本發(fā)明涉及一種適用于半波長輸電線路的距離保護系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的建設，半波長輸電技術作為一種高效的遠距離洲際輸電方式，具有良好的應用前景，同時在我國“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”的電力發(fā)展戰(zhàn)略中，遠距離、大容量的輸電方式不可避免。例如，一些西部的火電/水電能源基地到沿海負荷中心距離大約為3000公里，輸電距離恰好接近工頻半波長范圍，因此可以考慮將半波長輸電技術作為這些大容量電力送出的方案。

特高壓半波長輸電線路輸電距離遠，電氣特征與現(xiàn)有特高壓線路存在較大差異，傳統(tǒng)的繼電保護原理無法滿足半波輸電線路要求。當傳統(tǒng)的距離保護應用于半波長輸電線路時，會存在線路中段測量阻抗極大而導致保護拒動，以及線路遠端區(qū)外故障時測量阻抗接近于始端故障并導致保護誤動的問題。因此，研究適用于半波長線路的距離保護原理，對提升半波長輸電線路繼電保護理論研究水平，以及提升半波長輸電系統(tǒng)的運行可靠性具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于半波長輸電線路的距離保護系統(tǒng)及其控制方法，用以解決傳統(tǒng)的距離保護方式無法有效對長距離輸電線路進行繼電保護的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種適用于半波長輸電線路的距離保護系統(tǒng)，包括綜合距離保護單元，以及設置在輸電線路上的分段點處的分段保護單元，輸電線路上設置有至少兩個分段點，所述分段點保護單元與所述分段點一一對應，所述分段保護單元用于接收輸電線路上對應分段點的電氣量信息和時間信息，并計算對應分段點處的測量阻抗信息，所有的分段保護單元輸出連接所述綜合距離保護單元，所述綜合距離保護單元用于根據(jù)接收到的分段保護單元發(fā)送的相關信息進行分析和判斷，并輸出相應的信號，以實現(xiàn)輸電線路的保護。

所述距離保護系統(tǒng)中的綜合距離保護單元的個數(shù)是兩個，用于分別設置在輸電線路的始端和末端，所有的分段保護單元分別輸出連接這兩個綜合距離保護單元，且這兩個綜合距離保護單元冗余設置。

所述距離保護系統(tǒng)還包括用于設置在輸電線路始端的始端保護單元和用于設置在輸電線路末端的末端保護單元，所述始端保護單元用于接收輸電線路始端處的電氣量信息和時間信息，以及計算始端處的測量阻抗信息，所述末端保護單元用于接收輸電線路末端處的電氣量信息和時間信息，以及計算末端處的測量阻抗信息，所述始端保護單元和末端保護單元輸出連接所述綜合距離保護單元。

所述距離保護系統(tǒng)還包括接口單元，分段保護單元通過對應的接口單元輸出連接所述綜合距離保護單元。

所述距離保護系統(tǒng)還包括光纖通信網(wǎng)絡單元，所有的分段保護單元和綜合距離保護單元均連接所述光纖通信網(wǎng)絡單元，實現(xiàn)分段保護單元與綜合距離保護單元之間的通信。

一種專用于上述適用于半波長輸電線路的距離保護系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

(1)分段保護單元接收輸電線路上對應分段點的電氣量信息，然后計算對應分段點的測量阻抗信息，并將測量阻抗信息輸出給綜合距離保護單元；

(2)綜合距離保護單元比較所有分段保護單元輸出的測量阻抗的模值的大??；

(3)綜合距離保護單元找到最小的測量阻抗模值，該最小的測量阻抗模值對應的分段點作為疑似故障中心，確定與該分段點相鄰的兩個分段點，然后認定這兩個分段點之間的區(qū)間為故障區(qū)間；

(4)根據(jù)得到的三個分段點對應的分段保護單元中計算出的對應分段點的測量阻抗的方向來確定故障位于疑似故障中心與哪一個相鄰的分段點之間的區(qū)間內(nèi)；

(5)計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離，以完成故障點的定位，并控制繼電器進行跳閘操作。

所述步驟(2)和步驟(3)之間還包括以下步驟：綜合距離保護單元在比較所有分段保護單元輸出的測量阻抗的模值的大小時，如果其中有至少一個阻抗模值小于預設的阻抗整定值，則啟動步驟(3)。

所述步驟(1)之后、且在步驟(5)之前還有以下步驟：綜合距離保護單元比較各個分段保護單元、始端保護單元和末端保護單元在上送阻抗信息時測量阻抗模值變化的時刻，當各個分段保護單元中有至少一個分段保護單元對應的測量阻抗模值變化的時刻早于始端保護單元和末端保護單元對應的測量阻抗模值變化的時刻，那么，故障發(fā)生在輸電線路始末兩端之間，然后繼續(xù)所述控制方法，否則，退出所述控制方法。

實現(xiàn)所述計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離的手段是：根據(jù)基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法計算疑似故障中心到故障發(fā)生位置的距離。

當綜合距離保護單元有兩個時，若至少一個綜合距離保護單元判定有故障，則控制繼電器進行跳閘操作。

本發(fā)明提供的距離保護系統(tǒng)及其控制方法適用于長距離的輸電系統(tǒng)的繼電保護，該保護系統(tǒng)包括綜合距離保護單元，并且在輸電線路上設置有若干個分段點，每個分段點處設置有一個分段保護單元，分段保護單元采集對應分段點處的電氣量信息并計算相應的阻抗信息，所有的分段保護單元輸出連接綜合距離保護單元，將采集到的或者計算得到的數(shù)據(jù)信息輸出給綜合距離保護單元，綜合距離保護單元根據(jù)接收到的分段保護單元發(fā)送的相關信息進行分析和判斷，并輸出相應的信號，以實現(xiàn)輸電線路的保護。該保護系統(tǒng)將長距離的輸電線路化整為零，利用分段保護單元來檢測其中一段距離的線路信息，借此實現(xiàn)對所有分段線路的檢測，進而對整個輸電線路進行實時檢測，所以，利用該系統(tǒng)進行繼電保護能夠避免因線路中段測量阻抗極大而導致保護拒動，以及因線路遠端區(qū)外故障時測量阻抗接近于始端故障并導致保護誤動的問題。因此，該保護系統(tǒng)能夠極大提升半波長輸電系統(tǒng)的運行可靠性，保證輸電線路的可靠安全運行。

而且，綜合距離保護單元根比較所有分段保護單元輸出的阻抗的模值的大?。黄渲凶钚〉淖杩鼓Ｖ祵姆侄吸c作為疑似故障中心，并認定與該分段點相鄰的兩個分段點之間的區(qū)間為故障區(qū)間；然后根據(jù)得到的三個分段點對應的分段保護單元中計算出的對應分段點的阻抗的方向來確定故障位于疑似故障中心與哪一個相鄰的分段點之間的區(qū)間內(nèi)；最后計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離，以完成故障點的定位，并控制繼電器進行跳閘操作。所以，該控制方法能夠不但能夠?qū)崿F(xiàn)在故障發(fā)生時及時進行跳閘操作，提升半波長輸電系統(tǒng)的運行可靠性，保證輸電線路的可靠安全運行；而且，還能夠在長距離輸電線路中準確地確定故障點的位置，方便后續(xù)的線路維修，保證了維修的工作效率。

附圖說明

圖1是距離保護系統(tǒng)在輸電線路上的布置示意圖；

圖2是距離保護系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；

圖3是距離保護系統(tǒng)的繼電保護流程示意圖；

圖4是疑似故障中心與相鄰分段點之間的位置關系示意圖；

圖5是距離保護系統(tǒng)的系統(tǒng)功能框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

本發(fā)明提供的距離保護系統(tǒng)適用于長距離的輸電線路，比如一些西部的火電/水電能源基地到沿海負荷中心距離大約為3000公里的輸電線路。該距離保護系統(tǒng)包括綜合距離保護單元和分段保護單元。這兩種保護單元均為控制設備，比如控制芯片(單片機等)，或者工控機等設備，利用內(nèi)部設置的控制策略來實現(xiàn)相應的控制功能。

其中，綜合距離保護單元是距離保護系統(tǒng)的核心功能單元。為了更好對半波長輸電線路全長起保護作用，需要進行雙重化配置，即在半波長輸電線路上設置兩個綜合距離保護單元，這兩個保護單元冗余設置，進一步地，可以將這兩個綜合距離保護單元分別設置安裝在輸電線路的始端及末端變電站處，如圖1所示。這兩個綜合距離保護單元中只要有一個判定有故障，那就進行相應的繼電保護動作。

當然，作為其他的實施例，綜合距離保護單元冗余個數(shù)還可以設置更多個，或者如果不需要冗余設置，那么，該距離保護系統(tǒng)中還可以只設置1個綜合距離保護單元。

分段保護單元是保護系統(tǒng)的重要功能單元。在工程實施中，將根據(jù)實際需要，把半波長輸電線路劃分為多條線段，并且可以根據(jù)需要進行均分或者不均分，當不均分時，線段之間的長度不相同；均分時，各個線段的長度相同，但是，不管是否均分，對應的控制策略是相同的。在本實施例中，以均分為例，如圖1所示。并且，線段的長度也是根據(jù)實際需要進行確定的，如果線段長度較短，那么，控制更加精確，但是，所需的分段保護單元以及電氣量信息采集設備就會增多，投入成本增加；如果線段長度較長，那么，控制精確程度下降，但是，所需的分段保護單元以及電氣量信息采集設備就會降低，投入成本降低。在本實施例中，為保障故障定位精度，線段的長度可設置為100km-300km不等。

每兩個相鄰的線段之間的連接點為分段點，也就是說，利用分段點將輸電線路分為若干份，在每個分段點處設置分段保護單元，每個分段點處均設置有不同類型的傳感器諸如CT/PT、光混合傳感器、電子式傳感器等，用于采集相應分段點的電氣量信息，并將采集到的電氣量信息輸出給對應的分段保護單元。分段保護單元根據(jù)接收到的電氣量信息，比如：電流和電壓等信息能夠計算出對應分段點處的阻抗信息，比如阻抗的模值及方向等。

而且，在本實施例中，為了對輸電線路始端和末端處的電氣進行檢測，并進行后續(xù)的控制，該距離保護系統(tǒng)還包括始端保護單元和末端保護單元，其中，始端保護單元設置在輸電線路始端、且能夠根據(jù)始端處的電氣量信息計算始端位置的阻抗信息，末端保護單元設置在輸電線路末端、且能夠根據(jù)末端處的電氣量信息計算末端位置的阻抗信息，所以，始端保護單元和末端保護單元與上述分段保護單元的功能相同，可以采用同樣的設備，也可以說，始端保護單元、末端保護單元和分段保護單元是相同的設備。

所有的分段保護單元，以及始端保護單元和末端保護單元均輸出連接綜合距離保護單元。在本實施例中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，該保護系統(tǒng)還包括光纖通信網(wǎng)絡單元，利用光纖通信網(wǎng)絡實現(xiàn)所有的分段保護單元、以及始端保護單元和末端保護單元與綜合距離保護單元之間的通信。并且，如圖2所示，該保護系統(tǒng)還包括接口單元，所有的分段保護單元、以及始端保護單元和末端保護單元通過對應的接口單元連接光纖通信網(wǎng)絡，綜合距離保護單元也連接光纖通信網(wǎng)絡。所以，分段保護單元、始端保護單元和末端保護單元的個數(shù)的綜合與接口單元的個數(shù)相同。

在本實施例中，接口單元包括兩部分，一部分連接各分段保護單元，將測量到的模擬信號和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為光信號；另一部分連接光纖通信網(wǎng)絡、繼電器，以及其他沿線接口單元等設備，用于將分段保護單元、始端和終端保護單元的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合距離保護單元以及將綜合距離保護單元輸出的繼電器控制信號輸出給繼電器。

光纖網(wǎng)絡通信單元：該部分作為通信的媒介，連接沿線各測量點接口單元及綜合距離保護單元，所用協(xié)議為標準通信協(xié)議。另外，該光纖網(wǎng)絡上還可連接到其他一些設備，比如人機交互單元、GPS時鐘、與變電站的其他繼電保護系統(tǒng)連接等，這些屬于現(xiàn)有技術，并且與本發(fā)明沒有太大的關系，這里不做具體描述。

綜合距離保護單元接收所有的分段保護單元、始端和末端保護單元發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)接收到的信息進行故障判斷和定位，實現(xiàn)故障檢測。

當輸電線路上出現(xiàn)故障時，輸電線路上的每處位置的電氣量信息均會發(fā)生變化，進而每個位置的阻抗信息也發(fā)生相應的變化，有的位置的阻抗發(fā)生的變化幅度較大，有的位置的阻抗發(fā)生的變化幅度較小，所以，通過檢測阻抗信息的變化是能夠進行故障檢測的。因此，以下對該保護系統(tǒng)的工作過程，即該保護系統(tǒng)的控制方法的步驟進行詳細說明。圖3是控制方法流程示意圖。

(1)分段保護單元接收輸電線路上對應分段點的電氣量信息，比如：電流、電壓的測量信息，然后根據(jù)接收到的信息計算對應分段點的阻抗信息，其中包括阻抗模值和阻抗方向；而且，始端保護單元也接收輸電線路始端位置的電氣量信息，然后根據(jù)接收到的信息計算始端位置的阻抗信息，其中包括阻抗模值和阻抗方向；末端保護單元也接收輸電線路末端位置的電氣量信息，然后根據(jù)接收到的信息計算末端位置的阻抗信息，其中包括阻抗模值和阻抗方向。所有的分段保護單元，始端和末端保護單元將得到的數(shù)據(jù)信息通過接口單元和光纖通信網(wǎng)絡輸出給綜合距離保護單元。

(2)綜合距離保護單元接收到所有的分段保護單元、始端和末端保護單元發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并且比較所有的阻抗的模值的大小，其中，如果有至少一個阻抗模值小于預設的阻抗整定值，那么，綜合距離保護單元立即啟動后續(xù)的繼電保護程序，具體如下：

綜合距離保護單元在所有的阻抗模值中找到最小的阻抗模值，該最小的阻抗模值對應的分段點作為疑似故障中心，并認定與該分段點相鄰的兩個分段點之間的區(qū)間為故障區(qū)間。比如：如圖4所示，輸電線路上的分段點中有分段點M，分段點M-1和分段點M+1為其兩端相鄰的分段點，如果分段點M為疑似故障中心，那么，認定分段點M-1和分段點M+1之間的線路為故障區(qū)間。

(3)由于當出現(xiàn)故障時，每處位置的阻抗均發(fā)生變化，尤其體現(xiàn)在阻抗模值上，那么，綜合距離保護單元比較各個分段保護單元、始端保護單元和末端保護單元分別上送的阻抗模值開始變化的時刻，并根據(jù)GPS對時模塊的時間信息，來判斷故障發(fā)生位置是否在輸電線路始末兩端之間的區(qū)域，即判斷是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，如果故障發(fā)生在區(qū)外，則閉鎖跳閘并退出保護程序，返回為無故障；如果故障發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)，則進行后續(xù)的操作?？傊鱾€分段保護單元、始端保護單元和末端保護單元還采集對應位置處的時間信息，即故障發(fā)生的時刻，也就是阻抗模值開始變化的時刻，綜合距離保護單元接收所有保護單元的時間信息，并進行區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的判斷，具體如下：

當各個分段保護單元中有至少一個分段保護單元上送阻抗模值開始變化的時刻早于始端保護單元和末端保護單元上送阻抗模值開始變化的時刻，那么，判定故障發(fā)生在輸電線路始末兩端之間，即故障為區(qū)內(nèi)故障。

所以，如果始端保護單元或者末端保護單元上送阻抗模值開始變化的時刻，即檢測出故障的時刻早于所有的分段保護單元，那就表示故障為區(qū)外故障。具體如下：在本實施例中，區(qū)外故障包括兩種情況，分別是故障位于線路始端處和故障位于輸電線路末端之外(輸電線路末端之外還可以稱為遠端區(qū)外)，當故障區(qū)間位于線路始端處或者遠端區(qū)外時，由于半波長輸電線路的特性，此時單純采用測量到的測量阻抗模值和方向無法判斷故障處于區(qū)內(nèi)或者區(qū)外。因此結(jié)合GPS對時信號，比較各分段保護單元、始端保護單元和末端保護單元檢測到故障發(fā)生的時刻，如果始端保護單元最先檢測到故障，則故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)始端處；如果末端保護單元最先檢測到故障，則故障發(fā)生在遠端區(qū)外。如果是區(qū)內(nèi)故障，那么，繼續(xù)進行該控制方法，如果是區(qū)外故障，則退出該控制方法。

(4)從上述步驟(2)中得到了三個分段點，分別是疑似故障中心，以及與該疑似故障中心相鄰的兩個分段點，綜合距離保護單元根據(jù)這三個分段點的阻抗信息來進一步縮小故障區(qū)間，具體為：根據(jù)這三個分段點對應的阻抗信息中的阻抗方向來確定故障位于疑似故障中心與哪一個相鄰的分段點之間的區(qū)間內(nèi)，從而將故障區(qū)間縮小到其中兩個分段保護單元所確定的一段線路上。比如：根據(jù)分段點M、分段點M-1和分段點M+1的阻抗方向來進一步確定故障位置位于分段點M和分段點M-1之間的區(qū)間還是分段點M和分段點M+1之間的區(qū)間。

(5)在縮小了故障區(qū)間后，計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離。在本實施例中，根據(jù)基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離，即采用測距算法根據(jù)故障區(qū)間始末端的分段保護單元信息進一步精確計算，以疑似故障中心為基準，計算故障測距，從而定位故障實際發(fā)生位置。當然，本發(fā)明并不局限于上述計算方式。

其中，根據(jù)基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離具體為：

首先將輸電線路用分布參數(shù)模型進行描述，其單位長度線路特征方程為：

因此可得傳輸線上與測量點距離為x處的任意一點電壓和電流為：

式子中和是測量點處的電壓、電流相量，Z_c為線路特征阻抗，γ為傳播常數(shù)。

理論上，在線路發(fā)生故障時，分別采用線路兩端測量得到的電壓和電流計算出故障點電壓和電流幅值應該相等，將此條件與以上公式聯(lián)立即可求解出故障點與測量點之間的距離x。

由于基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法屬于常規(guī)技術，這里就不過于詳細說明。

(6)綜合距離保護單元在確定了故障位置后，輸出跳閘信號，使輸電線路兩端的繼電器動作，切除整條線路。

由于本實施例中，兩個綜合距離保護單元相互冗余設置，那么，這兩個保護單元之中只要有一個判定有故障時，就控制繼電器進行相應地跳閘操作。

至此完成了故障的檢測。

另外，由于綜合距離保護單元為控制設備，所以，可以將上述控制方法中的各個步驟看出該保護單元中對應的軟件模塊，如圖5所示，其中：

故障識別組件的功能為：判斷比較所有的阻抗模值，當其中一旦有值低于預先設置的阻抗整定值時，立即啟動保護程序，并以最低測量阻抗處的分段保護單元為疑似故障中心，以該點前后兩段線路作為疑似故障區(qū)間。

區(qū)內(nèi)外故障判定組件的功能為：監(jiān)測故障識別組件發(fā)出的保護啟動信號，同時根據(jù)GPS對時模塊的時間信息，判斷故障發(fā)生位置是否在半波長輸電線路保護區(qū)內(nèi)。如果故障發(fā)生在區(qū)外，則閉鎖跳閘并退出保護程序，返回為無故障；如果故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)，則確定故障區(qū)間，并啟動故障方向比較組件。

故障方向比較組件的功能是：對故障區(qū)間所覆蓋的三個分段保護單元對應分段點的阻抗方向進行比較，從而將故障區(qū)間縮小到兩個分段保護單元所確定的一段線路上，此后啟動故障定位計算組件。

故障定位計算組件的功能是：根據(jù)基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法計算疑似故障中心與故障發(fā)生位置之間的距離，即采用測距算法根據(jù)故障區(qū)間始末端的分段保護單元信息進一步精確計算，以疑似故障中心為基準，計算故障測距，從而定位故障實際發(fā)生位置。

在確定了故障位置后，由跳閘決策邏輯組件判斷并輸出跳閘信號。

基于以上控制方法，以下給出一個應用實例。

如圖1所示，假設K1點發(fā)生了故障，那么，通過各分段保護單元采集到的電壓、電流信息將發(fā)生變化，各分段保護單元計算得到的測量阻抗模值也將隨之產(chǎn)生變化，其值將通過接口單元及光纖網(wǎng)絡通信單元發(fā)送到線路始末端母線安裝的綜合距離保護單元。

判斷各分段測量點的測量阻抗，如觸及到預先設置的阻抗整定值則啟動繼電保護計算。

比較分段保護單元、以及線路始末端保護單元的輸出阻抗模值發(fā)生變化的時刻，來判定是否為區(qū)外故障，如果為區(qū)外故障，則直接返回。

如果故障發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)，則比較各保護單元測量阻抗模值，選擇測量阻抗最小的點，作為疑似故障中心；選擇該點前后兩段線路作為故障區(qū)間。

比較待判定故障區(qū)間兩端保護單元以及疑似故障中心點計算出的阻抗方向，將故障區(qū)間縮小至其中某一分段線路。

通過確定的故障區(qū)間兩端保護單元所采集到的電氣量數(shù)據(jù)，根據(jù)基于分布式線路參數(shù)模型的故障測距算法計算故障測距，確定故障定位，并輸出跳閘信號，那么線路始端的繼電器M和線路末端的繼電器N將動作，并動作于斷路器跳閘，切除整條線路。

跳閘后，程序返回。

上述實施例的控制方法中還涉及到區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的判定步驟，該步驟在整個控制方法實施過程中的“位置”不唯一，可以根據(jù)具體需要進行實施，比如可以在判定處故障區(qū)間之后再進行區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的判定，當然，還可以在綜合距離保護單元找到最小的阻抗模值之前進行區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的判定，但是不管如何，需要滿足在給綜合距離保護單元接收所有的阻抗信息之后、且在故障點定位之前這一區(qū)間進行判定，因為只有接收到阻抗信息之后才可以進行得到各個故障時刻。而且，區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的判定步驟是一種優(yōu)化的實施方式，作為其他的實施例，該步驟還可以不設置。另外，如果不進行區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障的判斷，該保護系統(tǒng)中還可以不涉及線路始端保護單元和末端保護單元。

以上給出了具體的實施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導，設計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。