专利名称：：一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法
技术领域：
：本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，尤其涉及带并联电抗器输电线路的单相自适应重合闸技术，特别是一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法。
背景技术：
：随着输电电压等级的提高，相间绝缘距离的增大，超/特高压输电线路以单相瞬时性故障为其主要故障形式，但是当前的单相重合闸的动作存在一定的盲目性，不管是瞬时性故障还是永久性故障，都是经固定时限后自动重合，由此导致重合于永久性故障给电力系统带来比正常短路还要严重的二次冲击，这严重威胁着主要电气设备的安全和电力系统的安全稳定运行。为了避免重合闸动作的盲目性，就必须做到重合闸前确定输电线路是瞬时性故障还是永久性故障，由故障性质的判断结果决定重合闸的动作与否，即自适应重合闸。自适应重合闸的核心问题就是区分瞬时性故障和永久性故障，相关研究己经取得了一定的成果，其研究成果目前主要分为两大类1)基于故障相恢复电压特性；2)基于瞬时性故障电弧特性。前者利用了电容耦合电压特性来区分瞬时性故障和永久性故障，其灵敏度和耐过渡电阻能力受线路长度影响；后者主要利用故障暂态高频信号特征来区分瞬时性故障和永久性故障，其判别精度与电弧熄弧过程、高频信号获取精度以及故障状态密切相关，判别不可靠，难以实用化。对于带并联电抗器的输电线路来说，由于并联电抗器的补偿作用，断开相电容耦合电压较低，不容易准确获取故障相电压，导致基于故障相恢复电压特性的判别方法无法有效应用。基于瞬时性故障电弧特性的判别方法要利用故障相电压，其判别精度与可靠性直接受故障相电压量获取精度和可靠性的影响。此外，对于带并联电抗器的输电线路来说，利用并联电抗器侧电流互感器精确获取断开相电流不存在困难，但是瞬时性故障时的低频振荡分量大，使得利用工频电流分量的判别方法难以快速确定故障性质，判别时间长达上百毫秒(ms)，不利于快速重合闸的应用。因此，针对带并联电抗器输电线路的故障特点，需要研究原理简单、易于实现的单相故障性质快速判别方法。
发明内容本发明的目的在于提供一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，它能够克服现有输电线路单相故障性质判别方法应用于带并联电抗器输电线路的缺陷。本发明的原理基于参数识别思想。对于线性电网络而言，网络的响应取决于网络的结构，元件参数以及激励。如果己知网络的结构和激励，由其响应可以求解出网络元件参数R、L、C，即为网络参数识别。本发明通过建立基于瞬时性故障(故障点消失后)网络的参数识别方程，以输电线路并联电抗器和中性点小电抗电感参数为待求参数，根据求解的相应电感参数与真实参数的比较来区别输电线路的瞬时性故障和永久性故障，从而决定输电线路是否需要重合闸。该方法基本不受过渡电阻、故障位置及负荷电流的影响。基于上述参数识别思想，本发明的技术方案是这样实现的，一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，基于输电线路MN，至少一侧带有并联电抗器，该侧记为N侧，该并联电抗器具有中性点小电抗器，其特征在于，包括以下步骤-步骤1，采集输电线i以及并联电抗器三相电流"路的单相故障相和健全相；则二相电压""。、MA、JV.，二相电流,。/、,w、'c,，"、/和中性点小电抗器电流/。，确定输电线步骤2，将健全相电压、健全相电流、三相并联电抗器电流和中性点小电抗器电流以及系统参数，代入参数识别方程4^"2^",其相应的离散形式参数识别方程为4^"2山=^，待求参数为；,、A，其中4。L。,分别为N侧并联电抗器及其中性点小电抗器电感值，~，4为第A个采样时刻对应的系数值，t为采样周期的计数，*=1，2,...,"，n为最小二乘参数估计冗余算法所需采样数据的数据窗长度,构建矩阵方程组"^，其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>可求得义=[41+问，即对应的电感参数^和^，顺次推移数据窗，同理，可求取对应的电感参数序列^(,)和A(,)，/为电感参数序列号；步骤3，计算相应电感参数误差估计值丄|>,(0-1^、丄|>。,(,.)-丄一，其中M为电感参数序列长度，Z^,)和Io，(,)电感参数序列，^和i。,r分别为线路N侧并联电抗器及其中性点小电抗器电感值；步骤4，将丄l;i^(,.)—丄^、丄|>。,(0—q分别与整定值早。p^w进行比较，其中A和&为裕度系数，如果.<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>两者都成立时，线路故障判定为瞬时性故障；否则，线路故障判定为永久性故障。本发明的特点还在于所述顺次推移数据窗，该数据窗推移时间为2040rns，所述最小二乘估计冗余算法所需采样数据的长度"为40~80。所述电感参数序列长度w值取10~20。所述裕度系数A和&分别取0.1-0.2。与现有技术相比，本发明具有突出优点1、以恢复电压阶段的瞬时性故障模型为参考模型建立参数识别网络方程，避开了由于故障点不确定性而难以精确建立永久性故障模型的问题；且仅保留并联电抗器和中性点小电抗器电感参数作为识别参数，降低了参数识别方程的求解阶次，提高了参数辨识的精度。2、仅利用单端电气量，对侧的电气量据已知量间接求出，不受通道影响；且不利用断开相电压量，避免了断开相电压幅值过小而导致测量的误差问题。3、采用参数识别原理，基本上不受直流、谐波及低频振荡分量的影响，没有滤除低频自由分量。因此，相对于基于工频量的判别方法来说，该方法不需要长数据窗滤波，能够快速确定故障性质，有利于快速重合闸的实现。4、该判别方法具有很好的适用性，适用于一端、两端带并联电抗器线路在不同位置、不同过渡电阻情况下的单相故障性质的判别。图1为线路段丽的保护装置硬件结构示意图。图2为两端带并联电抗器线路瞬时性故障电弧熄灭后的;:型等值电路图。图3为一端带并联电抗器线路瞬时性故障电弧熄灭后的;r型等值电路图。图4为本发明的单相故障性质判别流程图。图5为一端带并联电抗器输电线路图，线路参数为R,=0.027Q/km，Ro=0.1957D/km,L,^0.9651mH/km，Lo=2.2110mH/km，C产0.0136ioP/km,C0=0.0092pF/km。并联电抗器电感4H=6.42Q3W，中性点小电抗器电感i。,。图6为双端带并联电抗器输电线路图，线路参数为R产0.0195Q/km，Ro=0.1675Q/km，L产0.9]34mH/km，L0=2.719mH/km，C^.0]4pF/km，C0=0.00834pF/km。并联电抗器电感I",=534,，中性点小电抗器电感L。，=1.3815//。具体实施方式参照图1，保护线路段MN两端带有并联电抗器，N侧虚线框内为实现本发明的保护装置硬件结构框图，它由数据采集系统、微机主系统(DSP〗、输出系统三部分构成。N侧保护装置的数据采集系统，采集输电线路A、B、C三相电压量、电流量，采集并联电抗器A、B、C三相电流量及其中性点小电抗器的电流量，其中输电线路电压由线路侧电压互感器TV获取，电流由线路侧电流互感器TA1获取，并联电抗器三相电流由电流互感器TA2获取，中性点小电抗器的电流由电流互感器TA3获取，所有测量信号通过低通滤波器、采样/保持器、A/D转换器，然后输入微机主系统(DSP)。微机主系统(DSP)由相应的算法计算出待识别的电感参数，然后据电感参数计算结果判断线路发生的单相故障是瞬时性故障还是永久性故障，产生判断结果。该判断结果被送入输出系统的光电隔离器，经光电隔离后驱动继电器产生强电输出信号，强电输出信号经出口完成相应断路器的重合闸动作。该微机主系统(DSP)还具有人机对话功能，可以由用户方便地实现整定值设定、运行状态监测、判别元件投退、上位机通讯以及打印功能。下面结合附图对本发明的参数识别原理进行详细说明。考虑到线路发生永久性故障时，由于故障点的不确定性，建立准确的等改模型存在困难，本发明以故障点消失后的瞬时性故障模型为参数辨识模型进行分析。先以两端带并联电抗器的线路为例进行说明。假定线路段丽，本侧(N侧)设置有保护装置，」相为故障相，故障点电弧熄灭后的瞬时性故障JI型等效电路如图2所示。其中C。为线路对地电容，Q为线路相间电容，4]、^分别为N侧并联电抗器及其中性点小电抗器电感值，；2、^分别为M侧并联电抗器和中性点小电抗器电感值，z,为线路自阻抗，^、^为线路N侧健全相B、C相保护测点处电流，4、，:为健全相中流过的电流，乙、/由、^分别为N侧A、B、C相并联电抗器电流，，_、，*、^分别为M侧A、B、C相并联电抗器电流，，。为N侧并联电抗器的中性点小电抗电流，"，。为M侧并联电抗器的中性点小电抗电流，，"，2分别为N侧健全相与故障相的相间电流，，3、，4分'别为M侧健全相与故障相的相间电流，i5、，6分别为故障相相应的N侧、M侧对地电流，"m。、u、、、"。、u、tv分别为线路M侧、N侧三相端电压，"。、《。分别为线路M侧、N侧并联电抗器中性点电压。由图2可得到以下关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>本侧(N侦U)电气:'"ov、'"/)A"、、'"0、'W、'W、、W"i量获取，"。可由计算得到:d/'丄o另外，根据M侧电抗器的电气量关系，可得:可由保护装置直接测(2)'"'0='max'"一"附O-丄"2d,"m0=丄02(3)由式(3)可推得(4)"ff,O=+"附A+)式中义=丄02/(丄2+3丄02)式(4)中，电气量",。、^、"可通过本侧(N侧)己知电气量"由求解下列方程组间接计算得到'+Wm(,A+'c)+imd('、+'c)+"mc=""6+Mc++^n,+!c)+(丄《+im)d('.6+!c)'A:'.W+'c/十+'net+Cod(y+"c)(5)式(5)中，A为线路自电阻，^为线路互电阻，A、为线路自电感，；为线路互电感。在求取^、、、i,J寸，考虑到故障相的电压电流相对健全相很小，因此可忽略故障相电压电流对健全相的影响。将式(l)整理成如下方程式(6)所示P]+P2-G-0(6)其中Pl=一[G—义)/丄"2+(2Cm+C0)(1一2/l)7m—M1丄"2p2--[(1-义)/^2./0+(2Cm+C0)^^〗L01(1—2义);附一yJT.、C0+Cm^w22<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式(6)是关于丰莫型参数C",、C0、L,、丄01、丄2、丄02、/,、/,、丄，、丄,函数，即可表示为/(C^C。,^,丄。,，^2,i。2,^,7^,丄s,;)-0。由式(6)可求出上述模型参数，但式(6)是一个非线性方程，最小二乘算法求解所有参数实现较为困难，因此，仅保留；,、^作为待求模型参数，其余参数Q、Q、^、LQ2、^、4、；利用已知的系统参数。即可得到如下形式的参数识别方程式(7)，为了避免积分运算，式(7)是式(6)经一阶求导后的化简整理结果4丄+乇丄01(7)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>方程(7)中w^在每一时刻A的瞬时值可由N侧的保护装置获取，对应的电气量的微分可由差分方程实现。对于一端带并联电抗器的输电线路，假定本侧(N侧)带并联电抗器，对侧(M侧)不带并联电抗器，A相为故障相(故障点电弧熄灭后)的瞬时性故障Ji型等效模型如图3所示。由图3可得到以下关系'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(9)式(9)中，除^、^已知外，电气量^、^可通过N侧电气量由式(5)间接计算，""。可由N端电气量由式(2)间接计算。同两端带并联电抗器线路分析同理，将式(9)整理得形如式(7)的参数识别方程4^"21。,=5,其系数与两端带并联电抗器线路稍有不同，各系数依次为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>"M在每一时刻A的瞬时值可由N侧的保护装置获取，对应的电气量的微分可由差分方程实现。理论上，对于形如式(7)的参数识别方程，两个独立方程就可以求解电感参数^、^，但由于计算模型简化的误差和采样数据误差的影响，且瞬时性故障时存在幅值接近工频量的低频振荡分量，导致参数求解结果可能出现剧烈波动。为了提高故障判别的可靠性，本发明采用数据冗余方式进行最小二乘法参数估计，即用一段时间采样值得出一个参数估计值，然后顺次推移数据窗，求取辨识参数的序列。在一个数据窗内，按照参数识别方程的离散形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中^，^为第A个采样时刻对应的系数值。可得:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式(io)可表示为""，可求得x-[&r间，即可求出对应的电感参数^和L。,。顺次推移数据窗，同理，可求取对应的电感参数序列^(,)和Lo,W，/为电感参数序列号。理论上，瞬时性故障情况下，真实故障模型与辨识模型一致，求解的电感参数与真实电感参数保持一致，不应随时间变化而变化；而永久性故障情况下，真实故障模型与辨识模型的不一致，求解的电感参数与真实电感差异明显。因此，可根据并联电抗器和中性点小电抗器电感参数识别结果来实现永久性故障的判别。对应的判据如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式(11)中，M为计算结果序列长度，i^)和^(,)最小二乘计算电感序列，k和丄。^为线路本侧(N侧)并联电抗、中性点小电抗的真实值，x,和&为裕度系数，根据大量不同情况下故障仿真分析结果，裕度系数a和&取0.10.2可满足故障性质判别要求。当式(ll)成立时，即可判为瞬时性故障，保护装置发出重合闸命令；否则，就判为永久性故障，重合闸不动作。本发明基于参数识别原理，采样速度太低会增大计算误差，采样率在2000Hz10000Hz范围内即可满足要求，完成一次参数估计所需数据窗可取2040ms。参照图4，本发明的判定方法，首先采集输电线路三相电压、、^、、，三相电流,。,、，w、，rf，以及并联电抗器三相电流；、4、^和中性点小电抗器电流/。，确定输电线路的单相故障相和健全相，并结合系统参数，求取参数识别方程力,^"^。,^的系数4、4、建立相应的离散形式参数识别方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>,利用最小二乘估计冗余算法计算相应的电感参数序列^(,)和A，/为电感参数序列号；将相应电感参数估计值分别与整定值A4^、^W进行比较，如果.W:1两者都成立时，线路故障判定为单相瞬时性故障，保护./=装置发出重合闸命令；否则，线路故障判定为永久性故障，重合闸不动作。下面利用ATP(电磁暂态仿真软件)对典型线路模型分别进行不同故障情况下的仿真，对本发明做进一步印证。典型线路模型参见图5、图6。假定典型线路模型两端电源相角差e为45°,A相发生接地故障，断路器在130ms跳开，故障发生后300ms开始计算，采样频率为2000HZ，最小二乘法所用数据窗长度为20ms，即求解电感参数^和i。,利用40个连续采样点数据。对应的判据中/=1一5^01('')-马1广|<^2丄01)_其左侧部分分别作为两动作值，右侧部分作为两整定值，裕度系数A和&均取O.1，计算电感序列长度m取20。表l、表2分别给出了一端、两端并联电抗器线路不同故障情况下的仿真分析结果，其中故障位置以故障点距M端相对于线路全长距离的百分比表示，过渡电阻为O欧姆、300欧姆两种情况。表1.一端带并联电抗器线路仿真计算结果(6=45°)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2.两端带并联电抗器线路仿真计算结果(6=45°)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>由表l、表2可以看出无论是一端带并联电抗线路，还是两端带并联电抗器线路，在线路不同位置经不同过渡电阻情况下的瞬时性故障，由式(11)计算的两个动作值均较小，且均小于对应的整定值，表明计算电感参数非常接近真实电感参数，判为瞬时性故障；而发生永久性故障时，计算的两动作值较大且至少有一个动作值无法满足判据，表明真实故障模型与参考模型有较大差异，可靠判为永久性故障。而且，还可以看出，过渡电阻并不影响判断结果的正确性。上述两个实例仿真结果表明，该方法具有很好的适用性，适用于一端、两端带并联电抗器线路在不同位置、不同过渡电阻情况下单相故障的永久性故障判别，能够提高输电线路单相自动重合闸动作的成功率，能够满足带并联电抗器超/特高压输电线路系统运行高可靠性的要求。权利要求1、一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，基于输电线路MN，至少一侧带有并联电抗器，该侧记为N侧，该并联电抗器具有中性点小电抗，其特征在于，包括以下步骤步骤1，采集输电线路N侧三相电压una、unb、unc，三相电流ial、ibl、icl，以及并联电抗器三相电流inax、inbx、incx和中性点小电抗器电流in0，确定输电线路的单相故障相和健全相；步骤2，将健全相电压、健全相电流、三相并联电抗器电流和中性点电抗器电流以及系统参数，代入参数识别方程A1Ln1+A2L01＝B，其相应的离散形式参数识别方程为A1kLn1+A2kL01＝Bk，待求参数为Ln1、L01，其中Ln1、L01分别为N侧并联电抗器及其中性点小电抗器电感值，A1k，A2k为第k个采样时刻对应的系数值，k为采样周期的计数，k＝1，2，...，n，n为最小二乘参数估计冗余算法所需采样数据的数据窗长度，构建矩阵方程组AX＝B，其中2、根据权利要求1所述的一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，其特征在于，所述顺次推移数据窗，该数据窗推移时间为2040ms，所述最小二乘估计冗余算法所需采样数据的长度"为4080。3、根据权利要求1所述的一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，其特征在于，所述电感参数序列长度附值取10~20。4、根据权利要求1所述的一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法，其特征在于，所述裕度系数x'和A分别取0.10.2。全文摘要本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，尤其涉及带并联电抗器输电线路的单相自适应重合闸技术，公开了一种带并联电抗器的输电线路永久性故障判别方法。该方法采用了参数识别原理，在建立瞬时性故障消失后的网络方程基础之上，构建以线路并联电抗器和中性点小电抗器电感参数为待求参数的识别方程，利用本侧健全相电压、健全相电流、并联电抗器电流和中性点小电抗器电流实现电感参数的求解，根据最小二乘参数估计冗余算法求解电感参数，利用求解的电感参数与真实电感参数的比较来区别线路的瞬时性故障和永久性故障。文档编号H02H7/26GK101247040SQ20081001757公开日2008年8月20日申请日期2008年2月29日优先权日2008年2月29日发明者宋国兵,索南加乐,邵文权申请人:西安交通大学