一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法和系统

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地，涉及一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法和系统。

背景技术

现阶段，我国已形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联大电网，高压交流输电线路作为电力传输的大动脉，其运行安全对整个电力系统的安全稳定尤为重要，因此对交流线路故障的切除速度提出了更高的要求。距离保护具有基本不受系统运行方式的影响、整定计算较为简单等优点，因而在交流输电系统中得到了广泛的应用。因此提升距离保护的动作速度，对于保证电网的安全稳定运行具有重要意义。

目前传统的距离保护一般是基于工频相量，通过比较整定点电压相量变化量与故障点电压相量变化量的幅值确定是否发生区内故障，其动作速度会受到工频相量提取算法时间窗的限制，动作速度提升面临瓶颈。

针对该问题，专利CN112039036A公开一种交流线路瞬时值变化量距离保护方法及系统，利用继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点电压；根据故障时刻以及继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点电压；利用经过数字低通滤波器处理的整定点电压，计算整定点电压变化量；利用经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压，计算虚拟故障点电压变化量；比较故障后预设时间内整定点电压变化量和虚拟故障点电压变化量绝对值的大小判断是否发生区内故障，该方法存在过零点判据失效的问题。此外，在大规模新能源接入的交直流混联电网中面临工频相量难以准确提取等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法和系统，其目的在于引入坐标变化，将交流量经过坐标变换转变为直流量，从而克服了过零点故障判据失效的问题；通过比较整定点电压瞬时值变化量与故障点电压瞬时值变化量确定是否发生区内故障，无需提取工频相量，具有更快的动作速度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法，该方法包括以下步骤：

S1.一旦交流线路发生故障，根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点三相电压；根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点三相电压；计算继电保护装置采集到的三相电压的相位；

S2.利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对整定点三相电压进行坐标变换，得到整定点电压的d轴和q轴分量；利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对虚拟故障点三相电压进行坐标变换，得到虚拟故障点电压的d轴和q轴分量；

S3.若整定点电压d轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压d轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障。

有益效果：本发明选用整定点电压d轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压d轴变化量绝对值作为判据，由于坐标变换所需时间窗较短，从而实现快速判别是否发生区内故障，有利于区内故障的快速切除。

优选地，整定点三相电压的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t为时刻，u

优选地，虚拟故障点三相电压构造方式如下：

发生故障前，虚拟故障点三相电压为被保护线路上某一点三相电压；除此之外，虚拟故障点三相电压为零；

发生故障前虚拟故障点电压的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t为时刻，u

优选地，进入步骤S2之前，将整定点三相电压经过数字低通滤波器处理，将虚拟故障点三相电压经过数字低通滤波器处理，两者所用数字低通滤波器完全相同，截止频率取值范围为(50Hz，500Hz]。

有益效果：本发明通过将整定点三相电压经过数字低通滤波器处理，将虚拟故障点三相电压经过数字低通滤波器处理，由于数字低通滤波器对高频信号的抑制作用，从而实现抑制经过坐标变换后整定点电压d轴分量和q轴分量以及虚拟故障点电压d轴分量和q轴分量中的高频谐波，避免因高频谐波引起距离保护不正确动作。

优选地，整定点电压d轴变化量的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

优选地，虚拟故障点电压d轴变化量的计算方法为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

优选地，故障后预设时间为毫秒级。

优选地，步骤S3可替换为以下任一种：

(1)若整定点电压q轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压q轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障；

(2)若整定点电压dq轴总变化量在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压dq轴总变化量，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障，其中，dq轴总变化量＝d轴变化量

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种交流线路瞬时值变化量距离保护系统，该系统包括：

整定点三相电压获取模块，用于根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点三相电压；

虚拟故障点三相电压获取模块，用于根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点三相电压；

坐标变换模块，用于利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对整定点三相电压进行坐标变换，得到整定点电压的d轴和q轴分量；利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对虚拟故障点三相电压进行坐标变换，得到虚拟故障点电压的d轴和q轴分量；

判断模块，用于若整定点电压d轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压d轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障。

优选地，该系统还包括：

滤波模块，用于将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理，并发送给坐标变换模块。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)针对现有技术存在过零点判据失效的问题，本发明引入坐标变化这一关键技术手段，将交流量经过坐标变换转变为直流量。引入的坐标变换仅适用于三相对称系统，若直接使用则仅适用于电力系统中的三相对称故障，为了应对单相接地故障、相间短路接地故障和相间故障，本发明基于单相信息构造虚拟三相系统，实现应对电力系统中的不同类型故障。

(2)针对现有技术动作速度会受到工频相量提取算法数据窗的限制问题，本发明通过比较整定点电压瞬时值变化量与故障点电压瞬时值变化量确定是否发生区内故障，无需提取工频相量，具有更快的动作速度，判据简单、所需数据窗短，能有效提升交流线路距离保护动作速度，提升系统的安全稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法流程图；

图2是本发明实施例提供的典型500kV交流输电系统结构示意图；

图3为本发明500kV交流输电系统第一继电保护装置正方向被保护线路50％处发生b相短路故障(图2中f

图4为本发明500kV交流输电系统第一继电保护装置正方向被保护线路95％处发生b相短路故障(图2中f

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为第一等值电源、2为第一交流线路、3为第一母线、4为被保护交流线路、5为第二母线、6为第二交流线路、7为第二等值电源、8为第一继电保护装置、9为第二继电保护装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于坐标变换的瞬时值变化量距离保护方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1.一旦交流线路发生故障，根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点三相电压；根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点三相电压；计算继电保护装置采集到的三相电压的相位。

优选地，整定点三相电压的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t为时刻，u

优选地，虚拟故障点三相电压构造方式如下：

发生故障前，虚拟故障点三相电压为被保护线路上某一点三相电压；除此之外，虚拟故障点三相电压为零；

发生故障前虚拟故障点电压的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t为时刻，u

优选地，进入步骤S2之前，将整定点三相电压经过数字低通滤波器处理，将虚拟故障点三相电压经过数字低通滤波器处理，两者所用数字低通滤波器完全相同，截止频率取值范围为(50Hz，500Hz]。

步骤S2.利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对整定点三相电压进行坐标变换，得到整定点电压的d轴和q轴分量；利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对虚拟故障点三相电压进行坐标变换，得到虚拟故障点电压的d轴和q轴分量。

步骤S3.若整定点电压d轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压d轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障。

优选地，整定点电压d轴变化量的计算公式为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

优选地，虚拟故障点电压d轴变化量的计算方法为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

优选地，故障后预设时间为毫秒级。

优选地，步骤S3可替换为以下任一种：

(1)若整定点电压q轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压q轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障；

(2)若整定点电压dq轴总变化量在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压dq轴总变化量，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障，其中，dq轴总变化量＝d轴变化量

本发明还提供了一种交流线路瞬时值变化量距离保护系统，该系统包括：

整定点三相电压获取模块，用于根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，计算整定点三相电压；

虚拟故障点三相电压获取模块，用于根据继电保护装置采集的三相电压和三相电流，结合输电线路模型，构造虚拟故障点三相电压；

坐标变换模块，用于利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对整定点三相电压进行坐标变换，得到整定点电压的d轴和q轴分量；利用继电保护装置采集到的三相电压的相位，对虚拟故障点三相电压进行坐标变换，得到虚拟故障点电压的d轴和q轴分量；

判断模块，用于若整定点电压d轴变化量的绝对值在故障后预设时间内始终大于虚拟故障点电压d轴变化量绝对值，则认为发生区内故障；否则，认为发生区外故障。

优选地，该系统还包括：

滤波模块，用于将整定点电压和虚拟故障点电压经过相同的数字低通滤波器处理，并发送给坐标变换模块。

本实施例以典型的500kV交流输电系统为例进行说明，如图2所示的电力系统结构包括：第一等值电源1、第一交流线路2、第一母线3、被保护交流线路4、第二母线5、第二交流线路6、第二等值电源7、第一继电保护装置8和第二继电保护装置9，第一等值电源1通过第一交流线路2与第一母线3相连，第一母线3通过被保护交流线路4与第二母线5相连，第二母线5通过第二交流线路6与第二等值电源7相连；第一继电保护装置8安装在第一母线3出口处，第二继电保护装置9安装在第二母线5出口处。

在本发明实施例中，步骤S1中，基于交流输电线路RL模型，整定点电压的计算方法具体为：

其中，t为时刻；u

在本发明实施例中，步骤S1中，虚拟故障点电压重构方法具体为：故障时刻前，虚拟故障点电压为被保护线路上某一点电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零；基于交流输电线路RL模型，故障时刻前虚拟故障点电压的计算方法具体为：

其中，t为时刻；u

在本发明实施例中，步骤S1中，数字低通滤波器截止频率根据被保护线路长度的进行选择，实施例中被保护线路长度为300km，则数字低通滤波器截止频率选择为150Hz。

在本发明实施例中，步骤S2中，经过数字低通滤波器处理的整定点电压的d轴和q轴分量的计算方法为：

其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相，t为当前时刻，T为工频周期20ms；θ(t-2T)为数字锁相环获得故障前两个周波对应时刻保护安装处k相电压的实时相位；u

在本发明实施例中，步骤S2中，经过数字低通滤波器处理的虚拟故障点电压d轴和q轴分量的计算方法为：

其中，k＝a，b，c，分别代表a相，b相和c相；t为当前时刻；T为工频周期20ms；θ(t-2T)为数字锁相环获得故障前两个周波对应时刻保护安装处k相电压的实时相位；u

在本发明实施例中，步骤S3中，整定点电压d轴变化量的计算方法为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

在本发明实施例中，步骤S3中，虚拟故障点电压d轴变化量的计算方法为：

u

其中，k＝a，b，c分别代表a相、b相和c相，t′为故障后时刻，t

步骤S3中，区内外故障的判别方法具体为：

若|u

在本实施例中，设置第一继电保护装置8正方向被保护线路50％处发生b相短路故障(图2中f

在本实施例中，设置第一继电保护装置8正方向被保护线路95％处发生b相短路故障(图2中f

参照图3、图4，图3为本发明典型500kV交流输电系统第一继电保护装置8正方向被保护线路50％处发生单相接地故障(f

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。