一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法

摘要

本发明一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，包括，步骤1，利用系统线路参数和距离保护的定值构造呈双四边形的系统振荡动作特性图；步骤2，利用系统发生振荡时的最短振荡周期和系统参数计算振荡时阻抗轨迹在穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的最小时间差Td；步骤3，对系统的阻抗轨迹进行实时判断；当其穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的穿越时间小于Td时，系统未发生振荡；当穿越时间大于Td时，系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；步骤4，根据实时电气量判断振荡闭锁的同时系统是否发生故障；当发生故障时，利用开放元件进行故障开放；当未发生故障时，保持闭锁距离保护。

权利要求

1.一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，利用系统线路参数和距离保护的定值构造呈双四边形的系统振荡动作特性图；

步骤2，利用系统发生振荡时的最短振荡周期和系统参数计算振荡时阻抗轨迹在穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的最小时间差Td；

步骤3，对系统的阻抗轨迹进行实时判断；

当其穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的穿越时间小于Td时，则系统未发生振荡；

当穿越时间大于Td时，则系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；

步骤4，根据实时电气量判断振荡闭锁的同时系统是否发生故障；

当发生故障时，利用开放元件进行故障开放；

当未发生故障时，则保持闭锁距离保护；

步骤1，所述的系统线路参数包括线路正序灵敏角Φ1和线路正序阻抗ZL；距离保护的定值包括距离Ⅰ段定值ZⅠ_set、距离Ⅱ段定值ZⅡ_set和距离Ⅲ段定值ZⅢ_set；得到的系统振荡动作特性图中两个四边形分别为外四边形和内四边形，外四边形以内的区域为外区域，内四边形以内的区域为内区域；两者的定位参数如下：外正向边界＝1.5*ZⅢ_set，外右边界＝3.8*ZⅢ_set，外反向边界＝-0.2*外正向边界，外左边界＝内左边界＝-2.0*ZⅠ_set；

内正向边界＝1.2*ZⅡ_set，内右边界＝3.8*ZⅡ_set，内反向边界＝-0.2*内正向边界；

步骤2中的最小时间差Td由如下公式得到，

其中，

2.根据权利要求1所述的一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，步骤3的具体步骤如下，步骤3.1，对系统的实时阻抗轨迹位置进行判断；

当其位于内区域时，输出的功率振荡内动作信号为1，不在内区域时，输出的功率振荡内动作信号为0；

当其位于外区域时，输出的功率振荡外动作信号为1，不在外区域时，输出的功率振荡外动作信号为0；

步骤3.2，对功率振荡内动作信号取反后与功率振荡外动作信号做与逻辑输出；当输出为1时，延时Td时间后输入到第一SR触发器置位端；当输出为0时，延时0.04S后输入到第一SR触发器置位端；第一SR触发器的复位端连接功率振荡外动作信号；

步骤3.3，第一SR触发器置的输出端，输出功率振荡闭锁信号为1时，系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；输出功率振荡闭锁信号为0时，系统未发生振荡，重复执行步骤

3.1。

3.根据权利要求2所述的一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，步骤4的具体步骤如下，步骤4.1，将功率振荡闭锁信号输入到第二SR触发器置位端；

步骤4.2，将故障开放元件满足判据后分为两路，一路在150ms内置1后与另一路做或逻辑输出复位前信号；复位前信号与后功率振荡闭锁信号做或逻辑后输入到第二SR触发器复位端；

步骤4.3，第二SR触发器的输出端与振荡闭锁元件投入信号做与逻辑后输出闭锁距离保护信号。

4.根据权利要求3所述的一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，步骤4.1中功率振荡闭锁信号延时确认0ms，返回延时为5000ms。

5.根据权利要求3所述的一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，判断信号由以下步骤得到；

步骤a，通过如下公式判断是否发生不对称故障，得到第一判断信号；

I0+I2>0.6*I1且I1>0.2*In；

其中，I0为零序电流，I2为负序电流，I1为正序电流，In为系统中电流互感器二次侧额定值；

步骤b，通过如下两个公式的判断结果分别与保护总启动信号做与逻辑后分别判断是否发生对称性故障，得到第二、三判断信号；

-0.03Un

-0.1Un

其中，Un为系统中电压互感器二次侧额定电压；

U1是正序电压；θ是正序电压U1和正序电流I1间的夹角， 是线路正序阻抗角；

步骤c，将步骤a得到的第一判断信号和步骤b得到的第二、三判断信号分别经过对应的延时后做或逻辑得到判断信号。

6.根据权利要求5所述的一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，其特征在于，第一判断信号延时确认10ms，返回延时20ms；第二判断信号延时确认

150ms，返回延时20ms；第三判断信号延时确认500ms，返回延时20ms。

说明书

一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统继电保护领域，具体为一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法。

背景技术

[0002] 电力系统在运行中可能发生各种故障和不正常运行状态，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障。而距离保护利用线路阻抗与距离成正比，保护安装处电压与电流之比反映了保护安装处到短路点的阻抗，也反映了保护安装处至短路点的距离，当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。距离保护因其灵敏度高，能够保证故障线路在比较短的时间内，有选择地切除故障，而且不受系统运行方式变化的影响，因而广泛使用。

[0003] 然而，在电力系统振荡时，保护安装处的电压和电流在很大范围内作周期性变化，因此阻抗继电器也作周期性变化。当测量阻抗落入继电器的动作特性内时，继电器就发生误动作。也就是说，距离保护的测量阻抗小于整定阻抗值时就会动作，不论引起的测量阻抗减小的原因是故障还是振荡。电力系统受扰动后，并列运行的两部分系统间将可能发生振荡。根据我国电网特征，要求系统发生振荡时不允许继电保护装置误动，而在系统发生故障时，要求继保正确动作。因此如何区别振荡与短路故障以及在振荡中发生故障如何迅速开放保护显得尤为重要。

[0004] 距离保护的振荡闭锁是一个较难的问题。在国外的保护产品中，振荡闭锁原理大多较为简单。例如美国SEL公司的系列保护产品，对振荡的故障简单地采用负序解锁开放保护，对于振荡过程中的三相对称故障可能造成误闭锁。GE公司的系列保护产品采用正序、负序、零序电流突变量来解锁开放保护，这显然也是不可靠的，对于振荡过程中的区外故障可能造成误开放。在我国，电网联系相对薄弱，振荡闭锁元件长期以来采用短时开放保护的方法，该方法十分简单有效，其缺点就是稍后就将保护闭锁，有条件开放保护。针对振荡中发生故障，王梅义在1999年公开出版的《电网继电保护应用》一书中称至少还没有振荡中发生故障的记录。振荡时系统电压也在振荡，大部分时间电压低于正常值，再发生故障的可能性大大减少。目前由于我国网架结构逐步加强，使系统振荡的事故大为减少，故障被切除后系统仍能保持稳定，要求只有在确实发生振荡时才闭锁保护，没有振荡就开放保护，这才是最好的振荡闭锁方法。因此，研究简单实用的振荡闭锁和振荡中故障开放的方法，对于提高微机保护装置的可靠性具有重要意义。

[0005] 距离保护在系统振荡可能误动，目前国内常用的短时开放保护的振荡闭锁方法实际上未能真正区分振荡与短路，只是在振荡可能发生前将保护“闭锁”，不再开放保护。如果要使保护始终投入工作，仅在确实发生振荡时将保护闭锁，做到振荡时不开放保护，短路时不闭锁保护。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，实用可靠，能够有效解决系统振荡时闭锁保护、没有振荡就开放保护的难题。

[0007] 本发明是通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放方法，

[0009] 步骤1，利用系统线路参数和距离保护的定值构造呈双四边形的系统振荡动作特性图；

[0010] 步骤2，利用系统发生振荡时的最短振荡周期和系统参数计算振荡时阻抗轨迹在穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的最小时间差Td；

[0011] 步骤3，对系统的阻抗轨迹进行实时判断；

[0012] 当其穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的穿越时间小于Td时，则系统未发生振荡；

[0013] 当穿越时间大于Td时，则系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；

[0014] 步骤4，根据实时电气量判断振荡闭锁的同时系统是否发生故障；

[0015] 当发生故障时，利用开放元件进行故障开放；

[0016] 当未发生故障时，则保持闭锁距离保护。

[0017] 优选的，步骤1，所述的系统线路参数包括线路正序灵敏角Φ1和线路正序阻抗ZL；距离保护的定值包括距离Ⅰ段定值ZⅠ_set、距离Ⅱ段定值ZⅡ_set和距离Ⅲ段定值ZⅢ_set；得到的系统振荡动作特性图中两个四边形分别为外四边形和内四边形，外四边形以内的区域为外区域，内四边形以内的区域为内区域；两者的定位参数如下：

[0018] 外正向边界＝1.5*ZⅢ_set，外右边界＝3.8*ZⅢ_set，外反向边界＝-0.2*外正向边界，外左边界＝内左边界＝-2.0*ZⅠ_set；

[0019] 内正向边界＝1.2*ZⅡ_set，内右边界＝3.8*ZⅡ_set，内反向边界＝-0.2*内正向边界。

[0020] 进一步，步骤2中的最小时间差Td由如下公式得到，

[0021]

[0022] 其中，

[0023]

[0024] 进一步，步骤3的具体步骤如下，

[0025] 步骤3.1，对系统的实时阻抗轨迹位置进行判断；

[0026] 当其位于内区域时，输出的功率振荡内动作信号为1，不在内区域时，输出的功率振荡内动作信号为0；

[0027] 当其位于外区域时，输出的功率振荡外动作信号为1，不在外区域时，输出的功率振荡外动作信号为0；

[0028] 步骤3.2，对功率振荡内动作信号取反后与功率振荡外动作信号做与逻辑输出；当输出为1时，延时Td时间后输入到第一SR触发器置位端；当输出为0时，延时0.04S后输入到第一SR触发器置位端；第一SR触发器的复位端连接功率振荡外动作信号；

[0029] 步骤3.3，第一SR触发器置的输出端，输出功率振荡闭锁信号为1时，系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；输出功率振荡闭锁信号为0时，系统未发生振荡，重复执行步骤3.1。

[0030] 再进一步，步骤4的具体步骤如下，

[0031] 步骤4.1，将功率振荡闭锁信号输入到第二SR触发器置位端；

[0032] 步骤4.2，将故障开放元件满足判据后分为两路，一路在150ms内置1后与另一路做或逻辑输出复位前信号；复位前信号与后功率振荡闭锁信号做或逻辑后输入到第二SR触发器复位端；

[0033] 步骤4.3，第二SR触发器的输出端与振荡闭锁元件投入信号做与逻辑后输出闭锁距离保护信号。

[0034] 再进一步，步骤4.1中功率振荡闭锁信号延时确认0ms，返回延时为5000ms。

[0035] 再进一步，判断信号由以下步骤得到；

[0036] 步骤a，通过如下公式判断是否发生不对称故障，得到第一判断信号；

[0037] I0+I2>0.6*I1且I1>0.2*In；

[0038] 其中，I0为零序电流，I2为负序电流，I1为正序电流，In为系统中电流互感器二次侧额定值；

[0039] 步骤b，通过如下两个公式的判断结果分别与保护总启动信号做与逻辑后分别判断是否发生对称性故障，得到第二、三判断信号；

[0040] -0.03Un

[0041] -0.1Un

[0042] 其中，Un为系统中电压互感器二次侧额定电压；

[0043] U1是正序电压；θ是正序电压U1和正序电流I1间的夹角， 是线路正序阻抗角；

[0044] 步骤c，将步骤a得到的第一判断信号和步骤b得到的第二、三判断信号分别经过对应的延时后做或逻辑得到判断信号。

[0045] 再进一步，第一判断信号延时确认10ms，返回延时20ms；第二判断信号延时确认150ms，返回延时20ms；第三判断信号延时确认500ms，返回延时20ms。

[0046] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0047] 本发明通过建立用于检测系统振荡的双四边形的构造，利用系统振荡时阻抗轨迹在穿越两个灵敏度不同的四边形时的时间差，当时间差大于最小时间差Td时，判定为系统振荡，闭锁距离保护；然后在系统振荡中故障利用故障开放元件来开发距离保护，真正做到振荡时闭锁保护，短路时开放保护。

[0048] 进一步的，由于得到的系统振荡动作特性图是根据系统参数和距离保护的定值，自适应构造检振荡特性动作区域得到的，使得只有在确实发生振荡时才闭锁保护，没有振荡就开放保护，避免了目前国内常用的短时开放的弊端，进一步提高了继电保护的安全可靠性和选择性。

[0049] 进一步的，利用延时返回巧妙地解决了振荡中发生故障切除后，重合闸重合与振荡时距离后加速保护误动的问题。

附图说明

[0050] 图1为本发明实例中所述的系统振荡动作特性图。

[0051] 图2为本发明实例中所述的系统振荡检测逻辑图。

[0052] 图3为本发明实例中所述的振荡中故障开放逻辑图。

[0053] 图4为本发明实例中所述的距离保护在系统振荡与故障的典型应用。

具体实施方式

[0054] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0055] 本发明一种自适应的基于阻抗轨迹的系统振荡闭锁和故障开放的方法，针对距离保护在系统振荡时误动问题，真正做到振荡时闭锁保护，短路时开放保护。

[0056] 系统振荡检测元件首先利用线路参数和距离保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定值构造双四边形，如图1所示。其次利用系统发生振荡时的最短振荡周期和系统参数计算振荡时阻抗轨迹在穿越2个灵敏度不同的四边形时的最小时间差Td，最小时间差Td为判断依据，对是否振荡做出判断，继而给出检测系统振荡的具体逻辑图，如图2所示；最后给出振荡中发生故障时的故障开放逻辑图，如图3所示。本发明使得距离保护在系统振荡时可靠闭锁，不会误动作，而在系统故障时可靠地快速切除故障，在系统振荡中故障时可靠地开放距离保护，切除故障，保卫供电设备的安全。

[0057] 提出在电力系统振荡时，阻抗轨迹在穿越2个不同灵敏度四边形时会存在时间差且正序电流会大于某一门槛值，其中四边形大小根据距离保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定值进行自适应确定，时间差也可以根据线路阻抗和距离保护定值进行自适应计算。针对振荡中发生故障时，利用不对称开放元件和对称性开放元件，可靠的开放距离保护。同时解决了国外保护检测振荡时大圆套小圆判据整定难的问题，

[0058] 具体步骤如下：

[0059] 步骤1：利用线路参数和距离保护Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ段定值构造双四边形，如图1所示。由于四边形的特殊构造，相对于现有技术中提出的大圆套小圆的方法，针对于系统振荡中发生区内经高阻接地故障时具有较高的灵敏度。

[0060] 图1中，外正向边界＝1.5*ZⅢ_set，内正向边界＝1.2*ZⅡ_set，外右边界＝3.8*ZⅢ_set，内右边界＝3.8*ZⅡ_set，外左边界＝内左边界＝-2.0*ZⅠ_set，外反向边界＝-0.2*外正向边界，内反向边界＝-0.2*内正向边界。

[0061] 其中，Φ1—线路正序灵敏角；ZL—线路正序阻抗；ZⅠ_set—距离Ⅰ段定值；ZⅡ_set—距离Ⅱ段定值；ZⅢ_set—距离Ⅲ段定值。

[0062] 步骤2：利用系统参数计算阻抗轨迹在穿越2个灵敏度不同的四边形时的最小时间差Td，如公式(1)所示。

[0063]

[0064]

[0065]

[0066] 其中，degree是单位，表示度。

[0067] 步骤3：对系统的阻抗轨迹进行实时判断，当其穿越系统振荡动作特性图中两个灵敏度不同的四边形时的穿越时间小于Td时，则系统未发生振荡；；

[0068] 当穿越时间大于Td时，则系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；

[0069] 具体的，如图2所示的系统振荡检测逻辑。图2中，灵活逻辑操作数“功率振荡内动作”置1代表阻抗轨迹进入如图1所示的“内区域”，置0代表阻抗轨迹退出如图1所示的“内区域”，“功率振荡外动作”置1代表阻抗轨迹进入如图1所示的“外区域”，置0代表阻抗轨迹进入如图1所示的“外区域”。步骤3包括如下步骤。

[0070] 步骤3.1，当前时刻下系统的阻抗轨迹对应点的位置进行判断；

[0071] 当其位于内区域时，输出的功率振荡内动作信号为1，不在内区域时，输出的功率振荡内动作信号为0；

[0072] 当其位于外区域时，输出的功率振荡外动作信号为1，不在外区域时，输出的功率振荡外动作信号为0；

[0073] 步骤3.2，对功率振荡内动作信号取反后与功率振荡外动作信号做与逻辑输出；当输出为1时，延时Td时间后输入到第一SR触发器置位端；当输出为0时，延时0.04S后输入到第一SR触发器置位端；第一SR触发器的复位端连接功率振荡外动作信号；

[0074] 步骤3.3，第一SR触发器置的输出端，输出功率振荡闭锁信号为1时，系统发生振荡，闭锁距离保护，执行步骤4；输出功率振荡闭锁信号为0时，系统未发生振荡，重复执行步骤3.1。

[0075] 步骤4，根据实时电气量判断振荡闭锁的同时系统是否发生故障；

[0076] 当发生故障时，利用开放元件进行故障开放；

[0077] 当未发生故障时，则保持闭锁距离保护。

[0078] 具体的，如图3所示的振荡中故障开放逻辑。

[0079] 图3中，距离保护检振荡闭锁投入时，只有当灵活逻辑操作数“功率振荡闭锁”置1时，“闭锁距离保护”才会置1，也就是说系统只有在发生振荡时，才会可靠地闭锁距离保护，该方法克服了国内目前常用的短时开放(即保护启动150ms内无条件开放，150ms之后无条件闭锁，只有在满足开放条件时才会开放保护)方法的不足，真正做到了只有在确实发生振荡时才闭锁保护，没有振荡就开放保护。

[0080] 步骤4中提到的振荡检测方法，在振荡中发生故障时，需要通过开放元件进行开放，开放元件包括两大部分，不对称故障开放元件，另外一部分是对称性故障开放元件。

[0081] 图3中的分支2用于判断是否开放不对称故障开放元件，应用公式I0+I2>m*I1，m是一个可靠系数，范围在0.5～0.7之间，式中I0为零序电流，I2为负序电流，I1为正序电流。本发明明确提出m＝0.6，同时正序电流满足I1>0.2*In,In为电流互感器二次侧额定值，这样对实际工程应用提供了明确的指导意义。

[0082] 图3中的分支3和4用于判断是否开放对称性故障开放元件。其中，Un为系统中电压互感器二次侧额定电压； U1是正序电压；θ是正序电压U1和正序电流I1间的夹角， 是线路正序阻抗角。

[0083] 图3中的第5分支，系统发生振荡时，若发生区内故障，对分支2、3和4构成的振荡中故障开放元件进行检测判断，一旦检定要开放保护，最少开放150ms，使得距离保护可靠地切除故障。图3中第二SR锁存器，具有复位优先的功能，这就确保在系统振荡过程中发生故障时，可靠地开放距离保护，提高电力系统的安全运行。

[0084] 距离保护利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如短路点距离小于整定值则保护动作。

[0085] 工程应用中，输电线路中的距离保护Ⅰ段通常整定为线路全长的80％-90％，距离保护Ⅱ段整定为线路全长的120％-150％，距离保护Ⅲ段与下级线路距离保护Ⅱ或Ⅲ段配合整定，不经过振荡闭锁，延时按躲过最大振荡周期进行整定。如图4所示的输电线路保护配置中，如果K2点发生故障，距离保护I段需要快速动作，由于是距离Ⅰ段区内发生故障，阻抗轨迹经过“双四边形”的时间差必然小于Td，此时开放距离保护，距离Ⅰ段快速动作，满足继保要求；如果K3点发生故障，由于外正向边界＝1.5*ZⅢ_set，内正向边界＝1.2*ZⅡ_set，此时阻抗轨迹经过“双四边形”的时间差也必然小于Td，此时开放距离保护，距离Ⅱ段经延时可靠动作。如果系统发生振荡，阻抗轨迹经过“双四边形”的时间差必然大于计算时间Td，此时距离保护可靠闭锁，此时若K1点发生故障，由于图3中分支2、3和4不满足开放条件，保护可靠不动作，若经延时K1点故障未切除，不经振荡闭锁的距离Ⅲ段将会作为后备动作以跳闸切除故障。若振荡中K2点发生故障，对于不对称性故障，图3中分支2将会动作以开放保护；对于对称性故障，图3中分支3或者4将会延时动作以开放保护，由于振荡时系统电压大部分时间低于正常值，再发生故障的可能性大大减少，振荡中发生故障时经延时切除故障也是可以接受的。