能量方向保護(hù)原理的分析

1、能量方向保護(hù)原理的分析袁榮湘陳德樹張哲摘要對基于故障分量能量函數(shù)的超高速方向保護(hù)原理進(jìn)行了研究，探討了超高速保護(hù)的研究思路與方法。認(rèn)為超高速保護(hù)的原理全部用集中參數(shù)等值電路來分析不適宜，因?yàn)閷?shí)際的電網(wǎng)用集中參數(shù)等值電路不能較好地分析它在故障初期的動(dòng)態(tài)行為。在高壓線路超高速保護(hù)的研究中，采用時(shí)域分析與頻域分析相結(jié)合的分析方法較好，系統(tǒng)模型則應(yīng)適當(dāng)考慮電力系統(tǒng)非線性的影響。關(guān)鍵詞方向繼電器暫態(tài)能量函數(shù)故障分量分布參數(shù)電路分類號(hào)TM 771ANALYSIS OF THE PRINCIPLE OF ENERGY DIRECTIONAL PROTECTIONYuan Rongxiang, Chen De

2、shu, Zhang Zhe(Huazhong University of Science and Technology, , Wuhan, China)AbstractThe principle of the ultra-high-speed directional protection based on the energy function of the fault component is analyzed. It is pointed out that the lumped parameter equivalence circuit, is unsuitable for analys

3、is of the ultra-high-speed relaying because the transient performance during initial period of fault in a practical power system cannot be represented well with the lumped parameter equivalence circuit. So time-domain analysis and frequency-domain analysis should be preferred in the course of the ul

4、tra-high-speed protection studies. The distributed parameter model should be adopted. The influence for the non-linearity of power system should be considered reasonably in the system model. The analysis of energy directional protection can be divided into three periods: The first period is that the

5、 performance of the protection corresponds to the directional protection based on travelling waves. After a half fundamental period, it is the power directional protection. In the middle period, the trip of the protection should be deliberative.Keywordsdirectional relay；transient energy function；fau

6、lt component；distributed parameter circuit0引言隨著我國電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)容量迅速增加，超高壓輸電線路日益增多，為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求輸電線路主保護(hù)能夠可靠、快速地切除故障，并且主保護(hù)的雙重化最好采用兩種不同原理構(gòu)成的主保護(hù)裝置，因此，對高壓輸電線路新原理主保護(hù)的研究具有十分重要的意義。由于方向高頻保護(hù)占用通道容量少，能夠快速切除線路首次發(fā)生的各類故障，在我國輸電線路保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。但是方向高頻保護(hù)中方向元件的性能成了方向高頻保護(hù)發(fā)揮更大作用的桎梏，研究適用于高壓輸電線路的靈敏性更好、速度更快、可靠性更高的方向元件成為當(dāng)前繼電保護(hù)工作

7、者面臨的緊迫任務(wù)。本文針對文獻(xiàn)1,2中所提出的基于故障分量能量函數(shù)的超高速方向保護(hù)原理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)1中的原理是用集中參數(shù)等值電路來分析的，而實(shí)際的電網(wǎng)用集中參數(shù)等值電路不能較好地分析其在故障初期的動(dòng)態(tài)行為，特別是高壓輸電線路。因此，在高壓線路的超高速保護(hù)的研究中，宜采用時(shí)域分析與頻域分析相結(jié)合的分析方法，系統(tǒng)模型則應(yīng)適當(dāng)考慮電力系統(tǒng)非線性的影響。1能量方向保護(hù)原理分析文獻(xiàn)1算法成立的充分條件是滿足疊加原理，所分析系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。先只分析基波的作用，不考慮非周期分量和諧波分量的影響。如圖1所示，不妨設(shè)故障點(diǎn)f在m側(cè)出口處，且為對稱的三相短路，故可取一相來分析，又設(shè)故障瞬間的故障分量、功率、能

8、量函數(shù)分別為：u=U cos ti=I cos(t+)圖1正向故障時(shí)的故障分量系統(tǒng)Fig.1A forward fault component systemP=u.i=UI cos t cos(t+)=0.5UIcos(2t+)+cos 其中為電壓和電流的夾角；t1為故障開始時(shí)刻。顯然P是t和的函數(shù)，當(dāng)不考慮充電時(shí)的暫態(tài)過程以及由此產(chǎn)生的諧波的影響，正向故障時(shí)穩(wěn)態(tài)基波分量能量函數(shù)Sm0的充分條件是t10 ms，即要保證能量方向保護(hù)正確動(dòng)作，保護(hù)出口時(shí)間應(yīng)不少于半個(gè)周期。對于故障過程中的各次諧波，不僅存在基波所面臨的問題，更為嚴(yán)重的是，在故障過程中根本無法保證各次諧波在它的周期內(nèi)滿足當(dāng)正向故障時(shí)

9、Sm0和當(dāng)反向故障時(shí)Sm0的條件，這是由于分布參數(shù)電路中波的傳播過程的影響，詳細(xì)的討論見文獻(xiàn)3。當(dāng)然，暫態(tài)過程用頻譜分解的分析方法的正確性本身還有待商榷，由此推出的結(jié)果的正確性亦有疑問，這正說明用集中參數(shù)等值電路分析電網(wǎng)暫態(tài)過程的缺陷。當(dāng)然，對故障初始瞬間的暫態(tài)能量，忽略故障分量的計(jì)算誤差時(shí)，實(shí)質(zhì)上是對無源系統(tǒng)的充電過程，可以保證正確的方向性，亦可看成行波極性保護(hù)。在此以后暫態(tài)能量則蛻變?yōu)槠骄β省?shí)際情況中通過積分的函數(shù)宜看成是初始暫態(tài)能量與各頻率信號(hào)的平均功率之和，同時(shí)各頻率信號(hào)電壓、電流的初始相位差亦不會(huì)正好全是90，顯然綜合的能量肯定大于上面這種單純用基波來分析的假想特例（指最嚴(yán)重的情

10、形，在此應(yīng)假定諧波的影響足夠?。?。下面通過仿真計(jì)算對能量方向保護(hù)的原理進(jìn)行分析。2能量方向保護(hù)的仿真計(jì)算為比較清楚而簡明地闡述能量方向保護(hù)的原理，以我國第1條500 kV輸電線路平武線及其所在系統(tǒng)為例，用EMTP產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)后，對能量方向保護(hù)繼電器的算法進(jìn)行仿真計(jì)算。系統(tǒng)模型如圖2，MN和RS為平武線的兩段，線路參數(shù)(單位為標(biāo)幺值/km)為：R1=0.，L1=0.0011，C1=0.00118，R0=0.00071，L0=0.00252，C0=0.；系統(tǒng)參數(shù)均為標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值為：SB=1000 MVA，UB=525 kV；X11=X21=X31=7.3179，X10=X20=1.9955，X3

11、0=3.6281；G11=0.3471，G10=0.7228，G21=0.5373，G20=0.1667，G31=0.1638，G30=0.0147。圖2仿真系統(tǒng)模型Fig.2Model for simulation system在仿真計(jì)算中，故障分量的提取算法為（以電流為例）：i=i(k)-i(k-N)，式中k為采樣時(shí)刻；N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，本文中N=96。圖3圖14分別為在母線M上故障和其出口處故障時(shí)，M，N，R處的能量方向保護(hù)繼電器的特性曲線圖，1，2，0分量為Clarke分量（略去了比例系數(shù)），其計(jì)算公式為（以電流為例，電壓同理）：i1=2 ia-ib-ic,i2=ib-ic,i0=i

12、a+ib+ic。故障開始時(shí)刻為0.02 s。圖3M處出口三相短路時(shí)M側(cè)繼電器特性（0分量放大105倍）Fig.3Characteristics of relayM while 3-phase fault at M圖4M處出口三相短路時(shí)N側(cè)繼電器特性（0分量放大105倍）Fig.4Characteristics of relayN while 3-phase fault at M圖5M處出口三相短路時(shí)R側(cè)繼電器特性（0分量放大105倍）Fig.5Characteristics of relayR while 3-phase fault at M圖6母線M三相短路時(shí)M側(cè)繼電器特性（0分量放大105

13、倍）Fig.6Characteristics of relayM while 3-phase fault at bus M圖7母線M三相短路時(shí)N側(cè)繼電器特性（0分量放大104倍）Fig.7Characteristics of relayN while 3-phase fault at bus M圖8母線M三相短路時(shí)R側(cè)繼電器特性（0分量放大104倍）Fig.8Characteristics of relayR while 3-phase fault at bus M圖9M處出口單相接地時(shí)M側(cè)繼電器特性（2分量放大103倍）Fig.9Characteristics of relayM while

14、 single-phaseground fault at M圖10M處出口單相接地時(shí)N側(cè)繼電器特性（2分量放大103倍）Fig.10Characteristics of relayN while single-phaseground fault at M圖11M處出口單相接地時(shí)R側(cè)繼電器特性（2分量放大103倍；0分量放大10倍）Fig.11Characteristics of relayR while single-phaseground fault at M圖12母線M單相接地時(shí)M側(cè)繼電器特性（2分量放大103倍）Fig.12Characteristics of relayM while

15、single-phaseground fault at bus M圖13母線M單相接地時(shí)N側(cè)繼電器特性（2分量放大103倍；0分量放大10倍）Fig.13Characteristics of relayN while single-phaseground fault at bus M圖14母線M單相接地時(shí)R側(cè)繼電器特性(2分量放大103倍；0分量放大10倍)Fig.14Characteristics of relayR while single-phaseground fault at bus M3能量方向保護(hù)原理再分析首先分析在M處出口發(fā)生三相短路故障時(shí)各側(cè)繼電器的特性，如圖3圖5所示，從圖

16、中可以看出：1分量和2分量能夠正確反映故障的方向，但并不是單調(diào)遞增的；1分量在初始1 ms2 ms內(nèi)能夠明確反映故障的方向，此后將有一個(gè)下降過程，但M側(cè)的下降過程不同于N側(cè)和R側(cè)，無論哪側(cè)在約10 ms之后其輸出才穩(wěn)定地大于較大的值；對于0分量則只有M側(cè)能夠反映故障的方向，N側(cè)、R側(cè)繼電器不能反映故障方向（其量值很?。?；各側(cè)的2分量在前半周期幾乎是單調(diào)遞增的。對于以上現(xiàn)象，如果單純用時(shí)域分析方法或單純用滿足疊加原理的線性分析方法均難以得到滿意的解答。實(shí)際上，能量函數(shù)方向保護(hù)可以分成3個(gè)階段來分析：第1階段(初始階段，1 ms2 ms），它相當(dāng)于行波極性保護(hù)，即比較故障初始電壓、電流行波極性，亦

17、可看作暫態(tài)能量的充電階段。應(yīng)該注意的是，此階段的時(shí)間長短與故障地點(diǎn)及故障波的波頭時(shí)間有關(guān)，如果是遠(yuǎn)處故障，故障波在傳播過程中其波頭將被拉平，時(shí)間延長；若是出口故障，則其時(shí)間將為故障波的起始波頭時(shí)間，起始波頭時(shí)間與波在傳播過程中的延長時(shí)間將與系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀況、故障種類、性質(zhì)及環(huán)境因素等有關(guān)。前者還與故障初始時(shí)刻的電壓、電流的大小和相位有關(guān)，一般來說，其時(shí)間范圍在5 s至2 ms內(nèi)。第2階段為諧波平均功率階段，由于諧波功率方向的不確定性(稱此階段為模糊區(qū))，持續(xù)6 ms8 ms，在此期間由于受行波傳播及折射、反射過程中產(chǎn)生的諧波影響，能量函數(shù)將有一個(gè)明顯減少的過程，較難可靠、正確地判別故障方

18、向。第3階段稱為功率方向保護(hù)，約半周期以后，諧波影響退化為次要矛盾，基波功率流向成為主要矛盾，能量函數(shù)成為平均功率。明確了能量方向保護(hù)的3個(gè)階段，使用時(shí)域分析與頻域分析相結(jié)合的方法則可很容易地解釋仿真計(jì)算中的各種現(xiàn)象。對于1分量，在1 ms2 ms期間反映的故障方向?qū)嶋H是初始行波的極性，以后下降則是由于受行波傳播及折射、反射過程中產(chǎn)生的諧波影響。M側(cè)繼電器不同于N側(cè)和R側(cè)繼電器，因?yàn)镸側(cè)繼電器背后的系統(tǒng)是用集中參數(shù)的阻抗模型模擬的。2分量在初始期間的能量函數(shù)遠(yuǎn)小于1分量的能量函數(shù)，且在前半周幾乎單調(diào)上升，這是因?yàn)閮上嚯娏肯鄿p時(shí)恰好消去了行波的影響。對于0分量，由于三相短路沒有穩(wěn)定的零序分量存在

19、，完全是諧波的影響，不能保證其能量函數(shù)的方向性，但M側(cè)背后是集中參數(shù)阻抗，能夠反映故障方向，由于其量值很小，在門檻值以下，因此不會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作。由于故障期間有穩(wěn)定的1分量和2分量，故能反映故障方向。圖6圖14中能量方向保護(hù)繼電器特性可同理分析。在單相接地短路故障過程中，0分量的能量函數(shù)有兩點(diǎn)值得注意，一是N側(cè)、R側(cè)0分量的能量函數(shù)在故障后一段時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)小于1分量的能量函數(shù)，這是因?yàn)?分量在傳播過程中衰減較多；另一點(diǎn)是M側(cè)2分量的能量函數(shù)與三相短路故障的0分量不一樣，它不能反映故障方向，且均判為正向故障，這是因?yàn)榉枪收舷喔袘?yīng)的行波在傳播和折射、反射過程中產(chǎn)生的諧波影響在能量函數(shù)中上升為主要矛盾，而

20、突變量故障功率的影響此時(shí)則可忽略。綜上所述，對于能量方向保護(hù)原理的分析，首先必須明確所謂能量函數(shù)的準(zhǔn)確定義，它若是指周期函數(shù)的能量，則為平均功率的概念，需明確其周期，對于基波，需在約10 ms后能量才有明確的方向；若指暫態(tài)能量，則可保證故障初始時(shí)刻能量的方向性，但應(yīng)注意時(shí)域分析時(shí)，應(yīng)考慮電力系統(tǒng)的非線性，同時(shí)，暫態(tài)能量的方向性只能在一定時(shí)間內(nèi)有效。能量方向保護(hù)中的能量實(shí)質(zhì)是一個(gè)較為籠統(tǒng)的模糊概念，按照前述提到的三階段分析法則能較清晰地把握該保護(hù)中能量的概念，第1階段指的是暫態(tài)能量，第3階段則是指周期函數(shù)的平均功率，第2階段主要是指高次諧波的平均功率及某些不能適當(dāng)定義的部分。顯然，第1階段與第3

21、階段的能量有明確的方向性，如果能夠明確第1階段的持續(xù)時(shí)間，則在第1階段出口跳閘，保護(hù)將是可靠的；若保護(hù)在第3階段出口跳閘亦是可靠的。對于第2階段則存在一定的疑問，如果單獨(dú)計(jì)算第2階段的能量，顯然不能保證方向判斷的正確性，但與第1階段的能量一起積分后，情形則有所不同，仿真計(jì)算表明基本上有正確的方向性，但還沒有在理論上證明其正確性。如果將兩側(cè)等值系統(tǒng)在故障時(shí)精確地看成無源系統(tǒng)，并且各元件在故障發(fā)生的初始時(shí)刻均處于零狀態(tài)，那么在時(shí)域連續(xù)系統(tǒng)中，不管何時(shí)，能量總具有明確的方向性。但是用計(jì)算機(jī)來計(jì)算能量時(shí)總要在離散系統(tǒng)中進(jìn)行，因此為了滿足采樣定理，進(jìn)行低通濾波處理的過程是必不可少的，此時(shí)需要保留多寬的頻譜才能保證所計(jì)算能量的方向性，是一個(gè)需要進(jìn)一步研究的課題。因此對于能量方向保護(hù)最好采取適當(dāng)措施使其不在模糊區(qū)出口動(dòng)作（如采用輔助判據(jù)在故障開始后的2 ms8 ms內(nèi)閉鎖保護(hù)，實(shí)際上，該段時(shí)間內(nèi)能量的