一种振荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护的技术领域，特别是涉及振荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法。

背景技术：

振荡中心的准确定位和追踪是电力系统振荡研究的重要方面，能够为保护振荡闭锁及再开放方案的构建以及电力系统解列控制策略的制定提供重要的参考依据。

传统的基于本地电气量的振荡识别方案受到本地信息的束缚，未考虑到线路对侧的电气量特征，在振荡中心定位与追踪方面存在诸多缺陷：基于无功电压的识别判据能够确定振荡中心出现的时刻，却无法对振荡中心的位置进行定位；基于补偿原理的识别判据具有一定的自适应性，但在线路两侧电压幅值不等时该类判据无法准确定位振荡中心；基于视在阻抗角的借助保护安装处电压和测量电流的夹角判断系统是否处于振荡状态，该类判据不受振荡周期变化的影响，但容易在线路潮流方向相反时发生误判。上述方案也能应用于保护振荡闭锁，但大都存在整定困难，难以适应系统运行方式变化的影响。而且现有基于广域信息的振荡识别和保护振荡方案较少。

近年来，随着高速广域网技术和广域测量技术的飞速发展，WAMS(Wide Area Measurement System)系统可实现全网内电气相量的同步获取，量测量的刷新频率和通信延时可满足保护振荡闭锁和振荡中心追踪的需求。

因此希望有一种振荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种振荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法来克服现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供一种振荡中心追踪与保护闭锁系统，所述振荡中心追踪与保护闭锁系统包括顺序连接的信息采集与处理模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；

所述信息采集与处理模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；

所述保护振荡闭锁模块用于追踪计算振荡中心的位置函数，判别系统发生振荡时将保护闭锁，否则保护持续开放；

所述保护再开放模块用于判别系统发生故障时将保护闭锁，否则保护持续闭锁。

本发明还提供一种振荡中心追踪与保护闭锁系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)利用线路本侧电压、电流相量及对侧的电压幅值，获取振荡中心位置函数α和电气距离系数；

(2)实时追踪电力系统振荡中心，根据振荡中心电气距离系数的特点，构造距离保护振荡闭锁判据、保护再开放判据及其辅助判据。

优选地，所述步骤(1)中的所述振荡中心位置函数α定义为振荡中心到M点的距离占线路全长的比例，可以表示为：

式中，和分别为测量电压与振荡中心电压间相角差，k_e为线路两侧测量电压幅值之比，即

优选地，所述步骤(1)中所述的电气距离系数定义为保护安装处到振荡中心的电压与等值机内电势点到振荡中心的电压之比，线路两侧的电气距离系数可以表示为：

式中，线路两侧系统阻抗分别为Z_m和Z_n，被保护线路阻抗为Z_L。U_m与I_m分别为M侧的测量电流与测量电压。

优选地，所述步骤(2)中所述振荡闭锁判据为：

式中，δ为系统等效电势夹角，δ_set取为90°，工程中电力系统振荡周期一般为0.2s～1.5s，取最短振荡周期为0.2s，此时系统功角变化率为|Δδ/Δt|＝10πrad/s，因此δ′_set可取为10πrad/s，可靠系数为K_rel＝1.2。

优选地，所述步骤(2)中所述保护再开放判据为：

|Δk₁/Δt|≥k′_set

式中，Δt为采样时间间隔，考虑到一定的裕度和可靠性，k′_set取为突变前k₁变化率的10倍，即k′_set＝50|Δk₁(t-1)/Δt|。

优选地，所述步骤(2)中所述保护再开放的辅助判据为：

k₁(n)-k₁(n-k)≥0.02

式中，k₁(n)为检测到突变的k₁的值，k₁(n-k)为突变前k个采样点的值，为了满足快速性和可靠性，可以按照半个周波内采样点的个数取值。因本文采用的采样频率为2kHz，取k＝20。

本发明提出一种振荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法，通过本发明的荡中心追踪与保护闭锁系统及其控制方法能够准确计算线路两侧系统功角，在功角较小时快速开放保护，可有效减少距离保护被盲目闭锁的时间；可实时追踪振荡中心位置，并在系统振荡再故障时快速开放保护，提升了保护动作性能；不受系统两侧等效电动势幅值不等及保护背侧阻抗变化的影响，能够适应不同的振荡模式。

附图说明

图1是一种振荡中心追踪与保护闭锁系统结构图。

图2是电力系统振荡的等效分析模型。

图3是系统振荡时M侧测量电压移动轨迹图。

图4是系统中电压电流相量。

图5是系统经弧光电阻或金属性接地发生三相短路时的相量图。

图6是功角未摆开振荡中心落在线路外时的相量分析图。

图7是振荡中心轨迹跟随变化曲线图。

图8是系统振荡识别流程图。

图9是距离保护振荡闭锁再开放策略流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明一宽泛实施例中：所述振荡中心追踪与保护闭锁系统包括顺序连接的信息采集与处理模块，保护振荡闭锁模块与保护再开放模块；所述信息采集与处理模块用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；所述保护振荡闭锁模块用于追踪计算振荡中心的位置函数，判别系统发生振荡时将保护闭锁，否则保护持续开放；所述保护再开放模块用于判别系统发生故障时将保护闭锁，否则保护持续闭锁。

在本发明另一宽泛实施例中：振荡中心追踪与保护闭锁系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)利用线路本侧电压、电流相量及对侧的电压幅值，获取振荡中心位置函数α和电气距离系数；

(2)实时追踪电力系统振荡中心，根据振荡中心电气距离系数的特点，构造距离保护振荡闭锁判据、保护再开放判据及其辅助判据。

如图1所示，所述振荡中心追踪与保护闭锁系统包括顺序连接的信息采集与处理模块1，保护振荡闭锁模块2与保护再开放模块3。

所述信息采集与处理模块1用于获取保护安装处电流、电压与测量阻抗的信息，并将其发送至保护振荡闭锁模块；

所述保护振荡闭锁模块2用于追踪计算振荡中心的位置函数，判别系统发生振荡时将保护闭锁，否则保护持续开放；

所述保护再开放模块3用于判别系统发生故障时将保护闭锁，否则保护持续闭锁。

如图2所示，和分别表示线路两侧系统等效电势，且两者幅值大小相等。线路两侧系统阻抗分别为Z_m和Z_n。被保护线路阻抗为Z_L，系统全阻抗定义为Z_∑＝Z_M+Z_L+Z_N。设系统上下级元件阻抗角相等，均为被保护线路阻抗角为线路M侧保护安装处测量电流。

如图3所示，和分别表示M侧和N侧的测量电压，表示M侧测量电压与电流间夹角。当系统中各元件阻抗角基本相同时，各点的电压相量的端点均落在图中相量上。过O点对做垂线，与之间的夹角为C点为线路电压最低点，故相量即为振荡中心电压，振荡中心位于处，其电压为若M侧保护背侧阻抗Z_M是系统全阻抗Z_∑的1/4，则M侧测量电压相量的端点将落在相量靠近M侧的1/4处，据此可在图3中描绘出相量的移动轨迹。当两侧电动势夹角在0°～360°间变化时，的端点将在圆弧上移动，即无论系统两侧电动势间夹角如何变化，的端点均落在相量靠近M侧的1/4处，由此可推出图中线段SM、MN、NC的长度之间的关系为SM:MN:NR＝Z_M:Z_L:Z_N。

如图4所示，当系统两侧等效电动势幅值大小不等时，系统中电压电流相量在系统中元件阻抗角基本相同的情况下，系统中各电压相量的端点落在相量上，且的端点落在相量靠近M侧的1/4处。与图3不同的是，振荡中心电压相量将向电动势幅值较小的一侧偏移，不再位于系统全阻抗的中点处。图4中和分别为测量电压与振荡中心电压间相角差，δ₁和δ₂分别为等效电势与振荡中心电压间相角差。线路两侧电压间相角差系统等效电势夹角δ＝δ₁+δ₂。下面通过分析求解δ以及振荡中心的位置。

图4存在如下三角函数关系：

式中，k_e为线路两侧测量电压幅值之比，即k₁、k₂分别为M侧和N侧保护安装处到振荡中心的电压降与等值机内电势点到振荡中心电压降的幅值之比，即

联立式(1)中四个方程，在M侧测量电压电流间夹角已知的情况下，可得N侧测量电压与振荡中心电压间的相角差为：

定义振荡中心到M点的距离占线路全长的比例为振荡中心位置函数α，由图3及式(1)中第一个方程可知：

定义保护安装处到振荡中心的电压与等值机内电势点到振荡中心的电压之比为电气距离系数，线路两侧的电气距离系数分别为：

由式(4)和式(5)可以看出，该系数本质上是振荡中心到母线的电气距离与振荡中心到系统等值机内电势点的电气距离之比。将式(2)、式(4)及式(5)代入式(1)中的第三个和第四个方程可得：

在M侧保护安装处的测量电压和测量电流之间的夹角可测的情况下，式(6)和式(7)中的变量均已知(k_e可借助线路两侧测量电压的幅值计算得到)，因此，图3中线路两侧电压间的相角差为：

同时，系统等效电势夹角为：

式中：

系统经弧光电阻或金属性接地发生三相短路时的相量图如图5所示，故障点位于线路MN的F点。此时，对于故障通路有：

${\stackrel{\·}{U}}_m={\stackrel{\·}{U}}_{arc}+{\stackrel{\·}{I}}_m{Z}_f---\left(10\right)$

式中：为弧光电阻的压降；Z_f为M侧保护安装处到故障所在位置的线路阻抗。

当发生经电弧电阻接地的三相短路时，电弧电阻上的压降最大不超过可忽略助增电流对接地点电压的影响，因此图中和故障点电流近似同相位。根据图5计算与式(4)和(5)具有相同形式的电气距离系数：

式中，β为故障点到M侧保护安装处占线路全长的比例，该比例取决于故障点在线路MN的位置。

以线路M侧为例，对比式(11)和式(4)可以看出，在系统振荡期间发生三相经电弧电阻或金属性接地故障时，振荡中心电气比例系数将发生突变。若系统仅发生振荡，振荡中心位于线路中点处，此时若振荡中在距M侧0.2倍线路全长处发生三相故障，则k₁将突变为并保持不变直至故障切除。根据该特性可以构造对称故障情况下，振荡闭锁开放策略。

由式(6)、式(7)和式(9)可以精确计算出系统两侧功角，考虑到系统振荡时两侧功角呈现慢变特性，而故障时功角将发生突变，构造振荡识别判据如下：

计及系统静态稳定极限以及振荡中再故障时系统功角间的配合，并考虑一定的裕度，可将式(13)中δ_set取为90°。工程中电力系统振荡周期一般为0.2s～1.5s，取最短振荡周期为0.2s，此时系统功角变化率为|Δδ/Δt|＝10πrad/s，因此δ′_set可取为10πrad/s，可靠系数为K_rel＝1.2。

当计算出的系统功角大于门槛值时，闭锁本线路保护，以避免振荡中相邻线路发生短路导致本保护误动。当计算出的系统功角小于门槛值时，立即开放本线路及相邻线路的距离保护，可有效减少系统振荡初期功角尚未摆开时距离保护被不合理闭锁的时间，并能够有效提升振荡闭锁期间发生故障时保护再开放的性能。

根据式(6)和式(7)计算得到的系统两侧等效电动势相角差具有以下特点：

1、求取该夹角时，不但需要获取保护安装处的测量电压电流间夹角以及线路两侧测量电压幅值之比，还需要已知两侧保护背侧阻抗。考虑到保护背侧阻抗受系统运行方式影响，难以在正常运行时测量，故在系统发生故障时，根据叠加原理可得M侧测量电压电流突变量间存在关系：进而求取M侧保护背侧阻抗为：

$Z_M=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{m1}}{-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_{m1}}---\left(14\right)$

式中，和分别为测量电压电流突变量的正序分量，采用同样方法可得N侧保护背侧阻抗。

2、如图3所示,线路两侧电压分别与相量间的夹角θ₁和θ₂均为锐角。通过前面的分析可知相量与相量相等，故可得式(6)和式(7)成立的条件为：

如图6所示，当系统功角未摆开时，若两侧电压幅值不等，振荡中心可能落在线路MN之外。

这种情况下，式(6)和式(7)将有较大的误差，计算得到的系统功角可能较大。为了避免误判，将式(15)和(16)作为振荡闭锁的辅助判据。当式(15)和(16)同时成立时，通过式(6)和式(7)能够精确反应系统两侧功角，不受系统两侧电压幅值不相等的影响。当式(15)和(16)不同时成立，且计算出的功角较大时，认为系统功角尚未摆开，此时可以开放保护。需要说明的是，如果线路两侧保护背侧阻抗过大也可能造成振荡中心位于线路MN之外，或位于保护背侧或位于相邻线路上，此时快速开放保护并不会引起距离保护的误动作。

下面分析线路两侧电压幅值不相等对于振荡中心位置的影响。振荡中心位置函数α随变化的曲线如图7所示，图中给出了线路两侧电压幅值比k_e由上至下在0.8-1.2范围内变化时，振荡中心的变化轨迹。在k_e＝1.2时，系统功角较小，此时振荡中心位于线路MN上靠近M的一侧，也印证了前文提到的振荡中心将向线路电压幅值较小的一侧偏移的情况。而后随着系统功角摆开，振荡中心逐渐向电压幅值较大的一侧偏移。k_e＜1时振荡中心位置的变化趋势正好与之相反，k_e＝1时振荡中心位于线路中点处。

如图8所示，通过线路两侧保护安装处测量电压和电流计算它们之间的夹角以及底角θ₁、θ₂，并将线路两侧电压幅值比ke代入式(9)计算系统功角δ，若式(13)、式(15)和式(16)同时成立，则判别系统发生了振荡，将保护闭锁，并追踪计算振荡中心的位置函数，否则保护持续开放。

传统距离保护振荡闭锁方案：在零序、负序启动元件动作之后短时开放保护160ms，之后一直将距离保护I段和II段闭锁，振荡中再发生故障时重新开放，但重新开放的策略十分繁琐，尤其对于振荡中再发生金属接地故障的情况，开放判据亦需150ms才能动作，极大地降低了距离保护的动作性能。在采用图7所示的振荡识别及闭锁方案后，线路的距离保护I段和II段如果动作，首先检测振荡闭锁标志位是否为0，若为0则直接开放保护。若为1则根据式(4)计算线路保护安装处电气比例系数，通过前面的分析可知，此时系统功角差较大，电气比例系数的值基本不变；若发生故障，其值会发生突变，构造开放判据如下：

|Δk₁/Δt|≥k′_set (17)

式中，Δt为采样时间间隔，考虑到一定的裕度和可靠性，k′_set取为突变前k₁变化率的10倍，即k′_set＝50|Δk₁(t-1)/Δt|。

同时，易知突变后电气比例系数与仅振荡无故障时电气比例系数因故障位置一般与振荡中心所在位置不同，存在一定的差值，由此可以构造辅助判据如下：

k₁(n)-k₁(n-k)≥0.02 (18)

式中，k₁(n)为检测到突变的k₁的值，k₁(n-k)为突变前k个采样点的值，为了满足快速性和可靠性，可以按照半个周波内采样点的个数取值。因本文采用的采样频率为2kHz，取k＝20。通过式(17)和式(18)的相互配合，能够在振荡中再故障情况下快速可靠开放保护。

如图9所示,在振荡闭锁期间，若计算出的k1满足式(17)，随后满足式(18)，则判断为故障，否则保护持续闭锁。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。