多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种考虑多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法。

背景技术：

随着国家大区域互联电网的建设，电网呈现跨区域互联、运行方式多变的特性，系统发生多频振荡的概率显著上升。当系统振荡时，保护装置的准确判别性可以有效避免事故面积的扩大。保护装置的振荡闭锁措施需在系统出现振荡时闭锁保护以防止误判，发生故障时开放保护。因此，准确的保护振荡闭锁及开放判据尤为重要。

当系统关键节点发生严重故障时，电力系统可能会从两机振荡情形转为多频振荡情形，然而目前对于振荡闭锁的研究大多基于两机模型，提出的判据难以适应多频振荡情形，因此，考虑多频振荡场景下的保护振荡闭锁与振荡中的故障再开放判据及保护方案亟待解决。

针对该问题，本发明提出考虑多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法。首先，推导多频振荡场景下测量阻抗表达式，分析测量阻抗的变化特性及其对阻抗继电保护装置工作特性的影响，并依据失步中心位置与测量阻抗之间的关联关系，定义失步中心位置函数，构造了一种基于失步中心位置函数的保护闭锁判据，在此基础上，利用系统发生故障时失步中心幅值突变特性，提出了基于失步中心函数幅值突变量的保护开放判据。仿真结果表明了该发明所提方案的正确性与有效性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法，其特征在于，多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统包括顺序相连的数据采集模块、失步中心定位模块、距离保护振荡闭锁模块和距离保护再开放模块；

所述的数据采集模块用于采集网络结构参数、母线处系统等值电势、保护安装处测量阻抗、测量电压、母线处电压幅值与功角，并将采集数据发送至失步中心定位模块；

所述的失步中心定位模块根据数据采集模块采集到的参数，构造出失步中心定位判据和失步中心位置函数，根据失步中心定位判据判断失步中心所在线路，根据失步中心位置函数得到失步中心具体位置；

所述的距离保护振荡闭锁模块根据数据采集模块采集到的参数和失步中心定位模块得到的失步中心位置函数作为数据，代入距离保护闭锁判据，判断距离保护是否闭锁，并将闭锁信息发送至距离保护再开放模块。

所述的距离保护再开放模块在距离保护闭锁后，根据保护开放判据判断距离保护是否重新开放。

一种多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放方法，其特征在于，所述方法括如下步骤：

步骤1：数据采集

采集网络结构参数、母线处系统等值电势、保护安装处测量阻抗、测量电压、母线处电压幅值与功角；

步骤2：定位系统失步中心

根据数据采集模块采集到的参数，构造出失步中心定位判据和失步中心位置函数，根据失步中心定位判据判断失步中心所在线路，根据失步中心位置函数得到失步中心具体位置；

对于系统中任意两条母线，设为母线m和母线n，得出失步中心定位判据如下：

其中，arg表示取相量相角的函数，fmn为失步中心位置函数，表示失步中心到母线m处的阻抗与线路阻抗zmn的比值，为母线n处电压，为母线m处电压；

根据判据中(a)式确定失步中心是否在本线路上，若在，根据判据中(b)式确定失步中心具体位置；

步骤3：判断距离保护是否闭锁

在多频振荡场景下，系统仍满足三相对称条件，因此，在振荡中不会出现不对称分量，而在系统发生非对称故障时，系统因失去对称性而出现大量的负序分量与零序分量，据此区分不对称故障与振荡；

根据数据采集模块采集到的参数和失步中心定位模块得到的失步中心位置函数作为数据，代入距离保护闭锁判据判断距离保护是否闭锁，并将闭锁信息发送至距离保护再开放模块；

对于系统中任意两条母线：母线m和母线n，保护闭锁判据如下：

其中，zset1与zset2分别是母线m侧保护i段与ii段的动作阻抗整定值，zmn为线路阻抗，θ1为相量与相量之间的夹角，krel1和krel2分别为保护i段和ii段闭锁可靠系数；取krel1＝1.4和krel2＝1.2，保证保护闭锁的可靠性，h为失步中心位置函数的幅值；将数据代入上述判据，若满足，则距离保护闭锁；

步骤4：判断距离保护是否再开放

由于线路保护范围内发生故障时与失步中心出现时的测量阻抗呈现的特征无差异，均满足距离保护闭锁判据，为避免发生故障时保护误闭锁，需要构造保护开放判据，在距离保护闭锁后，根据保护开放判据判断距离保护是否重新开放；

保护开放判据如下：

v＝|dh/dt|/sr>vset

其中，vset为整定值，一般可以取30。|dh/dt|表示失步中心位置函数幅值h变化速率，判据v采用h的变化率与其自身比值，sr为失步中心幅值系数，目的在于消除h自身大小的变化率产生的影响；但当h值接近0时，可能导致判据值v过大，因此，在h<0.1时取sr＝0.1，在h>0.1时取sr＝h。

所述保护开放判据仅在满足保护闭锁判据的情况下进行检测，若该时段内保护开放判据不成立，则将保护闭锁，直到保护闭锁信号返回；若保护闭锁期间开放判据成立，则开放保护150ms，允许保护有效动作。

本发明有益效果是依据失步中心位置函数构造保护闭锁判据，在此基础上，利用系统发生故障时失步中心幅值突变特性，提出基于失步中心位置函数幅值突变量的保护开放判据。仿真结果表明了该发明所提方案的正确性及有效性；解决多频振荡场景下保护振荡闭锁与振荡中的故障再开放的问题。

附图说明

图1为考虑多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统结构图；

图2为多频振荡三机模型图；

图3为多频振荡场景下测量阻抗轨迹图；

图4为保护的动作圆轨迹；

图5为母线n处电压与各侧系统相角差变化情况；

图6为各侧振荡中心电压变化曲线；其中(a)t侧振荡中心电压变化曲线，(b)r侧振荡中心电压变化曲线，(c)s侧振荡中心电压变化曲线；

图7系统中各线路两侧相角差变化曲线；其中，(a)线路mn、(b)线路hn，(c)线路pn

图8为振荡中保护4处振荡闭锁情况；(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑

图9为振荡中保护5处振荡闭锁情况；(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑

图10为振荡中np发生故障时保护4处振荡闭锁情况；(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑

图11为振荡中np发生故障时保护5处振荡闭锁情况；(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑

图12为t＝7.09s线路np上距p侧50km处发生故障时保护4闭锁及再开放情况。其中，(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑

具体实施方式

本发明提供一种多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法，下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

图1所示是多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统结构图，图中所示0系统包括顺序相连的数据采集模块、失步中心定位模块、距离保护振荡闭锁模块和距离保护再开放模块。

数据采集模块用于采集网络结构参数、母线处系统等值电势、保护安装处测量阻抗、测量电压、母线处电压幅值与功角，并将采集数据发送至失步中心定位模块。

失步中心定位模块根据数据采集模块采集到的参数，构造出失步中心定位判据和失步中心位置函数，根据失步中心定位判据判断失步中心所在线路，根据失步中心位置函数得到失步中心具体位置。

距离保护振荡闭锁模块根据数据采集模块采集到的参数和失步中心定位模块得到的失步中心位置函数作为数据，代入距离保护闭锁判据判断距离保护是否闭锁，并将闭锁信息发送至距离保护再开放模块。

距离保护再开放模块在距离保护闭锁后，根据保护开放判据判断距离保护是否重新开放。

本发明提供的考虑多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统的基本原理为：

1.数据采集模块

数据采集模块的功能是采集网络结构参数、母线处系统等值电势、保护安装处测量阻抗、测量电压、母线处电压幅值与功角，并将采集数据发送至失步中心定位模块。

2.失步中心定位模块

搭建多频振荡三机系统如图2所示，m侧、h侧和p侧母线处的系统等值电势分别为和系统等值阻抗分别为zt、zs和zr，为方便描述，线路l1、l2和l3分别代表母线h与母线n、母线m与母线n、母线n与母线p之间的线路，其对应的阻抗分别为zmn、zhn、znp。

保护5处测量电流为：

式中，zt∑＝zmn+zt，zr∑＝zpn+zr，zs∑＝zhn+zs。

母线m处保护测量电压为：

m侧保护测量阻抗zm为：

式中，zπ＝zrσzsσ+ztσzrσ+ztσzsσ。

在多频振荡过程中，设三侧电源幅值相等，以为参考，则其余两侧电源可以表示为其中δ1(t)表示r侧电源与t侧电源的相对功角函数，δ2(t)为s侧电源相对于t侧电源的功角函数，将各侧电源关系代入式(3)有：

着重考虑功角变化对测量阻抗的影响，以δ1(0)＝20°、δ2(0)＝60°且δ1变化率为δ2变化率2.5倍的情况为振荡初始状态，根据式(4)做测量阻抗轨迹图如图3所示。由图可知多频振荡时测量阻抗穿越轨迹并无明显规律与两机系统不同，且多频振荡场景下电气量计算复杂，基于两机系统的推导过程不再适用，因此基于两机系统的振荡闭锁方案在多频振荡场景中失效。

母线n处电压为：

以l2上任意一点q为例，该点电压为：

式中，ρ为q点位置函数，是zmqq点至m点的线路阻抗，假设系统的阻抗角相等，则ρ是[0,1]区间内的实数。

令为零，定义失步中心位置函数：

只有当表达式(7)中分子分母同相位时，才可能出现失步中心点，令此时的f(ρ)＝ρ0。若与同相位，则式(7)中分母小于分子，此时ρ0>1，失步中心不位于该侧线路中；反之，则ρ0<1，失步中心位于该侧线路中，此时，位置ρ＝ρ0点即为该侧失步中心点。综上，当且仅当与相位相反时，失步中心位于该侧系统内。

由上述结论可推测，线路上任意两点，失步中心在两点之间的充分必要条件是其电压相位互差180度。对于系统中任意两条母线，以母线m和母线n为例，可以得出失步中心定位判据如下：

式中，arg表示取相量相角的函数，fmn为失步中心位置函数，表示失步中心到母线m处的阻抗与线路阻抗zmn的比值，为母线m处电压。

根据判据中(a)式确定失步中心是否在本线路上，若在，根据判据中(b)式确定失步中心具体位置。

3.距离保护振荡闭锁模块

图2所示系统，与分别是母线m与n处的电压相量，为流过线路l2的电流相量。是m侧测量电压和测量电流相量之间的夹角，是线路阻抗角。θ是线路两侧电压相量与之间的相角差，θ1是相量与相量之间的夹角，θ2是相量与相量之间的夹角。各角度之间存在以下关系：

保护5处的测量阻抗可以表示为：

式(10)中系数母线为m与n之间的失步中心位置函数，与式(7)一致，将其改写为幅值和相角的形式：为失步中心位置函数相角，h为失步中心位置函数幅值。

图4为保护的动作圆轨迹，zset1与zset2分别是保护i段与ii段的动作阻抗整定值，令可见θ1与距离保护装置的动作行为存在明确关系，对于方向阻抗继电保护装置而言，当|θ1|>90°时，振荡中心位于保护反方向，保护不会误动；当|θ1|<90°时，振荡中心位于保护正方向，保护存在误动可能，应根据保护动作边界确定是否闭锁。

当失步中心位置函数不满足式(8)时，保护不会误动，基于此，构造保护闭锁判据如下：

式中，krel1和krel2分别为保护i段和ii段闭锁可靠系数，可取krel1＝1.4和krel2＝1.2，保证保护闭锁的可靠性。

4.距离保护再开放模块

由于线路保护范围内发生故障时与失步中心出现时的测量阻抗呈现的特征无差异，均满足判据式(11)，为避免发生故障时保护误闭锁，需要构造保护开放判据。

正常运行时，与相对稳定，θ1与h基本保持不变，测量阻抗位于阻抗圆外。故障后，阻抗迅速落入保护区域内，与发生突变，突变后的值由系统等值电势、故障位置共同决定，因此在故障时h也可能发生突变。而在振荡期间和故障持续时间内，θ1与h变化均较为缓慢。基于此，可以构造保护开放判据如下：

其中，vset为整定值，一般可以取30。|dh/dt|表示失步中心位置函数幅值h变化速率，判据v采用h的变化率与其自身比值，sr为失步中心幅值系数，目的在于消除h自身大小的变化率产生的影响。但当h值接近0时，可能导致判据值v过大，因此，在h<0.1时取sr＝0.1，在h>0.1时取sr＝h。

需注意的是，保护开放判据仅在满足保护闭锁判据的情况下进行检测，若该时段内保护开放判据不成立，则将保护闭锁，直到保护闭锁信号返回。若保护闭锁期间开放判据成立，则开放保护150ms，允许保护有效动作。

实施例

搭建如图2所示的仿真系统模型，其参数如下：r1＝0.021ω/km，x1＝0.281ω/km，c1＝500mω*m；r0＝0.115ω/km，x0＝0.719ω/km，c0＝800mω*m；线路mn全长为120km，线路hn全长120km，线路pn全长140km。母线m背侧系统等值正序阻抗zt＝3.8376+j51.354ω，零序阻抗为zt0＝0.6+j9.091ω，等效电动势为母线h背侧系统正序阻抗参数为zs1＝4.264+j57.06ω，零序阻抗为zs0＝2.0+7.47ω，等效电动势为母线p背侧系统等值正序阻抗为zr1＝4.477+j59.913ω，zr0＝2.0+j6.37ω，等效电动势为仿真中，设置距离i段的保护范围是线路全长的80％，距离ii段的保护范围是线路全长的120％进行整定。仿真过程以为等值参考机，振荡过程中和均不同步。振荡起始时间为1s，仿真过程共9s。

1以δ1(0)＝20°、δ2(0)＝60°且δ1变化率为δ2变化率2.5倍的情况为振荡初始状态

母线n的电压与等值电势和的相角差随时间的变化情况如图5所示，在t＝8.821s、t＝23.01s、t＝61.23s及t＝75.22时刻，均出现了与t侧系统电压相角差为180°的情况，在t＝9.171s和t＝74.04s时，与s侧系统电压相角差为180°；t＝41.83s，与r侧系统电压相角差为180°。图6为振荡中心的电压变化曲线，图中(a)t侧振荡中心电压变化曲线，(b)r侧振荡中心电压变化曲线，(c)s侧振荡中心电压变化曲线；由图可见，当对应相角差是180°时，对应侧振荡中心的电压为0，系统出现失步中心。结果与失步中心定位判据相吻合。

2系统多频振荡时保护闭锁仿真

线路mn、hn和pn两侧测量电压的相位关系如图7所示，其中，(a)线路mn、(b)线路hn，(c)线路pn；由图可见，多频振荡场景下，线路两侧电压相角差并非在之间呈现周期性改变，基于变化轨迹(如阻抗角变化轨迹)穿越预设动作区域的振荡识别装置可能会失效。

图8为振荡中保护4处振荡闭锁情况，其中，(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑；图9为振荡中保护5处振荡闭锁情况。其中，(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑，1表示保护闭锁，0表示保护开放。由图8可以看出，在系统振荡过程中，保护4处判据v计算值很小，当阻抗轨迹接近保护范围时，判据可将保护可靠闭锁。结合图8(b)和图7(c)可以发现，当失步中心位于线路pn内部时，保护可靠闭锁；当失步中心未出现，但测量阻抗因振荡中心落入保护动作区域内，判据仍能可靠将其闭锁。

在图9(a)中，在4s左右出现了判据v值大于整定值的情况，结合图7(a)可以看出，该时刻线路两侧电压相角差为零，失步中心因子的分母出现极小值，导致单位步长内h值大幅度变化。但在该情况下，测量阻抗值极大，不会进入到保护范围内，因而不会引起保护误判。由图9(b)中也可以看出，该时刻并未落入闭锁区间内，不会对振荡闭锁产生影响。

3系统多频振荡中再故障仿真

在系统振荡期间，5s时线路np上距离n侧50km处发生三相对称性短路，设短路持续时间为2s。

保护4闭锁及开放信息如图10所示，这里以保护4距离ii段的闭锁信号为例进行说明。图10(b)中，实线为保护实际闭锁信号，虚线为未考虑保护开放判据时保护闭锁信号。由图可见故障发生时，保护开放判据值发生突变，满足判据条件，因此开放保护。

保护5闭锁及开放信息如图11所示，由于保护5为故障线路的后备保护，这里仍以保护5距离ii段的闭锁信号为例进行说明。由图11(a)可见，故障发生时，保护开放判据满足开放条件，但此故障不位于保护范围内，因此保护5不会动作。若该故障落于保护区域内，保护开放150ms后，可由保护ii段实现自保持，从而实现后备保护功能。

当线路上出现失步中心时，同时发生三相短路故障的情况下，本方案仍能有效识别。由图7可知，t＝7.09s时，线路pn两侧相角差是180°，失步中心出现在该线路内部。此时线路mn上距离母线p侧50km处发生三相短路故障时，保护4处再开放信号及闭锁信号如图12所示，其中，(a)表示判据v的计算值，(b)为保护闭锁信号逻辑；在图12(b)中，实线为保护实际闭锁信号，虚线为未考虑保护开放判据时保护闭锁信号。t＝6.73s时，保护因振荡被闭锁，t＝7.09s时，闭锁期间又在失步中心出现时发生故障，保护快速开放。可见，在系统出现失步中心同时发生三相短路的情况下，该方案能有效可靠识别振荡和故障。

本发明提出了一种考虑多频振荡场景下距离保护振荡闭锁及再开放系统及其方法，该方法具有以下特点：

(1)在系统仅出现多频振荡时保护可靠闭锁，不会因振荡而发生误动。

(2)系统多频振荡过程中发生对称故障时，能够快速准确开放保护，即使在失步中心出现的同时发生故障仍能有效识别，不受故障时刻的影响。

(3)本方案不会受到系统振荡前初始运行状态和系统网络结构改变的影响。

以上所述，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。