專利名稱：基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域的后備保護方法。
背景技術(shù)：
電網(wǎng)發(fā)生故障后，電力系統(tǒng)中的線路保護用于實現(xiàn)對故障線路的自動和快速切除 并隔離故障，以保證人身和設備安全以及無故障部分的正常運行。線路的主保護根據(jù)線路 的就地信息，在故障時即刻跳開就地斷路器，切除就地線路，隔離故障。線路的后備保護用 于在線路主保護失靈或線路斷路器失靈的情況下，跳開本地或其他線路的斷路器實現(xiàn)線路 故障的隔離。然而，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復雜，運行方式日益靈活，基于本地信息來進行決策 和判斷的傳統(tǒng)后備保護存在著諸多缺陷①后備保護配合關(guān)系復雜，動作時間長，嚴重時有 可能不滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性所要求的極限切除時間，進而成為大電網(wǎng)的安全隱患；②后備保護 配置與整定的難度大，且不能跟蹤系統(tǒng)運行方式的變化，甚至有可能出現(xiàn)保護失配或靈敏 度不足的情況；③當運行方式變化時，為保證遠后備保護的選擇性，定值計算工作量巨大， 在超高壓電網(wǎng)中甚至有可能無法配合；每一元件上往往配置多種后備保護，使得保護構(gòu)成 復雜，成本增加。因此，在復雜電網(wǎng)環(huán)境下，審視后備保護存在的問題，研究新的后備保護原 理與配置方案是保障電網(wǎng)安全的重要內(nèi)容。高壓輸電線路是電網(wǎng)正常運行的大動脈，既擔負著傳送巨大功率的任務，又是各 大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行的紐帶，其運行可靠性影響著整個電網(wǎng)的供電可靠性，同時又是電力系統(tǒng) 中發(fā)生故障最多的地方。若后備保護誤切除正常高壓線路，將導致該線路上大量功率發(fā)生 轉(zhuǎn)移，進而容易引起其他線路上后備保護因被保護線路過負荷而誤動，從而加速系統(tǒng)崩潰， 導致大面積長時間停電事故的發(fā)生。2003年8月14日的美加大停電事故就是由于美國俄 亥俄州北部Akron到Cleveland之間的4條聯(lián)絡線因過負荷被后備保護切除而快速擴展。 2006年7月1日，500kV嵩山至鄭州兩回輸電線路因故障后保護誤動相繼切除，直接造成豫 西、豫中多條220kV線路因過載而被后備保護切除，導致豫西大停電。因此，研究主干高壓 輸電區(qū)域廣域后備保護原理具有重要的實踐意義。隨著廣域同步相量測量技術(shù)的出現(xiàn)以及計算機處理能力的提高，使得集中獲得區(qū) 域電網(wǎng)多點的同步電氣量，并進行集中分析決策成為可能。本發(fā)明將利用多端高壓輸電區(qū) 域的廣域測量系統(tǒng)，通過增加集中決策服務器以及遠方控制執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)基于廣域信息的 多端高壓輸電區(qū)域的后備保護。避免因為故障后保護誤動作而造成大面積停電的故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方 法，利用多端高壓輸電區(qū)域的廣域測量系統(tǒng)，通過增加集中決策服務器以及遠方控制執(zhí)行 系統(tǒng)實現(xiàn)基于廣域信息的多端高壓輸電區(qū)域后備保護。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
首先利用多端高壓輸電區(qū)域現(xiàn)有的廣域測量系統(tǒng)實現(xiàn)對該區(qū)域所有安裝有相量 測量單元節(jié)點的電壓、電流相量的同步實時量測，經(jīng)WAMS主站及廣域后備保護服務器的計 算分析，準確確定具體的故障相和故障線路，并下發(fā)控制命令到該區(qū)域內(nèi)各線路的執(zhí)行子 站。具體步驟如下(1)制定相量測量單元配置方案，各相量測量單元實時量測安裝點處的電壓、電流 相量，根據(jù)實時量測的電壓、電流相量計算得到電壓、電流的幅值和相位，并把幅值、相位計 算結(jié)果以及斷路器位置、刀間位置等狀態(tài)量及相應時刻的時標通過通信網(wǎng)絡上送到主站的 相量數(shù)據(jù)集中器；(2)廣域后備保護服務器獲取上述(1)上送到主站相量數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)進行計 算分析，采用廣域電流差動保護檢測保護區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，若發(fā)現(xiàn)保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障， 則確定具體的故障相別和過渡電阻情況，并根據(jù)故障線路選擇方法準確確定故障線路；當 確定故障線路和故障相別后，主站立刻向故障線路上的執(zhí)行子站發(fā)出跳閘命令；(3)利用通訊系統(tǒng)和主站判斷決策系統(tǒng)的固有延遲，實現(xiàn)線路傳統(tǒng)主保護、線路傳 統(tǒng)后備保護與基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護的時間配合。本發(fā)明提出的廣域線路后備保護系統(tǒng)的主要特征如下(1)所述多端高壓輸電區(qū)域是一條由外端口配置相量測量單元、內(nèi)部不配置相量 測量單元且含多個支路的輸電線路即類似T形輸電線路，或者是由配置相量測量單元節(jié)點 所圍成的包含多條輸電線路的電網(wǎng)區(qū)域，該區(qū)內(nèi)母線節(jié)點未配置相量測量單元。(2)多端高壓輸電區(qū)域的相量測量單元配置方案指在多端高壓輸電區(qū)域最外圍各 變電站配置相量測量單元，多端高壓輸電區(qū)域內(nèi)部各變電站不配置相量測量單元。(3)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡采用電力數(shù)據(jù)以太網(wǎng)也可采用專線，實時采集的同 步相量數(shù)據(jù)采用TCP協(xié)議傳輸，而主站廣域后備保護服務器下發(fā)的控制命令采用UDP協(xié)議 傳輸。測量數(shù)據(jù)到主站的延遲不超過150ms，控制命令發(fā)出到執(zhí)行子站，延遲不超過50ms。(4)廣域后備保護功能包括保護區(qū)內(nèi)故障檢測和故障支路選擇，實現(xiàn)方法如下a)廣域后備保護決策服務器實時根據(jù)主站采集到的各相量測量單元安裝點處的 電壓、電流相量，采用廣域電流差動保護檢測保護區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，當發(fā)現(xiàn)保護區(qū)域內(nèi)發(fā) 生故障則確定具體的故障相別和過渡電阻情況。b)上述步驟(a)中的廣域電流差動保護包括廣域全電流差動保護和廣域故障分 量差動保護，二者相互補充用于承擔多端高壓輸電區(qū)域的內(nèi)部故障檢測任務，其中，廣域全 電流差動保護指廣域后備保護服務器對各相量測量單元上送的實時量測數(shù)據(jù)直接進行相 序變換，選取多端高壓輸電區(qū)域的中心位置為參考點，基于分布參數(shù)模型，由多端高壓輸電 區(qū)域的首末端各序分量分別向參考點推算得到參考點處的各序差動電流和各序制動電流， 然后合成得到各相對應的差動電流和制動電流，最后利用比率制動特性構(gòu)成全電流差動保 護；廣域故障分量電流差動保護指廣域后備保護服務器計算各相量測量單元安裝點處的 正、負、零序電壓故障分量和正、負、零序電流故障分量，選取多端高壓輸電區(qū)域的中心位置 為參考點，基于分布參數(shù)模型，由多端高壓輸電區(qū)域的首末端各序故障分量分別向參考點 推算得到參考點處的各序故障分量差動電流和各序故障分量制動電流，然后合成得到各相 對應的故障分量差動電流和故障分量制動電流，最后利用比率制動特性構(gòu)成故障分量電流 差動保護。
c)當檢測到保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，則根據(jù)故障線路選擇方法準確確定故障線路， 然后主站向故障線路的執(zhí)行子站發(fā)送動作命令，向保護區(qū)內(nèi)其他正常線路的執(zhí)行子站發(fā)送 閉鎖命令，其中，故障線路選擇方法指基于分布參數(shù)模型，由各端正序分量分別向參考端 推算求出故障線路選擇方程的解xIK(I = 1，…，N)，若xIK(I = 1，…，N)之間滿足Xik < X 2E < · · · < Xke < xK+1R = · · · = xNR，貝丨J ρκ+1ρκ 線路故障；若 xIK(I = 1，...，Ν)之間 滿足 X 1Κ < X 2Ε < · · · X K-IE < X Κ+1Ε = · · · = XNE < X KR，貝1J Kpk 線路故障；其中 R 為參考 端，N為多端高壓區(qū)域最外圍的節(jié)點總數(shù)。d)上述步驟(C)中的故障線路選擇方程指基于分布參數(shù)模型的雙端線路同步 故障測距方法，其表達式為y _lnb]其中』ILv ^7 η 1 M JrV 7 ,, 1
fi = iexp(-ri/P| R)[f/P2P[ +Zc,^]-I[t/R-Zc,/R]; xIK 為由 I 端正序分量向參考端 R推算得
到的故障線路選擇方程的解，t>R、&為參考端R的正序電壓、電流A，r為P1節(jié)點到參考端 R的距離力P2,P1、仏為由I端正序分量向P1節(jié)點推算得到的P1節(jié)點電壓、P1節(jié)點出口電流； Zcl, Y工為輸電線路正序波阻抗和傳播常數(shù)。
上述在主站后備保護決策服務器中實現(xiàn)后備保護的計算分析時間不超高200ms。(5)執(zhí)行子站執(zhí)行子站的核心由與邏輯跳閘控制器構(gòu)成，其輸入是斷路器的開 合狀態(tài)(開為0，合為1)和來自于廣域后備保護主站的跳閘信號(正常為0，跳閘為1)，只 有當斷路器的開合狀態(tài)和來自于廣域后備保護主站的跳閘信號輸入全為1時，與邏輯跳閘 控制器輸出為1，才跳開相應的線路斷路器。本發(fā)明基于廣域測量系統(tǒng)實現(xiàn)多端高壓輸電區(qū)域后備保護，最多可在200毫秒內(nèi) 做出決策并送達各執(zhí)行子站。傳統(tǒng)線路后備保護為了實現(xiàn)選擇性而采取分段階梯時延的方 法，通常一級階梯時延就需要500毫秒，多級時延可能高達數(shù)秒。因此，本發(fā)明動作速度慢 于線路主保護，快于基于本地量決策的傳統(tǒng)線路后備保護。從而，可在保留傳統(tǒng)主干高壓輸 電區(qū)域線路主保護和傳統(tǒng)線路后備前提下，在二者之間增加一道新防線，即本發(fā)明所提出 的基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法。


圖1為本發(fā)明中基于廣域測量系統(tǒng)多端高壓輸電區(qū)域的后備保護總體方案示意 圖；圖2為本發(fā)明中主站和執(zhí)行子站結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中基于廣域測量系統(tǒng)多端高壓輸電區(qū)域后備保護功能計算分析示 意圖；圖4a為本發(fā)明中PK+1PK線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖；圖4b為本發(fā)明中KPk線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖；圖4c為本發(fā)明中PhPih線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖；圖4d為本發(fā)明中HPh線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖；圖5為本發(fā)明中PK+1PK線路故障時ΡΚ+1ΡΚ線路的正序序網(wǎng)圖6為PK+1PK支路、KPk支路故障時xIK(I = 1，2，3，......，N)之間滿足的關(guān)系；圖7為5端高壓輸電單相模型示意圖。
具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本發(fā)明的總體設計方案見圖1所示。圖1所示的多端高壓輸電區(qū)域可以是一條由 外端口配置相量測量單元、內(nèi)部不配置相量測量單元且含多個支路的輸電線路即類似T形 輸電線路，或者是由配置相量測量單元節(jié)點所圍成的包含多條輸電線路的電網(wǎng)區(qū)域，該區(qū) 內(nèi)母線節(jié)點未配置相量測量單元。本發(fā)明的主站和執(zhí)行子站的詳細結(jié)構(gòu)見圖2所示。在多端高壓輸電區(qū)域設置廣域 后備保護主站，通?？衫矛F(xiàn)有的廣域測量系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡和主站的數(shù)據(jù)集中處理單元。 在被保護區(qū)域的最外圍各變電站設置相量測量單元，被保護區(qū)域內(nèi)各變電站不設置相量測 量單元，并在被保護區(qū)域內(nèi)各條線路設置執(zhí)行子站。主站和子站之間通過電力系統(tǒng)的電力 數(shù)據(jù)網(wǎng)或帶寬的專用數(shù)據(jù)通道進行通信。建議對量測數(shù)據(jù)采用TCP協(xié)議傳輸，對控制命令 采用UDP協(xié)議傳輸，以保證命令執(zhí)行的快速性。多端高壓輸電廣域后備保護的具體實現(xiàn)過程如下(1)各相量測量單元每隔IOms進行一次相量計算，根據(jù)電壓、電流的錄波值計算 得到電壓、電流的幅值和相位，并把幅值和相位計算結(jié)果以及斷路器位置、刀間位置等狀態(tài) 量及相應時刻的時標通過網(wǎng)絡上送到主站的相量數(shù)據(jù)集中器。(2)主站的相量數(shù)據(jù)集中器實現(xiàn)相量數(shù)據(jù)的接收，并通過實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù) 庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、調(diào)用和維護。廣域測量系統(tǒng)主站的廣域后備保護服務器以IOms 為周期從實時數(shù)據(jù)庫獲取被保護區(qū)域的斷面數(shù)據(jù)，采用廣域電流差動保護檢測保護區(qū)域內(nèi) 是否發(fā)生故障。若廣域電流差動保護動作，說明被保護區(qū)域內(nèi)存在故障，并準確確定具體的 故障相別和過渡電阻大小情況。當發(fā)現(xiàn)并確定被保護區(qū)內(nèi)發(fā)生故障后，采用故障選擇方法 準確確定具體的故障線路。然后，主站立刻向故障線路的執(zhí)行子站的控制裝置發(fā)出跳閘命 令。本發(fā)明中主站后備保護決策服務器的計算分析見圖3所示，具體實現(xiàn)過程如下一、內(nèi)部故障檢測保護區(qū)域外圍端節(jié)點編號時滿足Qpn4 >V,,Pn Aa Μ,ρ,且各節(jié)點編號為1，...， N。由N端電壓[>ν、Ν端電流/Ν推算Pim節(jié)點電壓[>Ρν4和出口電流根據(jù)式⑴算得。
由Pim節(jié)點電壓"pn_,、Pim節(jié)點出口電流推算PN_2節(jié)點電壓& .2和PN_2節(jié)點出 口電流‘.2根據(jù)式⑵算得。 依次類推，推算出PK+1節(jié)點電壓、PK+1節(jié)點出口電流I，且滿足 其中，lpK+1,pK表示線路PK+1PK之間的距離；r點為參考點；1K,PK表示線路KPk之間的 距離。1)PK+1PK 支路故障圖4a為本發(fā)明中PK+1PK線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖。圖5為PK+1PK線路 故障時PK+1PK線路的正序序網(wǎng)圖。由PK+1節(jié)點電壓&pk+1、出口電流推算PK節(jié)點電壓 和出口電流‘根據(jù)式(3)算得。 其中
； lf表示故障點f距PK+1節(jié)點的距離依此類推，在參考點r處滿足 其中，PT節(jié)點流向r點的實際電流，％為r點的實際電壓。同理，由R端電量向參考點r處推算可得二/Pti, ^r=Ur又由于在參考點r處滿足/Pt, +/ ，=0，所以此時在參考點r處(物理意義上r點 為一高斯點)基于基爾霍夫電流定律構(gòu)成廣域電流差動保護，其制動量和差動量分別為 若保護區(qū)內(nèi)正常，此時/D,.= |/pT ,r + /PT.i,,.卜 0，/Br = ，r - /Ρτ-丨,rI = \2IxJoadI，其中 itJoad 為流 經(jīng)r點的負荷電流分量。2) KPk支路故障圖4b為KPk線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖。由上述式(1)中推導可知，在 Pk節(jié)點處滿足~ = +lA Ajk。其中、,.‘為PK+1PK支路上由Ρκ+1點流至Pk 點的實際電流。于是算得&= +/Ρκ+ι,Ρκ 二 k coshy, (/f -/κ,Ρκ )由Pk節(jié)點處電壓〃Ρκ、節(jié)點出口電流^繼續(xù)向參考點r處推算，可得
/;T;r=4,,+/fCOsh[/,(/PKPK] +‘,’ +…+ / ’ +、’,.！!(^!
UPr,=Ur+i{Zc] sinh[ri(/PK PK i +/Ρκ |’Ρκ 2 + …+ /Ρτ+ι，Ρτ +/PT,r)]coSh[;^(/f -/ΚΡκ)]同理，由R端電量向參考點r處推算可得= /pT.1>r Aw = Ur于是，在參考點r處基于基爾霍夫電流定律構(gòu)成廣域電流差動保護，其制動量和 差動量分別為
7D, =I^p1,,-+A,,J =I Ou + Λ-2)COShfx1 (/Ρκ Ρκ, +/Ρκ_Λ 2 +... + /Ρ +,;Ρ +/ρ >Γ)]cosh[Xl(/f -/Κ,ρκ)] +/f0cosh[r0(/PK PK ] +/ρκ_ι>ρκ_2 +... + /ρτ+ι,ρτ +/PT’r)]cosh[,0(/f -/ΚιΡκ)]|
7Br = IyP1,r — Α. J H (4 + (2)( κ Ρκ ι + /ρκ_ ρ[4_2 +... + / Λ + /pr,r)]cosh[ri(lf — )] + Ifo cos1i[70(/Pk Pk ]+、—丨 + …Η,.+ιΛ +/P|:,r)]cosli[,0(/f -/K.pK)]-2/r>w I其中，If表示故障點f距K端節(jié)點的距離。3) PhPih 支路故障圖4c為PhPih線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖。由上述式⑷可得，PhPih支 路故障時，由R端電量向參考點r處推算，存在式(6)關(guān)系。
1H cosh[yi(/f —/Ph’Phi —/Ph+i Ph -…-、’Pt.2 -/ρ,.,,)]
i . · . (6)其中，If表示故障點f距Pih節(jié)點的距離。同理，由N端電量向參考點r處推算可得‘廣、，r于是，在參考點r處基于基爾霍夫電流定律構(gòu)成廣域電流差動保護，其制動量和
差動量分別為
1D,. = KrH On +4)cosh[/,(/f-/Ρη,Ρηι -/ρΗ+ ρΗ -...-/ρτ. ρτ.2 -/ρτ.,,)] + 4 COShfx0(/f -/Ρη,Ρηι —/Ρη+1，Ρη -…人,Ρτι -/Ρτ. ,-)]Ι+/f2)cosh[7l(/f _/PhA| -/pH+[ft -…’ —U + 4 cosh[,。(/f-/PHPHi -zPh,, ,Ph — ... — 1P^ ,PT.2 —、., ,r )] - 2Kjoad I4) HPh支路故障圖4d為HPh線路故障時多端高壓輸電區(qū)域示意圖。由上述式(5)可得，HPh支路 故障時，由R端電量向參考點r處推算，存在式(7)關(guān)系。
j(’,.=Aw cosh[ri(/PH+iPH +/Ph+2 Ph+| +". + /Pt—卜Pt2 +/pTi,r)]cosh[7l(/f —/HPh)] [Up^r=Or+i{Zclsmh[ri(lPH^ti +/WPh+i + …+ /Ρ_Ρτ_2 +/pTi,r)]cosh[ri(/f -IupJ]同理，由N端電量向參考點r處推算可得r = Av Vf r = Π
rT'rr于是，在參考點r處基于基爾霍夫電流定律構(gòu)成廣域電流差動保護，其制動量和差動量分別為I0r-|/;(,,+4,,,,-|H(/n+4)cosh[r](/Pi|+iPi| H_Ph+i +...+^pim,P|,2 +/pT|jl.)]cosh[r](/f-/H PH)] + /f0 COsh[,。(/PH+i’PH +/Ph+2’Ph+| +...+V pt-2 +、丨’r)] cosh[r0 Uf - ^h1Ph )] IIBr = |/;τ,ΓH (4 +/f2)COSh^1 (/Ph+|jPh +/pH+2>pH+| +...+/Ρτ_.,，Pt_2 + /pT_,)] COSh[；K〗(/f — IH Ph )] + Ifo cosh[,0 (/pH+| P11+/Ph+2’Ph+, +... + /Pti,Pt2 +/PTi r)]cosh[70(/f -/H>pH)]-2/r>w I其中，If表示故障點f距H端節(jié)點的距離。上述分析中的N、T、T-I、I、I-I、K+1、K、K-I、H、H-I表示多端高壓輸電區(qū)域外端口 節(jié)點的編號；PK+1、PioPk+Pp P1YPPPH JhJih表示多端高壓輸電區(qū)域內(nèi)部節(jié)點的編號。上述分析了不同線路故障時，由N端和R端向r點推算所得的差動量和制動量情 況。于是，在r點采用比例制動特性判斷故障相別。當發(fā)生高阻接地故障時，可采用零序電 流分量構(gòu)成零序電流差動保護。高阻接地故障時，因負荷電流影響，上述廣域全電流差動保護可能無法正確動作， 由零序分量差動保護動作跳開三相。這樣雖能切除故障，但跳開了正常相，造成了不必要的 保護動作行為發(fā)生。在非全相運行時零序電流差動保護必須退出，此時若再發(fā)生高阻接地 故障，保護將出現(xiàn)拒動而無法及時地切除故障。由上述推導過程可知，當利用各序故障分量 替代前文相應的各序全電流分量時，上述推導過程依然成立。因此，本發(fā)明考慮引入故障分 量并在上述推導基礎上，提出一種廣域故障分量電流差動保護，即利用故障分量替代上述 相應的全電流分量，即利用故障分量正序分量代替正序分量、故障分量負序分量代替負序 分量、故障分量零序分量代替零序分量。廣域故障分量電流差動保護判據(jù)與廣域全電流差 動保護判據(jù)相同，都采用比例制動特性判別故障相別。因故障分量本身的特點該廣域故障分量電流差動保護適用于故障后兩周內(nèi)，故障 40ms后將退出運行，由廣域全電流差動保護承擔保護任務，因此，本發(fā)明所提出的廣域故障 分量電流差動保護與廣域全電流差動保護相互補充用于承擔多端高壓輸電區(qū)域的內(nèi)部故 障檢測。
二、故障線路選擇方法1)PK+1PK 支路故障當由1(1彡K+1)端向參考端R推算求故障點距參考端R的距離xIK時，參考點r 選在&節(jié)點處時，由式(4)即可得式(8)。 其中，T = K+1，K，…，2;lf表示故障點f 距PK+1節(jié)點的距離。于是，構(gòu)造故障線
路選擇方程如式(9)。 由式⑶和式(9)可得 實際應 用中由
求得 x
2,丨
I R
(9) (10)
。 其 -， 當由I (I彡K)端向R端推算求故障點f距參考端R的距離x IK時，由Pi節(jié)點電 壓、、出口電流々推算節(jié)點電壓Gpy和出口電流如式(11)所示。
按式(11)依次遞推，繼續(xù)向Pt(T< I 節(jié)點推算，此時&節(jié)點電壓和出口電 流存在式(12)關(guān)系。
其中，T = I，I-1，…，2 ;lf表示故障點f距PK+1節(jié)點的距離由式(12)和式(9)可得;Tm =/p P|, +/p, P,2
■ + p,R'
(13) 綜上式(10)和式(13)可得，線路PK+1PK故障時，由各端電量向參考端R推算所得 故障線路選擇方程的解之間存在關(guān)系 x 1E < x 2E < . . . < x KE < x 2)亞1 支路故障當由1(1彡K+1)端向參考端R推算求故障點距參考端R的距離xIK時，式(5)中 r點選為PT點時可得 2 ; lf表示故障點f距K端節(jié)點的距離t由式(15)和式(9)可得^^二‘禮丨+‘小知+…+ ^^+糸及’ I2K + 1(16)當由K端向參考端R推算求故障點距參考端R的距離乂^時，由式⑷可得&節(jié) 點電壓和出口電流如式(17)所示。
f/p p =uP
tp p + /p p +
^K^K-I 1 K-l 'JK-2
Pt.Pt-i
一/f)]
/fZcl sinh[^(/KPK +/P| K, =k, +Acosh[7,(/KPK +/Pk,Pki +/Pki ’ Pk2 + …+ /Pt’Pt—, —/f)]
其中，T = K，K-l，…，2;lf表示故障點f 距K端節(jié)點的距離< 由
式
Zkr
(1 7 .+ ,P2VP
+、，R —h
和
式 (18)
9
(17)
可
得 當由1(1 <K)端向R端推算求故障點f 距參考端R的距離xIK時，PT節(jié)點電壓和
出口電流為
+/Pt Pt Jcosl^/f -/K, pjcosh/, (/pk, Pk_丨
其中，T = I，I-1，* ，2 ;lf表示故障點f距PK+1節(jié)點的距離。 由
Zir P,., +ipH, P,.2
式
和
. + ,P2, P! +、，R，I <K
t o
式2
可 得上述分析中的仏億！“-“^-^+^、^、!!、!^表示多端高壓輸電區(qū)域外端口 節(jié)點的編號；PK+1> PK> PK-1> Pl> Pi-1> PT> PT-1> PH> PH-1表示多端高壓輸電區(qū)域內(nèi)部節(jié)點的編號。綜上式(16)、式(18)和式(20)可得，線路亞1 故障時，由各端電量向參考端R推 算所得故障線路選擇方程的解之間存在關(guān)系 x 1E < x 2E < . . . xK_1K <
X K+1E
X NE< XKE (21) 圖6給出了 PK+1PK支路、KPk支路故障時xIK(I = 1，2，3，......，N)之間滿足的關(guān)系。由圖6和式(14)、式(21)關(guān)系可知，通過分析xIK(I = 1,2,3,......，N)之間的關(guān)系
即可準確確定具體的故障線路。三、計算結(jié)果和分析圖7為5端高壓輸電單相仿真模型示意圖，利用PSCAD仿真軟件搭建此模型。5 端高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生不同類型故障時，本發(fā)明主站決策服務器的計算分析結(jié)果見表1所
7J\ o由表1結(jié)果可以看出，在保護區(qū)內(nèi)不同線路發(fā)生不同類型故障時，本發(fā)明能準確 確定保護區(qū)內(nèi)的過渡電阻情況、具體故障相別和故障線路，具有良好的可靠性、選擇性、速 動性和靈敏性。(3)執(zhí)行子站結(jié)構(gòu)見圖2所示。在執(zhí)行子站控制裝置處，其跳閘執(zhí)行裝置的核心由 與邏輯跳閘控制器構(gòu)成，其輸入是斷路器的開合狀態(tài)(開為0，合為1)和來自于廣域后備保 護主站的跳閘信號(正常為0，跳閘為1)，只有當斷路器的開合狀態(tài)和來自于廣域后備保護 主站的跳閘信號輸入全為1時，與邏輯跳閘控制器輸出為1，才跳開相應的線路斷路器。由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延時以及主站集中計算延時，來自于廣域線路后備保護主站的 即刻跳閘命令會比就地的線路主保護延遲約300毫秒。傳統(tǒng)線路后備保護為了實現(xiàn)選擇性 而采取分段階梯時延的方法，通常一級階梯時延就需要500毫秒，多級時延可能高達數(shù)秒。 因此，本發(fā)明動作速度慢于線路主保護，快于基于本地量決策的傳統(tǒng)線路后備保護。由此實 現(xiàn)線路主保護、本發(fā)明和傳統(tǒng)線路后備保護的配合。表1 保護區(qū)內(nèi)發(fā)生各種故障類型時后備保護決策服務的計算分析結(jié)果以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法，其特征在于，利用多端高壓輸電區(qū)域的廣域測量系統(tǒng)，通過增加集中決策服務器以及遠方控制執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)基于廣域信息的多端高壓輸電區(qū)域后備保護，即首先利用多端高壓輸電區(qū)域現(xiàn)有的廣域測量系統(tǒng)實現(xiàn)對該區(qū)域所有安裝有相量測量單元節(jié)點的電壓、電流相量的同步實時量測，經(jīng)主站及廣域后備保護服務器的計算分析，準確確定具體的故障相和故障線路，并下發(fā)控制命令到該區(qū)域內(nèi)各線路的執(zhí)行子站。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法， 其特征在于，具體步驟如下(1)制定相量測量單元配置方案，各相量測量單元實時量測安裝點處的電壓、電流相 量，根據(jù)實時量測的電壓、電流相量計算得到電壓、電流的幅值和相位，并把幅值、相位計算 結(jié)果以及斷路器位置、刀閘位置的狀態(tài)量及相應時刻的時標通過通信網(wǎng)絡上送到主站的相 量數(shù)據(jù)集中器；(2)廣域后備保護服務器獲取上述(1)上送到主站相量數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)進行計算分 析，采用廣域電流差動保護檢測保護區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，若發(fā)現(xiàn)保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，則確 定具體的故障相別和過渡電阻情況，并根據(jù)故障線路選擇方法準確確定故障線路；當確定 故障線路和故障相別后，主站立刻向故障線路上的執(zhí)行子站發(fā)出跳閘命令；(3)利用通訊系統(tǒng)和主站判斷決策系統(tǒng)的固有延遲，實現(xiàn)線路傳統(tǒng)主保護、線路傳統(tǒng)后 備保護與基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護的時間配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法， 其特征在于，所述多端高壓輸電區(qū)域是一條由外端口配置相量測量單元、內(nèi)部不配置相量 測量單元且含多個支路的輸電線路即類似T形輸電線路，或者是由配置相量測量單元節(jié)點 所圍成的包含多條輸電線路的電網(wǎng)區(qū)域，該區(qū)內(nèi)母線節(jié)點未配置相量測量單元；多端高壓 輸電區(qū)域的相量測量單元配置方案指在多端高壓輸電區(qū)域最外圍各變電站配置相量測量 單元，多端高壓輸電區(qū)域內(nèi)部各變電站不配置相量測量單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法， 其特征在于，所述通訊系統(tǒng)采用電力數(shù)據(jù)以太網(wǎng)或采用專線，實時采集的同步相量數(shù)據(jù)采 用TCP協(xié)議傳輸，而主站廣域后備保護服務器下發(fā)的控制命令采用UDP協(xié)議傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法， 其特征在于，所述廣域后備保護包括保護區(qū)內(nèi)故障檢測和故障支路選擇，實現(xiàn)方法如下a)廣域后備保護決策服務器實時根據(jù)主站采集到的各相量測量單元安裝點處的電壓、 電流相量，采用廣域電流差動保護檢測保護區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，當發(fā)現(xiàn)保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故 障則確定具體的故障相別和過渡電阻情況；b)上述步驟(a)中的廣域電流差動保護包括廣域全電流差動保護和廣域故障分量差 動保護，二者相互補充用于承擔多端高壓輸電區(qū)域的內(nèi)部故障檢測任務，其中，廣域全電流 差動保護指廣域后備保護服務器對各相量測量單元上送的實時量測數(shù)據(jù)直接進行相序變 換，選取多端高壓輸電區(qū)域的中心位置為參考點，基于分布參數(shù)模型，由多端高壓輸電區(qū)域 的首末端各序分量分別向參考點推算得到參考點處的各序差動電流和各序制動電流，然后 合成得到各相對應的差動電流和制動電流，最后利用比率制動特性構(gòu)成全電流差動保護； 廣域故障分量電流差動保護指廣域后備保護服務器計算各相量測量單元安裝點處的正、負、零序電壓故障分量和正、負、零序電流故障分量，選取多端高壓輸電區(qū)域的中心位置為 參考點，基于分布參數(shù)模型，由多端高壓輸電區(qū)域的首末端各序故障分量分別向參考點推 算得到參考點處的各序故障分量差動電流和各序故障分量制動電流，然后合成得到各相對 應的故障分量差動電流和故障分量制動電流，最后利用比率制動特性構(gòu)成故障分量電流差 動保護；c)當檢測到保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，則根據(jù)故障線路選擇方法準確確定故障線路，然后 主站向故障線路的執(zhí)行子站發(fā)送動作命令；其中，故障線路選擇方法指基于分布參數(shù)模型， 由各端正序分量分別向參考端推算求出故障線路選擇方程的解x IK(I = 1，…，N)，若x IK(I =1，…，N)之間滿足 x 1K < x 2E < . . . < xKE< x K+1E = ... = x 置，則 PK+1PK 線路故障； 若 x IE(I = 1，…，N)之間滿足 x 1E < x 2E < . . . xK_1E < xK+1E = = xNE < xKK，WlJ KPk線路故障；R為參考端，N為多端高壓區(qū)域最外圍的節(jié)點總數(shù)；d)上述步驟(c)中的故障線路選擇方程指基于分布參數(shù)模型的雙端線路同步故障測距方法，其表達式為y 吐^^.其中jl^ , M 1 ,, 、f〃 7 , 1S= ieXp(-yi/Pi,R)[f7P2;P| +ZC,./[>|1-去[t>R-Zcl/R]; XIK 為由 I 端正序分量向參考端 R 推算得到的故障線路選擇方程的解，C>R、4為參考端R的正序電壓、電流-J狀為Pi節(jié)點到參考端R的 距離；"P2,P|、、為由I端正序分量向Pi推算得到的Pi節(jié)點電壓、Pi節(jié)點出口電流；Zel、Y工 為輸電線路正序波阻抗和傳播常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域后備保護方法， 其特征在于，所述的跳閘執(zhí)行子站的核心由與邏輯跳閘控制器構(gòu)成，其輸入是斷路器的開 合狀態(tài)(開為0，合為1)和來自于廣域后備保護主站的跳閘信號(正常為0，跳閘為1)，只 有當斷路器的開合狀態(tài)和來自于廣域后備保護主站的跳閘信號輸入全為1時，與邏輯跳閘 控制器輸出為1，才跳開相應的線路斷路器。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域的一種基于廣域測量系統(tǒng)的多端高壓輸電區(qū)域的后備保護方法。利用多端高壓輸電區(qū)域的廣域測量系統(tǒng)，通過增加集中決策服務器以及遠方控制執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)基于廣域信息的多端高壓輸電區(qū)域后備保護，對安裝有相量測量單元節(jié)點的電壓、電流相量的同步實時量測，經(jīng)主站及廣域后備保護服務器的計算分析，準確確定具體的故障相和故障線路，并下發(fā)控制命令到該區(qū)域內(nèi)各線路的執(zhí)行子站。本發(fā)明通過增加集中決策服務器以及遠方控制執(zhí)行系統(tǒng)，最多可在200毫秒內(nèi)做出決策并送達各執(zhí)行子站，實現(xiàn)基于廣域信息的多端高壓輸電區(qū)域的后備保護，避免因為故障后保護誤動作而造成大面積停電的故障。
文檔編號H02J13/00GK101872964SQ201010217048
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者葉東華, 曾惠敏, 林富洪, 王增平, 馬靜 申請人:華北電力大學