夏經(jīng)德,康小寧,邵文權(quán),程 遠(yuǎn)

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048; 2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著智能化電子互感器技術(shù)、高性能微機(jī)處理技術(shù)和寬頻帶光纖通信技術(shù)的飛躍發(fā)展, 國內(nèi)外的微機(jī)保護(hù)已經(jīng)由簡單地模仿傳統(tǒng)成熟的保護(hù)方式逐步發(fā)展出功能完善、技術(shù)新穎、適應(yīng)性強(qiáng)和穩(wěn)定可靠的綜合保護(hù)措施.復(fù)雜的新技術(shù)不再成為影響保護(hù)可靠性的瓶頸,它們的代表有行波保護(hù)[1]、自適應(yīng)保護(hù)[2]、基于Prony方法的保護(hù)[3]、參數(shù)識別保護(hù)[4]和基于小波的保護(hù)[5]等,已經(jīng)成為相關(guān)科技文獻(xiàn)爭相追逐的研究目標(biāo).

近年來出現(xiàn)了一類新型的輸電線路單元式阻抗計算方法[6-7],它最成功的特點在于具有立論嚴(yán)謹(jǐn)、分析透徹、整定清晰和功能可靠的特點,因此突破了傳統(tǒng)阻抗計算的束縛,可以成為未來保護(hù)發(fā)展的樣本,其中縱向阻抗的計算方法是其中的典型代表[8].它的最大特點在于找到了被保護(hù)線路的電壓、電流與阻抗之間可以相互比較和等量轉(zhuǎn)換的物理模型以及數(shù)學(xué)表達(dá),由此建立了確?？v向阻抗可靠性和靈敏度的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用前景.

通過近年對縱向阻抗的不斷研究,逐步認(rèn)識到該阻抗的其他性能特點以及未來的擴(kuò)展方向,同時也暴露出在早期研究中還存在的若干技術(shù)問題.例如,傳統(tǒng)的縱向阻抗習(xí)慣使用有名制計量方法,這種方法所反映的阻抗?fàn)顟B(tài)直觀明確，但是這種方法也存在一些問題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的運(yùn)行方式,特別是線路長度發(fā)生變化時,很難從阻抗數(shù)據(jù)中直接進(jìn)行狀態(tài)評估，當(dāng)遇到超短線路縱聯(lián)保護(hù)時,由于線路阻抗偏小將可能導(dǎo)致狀態(tài)分辨裕度變窄,影響工程實際運(yùn)用效果.

本文將電力系統(tǒng)分析中所采用標(biāo)幺制的計算方法以及相關(guān)的分析過程運(yùn)用到縱向阻抗,它的最大特點在于將基于有名制的縱向阻抗所得到不同的計算結(jié)果合理轉(zhuǎn)換成為一致的純數(shù)值結(jié)果,建立了統(tǒng)一的、可以直接相互比較的基準(zhǔn)平臺.通過理論分析和仿真驗證可以發(fā)現(xiàn),采用標(biāo)幺值的縱向阻抗在性能評估和狀態(tài)判斷方面獲得了明顯的改善,這種方法因此具有較好的工程應(yīng)用前景.

1 縱向阻抗的基本原理和特點

1.1 縱向阻抗的性能分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]所記載的相關(guān)內(nèi)容,縱向阻抗是以線路兩端電壓差除以線路兩端電流和,獲得阻抗結(jié)果為量綱的新型保護(hù)算法:

(1)

通過理論分析可知,縱向阻抗以線路串聯(lián)阻抗為界,甄別所發(fā)生故障的原因.為了有效利用本文的篇幅,所用的圖形、變量以及相關(guān)的說明等全部參見文獻(xiàn)[8].根據(jù)縱向阻抗的性能分析結(jié)果可以知道,縱向阻抗的計算結(jié)果可以與故障距離保持嚴(yán)格的線性變化關(guān)系,且不受故障電阻的任何影響,這個特點可以作為故障測距的方法,可有效改善基于工頻電氣量的傳統(tǒng)故障測距性能.

1.2 縱向阻抗的解耦特點

縱向阻抗成功地利用了零序電路的電氣特點,將與故障位置有關(guān)的零序電流等效置換為與故障位置無關(guān)的零序電壓,由此完全消除了相間耦合的影響,確?？v向阻抗可以準(zhǔn)確以線路串聯(lián)正序阻抗為界,甄別區(qū)內(nèi)外故障的保護(hù)特性:

(2)

確保基于單相線路模型所得的縱向阻抗特征完全可以適用于三相線路模型的縱向阻抗.

1.3 縱向阻抗的性能分析

縱向阻抗除了具有上面所述能夠準(zhǔn)確甄別區(qū)內(nèi)外故障的特點外,根據(jù)文獻(xiàn)[8]可以知道,縱向阻抗還完全能夠抵御系統(tǒng)在正常運(yùn)行的所有范圍內(nèi)所帶來相關(guān)擾動的影響.對于現(xiàn)有最高電壓等級、最長距離的交流輸電線路，正常運(yùn)行情況下縱向阻抗可以忽略線路分布電容所帶來的影響,正常分辨線路的實際運(yùn)行狀態(tài).無論是TA互感器穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)電磁飽和,都不會影響縱向阻抗的可靠性.縱向阻抗具有充裕的甄別裕度,完全有能力克服TA和TV互感器各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)測量誤差所造成的影響.縱向阻抗克服了許多傳統(tǒng)繼電保護(hù)弊端.

縱向阻抗之所以能夠具備上述諸多卓越性能特點,關(guān)鍵在于它特有的計算結(jié)構(gòu).通過分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)遇到區(qū)外故障時,只要有一定的故障分量電流流過被保護(hù)線路,線路兩端電壓差在縱向阻抗的計算中處于絕對不可動搖的大數(shù)地位:

(3)

任何測量衰減、電磁擾動與狀態(tài)變化都不可能改變式(3)所建立的大小對比關(guān)系,確保了縱向阻抗絕對的可靠性.當(dāng)遇到區(qū)內(nèi)故障時,只要有一定的故障電流(由故障位置、故障電阻、線路長度以及系統(tǒng)運(yùn)行方式確定,可以通過保護(hù)啟動門檻來甄別和限制),線路兩端電流和在縱向阻抗的計算中處于絕對不可動搖的大數(shù)地位:

(4)

式中 比較公式的中間項為線路兩側(cè)至故障點幅值較大的電壓差.

只要內(nèi)部故障可靠，觸發(fā)所設(shè)置的保護(hù)啟動單元后,就可以確保式(4)所建立的大小對比關(guān)系,確保了縱向阻抗絕對的靈敏性.根據(jù)式(3)和式(4)所反映的狀態(tài)特性可以知道,縱向阻抗所涉及的線路各相兩端電壓差、兩端電流和與兩端之間線路串聯(lián)正序阻抗之間不僅在區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時呈現(xiàn)完全不同的比較狀態(tài)關(guān)系,而且具備等效狀態(tài)轉(zhuǎn)換與相同量綱比較的物理表達(dá)模型和數(shù)學(xué)計算形式,而且這3種電氣量來自完全不同的度量體系,具有彼此獨(dú)立的狀態(tài)特征和計量方法,并且不能通過任何分析方法進(jìn)行簡化或者合并,確保了構(gòu)成相關(guān)保護(hù)可靠性與靈敏度三足鼎立式的完美配合關(guān)系,是縱向阻抗最重要的性能特點.

2 縱向阻抗的標(biāo)幺值計算和特點

隨著對縱向阻抗不斷深入的研究和驗證后發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)[8]直接采用有名制方式定義并且設(shè)定相關(guān)保護(hù)的判別公式,這種方法具有計算簡單、目標(biāo)明確、狀態(tài)分辨清晰和保護(hù)整定簡單的特點,可以直接產(chǎn)生良好的保護(hù)效果.但是這種方法也存在2點不足:

(1) 采用有名制的縱向阻抗在具體保護(hù)整定時需要按照被保護(hù)線路實際串聯(lián)阻抗制進(jìn)行,保護(hù)實際計算結(jié)果也與線路阻抗直接相關(guān),給故障分析和狀態(tài)甄別帶來一定的困擾.

(2)當(dāng)遇到超短距離線路的保護(hù)時,由于區(qū)內(nèi)故障縱向阻抗的變化范圍有限,當(dāng)遇到區(qū)外故障時出現(xiàn)TA飽和或者類似問題時,狀態(tài)分辨的裕度將縮小,影響保護(hù)的工程實際應(yīng)用效果.

針對上述2個問題,本文提出了標(biāo)幺值縱向阻抗的計算方法,即在文獻(xiàn)[8]公式(33)所涉縱向阻抗計算式的分母項中增加了被保護(hù)線路的串聯(lián)正序阻抗:

(5)

由此構(gòu)建了基于標(biāo)幺值縱向阻抗的單元式輸電線路縱聯(lián)保護(hù)改進(jìn)方案.式(5)與文獻(xiàn)[8]中保護(hù)判據(jù)的唯一區(qū)別就在于:式(5)阻抗計算的分母上增加了一個線路正序阻抗的標(biāo)幺化計算基準(zhǔn)阻抗值.正是由于在縱向阻抗的保護(hù)判別式中增加了基準(zhǔn)阻抗值,這樣所得標(biāo)幺值的縱向阻抗擺脫了有名值的束縛,所得阻抗結(jié)果更能體現(xiàn)如下優(yōu)勢:

(1) 當(dāng)遇到短距離線路的單元式保護(hù)時,所得阻抗結(jié)果與長距離線路的阻抗結(jié)果具備相同的動作門檻和甄別裕度,因此提高了縱向阻抗適應(yīng)不同線路特性的能力,增大了短距離線路故障判別的靈敏度.

(2) 縱向阻抗由此可以忽略線路正序阻抗幅值大小的影響,當(dāng)遇到其他因素影響時,如電流互感器傳變誤差與飽和、線路分布電容影響等,可以直接根據(jù)所得阻抗結(jié)果作出相關(guān)因素對阻抗影響程度的判斷,因此具有數(shù)值比較和性能評判統(tǒng)一的基礎(chǔ)和平臺.

3 兩種標(biāo)稱值縱向阻抗的性能比較

與有名制的縱向阻抗相比,標(biāo)幺值的縱向阻抗在計算方法中增加了被保護(hù)線路的串聯(lián)正序阻抗,使縱向阻抗計算式分母項的量綱經(jīng)過調(diào)整后與分子項的量綱取得一致,使計算結(jié)果不再呈現(xiàn)量綱的特點,便于閱讀理解和性能分析.與此同時,由于有名制的縱向阻抗在保護(hù)甄別時所采用的阻抗幅值甄別,按照工程計算特點以及阻抗保護(hù)慣例,分辨裕度應(yīng)該不小于18Ω,當(dāng)遇到超短距離線路發(fā)生TA飽和時,可能造成分辨裕度偏小，影響甄別效果;對于標(biāo)幺值的縱向阻抗在故障甄別時所采用的相對比較純數(shù),分辨裕度超過1.3倍即可滿足甄別要求.因此同樣針對發(fā)生TA飽和的超短線路,后者具備更強(qiáng)的適應(yīng)能力和應(yīng)用前景.

4 仿 真

為了與文獻(xiàn)[8]仿真結(jié)果保持一致并且能夠比較性能特點,本文所用文獻(xiàn)[8]所記載1 000kV，500km超長距離交流輸電線路和500kV，50km短距離m側(cè)測量端附帶TA飽和特性EMTP仿真線路模型,具體EMTP仿真模型以及相關(guān)電氣及其他參數(shù)請查閱文獻(xiàn)[8].

表1為超長距離線路a 相單相接地故障時2種縱向阻抗EMTP仿真的對比結(jié)果,其中有名制縱向阻抗的計算量綱為Ω,標(biāo)幺值的縱向阻抗是無量綱的.

表2為短距離線路a相單相接地故障m單端CT 飽和時2種縱向阻抗EMTP仿真的對比結(jié)果,各阻抗的計算量綱如表1所示.

根據(jù)表1和表2所得的仿真結(jié)果可以獲得以下結(jié)論:

(1) 在任何故障情況下,2種縱向阻抗算法的結(jié)果都能夠準(zhǔn)確分辨出所發(fā)生故障的實際狀態(tài),說明2種算法都具備完整的可靠性與靈敏度,完全可以適應(yīng)所遇到的各種保護(hù)需要.

表1 單向接地故障下2種阻抗的仿真對比結(jié)果

表2 單相接地故障單端CT飽和的仿真對比結(jié)果

(2) 當(dāng)遇到短距離線路發(fā)生單側(cè)TA飽和時,將增大縱向阻抗分母項的數(shù)值,并且因此降低了縱向阻抗的計算幅值和相關(guān)保護(hù)的可靠性.當(dāng)考慮狀態(tài)的分辨裕度時,有名制的縱向阻抗在表2的最右側(cè)略顯不足,如飽和進(jìn)一步加深勢必加劇惡化該狀態(tài)的分辨效果.標(biāo)幺值的縱向阻抗在相同位置上顯現(xiàn)出更大的分辨裕度,說明該算法具有更好的適應(yīng)能力,并且由此可以提高狀態(tài)的分辨效果.

(3) 有名制的縱向阻抗在面臨超長距離的輸電線路時所獲得的阻抗幅值離動作整定值較遠(yuǎn),可能會產(chǎn)生長距離線路分布電容影響有限的錯覺，而標(biāo)幺值的縱向阻抗則明確顯示線路分布電容同樣是影響縱向阻抗性能的正確提示.

(4) 有名制的縱向阻抗很難獲得各種干擾因素對縱向阻抗影響的相對參照比較數(shù)據(jù).而標(biāo)幺值的縱向阻抗則直接可以從所得的結(jié)果上分析出相關(guān)干擾因素所造成影響的對比結(jié)果,如分布電容所帶來的影響和TA飽和的基本相同.

由此可以看出,雖然兩種標(biāo)稱制都能夠正確描述出所被保護(hù)線路的實際狀態(tài),但是標(biāo)幺值的縱向阻抗在描述狀態(tài)特性時更直觀可讀,因此此方法更適用于實際應(yīng)用.

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于標(biāo)幺值縱向阻抗的計算方法,并進(jìn)行了理論分析、仿真驗證.分析結(jié)論和仿真結(jié)果表明,在區(qū)外故障時,標(biāo)幺值縱向阻抗的結(jié)果更能反映出線路實際運(yùn)行時各種干擾因素所造成的擾動效果,在同等條件下比有名制的縱向阻抗有更好的判別裕度;在區(qū)內(nèi)故障時,2種縱向阻抗的結(jié)果都能真實描述故障性質(zhì),故障特征十分明顯,保證上述縱聯(lián)保護(hù)的靈敏性.標(biāo)幺值縱向阻抗的保護(hù)整定效果更穩(wěn)定、數(shù)值簡單、提示清晰,可以進(jìn)行定量比較.在EMTP 數(shù)字仿真中,所得結(jié)果表明本文所提出標(biāo)幺值的縱向阻抗更具備實際工程的應(yīng)用價值.

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