电力系统广域继电保护研究综述

分析了传统继电保护在保障电网安稳运行时存在的问题,对基于广域信息的继电保护研究涉及的主要内容进行了综述,包括:在线自适应整定、潮流转移识别、基于故障元件识别的广域后备保护.在线整定的目的是根据系统运行方式的变化,调整保护定值至最佳状态.计及的运行方式变化包括:电力设备投退、发电机出力与负荷变化等.潮流转移识别旨在防止传统后备保护的不适当动作引发电网连锁跳闸事故,主要方法有:支路开断前后输电断面的有功潮流比较、相邻支路电流比较.广域后备保护利用电网多点量测信息确定故障元件的具体位置,从根本上克服了传统后备保护整定复杂、可靠性低的问题.主要研究包括:基于传统主保护理论的故障识别算法、广域信息的容错性算法.最后,提出了以基于故障元件识别的广域后备保护为基础,构建面向智能电网的广域继电保护系统,并对其发展方向进行了展望.     

应用复合阻抗比较原理的广域方向保护算法

广域差动保护和广域综合阻抗保护均能够利用广域多信息实现快速识别故障,具有受过渡电阻、分布电容等影响较小的优点,但需要广域信息严格同步,特别是保护范围存在负荷电流时保护明显存在误判。以解决上述问题为出发点,提出基于复合阻抗比较原理的广域方向保护新算法。该算法依据常规纵联电流差动保护的同步信息,利用单端母线电压与线路差电流比值提出复合阻抗定义,进一步分析区内外故障下复合阻抗的动作特性,构建故障区域判断和故障支路判断方向信息,并应用广域多源方向信息提出广域方向保护新算法。该算法既保留了广域差动保护和广域综合阻抗保护的优点,同时克服了广域严格的同步性、高阻接地、负载电流等的影响;从工程意义上讲保护系统通信量小,易于实现。基于IEEE 10机39节点系统仿真结果验证该算法的有效性。     

基于补偿点阻抗的阻抗角特性的串补线路距离保护方法

将保护安装处到串补电容间线路阻抗与测量阻抗之差定义为补偿点阻抗,深入分析了串补电容前后金属性故障时补偿点阻抗的阻抗角特性.在电容前金属性故障时,补偿点阻抗的阻抗角介于70°～90°之间;在电容后金属性故障时,补偿点阻抗的阻抗角介于90°～270°之间.据此提出了串补线路故障点位置识别方法,结合传统距离保护形成了适用于串补线路的距离保护新方法.与传统的电平检测方案相比,该方法明显提高了串补线路距离保护的保护范围.EMTP仿真验证了该方法的正确性和有效性.     

面向多能互补微网的故障辨识与继电保护算法

由于含有多种具有互补特性的分布式电源,多能互补微电网在能源综合利用、供电可靠性和运行经济性方面具有明显的优势。然而与传统配电网相比,各类分布式电源的并入导致微电网拓扑结构和运行方式变得更为复杂,并网和离网运行对应的故障特性存在差异,使得传统继电保护方案难以满足此类微电网保护的要求。针对这一问题,首先围绕传统继电保方案的不足展开讨论,分析微电网网内故障特点,继而提出一种适用于微电网的改进故障辨识算法,以实现对网内故障的快速准确辨识。综合考虑多能互补微网继电保护的需求,结合改进故障辨识算法,将改进电流差动保护与广域自适应电流速断保护相结合,提出一种适用于微电网分布式电源上下游线路的综合继电保护算法,在缩小故障影响范围的基础上,提高保护响应速度并降低保护拒动的概率。最后,利用RT-LAB实时仿真系统构建含风、光、储、微型燃气轮机等分布式电源在内的多能互补微网模型,通过网内模拟不同类型故障,验证了所提故障辨识和继电保算法的有效性。     

利用峰值频率的高压直流输电线路纵联保护方案

根据高压直流输电线路两端直流滤波器和换流器的阻抗频率特性,提出一种基于直流滤波器峰值频率的纵联保护方案。峰值频率下,直流滤波器近似为开路,换流器直流等值阻抗近似表现为感性元件。以此为基础,对直流输电线路进行区内外故障分析发现,区内故障时,整流侧、逆变侧峰值频点阻抗阻抗角均为-90°;区外故障时,故障侧峰值频点阻抗阻抗角为90°,对侧峰值频点阻抗阻抗角仍为-90°。根据此特征构造出区内外故障识别判据。针对利用单端故障信号选极可靠性差的弱点,进一步提出了含权重系数的双端选极判据。仿真结果表明,该方案原理简单、方法可靠、抗过渡电阻能力强且不受分布电容电流的影响。     

基于广域信息多端高压输电区域后备保护

采用分布参数建模,提出一种基于广域信息多端高压输电区域后备保护新原理。该后备保护功能包括广域电流差动保护新原理和故障支路选择算法。广域电流差动保护依据分布参数电路中,正常运行时多端高压输电区域内所选参考点的电流流入与流出量代数和为零,故障时参考节点的差动量能准确反映故障电流这一特征对保护区内故障情况进行检测。故障支路选择算法依据故障支路选择方程根的分布特点判别故障支路和确定故障位置。经广域后备保护服务器计算分析,若保护区内故障,主站通过通信网络向故障线路跳闸装置发送控制命令,故障线路跳闸装置接收到来自主站的跳闸命令后跳开故障线路两端断路器,将故障与系统隔离。仿真试验验证了该后备保护算法的正确性和有效性。     

分区域广域继电保护的系统结构与故障识别

为促进广域继电保护（wide area protection,WAP）从原理性探索向工程可实现应用性转化,提出分区域广域继电保护的系统结构和故障识别算法,构建了较为明确的保护体系。基于有限广域保护的特点,提出将广域电网划分为类蜂窝结构的分区域系统实现继电保护,并结合集中式和分布式系统结构的优点,提出了更加适合区域电网的分布集中式广域继电保护系统结构。基于智能电子设备（intelligent electronic device,IED）、子站处理单元（sub-station processing unit,ssPu）和区域集中决策中心（regional centralized decision center,RCDC）的3层系统结构通过相互通信实现保护区域的故障判断,同时,在通信系统中断时各层结构又具有独立决策的功能,提高了广域继电保护系统的可靠性。在建立系统层间互助机制的基础上,提出了区域距离保护,系统通过不同信息域的简单逻辑计算实现故障元件识别,可满足广域继电保护的选择性和快速性要求。用鄂东220kV电网系统模型验证了广域保护系统的有效性。     

输电线路综合阻抗纵联保护新原理

提出了一种基于综合阻抗的纵联线路保护新原理。利用故障时线路两端电压相量和与电流相量和的比值,来判断线路上是否发生故障。在外部故障时,该比值反映输电线路上的容抗,其虚部为一个绝对值较大的负数;内部故障时,其虚部为正数或为绝对值较小的负数,据此可以区分线路上的内部和外部故障。新原理易整定,本身具有选相能力,不受电容电流的影响,可用于带或不带电抗器补偿的线路,抗过渡电阻能力强。EMTP仿真和动模数据验证了新原理的有效性。     

基于"三道防线"的广域保护系统及算法研究

为满足大规模互联电网对运行安全性和可靠性的要求,防止发生大规模系统崩溃事故,提出了一种基于“三道防线”的广域保护系统,在借助电力通信系统条件下可获得电力系统广域保护的运行信息,针对不同的运行阶段采取不同的保护和控制措施,使原有的各条防线不再独立运行,而是相互配合协调动作。广域保护系统运行信息的获取使性能优越的保护和控制算法成为可能,为此,进一步提出基于保护元件——智能电子装置(以下简称IED)关联系数(kr)和动作系数(ka)的广域继电保护算法,算例结果分析表明,该算法能够快速、准确地判断故障位置,并能够克服IED拒动带来的动作延时过长、切除线路范围过大等缺点,大大提高大规模互联电网运行的安全性和可靠性。     

基于解耦后输电线路纵向阻抗的改进型纵联保护

基于单相模型的纵向阻抗特性,在三相模型上建立一种纵向阻抗的精确解耦算法,从理论上确保了纵向阻抗计算的可靠性,由此提出一种运用故障分量纵向阻抗的改进型输电线路纵联保护。对于外部故障,纵向阻抗等于线路的正序阻抗;对于内部故障,纵向阻抗等于等效系统正序阻抗负的相量和。纵向阻抗不需考虑线路各端电气量的同步采样,所提保护方案具有动作灵敏和性能可靠的优点。分析了系统阻抗和线路电容对纵向阻抗的综合影响,增加了辅助判据,使所提保护方案可以适用于不同的运行环境。仿真结果验证了所提保护原理的正确性。     

基于故障分量综合阻抗的T接线路纵联保护新原理

提出了一种适用于T接线路的基于故障分量综合阻抗的纵联保护新原理,利用故障时线路三端电压故障分量相量之和与电流故障分量相量之和的比值来判断线路上是否发生了故障.外部故障时,该比值反映线路的容抗,其模值较大;内部故障时,该比值反映系统电源阻抗和线路阻抗,其模值相对较小,据此可以区分线路上的内部和外部故障.根据新原理构成的保护不需要对电容电流进行补偿,可用于带或不带电抗器补偿的线路,在原理上不受过渡电阻的影响,而且当T接线路内部发生故障而有汲出电流时,保护的灵敏度也不受影响.EMTP仿真验证了新原理的有效性.     

基于故障分量正序、负序和零序综合阻抗的线路纵联保护新原理

提出了故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的概念。发生区外故障时,故障分量正序综合阻抗等于线路正序容抗,负序综合阻抗等于线路负序容抗,零序综合阻抗等于线路零序容抗,数值较大;被保护线路上发生区内故障时,故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗分别反映系统和线路的正序、负序和零序阻抗,数值较小。根据该特征,可以区分线路上是否发生故障,据此提出了基于故障分量正序综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的纵联线路保护原理,不需对电容电流进行补偿,灵敏度高,不受过渡电阻的影响,整定原则明确,定值裕度大。     

基于故障分量综合阻抗的输电线路纵联保护

提出了一种基于故障分量综合阻抗的纵联线路保护新原理。利用故障时线路两端故障分量电压相量和与故障分量电流相量和的比值,来判断线路上是否发生了故障。在外部故障时,该比值反映输电线路上的容抗,其模值较大;内部故障时,该比值反映系统电源阻抗和线路阻抗,其模值相对较小,据此可以区分线路上的内部和外部故障。新原理易整定,本身具有选相能力,不受电容电流的影响,可以用于带或不带电抗器补偿的线路,理论上与过渡电阻无关。EMTP仿真和动模数据验证了该原理的有效性。     

基于模型参数辨识的串联补偿输电线路纵联保护原理

串联电容补偿设备的应用降低了超高压输电线路中差动保护的灵敏度,为解决此问题提出了一种基于模型参数辨识的纵联保护原理。以串补等值阻抗作为辨识参数,引入串补工频阻抗等值模型并结合线路分布参数模型,采用线路两侧电压和电流作为测量量构建了串补等值阻抗辨识方程。辨识阻抗在区外故障时等于串补等值阻抗,在区内故障时与串补等值阻抗有明显差异,基于此构成纵联保护判据。理论分析与仿真结果表明,该保护原理整定简单,可靠性高,受串补本体保护和系统运行方式的影响小,不受分布电容电流的影响。与传统差动保护相比,其保护灵敏度显著提高,可与差动保护配合构成完善的纵联保护方案。     

特高压长线路距离保护算法改进

特高压长距离输电线路呈显著的分布参数特性，其电容电流很大。分析表明，线路末端三相故障时，线路首端的测量阻抗不与故障距离成正比。研究指出，相间距离保护的测量阻抗与故障距离呈双曲正切函数关系，而传统接地距离保护应用于特高压长线路时存在原理性缺陷。理论分析并推导了新的接地距离元件测量阻抗的计算表达式，并提出了距离保护的改进措施，大量仿真证明了改进措施在特高压长线路上应用的正确性与有效性。     

一种线路纵差保护新原理

针对超高压输电线路分布电容电流对差动保护的影响,提出了一种从原理上完全不受电容电流影响的线路纵差保护新原理。该原理是选择线路两侧电流突变量的最大有效值与差动电流突变量的有效值进行比较来区分区内、外故障,无需考虑分布电容的影响因素。当空载合闸与区外故障时能够可靠闭锁差动保护,而区内故障时差动保护能够准确动作。新原理思路简明,计算快速。经大量仿真实验验证该原理有效消除了分布电容电流对差动保护的不利影响,提高了差动保护的可靠性。     

基于测量波阻抗的母线保护新方法

为避免电流互感器饱和对母线保护的影响,提出一种基于测量波阻抗的母线保护新方法:对母线区内、外故障的情况进行了理论分析,当发生母线区内故障时,所有线路的测量波阻抗的极性均为负,幅值近似相等;当母线发生区外线路故障时,故障线路的测量波阻抗的极性为正,且其幅值远小于非故障线路的测量波阻抗的幅值;通过对母线上各线路的测量波阻抗的极性和幅值进行比较即能判断母线故障类型。此外,还对该母线保护新方法的实现方案进行了探讨,得到了可行的保护实现方案。理论分析及EMTP仿真表明,基于测量波阻抗的母线保护方法基本不受故障类型、故障过渡电阻、故障距离和故障初始角的影响,且能体现行波的本质,保护方法可靠、有效。     

A novel summation impedance protection adaptive to high‐resistance earth fault detection

While the high‐resistance earth fault frequently occurs on extra high voltage (EHV) transmission lines, existing protection schemes show great limitation for coping with this kind of fault scenario when the fault resistance is very high. In this paper, a novel protection methodology combining the measured impedance of the two ends is introduced, and a so‐called summation impedance protection, making use of this critical information, is thus put forward and assessed. Emphasis is placed on the principle of the summation impedance protection and its adaptive thresholds. A simulation model based on EMTDC/PSCAD, by which the performance of the summation impedance protection is evaluated, is then established. As confirmed by quantitative theoretical and experimental studies, the results indicate that the proposed protection scheme works well even when the fault resistance is extremely high under the internal fault condition, and it keeps itself from maloperation as an effect of its adaptive thresholds wherever an external fault occurs. These results highlight the necessity to work in conjunction with the existing main protections of transmission lines, by which means an enhanced ability to cope with the high‐resistance single‐phase earth fault can be achieved. © 2015 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

串联补偿线路的距离保护研究

分析继电保护安装处的测量阻抗与线路阻抗的关系,在此基础上定义一个具有自适应特性的补偿阻抗,并分析故障点相对于串联补偿装置不同位置时补偿阻抗的相角特性,即金属性故障位于串补装置之前时,补偿阻抗的相角为0°;金属性故障位于串补装置之后时,补偿阻抗的相角介于90°和270°之间。据此提出识别串补线路故障点的方法,并与传统的电平检测方案相结合形成新的距离保护方案。该方法适用于串补装置安装于线路不同位置的运行方式,不仅可以有效解决超越动作问题,而且可提高保护的灵敏度。MATLAB仿真验证了该方法的正确性。