兩種縱向阻抗標稱制的性能對比與仿真驗證

夏經德,康小寧,邵文權,程 遠

(1.西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048; 2.西安交通大學 電氣工程學院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著智能化電子互感器技術、高性能微機處理技術和寬頻帶光纖通信技術的飛躍發展, 國內外的微機保護已經由簡單地模仿傳統成熟的保護方式逐步發展出功能完善、技術新穎、適應性強和穩定可靠的綜合保護措施.復雜的新技術不再成為影響保護可靠性的瓶頸,它們的代表有行波保護[1]、自適應保護[2]、基于Prony方法的保護[3]、參數識別保護[4]和基于小波的保護[5]等,已經成為相關科技文獻爭相追逐的研究目標.

近年來出現了一類新型的輸電線路單元式阻抗計算方法[6-7],它最成功的特點在于具有立論嚴謹、分析透徹、整定清晰和功能可靠的特點,因此突破了傳統阻抗計算的束縛,可以成為未來保護發展的樣本,其中縱向阻抗的計算方法是其中的典型代表[8].它的最大特點在于找到了被保護線路的電壓、電流與阻抗之間可以相互比較和等量轉換的物理模型以及數學表達,由此建立了確保縱向阻抗可靠性和靈敏度的理論基礎和應用前景.

通過近年對縱向阻抗的不斷研究,逐步認識到該阻抗的其他性能特點以及未來的擴展方向,同時也暴露出在早期研究中還存在的若干技術問題.例如,傳統的縱向阻抗習慣使用有名制計量方法,這種方法所反映的阻抗狀態直觀明確，但是這種方法也存在一些問題，主要表現在系統的運行方式,特別是線路長度發生變化時,很難從阻抗數據中直接進行狀態評估，當遇到超短線路縱聯保護時,由于線路阻抗偏小將可能導致狀態分辨裕度變窄,影響工程實際運用效果.

本文將電力系統分析中所采用標幺制的計算方法以及相關的分析過程運用到縱向阻抗,它的最大特點在于將基于有名制的縱向阻抗所得到不同的計算結果合理轉換成為一致的純數值結果,建立了統一的、可以直接相互比較的基準平臺.通過理論分析和仿真驗證可以發現,采用標幺值的縱向阻抗在性能評估和狀態判斷方面獲得了明顯的改善,這種方法因此具有較好的工程應用前景.

1 縱向阻抗的基本原理和特點

1.1 縱向阻抗的性能分析

根據文獻[8]所記載的相關內容,縱向阻抗是以線路兩端電壓差除以線路兩端電流和,獲得阻抗結果為量綱的新型保護算法:

(1)

通過理論分析可知,縱向阻抗以線路串聯阻抗為界,甄別所發生故障的原因.為了有效利用本文的篇幅,所用的圖形、變量以及相關的說明等全部參見文獻[8].根據縱向阻抗的性能分析結果可以知道,縱向阻抗的計算結果可以與故障距離保持嚴格的線性變化關系,且不受故障電阻的任何影響,這個特點可以作為故障測距的方法,可有效改善基于工頻電氣量的傳統故障測距性能.

1.2 縱向阻抗的解耦特點

縱向阻抗成功地利用了零序電路的電氣特點,將與故障位置有關的零序電流等效置換為與故障位置無關的零序電壓,由此完全消除了相間耦合的影響,確保縱向阻抗可以準確以線路串聯正序阻抗為界,甄別區內外故障的保護特性:

(2)

確保基于單相線路模型所得的縱向阻抗特征完全可以適用于三相線路模型的縱向阻抗.

1.3 縱向阻抗的性能分析

縱向阻抗除了具有上面所述能夠準確甄別區內外故障的特點外,根據文獻[8]可以知道,縱向阻抗還完全能夠抵御系統在正常運行的所有范圍內所帶來相關擾動的影響.對于現有最高電壓等級、最長距離的交流輸電線路，正常運行情況下縱向阻抗可以忽略線路分布電容所帶來的影響,正常分辨線路的實際運行狀態.無論是TA互感器穩態還是暫態電磁飽和,都不會影響縱向阻抗的可靠性.縱向阻抗具有充裕的甄別裕度,完全有能力克服TA和TV互感器各種穩態和暫態測量誤差所造成的影響.縱向阻抗克服了許多傳統繼電保護弊端.

縱向阻抗之所以能夠具備上述諸多卓越性能特點,關鍵在于它特有的計算結構.通過分析可以發現,當遇到區外故障時,只要有一定的故障分量電流流過被保護線路,線路兩端電壓差在縱向阻抗的計算中處于絕對不可動搖的大數地位:

(3)

任何測量衰減、電磁擾動與狀態變化都不可能改變式(3)所建立的大小對比關系,確保了縱向阻抗絕對的可靠性.當遇到區內故障時,只要有一定的故障電流(由故障位置、故障電阻、線路長度以及系統運行方式確定,可以通過保護啟動門檻來甄別和限制),線路兩端電流和在縱向阻抗的計算中處于絕對不可動搖的大數地位:

(4)

式中 比較公式的中間項為線路兩側至故障點幅值較大的電壓差.

只要內部故障可靠，觸發所設置的保護啟動單元后,就可以確保式(4)所建立的大小對比關系,確保了縱向阻抗絕對的靈敏性.根據式(3)和式(4)所反映的狀態特性可以知道,縱向阻抗所涉及的線路各相兩端電壓差、兩端電流和與兩端之間線路串聯正序阻抗之間不僅在區內、區外故障時呈現完全不同的比較狀態關系,而且具備等效狀態轉換與相同量綱比較的物理表達模型和數學計算形式,而且這3種電氣量來自完全不同的度量體系,具有彼此獨立的狀態特征和計量方法,并且不能通過任何分析方法進行簡化或者合并,確保了構成相關保護可靠性與靈敏度三足鼎立式的完美配合關系,是縱向阻抗最重要的性能特點.

2 縱向阻抗的標幺值計算和特點

隨著對縱向阻抗不斷深入的研究和驗證后發現,文獻[8]直接采用有名制方式定義并且設定相關保護的判別公式,這種方法具有計算簡單、目標明確、狀態分辨清晰和保護整定簡單的特點,可以直接產生良好的保護效果.但是這種方法也存在2點不足:

(1) 采用有名制的縱向阻抗在具體保護整定時需要按照被保護線路實際串聯阻抗制進行,保護實際計算結果也與線路阻抗直接相關,給故障分析和狀態甄別帶來一定的困擾.

(2)當遇到超短距離線路的保護時,由于區內故障縱向阻抗的變化范圍有限,當遇到區外故障時出現TA飽和或者類似問題時,狀態分辨的裕度將縮小,影響保護的工程實際應用效果.

針對上述2個問題,本文提出了標幺值縱向阻抗的計算方法,即在文獻[8]公式(33)所涉縱向阻抗計算式的分母項中增加了被保護線路的串聯正序阻抗:

(5)

由此構建了基于標幺值縱向阻抗的單元式輸電線路縱聯保護改進方案.式(5)與文獻[8]中保護判據的唯一區別就在于:式(5)阻抗計算的分母上增加了一個線路正序阻抗的標幺化計算基準阻抗值.正是由于在縱向阻抗的保護判別式中增加了基準阻抗值,這樣所得標幺值的縱向阻抗擺脫了有名值的束縛,所得阻抗結果更能體現如下優勢:

(1) 當遇到短距離線路的單元式保護時,所得阻抗結果與長距離線路的阻抗結果具備相同的動作門檻和甄別裕度,因此提高了縱向阻抗適應不同線路特性的能力,增大了短距離線路故障判別的靈敏度.

(2) 縱向阻抗由此可以忽略線路正序阻抗幅值大小的影響,當遇到其他因素影響時,如電流互感器傳變誤差與飽和、線路分布電容影響等,可以直接根據所得阻抗結果作出相關因素對阻抗影響程度的判斷,因此具有數值比較和性能評判統一的基礎和平臺.

3 兩種標稱值縱向阻抗的性能比較

與有名制的縱向阻抗相比,標幺值的縱向阻抗在計算方法中增加了被保護線路的串聯正序阻抗,使縱向阻抗計算式分母項的量綱經過調整后與分子項的量綱取得一致,使計算結果不再呈現量綱的特點,便于閱讀理解和性能分析.與此同時,由于有名制的縱向阻抗在保護甄別時所采用的阻抗幅值甄別,按照工程計算特點以及阻抗保護慣例,分辨裕度應該不小于18Ω,當遇到超短距離線路發生TA飽和時,可能造成分辨裕度偏小，影響甄別效果;對于標幺值的縱向阻抗在故障甄別時所采用的相對比較純數,分辨裕度超過1.3倍即可滿足甄別要求.因此同樣針對發生TA飽和的超短線路,后者具備更強的適應能力和應用前景.

4 仿 真

為了與文獻[8]仿真結果保持一致并且能夠比較性能特點,本文所用文獻[8]所記載1 000kV，500km超長距離交流輸電線路和500kV，50km短距離m側測量端附帶TA飽和特性EMTP仿真線路模型,具體EMTP仿真模型以及相關電氣及其他參數請查閱文獻[8].

表1為超長距離線路a 相單相接地故障時2種縱向阻抗EMTP仿真的對比結果,其中有名制縱向阻抗的計算量綱為Ω,標幺值的縱向阻抗是無量綱的.

表2為短距離線路a相單相接地故障m單端CT 飽和時2種縱向阻抗EMTP仿真的對比結果,各阻抗的計算量綱如表1所示.

根據表1和表2所得的仿真結果可以獲得以下結論:

(1) 在任何故障情況下,2種縱向阻抗算法的結果都能夠準確分辨出所發生故障的實際狀態,說明2種算法都具備完整的可靠性與靈敏度,完全可以適應所遇到的各種保護需要.

表1 單向接地故障下2種阻抗的仿真對比結果

表2 單相接地故障單端CT飽和的仿真對比結果

(2) 當遇到短距離線路發生單側TA飽和時,將增大縱向阻抗分母項的數值,并且因此降低了縱向阻抗的計算幅值和相關保護的可靠性.當考慮狀態的分辨裕度時,有名制的縱向阻抗在表2的最右側略顯不足,如飽和進一步加深勢必加劇惡化該狀態的分辨效果.標幺值的縱向阻抗在相同位置上顯現出更大的分辨裕度,說明該算法具有更好的適應能力,并且由此可以提高狀態的分辨效果.

(3) 有名制的縱向阻抗在面臨超長距離的輸電線路時所獲得的阻抗幅值離動作整定值較遠,可能會產生長距離線路分布電容影響有限的錯覺，而標幺值的縱向阻抗則明確顯示線路分布電容同樣是影響縱向阻抗性能的正確提示.

(4) 有名制的縱向阻抗很難獲得各種干擾因素對縱向阻抗影響的相對參照比較數據.而標幺值的縱向阻抗則直接可以從所得的結果上分析出相關干擾因素所造成影響的對比結果,如分布電容所帶來的影響和TA飽和的基本相同.

由此可以看出,雖然兩種標稱制都能夠正確描述出所被保護線路的實際狀態,但是標幺值的縱向阻抗在描述狀態特性時更直觀可讀,因此此方法更適用于實際應用.

5 結束語

本文提出了一種基于標幺值縱向阻抗的計算方法,并進行了理論分析、仿真驗證.分析結論和仿真結果表明,在區外故障時,標幺值縱向阻抗的結果更能反映出線路實際運行時各種干擾因素所造成的擾動效果,在同等條件下比有名制的縱向阻抗有更好的判別裕度;在區內故障時,2種縱向阻抗的結果都能真實描述故障性質,故障特征十分明顯,保證上述縱聯保護的靈敏性.標幺值縱向阻抗的保護整定效果更穩定、數值簡單、提示清晰,可以進行定量比較.在EMTP 數字仿真中,所得結果表明本文所提出標幺值的縱向阻抗更具備實際工程的應用價值.

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