一种基于录波数据的保护安全裕度评估方法，当电网发生故障时启动录波并记录录波数据，利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，代入保护动作判据计算保护整定值；然后分别计算电流保护的安全裕度、低电压保护的安全裕度、距离保护的安全裕度；再利用故障线路两侧录波数据判断故障类型，依次计算故障点的位置以及过渡电阻、计算故障线路两侧系统等值阻抗和等值电势，并计算故障线路两侧电气量相关分支系数，最后模拟同样特征的故障模式。本发明能够在电网发生故障时自动启动录波，可利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，并代入保护动作判据，校验保护定值的适应性。
1.一种基于录波数据的保护安全裕度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当电网发生故障时启动录波并记录录波数据，利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，代入保护动作判据计算保护整定值；
2)计算保护安全裕度，具体包括：电流保护的安全裕度、低电压保护的安全裕度、距离保护的安全裕度；
3)判断故障是否发生在保护范围末端，具体步骤包括：
3.1)利用故障线路两侧录波数据判断故障类型，计算故障点的位置以及过渡电阻；
3.2)计算故障线路两侧系统等值阻抗和等值电势，并计算故障线路两侧电气量相关分支系数；
3.3)模拟同样特征的故障模式，即故障类型和过渡电阻移到故障线路末端，重新计算保护安装处以及上一级线路保护安装处的故障量；
所述的录波数据包括：故障时保护安装处电气量的波形数据；
所述的电流保护的安全裕度SrI，具体为一种过量保护： 其中：Ik为故障时故障相电气量测量值，如保护安装处的相电流或零序电流；Izd为保护整定值；Ksr为安全裕度系数，SrI为保护拒动的安全裕度，且当Ksr取保护灵敏度要求的系数时，SrI大于1以满足灵敏度要求；
所述的低电压保护的安全裕度SrV，具体为一种欠量保护： 其中：Uk为故障时故障相电气量测量值，Uzd为保护整定值；当Ksr取保护灵敏度要求的系数时，SrV大于1以满足灵敏度要求；
所述的距离保护的安全裕度SrZ，具体为 其中：双竖线表示取绝对值，θm为相式圆特性阻抗继电器故障时故障相阻抗继电器测量的角度，θH和θL分别为动作判据的高、低限值，其动作方程为：θL≤θm≤θH，当测量阻抗落在动作区域内时，SrZ必然大于1；当θm越靠近判据上下限值的中间值时，安全裕度的数值就越大，表示该判据越不容易拒动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤3.1，即利用故障线路两侧录波数据判断故障类型，确定故障点的位置以及过渡电阻，具体为：
1)故障点F到M侧母线之间的正序线路阻抗为： 故障点F到M侧母线之间的零序线路阻抗为： 其中： 为MN线路正序阻抗；
2)计算故障点各相电压相量 故障点各序电压相量和各相电压相量中为正序电压相量， 为负序电压相量；
为零序电压相量，最后利用相/序变换关系得到故障点各相电压相量 和
3)根据故障类型，确定故障点过渡电阻，其类型包括：i)单相接地且当故障相为A相时， 其中：Rg为单相接地故障的过渡电阻；
ii)两相短路且当故障相为BC时，当RB＝RC故障,则Rarc为相间故障的过渡电阻；
iii)两相短路接地且当故障相为BC，当RB＝RC，则其中：Rg为接地过渡电阻，RB、RC为相间过渡电阻；
iv)三相短路且当RA＝RB＝RC，则 其中：RA、RB、RC为相间过渡电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的步骤3.2)中，计算故障线路两侧系统等值阻抗和等值电势，当序分量基准相为A相，即正序和负序系统阻抗相同时，则当三相短路时，两侧系统阻抗按下式确定：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的步骤3.2)中，计算故障线路两侧电气量相关分支系数，具体为：利用电流突变量方法判断两侧录波数据的故障初始时刻，然后利用故障选相方法判断故障类型，并确定序分量的基准相，再利用全周或半周傅里叶方法确定故障后线路两侧的各相电压和电流相量；最后确定故障线路两侧电压和电流的序分量以及非故障支路，即M侧的上一级支路PM的P侧的电流分支系数，其中非故障支路PM的P侧的电流为 故障线路MN两侧的电压和电流中的M侧电流为当序分量的基准相为A相时，所述的故障线路MN的上一级支路PM的电流分支系数：其中： 为MN线路M侧故障前A相电压， 为
MN线路M侧正序电流，Kfz1P、Kfz2P、Kfz0P分别是正序、负序和零序电流分支系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的步骤3.3)，即模拟同样特征的故障模式移到MN线的末端，即N侧，重新计算保护安装处以及上一级线路保护安装处的故障量，具体步骤如下：
1)计算以故障点和地为端口看进去的系统综合阻抗，正序和负序综合阻抗为：零序综合阻抗为：
2)计算故障线路保护安装处，即M侧的故障相电压和电流：以单相接地故障为例，当故障相为A相，其中序分量的基准相为A相，下式中φ＝A，则有：则M侧故障相电压和电流分别为：
3)计算非故障支路，即M侧的上一级支路PM的P侧的故障相电压和电流，其中φ为序分量基准相，则有 其中：Kfz1、Kfz2、Kfz0分别为各序电流分支系数，利用与步骤3.1中操作2)相同的相/序变换得到P侧各相电压和电流；
4)计算故障在MN线末端，即N侧时，MN线路M侧和PM支路P侧的测量阻抗：以单相接地且故障相为A相为例，则 其中：KMN和KPN分别为MN和PM线路的零序补偿系数；
5)利用M侧和P侧的各相电压、电流和测量阻抗代入三段式保护的安全裕度确定公式，即可实现假定故障发生在MN线路末端时M侧和P侧三段式保护的定值校验。
基于录波数据的保护安全裕度评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种电力系统保护领域的技术，具体是一种基于录波数据的保护安全裕度评估方法。
背景技术
[0002] 继电保护装置是电力系统安全运行的保障。国内外已发生的大范围停电事故，大多与继电保护装置的不正确动作有直接或间接的关系。因此，合理安排继电保护定值，是保障电网安全运行的重要条件。目前，继电保护装置的定值是在离线状态下根据系统的最大和最小运行方式整定的，在系统运行中保持不变或仅在个别典型方式间切换。随着电网规模的扩大，运行方式组合越来越多，电网故障后的方式更是多变。当系统处于某些特殊运行方式时，系统中部分保护的定值可能不能满足灵敏度和选择性的要求，存在保护拒动或误动的事故隐患。如果不能及时发现并进行调整，可能会造成大范围停电事故。与定值的离线整定相比，保护定值在线校核方法由于在短路电流计算中考虑了当前电网的实际接线、潮流、发电和负荷水
[0003] 现如今，电网规模不断扩大，运行方式组合越来越多，电网故障后的方式更是多变。当系统处于某些特殊运行方式时，系统中部分保护的定值可能不能满足灵敏度和选择性的要求，存在保护拒动或误动的事故隐患。由于目前继电保护装置的定值是在离线状态下根据系统的最大和最小运行方式整定的，在系统运行中保持不变或仅在个别典型方式间切换。随着电网规模的扩大，运行方式组合越来越多，电网故障后的方式更是多变。当系统处于某些特殊运行方式时，系统中部分保护的定值可能不能满足灵敏度和选择性的要求，存在保护拒动或误动的事故隐患。如果不能及时发现并进行调整，可能会造成大范围停电事故。
[0004] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103762561A公开(公告)日2014.04.30，公开了一种高压直流输电系统直流差动保护整定方法。直流差动保护采用三段式保护方式，包括保护I段、II段、III段，其整定方法包括有如下过程：1)保护输入量经过低通滤波器(1)滤波后再经过减法器(2)，最后取绝对值得到保护输入量；2)上述保护输入量与I段比较器(3)的定值比较，如果大于定值，经过延时时间T1触发TFR录波；3)上述保护输入量与II段比较器(4)的定值比较，如果大于定值，经过延时时间T2，启动紧急停机顺序；
4)上述保护输入量与III段比较器(5)的定值比较，如果大于定值，经过延时时间T3，启动紧急停机顺序。该技术不仅实现换流器接地故障的主保护，而且避免系统扰动时测量元件暂态特性不一致导致保护误动，提高了可靠性。但该技术的缺陷和不足在于：其保护整定值采用的是离线整定方式且采用离线保护定值整定，其有效性受电网中各元件模型及参数准确性的影响较大，此外该技术的核心思想在于保护输入量大于保护整定值时，经一定延时才产生相应的动作。
发明内容
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于录波数据的保护安全裕度评估方法，能够在电网发生故障时自动启动录波。录波数据记录了故障时保护安装处电气量的波形数据。可利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，并代入保护动作判据，校验保护定值的适应性。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：
[0007] 1)当电网发生故障时启动录波并记录录波数据，利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，代入保护动作判据计算保护整定值；
[0008] 所述的录波数据包括：故障时保护安装处电气量的波形数据。
[0009] 2)计算保护安全裕度，具体包括：电流保护的安全裕度、低电压保护的安全裕度、距离保护的安全裕度；
[0010] 3)判断故障发生在保护范围是否在末端，具体步骤包括：
[0011] 3.1)利用故障线路两侧录波数据判断故障类型，计算故障点的位置以及过渡电阻；
[0012] 3.2)计算故障线路两侧系统等值阻抗和等值电势，并计算故障线路两侧电气量相关分支系数；
[0013] 3.3)模拟同样特征的故障模式(故障类型、过渡电阻)移到故障线路末端，重新计算保护安装处以及上一级线路保护安装处的故障量。
[0014] 技术效果
[0015] 由于距离保护的动作特性一般在阻抗平面上可以表示为一个动作区域，仅仅用灵敏度的概念不能完整评价测量阻抗离动作区域各个边界的远近，因此本发明就保护安全裕度进行确定以定量刻画故障量离动作边界的远近，从而可定量评估保护拒动的安全裕度为了校验末端故障时保护定值的有效性，并通过仿真验证了该方法的有效性。由于利用故障录波数据进行计算，所以计算所得数据能够实时校核，准确反映电网特点。
[0016] 与现有技术相比，本发明的优势主要体现在：本发明提出保护整定值拒动或误动安全裕度的定义，通过安全裕度判断保护整定值的有效性，及时发现电力系统所存在问题并调整，最大可能减少大范围停电事故的发生，减少了人力和物力成本，减少因为电力系统故障所带来的损失。
[0017] 对电力系统输电线路来说，过渡电阻的大小与故障点处的环境条件密切相关。当线路发生一次故障后，如果利用本方法计算出的安全裕度较低，则巡线人员可以查看故障线路的末端附近是否存在与故障点类似的故障条件，这对于预防在保护范围末端发生类似故障时保护拒动具有重要意义。
附图说明
[0018] 图1为模拟系统故障等效结构图；
[0019] 图2保护安全裕度意义流程图展示；
[0020] 图3末端故障时保护安全裕度评估方法流程图。
具体实施方式
[0021] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0022] 实施例1
[0023] 如图1所示，本实施例涉及一种基于录波数据的保护安全裕度评估方法，该方法在实施过程中包含以下步骤：
[0024] 1、电力系统中故障录波器在电网发生故障时启动录波，在系统故障时，能够记录保护安装处电气量的波形数据。
[0025] 2、利用录波数据，按照保护原理得到故障时的电气量，代入保护动作判据确定三段式保护整定值，Izd为电流保护整定值，Uzd为电压保护整定值，Zm阻抗继电器测量阻抗；
[0026] 3、由于距离保护的动作特性一般在阻抗平面上可以表示为一个动作区域，仅仅用灵敏度的概念不能完整评价测量阻抗离动作区域各个边界的远近，因此本发明给出了保护安全裕度的定义，用于定量刻画故障量离动作边界的远近，从而可定量评估保护拒动的安全裕度，具体内容包括：
[0027] 3.1)电流保护的安全裕度SrI，即一种过量保护：
[0028] 其中：Ik为故障时故障相电气量测量值，如保护安装处的相电流或零序电流；Izd为保护整定值；Ksr为安全裕度系数，一般取值大于1；SrI为保护拒动的安全裕度，且当Ksr取保护灵敏度要求的系数时，SrI应该大于1以满足灵敏度要求。
[0029] 3.2)低电压保护的安全裕度SrV，即一种欠量保护：
[0030] 其中：Uk为故障时故障相电气量测量值，如保护安全处母线的相电压；Uzd为保护整定值；其它参数同(2)。当Ksr取保护灵敏度要求的系数时，SrV应该大于1，否则保护不能满足灵敏度要求。
[0031] 3.3)距离保护的安全裕度SrZ；
[0032] 其中：双竖线表示取绝对值，θm为相式圆特性阻抗继电器故障时故障相阻抗继电器测量的角度，θH和θL分别为动作判据的高、低限值，其动作方程为：
[0033] θL≤θm≤θH (4)
[0034] 当测量阻抗落在动作区域内时，SrZ必然大于1；当θm越靠近判据上下限值的中间值时，安全裕度的数值就越大，表示该判据越不容易拒动。
[0035] 4、实际故障的发生位置是随机的，可能故障会发生在保护范围末端，当故障发生在保护范围末端时，为校核保护整定值的适应性，末端故障时三段式保护安全裕度的具体判断步骤如下：
[0036] 如图1所示，设故障线路为MN，两端母线分别用M和N表示，故障点位置用F表示，其M侧的上一级支路为PM。
[0037] 4.1)利用故障线路两侧录波数据判断故障类型，确定故障点的位置以及过渡电阻，具体为：
[0038] 4.1.1)故障点F到M侧母线之间的正序线路阻抗为：故障点F到M侧母线之间的零序线路阻抗为： (当故障类型为相
间短路时，不用确定)，其中： 为MN线路正序阻抗；
[0039] 4.1.2)计算故障点各相电压相量
[0040] 故障点各序电压相量和各相电压相量中 为正序电压相量，为负序电压相量；
[0041] 为零序电压相量(当故障类型为相间短路时，不用确定，)，最后利用相/序变换关系得到故障点各相电压相量 和
[0042] 4.1.3)根据故障类型，确定故障点过渡电阻，其类型包括：
[0043] i)单相接地且当故障相为A相时， 其中：Rg为单相接地故障的过渡电阻。
[0044] ii)两相短路且当故障相为BC时，当RB＝RC故障,则Rarc为相间故障的过渡电阻。
[0045] iii)两相短路接地且当故障相为BC，当RB＝RC，则其中：Rg为接地过渡电阻，RB、RC为相间过渡电阻。
[0046] iv)三相短路且当RA＝RB＝RC，则 其中：RA、RB、RC为相间过渡电阻。
[0047] 4.2)计算故障线路两侧系统等值阻抗和等值电势，以序分量基准相为A相为例：正序和负序系统阻抗相同，则
[0048] 当三相短路时，两侧系统阻抗按下式确定：
[0049] 4.3)计算故障线路两侧电气量相关分支系数，具体为：利用电流突变量方法判断两侧录波数据的故障初始时刻，然后利用故障选相方法判断故障类型，并确定序分量的基准相，再利用全周或半周傅里叶方法确定故障后线路两侧的各相电压和电流相量；最后确定故障线路两侧电压和电流的序分量以及非故障支路(M侧的上一级支路PM)P侧的电流分支系数。
[0050] 所述的非故障支路PM的P侧的电流为 所述的故障线路MN两侧的电压和电流中的M侧电流为
[0051] 所述的故障线路MN的上一级支路PM的电流分支系数(序分量的基准相为A相)：其中： 为MN线路M侧故障前A相电压， 为
MN线路M侧正序电流，Kfz1P、Kfz2P、Kfz0P分别是正序、负序和零序电流分支系数(当故障类型为非接地故障时，不用确定零序电流分支系数)。
[0052] 4.4)模拟同样特征的故障模式移到MN线的末端(即N侧)，重新计算保护安装处以及上一级线路保护安装处的故障量，具体步骤如下：
[0053] 4.4.1)计算以故障点和地为端口看进去的系统综合阻抗，正序和负序综合阻抗为：
[0054] 零序综合阻抗为：
[0055] 4.4.2)计算故障线路保护安装处(M侧)的故障相电压和电流：以单相接地故障为例，当故障相为A相，其中序分量的基准相为A相，下式中 则有：
[0056]
[0057] 则M侧故障相电压和电流分别为：
[0058] 4.4.3)计算非故障支路(M侧的上一级支路PM)P侧的故障相电压和电流，其中 为序分量基准相，则有 其中：Kfz1、Kfz2、Kfz0分别为各序电流分支系数，利用与步骤4.1.2)相同的相/序变换得到P侧各相电压和电流。
[0059] 4.4.4)计算故障在MN线末端(即N侧)时，MN线路M侧和PM支路P侧的测量阻抗：以单相接地且故障相为A相为例，则 其中：KMN和KPN分别为MN和PM线路的零序补偿系数。
[0060] 5)利用M侧和P侧的各相电压、电流和测量阻抗代入三段式保护的安全裕度确定公式，即可实现假定故障发生在MN线路末端时M侧和P侧三段式保护的定值校验。
[0061] 技术效果：
[0062] 利用故障录波数据计算末端故障时三段式保护安全裕度的有效性，关键在于所计算故障量的准确性。为了验证所述末端故障时校验方法，本发明设计了如下仿真实验：测试系统结构如说明书附图图1所示。M侧系统等值电源参数为： Zm1＝Zm2＝j6.06Ω，Zm0＝j7.22Ω。N侧系统等值电源参数为： Zn1＝Zn2＝j44.1Ω，Zn0＝j79.4Ω。
[0063] PM之间有两回线(不考虑相互耦合)，长度都为50km，MN线路长度为47.3km，所有线路的单位长度参数为：ZL1＝ZL2＝0.3635∠82°Ω/km，ZL0＝1.3630∠82°Ω/km。故障点F离母线M的距离为20km。
[0064] 用PSCAD进行故障仿真，保护1和2处的电压、电流仿真数据作为故障录波数据。利用第2节的方法可计算出MN线路末端(即N侧)发生与F点相同类型的故障(故障类型和过渡电阻都相同)时保护1和3处故障相的相电压、相电流和测量阻抗。该计算结果的误差分析详见表1到表7。其中Um/Im/Zm为保护1处故障相电压、电流和测量阻抗幅值的误差百分数，AZm为测量阻抗角度误差百分数(角度误差与180的比值)。Up/Ip/Zp/AZp为保护3处各故障量的误差百分数。上述误差分析中以N处故障时PSCAD故障仿真的结果为真值。
[0065] 表1A相接地，Rg＝500Ω(单位：％)
[0066]δ Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
30 3.0 4.7 6.2 7.1 1.3 4.2 4.3 7.1
60 2.8 2.2 4.5 3.9 1.2 2.2 2.9 3.8
[0067] 上表分析了故障前负荷水平对误差的影响。故障为A相接地，过渡电阻Rg为500欧姆，分析了两侧电源等值电势角度差为30度和60度两种情况。
[0068] 表2A相接地，δ＝30°(单位：％)
[0069]Rg Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 4.7 3.5 0.0 0.0 0.6 3.6 0.2 0.0
100 2.9 1.7 2.6 4.1 1.3 1.4 0.9 4.0
500 3.0 4.7 6.2 7.1 1.3 4.2 4.3 7.1
[0070] 上表分析了单相接地故障时不同过渡电阻对误差的影响。
[0071] 表3BC相间短路，δ＝30°(单位：％)
[0072]Rb Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 1.5 0.5 0.1 0.0 0.5 0.4 0.3 0.0
10 2.6 1.8 1.0 1.4 0.9 1.9 0.2 1.1
20 2.9 2.7 1.8 2.2 1.2 2.7 0.4 1.9
[0073] 上表分析了相间短路时不同过渡电阻对误差的影响。其中Rb为相间电弧电阻的一半。
[0074] 表4BC接地，δ＝30°，Rb＝0(单位：％)
[0075]Rg Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 0.2 0.1 0.1 0.0 0.3 0.2 0.3 0.0
100 1.2 0.7 0.1 0.0 0.4 0.6 0.3 0.0
500 1.4 0.5 0.1 0.0 0.5 0.5 0.3 0.0
[0076] 表4至表6分析了两相接地短路时不同过渡电阻对误差的影响，其中Rb为相间电弧电阻的一半，Rg为接地过渡电阻。
[0077] 表5BC接地，δ＝30°，Rb＝10(单位：％)
[0078]Rg Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 1.5 0.5 1.0 1.4 0.7 0.5 0.2 1.1
100 2.5 1.8 1.0 1.4 0.9 1.9 0.2 1.1
500 2.6 1.8 1.0 1.4 0.9 1.9 0.2 1.1
[0079] 表6BC接地，δ＝30°，Rb＝20(单位：％)
[0080]Rg Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 2.1 0.7 1.8 2.2 1.0 0.7 0.4 1.9
100 2.8 2.5 1.8 2.2 1.1 2.6 0.4 1.9
500 2.9 2.6 1.8 2.2 1.2 2.7 0.4 1.9
[0081] 表7三相短路，δ＝30°(单位：％)
[0082]Ra Um Im Zm AZm Up Ip Zp AZp
0 2.2 2.1 0.1 0 2.3 2.1 0.2 0
10 1.9 1.4 0.5 0.4 2.1 1.4 0.7 0.2
20 1.4 0.7 0.7 0.5 1.8 0.7 1.1 0.4
[0083] 上表分析了三相短路时不同电弧电阻对误差的影响，其中Ra为任意两相间电弧电阻的一半。
[0084] 从表1至表7的误差分析可知，在已知F点发生故障时MN线路两端的故障录波数据以及MN和PM线路参数的条件下，可以利用第4节的方法估算出在MN线路末端同样类型故障时保护1和保护3处故障相的电压、电流和测量阻抗，电压、电流和测量阻抗幅值的估算值与真实值之间的相对误差不超过10％，测量阻抗阻抗角的估算值与真实值之间的误差不超过15度(15/180＝8.3％)。因此利用该方法计算出的故障量可以用于线路末端故障时三段式保护安全裕度的校验。
[0085] 综上所述，本发明基于故障录波数据进行保护定值在线的校核方法，故障录波数据采集时已经考虑了当前电网的实际接线、潮流、发电和负荷水平、发电机和负荷模型等对短路电流的影响，因此基于该结果整定的保护定值能反应当前电网的运行方式；
[0086] 本发明利用录波数据按照保护原理计算出故障时的电气量，并代入保护动作判据，校验保护定值的适应性，避免了受电网各元件模型及参数影响这一情况的发生；
[0087] 本发明引入保护整定值安全裕度的定义，由于距离保护的动作特性一般在阻抗平面上可以表示为一个动作区域，仅仅用灵敏度的概念不能完整评价测量阻抗离动作区域各个边界的远近，因此本发明给出了保护安全裕度的定义，用于定量刻画故障量离动作边界的远近，从而可定量评估保护拒动的安全裕度。当电网没有发生故障，而只是有较大的扰动时，故障录波器根据其启动判据也可能启动录波。这种情况下可利用无故障时的录波数据校验保护误动的安全裕度。如果利用本发明提出的方法计算出的安全裕度较低，则巡线人员可以查看故障线路的末端附近是否存在与故障点类似的故障条件，这对于预防在保护范围内发生故障时保护拒动具有重要意义。
