電壓波動與閃變對距離保護影響的研究

馬 慧，李麗明，李忠政，王 毅

（1.國網濰坊市寒亭區供電公司，山東 濰坊 261100；2.國網新疆電力公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000；3.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

電壓波動與閃變對距離保護影響的研究

馬 慧1，李麗明1，李忠政2，王 毅3

（1.國網濰坊市寒亭區供電公司，山東 濰坊 261100；2.國網新疆電力公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830000；3.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590）

電壓波動與閃變引起電壓幅值和電網頻率發生變化。高壓輸電線路的距離保護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；極化電壓受頻率影響較大，嚴重時導致繼電器拒動。依據電壓波動與閃變影響電壓幅值、頻率的機理，以及影響距離保護正確動作的各因素，探究電壓波動與閃變的影響；基于Matlab/Simulink搭建電壓波動與閃變基礎上的距離保護模型，就故障、電壓波動與閃變、既有電壓波動與閃變又有故障3種情況進行仿真，驗證了電壓波動與閃變對距離保護影響分析的合理性。

電壓波動與閃變；高壓；距離保護；方向阻抗繼電器；距離保護模型

0 引言

目前電網向長距離、大容量、超高壓、特高壓等方向快速發展，用電負荷也趨向于非線性和波動性，使得電能質量問題越來越嚴重［1］。電壓波動是一系列電壓變動或者連續的電壓偏差，指電壓幅值在0.9～1.1 pu內的一系列隨機變化［2］。閃變反映燈光閃爍對人眼視覺的影響，是燈、眼、腦共同作用的結果。電能質量標準中，電壓波動和閃變的標準往往合在一起，工程中也將兩者一起討論。發生電壓波動與閃變時，電壓的幅值與頻率一定發生變化，會對電力系統各部分產生不同程度的影響。距離保護性能完善，可以消除電力系統運行方式對繼電保護中故障點定位與判別的影響。近年來，針對距離保護國內外學者做了大量研究，文獻［3］針對雙回輸電線路的接地距離保護容易受互感因素影響而發生誤動這一問題，研究了一種零序電流補償的方法，以解決雙回線路中零序電流會出現反向的問題。文獻［4］采用了頻變參數模型，將頻率參數考慮進距離保護之中，把受頻率影響的參數用補償矩陣表示，通過解微分方程求取故障處距離。文獻［5］提出了一種基于參數識別的新算法，采用微分方程來判別故障范圍，用插值法計算電壓與電流，改善了在長距離線路中設置距離保護的準確性。文獻［6］找到了一種計算過渡電阻的新方法，它的依據是保護處的有功功率值，新的判別依據彌補了舊方法的缺陷，使距離保護更加可靠。

考慮到現有文獻并沒有深入研究電壓波動與閃變對距離保護的影響。本文從理論方面分析發生電壓波動與閃變時，影響距離保護的幾個主要因素的變化；并搭建了基于Matlab/Simulink的距離保護模型，就發生故障、發生電壓波動與閃變、既有電壓波動與閃變又有故障3種情況進行仿真，驗證理論分析的正確性。

1 電壓波動與閃變影響電壓幅值及頻率機理分析

實際應用中，電壓波動與閃變根據不同電壓等級有不同的范圍。35 kV及以上供電電壓不得超過標稱電壓的±5%；20 kV及以下供電電壓不得超過標稱電壓的±7%；220 V供電電壓不得超過標稱電壓的-10%～+7%。

電壓波動與閃變是一種動態的偏差，指偏差的值在一定范圍內的不斷變化。電網的潮流分布決定了電網電壓分布情況，因此電網中負荷消耗和電源注入功率變化會引起電壓波動。簡單電網示意如圖1所示，電壓矢量如圖2所示。其中E為電網電壓相量，V為線路末端電壓相量，均取標幺值；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 簡單電網示意

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。電網中負荷的變化以及電源的接入，都會使有功電流和無功電流隨之變化，從而引起電網電壓波動與閃變。

閃變涉及的頻率范圍為0.05～35Hz，因此實際建模中精確的分析必須采用電磁暫態模型。異步發電機運行過程中會吸收無功功率，它是影響電壓的主要因素，且有功波動時無功功率也會隨之波動，因此在35 kV的電網中選用27.5MVA的異步發電機，基于Matlab/Simulink進行簡單系統的電磁暫態仿真，異步發電機采用6階模型，通過仿真結果可知，當加入10%，頻率為0.5Hz的擾動時，閃變的電壓波動為14%，且在母線處的電壓波動高頻分量較多，引起的相角變化為 0°～360°。

2 電壓波動與閃變對距離保護的影響

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個方面來分析電壓波動與閃變對距離保護影響［7］。

2.1 頻率變化的影響

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

當正、反向出口發生三相短路故障，電壓幅值為1.1 pu時，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

電網發生單相接地短路的概率最大。當發生單相接地短路，電壓幅值為1.1 pu，且存在雙回線路互感時，測量阻抗將會增大，保護范圍縮短的百分數為

當α=1時，若令Z1=0.5Z0，保護范圍將縮短33%。工程中，整定阻抗一般為線路全長的80%，此時保護范圍將縮短22%，實際保護范圍為線路全長的58%。

圖3 距離保護中發生電壓波動與閃變時模型

2.3 電壓互感器和電流互感器誤差的影響

保護安裝點ld處發生金屬性短路故障，電壓幅值為0.9 pu，整定阻抗為線路全長的80%時，保護范圍將縮短22%；若保護范圍計及整定阻抗角與線路阻抗角的差值Δφ和電網頻率的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，即保護范圍縮短14.5%；若不存在電壓波動與閃變，ld=95%lz，由此可得，電壓波動與閃變使保護范圍縮短9.5%。若再計及電網頻率升高，取δ=-6°，則ld=84.6%lz，即保護范圍縮短15.4%；若不存在電壓波動與閃變，ld=94%lz，即電壓波動與閃變使保護范圍縮短9.4%。

3 距離保護中發生電壓波動與閃變模型

3.1 仿真模型

距離保護中發生電壓波動與閃變時模型如圖3所示。

3.2 啟動模塊

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

圖4 相位式啟動模塊

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償式方向阻抗繼電器，因系統發生了電壓波動與閃變，零序補償式方向阻抗繼電器的內部結構使用 Discrete Fourier（離散 FFT）模塊［9］，如圖5所示。

圖5 零序補償式方向阻抗繼電器

4 仿真驗證

式中：電壓等級為 35 kV，ω=2π×50 rad/s，調制系數M=0.1，Ω=2π×5 rad/s，采樣頻率 1 600 Hz，整個信號運行時間為3 s，閃變發生在1～2 s之間，線路總長300m，線路230m處發生AB相間故障。分析發生故

設某電網的電壓信號為障、發生電壓波動與閃變、既有電壓波動與閃變又有故障3種情況。

4.1 發生故障

啟動元件動作特性如圖6所示。

圖6 啟動元件動作曲線

相間故障時，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Ⅰ段能保護線路全長的85%，故障位于230m處，屬于正方向出口末端短路情況，應距離Ⅰ段動作，其動作曲線如圖8所示。

圖8 距離Ⅰ段的動作曲線

4.2 發生電壓波動與閃變

啟動元件動作特性如圖9所示。

圖9 只有閃變時，啟動元件動作特性

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Ⅰ段的動作特性如圖12所示。

圖12 距離保護Ⅰ段的動作曲線

由圖10～12可知，發生電壓波動與閃變時，啟動模塊中的電流值大于整定值，啟動元件動作于跳閘；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°，說明兩個模塊都發生了誤動作；距離保護Ⅰ段發生誤動作。

經多次仿真，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，當發生AB相間故障時，電壓值越偏離標幺值，電壓波動與閃變對距離保護的影響越明顯。

4.3 既有電壓波動與閃變又有故障

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與閃變發生的時間。

圖13 有閃變和故障時的三相電流波形

啟動元件的電流波形如圖14所示。啟動元件動作特性曲線如圖15所示。

圖14 有閃變且有故障時，啟動元件的電流波形

圖15 啟動元件動作特性曲線

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

圖16 鎖定啟動元件動作特性曲線

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作特性發生變化，對于相間故障模塊，發生故障的0.6～0.8s中，方向阻抗繼電器的相位在-190°～ +190°之間波動，大部分相位的絕對值大于90°，即方向阻抗繼電器發生動作，故障結束到電壓波動與閃變期間（0.8～2s），方向阻抗繼電器相位不斷波動，有十多次進入方向阻抗繼電器的動作范圍；對于接地故障模塊，在發生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°，進入方向阻抗繼電器動作范圍，這說明電壓波動與閃變的存在，使得接地故障模塊的方向阻抗繼電器發生了誤動作。

經多次仿真，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之間發生AB相間短路時，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幺值，電壓波動與閃變對距離保護的影響越明顯。接地模塊中ABC相的相位有一部分進入了-90°～+90°之間，這部分值的持續時間很短暫，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 結語

電壓波動與閃變的發生，使得距離保護的測量阻抗發生變化，即保護范圍延長或縮短。

由3種情況的仿真可知，所搭建模型可行、有效。可以用于電壓波動與閃變對距離保護影響的仿真分析。

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

既有電壓波動與閃變又發生AB相故障時，起動模塊反復在“0”和“1”之間波動，相間故障模塊的相位多次超過90°，接地故障模塊在部分時間發生誤動作。

所研究電壓波動與閃變對電力系統中繼電保護的影響，針對的主要是理論與仿真，并未有實際試驗，因此該課題的操作性有待進一步深入研究。

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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，研究方向為電力系統繼電保護；

李麗明（1987），男，研究方向為電力系統及其自動化；

李忠政（1987），男，研究方向為電氣工程；

王 毅（1978），女，研究方向為控制理論與控制工程。

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAB13B04）；國際（中國-南非）科技合作項目（CS06-L02）