高壓輸電線路繼電保護課程課件

1、高壓輸電線路繼電保護新進展1、繼電保護的定義及分類繼電保護的定義繼電保護裝置是能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。1、繼電保護的定義及分類繼電保護的基本任務(wù)自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行；反應(yīng)電力設(shè)備的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護條件，而動作于發(fā)出信號或跳閘。1、繼電保護的定義及分類繼電保護的分類基于工頻量的保護行波、暫態(tài)量保護基于參數(shù)識別的保護單端量（距離、電流）雙端量（縱聯(lián)差動、縱聯(lián)方向）利用單端電氣量利用雙端電氣量利用單端電氣量利用雙端電氣量2、工

2、頻量保護原理單端量距離保護利用短路時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，反應(yīng)故障點到保護安裝處的距離而工作的保護。2、工頻量保護原理單端量阻抗繼電器的動作特性2、工頻量保護原理單端量阻抗繼電器的動作特性2、工頻量保護原理雙端量縱聯(lián)方向保護兩側(cè)保護裝置將本側(cè)的功率方向、測量阻抗是否在規(guī)定的方向、區(qū)段內(nèi)的判別結(jié)果傳送到對側(cè)，每側(cè)保護裝置根據(jù)兩側(cè)的判別結(jié)果，區(qū)分是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。保護通道中傳送的是邏輯信號，信息量少。2、工頻量保護原理雙端量方向元件的基本原理區(qū)外故障時，兩側(cè)方向元件方向相反區(qū)內(nèi)故障時，兩側(cè)方向元件方向相同2、工頻量保護原理雙端量工頻故障分量方向元件2、工頻量保護原理

3、雙端量縱聯(lián)電流差動保護利用通道將本側(cè)電流的波形或者代表電流相位的信號傳送到對側(cè)，每側(cè)保護根據(jù)對兩側(cè)電流的幅值和相位比較的結(jié)果區(qū)分是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。信息傳輸量大，要求兩側(cè)同步采樣。2、工頻量保護原理雙端量縱聯(lián)電流差動保護2、工頻量保護原理雙端量電容電流補償（半補償）2、工頻量保護原理工頻量保護面臨的問題1. 單端量故障測距問題；2. 串補電容輸電線路距離保護問題； 3. 長距離輸電線路光纖電流差動保護電容 電流補償問題；4. 距離保護暫態(tài)超越問題；5. PT回路故障引起保護誤動問題；2、工頻量保護原理串補對距離保護的影響2、工頻量保護原理現(xiàn)有的串補線路距離保護方案距離一段：考慮線路感抗和補

4、償電容容抗的綜合阻抗，以避免距離一段的超越動作，其定值為：ZZ1= k1(ZL-|ZC|) 距離二段：為了確?？梢员Ｗo線路全長距離二段不考慮補償電容的影響，仍然按線路全阻抗進行整定，其定值：ZZ2= k2ZL 2、工頻量保護原理現(xiàn)有距離保護應(yīng)用于串補線路存在的問題（1）串補電容被高壓保護（MOV）短接后，其保護范圍將很大程度地縮短，保護靈敏度嚴重下降。 （2）補償電容的前后可能存在保護死區(qū)，補償容量較大的時候尤其突出。 2、工頻量保護原理（3）由于串補電容存在，阻抗不連續(xù)，距離段的整定非常困難，無法和下一級進行配合。目前國內(nèi)運行的帶串補電容的高壓線路光纖電流差動保護中，后備距離、段基本處于退出

5、狀態(tài)，僅留下距離段保護作為后備保護?，F(xiàn)有距離保護應(yīng)用于串補線路存在的問題2、工頻量保護原理串補電容對距離保護的影響距離保護應(yīng)用于串補輸電線路遇到的問題，就本質(zhì)而言是工頻量保護只能列寫含兩個獨立參數(shù)的輸電線路方程，僅能求解參數(shù)R和L，而無法考慮串補電容器參數(shù)。2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響對于高壓輸電線路，由于故障信號中同時存在非周期分量和諧波（包括分數(shù)次諧波和低頻分量），因此在故障初期，故障信號的工頻成份難以準確獲取。為了保證保護的動作速度，只能犧牲保護的靈敏性。 1000kV輸電線路末端ABC故障時A相電壓頻譜分析5次諧波分量為基波的1.2倍、接近6次的分數(shù)次諧波分量占基波的1

6、/2 2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響 750kV帶串補輸電線路末端BC故障時B相電壓頻譜分析2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響 750kV帶串補輸電線路250km故障時距離保護20ms窗的測距結(jié)果距離保護的反時限特性2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響差動保護的反時限特性2、工頻量保護原理工頻量計算誤差對保護的影響2、工頻量保護原理工頻量保護面臨的問題工頻量保護面臨的問題主要由以下兩個方面的因素造成：1. 超高壓、特高壓輸電線路的故障暫態(tài)時 間長，現(xiàn)有的快速濾波算法（短窗付氏 算法、小矢量算法）受非周期分量以及 低頻分

7、量的影響大，難以準確計算工頻 電氣量。2、工頻量保護原理工頻量保護面臨的問題2. 利用工頻電氣量信息，只能列寫含兩個 獨立參數(shù)的輸電線路方程（R-L模型）， 無法考慮串補電容、分布電容、過渡電 阻等參數(shù)的影響，影響保護的靈敏性?；诠ゎl量的保護只能通過犧牲靈敏性來保證高壓輸電線路保護動作的快速性結(jié)論：工頻量的保護存在無法克服的原理性誤差。在目前電流電壓互感器條件下，工頻量保護仍然是性能最可靠的保護。但很難進一步提高其工作性能。2、工頻量保護原理輸電線路行波波動方程及達朗貝爾解3、非工頻量保護原理行波保護3、非工頻量保護原理行波保護行波測距原理當故障點位于觀測點到線路中點之間時M母線到故障點F的

8、距離：當故障點位于觀測點到線路中點之外時M母線到故障點F的距離：3、非工頻量保護原理行波保護行波測距原理行波方向保護原理3、非工頻量保護原理行波保護設(shè)行波在線路上傳播的時間為T，當發(fā)生外部故障時，在2T時間內(nèi)，被保護線路保護安裝處所測得波頭信息只包含前行波信息，而沒有反行波信息。行波方向保護原理3、非工頻量保護原理行波保護區(qū)外故障：2T時間內(nèi)只有前行波沒有反行波：行波方向保護原理3、非工頻量保護原理行波保護區(qū)內(nèi)故障：同時存在前行波沒有反行波：行波方向保護原理3、非工頻量保護原理行波保護1. 行波折反射導致波頭識別困難2. 行波以光速傳播，2T時間間隔很短，不適 用于短線路線路長度2T時間300

9、km1ms200km0.667ms100km0.333ms50km0.167ms暫態(tài)量方向設(shè)行波在線路上傳播的時間為T，當發(fā)生外部故障時，在2T時間內(nèi)，保護安裝處測量得到的電氣量滿足：3、非工頻量保護原理暫態(tài)量保護基于阻波器的快速保護暫態(tài)量距離故障點所產(chǎn)生的電壓電流行波在經(jīng)過線路兩端阻波器、母線、故障點等不同波阻抗點時會產(chǎn)生折、反射，從而在故障線路內(nèi)部和故障線路上出現(xiàn)折、反射強度和時間延遲上的差別。3、非工頻量保護原理暫態(tài)量保護基于阻波器的快速保護暫態(tài)量距離3、非工頻量保護原理暫態(tài)量保護暫態(tài)量保護存在的問題1. 對于短距離輸電線路，由于2T時間很短，暫態(tài) 量方向不適用于短距離輸電線路。2. 暫

10、態(tài)量距離保護中用到的暫態(tài)特征是相對的， 對于某一次故障，其區(qū)內(nèi)外故障特征明顯。 但是，由于其沒有絕對的故障特征和理論邊 界，故實際應(yīng)用中整定將非常困難。3、非工頻量保護原理暫態(tài)量保護行波保護原理優(yōu)點：理論明確、概念清晰、在故障定位中取得巨大成功。存在的問題：1 對采樣率要求高，難以滿足實時性；2 波頭所在的頻段信號弱，抗干擾能力不強，且易受雷電 影響；3 僅決定于波頭的時間信息，可靠性不高；4 行波對側(cè)母線和背側(cè)母線均發(fā)生反射，波頭識別困難；5 2T時間短，短線路應(yīng)用困難。3、非工頻量保護原理優(yōu)點：保護動作速度快，介于行波保護和工頻量保護之間。存在的問題：1 對采樣率要求較高，計算量大；2 高

11、頻暫態(tài)信號弱且存在時間短，抗干擾能力不強，可靠性不高，受雷電影響；3 理論不完備，只能定性分析不能定量計算，整定困難；4 750kV以上輸電線路未裝置阻波器；5 2T時間短，短線路應(yīng)用困難?；谧璨ㄆ鞯目焖俦Ｗo3、非工頻量保護原理 參數(shù)識別的原理的繼電保護通過對網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)的識別獲取故障網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息，構(gòu)成保護判據(jù)。 典型的應(yīng)用是變壓器差動保護中通過識別勵磁阻抗的勵磁涌流識別判據(jù)。其模型及算法為4、參數(shù)識別保護原理1 工頻量保護受故障暫態(tài)影響，由于非周期分量和低頻分量的存在，即使采用20ms數(shù)據(jù)窗，也難于準確提取工頻量；2 行波保護、暫態(tài)量保護識別行波波頭可靠性差，對于短線路2T僅僅0.1ms左

12、右，在如此短的時間內(nèi)判別故障可靠性低；4、參數(shù)識別保護原理研究基于參數(shù)識別繼電保護的目的3 光互感器、電子式互感器技術(shù)的發(fā)展使得準確獲得電力系統(tǒng)一次信號成為可能，為基于參數(shù)識別的繼電保護的發(fā)展提供技術(shù)保證。4、參數(shù)識別保護原理研究基于參數(shù)識別繼電保護的目的R-L輸電線路模型與微分方程完全對應(yīng)：電壓電流為受模型約束的電氣量，是真實信號，利用其求解參數(shù)不需要濾波，快速、準確；任意時間測得的電氣量均滿足微分方程，利用任意時間的數(shù)據(jù)計算的參數(shù)都是真實、正確的。4、參數(shù)識別保護原理研究基于參數(shù)識別繼電保護的基本概念4、參數(shù)識別保護原理研究基于參數(shù)識別繼電保護的基本概念RLC串聯(lián)電路的參數(shù)識別：RLC串聯(lián)

13、網(wǎng)絡(luò)的工頻電路方程如下所示，利用工頻電壓電流，僅僅能求出R和X，而不能進一步求出L和C4、參數(shù)識別保護原理研究基于參數(shù)識別繼電保護的基本概念RLC串聯(lián)電路的參數(shù)識別：利用參數(shù)識別原理，列寫時域電路方程：利用故障暫態(tài)信息，可以分別求出R、L和C三個參數(shù)。元件模型仍采用簡化的R-L模型,模型適用頻帶窄，可適用的信號頻帶集中在工頻，因而可識別參數(shù)有限。由于使用工頻信號，因而保護原理和實現(xiàn)技術(shù)并未體現(xiàn)出參數(shù)識別自身的優(yōu)點電磁式互感器傳變暫態(tài)信號時，由于互感器本身頻帶的限制，使得二次信號失真嚴重，限制了參數(shù)識別原理的應(yīng)用。應(yīng)用研究中存在的問題4、參數(shù)識別保護原理信號采集：早期基于參數(shù)識別原理的繼電保護仍

14、使用工頻信號，因而可識別的參數(shù)有限。近期的研究表明使用暫態(tài)信號全頻帶的信息可以識別更多的故障網(wǎng)絡(luò)信息。但這對獲取真實的一次信號提出了更高的要求。光互感器的應(yīng)用：光電傳感器具有高帶寬、高線性度的特點，是參數(shù)識別原理保護應(yīng)用于實際系統(tǒng)理想的信號傳感器件。我國已規(guī)劃建設(shè)以光互感器為特征的全數(shù)字化變電站。這為參數(shù)識別原理的應(yīng)用提供了技術(shù)保證?；趨?shù)識別的原理的繼電保護新進展4、參數(shù)識別保護原理參數(shù)識別理論的進展：參數(shù)識別的一般原理。 對于如圖所示的一般的RLC網(wǎng)絡(luò)，若其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已知，則其入端阻抗函數(shù)具有如下的一般形式 單端口RLC線性網(wǎng)絡(luò)4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展由入端阻

15、抗函數(shù)得到網(wǎng)絡(luò)輸入端電流、電壓的時域表達式為： 上式變形得到：4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展取k個測量數(shù)據(jù)對 （k=n+m+1)，可得到一系列的微分方程 ，寫成矩陣形式為從而可由最小二乘方法得到系數(shù)向量c的估計值，即4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展系數(shù)向量c和網(wǎng)絡(luò)中各元件參數(shù)之間存在如下的一般關(guān)系因此求解如下的最小二乘優(yōu)化問題可得到網(wǎng)絡(luò)中所有元件的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)的所有信息 上述過程說明網(wǎng)絡(luò)參數(shù)識別實際上是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已知的前提下，由網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)響應(yīng)進行的網(wǎng)絡(luò)綜合過程。 4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展模型頻帶的研究進展：元件數(shù)學

16、模型和物理模型之間存在差異。模型適用頻帶的概念定義了數(shù)學模型的適用范圍，也定義了不同數(shù)學模型用于參數(shù)識別時的可用信號范圍。這方面的研究是參數(shù)識別原理的一個重要內(nèi)容，目前已逐步展開。4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展輸電線路模型實用頻帶研究的意義4、參數(shù)識別保護原理基于參數(shù)識別的原理的繼電保護新進展模型與方程對應(yīng)，全頻帶信息均適用模型與方程不完全對應(yīng)，只有適用頻帶信息才可用，需要研究模型的適用頻帶 線路長度l=100km 模型頻帶的研究： 線路阻抗角、模型、線路長度之間的關(guān)系4、參數(shù)識別保護原理 線路長度l=200km 模型頻帶的研究： 線路阻抗角、模型、線路長度之間的關(guān)系4

17、、參數(shù)識別保護原理 線路長度l=300km 模型頻帶的研究： 線路阻抗角、模型、線路長度之間的關(guān)系4、參數(shù)識別保護原理 線路長度l=400km 模型頻帶的研究： 線路阻抗角、模型、線路長度之間的關(guān)系4、參數(shù)識別保護原理 線路長度l=500km 模型頻帶的研究： 線路阻抗角、模型、線路長度之間的關(guān)系4、參數(shù)識別保護原理 模型頻帶的研究： 4、參數(shù)識別保護原理繼電保護的延時主要取決于濾波器延時，工頻量保護需要20ms濾除所有高于50Hz的信號，其濾波器延時為20ms；基于參數(shù)識別的保護適用頻帶寬，濾波器數(shù)據(jù)窗短，可以保證快速切除故障；例如，若適用頻帶達到500Hz，則相應(yīng)的濾波器延時為2ms，保護

18、可以在故障后2ms快速動作；模型越復雜，其適用頻帶越高。輸電線路單端測距原理受過渡電阻影響大，其測距結(jié)果不能滿足工程實際的需要?；趨?shù)識別的單端測距原理，在列寫測距方程時引入過渡電阻作為參數(shù)，解決了工頻量單端測距遇到的問題。4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用基于參數(shù)識別的單端測距單相輸電線故障網(wǎng)絡(luò)圖及其分解+=4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用基于參數(shù)識別的單端測距測量點M電流、電壓故障分量與故障點疊加電流、電壓滿足的網(wǎng)絡(luò)微分方程 故障點邊界條件方程 線路兩端電流、電壓推算到故障點的電壓相等 基于參數(shù)識別的單端測距4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用經(jīng)消去對端電流、電壓運算得到如下的測距方程其中初步研究表明該方

19、法不授對端系統(tǒng)阻抗和過渡電阻的影響。消除了傳統(tǒng)工頻單端測距方法的原理性誤差。基于參數(shù)識別的單端測距4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用補償電容的加入破壞了輸電線路阻抗的均勻性，對于距離保護來說，最大的問題就是超越動作。目前解決的主要方法是：延時或縮小保護范圍串補電容的模型識別法利用在補償電容前后故障時，保護安裝處不同的電流、電壓關(guān)系分別建立起標準的故障模型。通過比較兩個模型計算所得線路參數(shù)的離散度來判別故障點位置。串補電容位置識別法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用（1） 串補電容前故障(F1)的標準模型 ESMN保護1保護2串補線路電容前故障串補電容位置識別法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用（2） 串補電容前

20、故障(F2)的標準模型 ESMN保護1保護2串補線路電容后故障串補電容位置識別法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用故障后，將故障錄波數(shù)據(jù)分別代入兩個故障模型進行參數(shù)計算，可以分別獲得一條隨時間變化的電感曲線。經(jīng)過大量的仿真計算可以看出以下規(guī)律：串補電容前故障：串補電容后故障：串補電容位置識別法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用區(qū)外故障等效故障分量網(wǎng)絡(luò)： 基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用假設(shè)故障點兩端系統(tǒng)阻抗角

21、相等，則有基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用區(qū)內(nèi)故障等效故障分量網(wǎng)絡(luò)： 基于模型識別的輸電線路差動保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用構(gòu)造基于模型識別的輸電線路差動保護判據(jù)：外部故障：電容模型內(nèi)部故障：電感模型基于參數(shù)識別的距離保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用特高壓長線路的分布參數(shù)特性使傳統(tǒng)距離保護的測量阻抗不與故障距離成正比，使得保護發(fā)生超越或拒動 。兩種方法解決分布電容對特高壓長線的影響：（1）直接采用分布參數(shù)模型，但是需要較高的采樣頻率，計算量大，對硬件要求較高；（2）應(yīng)用Bergeron模型將長線路分段，利用分段點處電流、電壓應(yīng)用解微分方程算法計算出線路阻抗，但只能

22、針對分段點后的故障。 基于參數(shù)識別的距離保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用由描述輸電線路波過程的微分方程推導可得線路兩端的電壓、電流之間的關(guān)系為： 在距離I段末端進行泰勒展開并忽略高次項，得一階泰勒展開式 基于參數(shù)識別的距離保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用若距保護安裝處l F發(fā)生故障，則測距方程為：基于參數(shù)識別的距離保護4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用給定特高壓線路典型參數(shù)，可得故障距離與誤差關(guān)系圖。輸電線路全長為400km，整定距離為360km。 目前廣泛采用的傳統(tǒng)的電壓、電流互感器在故障后的暫態(tài)過程中，不能很好的反映一次系統(tǒng)的真實特性，導致距離保護暫態(tài)超越?？梢酝ㄟ^在二次側(cè)電壓上疊加一個綜合的衰

23、減非周期分量，得到滿足二次側(cè)電壓電流量的測距方程，利用數(shù)據(jù)冗余，用最小二乘求解。基于目前電壓電流互感器 特性的改善距離保護暫態(tài)超越的方法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用（1）一次側(cè)測距方程（2）CVT CT 二次側(cè)測距方程基于目前電壓電流互感器 特性的改善距離保護暫態(tài)超越的方法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用 二階泰勒展開動模數(shù)據(jù)驗證結(jié)果黑線：傳統(tǒng)算法紅線：改進算法基于目前電壓電流互感器 特性的改善距離保護暫態(tài)超越的方法4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用330kV海新線海石灣變側(cè)在2007年3月15日發(fā)生區(qū)內(nèi)C相故障時的錄波數(shù)據(jù)對算法進行仿真驗證 4、參數(shù)識別保護原理原理應(yīng)用運用本算法后反時限特性于傳統(tǒng)反時限特性的對比05101520500.800.850.901.00動作時間/