UPFC接入线路单相接地短路故障的距离Ⅰ段保护方法与流程

本发明属于电力系统线路继电保护领域，尤其涉及一种upfc接入线路单相接地短路故障的距离ⅰ段保护方法。

背景技术：

随着我国经济的飞速发展，电能作为一种清洁高效的二次能源得到了越来越广泛的应用。大系统、超高压远距离输电，跨区联网层出不穷。与此同时，电力行业的发展也正面临着电力基础建设投资大，土地征用困难，用电紧张等问题。因此充分发挥已有输电线路的潜力，提高大电网的输送容量和系统的稳定可靠性已成为电力系统亟待解决的问题。为解决这些难题，灵活交流输电系统(facts)应运而生，其综合了现代电力电子技术、自动控制技术和计算机技术，可实现对电力系统更安全、更稳定、更高效、更灵活的控制。而upfc(统一潮流控制器)作为一种串并联混合型facts装置，可同时实现串并联两种补偿方式，因此在电力系统中得到了广泛的应用，被誉为最有发展前景的facts技术。upfc可对系统电压，线路阻抗、功率潮流等实现连续快速频繁的调节控制，提高输送能力和系统稳定水平。但由于upfc的接入改变了系统电压、电流、阻抗等参数，因此势必会对系统继电保护装置的正确动作产生影响，犹以对距离保护的影响最为严重。此外，线路90％以上的故障均为单相接地短路故障，因此，亟需寻求一种适用于upfc接入线路单相接地短路故障的距离保护方法以克服传统距离保护方法的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对过渡电阻和upfc接入对传统距离保护的影响，提出了一种适用于upfc接入线路单相接地短路故障的距离ⅰ段保护方法。

本发明的技术方法如下所述：

一种upfc接入线路单相接地短路故障的距离ⅰ段保护方法，包括以下步骤：

步骤1：根据简化系统分析图并结合串并联换流变压器绕组接线形式，绘制含有upfc线路单相接地短路故障后系统正负零三序网络图，对故障后各序网络进行分析，观察upfc接入对线路故障后系统各序网络产生的影响；

步骤2：根据分析结果，以故障支路零序电流为参考相量绘制故障后线路首端保护安装处零序测量电流零序测量电压故障点零序电压故障支路零序电流保护安装处至故障点间线路零序电压的相量图；

步骤3：在步骤2绘制的相量图中添加辅助线构建相似三角形，并利用几何知识求解两个相似三角形各边角；

步骤4：利用相似三角形中各对应边比值相等的基本原理构造故障距离方程f(p)，并利用故障后保护安装处零序测量电流和故障支路零序电流的特征对故障距离方程f(p)进行化简，得出故障距离百分比p的解析表达式，将保护安装处零序测量电压零序测量电流的采样值带入解析表达式中，求解故障距离百分比p的解析解，并求解故障测距均值pm；

所述故障距离方程f(p)为：

式中：分别为故障后线路首端保护安装处零序测量电压、零序测量电流；为线路零序阻抗角，p为故障距离百分比，即保护安装处至故障点间线路长度与线路全长的比值；zl0为线路全长的零序阻抗。

故障距离百分比p的解析表达式为：

式中：

分别为故障后线路首端保护安装处零序测量电压、零序测量电流；zl0为线路全长的零序阻抗，为线路零序阻抗角，c、为中间变量。

所述故障距离百分比p的解析解为：

p取其中满足约束条件0≤p≤1的值；

式中：分别为故障后线路首端保护安装处零序测量电压、零序测量电流；为线路零序阻抗角，zl0为线路全长的零序阻抗；为故障后保护安装处至故障点间线路零序电压。

步骤5：将步骤4所得的故障测距均值pm带入距离保护动作方程，判断距离ⅰ段保护是否动作。判断方法如下所述：

确定采样频率，以全周傅氏算法求取故障后第一周波内采样数据的基波分量，根据故障距离百分比p的解析表达式求解各采样点所对应的故障距离，再求其均值pm，则pm即为所求故障距离百分比，将pm作为判断距离ⅰ段保护是否动作的依据，若pm满足距离保护动作方程，则距离ⅰ段保护出口动作；

所述距离保护动作方程为：pm＜pset；

其中，pset为传统距离保护ⅰ段整定值。

本发明的有益效果在于：

本发明基于故障后系统零序电压电流相量分析，在故障后系统零序电压电流相量图中添加辅助线构造相似三角形，利用相似三角形的几何特性构造故障距离方程，并对其进行化简，求解故障距离。本发明仅需单端电气量信息即可精确定位故障位置，不需要对端系统电压电流等信息，可实现含upfc线路单相接地短路故障后故障位置的准确定位及距离保护的正确动作。此外，该方法不受过渡电阻和upfc运行方式的影响，具有良好的普适性，算法简单可靠，不需要严格的对时处理，便于微机继电保护实现，具有很高的实用价值。

附图说明

附图1为upfc接入单相接地短路故障的距离ⅰ段保护方法流程图；

附图2为含upfc系统示意图；

附图3为含upfc线路故障示意图；

附图4含upfc线路故障后正序网络图；

附图5含upfc线路故障后负序网络图；

附图6含upfc线路故障后零序网络图；

附图7为线路故障后系统零序电压电流相量图；

附图8为pf＝0.75时故障距离计算结果图；

附图9为pf＝0.80时故障距离计算结果图；

附图10为pf＝0.85时故障距离计算结果图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。附图1为upfc接入单相接地短路故障的距离ⅰ段保护方法流程图，如图1所示，首先对含有upfc的线路进行故障分析，绘制故障后系统正负零三序网络图，并对故障后各序网络图进行分析；其次，根据分析结果，以故障支路零序电流为参考相量绘制故障后线路首端保护安装处零序测量电流零序测量电压故障点零序电压(od)、故障支路零序电流保护安装处至故障点间线路零序电压的相量图,在相量图中添加辅助线构建相似三角形，并利用几何知识求解两个相似三角形各边角。再次，利用三角形相似的几何特性构造故障距离方程；利用故障后电气量特征简化求解方程，得出故障距离百分比解析表达式并对故障距离百分比进行求解；最后将求得的故障距离百分比带入动作方程判断距离ⅰ段保护是否动作。

进一步的，在绘制三序网络图的过程中，具体方法如下所述：首先对含有upfc的线路进行故障分析，将如图2所示的含upfc系统示意图进行简化，简化后的模型及故障位置如图3所示，假设在图3中f1处发生纵向短路故障，由于upfc串并联换流变压器分别采用y-y和y-δ接线方式，且两种接线方式均网侧不接地，因此故障后系统零序电流不流经upfc本体装置，即不会改变故障后系统的零序网络结构。据此，根据简化系统分析图并结合串并联换流变压器绕组接线形式，绘制含有upfc系统故障后正负零三序网络图如图4-图6所示，对故障后各序网络进行分析，观察upfc接入对线路故障后系统各序网络产生的影响；附图4-附图6分别为upfc线路故障后系统正序网络图、负序网络图和零序网络图，由图4-图6可知，upfc的接入在正负序网络中分别由串联换流变压器引入正序电势和负序电势改变了序网结构，因此会对传统距离保护方法造成很大的影响；故障后在upfc控制系统的作用下，upfc串联分支补偿电压的零序分量很小，可近似为0。因此，可认为故障后零序网络中仅引入串变零序漏抗，而无零序电势接入，进而维持网络结构不变，可据此构造一种零序距离保护方法以克服过渡电阻及upfc接入对传统距离保护方法的影响。根据图3所示的含upfc线路故障示意图进行故障分析，得出如图中f1所示位置故障后线路首端m侧保护安装处零序测量电压表达式：

式中分别为线路首端保护安装处零序测量电压、零序测量电流，为故障点零序电压，z0为保护安装处至故障点间线路零序阻抗；

进一步的，在绘制向量图，构造相似三角形的过程中，具体方法如下所述：

步骤一，绘制向量图；根据式(4)所示系统故障后电压电流关系，以故障支路零序电流为参考相量绘制故障后线路首端保护安装处零序测量电流零序测量电压故障点零序电压故障支路零序电流保护安装处至故障点间线路零序电压相量图；延长与交于点b。附图7为线路故障后系统零序电压电流相量图，如图7所示，图中为已知量，而图中诸如故障点零序电压保护安装处至故障点间线路零序电压均可由故障距离百分比表示，所述故障距离百分比即保护安装处至故障点间线路零序阻抗与线路全长零序阻抗的比值，因此本质上图中仅故障距离百分比一个未知量，因此建立故障距离百分比方程，进而求解未知量即可。

步骤二，构造相似三角形；在图7中根据电压电流几何特性再添加辅助线构造相似三角形：过故障点零序电压相量末端d做故障后保护安装处零序测量电压的垂线dc与om交于点c，过保护安装处零序测量电压相量末端m做故障点零序电压的垂线ma与od交于点a，如图7所示。则以故障点零序电压保护安装处零序测量电压的垂线cd及原点o至与其垂线cd交点c之间的线段oc为边的三角形δocd，以故障点零序电压的垂线ma、故障后保护安装处零序测量电压原点o至故障点零序电压垂足a间线段oa为边的三角形δmao相似：

首先，∠moa为δocd和δmao公共角；其次，∠mad＝∠ocd＝90°；最后，因为三角形内角和都为180°，所以，δocd和δmao各内角均相等，根据“相似三角形对应角相等”这一相似判据可知δocd～δmao；

步骤三，求解两个相似三角形δocd、δmao各边角；

(1)求解故障后线路零序电压

式中，p为故障距离百分比，即保护安装处至故障点之间线路零序阻抗与线路全长零序阻抗的比值，其中zl0为线路全长的零序阻抗，z0为从保护安装处到故障点间线路零序阻抗；

(2)求解故障后保护安装处零序测量电压边的垂线段cd：

在三角形δdcm中，dm为故障后保护安装处至故障点间线路零序电压因此由正弦定理可知：cd＝dm·sin∠cmd，为线路零序阻抗角，也是的δmob外角，其值等于不相邻的两个内角和，即而∠mob为保护安装处零序测量电流和零序测量电压之间夹角，因此计算结果如下所示：

(3)求解障后故障点零序电压

故障点零序电压等于保护安装处零序测量电压与故障线路零序电压之差即：

(4)求解故障点零序电压的垂线ma：

在δmoa中,由正弦定理可知ma＝om·sin∠moa，其中即保护安装处零序测量电压与故障点零序电压的相角差，因此：

进一步的，在构造故障距离方程，并化简求解的过程中，具体方法如下所述：

步骤一：构造故障距离方程；利用三角形相似原理可知，相似三角形中各对应边比值相等，因此：将式中各量表达式带入可得：

因此故障距离百分比p的求解公式f(p)：

由于f(p)为仅有一个未知量(故障距离百分比p)的超越方程，但无解析解，因此需要运用综合故障后的其它电气特征量对其进行化简。

步骤二：利用故障后的其他电气特征量对f(p)化简，并求故障距离百分比p的解析解。

有文献指出，故障后可近似认为保护安装处负序或零序电流与故障支路同序电流同相位，即负序或零序电流分配系数为实数，因此单相接地短路后故障点电压相位可由保护安装处负序或零序电流相位近似表示。与此同时，由于含upfc线路故障后仅有零序网络结构不受upfc影响，所以可用保护安装处零序测量电流相位近似代替故障点零序电流相位，因此得出：

将上式带入f(p)中可求得p的解析表达式为：

式中：

因此求得p的解析解为:

p取其中满足约束条件0≤p≤1的值。

进一步的，在判断距离ⅰ段保护是否动作的过程中，具体方法如下所述：

确定采样频率，以全周傅氏算法求取故障后保护安装处零序测量电压、零序测量电流的基波分量，根据式(12)求解各采样点所对应的故障距离，再求其均值pm，则pm即为所求故障距离百分比，将pm作为判断距离ⅰ段保护是否动作的依据，若pm满足距离保护动作方程，则距离ⅰ段保护出口动作。

其中，距离保护动作方程为：pm＜pset，为传统距离保护ⅰ段整定值。

实施例1

下面以具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示的含upfc的220kv双电源供电系统中，线路长度为100km，距离保护整定为线路全长的80％，upfc额定容量为100mva。由本技术领域公知常识可知，220kv系统故障后系统最大可能过渡电阻为100ω，因此分别取系统经30ω、60ω、100ω三个过渡电阻值，在保护范围末端附近发生a相接地短路故障进行分析，假设故障发生在系统运行7s后。实验数据和仿真结果均以故障初始时刻即7s为计时零点，并利用matlab取第一个周波内采样数据经全周傅氏算法滤波后计算所得。其仿真结果如图8-图10所示。图中rg为过渡电阻。由仿真结果图8-图10分析可知，在线路保护范围末端±5％范围内，经不同的过渡电阻发生单相短路故障后，本发明的保护方法可快速求解故障距离，故障测距误差小于5％，该保护方法精度较高且不受upfc和过渡电阻的影响，可以保证距离ⅰ段保护的可靠性、速动性、选择性要求。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。