一种基于特勒根似功率定理的继电保护方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于特勒根似功率定理的继电保护方法。

背景技术：

在传统保护中，纵联保护由于具有绝对的选择性，保护范围内任意位置故障都能够实现快速动作，因而被广泛应用于各种电压等级的输电线路和各种容量的电力设备中。例如电流差动保护应用于发电机、变压器、输电线路等等；纵联方向保护用于输电线路等等。其中电流差动保护灵敏度高，具有良好的故障选相能力，因而得到了广泛地应用。但是电流差动保护的灵敏度受分布电容电流、负荷电流等的影响，对高阻接地故障的反应能力不足；通过采用分布电容电流补偿、突变量差动、零序电流差动等方法能够在特定情况下提高差动保护的灵敏度，但是增加了保护的复杂性。此外，电流差动保护需要参与差动计算的各端数据严格同步，因此对采样同步和通信通道时间延迟的一致性提出了很高的要求。纵联方向保护原理简单，不需要两端数据严格同步，但是容易受到功率倒向、方向元件灵敏度等因素的影响，因而保护逻辑较为复杂，在各种复杂故障如转换性故障、非全相故障等情况下可靠性和速动性存在不足。

大型电网互联对电力系统继电保护提出了更高的要求，基于广域信息实现的广域继电保护能够对一个区域电网实现保护功能，成为继电保护领域研究和应用的热点。目前的广域继电保护主要沿用传统纵联保护的电流差动、纵联方向等原理，将广域多端信息代入原有保护算法，实现广域保护的功能。但是随着广域保护范围的扩大，上述传统保护的不足也会被放大。广域保护由于保护范围大，分布电容电流和负荷电流都增大，因而差动保护的灵敏度将会大大降低；由于广域差动保护需要电网多端的量测数据严格同步，工程实现的难度很大，经济性较差。广域继电保护的保护范围大，发生各种复杂故障的可能性增加，因而纵联方向保护的可靠性和速动性难以满足需求。

除传统保护原理之外，也有学者提出基于行波、故障暂态电气量等的纵联保护方案。这些方案需要采集和分析高频信息，对电量采集设备、继电保护软件硬件能力提出了很高的要求，并且容易受系统各种高频干扰的影响。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于特勒根似功率定理的继电保护方法，本方法基于特勒根似功率定理，采用工频电气量，不受分布电容电流和负荷电流的影响，不需要各端口数据同步，无需线路和设备的参数，可以用于电力线路和电力设备的纵联保护，也可以用于广域继电保护。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于特勒根似功率定理的继电保护方法，包括以下步骤：

(1)建立被保护单元的两个多端口网络，实时检测各个端口的电流量和电压量；

(2)根据特勒根似功率定理，将一个网络的每个端口电流量与另一网络相对应的端口的电压量乘积求和，将两个网络的计算值求差值，取其绝对值，得到多端口网络的似功率差，将多端口网络的似功率差与整定值作比较，若大于整定值，则判断被保护单元发生了内部故障。

所述步骤(1)中，被保护单元是指被保护线路、设备或者区域电网。

所述步骤(1)中，建立两个多端口网络，在被保护单元无内部故障时，两个多端口网络拓扑结构相同，网络中对应支路的元件参数相同，发生内部故障时，两个多端口网络在故障处的拓扑结构或者元件参数不同。

所述步骤(1)中，建立的两个多端口网络，在没有内部故障的情况下，故障前后其元件参数不能发生变化；如果网络中有电源，则其输出功率在故障前后不能变化。

所述步骤(1)中，多端口网络形式包括但不限于以下方式：

I)正序网络和负序网络；

II)以各相为独立端口的多端口网络。

所述步骤(2)中，当多端口网络形式为正序网络和负序网络时，选择的计算似功率的电气量包括但不限于以下方式：

(2-1)故障后正序电流电压和故障后负序电流电压；

(2-2)故障前正序电流电压和故障后正序电流电压；

(2-3)故障前正序电流电压和故障分量正序电流电压；

(2-4)故障前正序电流电压和故障后负序电流电压；

(2-5)故障分量正序电流电压和故障后负序电流电压；

或(2-6)故障分量正序电流电压和故障后正序电流电压。

所述步骤(2)中，当多端口网络形式为以各相为独立端口的多端口网络时，选择的计算似功率的电气量包括但不限于：故障前各端口各相电流电压相量和故障后各端口各相电流电压相量。

所述步骤(2)中，对于每一个多端口网络，需要每个端口自身的电流量和电压量同步。

所述步骤(2)中，采集的电流量和电压量，均为工频值。

所述步骤(2)中，整定值为整定门槛ε_S，且ε_S大于等于零。

本发明的有益效果为：

(1)计算方法简单，无需大量运算过程；

(2)采用工频电气量，不受分布电容电流和负荷电流的影响，不需要各端口数据同步，无需线路和设备的参数，可以用于电力线路和电力设备的纵联保护，也可以用于广域继电保护。

附图说明

图1为本发明所述的多端口网络的示意图；

图2为完全换位三相单回交流输电线路的单线系统示意图；

图3为图2所示线路的多端口网络示意图；

图4为三机九节点三相交流系统的单线系统示意图；

图5为图4所示系统虚线框内部分的多端口网络示意图；

图6为同杆并架不换位三相交流双回输电线路的单线系统示意图；

图7为图6所示双回线路的多端口网络示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于特勒根似功率定理的继电保护方法，步骤包括：为被保护线路、设备或者区域电网建立两个符合特勒根似功率定理的多端口网络，构成多端口网络对，得到两个多端口网络的端口电压、电流，计算两个多端口网络的特勒根似功率差，实现故障判别。具体包括以下步骤：

步骤1：为被保护单元建立多端口网络对，这里将多端口网络对中的两个网路分别记为网络a和网络b，网络的端口数量为m，各端口编号为1,2,...,m。如附图1所示。

步骤2：根据所建立的多端口网络，确定用于计算似功率的端口电流量、电压量；

步骤3：实时测量、计算多端口网络各端口的电流量、电压量。这里记网络a的端口电流量、电压量分别为网络b的端口电流量、电压量分别为

步骤4：计算多端口网络的似功率差：

被保护单元内部无故障时，多端口网络对中两个网络的拓扑结构相同，网络中对应支路的元件参数相同，根据特勒根似功率定理，dS等于零；如果被保护单元发生内部故障，则多端口网络对中两个网络在故障处的拓扑结构或者元件参数不同，不再符合特勒根似功率定理的条件，因而dS大于零。

步骤5：考虑到测量误差、计算误差以及电磁干扰等因素，整定一个似功率差的门槛值ε_S。将似功率差dS计算值与门槛值ε_S相比较，如果dS大于ε_S，则判断被保护单元发生了内部故障；反之，判断被保护单元内部无故障。

实施例1：

如附图2所示的完全换位三相单回交流输电线路，其保护实施步骤如下：

步骤1：由于线路完全换位，各序网络没有耦合，因而选择输电线路的正序网络和负序网络作为多端口网络对，其多端口网络如附图3所示。以下各步骤中以上标p表示正序网络电量，上标n表示负序网络电量。

步骤2：考虑输电线路的不对称故障的保护，选择正序电流电压和负序电流电压用于似功率计算(对于对称故障，可以考虑故障前正序电流电压和故障分量正序电流电压等电量，这里不再赘述)。注意，由于是交流输电线路，因而这里的电流量和电压量都是复数。

步骤3：实时测量、计算多端口网络各端口的电流量、电压量。正序网络的端口电流量、电压量分别为负序网络的端口电流量、电压量分别为其中上标“·”表示相应的电量是复数。

步骤4：计算多端口网络的似功率差：

对于交流系统，计算的是复功率，是将电压复数量与电流复数的共轭量相乘。式中上标“*”表示对应复数的共轭。输电线路内部无故障时，正序网络和负序网络的拓扑结构相同，网络中对应支路的元件参数相同，根据特勒根似功率定理，dS等于零。如果输电线路发生金属性单相接地故障，相当于在网络中增加了一个故障支路。在正序网络和负序网络中，故障支路的电压相等，而电流方向相反，并且电流大小不同，因而dS不等于零。对于其它故障类型和故障参数，可以进行类似分析，这里不再赘述。

步骤5：整定似功率差的门槛值ε_S等于0.1倍的输电线路额定功率，则dS大于ε_S，判断被保护的输电线路发生了内部故障。

实施例2：

如附图4所示的三机九节点三相交流系统，系统中各输电线路都经过完全换位，考虑如图中虚线所示的区域电网的广域保护，其保护实施步骤如下：

步骤1：由于线路完全换位，各序网络没有耦合，选择故障前的正序网络和故障分量的正序网络作为多端口网络对，其多端口网络如附图5所示。

步骤2：故障前正序网络选择故障前的正序电流电压(以下步骤中用上标b表示)，故障分量的正序网络选择故障分量正序电流电压(以下步骤中用上标f表示)，用于似功率计算。注意，由于是交流输电线路，因而这里的电流量和电压量都是复数。

步骤3：实时测量、计算多端口网络各端口的电流量、电压量。故障前的正序网络的端口电流量、电压量分别为故障分量正序网络的端口电流量、电压量分别为其中上标“·”表示相应的电量是复数。

步骤4：计算多端口网络的似功率差：

对于交流系统，计算的是复功率，是将电压复数量与电流复数的共轭量相乘。式中上标“*”表示对应复数的共轭。被保护区域电网内部无故障时，故障前正序网络和故障分量正序网络的拓扑结构相同，网络中对应支路的元件参数相同，根据特勒根似功率定理，dS等于零。如果被保护区域电网内部发生金属性三相短路故障，相当于在网络中增加了一个故障支路。在故障前正序网络中，故障支路的电压是故障前线路电压，电流为零；而在故障分量正 序网络中，故障支路的电压等于负的故障前线路电压，而电流是一个很大的值，因而dS不等于零。对于其它故障类型和故障参数，可以进行类似分析，这里不再赘述。

步骤5：整定似功率差的门槛值ε_S等于0.1倍的系统正常传输功率，则dS大于ε_S，判断被保护的区域电网发生了内部故障。

实施例3：

如附图6所示的同杆并架不换位三相交流双回输电线路，其保护实施步骤如下：

步骤1：由于线路不换位，各相线路之间的互感和分布电容不相等，因此选择以两回线路各相电路作为独立的端口构造多端口网络，选择故障前的多端口网络和故障后的多端口网络作为多端口网络对，其多端口网络如附图7所示。

步骤2：选择故障前的各相电流电压量(以下步骤中用上标bf表示)和故障后的各相电流电压量(以下步骤中用上标af表示)用于似功率计算。注意，由于是交流输电线路，因而这里的电流量和电压量都是复数。

步骤3：实时测量、计算多端口网络各端口的电流量、电压量。故障前网络的端口电流量、电压量分别为故障后网络的端口电流量、电压量分别为其中上标“·”表示相应的电量是复数。为了表述方便，将电量的下标做了简化，其中下标1～3代表M侧Ⅰ回线路的A、B、C三相；4～6代表M侧Ⅱ回线路的A、B、C三相；7～9代表N侧Ⅰ回线路的A、B、C三相；10～12代表N侧Ⅱ回线路的A、B、C三相，参见附图7。

步骤4：计算多端口网络的似功率差：

对于交流系统，计算的是复功率，是将电压复数量与电流复数的共轭量相乘。式中上标“*”表示对应复数的共轭。输电线路内部无故障时，故障前网络和故障后网络的拓扑结构相同，网络中对应支路的元件参数相同，根据特勒根似功率定理，dS等于零。如果输电线路发生Ⅰ回线路A相对Ⅱ回线路B相的金属性短路故障，相当于在网络中增加了一个故障支路。在故障前网络中，故障支路的电压是故障前线路的线电压，电流为零；而在故障网络中，故障支路的电压等于零，而电流是一个很大的值，因而dS不等于零。对于其它故障类型和故障参数，可以进行类似分析，这里不再赘述。

步骤5：整定似功率差的门槛值ε_S等于0.1倍的输电线路额定功率，则dS大于ε_S，判断被保护的双回线路发生了内部故障。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。