（电力系统及其自动化专业论文）采样值相关度在微机线路保护中的应用研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文采样值相关度在微机线路保护中 的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：垒盘日期： 知。7 3 7 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： 华北电力_ 大学硕十学位论文 第一章绪论 社会经济的迅速发展，一方面社会生产和人们生活对电力系统供电质量和可 靠性的需求越来越高，为了保证系统的安全、稳定和经济运行，必须提高继电保 护系统的工作性能。另一方面，我国电力工业在这几十年来迅猛发展，电力系统 规模迅速扩大，电压等级不断提高，建立了东北、西北、华北、华东、华中、华 南等大地区电力网络，并且网络之间也出现了互联，以后全国所有的电力网络将 互联成一个大系统，同时输电线路的电压等级也将提高到1 0 0 0 k v ，因此对继电保 护的要求越来越严格。 面对输电线路的发展和更高的供电质量要求，迫切需要进一步研究继电保护 新方法，从而来满足不断发展的电力系统的需要。 1 1 继电保护技术的发展现状及趋势“1 电力系统继电保护的发展经历了机电型，整流型，晶体管型和集成电路型几 个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。 我国的微机保护研究起步于二十世纪七十年代末期、八十年代初期，尽管起 步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，发展却很快。经过十多年的奋斗， 到了八十年代末，计算机继电保护，尤其是输电线路的微机保护已经被广泛的采 用。研究和实践证明，与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点，其主要的 特点如下： 1 改善和提高继电保护的动作特性和性能。表现在能得到常规保护不易获得 的特性；其很强的记忆力能更好的实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数 学理论和技术，如自适应，状态预测、模糊控制及人工神经网络等。 2 可以方便地扩充其他辅助功能，如故障录波、波形分析等。 3 工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积 小，功耗低。 4 可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使 用年限的影响：且自检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件工况以及功能 软件本身。 5 使用方便。其维护调试方便，缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场 可以通过软件方法改变特性、结构。 由于微机保护的上述优点，新的保护原理的研究和微机实现也越来越受保护 界的关注。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 相关技术在继电保护中的应用 相关技术是信号处理的基本方法，在声、光、力以及地震学、生物医学等工 程领域e t 益得到推广应用0 1 。相关技术主要是用来研究两个信号波形之间的相似 或相依程度。在数字信号处理的算法中，相关技术大量地用于求取一个正弦变化 模拟量采样值的幅值和相位。“1 。近几年来有些文章把相关技术应用于继电保 护原理中，进行了有意义的研究。文献 7 8 提出了一种利用电流波形相关性分 析来识别励磁涌流与内部故障的方法。文献 5 6 利用采样值相关的原理提出了 一种变压器保护新判据，由于采样值不需要付氏滤波来获取所需要的分量，使得 变压器保护原理对频率偏移和谐波的影响具有一定的抵御能力，并且只需较短的 数据窗，动作速度快，对于变压器的动作性能具有很大的提高。文献 1 0 提出了 一种利用线路两侧电流的相关特性实现电流差动保护的新判据。对于单回线路而 言，特别是长距离、超高压线路由于其分布电容的影响，造成线路两端的电流波 形出现较大差异，这些因素势必会造成相关分析的准确度，但是在对线路分布电 容进行补偿之后，并经过科学的定值设置，采用其移动数据窗的采样值相关度平 均值是否低于门槛值来判别，提高了线路保护的可靠性。文献 9 提出基于相关 度的发电机采样值完全纵差保护，该保护可以在1 1 4 周波内动作，能够识别外部 故障时电流互感器饱和造成的不平衡电流，能够抑制各种瞬间干扰的影响，大大 提高了发电机保护的可靠性。由上述分析可见，原来采用差动的保护原理，在利 用采样值相关度分析判据后，保护的性能得到了提高，动作速度加快，对于越来 越重视电力系统的稳定性的微机继电保护而言，采用相关技术具有可靠性和工程 使用价值。文献 4 7 将相关分析法应用于故障信号的分析中，提出了一种新型的 双回线选相原理，能够快速、准确地识别故障信号之间的相位关系，实现了在各 种双回线故障类型时正确选相，对单端量的双回线保护具有重要意思。文献 4 8 利用小波分析提取了高频电流分量，利用相关性判定了高频部分的相似性，在此 基础上引入模糊理论对相关性建立多特征判据进行选相，该方案不受系统运行方 式、系统振荡和短路过渡电阻的影响，能较好地适应高频干扰及三相线路不平衡 的影响，均能快速选出故障相别。 1 3 平行双回线保护研究现状 1 3 1 分相电流差动保护 随着通信技术的日益成熟，分相电流差动保护在电力系统中得到了广泛的应 用。分相电流差动保护按相进行两侧电流幅值及相位的比较，线路两侧同时按相 切除故障相。分相电流差动保护具有原理简单、不需要p t 输入、不受系统振荡 2 华北电力丈学硕十学位论文 及负荷的影响、对全相和非全相运行中的故障均能正确选相并跳闸等优点。对于 同杆并架双回线的跨线故障，分相电流差动保护能实现正确选相并跳闸。因此，在 通道条件允许的情况下，应首先选择分相电流差动保护。 通道的安全性和可靠性及传输容量是分相电流差动保护使用的先决条件。分 相电流差动保护传输信号的通信方式主要有两种：微波通道和光纤通道。具体采 用哪一种通信方式取决于线路的长短和系统本身的通信条件。一般说来，短线路 保护通常都采用专用光纤通道，而对于长线路通常采用复用光纤或微波通道。 分相电流差动保护两端电流同步采样问题是其应用中的一个关键问题。目前 两端电流的同步方法有两种：“乒乓”时自j 调整技术和利用g p s 实现同步。 对于超高压长线路，分相电流差动保护要考虑电容电流的补偿问题。 1 3 2 横联差动保护 在中、低电压等级平行双回线路上，横联差动保护得到了广泛应用。横联差 动保护的优点是不需要通道、构成及运行维护简单，缺点是存在较大相继动作区、 单回线运行时保护退出运行。横联差动保护可分为横联方向差动保护和电流平衡 保护。横联方向差动保护是根据短路电流的大小和方向来选择故障线路。电流平 衡保护是比较两回线中电流的幅值，以双回线差电流作为动作量，以双回线和电 流作为制动量，当动作量大于制动量时保护动作。电流平衡保护的缺点是弱馈侧 灵敏度不足。它们共同的缺点是在双回线发生同名相跨线短路时拒动。 我国电力系统中应用的横联方向差动保护有：i s a 一2 8 5 a 型微机横联差动电 流方向保护装置、l f p 一9 6 7 a 型方向横差保护等。微机型横联方向差动保护在原 理上与传统的横联方向差动保护基本致。 同横联方向差动保护相比，电流平衡保护由于不需要输入电压量，在我国的 电力系统中也被广泛应用，如l f p 一9 6 7 b 型电流平衡保护。 文献 1 9 提出了一种基于电流行波的双回线横差保护，其原理是通过比较两 回线电流行波波头的不平衡系数与l 的大小关系来区分区内、区外故障，但是在 具体判别哪一回路故障时需要引入行波方向元件，尚未充分利用电气信息量，另 外不太容易获取初始行波波头。 文献 2 0 利用双回线上的两个距离继电器的相互闭锁回路巧妙的实现了相 继速动功能，该方案简单可靠，性能良好，不但适用于不对称故障，而且适用于 对称故障，是一种简单实用的加速保护方案。但是，该保护动作的必要条件是非 故障线的距离三段先启动后返回，这从某种程度上来说动作条件过于苛刻。 华北电力大学硕十学位论文 1 3 3 相继速动保护 相继速动保护通常是在单回线路距离保护的基础上，增加一些新的功能。实 现相继速动。相继速动保护保留了距离保护的独立性，它的优点是经济、维护方 便。如l f p 一9 4 1 型微机保护。 双回线相继速动保护在线路末端发生短路故障时，切除故障需要一定的延时， 因此只应用于中、低压线路上或故障对系统稳定性影响较小的线路上。 1 3 4 距离纵联保护 距离纵联保护主要是为了解决双回线装设传统距离保护的情况下，在线路末 端发生两非同名相跨线故障时，两回线保护均判断为相间故障而同时切除三相的 问题。如c k j 一3 型距离保护( 需要一个通道) 和t l s 距离保护( 需要两个通道) 。 1 4 单相自动重合闸的研究 自动重合闸是保证电力系统安全供电的一种有效措施。自动重合闸分为单相 自动重合闸、三相自动重合闸以及综合自动重合闸。三相自动重合闸是指无论送 电线路上发生任何故障，继电保护装置动作后均使断路器三相跳开，然后重合闸 再将三相投入。三相自动重合闸在超高压输电系统中往往不能满足系统动态稳定 性的要求。在2 2 0 5 0 0 k v 的架空线路上，由于线间距离大，运行经验表明，其 中绝大部分故障都是单相接地短路。在这种情况下，如果只把发生故障的一相断 开，然后再进行单相重合，而未发生故障的两相仍然继续运行，就能够大大提高 供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。单相重合闸用在联络线上时可以在故障 时大大加强两个系统之间的联系，从而提高系统并列运行的稳定性，对于联系较 弱的系统，当采用三相重合闸而难以恢复同步时，采用单相重合闸就能避免两系 统间的解列。在单侧电源供电的线路上采用单相自动重合闸可以不问断对用户的 供电，因此单相重合闸已经成为超高压输电线路重合闸的主要方式。 传统的单相自动重合闸方案对瞬时性故障和永久性故障不做区分，如能正确 区分瞬时性和永久性故障，只对真正的瞬时性故障进行重合，将很大程度上提高 系统和电气设备的安全运行水平。 自从葛耀中教授提出自适应重合闸思想后，国内外学者相继提出了许多自适 应重合闸的理论和方法。文献 1 4 提出了利用超高压输电线路所具有的电容耦合 电压区分瞬时性故障和永久性故障，如为瞬时性故障才重合。文献 1 5 提出了利 用电压谐波信号区分故障性质，当谐波比较小时，灵敏性会受到较大影响。文献 1 6 提出基于人工神经网络技术识别永久性故障和瞬时性故障的方法，该方法能 4 华北电力大学硕士学位论文 可靠识别瞬时性和永久性故障，但网络结构及其权值需要离线并采用大量学习样 本进行训练，同时需要存储大量的数据，方法比较复杂。文献 1 7 提出了一种利 用电压高频信号谱能量实现自适应自动重合闸判据，具有较高的灵敏度和广泛的 适应性。然而，该判据利用单一的时窗提取能量，较难适应复杂多变的系统运行 状态和故障状态。文献 1 8 提出了基于数学形态学滤波的双窗暂态能量比的自适 应重合闸方案，但对于线路上有串补和并联电抗器补偿设备的情况，故障暂态过 程中电压信号会含有多种谐波成分，而且需要建立很复杂的电弧模型，因此实现 起来比较困难。 1 5 本论文的工作 本文针对平行双回线的特点，考虑到传统方向横差保护方向元件死区问题以 及电流平衡保护的应用局限，采用采样值相关度原理实现双回线的无通道单端保 护。针对双回线的零序互感问题，提出了基于采样值相关度的改进纵联零序方向 保护。正确区分瞬时性故障和永久性故障对电力系统的稳定性有着不言而喻的重 要性，单相接地故障在所有故障类型中所占比例最大，因此研究单相自动重合闸 对微机线路保护也有着更加重要意义，本文提出了基于改进采样值相关度的单相 自适应重合闸。 本论文的主要工作包括以下几个部分： 1 深入研究传统平行双回线的横差保护，考虑到平行双回线线路参数的特 点，以及发生区内、区外故障时两回路电流的特征，采用两回路电流采样值相关 度原理，提出了基于采样值相关度的保护判据。利用p s c a d e m t d c 仿真工具仿真 了各种工况下的电流情况，使用m a t l a b 的数据处理功能计算了相关度曲线，验 证了原理的正确性。和传统的电流横差保护相比，该方法可以使用较小的数据窗， 动作快，无死区，不受系统运行方式以及过渡电阻的影响，可以实现双回线无通 道单端保护。 2 深入分析了零序互感对线路纵联保护的影响，推导了不同的双回线方式 下接地距离保护测量误差。针对南网某地区系统的保护动作情况，分析了保护误 动的原因，研究了受零序互感影响的线路纵联零序方向保护误动的情况，根据仿 真系统零序互感较大时线路零序电压的特征，提出基于采样值相关度识别零序电 压相位的改进纵联零序方向保护。 3 通过对瞬时性故障时恢复电压的分析，研究了瞬时性故障和永久性故障 时电压的各自特征，比较了原始相关度和改进相关度的区别，提出基于改进型相 关度的单相自动重合闸方案，改进后的相关度更有效地利用了幅值和相位两者信 息，从而正确区分瞬时性故障和永久性故障，可靠地实现自动重合闸。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章基于采样值相关的双回线无通道保护 在电力系统中，为了保障供电的可靠性，为了提高系统并联运行的稳定性和增加 线路的传输容量，常常采用双回线路供电方式。双回线路的特点是两条线路在两端均 有相连的公共母线，双回线路的线路长度也差不多。双回线按架设方式不同可分为三 种：双回线平行式( 两回线架设在同一个走廊内) ；双回线式( 两回线架设在两个不同 路径) ；同杆并架式。 由于同杆双回线共用塔杆，所需出线走廊窄，具有占用良田少、节省投资和建设 速度快等特点，经济效果显著。因此，除像日本这样地少人多的国家中已经在1 i o k v 5 0 0 k v 电压级中大量采用同杆双回线外，目前在我国2 2 0 k v 系统中同杆双回线的采用也 将日益增多。 和普通的单回线类似，双回线可以过流保护、距离保护和纵联保护等原理分别实 现两回线路的保护。过流保护和距离保护是基于单端电气量的保护保护原理，不需要 通信通道，但当线路末端发生故障时需要延时，无法实现全线速动，而纵联保护虽然 无须延时实现全线速动，但其需要通信通道，增加了成本降低了可靠性。 在中低电压等级的平行双回线上，广泛采用横联差动保护作为主保护。横差保护 主要包括横联方向差动保护和电流平衡保护，横差保护具有原理简单，易于实现的优 点，无须通道，对平行双回线内部故障能快速切除或依靠相继动作切除“。横联方向 差动保护是反应两回线路短路电流的大小和方向，从而有选择地切除故障线路的一种 保护方式。在传统地横联方向差动保护方案中，引入了方向元件，方向的判定需要引 入电压，在线路出口发生三相短路时，母线上的残余电压接近于零，横联方向差动保 护的方向元件可能不动作而形成电压死区，保护拒动。横联方向差动保护的另一个缺 点是相继动作区大。电流平衡保护的原理是基于平行双回线两回路中电流的幅值大小 而工作的。在正常运行或外部发生短路时，两回线路的电流相等，保护不动作。在平 行线路内部发生短路时，故障线路中流过的短路电流大于非故障线路中流过的短路电 流，保护就动作，并使故障线路的保护动作。但是电流平衡保护只能用于电源侧，不 能用于非电源侧。 为了提高横差保护的动作特性，国内外学者进行了一系列研究并取得了一定的成 果“3 2 ”1 。文献 2 5 采用记忆电压的方法消除横差方向保护的死区；文献 2 6 和 2 7 采用零序横差保护原理和电压启动元件提高横差保护的灵敏性；文献 2 s 探讨了采用 工频变化量原理改善电流平衡保护动作特性的方法。文献 1 3 综合多种方法对提高横 6 华北电力大学硕十学何论文 差保护的可靠性和灵敏性进行了研究，并提出了完备的双回线路横差保护方案。 文献 2 9 - 3 1 提出了一种基于方向元件的双回线无通道保护新原理，它通过比较双 回线同端两条线路上的方向元件的输出来判断远方断路器的动作情况，从而判断是否 在区内发生故障，并进行了仿真试验。但是这种原理不适合单端电源系统，有一定的 缺陷。文献 1 9 为了在平行双回线上实现利用单端电气量的超高速保护，提出了一种 基于初始电流行波的新型继电保护原理电流行波横差保护，通过比较双回线上初 始电流行波的方向来判断是否在区内发生故障。但是行波波头的测量比较困难，以及 不确定因素比较多。 本论文针对平行双回线的特点，考虑两回线电流采样值的相关度，分析了基于工 频量相关度的双回线保护原理。该保护无需方向元件，具有较小的动作区，原理简单， 易于在微机保护中实现，同时不受系统运行方式、电力系统振荡和短路过渡电阻的影 响。 2 2 相关技术及其在电力系统继电保护中的应用 相关技术是信号处理的基本方法，在声、光、力以及地震学、生物医学等工程领 域日益得到推广应用。相关技术主要是用来研究两个信号波形之间的相似或相依程 度。在数字信号处理的算法中，相关技术大量地用于求取一个正弦变化模拟量采样值 的幅值和相位。近几年来有一些文章把相关技术应用于继电保护原理中，进行了有意 义的研究。 文献 3 2 利用相关分析的概念，设计了一种基于波形相关的励磁涌流识别判据， 它比较故障后电流一个周波数据窗内i ； 后半波的对称性，变压器内部故障时前后半波 的对称性比较好，而励磁涌流发生时前后半波的对称性比较差，利用这个特征能够区 分变压器内部故障和励磁涌流。这种方法综合利用了波形中的形状、大小等特征，性 能比较优越。文献 3 3 对用波形相关法识别励磁涌流进行了改进，修正了波形相关分 析的起点判定方法，改进了波形相关系数的计算公式，仿真和实验结果证明经过改进 的算法性能有明显提高。文献 9 提出了基于相关度的发电机采样值差动保护原理， 并利用短数据窗连续计算相关度，根据多点相关度的情况清晰地区分了发电机内部与 外部故障。文献 6 提出了基于采样值相关度的变压器差动保护，由于采样值不需要 付氏滤波束获取所需要的分量，使得该保护原理对频率偏移和谐波的影响有一定的抵 御能力，并且数据窗短，动作速度快，可以抑制各种瞬间干扰的影响，保护可靠性高。 文献 1 0 提出了一种利用线路两侧电流的相关特性实现电流差动保护的新判据： 0 e ( t ) = l ( t ) 4 馘( t ) d t 一舷( 2 - - 1 ) 0 由于式( 2 - 1 ) 没有进行归一化，定值e 。的取值会受线路运行状态的影响。对 7 华北电力大学硕+ 学位论文 于单回线路来说，特别是长距离、超高压线路由于分布电容的影响，即使线路内部没 有故障，线路两侧电流波形也不是完全一致的，这势必会影响基于相关分析的线路保 护的性能。而对于平行双回线而言，两回线路的参数相同，区外故障时同端测量的两 回线路的电流是完全相等的，所以这非常适合相关技术分析的应用。 2 3 离散信号相关度的定义 相关技术可以用来研究两个信号波形之间的相似或相依程度。如文献【l 】所示， 设z ( n ) 和) ，( 弗) 为两个能量有限的离散信号，为研究它们之间的差别，定义p 0 为石( ，1 ) 和y 伽) 的相关系数为： 如= 砌) _ ) ，( ，z ) ( 2 - 2 ) 进行归一化处理后得到： 工( 疗) _ ) ，( ，z ) 岛2 气翌_ i ( 2 - - 3 ) ( x 2 ( h ) ) ，2 ( n ) ) 乃 p 0 是归一化相关系数，可以表示两个离散信号j ( h ) 和y ( n ) 之间的相似程度或相 关程度。 实际应用中被分析的离散信号不可能无限长，只能对一段时间内的两个离散信号 进行分析。假设用某一段时问内的两信号采样值来计算这段时间内两信号的相关度， 设该段时日j 内采样点数为n ，则： z ( 坝f ) 驴夏i 丽= 1 q _ 4 ， ( x 2 ( f ) ) ，2 ( f ) ) 龙 、。” 对于式( 2 4 ) ，当工( 万) 和) ，( 厅) 中有一个为0 时，此时分母为0 ，全式无意义；当 n = 1 时，不论x ( n ) 和y ( ) 为何值，式( 2 4 ) 始终为1 ，无法区分两个信号的差别。 为了避免这些情况，并更容易区分两信号的差异，把式( 2 - 4 ) 修正为： 工( 坝f ) p 。2 n (z-5) m a x ( ) - ：, x 2 ( f ) ，ey 2 ( f ) ) 7 华北电力大学硕十学位论文 可以用式( 2 1 5 ) 所求得的相关度几来表示某段时问内1 n 点的两个离散信号 算( 咒) 和y ( n ) 的相关度。计算数据窗长度n 的取值也可长可短，两个信号的相关度 l p 。i - f ：( f ) ，满足区内故障线路厶的动作条件，故保护1 f - l i = l 动作，厶线路跳闸。但从图2 1 9 看出，当故障点的位置接近保护侧末端时，两回路 电流很接近，相关度值近乎整体在定值以上，计算所得的采样值相关度平均值也要高 出定值0 8 许多，所以不能满足线路厶的动作条件，此时只能借助于对端保护跳闸 后本侧保护相继跳，即利用相继动作来实现无通道保护。 2 5 2 2 考虑过渡电阻和两侧电势夹角不同时的仿真结果 下表2 - 1 从两侧电压夹角分别为3 0 。和6 0 。以及过渡电阻分别为5 0 0 、1 0 0 q 、 1 5 0q 和2 0 0q 做了大量仿真，得出不同工况下的仿真结果如下表： 表2 一l 不同工况的仿真计算结果 m 、n 两端电 躺点 置 f tf 2f 3y - , 4 势夹角过渡电阻 r g = 5 0 q 1 3 1 lo 3 4 3 lo 8 0 7 2l r g - - m o o 1 9 4 8 o 4 0 4 10 8 3 5 9 1 3 0 。 r g = - l s 0 0 2 5 2 50 4 5 4 4o 蝴1 r 辔= 2 0 0 0 3 0 3 4q d m sn 8 8 0 8l 1 6 华北电力大学硕十学位论文 r g = 5 0 o 2 1 6 5o ，4 4 6 70 8 9 1 6 l 睁- 1 0 0 0 3 1 4 70 5 2 2 7o 8 9 9 6l 6 0 。 r g = - l s 0 0 3 9 4 70 5 8 2 lo 9 0 0 4l r g - 2 0 0 0 4 6 0 10 5 9 1 2 o 9 0 8 3l 由上表结果看出，在不同的两侧电压夹角以及不同的过渡电阻情况下，相关度的 值会发生一定变化，但对整个判据没有影响。在区外发生故障时，相关度基本在1 附近，平均值仍然接近于l ，所以保护可靠部动作；在区内保护非末端附近发生故障 时，相关度的平均值都在定值以下，同时可以得出i i ( i ) f ：( f ) ，满足区内故障线 i f f i li = l 路厶的动作条件，故保护1 动作，l 1 线路跳闸；在区内保护末端附近发生故障时， 仍需采用相继动作来实现本侧保护的动作。 2 6 小结 本章在深入分析信号的采样值相关度原理基础上，参考采样值相关度技术在变压 器励磁涌流鉴别以及发电机差动保护等的应用，考虑了平行双回线的特点，采用采样 值相关度曲线来区别双回线的区内与区外故障，同时利用采样值能量来判别故障回 路。该保护动作速度快，与传统的横差方向保护相比，不用装设功率方向元件，因此 不用考虑由于出口短路造成的功率方向元件电压死区；经过大量仿真试验，受系统运 行方式和过渡电阻的影响很小，相继动作区较小，接线也比较简单。与传统的电流平 衡保护相比，既可以用于电源侧，也可以用于非电源侧，同时本保护的原理比电流平 衡保护灵敏度高，有更高的可靠性。在不考虑电流互感器饱和的情况下，暂态过程中 的非周期分量、各次谐波分量对判据结果没有影响，因此判据不需要通过付氏滤波来 取得所需要的工频分量，而是直接处理采样值。由于求取相关度是综合利用多个点来 求解，相当于多个离散点的积分作用，因此有利于抑制各种瞬间干扰的影响，具有较 高的可靠性。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章零序互感对纵联保护的影响及采样值相关度原理的应用 3 1 引言 电力负荷的快速增长和电力系统的不断发展对节约线路走廊和投资的要求造成 平行多回线、不同电压等级的平行线路的大量出现。平行线路之问的正序和负序互感 很小，同时由于线路的换位一般可以忽略不计，但零序互感则无法避免，由于零序互 感的存在，对通信和继电保护都造成严重的影响1 。 3 2 具有零序互感线路的类型及双回线零序互感 3 2 1 具有零序互感线路的类型 国际大电网会议工作组将具有零序互感的线路分为以下三个几本类型： ( 1 ) 具有共同正序和零序电源的平行线路； ( 2 ) 具有共同正序但不同零序电源的平行线路； ( 3 ) 没有共同正序和零序电源的平行线路。 其他的类型可以看成这三种基本类型的组合，而且也可以利用对此三种基本类型 的分析为基础进行分析。由于双回线在目前更为普遍，所以本文仅针对双回线进行分 析。 3 2 2 双回线零序互感 对于同杆双回线，在完全换位的情况下，当各线路通过正序( 或负序) 电流时， 由于每回线三相电流之和等于零，因而各回线之间的正序( 或负序) 的平均互阻抗系 数将为零川。但由于导线与导线之间的几何电气距离不可能达到完全对称，而且线 路之间距离较小，因此线路之间的零序互感影响会很大( 如图3 - 1 所示) 。 图3 1 双回线零序互感示意图 华北电力人学硕十学位论文 3 3 零序互感对纵联距离保护的影响 3 3 1 具有共同的正序和零序电源的平行双线路的零序互感及其对接地距离保护的 影响 所谓有共同正序电源是指平行线的两端都分别接在同一母线上，所谓有共同零序 电源指平行线在两端都分别具有共同的接地中性点。如图3 2 的平行双回线示意图。 图3 2 具有共同正序和零序电源的平行双回线模型 对于单回线，接地距离的测量阻抗为： z 。：! 基：! 厶：丝! 生! 兰! ! = z 缸一i 一玎酉 式中k 按照复数计算，可以表示为： 霞：丝 3 z l 假设i 回线路上k 点发生a 相金属性接地，则其零序等效网络如图3 - 3 所示， z i f z i 。o z 图3 3 双回线中i 回线a 相接地的零序等效网络 对于m 侧i 线路的a 相有： u l 肛= u 1 艇t + u i 艋2 + u i 艋o = 0 u i 埘o = u i o n z l o ，i o n z m o ，i i o u i “l 。u i 广n z l l ，i 1 u i “2 = u l 2 6 z i l i l 2 1 9 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 华北电力大学硕十学位论文 由对称分量法， u i = u i l + u i 2 + u i o i i = i i 1 + i i 24 - 1 1 o 将式( 3 - 2 ) 式( 3 - 4 ) 带入式( 3 - 1 ) ，得到： u i o 一彪“ o 一必m ，i i o + u i 广舷i l ，f l + u i 2 一舷i l ，ia 2 2 0 化简上式( 3 - 7 ) 可得 疗i = u i m 十 2 + ( ，i o = 舷i o ，i o + 彪枷，o + 眩i l j l 1 + 磁i l j i 2 = 彪1 l j i + 口( z i o z 1 1 ) ，i 0 + n z 盯o ，o ：醒。( 1 a t r 笔墨j i 0 + 孕j o ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 设i 、i i 回线的零序电流分布系数为 c m = 每 = 每， 并设零序自感复补偿系数和零序互感复补偿系数为 毛= 玺、丘= 簪， 可得， u l = a z l t l l + 3 k s i l a o + 3 k m i j i o ) ( 3 - - 9 ) 如果加在接地距离元件上的电压、电流分别为： u k = u i 、k = ，i a + 3 配，1 o + 3 k ，0 ， 则距离元件的测量阻抗为： r ，rr z i = 争= 争l 一- - a z i l (310)i ” ki + 3 k s ，i o + 3 k m l i i o “ 从上式( 3 - 1 0 ) 可以看出，对于平行双回线，要使接地距离元件能够准确地测量 接地点距离保护安装处的距离，在继电器电流中不仅需要引入本线路零序电流，零序 补偿系数，还要考虑另一回线路通过零序互感产生的零序互感电流以补偿零序互感造 成的影响。 从以上的推导公式可知，在不进行零序互感补偿时，故障线路i 的m 端保护测得 的测量阻抗为： z i a = 赢2 等辫石丽u 1 丽a 而 华北电力人学硕十学位论文 瑙- 一紫+ 3 k瑙小彘j “ “s ，i o “lj l + 3 b ，l 0 j 测量阻抗的百分误差为 a z | a = 溉则慨2 黼刈嗍 ( 3 一1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中，c 1 0 和c l f o 分别为线路i 和线路u 的零序电流分布系数。从式( 3 - 1 2 ) 可 以看出，阻抗的测量误差与零序互感产生的电流j 。成正比，也与互感阻抗z 。( 互 感系数霞。) 的大小成正比。 由序网分析知，在单相接地短路点i ir 1 = i i 置2 = i i 髟o ， 设所有的正序阻抗等于负序阻抗，则线路im 端正序、负序电流分布系数c i 。、 g ：。相同，都等于 耻c m = 每= 等， 则 a z 。：0 蛐牟1 0 0 ：一里毕丝譬一1 0 0 1 6 ，i + 3 k 5 c l o ，岸o ，l l + ，1 2 + j i o + 3 k j c l 0 ，o ： ! 坠红尘：1 0 0 ( 2 c i l + c i o 十3 k s c i o ) ，x o ： ! 鱼血：1 0 0 ( 3 1 3 ) 2 c 1 1 + c i o ( 1 + 3 k s ) 从上式( 3 - 1 3 ) 可知，测量阻抗误差只与故障线路正序、零序电流分布系数和零 序自感、零序互感补偿系数有关，电流分布系数还与接地点位置有关。同时，测量阻 抗误差还与线路的运行方式有关。可以分下面三种情形研究： ( 1 ) 双回线运行端断开或为弱电源对欠范围接地距离i 段的影响 如图3 4 所示的运行和故障情况。由于在这种故障情况下，n 端没有注入故障点 的电流，或注入电流最小，n 端母线电压最低，健全线的零序电流最大，因此互感影 响也最为严重。 2 1 华北电力大学硕十学位论文 图3 - 4 双回线一端断开一回线a 相接地等效图 设两条线路阻抗相等，全线互感相i 司，且为简单起见日j 设 c i i = c i o ，j i l = j i 2 = j i o ，j 1 - - - 3 i l o = 3 i i o ， 则从线路i 的m 端直接到故障点电压方程可以写成 口o = 疗m + j i o o z i o + j o c 】z f o ( 3 - - 1 4 ) 从线路i 的m 端绕到线路i i 再到故障点可以写成 d 拟o = 疗f o + j o z o + j l o n z 埘o + ( 1 一a ) z i o j o - ( 1 - a ) z 材o j i i o - o - a ) z 肼。j h o ( 3 - - 1 5 ) 由上两式可得， 甜i o ( z i o z m o ) + ，o ( a z f o z o o ) + ( 1 一口) ，o ( 2 z 肛o - z l o ) = 甜l o ( z i o z f o ) + 矗o 【( 应! 肼o - z o ) + ( 1 一a ) ( 2 z _ | l ，o z i o ) 】 = 面i o ( z i o z f o ) + 矗o 【( z ，o - z i i o ) - ( 1 - a ) ( z 1 0 一z 村o ) 】= o 则得气和l 。的关系如下： 1110=瓦乏a万(zio瓦-zu丽o)ilo ( 3 一1 6 ) j x 。= j t 。+ ，u 。= 瓦1 1 a ( z t 。- z u 。) = 瓦( z h o - z u o ) + ( z t o - z u o ) ( 3 - - 1 7 ) 将式( 3 1 6 ) 、( 3 - 1 7 ) 代入零序电流分布系数公式，可得 c - o = 每= 等嵩努( 3 - - 1 8 ， c o = i i i i o = 每每= g 。+ 瓦i 丽a ( 而z i o 二- z m 涵o ) 而( 3 - - 1 9 ) 华北电力大学硕+ 学位论文 正、负序电流分布系数可锝 q t = 丢= 每= 磴 ( 3 2 0 ) 将式( 3 1 9 ) 、( 3 - 2 0 ) 代入( 3 1 3 ) 即锝阻抗测量误差z i 。 另外，对于阻抗完全相同的双回线有z t 。= z l ，z l o = z h o ，则 c t 。：一i i o ：( 2 - o e ) ( z i o - z ”o ) ( 3 2 1 ) “ j f o2 ( z ! o z o ) e l i 0 = 南= 笺毪笋一( 2 - a ) = 詈 ( 3 2 2 ) c i 。= c 1 = 等( 3 - - 2 3 ) a z 一2 互云热o o 5 蔫o o ：竺丛：1 0 0 ( 3 2 4 ) ( 2 一口) ( 1 + k s ) ( 2 ) 双回线中有一回停运检修，另一回运行的方式 对于这种运行方式又分为两种情况。一种是停运线路两端断开不接地或只有一端 接地，在这种情况下停运线路中没有零序电流( 忽略电容电流) 也不会产生互感影响。 另一种情况是停运线路两端接地。在这种情况下，两端接地线路对零序而言( 正序负 序互感很小可以忽略不计) 相当于一个变压器短路的副边绕组，其互感的影响必然使 一次绕组( 线路i ) 的总零序阻抗减小，因而使接地距离保护的测量阻抗减小，使保 护范围伸长。 设在线路i 的k 点a 相接地短路，在一般情况下，线路i i 的电流方向与线路i 的 电流方向相反，对于线路i 的感应电流而言具有去磁作用，但厶。是由线路i 故障点 两侧的零序电流气。和l i o n 共同感应产生的，其方向取向于两