一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法

摘要

本发明公开了一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，无需采用复杂的神经网络算法或线路两侧的同步测量相量信息，仅利用本侧电压、电流，配合R‑L微分方程算法可以计算得到故障点到继电保护装置安装处的距离，并根据故障距离计算结果及其波动程度识别区内和区外故障，不受UPFC运行模式和控制参数的影响，以确保保护动作行为的正确性，方便可靠，容易实现，具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤(1)，设置故障距离liter的初始值，令liter＝0.5lwhole，其中liter为故障距离，为从继电保护装置安装处到故障点的距离，lwhole为输电线路的全长，若输电线路发生故障，记录故障发生时刻为t0；

步骤(2)，获取继电保护装置在当前采样点的采样值，当前采样点对应的采样时刻为tcal；

步骤(3)，对获取的采样值进行预处理，得到经过二阶巴特沃斯低通滤波器处理之后的测量电压、电流和重构的故障点电压；

步骤(4)，若tcal-t0≥5ms，则进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

步骤(5)，将tcal-5ms时刻到tcal时刻之间的采样数据，代入输电线路的R-L微分方程模型，得到公式(1)，其中，ua(t)和ia(t)分别为继电保护装置测量得到的相电压和电流，ufr(t)为重构的故障点电压，ia(0)(t)为继电保护装置测量得到的零序电流；Rline(1)和Lline(1)分别为输电线路单位长度正序电阻和电抗，Rline(0)和Lline(0)分别为输电线路单位长度零序电阻和电抗；l为故障点到继电保护装置安装处的计算结果；

步骤(6)，利用最小二乘算法对公式(1)的微分方程组进行求解，得到故障点到继电保护装置安装处距离的计算结果l，并令liter＝l；

步骤(7)，若tcal-t0<30ms，则移动至下一个采样点，并重复步骤(2)～步骤(6)，计算下一个采样点的故障点到保护继电保护装置安装处的距离；否则，进入步骤(8)；

步骤(8)，根据步骤(7)，得到在故障发生时刻t0后5ms至30ms时间段各采样点计算得到的故障距离，由于故障发生时刻t0后5ms至10ms时间段的故障距离计算结果不稳定，故利用故障发生时刻t0后10ms至30ms时间段的故障距离计算结果来描述其波动程度，根据公式(2)，得到波动系数σ，其中，lmax和lmin分别为故障距离计算结果的最大值和最小值；

步骤(9)，根据公式(3)所示的判据，

识别得到故障为区内故障或者区外故障，确保继电保护装置的保护动作行为的正确性。

2.根据权利要求1所述的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：步骤(3)所述二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除测量电压、电流中的高频分量，保证步骤(5)中公式(1)中各测量的电气量符合输电线路的原始参数模型。

3.根据权利要求1或2所述的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：所述二阶巴特沃斯低通滤波器的幅频响应特性，如公式(4)所示，其中，ωc为截止角频率。

说明书

一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法。

背景技术

[0002] 统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)由串联换流器和并联换流器共同组成，串联换流器通过串联变压器向电网注入一个幅值和相位均可调的串联电压，以控制线路的有功和无功潮流；并联换流器则通过并联变压器吸收或提供有功功率以维持直流侧电压恒定，同时吸收或提供无功功率以调节UPFC接入的交流母线的电压。因此，UPFC可以改变交流母线电压、线路参数和潮流，从而大幅度提高输电线路传输容量、降低线损和提高系统稳定水平。

[0003] 虽然UPFC强大的控制能力给电力系统的运行带来了极大的好处，但其接入也给电网中的继电保护装置提出了许多新的问题，尤其是传统的距离保护的性能由于UPFC的接入而大为劣化。传统的距离保护的基本原理是利用测量电压、电流中的基频分量计算从保护安装处到故障点的视在阻抗，并与整定值相比较，从而判断是否发生了保护区内故障。然而，接入UPFC的电网，在故障期间UPFC的运行特性将改变测量电压、电流中的稳态分量和暂态分量，从而对传统的距离保护的测量阻抗和性能造成影响。

[0004] 目前，含UPFC的输电线距离保护改进方案主要可以分为两大类：第一类为基于神经网络算法的自适应距离保护方案，另一类为基于输电线路两侧电压、电流的同步测量相量的距离保护改进方案。一般来说，UPFC有三种静止同步补偿器模式、静止同步串联补偿器模式和完全UPFC模式等三种不同运行模式。且不同运行模式下UPFC的控制参数将根据不同的电网运行要求进行整定。此外，根据电网故障类型、严重程度和持续时间不同时，故障后UPFC的输出电压、电流也将存在较大的不同。因此，稳态和暂态情况下UPFC的运行状况极为复杂，导致基于神经网络算法的自适应距离保护方案需要进行大量的测试和学习。另一方面，基于输电线路两侧电压、电流的同步测量相量的距离保护改进方案对通信系统的要求较高，且保护装置较为复杂，因此其工程应用面临一定的困难。

[0005] 因此，如何研究并提出一种适用于含UPFC的输电线路的距离保护方案，以确保保护动作行为的正确性，对于保障电力系统安全稳定运行具有重要意义，是当前急需解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明所解决的技术问题是克服现有接入UPFC的电网，在故障期间UPFC的运行特性将改变测量电压、电流中的稳态分量和暂态分量，从而对传统的距离保护的测量阻抗和性能造成影响的问题。本发明的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，利用本侧电压、电流计算故障点到继电保护装置安装处的距离，并根据故障距离计算结果的波动程度识别区内和区外故障，以确保保护动作行为的正确性，方便可靠，容易实现，具有良好的应用前景。

[0007] 为了解决达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0008] 一种用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：包括以下步骤，

[0009] 步骤(1)，设置故障距离liter的初始值，令liter＝0.5lwhole，其中liter为故障距离，为从继电保护装置安装处到故障点的距离，lwhole为输电线路的全长，若输电线路发生故障，记录故障发生时刻为t0；

[0010] 步骤(2)，获取继电保护装置在当前采样点的采样值，当前采样点对应的采样时刻为tcal；

[0011] 步骤(3)，对获取的采样值进行预处理，得到经过二阶巴特沃斯低通滤波器处理之后的测量电压、电流和重构的故障点电压；

[0012] 步骤(4)，若tcal-t0≥5ms，则进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

[0013] 步骤(5)，将tcal-5ms时刻到tcal时刻之间的采样数据，代入输电线路的R-L微分方程模型，得到公式(1)，

[0014]

[0015] 其中，ua(t)和ia(t)分别为继电保护装置测量得到的相电压和电流，ufr(t)为重构的故障点电压，ia(0)(t)为继电保护装置测量得到的零序电流；Rline(1)和Lline(1)分别为输电线路单位长度正序电阻和电抗，Rline(0)和Lline(0)分别为输电线路单位长度零序电阻和电抗；l为故障点到继电保护装置安装处的计算结果；

[0016] 步骤(6)，利用最小二乘算法对公式(1)的微分方程组进行求解，得到故障点到继电保护装置安装处距离的计算结果l，并令liter＝l；

[0017] 步骤(7)，若tcal-t0<30ms，则移动至下一个采样点，并重复步骤(2)～步骤(6)，计算下一个采样点的故障点到保护继电保护装置安装处的距离；否则，进入步骤(8)；

[0018] 步骤(8)，根据步骤(7)，得到在故障发生时刻t0后5ms至30ms时间段各采样点计算得到的故障距离，由于故障发生时刻t0后5ms至10ms时间段的故障距离计算结果不稳定，故利用故障发生时刻t0后10ms至30ms时间段的故障距离计算结果来描述其波动程度，根据公式(2)，得到波动系数σ，

[0019]

[0020] 其中，lmax和lmin分别为故障距离计算结果的最大值和最小值；

[0021] 步骤(9)，根据公式(3)所示的判据，

[0022]

[0023] 识别得到故障为区内故障或者区外故障，确保继电保护装置的保护动作行为的正确性。

[0024] 前述的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：步骤(3)所述二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除测量电压、电流中的高频分量，保证步骤(5)中公式(1)中测量的各电气量符合输电线路的原始参数模型。

[0025] 前述的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，其特征在于：所述二阶巴特沃斯低通滤波器的幅频响应特性，如公式(4)所示，

[0026]

[0027] 其中，ωc为截止角频率。

[0028] 本发明的有益效果是：本发明的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，无需采用复杂的神经网络算法或线路两侧的同步测量相量信息，仅利用本侧电压、电流计算故障点到继电保护装置安装处的距离，并根据故障距离计算结果的波动程度识别区内和区外故障，以确保保护动作行为的正确性，方便可靠，容易实现，具有良好的应用前景。

附图说明

[0029] 图1是本发明的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法的流程图。

具体实施方式

[0030] 下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

[0031] 如图1所示，本发明的用于含统一潮流控制器的输电线路的距离保护方法，包括以下步骤，

[0032] 步骤(1)，设置故障距离liter的初始值，令liter＝0.5lwhole，其中liter为故障距离，即为从继电保护装置安装处到故障点的距离，lwhole为输电线路的全长，若输电线路发生故障，记录故障发生时刻为t0；

[0033] 步骤(2)，获取继电保护装置在当前采样点的采样值，当前采样点对应的采样时刻为tcal；

[0034] 步骤(3)，对获取的采样值进行预处理，得到经过二阶巴特沃斯低通滤波器处理之后的测量电压、电流，并重构故障点电压，二阶巴特沃斯低通滤波器用于滤除测量电压、电流中的高频分量，保证后续计算使用的各电气量符合输电线路的原始参数模型，二阶巴特沃斯低通滤波器的幅频响应特性，如公式(4)所示，

[0035]

[0036] 其中，ωc为截止角频率，本发明中，取ωc＝942.48rad/s；

[0037] 安装在输电线路首、末端的距离保护无法获知故障点的电压，只能利用经过二阶巴特沃斯低通滤波器处理后的测量电压、电流对故障点电压进行重构，如公式(5)所示，[0038]

[0039] 其中，ufr为重构的故障点电压，Rfr为重构的过渡电阻，ufr1是重构的故障点电压的故障前分量，ia(0)为继电保护装置测量得到的零序电流，ia为继电保护装置测量得到的故障相电流，根据公式(6)，得到重构的故障点电压的故障前分量ufr1，

[0040] ufr1＝ua-(Lline(1)dia/dt+Rline(1)ia)liter   (6)

[0041] 其中，ua为继电保护装置测量得到的故障相电压，Rline(1)和Lline(1)分别为输电线路单位长度正序电阻和电抗。同时，发生故障前，公式(5)中等号右边第二项均为零，即Rfria(0)＝0、Rfria＝0；发生故障后，公式(5)中等号右边第一项为零，即ufr1＝0，ia(0)或ia则为继电保护装置的实际测量电流；

[0042] 步骤(4)，若tcal-t0≥5ms，则进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

[0043] 步骤(5)，将tcal-5ms时刻到tcal时刻之间的采样数据，代入输电线路的R-L微分方程模型，得到公式(1)，

[0044]

[0045] 其中，ua(t)和ia(t)分别为继电保护装置测量得到的相电压和电流，ufr(t)为重构的故障点电压，ia(0)(t)为继电保护装置测量得到的零序电流；Rline(1)和Lline(1)分别为输电线路单位长度正序电阻和电抗，Rline(0)和Lline(0)分别为输电线路单位长度零序电阻和电抗；l为故障点到继电保护装置安装处的计算结果；

[0046] 步骤(6)，利用最小二乘算法对公式(1)的微分方程组进行求解，得到故障点到继电保护装置安装处距离的计算结果l，并令liter＝l；

[0047] 步骤(7)，若tcal-t0<30ms，则移动至下一个采样点，并重复步骤(2)～步骤(6)，计算下一个采样点的故障点到继电保护装置安装处的距离；否则，进入步骤(8)；

[0048] 步骤(8)，根据步骤(7)，得到在故障发生时刻t0后5ms至30ms时间段各采样点计算得到的故障距离。由于故障发生时刻t0后5ms至10ms时间段的故障距离计算结果不稳定，故利用故障发生时刻t0后10ms至30ms时间段的故障距离计算结果来描述其波动程度，根据公式(2)，得到波动系数σ，

[0049]

[0050] 其中，lmax和lmin分别为故障距离计算结果的最大值和最小值；

[0051] 步骤(9)，根据公式(6)所示的判据，

[0052]

[0053] 识别得到故障为区内故障或者区外故障，确保继电保护装置的保护动作行为的正确性。

[0054] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。