基于阻抗匹配原理的繼電保護(hù)控制研究

國網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院 陳 龍

現(xiàn)階段我國智能電網(wǎng)加速建設(shè)，電網(wǎng)整體供電能力得到有效增強(qiáng)，也呈現(xiàn)出復(fù)雜性特點(diǎn)，運(yùn)行方式越來越靈活[1]。基于這種情況下，以往使用的繼電保護(hù)方式不再符合當(dāng)前智能電網(wǎng)使用需求，甚至產(chǎn)生諸多故障問題，直接影響到供電的穩(wěn)定性。為確保繼電保護(hù)控制發(fā)揮作用，電力技術(shù)人員開始使用廣域測量系統(tǒng)，從而為繼電保護(hù)提供了新的技術(shù)支持[2]。廣域繼電保護(hù)使用主要包含廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)組成、故障位置確定、保護(hù)策略等方面。當(dāng)前，我國在廣域故障位置確定方面，主要使用方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法和電流差動原理的廣域繼電保護(hù)算法。其中，方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法往往需要充分發(fā)揮方向元件的作用，對其產(chǎn)生很強(qiáng)的依賴性，如果方向沒有判斷正確，往往會造成算法輸出上出現(xiàn)嚴(yán)重差異；電流差動原理的廣域機(jī)電保護(hù)算法對實(shí)時采樣精準(zhǔn)度和電容電流補(bǔ)償有著非常高的要求，對其調(diào)整優(yōu)化可以形成阻抗匹配原理的繼電保護(hù)控制策略，這種方法使用中，不用進(jìn)行任何補(bǔ)償，與過渡電阻也沒有什么關(guān)系，并且敏感度非常高，能夠滿足當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行的需要。

1 傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)阻抗匹配的繼電保護(hù)原理分析

1.1 兩端輸電系統(tǒng)

從傳統(tǒng)兩端輸電系統(tǒng)阻抗匹配分析，如果其中產(chǎn)生故障后，需要對故障問題進(jìn)行分析，判斷是區(qū)域外故障還是區(qū)域內(nèi)故障[3]。如果是輸電線路繼電保護(hù)區(qū)域外產(chǎn)生故障，其匹配阻抗數(shù)值是：

在這種故障產(chǎn)生中，整體所呈現(xiàn)的匹配阻抗更多是容性特點(diǎn)，可以充分體現(xiàn)出輸電線路的容抗，但是虛部是非常大的負(fù)值。如果是區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生故障，其匹配阻抗數(shù)值和電源阻抗、線路阻抗等有著很大關(guān)系[4]。從具體層面而言，匹配阻抗會處于第一、第二象限內(nèi)，虛部需要選取正值，如果過流電阻和電源差異都非常大，其匹配阻抗很大程度上處于第四象限，虛部數(shù)值也會非常小，往往會低于匹配阻抗。

1.2 多端輸電系統(tǒng)

1.2.1 繼電保護(hù)算法原理分析

圖1是多端輸電系統(tǒng)的模型，也可以作為三端以上的廣域輸電系統(tǒng)，對于廣義輸電系統(tǒng)而言，其匹配阻抗為：

圖1 多端輸電系統(tǒng)模型

在式（2）中，N和M都是廣域輸電系統(tǒng)的供電母線數(shù)量，也可以代表輸出和輸入線路數(shù)量。

從具體層面而言，多端輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)區(qū)域外故障也是頻繁存在的。在整個繼電保護(hù)設(shè)備使用，一直位于繼電保護(hù)區(qū)域邊緣范圍的所有線路電流總和是Idc，能夠?qū)⑵浣朴诶^電保護(hù)區(qū)域所有線路的電容電流總和，這時繼電保護(hù)區(qū)域內(nèi)所有電容的容抗數(shù)值大小等于ZC，導(dǎo)致繼電保護(hù)區(qū)域外部范圍依舊處于故障中，其產(chǎn)生的匹配阻抗應(yīng)當(dāng)為：

從多端輸電系統(tǒng)分析，其繼電保護(hù)范圍有著非常顯著的區(qū)域限制，無法實(shí)現(xiàn)全部保護(hù)，通過式（4）可以得到，匹配阻抗往往可以呈現(xiàn)出繼電保護(hù)范圍內(nèi)存在的等效容抗數(shù)值，并且也會有非常大的數(shù)值變化程度，其阻抗角一般是－90°[5]。通過對多端輸電系統(tǒng)模型進(jìn)一步分析，位于繼電保護(hù)區(qū)域邊緣范圍的所有線路電流總和是Icd，能夠?qū)⑵浣朴诶^電保護(hù)區(qū)域所有線路的電容電流和故障電流之和，從而可以得出：

從式（5）中具體故障問題出現(xiàn)過程中分析，ΔUF=UFl0l，UFl0l是故障區(qū)域內(nèi)還沒有產(chǎn)生故障前所形成的電壓數(shù)值；z1,z2,…，是故障出現(xiàn)后，不同位置所產(chǎn)生的等效阻抗；RF是輸電系統(tǒng)所產(chǎn)生的過渡電阻。如果多端輸電系統(tǒng)一致都是在穩(wěn)定輸電作業(yè)，基本上各個位置的電壓也是穩(wěn)定的，不同位置電壓差異非常小，這時可以計(jì)算出其中存在的系數(shù)K，其數(shù)值基本上可以等于0或者1，φ是不同故障位置電壓和輸電線路母線電壓間的差異數(shù)值，一般情況下應(yīng)當(dāng)在－20°＜φ＜20°。基于這種情況下，繼電保護(hù)范圍內(nèi)產(chǎn)生故障后，其匹配阻抗的數(shù)值是：

從多端輸電系統(tǒng)就可以得知，其所使用的繼電保護(hù)范圍有著非常大的限制，從式（6）分析出，如果繼電保護(hù)區(qū)域產(chǎn)生故障后，匹配阻抗、電源阻抗、線路阻抗、過渡阻抗、相位差異等存在關(guān)系，但是其虛部體現(xiàn)出非常感性的特點(diǎn)，并且變化幅度不大。在電壓等級非常高的輸電系統(tǒng)中，電源阻抗和線路阻抗所形成的阻抗角基本上是垂直角度。從過渡阻抗數(shù)值非常小的情況而言，匹配阻抗往往產(chǎn)生的阻抗角可以直接呈現(xiàn)出電源和輸電線路的阻抗角度是垂直，并且阻抗角度也會在過渡電阻持續(xù)增大中開始降低。如果是繼電保護(hù)區(qū)域內(nèi)外出現(xiàn)故障，結(jié)合匹配阻抗虛部產(chǎn)生的數(shù)值可以清楚掌握故障情況，也可以利用阻抗角的大小對其進(jìn)行輔助判定。在這種情況下，阻抗匹配原理可以作為多端輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)行為的有效依據(jù)，通過使用其中存在的虛部數(shù)值和阻抗角度大小對整個保護(hù)范圍、故障區(qū)域等故障出現(xiàn)情況診斷、分析等。如果繼電保護(hù)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生故障后，雖然與匹配阻抗、過渡阻抗等有著密切關(guān)系，但是所具有的虛部數(shù)值是非常小的，并未與繼電保護(hù)區(qū)域外故障形成的匹配阻抗虛部數(shù)值進(jìn)行比較。

1.2.2 繼電保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)

為確保多端輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)作用發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)對數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算過程進(jìn)行簡化，這時就需要在繼電保護(hù)范圍內(nèi)對元件進(jìn)行使用，輸電系統(tǒng)差電流的絕對數(shù)值I 是超過虛部數(shù)值的，一般情況下選擇0.3～0.6倍系統(tǒng)額定電流。繼電保護(hù)系統(tǒng)在判斷出啟動元件開始工作后，就會自動執(zhí)行繼電保護(hù)邏輯，如圖2所示。從具體層面而言，整個算法流程主要對三個方面進(jìn)行判斷。第一，輸電線路本身存在問題，導(dǎo)致出現(xiàn)非常顯著的差電流；或者輸電線路產(chǎn)生故障后，一端斷路器還在正常工作，另一端并未發(fā)揮作用，整體是失效的，也會產(chǎn)生差電流。第二，輸電線路中存在的電流互感器斷線或者電流采集過程產(chǎn)生問題，也會造成電網(wǎng)在正常使用中產(chǎn)生差電流。第三，輸電線路中變電站數(shù)據(jù)傳輸異常、控制電源失去作用等，也會造成電網(wǎng)正常使用產(chǎn)生差電流。

圖2 繼電保護(hù)算法流程

2 案例仿真分析

從多端輸電系統(tǒng)阻抗匹配的繼電保護(hù)算法層面研究分析，在電磁暫態(tài)仿真平臺中構(gòu)建相應(yīng)的模型，如圖3所示。

圖3 廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)

假設(shè)在輸電線路L3距離B6一側(cè)全長20%的位置產(chǎn)生接地故障、短路故障等，接地過程中所形成的過渡電阻是300，短路故障所形成的過渡電阻是25。為確保阻抗匹配原理的繼電保護(hù)算法的作用得以發(fā)揮，仿真過程需要對諸多保護(hù)對象的匹配阻抗進(jìn)行明確。基于這種情況下，應(yīng)當(dāng)設(shè)定供電系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行中，后續(xù)3s 內(nèi)產(chǎn)生故障問題，并且3.25s 故障問題返回。對于L3，需要將其匹配阻抗進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果得知，輸電線路產(chǎn)生故障后，繼電保護(hù)范圍內(nèi)L3屬于內(nèi)部故障，故障位置所形成的虛部最大數(shù)值是0.035，沒有大于600，阻抗角度大小在－72°～-4.1°。通過該仿真結(jié)果說明，通過使用阻抗原理的繼電保護(hù)控制策略有著非常高的靈敏度，鑒定過程非常方便，應(yīng)當(dāng)在輸電系統(tǒng)中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文在研究過程中，通過對兩端輸電系統(tǒng)阻抗匹配繼電保護(hù)控制策略分析，并且對其應(yīng)用理論進(jìn)行拓展，逐步延伸到多端輸電系統(tǒng)阻抗匹配原理的繼電保護(hù)控制策略。結(jié)合算法原理和實(shí)現(xiàn)流程剖析，從而產(chǎn)生適合多端輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)的有效方案。結(jié)合各類產(chǎn)生差電流的情況，制定針對性繼電保護(hù)策略，對測量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，得到匹配阻抗數(shù)值，為分相保護(hù)奠定良好的理論基礎(chǔ)，從而對多數(shù)據(jù)資料提供有效保護(hù)，也可以對傳統(tǒng)繼電保護(hù)控制策略的不足進(jìn)行彌補(bǔ)。在仿真試驗(yàn)中，對提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)使用在多端輸電系統(tǒng)阻抗匹配原理上的機(jī)電保護(hù)控制策略為當(dāng)前廣域繼電保護(hù)故障分析提供新的研究方向，以此保障輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，更好地為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供充足的電力供應(yīng)。