能量方向保护原理的分析

能量方向保护原理的分析袁荣湘陈德树张哲摘要对基于故障分量能量函数的超高速方向保护原理进行了研究，探讨了超高速保护的研究思路与方法。认为超高速保护的原理全部用集中参数等值电路来分析不适宜，因为实际的电网用集中参数等值电路不能较好地分析它在故障初期的动态行为。在高压线路超高速保护的研究中，采用时域分析与频域分析相结合的分析方法较好，系统模型则应适当考虑电力系统非线性的影响。关键词方向继电器暂态能量函数故障分量分布参数电路分类号TM771ANALYSISOFTHEPRINCIPLEOFENERGYDIRECTIONALPROTECTIONYuanRongxiang,ChenDeshu,ZhangZhe(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,430074,Wuhan,China)AbstractTheprincipleoftheultra-high-speeddirectionalprotectionbasedontheenergyfunctionofthefaultcomponentisanalyzed.Itispointedoutthatthelumpedparameterequivalencecircuit,isunsuitableforanalysisoftheultra-high-speedrelayingbecausethetransientperformanceduringinitialperiodoffaultinapracticalpowersystemcannotberepresentedwellwiththelumpedparameterequivalencecircuit.Sotime-domainanalysisandfrequency-domainanalysisshouldbepreferredinthecourseoftheultra-high-speedprotectionstudies.Thedistributedparametermodelshouldbeadopted.Theinfluenceforthenon-linearityofpowersystemshouldbeconsideredreasonablyinthesystemmodel.Theanalysisofenergydirectionalprotectioncanbedividedintothreeperiods:Thefirstperiodisthattheperformanceoftheprotectioncorrespondstothedirectionalprotectionbasedontravellingwaves.Afterahalffundamentalperiod,itisthepowerdirectionalprotection.Inthemiddleperiod,thetripoftheprotectionshouldbedeliberative.Keywordsdirectionalrelay；transientenergyfunction；faultcomponent；distributedparametercircuit0引言随着我国电力系统的飞速发展，系统容量迅速增加，超高压输电线路日益增多，为确保系统安全稳定运行，要求输电线路主保护能够可靠、快速地切除故障，并且主保护的双重化最好采用两种不同原理构成的主保护装置，因此，对高压输电线路新原理主保护的研究具有十分重要的意义。由于方向高频保护占用通道容量少，能够快速切除线路首次发生的各类故障，在我国输电线路保护中得到了广泛应用。但是方向高频保护中方向元件的性能成了方向高频保护发挥更大作用的桎梏，研究适用于高压输电线路的灵敏性更好、速度更快、可靠性更高的方向元件成为当前继电保护工作者面临的紧迫任务。本文针对文献［1,2］中所提出的基于故障分量能量函数的超高速方向保护原理进行了研究。文献［1］中的原理是用集中参数等值电路来分析的，而实际的电网用集中参数等值电路不能较好地分析其在故障初期的动态行为，特别是高压输电线路。因此，在高压线路的超高速保护的研究中，宜采用时域分析与频域分析相结合的分析方法，系统模型则应适当考虑电力系统非线性的影响。1能量方向保护原理分析文献［1］算法成立的充分条件是满足叠加原理，所分析系统是线性系统。先只分析基波的作用，不考虑非周期分量和谐波分量的影响。如图1所示，不妨设故障点f在m侧出口处，且为对称的三相短路，故可取一相来分析，又设故障瞬间的故障分量、功率、能量函数分别为：Δu=UcosωtΔi=Icos(ωt+θ)图1正向故障时的故障分量系统Fig.1AforwardfaultcomponentsystemP=Δu.Δi=UIcosωtcos(ωt+θ)=0.5UI［cos(2ωt+θ)+cosθ］其中θ为电压和电流的夹角；t1为故障开始时刻。显然P是t和θ的函数，当不考虑充电时的暂态过程以及由此产生的谐波的影响，正向故障时稳态基波分量能量函数Sm≤0的充分条件是t≥10ms，即要保证能量方向保护正确动作，保护出口时间应不少于半个周期。对于故障过程中的各次谐波，不仅存在基波所面临的问题，更为严重的是，在故障过程中根本无法保证各次谐波在它的周期内满足当正向故障时Sm≤0和当反向故障时Sm≥0的条件，这是由于分布参数电路中波的传播过程的影响，详细的讨论见文献［3］。当然，暂态过程用频谱分解的分析方法的正确性本身还有待商榷，由此推出的结果的正确性亦有疑问，这正说明用集中参数等值电路分析电网暂态过程的缺陷。当然，对故障初始瞬间的暂态能量，忽略故障分量的计算误差时，实质上是对无源系统的充电过程，可以保证正确的方向性，亦可看成行波极性保护。在此以后暂态能量则蜕变为平均功率。实际情况中通过积分的函数宜看成是初始暂态能量与各频率信号的平均功率之和，同时各频率信号电压、电流的初始相位差亦不会正好全是90°，显然综合的能量肯定大于上面这种单纯用基波来分析的假想特例（指最严重的情形，在此应假定谐波的影响足够小）。下面通过仿真计算对能量方向保护的原理进行分析。2能量方向保护的仿真计算为比较清楚而简明地阐述能量方向保护的原理，以我国第1条500kV输电线路——平武线及其所在系统为例，用EMTP产生故障数据后，对能量方向保护继电器的算法进行仿真计算。系统模型如图2，MN和RS为平武线的两段，线路参数(单位为标幺值/km)为：R1=0.000098，ωL1=0.0011，ωC1=0.00118，R0=0.00071，ωL0=0.00252，ωC0=0.000788；系统参数均为标幺值，基准值为：SB=1000MVA，UB=525kV；X11=X21=X31=7.3179，X10=X20=1.9955，X30=3.6281；G11=0.3471，G10=0.7228，G21=0.5373，G20=0.1667，G31=0.1638，G30=0.0147。图2仿真系统模型Fig.2Modelforsimulationsystem在仿真计算中，故障分量的提取算法为（以电流为例）：Δi=i(k)-i(k-N)，式中k为采样时刻；N为每周期采样点数，本文中N=96。图3～图14分别为在母线M上故障和其出口处故障时，M，N，R处的能量方向保护继电器的特性曲线图，1，2，0分量为Clarke分量（略去了比例系数），其计算公式为（以电流为例，电压同理）：i1=2Δia-Δib-Δic,i2=Δib-Δic,i0=Δia+Δib+Δic。故障开始时刻为0.02s。图3M处出口三相短路时M侧继电器特性（0分量放大105倍）Fig.3CharacteristicsofrelayMwhile3-phasefaultatM图4M处出口三相短路时N侧继电器特性（0分量放大105倍）Fig.4CharacteristicsofrelayNwhile3-phasefaultatM图5M处出口三相短路时R侧继电器特性（0分量放大105倍）Fig.5CharacteristicsofrelayRwhile3-phasefaultatM图6母线M三相短路时M侧继电器特性（0分量放大105倍）Fig.6CharacteristicsofrelayMwhile3-phasefaultatbusM图7母线M三相短路时N侧继电器特性（0分量放大104倍）Fig.7CharacteristicsofrelayNwhile3-phasefaultatbusM图8母线M三相短路时R侧继电器特性（0分量放大104倍）Fig.8CharacteristicsofrelayRwhile3-phasefaultatbusM图9M处出口单相接地时M侧继电器特性（2分量放大103倍）Fig.9CharacteristicsofrelayMwhilesingle-phasegroundfaultatM图10M处出口单相接地时N侧继电器特性（2分量放大103倍）Fig.10CharacteristicsofrelayNwhilesingle-phasegroundfaultatM图11M处出口单相接地时R侧继电器特性（2分量放大103倍；0分量放大10倍）Fig.11CharacteristicsofrelayRwhilesingle-phasegroundfaultatM图12母线M单相接地时M侧继电器特性（2分量放大103倍）Fig.12CharacteristicsofrelayMwhilesingle-phasegroundfaultatbusM图13母线M单相接地时N侧继电器特性（2分量放大103倍；0分量放大10倍）Fig.13CharacteristicsofrelayNwhilesingle-phasegroundfaultatbusM图14母线M单相接地时R侧继电器特性(2分量放大103倍；0分量放大10倍)Fig.14CharacteristicsofrelayRwhilesingle-phasegroundfaultatbusM3能量方向保护原理再分析首先分析在M处出口发生三相短路故障时各侧继电器的特性，如图3～图5所示，从图中可以看出：①1分量和2分量能够正确反映故障的方向，但并不是单调递增的；②1分量在初始1ms～2ms内能够明确反映故障的方向，此后将有一个下降过程，但M侧的下降过程不同于N侧和R侧，无论哪侧在约10ms之后其输出才稳定地大于较大的值；③对于0分量则只有M侧能够反映故障的方向，N侧、R侧继电器不能反映故障方向（其量值很小）；④各侧的2分量在前半周期几乎是单调递增的。对于以上现象，如果单纯用时域分析方法或单纯用满足叠加原理的线性分析方法均难以得到满意的解答。实际上，能量函数方向保护可以分成3个阶段来分析：第1阶段(初始阶段，1ms～2ms），它相当于行波极性保护，即比较故障初始电压、电流行波极性，亦可看作暂态能量的充电阶段。应该注意的是，此阶段的时间长短与故障地点及故障波的波头时间有关，如果是远处故障，故障波在传播过程中其波头将被拉平，时间延长；若是出口故障，则其时间将为故障波的起始波头时间，起始波头时间与波在传播过程中的延长时间将与系统参数、系统运行状况、故障种类、性质及环境因素等有关。前者还与故障初始时刻的电压、电流的大小和相位有关，一般来说，其时间范围在5μs至2ms内。第2阶段为谐波平均功率阶段，由于谐波功率方向的不确定性(称此阶段为模糊区)，持续6ms～8ms，在此期间由于受行波传播及折射、反射过程中产生的谐波影响，能量函数将有一个明显减少的过程，较难可靠、正确地判别故障方向。第3阶段称为功率方向保护，约半周期以后，谐波影响退化为次要矛盾，基波功率流向成为主要矛盾，能量函数成为平均功率。明确了能量方向保护的3个阶段，使用时域分析与频域分析相结合的方法则可很容易地解释仿真计算中的各种现象。对于1分量，在1ms～2ms期间反