專利名稱：：抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域，特別涉及一種基于短路阻抗精確測量的高壓輸電線路單相接地故障的繼電保護方法。
背景技術(shù)：
：距離保護在電力系統(tǒng)線路保護中獲得廣泛應(yīng)用，阻抗繼電器是距離保護中的測量元件。由于電力系統(tǒng)短路類型較多，需要用不同的阻抗繼電器來分別反應(yīng)不同類型的故障。例如反應(yīng)接地短路的接地阻抗繼電器和反應(yīng)相間短路的相間阻抗繼電器。目前常用的接地阻抗繼電器主要有以下幾種①圓特性阻抗繼電器；②四邊形特性阻抗繼電器；③直線特性阻抗繼電器。無論何種動作特性的阻抗繼電器，均是通過計算測量阻抗的大小，來反應(yīng)電力系統(tǒng)短路點至保護安裝處的距離，并根據(jù)短路距離的遠近來決定是否發(fā)出動作信號。對于金屬性接地故障，如果忽略線路分布電容、電導(dǎo)的存在，阻抗繼電器的測量阻抗等于短路距離與線路單位阻抗值的乘積，即短路距離與測量阻抗呈正比。對于經(jīng)過渡電阻接地故障，阻抗繼電器的測量阻抗將受過渡電阻的影響；此時短路距離與測量阻抗的正比例關(guān)系基本成立，不同特性的阻抗繼電器具有不同的抗過渡電阻能力。由此可知，傳統(tǒng)阻抗繼電器的正確動作，基于一個前提‘線路的分布電容、電導(dǎo)可以忽略，任意單位長線路上流過的電流值相等’。正是基于這個前提，才可以推導(dǎo)出金屬性故障后，阻抗繼電器的測量阻抗值與短路距離呈正比。如果線路模型中考慮分布電容、電導(dǎo)的存在，由于分布電容、電導(dǎo)的分流作用，流過任一單位長度線路上的電流值不再相等，線路始端的接地阻抗繼電器的測量阻抗值也不再等于短路距離與線路單位阻抗值的乘積。由此可以看出，由于分布電容、電導(dǎo)的存在，傳統(tǒng)接地阻抗繼電器工作的前提不再成立，繼電器將無法正確區(qū)別故障點位于區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，無法保證選擇性。輸電線路的電導(dǎo)數(shù)值非常小，對阻抗繼電器的測量阻抗數(shù)值影響也很小，基本可以忽略。對于分布電容，高壓(110kV、220kV)、超高壓(330kV、500kV)輸電線路電壓等級不高，特別是輸電線路長度較短(不會超過500km)，分布電容對阻抗繼電器的影響不大，一般低于保護范圍的4％，基本可以忽略或者可以通過保護整定來補償，因此目前接地阻抗繼電器基本能夠滿足實際需要。但是對于750kV以上的特高壓輸電線路(1000kV、1150kV)，典型輸電半徑為800km至1000km，分布電容的影響不能再忽略；此時傳統(tǒng)接地阻抗繼電器工作的前提不再成立，無法正確判斷故障位置，必須發(fā)展新的保護方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出了一種抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法，本發(fā)明能夠精確地描述輸電線路的物理特性，準確計算出短路阻抗的大小，具有天然的抗分布電容電流影響的能力；應(yīng)用本發(fā)明方法的阻抗繼電器與傳統(tǒng)阻抗繼電器相比，動作性能顯著提高，滿足繼電保護選擇性、可靠性、靈敏性和速動性的要求。本發(fā)明提出了一種抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法，包括以下步驟1、測量線路在變電站保護安裝處各相電壓、各相電流、零序電壓及零序電流，作為輸入量，即A相A相電壓A相電流零序電壓零序電流B相B相電壓B相電流零序電壓零序電流C相C相電壓C相電流零序電壓零序電流2、利用測量電壓和測量電流，計算測量阻抗為1)測量電壓其中為相電壓；2)測量電流其中為相電流；P1=Zc0Zc1(T·chγ·1lzd+shγ·0lzd-T·chγ·0lzdshγ·1lzd)-1]]>P1為基于線路分布參數(shù)的零序電流補償系數(shù)，其中Zc1為正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1),]]>R1、L1、G1、C1分別為單位長度線路的正序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；Zc0為零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0),]]>R0、L0、G0、C0分別為單位長度線路的零序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；為正序傳播系數(shù)γ·1=(R1+jωL1)(G1+jωC1);]]>為零序傳播系數(shù)γ·0=(R0+jωL0)(G0+jωC0);]]>lzd為線路保護范圍整定值；T為基于分布參數(shù)模型的系統(tǒng)等值零序阻抗T=U·0Zc0I·0;]]>將P1值的計算公式線性化，得到P值計算公式為P=Zc0Zc1·(γ·0lzd)3+T·3((γ·1lzd)2-(γ·0lzd)2)+6γ·0lzd(γ·1lzd)3+6γ·1lzd-1]]>3)測量阻抗Zrelay等于測量電壓與測量電流的比值Zrelay=U·relayI·relay;]]>3、根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計算阻抗整定值為Zset=Zc1thγ·1lzd;]]>4、根據(jù)不同繼電器的動作特性，利用測量阻抗Zrelay和阻抗整定值Zset得到相應(yīng)的動作判據(jù)1)全阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay|≤|Zset|；或相位比較動作判據(jù)2)姆歐阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-12Zset|≤|12Zset|;]]>或相位比較動作判據(jù)3)偏移圓阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-12(Zset1+Zset2)|≤|12(Zset1-Zset2)|,]]>Zset1為正方向整定阻抗、Zset2為反方向整定阻抗；或相位比較動作判據(jù)4)蘋果形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)-β≤argZset-ZrelayZrelay≤β,]]>其中β≥90°；5)橄欖形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)-β≤argZset-ZrelayZrelay≤β,]]>其中β≤90°；6)電抗特性阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay|≤|Zrelay-j·2Xset|，Xset為阻抗整定值的電抗分量；或相位比較動作判據(jù)7)方向特性阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-Zset|≤|Zrelay+Zset|或相位比較動作判據(jù)8)四邊形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)，為下述三個方程的交集其中Xset為繼電器正方向整定阻抗的電抗分量；Rset為反應(yīng)負荷特性的繼電器整定電阻值；Zset2為反方向整定阻抗；α1、α2、α3、α4為動作特性整定角；5、無論阻抗繼電器采用何種動作特性，只要幅值比較動作判據(jù)或相位比較動作判據(jù)成立，則保護動作發(fā)跳閘信號；反之，保護不動作。本發(fā)明的特點及技術(shù)效果本發(fā)明特點是本發(fā)明方法是基于輸電線路分布參數(shù)模型提出的，能夠精確地描述輸電線路的物理特性，準確計算出短路阻抗的大小，具有天然的抗分布電容電流影響的能力；本發(fā)明方法適用于任何電壓等級的輸電線路，尤其對于750kV以上的超/特高壓輸電長線路(1000kV、1150kV)，應(yīng)用本發(fā)明方法的阻抗繼電器與傳統(tǒng)阻抗繼電器相比，動作性能顯著提高，滿足繼電保護選擇性、可靠性、靈敏性和速動性的要求。圖1為應(yīng)用本發(fā)明方法的特高壓輸電系統(tǒng)示意圖。圖2為基于圖1所示模型的傳統(tǒng)阻抗繼電器和應(yīng)用本發(fā)明方法的阻抗繼電器動作性能；其中(a)為傳統(tǒng)姆歐阻抗繼電器的動作性能；(b)為應(yīng)用本發(fā)明方法的姆歐阻抗繼電器的動作性能；(c)為傳統(tǒng)電抗特性阻抗繼電器的動作性能；(d)為應(yīng)用本發(fā)明方法的電抗特性阻抗繼電器的動作性能；(e)為傳統(tǒng)方向特性阻抗繼電器的動作性能；(f)為應(yīng)用本發(fā)明方法的方向特性阻抗繼電器的動作性能。具體實施例方式本發(fā)明提出的抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法實施例詳細說明如下應(yīng)用本發(fā)明的一種1000kV特高壓輸電系統(tǒng)型如圖1所示，線路參數(shù)值如表1所示。線路長度為800km。兩側(cè)系統(tǒng)阻抗如下所示，N側(cè)電源角度落后M側(cè)44度，M側(cè)和N側(cè)電勢分別為1.1062和1.1069倍額定電壓。以M側(cè)保護為例，電壓、電流分別來自線路側(cè)電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)。表11000kV特高壓輸電線路主要參數(shù)兩側(cè)系統(tǒng)阻抗參數(shù)為M側(cè)正序系統(tǒng)阻抗ZM1＝4.2643+j85.14528ΩM側(cè)零序系統(tǒng)阻抗ZM0＝98.533+j260.79ΩN側(cè)正序系統(tǒng)阻抗ZN1＝7.9956+j159.6474ΩN側(cè)零序系統(tǒng)阻抗ZN0＝184.749+j488.981Ω本發(fā)明提出的抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法適用于距離保護的任何一段。本實施例以距離保護I段為分析目標，保護范圍整定為線路全長的80％(lzd＝640)，仿真故障為610km處A相金屬性接地故障，則實施例具體步驟如下1、測量線路在變電站保護安裝處A相電壓、A相電流、零序電壓及零序電流如下A相電壓U·a=-0.597-j·0.0761MV]]>A相電流I·a=-1.684+j·1.391kA]]>零序電壓U·0=0.289-j·0.263MV]]>零序電流I·0=0.516+j·1.304kA]]>2、利用測量電壓和測量電流，計算測量阻抗為1)測量電壓U·relay=U·a=-0.597-j·0.0761MV;]]>2)利用表1數(shù)據(jù)，計算正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1)=242.5-j·3.766]]>零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0)=517.55-j·69.775]]>正序傳播系數(shù)γ·1=(R1+jωL1)(G1+jωC1)=j·0.0011]]>零序傳播系數(shù)γ·0=(R0+jωL0)(G0+jωC0)=0.0002+j·0.0015]]>利用零序電流、電壓和零序波阻抗值，計算TT=U·0Zc0I·0=-0.12-j·0.52]]>將上述計算結(jié)果帶入P值計算公式，求取P值為P=Zc0Zc1·(γ·0lzd)3+T·3(γ·1lzd)2-(γ·0lzd)2+6γ·0lzd(γ·1lzd)3+6γ·1lzd-1=1.478-j·0.274]]>因此，得到測量電流3)計算測量阻抗Zrelay=U·relayI·relay=9.165+j·186.31Ω]]>3、根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計算阻抗整定值為Zset=Zc1thγ·1lzd=7.358+j·197.63]]>4、比較不同動作特性阻抗繼電器的動作判據(jù)1)全阻抗繼電器|Zset|＝|7.358+j·197.63|＝197.77，|Zrelay|＝|9.165+j·186.31|＝186.542)姆歐阻抗繼電器|Zrelay-12Zset|=87.67]]>|12Zset|=12·|7.538+j·197.63|=98.88]]>3)偏移圓阻抗繼電器正方向整定阻抗Zset1=Zc1thγ·1lzd=7.358+j·197.63]]>反方向整定為被保護線路全長的10％，即lzd_inverse＝80，且方向反向，因此，Zset2=-Zc1thγ·1lzd_inverse=-0.647-j·20.781]]>|Zrelay-12(Zset1+Zset2)|=97.55]]>|12(Zset1-Zset2)|=108.77]]>4)蘋果形特性阻抗繼電器整定β＝120°，argZset-ZrelayZrelay=11.88]]>5)橄欖形特性阻抗繼電器整定β＝60°，argZset-ZrelayZrelay=11.88]]>6)電抗特性阻抗繼電器Xset為阻抗整定值的電抗分量Xset＝197.63|Zrelay|＝|9.165+j·186.31|＝186.54|Zrelay-j·2Xset|＝209.157)方向特性阻抗繼電器|Zrelay-Zset|＝11.46|Zrelay+Zset|＝384.308)四邊形特性阻抗繼電器Xset＝197.63Zset2=-Zc1thγ·1lzd_inverse=-0.647-j·20.781]]>α1＝α2＝14°、α3＝45°、α4＝7.1°Rset為反應(yīng)負荷特性的繼電器整定電阻值，其整定為距離保護I段保護范圍內(nèi)線路阻抗值的一半，即Rset=0.5·|Zc1thγ·1lzd|=98.884]]>從而，計算出argZrelay-j·Xset-j·Xset=39.0]]>argZrelay-Rset-Rset=-64.29]]>argZrelay-Zset2Rset=87.29]]>5、根據(jù)第4步的計算結(jié)果，比較不同動作特性阻抗繼電器的幅值比較動作判據(jù)或相位比較動作判據(jù)，均成立，因此保護動作發(fā)跳閘信號。為了檢驗傳統(tǒng)阻抗繼電器和應(yīng)用本發(fā)明方法的阻抗繼電器的動作性能，對本發(fā)明進行了大量的數(shù)字仿真，故障點選擇從790km逐漸遞減到550km，步長為1km。姆歐阻抗繼電器的測量數(shù)據(jù)和動作邏輯如表2所示，限于篇幅，只給出了保護I段邊界附近故障時(630km～650km)的仿真結(jié)果。其中‘動作量’定義為‘制動量’表示動作邏輯‘1’表示繼電器跳閘切除故障，‘0’表示繼電器不動作。表2姆歐阻抗繼電器部分仿真結(jié)果<tablesid="table2"num="002"><tablewidth="747">故障距離測量電壓測量電流測量阻抗動作量制動量動作邏輯復(fù)制(MV)相角(度)幅值(kA)相角(度)幅值(Ω)相角(度)6500.6200-172.483.058699.138202.71588.37998.883103.84006490.6197-172.483.062899.164202.33888.35798.883103.46206480.6191-172.483.066999.201201.85288.31398.883102.97506470.6187-172.493.071199.227201.47488.27498.883102.59606460.6184-172.513.075599.252201.07588.23798.883102.19606450.6179-172.553.079799.277200.64788.17098.883101.76706440.6173-172.593.083899.300200.17388.10798.883101.29206430.6163-172.583.088299.326199.56888.08698.883100.68706420.6156-172.553.092599.346199.06888.09698.883100.18706410.6154-172.543.096499.364198.76088.09598.88399.87806400.6153-172.583.100399.387198.46088.03198.88399.57706390.6148-172.593.104699.413198.03487.98798.88399.15206380.6142-172.603.108999.433197.57487.96598.88398.69116370.6138-172.583.113099.457197.18387.96598.88398.30016360.6135-172.623.117099.484196.81387.89798.88397.93016350.6127-172.613.121299.510196.31287.87898.88397.42916340.6123-172.603.124999.530195.95587.87098.88397.07316330.6123-172.613.129399.549195.66087.83598.88396.77716320.6116-172.643.133899.587195.15187.77698.88396.26816310.6112-172.623.137799.599194.78687.78498.88395.90316300.6109-172.623.142499.630194.41987.74698.88395.5371</table></tables>圖2給出了不同動作特性阻抗繼電器，隨著故障距離變化的動作情況。圖中縱坐標為動作量(幅值比較動作判據(jù)不等式的右側(cè)部分)與制動量(幅值比較動作判據(jù)不等式的左側(cè)部分)的差值，其中正值表示繼電器動作，負值表示繼電器不動作。由圖2-(a)可以看到，傳統(tǒng)姆歐阻抗繼電器的距離I段只能保護到585km左右，而如圖2-(b)所示，應(yīng)用本發(fā)明方法的姆歐阻抗繼電器能夠保護到繼電器整定值附近(640km)，繼電器性能得到很大的提高。全阻抗繼電器、偏移圓阻抗繼電器、蘋果形特性阻抗繼電器、橄欖形特性阻抗繼電器同屬于圓特性阻抗繼電器，其動作特性與姆歐阻抗繼電器動作特性類似，正方向整定值相同，繼電器的動作性能均可以由圖2-(a)、(b)體現(xiàn)出，在此不再給出仿真結(jié)果。圖2-(c)、(d)為電抗特性阻抗繼電器的動作性能，可以看到應(yīng)用本發(fā)明后電抗特性阻抗繼電器的動作范圍從605km增加到了640km附近，繼電器性能得到很大的提高。由于四邊形阻抗繼電器的故障距離判別元件，實際上就是電抗特性阻抗繼電器，因此圖2-(d)也體現(xiàn)出了應(yīng)用本發(fā)明方法后四邊形阻抗繼電器的良好動作特性。圖2-(e)、(f)給出了方向特性阻抗繼電器的動作性能，由于仿真故障選擇均為正向故障，因此傳統(tǒng)方向特性阻抗繼電器和應(yīng)用本發(fā)明的方向特性阻抗繼電器均能正確動作，但是很明顯，應(yīng)用本發(fā)明方法的方向特性阻抗繼電器動作量差值更大，繼電器動作更可靠。權(quán)利要求1.一種抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法，包括以下步驟1)測量線路在變電站保護安裝處各相電壓、各相電流、零序電壓及零序電流，作為輸入量，即A相A相電壓A相電流零序電壓零序電流B相B相電壓B相電流零序電壓零序電流C相C相電壓C相電流零序電壓零序電流2)利用測量電壓和測量電流，計算測量阻抗為(1)測量電壓其中為相電壓；(2)測量電流其中為相電流；P1=Zc0Zc1(T·chγ.1lzd+shγ.0lzd-T·chγ.0lzdshγ.1lzd)-1]]>P1為基于線路分布參數(shù)的零序電流補償系數(shù)，其中Zc1為正序波阻抗Zc1=(R1+jωL1)/(G1+jωC1),]]>R1、L1、G1、C1分別為單位長度線路的正序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；Zc0為零序波阻抗Zc0=(R0+jωL0)/(G0+jωC0),]]>R0、L0、G0、C0分別為單位長度線路的零序電阻、電感、電導(dǎo)和電容值；為正序傳播系數(shù)γ.1=(R1+jωL1)(G1+jωC1);]]>為零序傳播系數(shù)γ.0=(R0+jωL0)(G0+jωC0);]]>lzd為線路保護范圍整定值；T為基于分布參數(shù)模型的系統(tǒng)等值零序阻抗T=U.0Zc0I.0;]]>將P1值的計算公式線性化，得到P值計算公式為P=Zc0Zc1·(γ.0lzd)3+T·3((γ.1lzd)2-(γ.0lzd)2)+6γ.0lzd(γ.1lzd)3+6γ.1lzd-1]]>(3)測量阻抗Zrelay等于測量電壓與測量電流的比值Zrelay=U.relayI.relay;]]>3)根據(jù)輸電線路分布參數(shù)計算阻抗整定值為Zset=Zclthγ.1lzd;]]>4)根據(jù)不同繼電器的動作特性，利用測量阻抗Zrelay和阻抗整定值Zset得到相應(yīng)的動作判據(jù)(1)全阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay|≤|Zset|；或相位比較動作判據(jù)(2)姆歐阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-12Zset|≤|12Zset|;]]>或相位比較動作判據(jù)(3)偏移圓阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-12(Zset1+Zset2)|≤|12(Zset1-Zset2)|,]]>Zset1為正方向整定阻抗、Zset2為反方向整定阻抗；或相位比較動作判據(jù)(4)蘋果形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)-β≤argZset-ZrelayZrelay≤β,]]>其中β≥90°；(5)橄欖形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)-β≤argZset-ZrelayZrelay≤β,]]>其中β≥90°；(6)電抗特性阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay|≤|Zrelay-j·2Xset|，Xset為阻抗整定值的電抗分量；或相位比較動作判據(jù)(7)方向特性阻抗繼電器幅值比較動作判據(jù)|Zrelay-Zset|≤|Zrelay+Zset|或相位比較動作判據(jù)(8)四邊形特性阻抗繼電器相位比較動作判據(jù)，為下述三個方程的交集其中Xset為繼電器正方向整定阻抗的電抗分量；Rset為反應(yīng)負荷特性的繼電器整定電阻值；Zset為反方向整定阻抗；α1、α2、α3、α4為動作特性整定角；5)步驟4)中的阻抗繼電器無論采用何種動作特性，只要幅值比較動作判據(jù)或相位比較動作判據(jù)成立，則保護動作發(fā)跳閘信號；反之，保護不動作。全文摘要本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域，特別涉及抗分布電容電流影響的線路單相接地故障的繼電保護方法。包括測量線路在變電站保護安裝處各相電壓、各相電流、零序電壓及零序電流，作為輸入量，利用測量電壓和測量電流，計算測量阻抗Z文檔編號H02H7/26GK1996697SQ20061014427公開日2007年7月11日申請日期2006年12月1日優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日發(fā)明者董新洲,王賓,薄志謙申請人:清華大學(xué),英國阿?，m輸配電保護與控制公司(ArevaT&DLtd)