束洪春 劉力滔 唐玉濤 韓一鳴 薄志謙
基于行波暫態能量的半波長輸電線路高靈敏增強型縱聯保護方案
束洪春 劉力滔 唐玉濤 韓一鳴 薄志謙
(省部共建智能電網故障檢測與保護控制協同創新中心(昆明理工大學) 昆明 650500)
半波長輸電技術可作為承載大規模新能源外送主干通道的一種選擇,其線路中點及遠端故障行波弱,同時行波保護技術面臨挑戰。基于半波長輸電線路保護安裝處三類母線下的故障行波傳輸特性分析,將入射波與相鄰線路末端反射波能量之比構造一種新型行波方向元件,以增強區內外故障的特征差異,提升區內外故障識別度。借此方向元件建立了基于行波暫態能量的半波長輸電線路縱聯保護方案。大量雷電沖擊電暈仿真測試和RTDS數?;旌显囼灡砻鳎摫Wo啟動靈敏,選擇性強,無需雙端數據同步,其性能優于傳統行波保護。
半波長輸電線路 故障行波能量 雷擊電暈 行波方向元件 縱聯保護
我國面臨能源與需求分布不均、新能源裝機容量不斷攀升的現狀,促使遠距離大容量的輸電技術不斷發展[1],能將大規模新能源送至東部沿海負荷中心的半波長交流輸電技術,是較好的選擇之一,其具備輸送容量大、距離遠且無需補償設備等優 點[2-3]。但由于輸電距離超長,故障行波在線路上的衰減過大以及通信延時的影響,導致行波保護和差動保護容易失效,因此,針對特高壓半波長輸電線路構建一種靈敏可靠的保護方案具有重要意義。
當特高壓半波長輸電線路上發生故障時,差動電流保護的差動點與故障點相差距離越遠,故障相差動電流越小,非故障相差動電流越大,保護可靠性降低;距離保護的測量阻抗因為線路的空間距離與電氣距離不成線性而無法反應故障點位置,也不適用于半波長輸電線路[4];行波保護因為線路過長導致行波衰減色散累積效應嚴重無法準確提取波頭,依靠行波波頭幅值、極性的保護方法面臨失效[5]。為此在半波長輸電線路保護的研究上,國內外諸多學者對此做了大量的研究工作。針對電流差動保護,文獻[6]提出了一種基于貝瑞隆模型的電流差動保護,解決了線路分布電容對電流差動保護的影響,能克服傳統電流差動保護不再適用的情況。文獻[7]提出了一種實用的電流差動保護,通過特殊的同步點數據選擇和構建制動電流,提升了保護的速動性和可靠性。針對行波保護,文獻[8-9]分析了行波保護在半波長輸電線路上的可行性,提出了適用于半波長輸電線路的行波保護策略,但未考慮母線多出線和雷擊電暈對行波保護的嚴重影響。針對超長距離輸電線路通信延時的問題,文獻[10]研究了半波長輸電線路的方向特性,提出了快速方向縱聯保護,能夠實現全線速動,降低通信延時對保護的影響。文獻[11]利用時差法來構成動態最優差動點,文獻[12]在此基礎上根據差動點兩側的電氣量計算假同步差動阻抗,有效區分區內外故障的同時從時空的角度提高了保護的速動性。文獻[13]利用零模線模波速差構造了一種超高速測距式就地保護原理,解決了通信延時的問題,但由于零模行波色散衰減嚴重,到達不了半波長輸電線路距離,同時波速受依頻特性的影響,無法實現全線保護及測距。
由于超長線路行波的衰減、雷擊電暈、通信延時以及母線類型的影響,目前針對半波長輸電線路的行波保護大多以分析行波特性為主,或是較少考慮以上多種因素的行波保護。因此,本文提出了一種具體的高靈敏增強型保護方案,能有效克服上述問題,通過入射波與相鄰線路末端反射波能量之比構造了一種新型行波方向元件,增強了區內外故障的特征差異,建立了半波長輸電線路行波暫態能量的縱聯保護方案,與多種行波保護進行對比,測試驗證均表明該保護方案具備較高的區內外故障識別度,能有效克服過渡電阻、初始故障角以及雷擊電暈的影響,具有很強的魯棒性。
由于半波長輸電系統特殊的電氣性質,對于行波保護,存在超長輸電距離帶來的衰減、色散以及長線路、高桿塔易遭受雷擊的問題,本節將對這些問題逐一進行分析。
特高壓半波長超長的輸電距離必須考慮線路依頻特性導致的行波衰減,可通過文獻[8]的衰減常數計算得到不同頻率、不同位置產生的行波到達測量端的衰減程度,圖1為故障行波隨傳播距離的衰減情況。

圖1 不同觀測位置行波衰減情況
由圖1可知,行波在遠距離輸電線路模量通道中的傳播衰減很大,在量測端獲取到的遠端故障信息微弱,這將導致部分行波保護面臨失效的可能。以行波幅值縱聯保護為例,構建其保護判據,本文將其定義為值法,定義為

式中,M為小波模極大值;u和i分別為觀測點處采集到的電壓和電流瞬時值;ZC為波阻抗;為電壓正向行波絕對值的小波模極大值;為電壓反向行波絕對值的小波模極大值。假設在半波長輸電線路上每隔150km設置單相接地故障,過渡電阻分別為0W、150W、300W,M側h 值如圖2所示。
圖2中,直線為判據的整定值,故障位置距M側越遠,值越小,保護判據所受行波衰減的影響也越大,在遠端高阻時,將正向故障誤判為反向,保護失靈。
高幅值的雷電沖擊波將在導線上產生強烈的沖擊電暈,引起十分嚴重的行波衰減與變形,對于電暈線路,通過無損線的波動方程為

式中,0、d分別為單位長度的電感和動態電容,且動態電容d為

式中,0為導線的幾何電容;0為電暈起始電壓;當雷電波為正極性時,=1.35;負極性時,=1.13,計及沖擊電暈時的波速c可以表示為

式中,為光速,電壓瞬時值越高,波速c越慢,其中,c指的是將電暈引起波的衰減變形等值為各電壓瞬時值的傳播速度不同程度的減慢。電暈對雷電波的影響表現為,在傳播一定距離后,雷電波幅值的衰減與陡度的下降[21]。
雷擊輸電線路產生沖擊電暈前后電壓電流的變化分別如圖3a和圖3b所示。

圖3 沖擊電暈對電壓電流行波的影響
從圖3中可看出,沖擊電暈相較于雷擊,其電壓電流的幅值有明顯的下降,也驗證了沖擊電暈能夠造成雷電波幅值的衰減與陡度的下降。若同時考慮輸電距離與沖擊電暈對行波的影響,將會使行波保護面臨更大的挑戰,以積分型方向行波比值法為例[17],本文將其定義為值法,其判據可表示為

式中,+和分別為正向電壓行波和反向電壓行波。當半波長輸電線路沿線發生雷擊故障和計及電暈雷擊故障時,積分型方向行波比值法的值如圖4所示。
由圖4可知,在全線范圍內,計及電暈的值均小于雷擊故障的值,在M側近端出口處發生雷擊故障計及電暈時,N端的N值最小,其值為0.106 8,相較于雷擊故障的判據值明顯減小,不利于保護的判斷。

由于特高壓半波長輸電線路距離長達3 000km,導致故障后的電磁波傳輸時間和通道傳輸時間明顯增加,使得需要雙端數據同步的差動保護面臨巨大挑戰。以圖5所示的行波差動保護時序圖來分析行波差動保護在半波長輸電線路上的適用性。

圖5 行波差動保護時序圖
如圖5所示,電磁波傳輸時間為10ms,通道傳輸時間為20ms,故障發生在輸電線路受端附近,N側立刻檢測到故障信息,并向M側傳遞故障電氣量;10ms后M側檢測到故障信息,并向N側傳遞故障電氣量,假設行波差動計算時窗為10ms,故障后M側最快30ms計算完差動電流,N側最快40ms計算完差動電流,嚴重影響保護的速動性。由于需要兩端數據采樣值同步,容易產生時間同步誤差,會產生不平衡行波差動電流,同時,行波差動保護對行波波頭的依賴性較高,需采用高采樣率裝置,不僅提高了對硬件的要求,還增加了計算量,影響了保護的速動性。
綜上所述,行波保護在半波長輸電線路上易受線路衰減特性、沖擊電暈以及通信時延的影響,導致傳統行波保護不再適用,因此需要一種高靈敏啟動,增強型判據的保護方案來克服以上問題。
本節主要探討母線類型對行波折反射系數的影響,并對半波長輸電線路區內外故障的行波折反射特性進行分析,進而給出增強型保護的理論基礎。
母線結構通常分為三類:第Ⅰ類母線,除故障線路外還有多條出線,有無變壓器均可,即母線為2條及以上出線的接線形式;第Ⅱ類母線,除故障線路外還有一條出線,有無變壓器均可,即觀測端母線為一進一出的接線形式;第Ⅲ類母線,只有故障線路,而無其他出線,母線上有變壓器[22]。
首先以第Ⅰ類母線為例進行分析,運行的輸電線路發生故障后,故障行波自故障點向線路兩側M和N傳播,線路兩側的量測端可觀測到的行波通常有初始故障入射波、故障點反射波以及故障點折射波和相鄰線路末端反射波。故障行波將在線路母線M處發生折反射,如圖6所示。

圖6 母線M處行波的折反射


式中,j2=-1;為除被保護線路外的母線出線數減去帶變壓器出線數;1/(jCM)為雜散電容阻抗。



圖7為不同母線結構以及不同雜散電容下電流折反射系數的頻率特性,=3(對應于第Ⅰ類母線)、=1(對應于第Ⅱ類母線)和=0(對應于第Ⅲ類母線)。

圖7 折反射系數的頻率特性
由圖7可知,母線的折反射系數會隨頻率和母線雜散電容的變化而變化。在頻率方面,隨著頻率的增大,折射系數的幅值逐漸上升并接近于2,反射系數的幅值也同樣上升并接近于1;在母線雜散電容方面,折反射系數與母線雜散電容的大小成正比,雜散電容越大,折反射系數上升的速率越快,這就使得在不考慮雜散電容時,檢測不到電流行波的情況得以改變。
由于對電流行波影響較大的主要是第Ⅱ類母線結構和第Ⅲ類母線結構,為進一步驗證雜散電容對電流行波的影響,通過值來改變母線的結構,當=1時,M端母線為“一進一出”的接線形式,其電流行波如圖8a所示,當=0時,M端母線除被保護線路外無其他出線,其電流行波如圖8b所示。
從圖8中可看出,不同母線雜散電容下,波頭的陡度不同,電流行波隨著雜散電容的改變而改變,但都能檢測到電流行波。綜上所述,在實際工程中考慮了母線雜散電容的情況下,在一定的頻率段,會對折反射系數有一定的影響,但無論何種母線結構電流行波均可適用。

圖8 不同母線不同雜散電容對電流行波的影響
為便于分析,相鄰線路的反射波以最短出線為例,M、N兩側的最短出線距離一致,正方向為母線指向線路,在半波長輸電線路半線長內發生區內故障F1時,其對應的傳輸過程如圖9所示。假定半波長輸電線路距離為,故障距離為,行波傳播速度為,與母線相連接的條相鄰線路最短線路長度為min且min</2,M0和N0分別表示M、N兩側保護安裝處感受到故障電流行波的時刻,min2min/是電流行波折射進相鄰線路又反射回母線的時長。因此,將時窗限定為[M0, 2min]和[N0, 2min],以保證M側量測端和N側量測端都能檢測到故障初始入射波,和相鄰線路末端反射波。

圖9 區內故障行波網格圖
如圖9所示,M、M和N、N分別表示母線M和母線N的折反射系數,Mn和Nn分別表示母線M和母線N兩側條相鄰線路末端的反射系數。對于M側量測端,在[M0, 2min]時窗內,入射波和反射波分別為

反向電流行波和正向電流行波分別為


對于N側量測端,在[N0, 2min]時窗內,入射波和反射波分別為

反向電流行波和正向電流行波分別為


因此,區內故障時,M、N兩側量測端檢測到的正反向行波與時窗長度有關。以M側為例,若將時窗限制在[M0,min],則量測端只檢測到被保護線路的入射波和反射波,此時入射波等于反向行波,反射波等于正向行波;若將時窗限制在[M0, 2min],此時入射波等于反向行波,反射波小于正向行波。
在半波長輸電線路發生M側區外故障F2時,其對應的傳輸過程如圖10所示。在[M0, 2min]時窗內,M側量測端只能檢測到區外故障初始行波透過母線M的折射波;在[N0, 2min]時窗內,N側量測端能檢測到故障初始入射波以及相鄰線路末端反射波。
對于M側量測端,在[M0, 2min]時窗內,區外故障初始行波透過母線M的折射波為

反向電流行波和正向電流行波分別為


對于N側量測端,在[N0, 2min]時窗內,入射波和反射波分別為

反向電流行波和正向電流行波分別為




為解決半波長輸電線路保護啟動失靈的問題,提出了一種基于派克變換的高靈敏故障啟動元件算法,該算法具備極強的提取信號突變能力,能準確識別色散后的行波波頭,并表征出波到達時刻。
派克變換的本質是,將三相電流進行Clarke變換,再經過旋轉變換得到d、q和0軸分量,即




實際工程中,為保證保護啟動的靈敏性和可靠性,應將三相電流分別作為固定的旋轉坐標系經過派克變換后的d軸分量計算能量相加作為啟動判據,即


圖11 全線范圍內兩類啟動判據對比
在入射波達到波阻抗不連續的母線時,將有能量繼續向前傳播并產生了折射波,而多余的能量則通過反射波返回到故障線路上,以使母線處達到能量平衡。通過第2節的分析可知,區內故障時,反向行波是每一個入射波的疊加,因此可以利用反向行波代替入射波分別求取入射波能量r、反射波能量f和折射波能量z,其表達式分別為




1)區內故障


同理,N端正向故障的保護判據為

2)區外故障


同理,N端反向故障的保護判據為

保護判據的整定值set需要充分考慮線路參數誤差、互感器傳遍誤差及各類因素的影響,并選取充足的裕度以保證保護的可靠性,最后結合后續的仿真結果將整定值set設置為1。
據此,根據兩端的保護判據提出基于行波暫態能量原理縱聯保護判據為

為方便后文分析對比,本文所提保護方法簡稱為值法。
3)值法與值法特殊性比較

傳統的差動保護需要兩側保護數據嚴格同步,對同步采樣裝置的精度要求極高,而本文提出的縱聯保護只需根據判別結果決定是否向對側發送反向故障信號,將該信號與時間延時set相配合,大大提高了保護的速動性。
M側區外故障動作時序圖如圖12所示,假設M側區外發生單相接地故障,M側保護在M0時刻感受到故障信息,M側保護啟動,計算2min時間后判斷發生反向故障,M側保護閉鎖,并向N側發送反向故障信號;N側保護在N0時刻感受到故障信息,N側保護啟動,計算2min時間后判斷發生正向故障,延時set等待M側的反向故障信號,在N側保護啟動后2min+10ms收到M側的反向故障信號,N側保護閉鎖。因此,M端區外故障時,M側保護能在啟動后2min立即閉鎖,N側保護能在啟動后10ms+ 2min閉鎖,其中,延時set應當大于10ms+2min。
區內故障動作時序圖如圖13所示,假設在區內發生單相接地故障,M側保護在M0時刻感受到故障信息,計算2min時間后判斷發生正向故障,不向N側發反向故障信號,延時set等待N側的反向故障信號;N側保護安裝處在N0時刻感受到故障信息,計算2min時間后判斷發生正向故障,也不向M側發反向故障信號,延時set等待M側的反向故障信號;由于在延時set后兩側均未收到對側的反向故障信號,MN兩側保護動作。

圖12 M側區外故障動作時序圖

圖13 區內故障動作時序圖
根據本側行波暫態能量保護判據的比值K(= M, N)的大小和動作時序,構建保護動作邏輯如圖14所示。

圖14 保護動作邏輯
本文所提保護方案流程如圖15所示??偣灿筛哽`敏啟動、增強型保護判據兩部分組成,其中高靈敏啟動通過派克變換獲取三相累加能量,以確保在任何地方故障均能有效檢測到故障信息并立即啟動保護;增強型保護能在短時窗內實現故障差異的放大,立即計算出入射波能量和相鄰線路母端反射波能量之比,通過計算的比值進行故障方向判別,并決定是否給對側發送閉鎖信號,實現縱聯保護。

圖15 保護方案流程
在RTDS數?;旌显囼炂脚_上搭建半波長1 000kV輸電線路測試模型。本研究中采用我國已投入運行的“晉東南-南陽-荊門”1 000kV特高壓試驗示范工程的三角排列的線路參數和線路型號來搭建半波長輸電線路模型,線路桿塔模型如圖17所示。M側系統參數:m=1.05∠0°,m1=0.8,m1=0.125 4H;N側系統參數:n=1.00∠150°,n1=0.84W,n1=0.143 2H。線路全長3 000km,采樣率設置為20kHz,計算時窗為[0, 2min],根據圖16所示的半波長輸電線路模型中相鄰線路的最短距離min來整定,min2min/,正方向均為母線指向線路。RTDS數模混合試驗平臺如圖18所示。

圖16 半波長輸電系統圖

圖17 線路桿塔測試模型

圖18 RTDS數?;旌显囼炂脚_
4.1.1 區內故障測試
為了驗證不同工況下電流入射波和相鄰線路末端反射波的適應性,以典型故障進行試驗。區內故障以M側出口F3處發生A相接地故障和輸電線路中點F4處發生AB相接地故障為例,區內故障測試結果如圖19所示。

圖19 區內故障測試結果
圖19中,時刻0為感受故障的初始時刻,在[0, 2min]時窗內,M端和N端保護安裝處都能檢測到故障電流的入射波和相鄰線路的末端反射波,且電流入射行波明顯大于相鄰線路末端反射波。
4.1.2 區外故障測試
區外故障以M側區外F1處發生A相接地故障和M側相鄰線路F2處發生ABC相接地故障,以及N側區外F5處發生AB相接地故障為例,進行試驗分析,區外故障測試結果如圖20所示。

圖20 區外故障測試結果
圖20中,本側區外故障時,本側保護安裝處在[0, 2min]時窗內,檢測不到故障電流行波經對側母線反射回本側的入射波,即入射波表征為一條幅值為0的直線,但能檢測到本側區外經母線透射到被保護線路的故障電流行波;而對側能夠正常接收到故障電流的入射波。總的表征為本側區外故障,本側的電流入射波遠小于相鄰線路的末端反射波,對側的電流入射波大于相鄰線路的末端反射波。
4.1.3 典型故障類型保護動作測試結果
上述典型故障的縱聯保護動作結果見表1。區內近端故障和中點故障情況下,計算的行波暫態能量比值明顯大于整定值1,保護可靠動作;在M側區外故障、M側相鄰線路故障以及N側區外故障情況下,兩側保護安裝處計算的行波暫態能量比值的其中一側接近于0,明顯低于整定值1,保護可靠 閉鎖。
表1 典型故障保護動作情況

Tab.1 Typical fault protection action
4.2.1 過渡電阻與初始故障角的影響
過渡電阻和初始故障角對輸電線路保護的影響不可忽視,由于特高壓輸電系統中桿塔一般高于60m,發生小角度故障的可能性極低,因此在試驗中不考慮小角度故障,將初始故障相角分別設置為60°、70°、80°、90°;將過渡電阻分別設置為0.01W、100W、200W、300W以此來測試保護動作的性能。
從圖21可看出,在不同初始故障角和不同過渡電阻的情況下,行波暫態能量比值均大于整定值,該保護具有很強的可靠性。

圖21 不同影響因素下的行波暫態能量比值
4.2.2 相鄰線路距離的影響
在實際工程中,相鄰線路距離會存在只有幾十千米的情況,此時若以最短相鄰線路來對本文所提保護的時窗進行整定會存在一定難度,因此固定故障位置和時窗長度,改變相鄰線路的距離,以此來驗證對保護的影響。假設在半波長輸電線路距M側600km處發生單相接地故障,時窗長度選取為2ms,出線距離從20km遍歷至150km,其結果如圖22 所示。

圖22 相鄰線路距離對保護的影響

4.3.1 雷擊電暈對比
雷擊電暈會使故障行波大幅衰減,因此有必要驗證雷擊電暈對保護的影響??紤]最微弱故障的情況下,將值法的整定值設為0.07,將值法的整定值設為1,假設在輸電線路沿線上發生雷擊電暈,兩種保護性能對比如圖23所示。

圖23 雷擊電暈K值法與l 值法對比
從圖23可以看出,在雷擊電暈的情況下,兩類保護都具有可靠的選擇性,但傳統積分型的靈敏度為0.106 8/0.07=1.5,值法的靈敏度為2.7/1=2.7,因此,值法的靈敏度優于值法。
4.3.2 區內外沿線遍歷對比
以圖16所示的半波長輸電系統模型為例,假設故障類型均為A相接地故障,過渡電阻為50W,區內以150km為步長遍歷3 000km輸電線路;區外以30km為步長遍歷MN兩側相鄰線路的最長線路,此時值法和值法隨故障距離的變化如圖24所示。

圖24 兩種保護沿線遍歷測試結果
聯合圖24的M側與N側保護結果可以看出,兩類保護都能可靠動作,但值法無論是在區內線路還是在區外線路上,其比值的整定裕度均高于值法。
同時,為驗證不同故障類型和不同母線出線數量對兩種保護的影響,分別對行波暫態能量型的值法和傳統積分型的值法做了對比,具體保護動作結果見表2。
表2 不同故障情況下兩種保護的測試結果

Tab.2 Test results of two protections under different fault conditions

(續)
從表2可以看出,在不同故障距離、不同故障類型和不同母線相鄰線路數量的情況下,行波暫態能量型保護均能夠可靠動作;傳統方向行波積分型的保護會受母線相鄰線路數量的影響,但仍能正確動作。通過以上對比分析可知,本文所提保護針對更多更復雜的場景,具有更強的適應性。
基于行波暫態能量,提出了一種高靈敏增強型的半波長輸電線路縱聯保護方案,并通過RTDS數模混合試驗平臺驗證,測試結果表明:
1)由于半波長此類超長輸電線路行波衰減、色散累積效應嚴重,一些啟動算法在微弱故障下將面臨無法啟動,采用派克變換作為啟動算法,具有較高的靈敏性,在微弱故障模態下均能準確啟動。
2)將入射波與最短相鄰線路末端反射波構造能量比,增強其區內外故障差異,可在各類母線、各種故障條件下準確判別區內外故障。
3)本保護方案只需向對側傳遞反向故障信號,無需雙端大量數據同步,與行波差動保護相比,可實現半波長輸電線路全線速動,保證了保護的速動性。
4)與積分型方向行波法相比,在不同初始故障角、過渡電阻以及雷擊電暈的情況下,本文所提保護更能可靠地實現區內、外故障的辨識,具有更強的魯棒性。
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Highly Sensitive Enhanced Pilot Protection of Half-Wavelength Transmission Line Based on Directional Traveling Wave Energy
(State Key Laboratory of Collaborative Innovation Center for Smart Grid Fault Detection Protection and Control Jointly Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China)
The Half-wavelength transmission system can be used as an option to carry high-capacity new energy outbound trunk channels. However, the traveling wave protection faces challenges due to the weak fault traveling waves at the midpoint and far end of the line. The fault-traveling wave transmission characteristics under three types of buses at the half-wavelength transmission line protection installation are analyzed. After that, a new traveling wave direction element is constructed by the ratio of the incident wave and the reflected wave energy at the end of the adjacent line. As a result, the characteristic fault difference and fault recognition inside and outside the zone can be improved. This directional element establishes a longitudinal protection scheme for half-wavelength transmission lines with traveling transient wave energy. Lightning impulse corona simulation and RTDS digital-analog hybrid tests show that the protection has a sensitive start-up, strong selectivity, and no need for double terminal data synchronization. Moreover, its performance is better than traditional traveling wave protection.
Half-wavelength transmission lines, fault traveling wave energy, lightning corona, traveling wave direction components, longitudinal protection
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220354
TM773
國家自然科學基金(51977102)和云南省重大科技專項計劃(202002AF080001)資助項目。
2022-03-11
2022-05-26
束洪春 男,1961年生,教授,博士生導師,研究方向為電力系統新型繼電保護與故障測距、電力系統穩定與控制等。E-mail:kmshc@sina.com
唐玉濤 男,1995年生,博士研究生,研究方向為面向新能源電力系統的多端交直流混合輸電系統及保護技術。E-mail: kusttyt@sina.cn(通信作者)
(編輯 郭麗軍)