一种超导限流器接入对相间距离保护的分析方法及系统与流程

1.本发明属于电网安全技术领域，具体涉及一种超导限流器接入对相间距离保护的分析方法及系统。


背景技术：

2.随着电网规模的不断扩大，短路电流超标问题已成为制约电网负荷增长和电网发展的突出因素之一。近年来，随着电网的装机容量和各电压等级网架建设得到高速发展，网架结构大大加强，很多地区基本形成双回路内外环网结构。电网满足了电网负荷增长和可靠供电的需求，但同时也使电网的短路容量持续增长。虽然电网已采取优化电源布局、调整电网结构、合理安排运行方式(分区供电、母线分段运行)、采用传统限流设备(高阻抗变压器、加装变压器中性点小电抗)等措施来抑制或降低电网的短路电流水平，但也不同程度降低了电网运行的可靠性和灵活性。因此，鉴于电力系统运行安全性、可靠性以及变电站改造困难等因素，有必要结合电网实际情况，研究限制短路电流的新措施，减轻断路器等各种电气设备负担，提高电力系统安全稳定性。超导限流器是利用新兴的超导技术而研制出的快速有效的限流装置。主动式饱和铁心型超导限流器的结构示意图如图11所示。
3.正常运行时，直流电源为超导绕组提供励磁电流，产生一个偏置磁场，使铁心处于深度饱和状态，铁心工作于工作点hdc。此时，额定的交流电流通过交流绕组线圈所产生的交流磁场不足以使铁心脱离饱和区，铁心内的磁通量几乎不变，根据法拉第电磁感应定律，交流绕组的感应电动势为零，即超导限流器两端电压为零。此时铁心磁导率处于较低水平，即铁心等效电感较较低，说明此时超导限流器对系统基本无影响。如图12所示。当故障发生时，超导限流器通过电流检测单元监测到故障短路电流，并发出指令，使得直流励磁开关迅速断开，超导限流器两铁心均退出饱和区运行于非饱和区，如图13所示。由于磁导率急剧增大，超导限流器限流阻抗迅速增大从而限制短路电流。与被动式不同的是，主动式超导限流器在故障发生之后两个铁心均进入限流态，这就大大增加了超导限流器的限流效率，克服了被动式的单边效应。同时主动式超导限流器在限流动作完成后能够快速复位，短时间内可恢复到低阻抗的状态，满足线路重合闸的要求。
4.不论是何种类型的限流设备，其本质在于增大短路回路的阻抗而达到限流的目的。因此，限流器相当于在输电线路串入一个固定电抗或可变的非线性电抗。从对继电保护影响的角度来看，限流器适宜安装于输电系统中的较短线路。这样线路上下级之间的保护配合比较容易实现，对继电保护的整定校验带来的影响相对最小。
5.由于本发明所涉及的是超导限流器，其限流特点对保护的影响体现在两点：(1)非线性电抗；(2)限流阻抗是短路电流的非单调函数。这两个特点使得超导限流器对保护的影响与普通限流器对保护的影响有明显的不同。本发明针对超导限流器接入输电线路对相间距离保护的影响进行了详细分析。


技术实现要素：

6.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种超导限流器接入对相间距离保护的分析方法及系统；针对超导限流器对输电线路相间距离保护的仿真研究与整定配合原则进行了详细分析，并提出响应的控制措施。
7.本发明的第一目的是提供一种超导限流器接入对相间距离保护的分析方法，至少包括：
8.s1、获取测量阻抗；具体为：
9.三相短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0010][0011]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0012]
两相相间短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0013][0014]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
[0015]
两相相间短路时，相间接地故障时相间距离保护的测量阻抗为：
[0016][0017]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
，z
m
表示每公里的相间互感阻抗，zs表示每公里的自阻抗。
[0018]
s2、超导限流器投入运行后，相间距离保护的整定原则包括：
[0019]
a、距离i段按超导限流器不投入的情况进行整定；
[0020]
b、距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算；
[0021]
c、距离iii段的整定原则与距离ii段相同。
[0022]
本发明的第二目的是提供一种超导限流器接入对相间距离保护的分析系统，至少包括：
[0023]
获取测量阻抗模块，获取测量阻抗；具体为：
[0024]
三相短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0025][0026]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0027]
两相相间短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0028][0029]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0030]
两相相间短路时，相间接地故障时相间距离保护的测量阻抗为：
[0031][0032]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
，z
m
表示每公里的相间互感阻抗，zs表示每公里的自阻抗。
[0033]
策略模块、超导限流器投入运行后，相间距离保护的整定原则包括：
[0034]
a、距离i段按超导限流器不投入的情况进行整定；
[0035]
b、距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算；
[0036]
c、距离iii段的整定原则与距离ii段相同。
[0037]
本发明的第三目的是提供一种实现上述超导限流器接入对相间距离保护的分析方法的信息数据处理终端。
[0038]
本发明的第四目的是提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的超导限流器接入对相间距离保护的分析方法。
[0039]
本发明具有的优点和积极效果是：
[0040]
本发明针对超导限流器对输电线路相间距离保护的仿真研究与整定配合原则进行了详细分析，并提出响应的控制措施。
附图说明
[0041]
图1为本发明优选实施例中电压互感器所在位置示意图；
[0042]
图2为本发明优选实施例中三相故障示意图；
[0043]
图3为本发明优选实施例中两相故障示意图；
[0044]
图4为本发明优选实施例中两相接地故障示意图；
[0045]
图5为本发明优选实施例中超导限流器对相间距离保护的影响矢量图；
[0046]
图6为本发明优选实施例中不投入超导限流器的情况下，两相接地故障时相间距离保护动作特性图；
[0047]
图7为本发明优选实施例中投入超导限流器的情况下，两相接地故障时相间距离保护动作特性图；
[0048]
图8为本发明优选实施例中不投入超导限流器的情况下，三相接地故障时相间距离保护动作特性图；
[0049]
图9为本发明优选实施例中投入超导限流器的情况下，三相接地故障时相间距离
保护动作特性图；
[0050]
图10为本发明优选实施例中超导限流器接入线路的距离保护配合校验示意图；
[0051]
图11为主动式饱和铁心型超导限流器的结构示意图；
[0052]
图12为b
‑
h第一关系图；
[0053]
图13为b
‑
h第二关系图；
具体实施方式
[0054]
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0055]
请参阅图1
‑
图13，一种超导限流器接入对相间距离保护的分析方法，
[0056]
以下分析都是针对距离保护保护范围包含超导限流器的情况，即线路本端的距离保护电压互感器为pti
‑
1、ptii
‑
1，如图1所示。
[0057]
超导限流器接入线路发生相间故障时，距离保护的测量阻抗。如图2所示，三相短路时三相是对称的，相间距离保护和接地距离保护的工作情况完全相同。设短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0058]
三相短路时相间距离和接地距离保护的测量阻抗为
[0059][0060]
因此，三相故障时距离保护测量阻抗等于短路点到保护安装点之间的阻抗与超导限流器阻抗之和。如果按超导限流器退出运行整定距离保护，距离保护可能拒动。
[0061]
同理，对于超导限流器接入的线路来说，发生两相相间短路和相间接地短路的示意图分别如图3和图4所示。
[0062]
分析可知，相间故障时相间距离保护的测量阻抗为：
[0063][0064]
相间接地故障时相间距离保护的测量阻抗为
[0065][0066]
可见，当发生ab两相接地短路时ab相阻抗继电器的测量阻抗与三相短路时相同，为短路点到保护安装点之间的阻抗与超导限流器阻抗之和。如果按超导限流器退出运行整定距离保护，将可能出现距离保护拒动的情况。
[0067]
综上所述，当超导限流器接入的线路发生故障后，超导限流器阻抗串入故障回路，破坏了线路的固有阻抗特性。相间故障情况下的相间距离保护的测量阻抗是故障点到保护安装处的阻抗z1l与超导限流器阻抗z
sfcl
之和。由于超导限流器的电阻基本可以忽略，因此超导限流器接入线路的相间距离保护测量阻抗是实际故障线路阻抗在+jx方向增加x
sfcl
，
如图5所示。从图中可以看出加入超导限流器以后，测量阻抗由z
m
变为z
m
'，距离保护对区内故障将出现拒动的可能。
[0068]
针对以上分析，进行仿真验证。图6为线路60％处发生两相接地短路时阻抗继电器的动作特性。图6可以看出当没有投入超导限流器时，发生短路之后测量阻抗落入动作圆内，距离保护可靠动作；图7显示当串入超导限流器时，短路之后测量阻抗将运动到动作圆之外(取决于限流器阻抗值)，此时距离保护将拒动。
[0069]
与两相接地短路类似，图8、图9显示当系统发生三相短路时阻抗继电器的动作特性，可以看出未投入超导限流器时，测量阻抗在动作圆内，距离保护可正确动作，当投入超导限流器后，测量阻抗将运动到动作圆外或者边界处，距离保护将拒动。
[0070]
超导限流器投入运行后，相间距离保护的整定原则应做如下考虑：
[0071]
1、距离i段按超导限流器不投入的情况进行整定，即与传统距离保护i段整定原则一致。这样的整定原则可以保证在超导限流器投入的情况下，距离i段的保护范围只会更加缩短，不会出现超越误动的问题。
[0072]
2、距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算。这种整定方式保证了距离ii段可以保护线路全长。但必须校验距离ii段与相邻线路距离保护的配合关系，或直接采用时间定值保证上下级配合。该问题将在下面详细阐述。
[0073]
3、距离iii段的整定原则与距离ii段类似。
[0074]
按上述原则整定时，距离ii段、iii段与相邻线路的整定与配合校验较为复杂。首先，就定值整定来说，如果要保证距离ii段对末端故障有足够灵敏度，必须要知道末端故障时超导限流器的限流阻抗值大小。结合限流特性曲线可知，超导限流器在故障发生时工作在稳态还是限流态需要根据故障电流而定。因为故障位置不同、故障类型不同、过渡电阻不同的情况下短路电流大小可能差异很大，因此超导限流器存在两种可能性：
[0075]
(1)故障发生后超导限流器工作在限流态
[0076]
超导限流器在限流态的情况下是通过的电流越大，其限流阻抗越小。此时距离ii段的整定必须考虑末端故障时可能出现的最小电流来估算限流器的限流阻抗值。表1为线路不同位置短路时超导限流器的限流阻抗值。
[0077]
表1不同故障位置超导限流器的限流阻抗值
[0078][0079]
显然，线路末端故障时超导限流器的限流阻抗最大，约为5.84ω。因此，线路的距离ii段整定计算要按照本线路全长加最大限流阻抗、且有足够灵敏度进行整定。但与此同时，如此整定的距离ii段是否超越下一级线路的校验点不能类似于传统方法进行简单的计算与对比，而是应按照相邻线路校验点位置发生故障时本段线路距离ii段的测量阻抗来反映。因为故障点位置不同，超导限流器的限流阻抗值是不同的。以图10举例说明这个问题：
[0080]
线路末端故障时最小短路电流对应了此时的最大限流阻抗，其值表示为z
sfcl.n.max
。即z
sfcl
＝z
sfcl.n.max
出现在系统为最小运行方式下线路末端发生两相短路时流过
超导限流器的最小电流的情况(线路双回线运行和单回运行时流过限流器的电流要分别计算并比较)。本段线路距离保护ii段的整定值可以表示为：
[0081]
z
ii
＝k
sen
(z
l
+z
sfcl.n.max
)
ꢀꢀ
(4)
[0082]
相邻线路校验点y处发生故障时通过本回线距离保护的最大短路电流对应了该故障点情况下限流器的最小限流阻抗，其值表示为z
sfcl.y.min
。即z
sfcl
＝z
sfcl.y.min
出现在系统为最大运行方式下y点发生三相短路时流过超导限流器的最大电流的情况(线路双回线运行和单回运行时流过限流器的电流要分别计算并比较)。因此，相邻线路y点发生故障时本端距离保护的测量阻抗可以表示为：
[0083]
z
m
＝z
l
+z
sfcl.y.min
+z'
l
ꢀꢀ
(5)
[0084]
当z
m
＞z
ii
，则说明本段线路的距离保护ii段没有超越相邻线路的y点；
[0085]
当z
m
＜z
ii
，则说明本段线路的距离保护ii的保护范围包含相邻线路的y点。
[0086]
由于超导限流器的限流阻抗z
sfcl
是个变化量，因此距离保护ii段的最小保护范围的确定与系统运行方式、故障类型、超导限流器自身特性密切相关。按照线路末端母线故障有足够灵敏度来整定距离ii段的定值为：
[0087]
z
ii.西江
＝k
sen
(z
l
+z
sfcl.罗洞.max
)＝1.5(6.31+5.84)＝18.23ω
ꢀꢀ
(6)
[0088]
在不考虑分支系数的情况下，距离ii段的保护范围末端可按照最小运行方式下相邻线路y点故障时满足z
ii.西江
＝z
m
来求得。显然，故障点越远，超导限流器的限流阻抗越大，距离保护的测量阻抗也随之越大，距离ii段超越误动的可能性越小。但距离ii段是否超越相邻线路距离i段或相邻线路末端母线，则应该按照上述方法进行计算。
[0089]
以上分析也说明了另外一个结论：由于超导限流器的限流能力直接受控于短路电流大小，而短路电流大小又与系统运行方式、故障类型等因素有关。因此，超导限流器接入线路的距离保护整定与配合也因受这些因素的影响而更加复杂化。
[0090]
(2)故障发生后超导限流器仍工作在稳态
[0091]
因为高阻故障或者远端故障时故障电流可能较小，未必使超导限流器进入限流态。因此有必要考虑故障发生后超导限流器仍工作在稳态。稳态时超导限流器通过的电流越大，其限流阻抗越大。距离ii段的整定必须考虑末端故障时可能出现的最大电流来估算限流器的限流阻抗值。这样整定得到的距离ii段定值可以保证任何情况下末端故障都有足够灵敏度。但另外一方面，这样整定得到的ii段定值也更容易超越相邻线路保护的保护范围而发生误动。因此，故障发生后超导限流器不进入限流状态对保护配合关系的影响与超导限流器进入限流状态的分析结果刚好相反。可见，由于本发明所涉及的超导限流器在工作稳态和限流态两种情况下阻抗与电流变化关系非单调函数，因此在两种工作情况下对距离保护的影响也完全不同。超导限流器在工作稳态和限流态情况下的阻抗值是可比拟的，因此超导限流器在不同工作状态下对距离保护影响不同的特点是要引起注意的。
[0092]
本发明分析是的超导限流器对相间距离保护的影响，均是假设超导限流器在距离保护的保护范围之内的情况。研究表明：线路接入超导限流器的情况下，线路发生相间故障时相间距离保护的测量阻抗等于故障线路阻抗与限流阻抗之和。超导限流器接入线路的距离保护定值整定与上下级配合的校验是相对复杂的，与系统运行方式、故障类型、超导限流器的动作情况(稳态/限流态)、超导限流器的阻抗特性曲线等因素相关。显然在工程应用中严格考虑上述因素进行整定是不太现实的，因此对于超导限流器接入的线路，距离ii段的
定值整定有两种考虑：(1)按无超导限流器来整定，这样可能在末端母线故障时没有足够灵敏度，线路末端或对端母线完全依赖主保护动作。(2)按超导限流器投入且末端故障有足够灵敏度进行整定，但动作时间上要保证上下级的配合。
[0093]
为了不使距离保护i段超越本段线路全长，距离i段按不投入超导限流器进行整定。
[0094]
为了确保距离保护ii段对本线路末端母线故障有足够的灵敏度，距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算。但必须校验距离ii段与相邻线路距离保护的配合关系。但是，由于超导限流器的限流阻抗随系统运行方式、故障点不同、故障类型不同而发生变化，因此距离ii段是否超越下一级线路的校验点不能类似于传统方法进行简单的计算与对比，而是应按照相邻线路校验点位置发生故障时本段线路距离ii段的测量阻抗来反映。这大大复杂化了距离保护的整定配合。
[0095]
本发明的分析方法主要包括：
[0096]
s1、获取测量阻抗；具体为：
[0097]
三相短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0098][0099]
两相相间短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0100][0101]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0102]
两相相间短路时，相间接地故障时相间距离保护的测量阻抗为：
[0103][0104]
其中：z
m
表示每公里的相间互感阻抗，zs表示每公里的自阻抗
[0105]
s2、超导限流器投入运行后，相间距离保护的整定原则包括：
[0106]
a、距离i段按超导限流器不投入的情况进行整定；
[0107]
b、距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算；
[0108]
c、距离iii段的整定原则与距离ii段相同。
[0109]
本发明的分析系统主要包括：
[0110]
2、一种超导限流器接入对相间距离保护的分析系统，其特征在于：至少包括：
[0111]
获取测量阻抗模块，获取测量阻抗；具体为：
[0112]
三相短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0113][0114]
其中：短路点至保护安装点之间的距离为l，线路的单位正序阻抗z1，超导限流器的阻抗为z
sfcl
。
[0115]
两相相间短路时，相间距离和接地距离保护的测量阻抗为：
[0116][0117]
其中：
[0118]
两相相间短路时，相间接地故障时相间距离保护的测量阻抗为：
[0119][0120]
其中：z
m
表示每公里的相间互感阻抗，zs表示每公里的自阻抗
[0121]
策略模块、超导限流器投入运行后，相间距离保护的整定原则包括：
[0122]
a、距离i段按超导限流器不投入的情况进行整定；
[0123]
b、距离ii段按超导限流器投入的情况下末端故障有足够灵敏度进行整定计算；
[0124]
c、距离iii段的整定原则与距离ii段相同。
[0125]
一种实现上述超导限流器接入对相间距离保护的分析方法的信息数据处理终端。
[0126]
一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的超导限流器接入对相间距离保护的分析方法。
[0127]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0128]
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。