稳定，保证向用户完全供 电，保障系统安全供电。所谓安全，主要是指设备的安全，没有设备的安全就无法 保障供电的安全。所谓稳定，就是保障大系统能够j 下常运行。随着电力系统容量的 增加，输电线路的增长以及输送功率的增大，维持超高压输电线路的设备安全、系 统运行稳定成为了一个十分重要的问题。如何能够将故障线路可靠快速的从系统中 切除，缩短输电线路保护的动作时间，是继电保护研究领域的一个重要课题。 在大系统中输电线路中，快速跳闸是十分重要的。一般在靠近母线的近端和电 源出口处短路时，需要保护尽可能的快速动作。因为在这些地方短路时，母线电压 等于零，发电机除了提够短路电流的有功分量外，完全不能往外输出，原动力完全 用来加速，加速度能量很大，很容易失去稳定。有人经过计算，近端故障，跳闸时 间提前一个周波，稳定极限可以提高1 0 ，这是十分重要的。对于长输电线路出口 短路故障时，希望保护的动作时间能够尽可能的快。 1 9 8 4 年我国第一套微机型高压输电线路保护装置投入运行，标志着我国的继电 保护进入了一个崭新的发展阶段。与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点。 微机保护充分利用微机的巨大计算、分析、储存和逻辑判断能力，可以实现任何性 能完善而且复杂的保护原理，解决了传统继电器保护难以解决的问题。微机保护正 朝着高可靠性、简便性、丌放性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化、动 作过程透明化的方向发展。微机保护给电力系统保护性能带来了跨越式的进步， 给继电保护研究者提供了良好的丌发平台。 1 2 距离保护的研究现状 距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离( 阻抗) ，并根据距离的远近而 确定动作与否的一种保护装置。距离保护只需要测量单侧电气量，在高压输电线路 华北电力人学硕十学位论文 保护中占据重要地位。距离保护受系统运行方式和结构变化的影响较小，保护范围 较长且较稳定，适合于远距离、重负荷的高压线路中，具有一定的耐受过渡电阻能 力等优点n 。1 乳2 8 - 4 4 。 四边形距离继电器以其在阻抗平面上的动作特性而得名。在双侧电源系统中， 考虑到经过渡电阻短路时，始端故障的附加测量阻抗比末端故障小；保障正向出口 经过渡短路时可靠动作；保障被保护线路金属性短路时可靠动作；防止保护区末端 经过渡电阻短路时可能出现的超范围动作四个方面的因素而设计的，该距离继电器 具有反应过渡电阻能力强、躲避负荷阻抗能力好、在微机中实现容易的特点，所以 四边形特性距离继电器应用相当广泛心1 。但是在送端区外经过渡电阻故障时，测量 阻抗的电抗分量比实际线路电抗要小，在这种情况下四边形特性距离继电器比传统 圆特性的距离继电器更容易发生超越。 根据输电线路发生故障时，保护安装处测量到故障线路的电流增加、电压降低， 利用补偿电压的突变量构成保护动作方程，保护分为幅值比较方式和相位比较方式 两种。该种类型的距离继电器原理简单、算法容易和灵敏度高，具有明确的方向性， 选相功能也十分强大随叫。 微机保护的发展为自适应保护的实现提供了很好的条件。自适应保护能根据电 力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护的性能、特性或定值，其思想就 是使保护能够尽可能的适应电力系统的各种变化，改善保护的性能，在灵敏性和可 靠性上实现统一。文献 2 0 2 2 采用了多种自适应方法来改善距离保护的动作特性， 使其能够有效的防止超越，提高耐受过渡电阻的能力。 在保护动作速度方面，一般的保护动作方程由电压电流的幅值和相角构成，都 需要经过全周傅式算法才可以提取。在全周傅式算法计算过程中需要一个周期的延 时，因此快速微机保护的动作时间为1 至1 5 个周期。研究如何加快保护动作的方 式很多，有的在滤波环节上采用快速滤波的方法提取数据量乜 ，也有的采用半波傅 式算法提取数据量，但计算的误差比较大。r - l 方法是一种能够快速动作的保护方 法，该方法不需要用滤波器滤除非周期分量，不受电网频率变化的影响，但信号受 噪声影响较大1 。 1 3 本论文的主要工作 本论文主要是研究了如何加快输电线路距离保护的动作速度，同时又能够保障 动作的安全性。总体来讲，包括以下几个方面： ( 1 ) 论文第2 章提出了利用采样值数据直接构成保护判据的新方法采样 值突变量距离继电器。该继电器直接利用补偿电压的积分值形式计算，动作快速， 安全可靠，并结合仿真验证了该保护判据的可行性。 2 华北电力大学硕十学位论文 ( 2 )由于本文研究的距离继电器动作快速，所以必须有一个同样能够快速动 作的启动元件以启动该距离继电器。本论文的第3 章提出了一种利用综合相电流突 变量的方法构成启动判据，也是采用了采样值直接计算。该启动元件动作迅速，灵 敏度高，而且对系统频率偏移和振荡也有一定的抑制作用。 ( 3 )针对采样值突变量距离继电器的缺点，论文在第4 章中又提出了自适应 突变量距离保护判据，该判据的动作范围比较广，耐受过渡电阻的能力强，和快速 的采样值突变量距离继电器相互配合以实现保护范围内的各种故障准确动作。 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章采样值突变量距离继电器的研究 2 1 突变量距离保护原理 距离保护是反应故障点至保护安装处的距离，并根据距离的远近而确定动作时 间的一种保护装置，受网络结构和系统运行方式的影响较小，是高压输电线路的一 种基本的继电保护方式。距离继电器利用保护安装处测量到的电压值、电流值计算 保护安装处到线路故障点之间的阻抗，利用该计算阻抗判断线路的故障情况。在一 般的情况下，输电线路发生故障时，总是伴随着电压的减小以及电流的增大，从而 造成保护安装处的计算阻抗值减小，当计算阻抗值小于阻抗继电器的整定值时，距 离保护就应该动作。 2 1 1 突变量距离保护基本原理 电力系统线路发生短路故障时，根据叠加原理可以将故障状态分解为正常负荷 状态和故障附加状态。正常负荷状态下，有发电机电动势的作用，包括了正常运行 时的电压和负荷电流；故障附加状态下，有故障电动势的作用，仅包括电压故障分 量和电流故障分量，没有负荷电流分量，因此故障分量又可以称为突变量。 ( 以) r 一氮降9 ( 士、) 瓦 融 i i 融一i 一苏， 杰w ij ? j + ，声 铡z ，+ 瓠- 融诹， ，。， 以【o 】 图2 1 故障分解图 ( a ) 接地故障( b ) 正常负荷状态( c ) 故障附加状态 吼【0 1 为正常运行状态下故障点的电压值。由于保护都是安装在线路母线处，只能 测量到母线上的电压和母线流入线路的电流，因此无法得到线路每一点的电压值，也就 无法得到故障点的实时电压值吼i 。l 。 通常为了计算的需要，距离继电器定义了一个补偿电压矽( 也称工作电压) ： 4 华北电力人学硕十学位论文 u 7 = u 一 ( 2 1 ) 上式中矽和? 分别是保护安装处电压互感器和电流互感器测量到的电压值和电流 值，乙为距离继电器的整定阻抗值。在正常运行状态下，通过上述公式计算得到的【7 就是整定阻抗末端的实际电压值，能够通过测量到的数值计算得出。反应接地短路故障 的阻抗继电器补偿电压为： 吃= 吼一( 厶+ c 3 1 0 1 ) 乙 ( 2 2 ) k ：互q 二互1 3 互。 反应相间短路故障的距离继电器补偿电压为： = 一厶乙 ( 2 - 3 ) 在图2 - 1 中发生了正方向单相金属性接地故障，由故障附加状态可以得到保护 安装处母线m 测量到的电流突变量为： ( 乞+ k 3 厶) = 乏孝毛专( b = 。) ( 2 4 ) 保护安装侧母线m 测量到的电压突变量为： 。 = 一( l + k 3 i o ) z u ( 2 5 ) 根据公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可以得到距离继电器计算的补偿电压突变量为： 啡= 也一( 厶+ k 3 厶) 乙 = 一( l + k 3 厶) 乙一( + k 3 i o ) z , a = 一糍， 协6 ， 上述式子中，z m 为m 侧发电机的内部阻抗值，z w r 为m 侧母线到故障点之间的 阻抗值，z 。为距离继电器整定的线路阻抗值，以m ，为发生单相接地故障时故障点在故 障前的电压值。当故障发生在保护范围以内时，由于i z m k l i 吃删1 l 。 在实际的电网运行过程中，故障点可能发生在线路的任意部位，矾r m ，在保护安装 处是测量不到的。但由于输电线路在正常运行状态下，线路两端的电压降落并不大，因 此故障点电压以m ，和整定阻抗术端j 下常运行状态下的电压十分接近，而整定阻抗末端 电压的数值即为距离继电器的补偿电压。】，此时可以近似用。1 代替【0 1 。图2 2 华北电力人学硕+ 学位论文 表示了在整定阻抗内部发生故障k l 和在整定阻抗外部发生故障k 2 两种情况下，补偿 电压突变量与整定阻抗末端电压之间的大小关系( 保护安装在m 侧) 。 m z m _ 卜一z m x k 1厶勉n 口 寸一 上 _ 尘二二= 二= = 嘭t 。】： 图2 - 2 正方向故障时补偿电压突变量示意图 ( a ) 系统图( b ) 补偿电压突变量示意图 当故障发生在保护反方向时，母线m 测量的电流由保护线路流向母线，在此电 流方向下，根据故障附加状态可以得到，母线m 测量到的电压值突变量为： 也- - a ( j 妒+ x 3 i o x z u + 乙) ( 2 7 ) 母线m 测量到的电流突变量为： ( j 伊+ k 3 i o ) 2 丢笨衰( 毽- 0 ) q 培 z 汰为反向故障点到母线m 之间的线路阻抗值。在反方向故障时，电流值是从线 路流向母线的，因此距离继电器计算的补偿电压突变量为： 哝= 吼+ ( 厶+ k 3 j f o ) z 嘶 = 一( l + k 3 i o ) ( z u + z ) + ( 厶+ k 3 i o ) l “ =一糍z 协9 ， j + 乙+ 1 从公式( 2 9 ) 中可以看出，无论z 么的取值为多少，始终保持着l 啡i 、， 气 ，l 町，妒 “ 一 、， l 吒 。榭 华北电力人学硕： 学位论文 嘭2 【一( 厶+ k 3 1 0 ) z , 一【0 】+ ( 厶o 】+ k 3 o t o 】) 互甜j = 【( 一。1 ) 一( 一【o 】+ k 3 厶一k 3 i o ( 0 1 ) 乙】 ( 2 _ 1 6 ) 公式( 2 1 6 ) 是利用测量到的电压和电流数据进行突变量计算的，可以转化为采样 值的表达形式，但是公式( 2 1 6 ) 是相量的计算，在转化成采样值算法时有一定的误差。 文献 1 0 】中提到由于电压相位和电流相位之间的关系与阻抗值有关，可以将电流相位偏 移吼= a r g z 角度，使电流相位和电压相位一致，就可以利用采样值计算。这种计算方 法需要在计算过程中对偏移的角度进行计算，在计算相位偏移过程中，由于暂态过渡过 程的影响，会给计算带来较大的误差，本文并不采用这种方法。文献【9 】提出了利用r - l 模型建立微分方程的方法可以很好的解决相量计算转化为采样值计算的问题。因此，单 相接地距离继电器定义补偿电压可以转化为： 叱：吼一蜀( l + k r 3 o ) 一厶垫等盟 ( 2 1 7 ) 其中： k 季k r + j k x 将公式( 2 1 7 ) 中的相量求导用差分方式转化，得到单相接地距离继电器采样值的 补偿电压表达方式为： 嘭( ) = ( 气) 一刚( o ) + k r 3 i t - o l ( 气) 】一争她( 气) + k x 3 o j ( 气) 卜【( 气一。) + k x 3 t o i ( 气一。) 】 上s ( 2 - 1 8 ) 通过上述公式可以将相量表示方式的补偿电压转化称为采样值的表示方式，可以利 用采样值进行直接计算。对于单相接地距离继电器而言，当发生单相接地故障时，会有 很大的零序电流出现，具有很大数值的零序电流会使故障相的补偿电压数值增大，从而 有利于故障相的快速动作，而对于非故障相而言，引入零序电流无疑会引起保护误动作。 对于本章提出的快速保护继电器而言，是无法提前判断哪一相是故障相的情况下，就需 要通过一些简单的计算有选择性的引入零序电流，对零序电流进行按相补偿。 由单相接地故障三相电流波形可以看出，故障相电流明显增加，非故障相电流的变 化不大，利用这一特征，选取当前计算点之前的四分之一个周期内采样点电流突变量求 和( 以一个周波2 4 个采样点为例) ，设： 1 l 墨一 墨 二墨 i - l 五 驴一墨 生墨 = = r f 酢 华北电力人学硕十学位论文 f ( 气) 一( 气) i = 譬一 ( 2 1 9 ) m a x ( ( 气) 一易【。1 ( ) i ) 。 。 k = l 公式中分别对a ，b ，c 三相电流突变量求和，取三相的最大值与其相比较，得到相应 系数，这样做的主要原理是，故障相电流突变量较大，求和之后的数值也很大，而非 故障相的电流和相对较少，甚至为零，三相中电流突变量和的最大值肯定是故障相的电 流突变量，故障相的系数接近于1 ，非故障相电流和远小于故障相电流和，使得非故 障相的系数接近于0 。因此，在计算过程中，单相继电器电流应该表示为 ( ) + ，k 3 i o ( t 女) 。 通过上述分析之后，可以得到公式( 2 1 4 ) 中所需要的补偿电压的采样值表达方式 为： 姜1 ，( 气) l = 善1 1 0 】( 气) 一墨喑。】( 气) 一号 t 。】( 气) 一t o j ( t k 一，) l ( 2 - 2 0 ) 窆l ( 气) 一( 气) i 正= i ! 1厂 = l “妒( 气) 一r l i 妒( q ) 一争【( 气) 一( 气一。) 卜“纠。】( 气) 一墨【。】( 气) 一z 甲a 。i 妒【。】( 气) 一易【。1 ( 气一) 】| 膏_ ll 1 jj ji = 喜陋伊州气) h 讹h 0 】( 气) 心龇h ( 删叱t o ) g ) - 州删 | ( 2 2 1 ) 对于单相接地距离继电器而言，公式( 2 2 0 ) 和公式( 2 2 1 ) 中电流按照零序按相 补偿计算，而相间距离继电器则不引入零序电流补偿。 2 2 2 电压值修正系数 对于距离保护而言，不仅要保证在保护范围内故障时能够准确动作，而且要保 证在反方向故障时能够可靠不动作。对于反方向故障，在保护安装处同样可以测量 到电压的下降和电流的上升，也会有补偿电压突变量的产生。利用采样值计算过程 中，由于采样值信号是离散的数值，无法判断方向，可能会造成采样值突变量距离 继电器的误动作，因此在继电器保护判据中应该含有能够判断故障方向的参数。根 据公式( 2 - , 5 ) 可以得到正向故障时： 学：一乙 。( 2 - 2 3 ) 因此，根据电压和电流的突变量比值的正负可以区分故障的方向。当采用采样值进 行计算时，我们假设： 乜= 际商群带去 ：三上：上互：里竖 ( 2 2 4 ) = 一= 上= 上生 r 2 - t sl e t c o , i tz 似2 死z s 醴z s 醇 乙为保护系统背后阻抗，乙与乙方向相反。 当k z o 时，乙与乙方 向相同，可以认为是反方向故障。为了增强保护的方向性，在公式( 2 2 1 ) 中的电压突 变量计算式“( 气) 一坼。1 ( 气) 前加入系数乜，使得在计算过程中一旦计算出k z 的数值为正 数时，强制设k = 0 ，以此来保证反方向故障时保护绝对不动作。 此外，对比公式( 2 - 1 6 ) 中的吼一。l 和公式( 2 - 2 1 ) 中的“( 气) 一坼。1 ( ) 我们可以 发现，在进行相量计算转化为采样值计算过程中，假设故障前后电压变化只在幅值大小 上发生了变化，在方向上是同相位的。而实际上故障前后的电压相量之间存在着一定的 夹角，因此在采样值计算过程中有必要对电压值进行修正。 当系统发生单相接地故障时，结合图2 - 1 ，保护安装处m 侧测量到的电压突变量可 以表示为： 吼一。，= 一面2 c l z 丽u , + c o z u o 吒叫( 2 - 2 5 ) 其中： c i ：c ：j 苴丝l z ，l + 么i + 么| v 1 r 一 墨丛q 鱼q z m o + z l o + z n o 7 一! 兰巡! 墨型! 丛圣巡! 当! ! 气1 乙i + z i + z i 7 一! 兰巡! 兰型q 丛墨巡q 当! ! 锄一 z m ) + z l ，+ z n ) 假设忍= of f 勺情况下，如果故障发生在保护安装处，矽与q 。l 之间的夹角为0 。， 华北电力人学硕十学位论文 玩一哝【o 】可以用离散采样值“( 气) 一咋。l ( 气) 计算，但是当故障发生在线路末端时，矽与磁。】 之间出现一定的夹角，从而造成以一吃【0 1 的幅值与u ( t k ) 一u t 。l ( 气) 存在一定差值。以图2 - 6 的系统电压相量图分析： 由图中可以看出，也与巩【o 】之间的夹角口可以表示为： 口：z a o b ：a r c t 觚( 型盟竺生) ( 2 2 6 ) 、0 1 一p 【0 1s i n 艿 其中： d ：2 c , z m , + c o z m o 2 磊l + 磊。 万= _ a m b = a m o k ，万为玩【o 】超i ；i 【o 】的角度。当电力系统正常运行情况下发 生单相接地故障时，口角很小，若电力系统在万较大的情况下发生单相接地故障， 一 般情况下6 角也不会超过1 0 。，因此我们可以认为o a o b ，o a 表示故障后电压的数值 u ( t d ，o m 为故障前电压的数值。l ( 厶) ，所以m b = u t 。】( 气) 一“( 气) ，删= i d q 。】i ， m b = m a c o s 8 ，即坼。】( ) 一“( 气) = i d q 。1 i c o s 万。因此，在采样值计算过程中，对电压值 进行修j 下，设k u o i ( 气) 一“( 气) = i d q 。l i ，修正系数为： 瓦= 去 二ez u e 矗、l j 、 、：厣瀚r 歹7 强 。一7 7 、i! | 泌 ， 、遵| 图2 - 6 系统电压相量图 我们在设置保护判据中采用了整定阻抗末端的电压值作为故障点电压值的假设，因 此可以认为k 点和z 点重合，由图2 - 6 中的关系我们可以得到： 1 4 华北电力人学硕七学位论文 当乙：t a n ( 8 , 2 ) z s e t t a n 8 拈删觚【劬蛾他若乏1 其中4 为系统两端电势之间的夹角，正常运行时4 不会超过6 0 。，本文选用6 0 。 来计算。阻抗比值关系可以通过上述的计算k z 值获得，因此得到民的计算公式表示为： 2 2 3 电流值修正系数 牛；嚼1 c o s 【a r c ：t 孤【竿二二j 二】 ( 2 2 7 ) 首先为了保障距离继电器在反方向故障时安全不动作，参照上一小节中介绍的 电压值修正系数的分析方案，在电流突变量i ( t , ) - i f o l ( 气) 加入系数墨，使得当1 【2 ： o 的 时候，强制设k = 0 ，以此来保证绝对不动作。 其次电流值在相量转化为采样值计算时也有相位差的影响，会使采样值的计算量略 小于相量的计算量，二者的关系与电压的关系相同。但对于电流值而言，这些略小的计 算误差相对于短路电流暂态分量对于距离保护正确动作的影响而言，可以忽略不及。电 力系统中含有大量的集中式感性阻抗、集中式电容阻抗和分布式感性阻抗、分布式电容， 在突然短路的情况下，其衰减的自由分量给距离保护带来的影响主要是： ( 1 )非周期自由分量使短路电流向时间轴一侧偏移，使得电流正负半周不对称， 也使得电流的瞬时值增大或较小，反映在瞬时值计算的采样值突变量距离保护中，可能 使保护错误动作。 ( 2 )各种频率的分量叠加在基波频率上，使得其波形发生严重畸变，会使其幅值 和相位都发生很大的变化，可能使保护超范围动作。 ( 3 )在短路时电流大幅度增大并含有偏于时问轴一侧的非周期分量，会使电流互 感器铁心饱和，使精度进一步降低，由此造成电流传变的幅度误差影响距离保护的工作。 所以，对于采样值突变量距离保护中使用的电流信号在计算过程中，应当适当减少 其数值以减弱由于误差所带来的保护误动作影响。此外，减少电流分量在计算中的数值， 不仅能够减弱误差的影响，而且在防止超越方面还具有很重要的意义。设距离保护的动 作方程为： l ( 【，妒一0 1 ) 一k ( 一厶。】) 互甜l 1 【0 1 一厶。】五吖l ( 2 - 2 8 ) 将公式( 2 2 8 ) 转化为阻抗的表达形式： i z | i ，+ k 互“i i z u + l ( 2 2 9 ) 1 5 华北电力人学硕+ 学位论文 动作方程的阻抗表达方式如图2 7 所示： c 。心l 7 劢 图2 7 保护阻抗圆 公式( 2 2 9 ) 表示的动作方程是以z | ，+ k z 删为半径的圆，圆内为动作区域，圆外 为不动作区域。在图2 7 中，圆c l 为k = 1 时传统标准阻抗圆，圆c 3 为k ：0 5 时的 阻抗圆。我们可以从图中看出，当k 取小于l 的数值时，保护阻抗圆的大小会缩小，这 样设置虽然会使保护的动作区域减少，抗过渡电阻能力降低，但能够有效地防止暂态超 越的发生。对于采样值突变量距离保护而言，快速动作是其主要的特点，但是一切动作 的前提还是要保障动作的准确性。 墨的选取方法可以根据实际的情况而定。本文采用将电压修正系数和电流修正系数 关联起来，设： k + k = 2 k k ( 2 3 0 ) 选取k 的数值应该小于l ，才能保障动作方程不发生暂态超越现象，通常可以选择 o 8 到0 9 之间，对于长输电线路而言，由于整定过程中留有的裕度较大，不易发生暂态 超越的现象，k 的取值可以大一些；而对于短输电线路而言，发生暂态超越的概率较 高，乓的取值可以小一些。在计算过程中，先由公式( 2 2 7 ) 得到电压的修j 下系数k 一 然后再由公式( 2 - 3 0 ) 计算得到电流的修正系数墨，二者之间有相互制约的作用。如果 在计算中得到的k 。较大的话，证明保护系统背后阻抗值较小，此时短路电流会比较大， k ，可以适当的取比较小的值，可以更好的保障动作的可靠性。 通过这种电压和电流修j 下系数的选取关系，我们可以对采样值突变量进行优化，而 且可以根据测量到的电压和电流采样值的特点进行自动修正。以下总结几种情况进行分 析： 1 6 华北电力人学硕十学位论文 ( 1 )正常高电压长输电线路运行状态下，通常线路的阻抗值比较大，而系统背后 阻抗值相对较小，在计算过程中l 【z 值在2 0 到o 之间，此时系统发生故障，电流突变量 的数值较大，为了减少误差的影响，k 。= 1 1 5 l ，k = o 8 0 4 5 。 ( 2 )在弱电源运行状态下，输电线路阻抗值较小，系统背后阻抗相对较大时，在 计算过程中l ( z 值小于2 0 ，此时系统发生故障，电流突变量的数值较小，可以取k = 1 ， k = o 8 o 6 。 ( 3 ) 当发生反向故障时，在计算过程中l 【z 值大于0 ，此时无需计算k 。和k 的数 值，直接令k 。= k = 0 ，保障继电器绝对不动作。 ( 4 )当测量的电流突变量绝对值小于装置的精确工作电流时，在计算过程中有两 种情况的l c z 取值，一种是k z 负数无穷小，此时k 。= 1 ，k = 0 8 o 6 ；另一种是l ( z 正数 无穷大，此时k 。= 0 ，墨= 0 。无论何种取值，都可以保障动作的安全性。 2 3 采样值突变量距离继电器动作方程 2 3 1 保护判据的设置方法 总结如下： 羔k 。，( 气) | - 兰l “印】( 气) 一墨】( 气) 一争 【o 】( 气) 。】t k r e 一) i 卜刍。】( 气) i = l “印】( 气) 一墨锄0 】( 气) 一争1 【o 】( 气) 一。】一) j k = l k = lj j 一 一 羔咄气) 一“新气) i = 喜卜 ( 厶) 一。以) 一k 墨瞳( 厶) 一0 1 ( ) + 乏 ( 厶) 一( “) 卜【锄o l ( t t ) - 稿。，( “) 】 | 舷= 丽赢辨去云4 l k = c o s a r e t a n 二 o i 乏7 一z4 1 4 1 1 k i = 2 k k k 。 动作方程设置为： 陬气) 一( ) i 届( f ) l ( 气) l + 仍( f ) 纵气) 一( 饥。 ( 2 3 1 ) 1 7 华北电力人学硕十学位论文 对该判据是对判据公式( 2 2 5 ) 的进行修改，对其中添加的几个变量做如下解释： ( 1 ) 浮动门槛值i 嘭( 气) 一【0 1 ( 气) i 一 浮动门槛为磁( 气) 一砖【o 】( 气) 从保护继电器启动后第一个采样点到当前采样点之间数 据中，某一点的计算最大值。分别计算出a 、b 、c 、a b 、b c 、c a 六组继电器的 吒( ) 一吆。1 ( 气) ，然后在a 、b 、c 三组最大值中再取其中最大值作为单相接地距离继电 器的浮动门槛值；在a b 、b c 、c a 三组最大值中再取其中最大值作为相问距离继电器 的浮动门槛值。由于故障相的砖( 乓) 一磁【0 1 ( 气) 最大值大于非故障相的该数值，将故障相 的数值引入到非故障相判据中，增加非故障相的门槛值，增加保护选相跳闸的准确性， 同时由于浮动门槛的引入，还能够增强其克服干扰信号的能力，使保护动作的安全性更 高。 ( 2 ) 系数岛( f ) 和岛( f ) n ( f ) 和反( f ) 是固定门槛和浮动门槛的系数，该数值随着采样值的增多而逐渐变大， 设定这两个数组的目的主要是由于，固定门槛值为一个周期内的采样值数据，是2 4 个 点的和，数值较大，故障发生后，虽然补偿电压突变量会剧增，但由于采样点的个数较 少，在刚开始计算阶段，其值必然会远小于门槛值，这不利于实现保护的快速动作。由 于动作量随着数据增多而增大，是一种递增的关系，所以我们同样可以将门槛值设置成 一个递增的过程，在故障初期适当的降低门槛值，有利于加快保护的动作时间，又不至 于发生误动作，如图2 8 所示。在此选取的n ( f ) 和岛( f ) 为： 壅! 二! 丝盟q ：!旦：三竺：!q ：! ：! ：兰 ! ：! ! ：兰 ! ：! 摊7 ， ，蚓尴 i 渐变门槛 匕? 一一时钿。 2 3 2 保护选相基本原则 采样值突变量距离保护作为快速动作的主保护使用，应当具有选相功能，以满足单 华北电力人学硕+ 学位论文 相故障跳单相继电器的电力系统规程，保护虽然采用了三个单相继电器和三个相间继电 器分别计算的方法，但在单相故障时，相间继电器仍会受到影响，为了增加保护动作的 准确性，对动作信号还需要进行判断，最终决定是否跳闸，跳单相还是跳三相。 ( 1 ) 对于单相接地距离继电器一旦发出跳闸信号，断路器立即跳开单相断路器。 ( 2 ) 由于故障初期非故障电流畸变，也可能造成单相故障时，非故障单相接地继 电器也满足动作条件，但是由于非故障相的补偿电压突变量小于故障相的补偿电压突变 量，因此故障相必然在非故障相之前动作。所以一旦某一相接地距离继电器动作，该相 接地距离继电器只做保持，并立即退出其余各相接地距离继电器。 ( 3 ) 单个相间距离继电器动作，例如只有b c 相间距离继电器动作，只要判定不是 b 相单相短路同时也不是c 相单相短路才跳三相。判断以下条件是否满足 “乙( t k ) j j “：( t k ) & “么( t k ) 后“0 ( t k ) 。如不满足则不动作且立即退出相间距离继 电器。 ( 4 ) 两个相间距离继电器同时动作，例如：a b 和c a ，a 相肯定是短路相，只要 判定不是a 相单相短路“：c ( t k ) k a u ( t k ) 就砑6 - _ - 相。当“：c ( t k ) k a u 一( t k ) 时，保 护不动作且立即退出相间距离继电器。 以上取k = 0 3 ，可以保障b 相单相接地短路或c 相单相接地短路时有4 倍的可靠系 数不动作，b c 相间短路l 倍可靠系数不动作。 ( 5 ) 三个相间距离继电器同时动作跳三相。 按照继电器保护的要求，接地距离允许相间短路时先跳单相，再由相间距离跳三相。 相间距离允许选项失败，不允许误选相。无论单个还是多个接地距离继电器动作，之后 接地距离继电器都退出运行，相间距离继电器也是如此。 2 4 仿真验证 2 4 1 故障波形仿真分析 本文选取r t d s 试验得到的5 0 0 k v 故障录波数据来验证采样值突变量距离继电 器可行性。如图2 9 所示： k 4k 5 k 6 _ ( 啪 罗 罗 夕 无穷人电源s 冈f i 璺塑协 yyv 划丝k lk 2k 3 图2 - 9 5 0 0 k v r t d s 线路保护试验模型 1 9 华北电力人学硕十学位论文 线路长度为4 0 0 k m ，线路参数为：正负序= 乃= 0 0 2 2 q o n ；五= 五= 0