专利名称：用于特高压输电线的能量方向纵联保护方法和保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统输电线路继电保护领域，特别涉及特高压输电线路的继电保护方法以及保护装置。
背景技术：
方向比较式纵联保护具有全线速动、通信量小、对通信速率和通道性能要求不高、不要求两端数据严格同步等优点，一直是高压输电线路上采用的主保护之一，同时它也是继电保护研究的重点之一；方向元件是方向比较式纵联保护的核心。因此，方向元件的性能很大程度上决定了整个保护的性能。
传统的能量方向元件存在如下问题传统的有功能量方向元件是线路某端的故障分量电压和故障分量电流的瞬时值作乘积然后进行积分得到的有功能量，利用它的大小和方向来判断线路有无区内、外故障和故障方向的依据，它的主要缺点是由于系统内电阻很小，线路正方向故障时有功能量方向元件不能正确判别故障方向。反映视在能量的方向元件用于特高压输电线时受分布电容的影响也不能正确判别故障的方向。
上面介绍了本专业领域现有技术的简要现状。建设以特高压线路为骨干网架的国家电网，是电力工业可持续发展的科学选择。目前，我国已建设了750kv线路，即将动工兴建长距离百万伏输电线，这就对继电保护提出了更高的要求，本发明解决了传统技术所面临的难题，具有更迫切的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服上述现有技术的缺陷，提出一种应用于特高压长距离输电线路的故障分量式有功能量方向纵联保护方法，并且提出相应的保护装置。
为此，本发明采用如下的技术方案一种能量方向纵联保护方法，包括下列步骤(1)设定参考点(k)和能量定值(ΔW)；(2)实时采集保护线路始端(m)、末端(n)各相电压与电流的瞬时值，并求得保护线路始端(m)、末端(n)电压、电流的故障分量；(3)对线路始端(m)、末端(n)电压电流故障分量进行相-模转换，利用贝瑞隆方法计算出参考点(k)的电压故障分量模量，并对所计算的电压故障分量进行模-相转换得到参考点(k)的电压故障分量相量；
(4)利用半波傅氏变换求得参考点(k)电压故障分量的有效值和相角，同理得到线路始端(m)、末端(n)的电流故障分量的有效值和相角；(5)分别求得线路始端(m)、末端(n)电流故障分量与从相应端计算的参考点(k)电压故障分量之间的相角差；(6)将线路始端(m)电流故障分量有效值、从线路始端(m)利用贝瑞隆方法计算的参考点(k)的电压故障分量有效值，以及二者之间相角差的余弦值相乘，然后进行积分，得到线路始端(m)的故障分量有功能量(ΔWm)，积分时间为系统半个工频周波；同理求得线路末端(n)故障分量的有功能量(ΔWn)；(7)对于线路始端(m)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWm＞ΔW)，即可知线路始端(m)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，即可知线路始端(m)的正方向发生了故障，则不发闭锁信号。若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，则表示在正方向发生了故障，于是向对端发出允许信号，允许对端跳闸；(8)对于线路末端(n)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWn＞ΔW)，即可知线路末端(n)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWn＜-ΔW)，即可知线路始端(n)的正方向发生了故障，则不发闭锁信号，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，那么向对端发出允许信号，允许对端跳闸；在上述技术方案中，参考点(k)最好选在线路中点附近；保护能量定值ΔW为正实数，在实际应用中可以根据系统的实际情况选择一合适值用以躲过系统正常运行时的不平衡能量。
此外，本发明还提供一种采用此种保护方法的保护装置一种采用上述方法的保护装置，包括交流量输入插件，模数转换插件，保护CPU插件，跳闸插件，信号插件等。其中，交流量输入插件，用于将电压互感器，电流互感器二次强电信号变换成所需的弱电信号，同时起强弱电隔离和抗干扰作用；模数转换模块，用于将由交流量输入插件输出的电压和电流模拟量转换成能量方向纵联保护装置能够直接处理的数字量；保护CPU插件，用来存放、执行包括采用上述所述方法编制的程序在内的保护程序；跳闸插件、信号插件等受保护CPU插件的控制，用于故障时的动作。
该能量方向纵联保护装置，还包括人机对话插件，由多路光隔回路组成的开关量输入输出插件，受保护CPU插件或外部控制的信号插件、以及告警与逻辑插件等。
本发明提出了基于贝瑞隆模型和故障分量的能量方向纵联保护方法和保护装置，该保护方法和保护装置利用在故障分量网络中线路两端保护测量到的有功能量的符号，同时利用贝瑞隆模型将线路两端的电压补偿至线路中点，解决了当线路正方向故障时由于系统内电阻很小致使有功能量方向元件不能正确判别故障方向的问题。该保护装置具有不受系统暂态过程、过渡电阻、串补电容等因素影响的特性，从而使保护的可靠性大大提高。而且保护装置的灵敏度不受故障类型以及故障位置的影响，具有高可靠性，同时动作速度也较快。
图1电力系统基本原理图；图2故障分量系统原理图；图3本发明的能量方向纵联保护方法行故障判定的软件流程示意图；图4实现本发明保护装置的硬件结构框图；具体实施方式
基本原理图如图1所示。根据叠加原理，线路发生故障后的状态可分解为正常系统与故障分量系统。基于故障分量系统，首先由线路首端的故障分量电压、电流，用贝瑞隆算法求得线路中点的电压，用此电压与首端的故障分量电流进行积分求得首端的故障分量有功能量；同理，由线路末端的故障分量电压、电流求得线路中点的电压，用此电压与末端的故障分量电流进行积分求得末端故障分量有功能量。
当系统正常运行时，理论上由于无故障分量，故障分量能量为零；电流都以从母线流入线路为正方向，则当反方向故障时，靠近故障点一端计算的有功能量为正，发出闭锁信号，闭锁两端保护(当采用闭锁式纵联保护时)；当正方向区内故障时，两端计算的有功能量都为负，都不发出闭锁信号，保护可以跳闸。或者都向对端发出允许信号，允许对端跳闸(当采用允许式纵联保护时)。从而构成方向比较式纵联保护。
当线路发生故障时，可分解为正常状态和故障附加状态(亦即故障分量系统)；在故障分量系统中根据贝瑞隆模型，如图2所示，由线路始端m和末端n可分别求得线路中点(或任意一点)的电压故障分量Δum_k(t)，Δun_k(t)；那么对应的线路两端的故障分量有功能量分别为ΔWm，ΔWn；ΔWm是线路始端计算得到的故障分量有功能量，ΔWn是线路末端计算得到的故障分量有功能量；在正常运行的情况下系统中没有故障分量，所以理论上ΔWm＝ΔWn＝0；在线路发生区外故障的情况下，ΔWm＞0且ΔWn＜0(m端反方向短路)或ΔWm＜0且ΔWn＞0(n端反方向短路)；在线路发生区内故障的情况下，ΔWm＜0且ΔWn＜0。
本发明的能量方向纵联保护装置的软件可分为监控程序和保护程序两部分。所谓监控程序是人机对话插件为键盘命令处理、插件调试、定值输入或修改、报告显示等所配置的程序。该程序放置于人机对话插件(MONITOR)(有关插件下面有介绍)。所谓保护程序即指保护装置在正常运行和故障条件下所运行的程序。保护程序分为三个模块1主程序包括初始化、全面自检、开放及等待中断；该部分程序置于保护CPU之中；2中断服务程序通常有采样中断、串行口中断等，前者包括数据采集与处理，主要由交流量输入插件(AC)和模数转换(AD)模块共同完成；保护的启动判定，也在中断服务程序中完成；串行口中断服务程序完成保护CPU与监控CPU之间的数据传送和通信。
3故障处理程序包括故障启动、故障方向判断、向对端发闭锁信号或允许信号、保护出口跳闸或告警及等，这些功能要由保护CPU通过信号插件、开入插件、告警插件、逻辑插件、跳闸插件等来完成。
本保护的故障启动、故障方向判断的软件流程图如图3所示。下面对故障方向判断的软件流程进行描述(1)设定参考点(k)和能量定值ΔW(为大于零的实数)；(2)实时采集保护始、末两端(m，n)各相电压与电流的瞬时值，并求得保护两端电压、电流的故障分量(线路未发生故障时故障分量为零)；(3)对线路两端电压电流故障分量进行相-模转换，利用贝瑞隆方法计算出参考点(k)的电压故障分量模量，进行模-相转换得到参考点(k)的电压故障分量相量；(4)利用半波傅氏变换求得参考点(k)电压故障分量的有效值和相角，同理得到线路两端的电流故障分量的有效值和相角；(5)求得本端电流故障分量与从该端计算的参考点(k)电压故障分量之间的相角差；同理可得另外一端相应的相角差；(6)以线路m端保护为例，将m端电流故障分量有效值、从m端利用贝瑞隆方法计算的参考点(k)的电压故障分量有效值、以及二者之间相角差余弦值相乘然后积分，得到m端的故障分量有功能量ΔWm，积分时间为系统半个工频周波；同理求得n端故障分量的有功能量ΔWn；(7)以线路m端保护为例，当ΔWm＞ΔW时，即可知线路m端的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护(当采用闭锁式纵联保护时)；而当ΔWm＜-ΔW时，即可知线路m端的正方向发生了故障，则不发闭锁信号，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护可以跳闸。或者都向对端发出允许信号，允许对端跳闸(当采用允许式纵联保护时)；n端保护的判据和动作行为与m端相同。
本发明的能量方向纵联保护装置的结构框图如图4所示，下面就结合图4对其作进一步的介绍。
(1)交流量输入插件(AC)本插件负责将电压互感器，电流互感器二次端强电信号变换成保护装置所需的弱电信号，同时起强弱电隔离和抗干扰作用。
(2)AD模数转换模块本插件负责将由插件1输出的五路电压和四路电流模拟量转换成微机能够直接处理的数字量。
(3)保护CPU插件本插件为装置的核心部分，CPU插件用以完成保护功能。单片机MCU或DSP用来执行各种保护程序；只读存储器芯片EPROM用以存放保护程序；读写存储器RAM芯片用来存放采样值及计算过程，中间结果和标志；电可擦除可编程存储器芯片EEPROM用来存放保护定值；计数器用于采样计数和各种计时器；并口扩展芯片用于开关量输入、输出；除此之外本插件板根据需要还应有地址锁存器和地址译码器。
(4)人机对话插件(MONITOR)本插件用以人机对话，可完成下述各种功能对CPU插件进行巡检，及时反应CPU插件的工作状态；打印CPU信息，保护运行过程中所有报告均由人机对话插件通过打印机自动输出；硬件时钟；串行通讯接口，本插件设有RS232串行通讯接口，可将各保护信息传送到上位机和有关终端。
(5)开关量输入插件(DI)本插件内部由多路光隔回路组成，用来将外部的开关量通过光隔引入到CPU，来实现对保护装置功能的控制。开入多采用专用电源，如24V电源。而快速光隔的作用是使CPU电源(+5V)，与开入电源(24V)，AD转换电源(15V)电气上隔离，并抑制共模干扰，提高保护装置工作的可靠性。
(6)信号与开入插件(SIGNAL&DI)本插件装设了三个磁自保持继电器作为跳闸信号继电器、永跳信号继电器、重合闸信号继电器以及呼唤信号继电器、保护动作中央信号继电器，重合闸动作中央信号继电器和复归继电器。本插件上的信号可由手动复归。除此之外，本插件还有四路开关量输入回路。
(7)告警与逻辑插件(ALARM & LOGIC)本插件设置了下列告警继电器CPU插件告警继电器，由CPU插件驱动；巡检中断告警继电器，由CPU驱动；总告警继电器，由人机对话插件驱动；失电报警继电器，正常处于吸合状态，在失去5V或24V电源时继电器返回，由常闭接点给出失电告警中央信号。所有告警继电器均有自保持，由手动复归。本插件还设有逻辑回路，包括以下继电器出口继电器、跳闸重动继电器、跳闸固定继电器。跳闸重动继电器在出口继电器动作时动作，在保护出口继电器返回时立即返回。跳闸固定继电器在出口继电器动作时动作，并一直保持到整组复归，即一直保持到启动继电器返还时解除自保持。
(8)跳闸插件(TRIP)本插件装设了启动继电器、跳闸出口继电器、永跳出口继电器、重合闸继电器，重合闸后加速继电器。启动继电器同时兼作总开放继电器，由其常开接点接通其它继电器线圈至负电源的回路，跳闸出口继电器为快速干簧继电器，以保证快速动作，但是为了增加接点数量，与跳闸出口继电器并联了一个密封继电器，用于启动开关失灵保护等对速度要求不高的场合，启动继电器及其它继电器均为密封继电器。
(9)电源插件本插件为逆变电源插件，直流220V或110V电压首先通过一滤波回路滤除高频干扰分量再接入本插件，利用逆变方法输出本装置所需的三组电压即24V，5V即15V，三组电压均不共地，且采用浮空方式，同外壳不相连。
实际应用中可根据图4建立保护装置，然后再根据本发明编制保护程序，即可完成一套完整的保护。利用微机和光纤通道实现本方法，有很高的精度和速度，由于需要的通信量远小于其他方法，随着采样频率的增加和计算步长的缩短，保护的精度可大大提高。
需要说明的是，本发明主要是一种在方法上有所创新的发明创造，保护装置所涉及的各个插件，都属于已有技术并且已有多种形式和应用。在此不对其细部特征再作叙述。有关贝瑞隆模型，郭征，贺家李发表在《电力系统自动化》2004，28(11)的论文“输电线纵联差动保护的新原理”做了详细介绍。而且，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种能量方向纵联保护方法，包括下列步骤(1)设定参考点(k)和能量定值(ΔW)；(2)实时采集保护线路始端(m)、末端(n)各相电压与电流的瞬时值，并求得保护线路始端(m)、末端(n)电压、电流的故障分量；(3)对线路始端(m)、末端(n)电压电流故障分量进行相-模转换，利用贝瑞隆方法计算出参考点(k)的电压故障分量模量，并对所计算的电压故障分量进行模-相转换得到参考点(k)的电压故障分量相量；(4)利用半波傅氏变换求得参考点(k)电压故障分量的有效值和相角，同理得到线路始端(m)、末端(n)的电流故障分量的有效值和相角；(5)分别求得线路始端(m)、末端(n)电流故障分量与从相应端计算的参考点(k)电压故障分量之间的相角差；(6)将线路始端(m)电流故障分量有效值、从线路始端(m)利用贝瑞隆方法计算的参考点(k)的电压故障分量有效值以及二者之间相角差的余弦值，相乘，然后积分，得到线路始端(m)的故障分量有功能量(ΔWm)，积分时间为系统半个工频周波；同理求得线路末端(n)故障分量的有功能量(ΔWn)；(7)对于线路始端(m)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWm＞ΔW)，即可知线路始端(m)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，即可知线路始端(m)的正方向发生了故障，则不发闭锁信号，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，那么向对端发出允许信号，允许对端跳闸；(8)对于线路末端(n)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWn＞ΔW)，即可知线路末端(n)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWn＜-ΔW)，即可知线路始端(n)的正方向发生了故障，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，则向对端发出允许信号，允许对端跳闸。
2.根据权利要求1所述的能量方向纵联保护方法，参考点(k)选在线路中点附近。
3.一种采用权利要求1所述方法的能量方向纵联保护装置，包括交流量输入插件，模数转换插件，保护CPU插件，跳闸插件和信号插件，其中，交流量输入插件，用于将线路始端(m)、末端(n)安装的电压互感器，电流互感器二次端强电信号变换成所需的弱电信号，同时起强弱电隔离和抗干扰作用；模数转换模块，用于将由交流量输入插件输出的线路始端(m)、末端(n)电压和电流弱电信号转换成保护CPU插件能够直接处理的数字量；保护CPU插件，存放、执行根据下列方法编制的保护程序(1)设定参考点(k)和能量定值(ΔW)；(2)对由模数转换模块得到的线路始端(m)、末端(n)电压电流故障分量进行相-模转换，利用贝瑞隆方法计算出参考点(k)的电压故障分量模量，并对所计算的电压故障分量进行模-相转换得到参考点(k)的电压故障分量相量；(4)利用半波傅氏变换求得参考点(k)电压故障分量的有效值和相角，同理得到线路始端(m)、末端(n)的电流故障分量的有效值和相角；(5)分别求得线路始端(m)、末端(n)电流故障分量与从相应端计算的参考点(k)电压故障分量之间的相角差；(6)将线路始端(m)电流故障分量有效值、从线路始端(m)利用贝瑞隆方法计算的参考点(k)的电压故障分量有效值以及二者之间相角差的余弦值，相乘，然后积分，得到线路始端(m)的故障分量有功能量(ΔWm)，积分时间为系统半个工频周波；同理求得线路末端(n)故障分量的有功能量(ΔWn)；(7)对于线路始端(m)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWm＞ΔW)，即可知线路始端(m)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，即可知线路始端(m)的正方向发生了故障，则不发闭锁信号，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路始端(m)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，那么向对端发出允许信号，允许对端跳闸；(8)对于线路末端(n)保护，当采用闭锁式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量大于能量定值(ΔWn＞ΔW)，即可知线路末端(n)的反方向发生了故障，保护发出闭锁信号，闭锁两端保护；而如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWn＜-ΔW)，即可知线路始端(n)的正方向发生了故障，若两侧保护均没有收到闭锁信号，则保护跳闸；当采用允许式纵联保护时，如果线路末端(n)的故障分量有功能量小于能量定值的负值(ΔWm＜-ΔW)，则向对端发出允许信号，允许对端跳闸；跳闸插件和信号插件，受保护CPU插件的控制，在线路故障时动作。
4.一种根据权利要求3所述的能量方向纵联保护装置，其特征在于，还包括人机对话插件，用以监视保护CPU的工作、检查和修改定值并传输保护信息。
5.一种根据权利要求3所述的能量方向纵联保护装置，其特征在于，还包括由多路光隔回路组成的开关量输入插件，用来实现对能量方向纵联保护装置的外部控制。
6.一种根据权利要求3所述的能量方向纵联保护装置，其特征在于，还包括告警与逻辑插件。
全文摘要
本发明属于电力系统输电线路继电保护领域，提出了基于贝瑞隆模型和故障分量的能量方向纵联保护方法和保护装置，该保护方法利用在故障分量网络中线路两端保护测量到的有功能量的符号，同时利用贝瑞隆模型将线路两端的电压补偿至线路中点，解决了当线路正方向故障时由于系统内电阻很小致使有功能量方向元件不能正确判别故障方向的问题。本发明提出的保护方法具有不受系统暂态过程、过渡电阻、串补电容等因素影响的特性，从而使保护的可靠性大大提高。而且保护方法的灵敏度不受故障类型以及故障位置的影响，具有高可靠性，同时动作速度也较快。
文档编号H02H3/38GK1913275SQ200610014999
公开日2007年2月14日 申请日期2006年7月28日 优先权日2006年7月28日
发明者贺家李, 周金辉, 李永丽 申请人:天津大学