基于端電壓特征的半波長線路綜合保護(hù)方案

楊明玉，秦天洋，陳浩杰

(華北電力大學(xué)電力工程系，保定 071003)

半波長交流輸電是指輸電線路長度接近一個(gè)工頻半波的輸電方式，即工頻50 Hz對應(yīng)3 000 km輸電距離[1]。超長的輸電距離一方面使得半波長線路呈現(xiàn)出明顯優(yōu)于常規(guī)線路的運(yùn)行特性，如線路中無需安裝無功補(bǔ)償設(shè)備、無需加設(shè)開關(guān)站、線路傳輸能力強(qiáng)、功率因數(shù)高、能夠有效解決超/特高壓、遠(yuǎn)距離輸電問題等[2-4]；另一方面也使得線路的故障特征與常規(guī)線路相比具有很大區(qū)別，因此有必要針對半波長線路的繼電保護(hù)問題展開深入研究。

文獻(xiàn)[5-8]提出了同步差動(dòng)阻抗保護(hù)、假同步差動(dòng)阻抗保護(hù)、伴隨阻抗保護(hù)等基于半波長線路阻抗特性的保護(hù)方案；同時(shí)，基于對半波長線路故障特征的研究，文獻(xiàn)[9-12]提出了一系列新的故障選相、故障定位方法，如：基于兩端行波的故障定位算法、基于雙端阻抗的故障定位算法等。上述研究為完善半波長線路保護(hù)體系提供了新思路，但由于針對半波長線路保護(hù)新原理的研究尚不完備，上述方案仍然存在保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較長、線路小部分區(qū)域保護(hù)效果不理想、反向故障不能可靠識(shí)別等局限性。

作為超/特高壓輸電線路主保護(hù)原理的電流差動(dòng)保護(hù)，技術(shù)發(fā)展相對成熟，理論研究充分，但應(yīng)用于半波長線路時(shí)由于輸電線路較長，需要采用分布參數(shù)模型進(jìn)行分析，且電容電流對保護(hù)效果的影響不能忽略[13-14]。為此，文獻(xiàn)[15-16]提出應(yīng)用貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理保護(hù)半波長線路，貝瑞隆模型作為典型的分布參數(shù)模型能夠消除電容電流的影響，不需單獨(dú)進(jìn)行電容電流補(bǔ)償，因此在解決上述問題中具有顯著優(yōu)勢。但常規(guī)的貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)方案直接選取線路兩端為參考點(diǎn)，并未考慮半波長線路的參考點(diǎn)差流特性，存在無法區(qū)分線路區(qū)內(nèi)中點(diǎn)故障和區(qū)外故障的問題。為解決上述問題，文獻(xiàn)[17-18]從參考點(diǎn)差流與故障電流關(guān)系及線路特征入手，試圖通過選取最佳的參考點(diǎn)位置，改善保護(hù)效果，但仍存在線路中點(diǎn)故障時(shí)短路電流本身很小的問題；文獻(xiàn)[19]從增加輔助判據(jù)入手，通過增加電流輔助判據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)分線路中點(diǎn)故障和區(qū)外故障，但并未考慮線路正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載變化對電流輔助判據(jù)的影響，也未考慮故障選相問題。

綜上，貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理在應(yīng)用于半波長線路時(shí)仍然存在一定的局限性，如何選取參考點(diǎn)、如何有效區(qū)分線路中點(diǎn)和區(qū)外故障以及如何實(shí)現(xiàn)故障選相等問題尚未得到很好的解決，具體的保護(hù)措施亟需完善。為此，對常規(guī)的貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)方案應(yīng)用于半波長線路時(shí)存在的主要問題進(jìn)行分析，綜合半波長線路端電壓故障特征，提出了端電壓輔助判據(jù)與高、低靈敏度貝差判據(jù)相配合的半波長線路綜合保護(hù)方案，以實(shí)現(xiàn)區(qū)分線路中間段與區(qū)外故障、可靠保護(hù)半波長線路全長及故障選相。

1 貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)及其存在問題

貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)因保護(hù)效果不受電容電流的影響，被廣泛應(yīng)用于超/特高壓、遠(yuǎn)距離輸電線路保護(hù)中。線路距離不長時(shí)，參考點(diǎn)差流大小近似等于短路電流，且與參考點(diǎn)位置選取無關(guān)[20]。而在應(yīng)用于半波長線路保護(hù)時(shí)，因輸電距離過長，參考點(diǎn)差流不再近似于短路電流，而是與故障點(diǎn)位置有關(guān)：故障點(diǎn)與參考點(diǎn)相差1 500 km時(shí)，故障相差流最小，非故障相差流最大，保護(hù)靈敏度最低；當(dāng)故障點(diǎn)與參考點(diǎn)重合時(shí)，故障相差流最大，非故障相差流接近0[13]。

對選取線路兩端、線路中點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，不同位置故障，參考點(diǎn)的差流進(jìn)行分析。采用的半波長線路模型各項(xiàng)參數(shù)如表1、表2所示。選取線路m端、線路中點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，不同位置故障，參考點(diǎn)貝瑞隆差流如圖1、圖2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

由圖1可知：選取線路始端為參考點(diǎn)時(shí)，線路始末兩端區(qū)域故障，故障相差流很大，而中間段故障時(shí)差流很小，中點(diǎn)位置與參考點(diǎn)相距1 500 km，對應(yīng)故障相差流最??；而區(qū)外故障時(shí)，實(shí)際差流并不為0，因此，僅僅通過差流，可能無法區(qū)分故障點(diǎn)位置，容易造成區(qū)外故障保護(hù)誤動(dòng)或區(qū)內(nèi)中點(diǎn)附近故障保護(hù)拒動(dòng)。同時(shí)，非故障相差流也并不為0，線路末端發(fā)生A相接地故障時(shí)的非故障相差流能夠達(dá)到 3 000 A，明顯高于區(qū)內(nèi)中間段故障時(shí)的故障相差流；線路中間段發(fā)生接地故障時(shí)，也存在非故障相差流高于故障相差流情況。此時(shí)，貝差判據(jù)整定值設(shè)置過高則不能保護(hù)線路全長，設(shè)置過低則不能實(shí)現(xiàn)故障選相。圖2中，參考點(diǎn)選取線路中點(diǎn)時(shí)，線路始末兩端仍然會(huì)出現(xiàn)非故障相差流高于故障相差流情況，不能實(shí)現(xiàn)全線范圍故障選相的問題仍然存在。

x為故障點(diǎn)距線路始端m側(cè)的距離；Id為參考點(diǎn)差流

為解決上述問題，文獻(xiàn)[17]提出了利用時(shí)差法進(jìn)行故障測距，選取故障點(diǎn)為參考點(diǎn)，從而提高保護(hù)的靈敏性和安全性；文獻(xiàn)[18]提出了通過3個(gè)固定參考點(diǎn)的貝瑞隆差流計(jì)算得到故障點(diǎn)的實(shí)際短路電流，從而消除了參考點(diǎn)位置選取對貝瑞隆差流計(jì)算值的影響。

為保證半波長線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)能夠正確動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)故障選相，區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作，文章試圖從半波長線路故障特征入手，尋找線路中間段故障與區(qū)外故障存在顯著差異的特征量，構(gòu)成輔助判據(jù)，與上述貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理相結(jié)合，構(gòu)成新的保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)半波長線路，及故障選相。

2 半波長線路端電壓故障特征分析

半波長線路正常運(yùn)行時(shí)，沿線的電壓分布受負(fù)載變化影響顯著，沿線電壓隨負(fù)載變化情況如圖3所示[21]。

Ux為沿線電壓；S0為自然功率；UN為額定電壓

計(jì)算可得采用的半波長線路模型對應(yīng)S0為 4 100 kW,UN為577.35 kV。由圖3可知：正常運(yùn)行時(shí)，線路的端電壓受負(fù)載變化影響最小，始終接近額定值，因此重點(diǎn)針對半波長線路的端電壓故障特征展開分析。根據(jù)不同故障類型故障點(diǎn)的電壓、電流特征，利用均勻傳輸線方程求解[14,22]，得半波長線路不同位置故障時(shí)線路m、n兩端電壓分別如圖4、圖5所示。

x為故障點(diǎn)距線路始端m側(cè)的距離；Um為線路m端的端電壓，單位為kV

Un為線路n端的端電壓，單位為kV

由圖4、圖5分析可知：半波長線路不同位置故障時(shí)，非故障相的端電壓幅值始終較為穩(wěn)定，接近額定值。線路中間段故障時(shí)，故障相端電壓幅值接近額定值，而區(qū)外以及線路區(qū)內(nèi)靠近端部的小部分區(qū)域故障時(shí)，故障相端電壓幅值顯著低于線路中間段故障。同時(shí)，半波長線路大部分區(qū)域故障時(shí)，均能保證三相的端電壓幅值不低于額定值的70%。

上述故障相端電壓幅值在線路中間段故障與線路區(qū)外故障時(shí)的顯著差異，剛好彌補(bǔ)貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于半波長線路時(shí)選取線路兩端為參考點(diǎn)，不能區(qū)分線路中間段故障與區(qū)外故障的缺陷，因此將端電壓特征與貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理相結(jié)合，理論上可以實(shí)現(xiàn)半波長線路保護(hù)。

3 適用于半波長線路的綜合保護(hù)方案

根據(jù)上述分析，提出了適用于半波長線路的綜合保護(hù)方案：根據(jù)線路端電壓特征構(gòu)成輔助判據(jù)，選取線路m、n兩端和線路中點(diǎn)為參考點(diǎn)，利用貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理構(gòu)成高、低靈敏度不同的貝差判據(jù)，貝差判據(jù)與端電壓輔助判據(jù)相結(jié)合，保證區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)快速動(dòng)作并識(shí)別故障相，區(qū)外故障及正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不動(dòng)作。

具體保護(hù)判據(jù)(m側(cè))為

Idmφ>Idset1

(1)

Idmφ>Idset2

(2)

Idzφ>Idset3

(3)

Umφ

(4)

式中：Idmφ為線路m端差流；Idzφ為線路中點(diǎn)差流，Umφ為m側(cè)端電壓；φ表示A、B、C三相；判據(jù)1[式(1)]為低靈敏度貝差判據(jù)，Idset1為低靈敏度定值，取值應(yīng)高于線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)可能出現(xiàn)的最高非故障相差流；判據(jù)2[式(2)]為高靈敏度貝差判據(jù)，Idset2為高靈敏度定值，取值高于線路區(qū)內(nèi)中間段故障時(shí)的非故障相差流；判據(jù)3[式(3)]為中點(diǎn)貝差判據(jù)，Idset3為中點(diǎn)差流整定值，取值高于線路中間段故障時(shí)的非故障相差流；判據(jù)4[式(4)]為端電壓輔助判據(jù)，整定值應(yīng)高于發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的故障相端電壓并且低于區(qū)內(nèi)中間段故障時(shí)的線路端電壓；K為可靠系數(shù)。同理可得到n側(cè)保護(hù)判據(jù)。

通過仿真與理論分析得到采用文中所示的半波長線路模型時(shí)，對應(yīng)各判據(jù)整定值取值為：Idset1=4 000 A，Idset2=800 A，Idset3=300 A，K=0.6。

上述保護(hù)方案的故障判別流程圖如圖6所示。

圖6 故障判別流程圖

故障判別原則如下：只要某相滿足低靈敏度貝差判據(jù)1，則識(shí)別為線路兩端區(qū)域發(fā)生該相故障，保護(hù)動(dòng)作；如果三相均不滿足低靈敏度貝差判據(jù)，但某相滿足端電壓輔助判據(jù)4，則識(shí)別為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作；如果三相均不滿足低靈敏度貝差判據(jù)、端電壓輔助判據(jù)，但某相滿足高靈敏度貝差判據(jù)2，則識(shí)別為區(qū)內(nèi)該相故障，保護(hù)動(dòng)作；如果三相均不滿足判據(jù)高、低靈敏度貝差判據(jù)和端電壓輔助判據(jù)，但某相滿足中點(diǎn)貝差判據(jù)3，則識(shí)別為區(qū)內(nèi)中間段的該相故障，保護(hù)動(dòng)作；上述4個(gè)判據(jù)均不滿足，則識(shí)別為正常運(yùn)行狀態(tài)。

利用MATLAB/Simulink軟件搭建半波長線路模型，對線路不同位置故障時(shí)m、n兩側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證上述半波長線路保護(hù)方案的保護(hù)效果。仿真時(shí)長5 s，故障發(fā)生時(shí)間0.1 s，采樣頻率為24點(diǎn)/周，系統(tǒng)參數(shù)同第1節(jié)。

半波長線路m、n兩側(cè)區(qū)外以及區(qū)內(nèi)自線路始端起每隔300 km發(fā)生不同類型故障時(shí)，得到m側(cè)保護(hù)判據(jù)各相的動(dòng)作情況及故障選相情況如表3～表6所示。

以表3中A相接地故障為例進(jìn)行分析，低靈敏度貝差判據(jù)1能夠保護(hù)線路兩端各600 km區(qū)域。端電壓輔助判據(jù)4能夠保證區(qū)內(nèi)300～2 700 km故障時(shí)，與高靈敏度貝差判據(jù)2和中點(diǎn)貝差判據(jù)3相互配合，正確識(shí)別故障相。判據(jù)2、判據(jù)4組合基本能夠保護(hù)線路300～2 700 km區(qū)域，判據(jù)3、判據(jù)4組合基本能夠保護(hù)線路900～2 100 km區(qū)域，保護(hù)范圍互有重合，保證能夠可靠保護(hù)半波長線路全長，并正確識(shí)別故障相。

表3～表6中，線路中間段故障時(shí)，端電壓輔助判據(jù)4與高靈敏度貝差判據(jù)2、中點(diǎn)貝差判據(jù)3組合均可切除故障并實(shí)現(xiàn)故障判別，但實(shí)際仿真分析過程中，線路中間段1 200～1 800 km區(qū)域故障時(shí)，m側(cè)故障相差流不大，可能僅故障發(fā)生后幾毫秒內(nèi)，故障相差流能夠超過整定值，因此該區(qū)域內(nèi)故障，高靈敏度貝差判據(jù)可能不能動(dòng)作，此時(shí)中點(diǎn)貝差判據(jù)具有很高的靈敏度，通過中點(diǎn)貝差判據(jù)3和端電壓輔助判據(jù)4相配合能夠可靠識(shí)別故障相并切除故障。以線路1 300 km處發(fā)生BC相間短路為例，分析線路中間段故障時(shí)，m、n兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作情況，仿真得到m、n兩側(cè)貝瑞隆差流、中點(diǎn)貝瑞隆差流以及m、n兩側(cè)端電壓如圖7～圖9所示其中，Idm為線路m端差流，Idn為線路n端差流，Idz為線路中點(diǎn)差流。

表3 A相接地故障

由圖7～圖9可知：線路1 300 km位置發(fā)生相間短路時(shí)，m、n兩側(cè)三相均不滿足低靈敏度貝差判據(jù)1、端電壓輔助判據(jù)4，B、C兩相滿足高靈敏度貝差判據(jù)2和中點(diǎn)貝差判據(jù)3。但m側(cè)僅在故障發(fā)生后約7 ms內(nèi)，B、C相差流略高于整定值，而此時(shí)中點(diǎn)貝瑞隆差流遠(yuǎn)高于整定值，中點(diǎn)貝差判據(jù)3能夠保證在高靈敏度貝差判據(jù)2不能可靠動(dòng)作時(shí)，準(zhǔn)確識(shí)別故障。

表4 BC相接地故障

表5 BC相間短路故障

表6 三相短路故障

圖7 線路兩側(cè)貝瑞隆差流

圖8 線路中點(diǎn)貝瑞隆差流

圖9 線路兩側(cè)端電壓

同理對半波長線路不同位置發(fā)生不同類型故障時(shí)兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明：貝差判據(jù)1、2、3動(dòng)作范圍互有重疊，與端電壓輔助判據(jù)4相配合，能夠保證半波長線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)正確識(shí)別故障相，區(qū)外故障及正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不動(dòng)作。

半波長交流輸電技術(shù)目前正處于理論研究階段，中國尚未展開實(shí)際的工程應(yīng)用，且由于線路較長尚不具備搭建物理模擬系統(tǒng)(如電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室)的條件。因此通過通用型電力系統(tǒng)仿真與繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立電力系統(tǒng)數(shù)字仿真模型進(jìn)行閉環(huán)測試，進(jìn)一步驗(yàn)證上述保護(hù)方案的可靠性。

通用型電力系統(tǒng)仿真與繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置兩部分硬件構(gòu)成。本實(shí)驗(yàn)主要采用計(jì)算機(jī)中的電力系統(tǒng)數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真軟件DDRTS搭建半波長輸電線路模型，進(jìn)行各種故障下的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真，產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)過內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換卡將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號直接輸送到繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)一步對輸入信號進(jìn)行采集、處理以及保護(hù)動(dòng)作行為分析，最終輸出經(jīng)過I/O接口再次實(shí)時(shí)反饋回計(jì)算機(jī)，形成閉環(huán)測試。

閉環(huán)測試結(jié)果顯示：線路正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)兩側(cè)斷路器均不動(dòng)作；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，僅故障相斷路器正確跳開。閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了上述保護(hù)方案能夠可靠保護(hù)半波長線路全長，保證區(qū)外故障及正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不動(dòng)作，區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作并正確識(shí)別故障相。但由于故障數(shù)據(jù)來源仍為數(shù)據(jù)仿真，有待進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

通過對半波長線路端電壓故障特征以及貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)原理應(yīng)用于半波長線路時(shí)存在的問題進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論。

(1)半波長線路不同位置故障時(shí)，非故障相的端電壓幅值始終較為穩(wěn)定，接近額定值；線路中間段故障時(shí)，故障相端電壓幅值接近額定值，而區(qū)外故障時(shí)，故障相端電壓幅值很小。線路中間段故障與線路區(qū)外故障時(shí)，故障相端電壓幅值存在顯著差異。

(2)根據(jù)故障相端電壓的上述特征，提出了端電壓輔助判據(jù)與高、低靈敏度不同的貝差判據(jù)相結(jié)合的半波長線路綜合保護(hù)新方案。該方案有效解決了貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)選取線路兩端為參考點(diǎn)時(shí)，不能可靠保護(hù)線路中間段的問題，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)故障選相，保證了區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)能夠快速動(dòng)作并正確識(shí)別故障相，區(qū)外故障及正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)不動(dòng)作。