（电力系统及其自动化专业论文）高压线路微机保护关键模块的研究与改进.pdf

东南大学硕士学位论文 s t u d ya n di m p r o v eo n s o m e i m p o r t a n t m o d u l e so f u 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 ep r o t e c t i o n c h e n w e i s u p e r v i s e db yj i a n gp i n g ，m aw - l g ( e l e c t r i c e n g i n e e r i n g d e p a r t m e n t o f s o u t h e a s t u n i v e r s i t y , g u o d i a n l q a n j h a g a u t o m a t i o n c o 。，l t d ) a b g r r a ( 汀 a si n t e m a li n c e s s a n td e v e l o p m e n to fp o w e rg r i dt e c h n o l o g y , t h ed e m a n d i n gf o rt h em i c r o c o m p u t e ru i - i v ( 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 ni sh i g h e ra n dh i g h e r t h ep a p e re m p h a s i z e dr e s e a r c ho i l s e v e r a lk e ym o d u l e so fm i c r o c o m p u t e rt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n , w h i c ha l s oo f f e r e ds o m ee f f e c t i v ea n d p r a c t i c a b l em e t h o d t h ea c h i e v e m e n ti sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ew a v e - c o m p a r ef a s td i s t a n c er e l a y , w h i c hi sa p p l i e ds w i t c h i n go f fl o c a ls e r i o u sf a u l t ，e s t i m a t e se r r o r o f f i l t e r c r i t e r i o n b y r e a l - t i m e m e a s u r i n g t o f r e d n o i s e l e v e l ，c o n s e q u e n t l y a c h i e v e s p r o t e c t i n g f l e e t l y 2 i t a n a l y s e st h er u l ea n di n f l u e n c e0 nt h ev i e 哆o fm e a s u r ei 1 1 单e d a l l o e w h i c hi sc a u s e db yp o w e r s y s t e ms w i n g p u t t i n gf o r w a r d3n e wo p e ns w i n gb l o c km e t h o d ：s w i n gd e t e c t o r , i m p e d a n c ev a r i e t y d e t e c t o ra n di m p e d a n c ec o m p a r e c o m b i u l n ga b u v e - m e n t i o n e dm e t h o d s ，t h ep r o t e c t i o nc a l ls w i t c h f l e e t l yo f fi n t e r n a lf a u l td u r i n gt h ec a u mo fs w i n gb l o c ka n dp t e v e n tf l o r at r i p p i n gm i s t a k e n l ya s e x t e r n a lf a u l td u r i n gt h ec o u r s eo f s w i n g 3 i tp u t sf o r w a r dt h en e wp h a s es e l e c t o rt oa m e n dt h eb u gf o rc u r r e n ts n d d c nv a r i a b l ea n ds c q n e n c e c o m p o n e n ta sc o n v e r t i n go rc l o s s - - e o n n t r yf a u l t w h i c hi sb a s e di nc u r r e n t & v o l t a g ec o m b i n a t i o n s u d d e n v a i l a b l ea n dc o m p e n s a t e dv o l t a g es e q u e n c ec o m p o n e n l k e y w o r d s ： u l t r a - h i g h - v o l t a g ew a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n s w i n g - b l o c k i n g p h a s es e l e c t o r f a s td i s t a n c e 埠l a y 1 l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 酶e t 期：趔山 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 z 。由( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 两式可见陋【，o ，1 1 4 u ，i 。所以比较4 d n p 和4 ( 7 ，的幅值大小就可以区分区内外的故障。 在保护反方向发生金属性短路时，其短路附加状态如图2 - 3 ( b ) 所示。按4 以、以规定的正方 向可得到如下的反方向短路基本关系式： 4 【0 = 4 z ( 2 - 1 4 ) 式中z 是保护正方向的等值阻抗。同样在分析工频变化量阻抗继电器和工频变化量方向继电器 时都要用到该基本关系式。将( 2 1 4 ) 式代入( 2 1 0 ) 式可得到： a ( 1 0 p = 以z 一以免= 以一乙) ( 2 1 5 ) 在图2 - 3 ( b ) 中根据4 u ，的箭头方向可得到： 4 以= 以瓴+ z 。) ( 2 - 1 6 ) 比较( 2 1 5 ) 和( 2 - 1 6 ) 两式，由于z 。z ， 因而陋l ，0 p i 2 ，增大 x 的规模 以曲善精摩谈时r a lp 绨不县方阵刚可眦利用帕前锚阵得小耒知辑的勰如下： 其中： 于是 4 ： c o s 2 ( ，口) ， 昙壹跏( 2 柳， 二1 = 0 i i k 跏( 2 ，口) 二1 = 0 鼢2 ( ，口) 可以求出信号的基波相量的估计值为： y。yo+jy,(2-25) 可以获得电压的向量【，和电流向量，因此测量阻抗为 z：一u(2-26) ， 对于接地阻抗继电器而言，矽= 矽、，= + k 3 l ) 。对相问阻抗继电器而言，( 7 = 玩、 i = l 。其中妒a 、b 、c ；如a b 、b c 、c a 。 1 1 东南大学硕士学位论文 2 3 2 噪声水平估算 该算法在故障三个采样点( 2 m s ) 后就能够计算出故障阻抗，从而构成快速距离保护。若输入信号中 存在噪声，则该算法存在误差，误差的大小取决于噪声水平和算法的滤波能力。算法的滤波能力与时 间窗的长度有关，时间窗较短时滤除能力较弱，随着时间窗的加长，算法的滤波能力也随之增强。 一般输入信号的噪声水平可以用下式来表示： 令 仃：塾些竺坐 篓x ( n ) 2、台“v ， ( 2 - 2 7 ) 上式的分子部分是对噪声均方差的一种估计，它的大小体现了噪声的能量，分母为输入信号的能量， o 为噪声与输入信号能量的比值。算法误差的大小取决于噪声水平。和数据窗长度n ，n 越大，或者 0 越小，算法误差也越小。故可以通过n 和。来实时估计算法的误差，并根据该误差自适应地调整 动作门槛来防止距离保护的超越。 m ( n ，o ) 与n ，o 问的具体关系非常复杂，难以用解析式表达，但可通过各种系统的仿真计算 和动模试验的统计结果得到。采用自适应动作门槛后，可以在线路外部故障时不超越的条件下，使距 离保护在内部故障时获得最佳的动作速度。对于线路的近端故障，由于测量电抗x 很小，保护在n 很 小时就能动作，速度很快。对于远端故障，若暂态噪声水平低，o 小，保护仍能快速动作；否则， 在数据窗长度n 比较大时动作。 2 3 3 自适应距离保护 基于上述理论的自适应距离保护己在我公司数字式高压线路保护装置中获得应用。装置数据采集 系统的抗混叠模拟低通滤波器截止频率为3 0 0h z ：采样频率为ii d l z 。自适应系数与n ，o 间的关 系通过对各种运行条件与故障条件下的系统进行仿真计算和动模试验统计确定。考虑到装置硬件的计 算能力，在具体实现时，选用4 种长度的数据窗，对每种数据窗。采用1 2 个级别。自适应系 数与n ，a 间的关系如下： m ( n ，盯) = o 4 n = 5 ，盯 q 。 0 8 = 5 ，o r 吒 0 9 n = 1 0 仃 o - , 0 9 5n = 2 0 1n = 3 0 ( 2 2 8 ) 式中：0 1 h = 0 0 4 和0 1 l = 0 5 分别为数据窗长度n = 5 时，噪声水平口的高、低门槛值；o2 = 0 0 8 为n = i o 时。的门植值；n = 2 0 和3 0 时则不再设置a 。 1 2 快速距离保护 采用自适应的动作门坎后的阻抗动作条件为： 乙 肌( ，盯) z ( 2 2 9 ) 其中z i z d 是距离i 段的定值，z z d 为实际动作门坎，m ( n ，0 ) 为自适应可靠系数，且 f l l ( n ，0 ) 丑，其值由数据窗长度n 和波形畸变系数0 决定，对于纯正弦波o = l ，当有谐波时0 1 ， 并且谐波越大，0 越小。可靠系数与n 和。成正比关系，线路长度较短时，故障谐波比较小，保护 动作速度很快；长线路故障谐波大，保护范围末端故障时动作速度较慢，但出口附近故障时动作速度 仍很快。 2 4 工程应用 在我公司高压线路微机保护具体运用中，逻辑框图如下： 东南大学硕士学位论文 ( 开始 ) 0 一一。一 初始化一磐参数：快速距离模块方框图 w m = 0 ；( e g 流电压数组中的计算点) l i x t x o l = o ； l i a t x c 0 = 0 ；l l a t x s 0 = 0 ；存放电流敷组 i u a i x c 0 一0 ；1 u a i x s 0 = 0 ；电压 r ： x 硝ik s t b l o 突变量选相v 当! b k s j l d y b s 时， 在付氏缓存中取2 0 m s 之 如果突变量选相选中三个相m ，计算w k s z z d = 0 8 x d z ，_zxjl 前的三相电压缩小一半 d u m kk s j l 为故障前最大相问电压： 后，计算序分量u l 如果突变量选相进中三个单相，；, t 算w k s z z d = 08 x d z j ，_zjdl d u l n kk s j l 为故障前最大相电压 l ：鳖攀：i 否则，r e t u r n j 如果t b l x x b c 选中b c ，计算b c 正序方向 如果t b l x x b c 选中b c ，则计算b c 相间电压电流的采样点： 6 5 度 j 毋i 1 j 关系，更加满足应j + i i o l k l 关系，因此开放保护更加可靠。 c ) 如果c 1 = c 2 c o 单相接地短路时由( 3 - 6 ) 式可知： 阱阱( - 噜p | k f 当经过渡屯阻短路也有( 3 1 6 ) 关系式。 在两相短路时由( 3 - 7 ) 式可知： 陆i + 陆| _ g i 增i = k i ( 3 1 6 ) 该式满足( 3 1 ) 式，因此可以开放保护。 ( 3 1 7 ) 当经过渡电阻短路也有( 3 1 7 ) 关系式。该式也满足( 3 1 ) ，因此可以开放保护 在两相接地短路时由( 3 - 8 ) 式可知： k i + l i o l = c ：l j l 2 ；o l + c o c 2 1 砟? i ：i j , l + ( c o g 柳纠( 3 - 1 8 ) 由于g q o ，因此k f + 肛j c k f 。严重的情况出现在长线路末端短路，如果对侧变电站母线 上由于有大容量的中性点接地的变压器使z o = z 2 = ，而导致故障支路有较大的零序电流蹭) 。此时 c 0 很小，而c 2 可能较大。这时可能会出现i j ：i + k i m 陋i 的情况，使保护不能开放。在这种情况下 也可以在对侧距离保护i 段先将开关三相跳开后，由于c o = c 2 = 1 ，再开放保护。并不影响本侧距离 保护跳闸。 3 2 3 对称短路开放元件 此判据在区外发生短路后又紧接着发生区内三相短路和在振荡中发生三相短路时用以开放保护， 让距离保护i 、i i 段快速切除区内短路。该元件的实现方法是以c o s 瓴+ 的值在某一范围内停留的 时间超过一定值时开放保护。为叙述方便令： 东南大学硕士学位论文 o o s = 以c o s ( 妒l + 口) ( 3 1 9 ) 式中玩是正序电压，仍是正序电压d 。和正序电流丘问的夹角。口角是线路阻抗角仍的余角。 0 = 9 0 0 一他 按( 3 - 1 9 ) 式计算的u o s 电压有如下特点：在三相短路时c ，的值小于、等于电弧电阻上的电压 【，。，在系统振荡时，的值等于振荡中心的电压吼。 在系统振荡时振荡中心的电压u c 是随着两侧电势间夹角占的变化而变化的。即c ，c = e c o s ( j 2 ) 。 所以【，电压也是按此规律随两侧电势间夹角8 的变化而不断变化的。而在振荡中发生三相短路时， c 7 矗电压始终是小于等于电弧电阻上的电压【7 。的。而电弧电阻上的电压是不太大的。所以只要能确 定一个电压的阈值范围，在三相短路时【，的电压值始终在该阈值范围内，而在振荡时【，矗的电压值 在该阈值范围内仃留的时间是有限的。利用这种方法就可以区分系统振荡和在振荡中的三相短路。 根据上述分析，对称短路开放元件的判据为： a )在1 5 0 m s 内一直满足下式开放保护。 一0 0 3 u n 0 0 8 u ( 3 - 2 0 ) 在三相短路时，【7 的值终是小于等于电弧电阻上的电压c 7 。的。而电弧电阻上的电压【乙最大 不会超过o o ( d 3 ，所以，的值终是小于等于o 0 6 u 。因此一直可以满足( 3 - 2 0 ) 式。过1 5 0 m s 延 时即可开放保护。 在系统振荡期间，c ，的值等于振荡中心的电压【，c 。而振荡中心的电压随j 角的变化而变化， 其规律为= f 研2 ) = c o s ( , ，2 ) 【0 。当振荡中心电压为一o 0 3 u 和o 0 8 u 值时，对应的8 角分别 为1 8 3 4 4 0 和1 7 0 8 2 0 。如果最长的振荡周期按1 5 秒计算，在振荡时占角度在1 7 0 8 2 0 到1 8 3 4 4 0 间仃 留的时间为： f ；1 8 3 4 4 _ o - ：i 1 7 0 8 2 一o 1 5 0 0 ：5 2 5 8 m s 3 6 0 0 这说明系统振荡时满足( 3 - 2 0 ) 的时间仅为5 2 5 8 m s ，即使振荡周期按3 秒考虑满足( 3 - 2 0 ) 的时 间也仅为1 0 5 1 6 m s 小于1 5 0 m s ，所以不开放保护。 本判据就是利用在电压阈值范围内的时间长短来区分振荡和短路的。 ”在5 0 0 m s 内一直满足下式开放保护。 振荡闭镄方法的研究 一0 1 u o 2 5 u ( 3 - 2 1 ) 本判据的原理同上，只是作为发生三相短路时开放保护的后各。 在三相短路时，如上所述c ，的值终是小于等于o 0 6 u _ 的。因此一直可以满足( 3 - 2 1 ) 式。过 5 0 0 m s 延时即可开放保护。 在系统振荡期间，( ，矗的值等于振荡中心的电压也。当振荡中心电压为一o 1 u 。和0 2 5 u 。值时， 对应的j 角分别为1 9 1 4 8 0 和1 5 1 0 4 0 。如果最长的振荡周期按1 5 秒计算，在振荡时5 角度在1 9 1 a 8 0 到1 5 1 0 4 0 间仃留的时间为： f = 型笋x 1 5 0 0 _ 1 6 8 5 m s 这说明系统振荡时满足( 3 - 2 1 ) 的时间仅为1 6 8 5 m s ，即使振荡周期按3 秒考虑满足( 3 - 2 1 ) 的时间也 仅为3 3 7 m s 小于5 0 0 m s ，所以不开放保护。 ( 3 - 2 0 ) 和( 3 - 2 1 ) 两式在保证纯振荡时不开放保护的同时又保证了在区外发生短路后又紧接着 发生区内三相短路和在振荡中发生三相短路时可靠开放保护。在振荡中发生三相经过渡电阻短路时阻 抗继电器的的动作行为是：如果振荡中心和短路点都在区内，阻抗继电器一直处于动作状态；如果振 荡中心和短路点都在区外，阻抗继电器一直处于不动作状态；如果振荡中心在区内、短路点在区外， 在两侧电势夹角很大而短路点在区外不远处时阻抗继电器可能会超越；如果振荡中心在区外、短路点 在区内，在两侧电势夹角很大而短路点又在区内靠近保护范围末端时阻抗继电器可能会拒动。如果振 荡中发生三相金属性的短路，振荡对阻抗继电器就不产生影响，阻抗继电器可以正确区分区内、外的 短路。 3 2 4非全相运行期间健全相上发生短路的开放元件。 在线路上发生单相接地短路保护跳开单相后，振荡闭锁马上将保护重新闭锁。此时前面所列的三 个振荡闭锁开放元件都被退出，投入本开放元件。从断路器跳开单相后直到重合闸前的大约1 1 5 秒 左右的非全相运行期间，运行相上可能会发生单相接地短路、两相短路和两相接地短路。由本章第二 节的分析可知，当非全相运行中发生金属性短路时，接在故障相上的按带零序电流补偿的接线方式的 接地阻抗继电器和接在故障相间的按零度接线方式的相间阻抗继电器是能进行正确测量的，其测量阻 抗还是反应短路点到保护安装处的阻抗。所以其动作行为还是正确的。显然，为了让距离保护切除此 时发生的区内短路，振荡闭锁应由本开放元件重新开放保护。 但是在非全相振荡时接在运行相或运行相间的阻抗继电器如果振荡中心在保护范围内部，是有可 能误动的。为了避免距离保护此时的误动，本开放元件应在非全相振荡时不开放保护。所以本开放元 件应区分非全相运行( 含非全相振荡) 和非全相运行中的短路两种状态。 本开放元件只是在判断本侧断路器己跳开一相，进入非全相运行期间才投入。判断哪一相断开的方法 是：如果己跳开的断路器是由本保护装置跳的，则只要再检查发过跳闸命令的这一相无电流即可判断 出断开相。如果已跳开的断路器并不是由本保护装置跳的，而是由双重化的另一套保护装置跳的，则 2 7 东南大学硕士学位论文 只要检查到跳闸位置继电器( t w j ) 动作并且检查出无电流的那一相即是断开相。判断出断开相以后 由下述两个判据作为非全相运行，运行相又发生短路时的振荡闭锁开放元件。 a ) 按比较零序电流，o 和a 相的负序电流l 2 相位的选相元件选相结果不在断开相区，判断在运行相 上又发生了短路，于是开放保护。 在非全相运行中该选相元件选择的区是断开相区。例如在a 相断线的b c 两相运行期问，该选相 元件选出的是a 区。在非全相运行中如果又发生了b 、c 或b c 相上的短路，该选相元件就不再选出 a 区。於是开放保护。 b ) 在非全相运行期间如果两运行相上的电流差突变量元件动作，开放保护。 在非全相运行期间，一直判断两运行相的电流差突变量元件是否动作。例如在b 、c 两相运行期间如 果( 厶一气) 的电流有突变，则说明在b 相上、c 相上或b c 相间又发生了短路。於是就开放保护。 从上分析可知，由上述四部分判据构成的微机线路保护的振荡闭锁，圆满地完成了对振荡闭锁提 出的各种要求，使振荡闭锁功能更加完善。 3 3 纯振荡时测量阻抗的变化率 图3 - 1 振荡系统 z = 专2 寺+ z 。+ z c i = 里磐二呈! 其中 一 z z ，z z = z 。+ z l + z 。代入上式，可得： z 一矗+ z 。岖 假设系统两侧电势大小相等，即满足 它= 宦e j 6 ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) 0 - 2 4 ) 振荡闭锁方法的研究 其中。为m 侧电势超前于n 侧的角度，即功角。 将式( 3 - 2 4 ) 代入式( 3 - 2 3 ) 可得 z = 专+ z n + z l ( 3 2 5 ) 为了求得测量阻抗变化率，可对式( 3 - 2 5 ) 取一阶导数，得到： 坚：_ - j z 面z e j s d 8 ( 3 - 2 6 ) d t ( 1 一e ) 2d t 要得到测量阻抗变化率的取值范围，可对式( 3 - 2 6 ) 再取导，得到测量阻抗的二 阶导数为： a2z：=掣铲饼一黯百d28dt- -dt 2 e 吖 ld t j e 叶 2 一 令 窘= o ( 3 - z s ) 假设系统按一定的振荡频率振荡，即6 ( t ) = ，因此有矿d2 u ，得 2 6 e j 6 = 一1 r 3 - 2 9 ) d z 也就是说，e j 6 = - 1 是d t 的极值点，不难验证，此时其模值达到最小值，并且 蚓：生到。塾 l d t l 墒4id t l 5 q 帅o 4 3 4 阻抗比较法 f 3 3 0 ) 3 4 1 阻抗比较法 目前常用的不对称开放元件主要是用电流序分量进行判别，在区外发生短路后又 紧接着发生区内不对称短路和在振荡中发生不对称短路时用以开放保护，让距离保护 i 、i i 段快速切除区内短路。但电流序分量的优点是可以有效地防止系统振荡时距离 保护的误动问题。缺点主要有：一是有可能只有线路一侧能够满足开放条件：二是高 阻接地时可能难以开放：三是在本线路或相邻线路非全相振荡时会误开放，本线路非 全相运行时要退出，而邻线非全相振荡时保护可能误动，因此在分相跳闸的保护装置 中存在问题。这种方法最好带5 0 l o o m s 延时，因为在振荡解列或非同期合闸于振荡 东南大学硕士学位论文 线路时，三相断路器动作时间的差异会产生短暂的零序和负序分量。本方案采用零序 和负序分区判别和辅助阻抗比较相结合的方法开放接地阻抗，以a 相阻抗z a 为例， 满足以下条件时开放z a ： l 、i d l 2 分区在a 区，即i o 、1 2 的相位差为一3 0 。3 0 。； 2 、z b c 在辅助阻抗z f z 范围外。 系统纯振荡时，显然不会开放。系统不振荡时发生a 相接地立即开放。系统振荡 时发生a 相接地，但功角6 = 1 8 0 。左右时，由于z b c 动作，z a 不会开放；5 = 0 。时， z b c 不动作，z a 开放。由于只是6 = 0 。左右时( 8 m 1 1 判据的三个问题，缺点是只能开放单相接地故障。 3 5 阻抗变化检测法 系统振荡