馬 慧，李麗明，李忠政，王 毅

（1.國(guó)網(wǎng)濰坊市寒亭區(qū)供電公司，山東 濰坊 261100；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)影響的研究

馬 慧1，李麗明1，李忠政2，王 毅3

（1.國(guó)網(wǎng)濰坊市寒亭區(qū)供電公司，山東 濰坊 261100；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

電壓波動(dòng)與閃變引起電壓幅值和電網(wǎng)頻率發(fā)生變化。高壓輸電線路的距離保護(hù)中方向阻抗繼電器無論幅值式還是相位式，都與電壓幅值直接相關(guān)；極化電壓受頻率影響較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致繼電器拒動(dòng)。依據(jù)電壓波動(dòng)與閃變影響電壓幅值、頻率的機(jī)理，以及影響距離保護(hù)正確動(dòng)作的各因素，探究電壓波動(dòng)與閃變的影響；基于Matlab/Simulink搭建電壓波動(dòng)與閃變基礎(chǔ)上的距離保護(hù)模型，就故障、電壓波動(dòng)與閃變、既有電壓波動(dòng)與閃變又有故障3種情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)影響分析的合理性。

電壓波動(dòng)與閃變；高壓；距離保護(hù)；方向阻抗繼電器；距離保護(hù)模型

0 引言

目前電網(wǎng)向長(zhǎng)距離、大容量、超高壓、特高壓等方向快速發(fā)展，用電負(fù)荷也趨向于非線性和波動(dòng)性，使得電能質(zhì)量問題越來越嚴(yán)重［1］。電壓波動(dòng)是一系列電壓變動(dòng)或者連續(xù)的電壓偏差，指電壓幅值在0.9～1.1 pu內(nèi)的一系列隨機(jī)變化［2］。閃變反映燈光閃爍對(duì)人眼視覺的影響，是燈、眼、腦共同作用的結(jié)果。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，電壓波動(dòng)和閃變的標(biāo)準(zhǔn)往往合在一起，工程中也將兩者一起討論。發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變時(shí)，電壓的幅值與頻率一定發(fā)生變化，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)各部分產(chǎn)生不同程度的影響。距離保護(hù)性能完善，可以消除電力系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)繼電保護(hù)中故障點(diǎn)定位與判別的影響。近年來，針對(duì)距離保護(hù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，文獻(xiàn)［3］針對(duì)雙回輸電線路的接地距離保護(hù)容易受互感因素影響而發(fā)生誤動(dòng)這一問題，研究了一種零序電流補(bǔ)償?shù)姆椒?，以解決雙回線路中零序電流會(huì)出現(xiàn)反向的問題。文獻(xiàn)［4］采用了頻變參數(shù)模型，將頻率參數(shù)考慮進(jìn)距離保護(hù)之中，把受頻率影響的參數(shù)用補(bǔ)償矩陣表示，通過解微分方程求取故障處距離。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于參數(shù)識(shí)別的新算法，采用微分方程來判別故障范圍，用插值法計(jì)算電壓與電流，改善了在長(zhǎng)距離線路中設(shè)置距離保護(hù)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［6］找到了一種計(jì)算過渡電阻的新方法，它的依據(jù)是保護(hù)處的有功功率值，新的判別依據(jù)彌補(bǔ)了舊方法的缺陷，使距離保護(hù)更加可靠。

考慮到現(xiàn)有文獻(xiàn)并沒有深入研究電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)的影響。本文從理論方面分析發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變時(shí)，影響距離保護(hù)的幾個(gè)主要因素的變化；并搭建了基于Matlab/Simulink的距離保護(hù)模型，就發(fā)生故障、發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變、既有電壓波動(dòng)與閃變又有故障3種情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 電壓波動(dòng)與閃變影響電壓幅值及頻率機(jī)理分析

實(shí)際應(yīng)用中，電壓波動(dòng)與閃變根據(jù)不同電壓等級(jí)有不同的范圍。35 kV及以上供電電壓不得超過標(biāo)稱電壓的±5%；20 kV及以下供電電壓不得超過標(biāo)稱電壓的±7%；220 V供電電壓不得超過標(biāo)稱電壓的-10%～+7%。

電壓波動(dòng)與閃變是一種動(dòng)態(tài)的偏差，指偏差的值在一定范圍內(nèi)的不斷變化。電網(wǎng)的潮流分布決定了電網(wǎng)電壓分布情況，因此電網(wǎng)中負(fù)荷消耗和電源注入功率變化會(huì)引起電壓波動(dòng)。簡(jiǎn)單電網(wǎng)示意如圖1所示，電壓矢量如圖2所示。其中E為電網(wǎng)電壓相量，V為線路末端電壓相量，均取標(biāo)幺值；R1、X1為線路電阻和電抗；Ia、Ir分別為線路上的有功電流和無功電流相量。

圖1 簡(jiǎn)單電網(wǎng)示意

圖2 電壓矢量

由圖2可以看出，IaR1與IrX1是有功電流和無功電流引起電壓降落的主要原因。電網(wǎng)中負(fù)荷的變化以及電源的接入，都會(huì)使有功電流和無功電流隨之變化，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變。

閃變涉及的頻率范圍為0.05～35Hz，因此實(shí)際建模中精確的分析必須采用電磁暫態(tài)模型。異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)吸收無功功率，它是影響電壓的主要因素，且有功波動(dòng)時(shí)無功功率也會(huì)隨之波動(dòng)，因此在35 kV的電網(wǎng)中選用27.5MVA的異步發(fā)電機(jī)，基于Matlab/Simulink進(jìn)行簡(jiǎn)單系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真，異步發(fā)電機(jī)采用6階模型，通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)加入10%，頻率為0.5Hz的擾動(dòng)時(shí)，閃變的電壓波動(dòng)為14%，且在母線處的電壓波動(dòng)高頻分量較多，引起的相角變化為 0°～360°。

2 電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)的影響

從頻率變化、平行雙回線路互感、電壓和電流互感器的誤差3個(gè)方面來分析電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)影響［7］。

2.1 頻率變化的影響

電壓波動(dòng)與閃變時(shí)幅值的變化影響極化電壓的幅值，頻率的變化影響相位，距離保護(hù)中極化電壓主要起到相位參考作用，本節(jié)探討頻率變化對(duì)方向阻抗繼電器的影響。

當(dāng)正、反向出口發(fā)生三相短路故障，電壓幅值為1.1 pu時(shí)，AB相方向阻抗繼電器的極化電壓UK為

2.2 平行雙回線路互感的影響

電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路的概率最大。當(dāng)發(fā)生單相接地短路，電壓幅值為1.1 pu，且存在雙回線路互感時(shí)，測(cè)量阻抗將會(huì)增大，保護(hù)范圍縮短的百分?jǐn)?shù)為

當(dāng)α=1時(shí)，若令Z1=0.5Z0，保護(hù)范圍將縮短33%。工程中，整定阻抗一般為線路全長(zhǎng)的80%，此時(shí)保護(hù)范圍將縮短22%，實(shí)際保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)的58%。

圖3 距離保護(hù)中發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變時(shí)模型

2.3 電壓互感器和電流互感器誤差的影響

保護(hù)安裝點(diǎn)ld處發(fā)生金屬性短路故障，電壓幅值為0.9 pu，整定阻抗為線路全長(zhǎng)的80%時(shí)，保護(hù)范圍將縮短22%；若保護(hù)范圍計(jì)及整定阻抗角與線路阻抗角的差值Δφ和電網(wǎng)頻率的δ變化，ld與lz的比值為

若取Δφ=-3°，ki=0.95，δi=5°，kμ=0.98，δμ=-2°，則ld=85.5%lz，即保護(hù)范圍縮短14.5%；若不存在電壓波動(dòng)與閃變，ld=95%lz，由此可得，電壓波動(dòng)與閃變使保護(hù)范圍縮短9.5%。若再計(jì)及電網(wǎng)頻率升高，取δ=-6°，則ld=84.6%lz，即保護(hù)范圍縮短15.4%；若不存在電壓波動(dòng)與閃變，ld=94%lz，即電壓波動(dòng)與閃變使保護(hù)范圍縮短9.4%。

3 距離保護(hù)中發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變模型

3.1 仿真模型

距離保護(hù)中發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變時(shí)模型如圖3所示。

3.2 啟動(dòng)模塊

三相測(cè)量元件中提取到的電壓、電流，與整定值進(jìn)行比較，若電流值大于整定值，則啟動(dòng)元件動(dòng)作于跳閘［8］。啟動(dòng)模塊如圖4所示，70.35為經(jīng)多次仿真而得的整定值。

圖4 相位式啟動(dòng)模塊

3.3 距離模塊

距離模塊包括相間故障模塊和接地故障模塊，相間故障模塊選用0°接線方向阻抗繼電器，接地故障模塊選用帶零序補(bǔ)償式方向阻抗繼電器，因系統(tǒng)發(fā)生了電壓波動(dòng)與閃變，零序補(bǔ)償式方向阻抗繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用 Discrete Fourier（離散 FFT）模塊［9］，如圖5所示。

圖5 零序補(bǔ)償式方向阻抗繼電器

4 仿真驗(yàn)證

式中：電壓等級(jí)為 35 kV，ω=2π×50 rad/s，調(diào)制系數(shù)M=0.1，Ω=2π×5 rad/s，采樣頻率 1 600 Hz，整個(gè)信號(hào)運(yùn)行時(shí)間為3 s，閃變發(fā)生在1～2 s之間，線路總長(zhǎng)300m，線路230m處發(fā)生AB相間故障。分析發(fā)生故

設(shè)某電網(wǎng)的電壓信號(hào)為障、發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變、既有電壓波動(dòng)與閃變又有故障3種情況。

4.1 發(fā)生故障

啟動(dòng)元件動(dòng)作特性如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)元件動(dòng)作曲線

相間故障時(shí)，距離元件的相位曲線如圖7所示。

圖7 相間短路中方向阻抗繼電器的相位曲線

距離保護(hù)Ⅰ段能保護(hù)線路全長(zhǎng)的85%，故障位于230m處，屬于正方向出口末端短路情況，應(yīng)距離Ⅰ段動(dòng)作，其動(dòng)作曲線如圖8所示。

圖8 距離Ⅰ段的動(dòng)作曲線

4.2 發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變

啟動(dòng)元件動(dòng)作特性如圖9所示。

圖9 只有閃變時(shí)，啟動(dòng)元件動(dòng)作特性

相間故障和接地故障模塊的相位曲線如圖10和圖11所示。

圖10 相間故障模塊的相位曲線

圖11 接地故障模塊的相位曲線

距離保護(hù)Ⅰ段的動(dòng)作特性如圖12所示。

圖12 距離保護(hù)Ⅰ段的動(dòng)作曲線

由圖10～12可知，發(fā)生電壓波動(dòng)與閃變時(shí)，啟動(dòng)模塊中的電流值大于整定值，啟動(dòng)元件動(dòng)作于跳閘；相間故障模塊的方向阻抗繼電器相位超過90°，接地故障模塊的方向阻抗繼電器相位在閃變瞬間也超過90°，說明兩個(gè)模塊都發(fā)生了誤動(dòng)作；距離保護(hù)Ⅰ段發(fā)生誤動(dòng)作。

經(jīng)多次仿真，在不同電壓幅值下，相間與接地模塊的相位角變化情況如表1所示。

由表1可知，當(dāng)發(fā)生AB相間故障時(shí)，電壓值越偏離標(biāo)幺值，電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)的影響越明顯。

4.3 既有電壓波動(dòng)與閃變又有故障

三相電流曲線如圖13所示，可以清晰地看到故障以及電壓波動(dòng)與閃變發(fā)生的時(shí)間。

圖13 有閃變和故障時(shí)的三相電流波形

啟動(dòng)元件的電流波形如圖14所示。啟動(dòng)元件動(dòng)作特性曲線如圖15所示。

圖14 有閃變且有故障時(shí)，啟動(dòng)元件的電流波形

圖15 啟動(dòng)元件動(dòng)作特性曲線

將信號(hào)鎖定在0.5～1 s之間時(shí)，可以更加清晰地看到信號(hào)的變化，如圖16所示。

圖16 鎖定啟動(dòng)元件動(dòng)作特性曲線

相間和接地故障模塊方向阻抗繼電器相位曲線如圖17和圖18所示。

表1 不同電壓下相間與接地模塊相位變化 （°）

圖17 相間故障模塊的相位曲線

由圖17和圖18可知，相間與接地故障模塊的動(dòng)作特性發(fā)生變化，對(duì)于相間故障模塊，發(fā)生故障的0.6～0.8s中，方向阻抗繼電器的相位在-190°～ +190°之間波動(dòng)，大部分相位的絕對(duì)值大于90°，即方向阻抗繼電器發(fā)生動(dòng)作，故障結(jié)束到電壓波動(dòng)與閃變期間（0.8～2s），方向阻抗繼電器相位不斷波動(dòng)，有十多次進(jìn)入方向阻抗繼電器的動(dòng)作范圍；對(duì)于接地故障模塊，在發(fā)生AB相間故障的0.6～0.8s中，方向阻抗繼電器的相位部分超過90°，進(jìn)入方向阻抗繼電器動(dòng)作范圍，這說明電壓波動(dòng)與閃變的存在，使得接地故障模塊的方向阻抗繼電器發(fā)生了誤動(dòng)作。

經(jīng)多次仿真，在不同電壓幅值下，相間與接地模塊的相位角變化情況如表2所示。

由表2可知，電壓幅值在0.9～1.1 pu之間發(fā)生AB相間短路時(shí)，相間模塊中ABC相的相位全部在-90°～+90°之間，且電壓幅值越偏離標(biāo)幺值，電壓波動(dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)的影響越明顯。接地模塊中ABC相的相位有一部分進(jìn)入了-90°～+90°之間，這部分值的持續(xù)時(shí)間很短暫，后面迅速衰減。

表2 不同電壓下相間與接地模塊的相位角變化情況 （°）

5 結(jié)語(yǔ)

電壓波動(dòng)與閃變的發(fā)生，使得距離保護(hù)的測(cè)量阻抗發(fā)生變化，即保護(hù)范圍延長(zhǎng)或縮短。

由3種情況的仿真可知，所搭建模型可行、有效?？梢杂糜陔妷翰▌?dòng)與閃變對(duì)距離保護(hù)影響的仿真分析。

僅有電壓波動(dòng)與閃變時(shí)，起動(dòng)模塊動(dòng)作于跳閘；相間與接地故障模塊在不同程度超過了90°，發(fā)生誤動(dòng)作；距離Ⅰ段、Ⅱ段也隨之發(fā)生誤動(dòng)作。

既有電壓波動(dòng)與閃變又發(fā)生AB相故障時(shí)，起動(dòng)模塊反復(fù)在“0”和“1”之間波動(dòng)，相間故障模塊的相位多次超過90°，接地故障模塊在部分時(shí)間發(fā)生誤動(dòng)作。

所研究電壓波動(dòng)與閃變對(duì)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)的影響，針對(duì)的主要是理論與仿真，并未有實(shí)際試驗(yàn)，因此該課題的操作性有待進(jìn)一步深入研究。

［1］趙軍，袁雪瓊，扈海澤，等.基于變電阻電壓擾動(dòng)的配電網(wǎng)對(duì)地參數(shù)精確測(cè)量新方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（17）：51-56.

［2］程浩忠，艾芊，張志剛，等.電能質(zhì)量［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］宋國(guó)兵，劉志良，康小寧，等.一種同桿并架雙回線接地距離保護(hù)方案［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（12）：102-106，114.

［4］索南加樂，張健康，楊黎明，等.考慮頻變參數(shù)的高壓直流輸電線路距離保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（16）： 63-69.

［5］宋國(guó)兵，劉林林，索南加樂，等.基于參數(shù)識(shí)別的時(shí)域長(zhǎng)線距離保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（18）： 67-70，81.

［6］張華中，王維慶，朱玲玲，等.基于過渡電阻計(jì)算的距離保護(hù)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（18）：37-42.

［7］洪佩孫，許正亞.輸電線路距離保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1986.

［8］馬慧，張開如，高芳，等.電網(wǎng)閃斷對(duì)距離保護(hù)的影響［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（17）：81-86.

［9］于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

The Study of Effect of Voltage Fluctuation and Flicker on Distance Protection

MA Hui1，LILiming1，LIZhongzheng2，WANG Yi3
（1.State Grid Weifang Hanting Power Supply Company，Weifang 261100，China；2.Economic and Technical Research Institute of Xinjiang Power Supply Company，U rumqi830000，China；3.Shandong University of Science and Technology Mine disaster prevention and control of the Ministry of State to build national key laboratory training base，Qingdao 266590，China ）

Voltage fluctuation and flicker can change voltage amplitude and frequency of the power grid.The directional impedance relay for distance protection of the high voltage transmission line，regardless if it is the amplitude or phase type，is directly related to the amplitude of the voltage.The determination of the polarization voltage is heavily affected by the frequency.When the voltage，especially the frequency of the voltage，fluctuate seriously，the relay will refuse to move.According to the character of voltage fluctuation and flicker and the factor that influences the correct action of distance protection，the influence of voltage fluctuation and flicker is explored.The distance protectionmodel based on voltage fluctuation and flicker is built by Matlab /Simulink.The simulation is carried out for system with the following three situations： fault，voltage fluctuation and flicker and a combined situation of the two situations above.The conclusion obtained from analyzing the influence of the voltage fluctuation and flicker on the distance protection is verified through this simulation.

voltage fluctuation and flicker；high voltage；distance protection；directional impedance relay；distance protection model

TM773

：A

：1007－9904（2017）08－0007－06

2017-04-09

馬 慧（1990），女，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；

李麗明（1987），男，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化；

李忠政（1987），男，研究方向?yàn)殡姎夤こ蹋?/p>

王 毅（1978），女，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAB13B04）；國(guó)際（中國(guó)-南非）科技合作項(xiàng)目（CS06-L02）