一种线路差动保护动作边界计算方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源电源并网保护技术领域，并且更具体地，涉及一种线路差动保护动作边界计算方法及系统。

背景技术

随着“双碳”战略目标的提出，规模化新能源并网发电已成为我国能源电力布局的必然发展趋势，以缓解日益严重的能源危机和环境污染。截止2021年7月，全国发电装机容量22.7亿千瓦其中，风电装机容量2.9亿千瓦，同比增长34.4％。太阳能发电装机容量2.7亿千瓦，同比增长23.6％。为初步实现“双碳目标”，预计到2030年非化石能源占一次能源消费比重将达到25％左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。然而，随着新能源送出系统比例持续扩大，其安全运行问题也面临严峻挑战。交流同步电源与非线性受控电源并存、三相交流网络与两极直流网络拓扑互联，系统故障特性呈现更加凸显的时变特征，其分布特征也在发生本质变化。

新能源电源的出力具有波动性、随机性等特征，导致工频故障特征不稳定，且由于新能源场站一般采用电力电子换流器并入电网，其短路电流呈现出幅值受限、相角受控、频率偏移等独特特性，与同步发电机的故障特性截然不同。进而导致传统以工频量为基础的继电保护可靠性与灵敏性受到威胁，甚至存在误、拒动风险。因此有必要提出一种以继电保护动作可靠性和灵敏性为导向的计算方法，从而明确新能源场站送出线路的差动保护正确动作边界，进而评估电网安全运行的新能源接入容量范围，对于新能源高比例消纳、电网安全运行具有重要的工程意义。

发明内容

根据本发明，提供了一种线路差动保护动作边界计算方法及系统，以解决现有技术中存在的由于新能源场站一般采用电力电子换流器并入电网，其短路电流呈现出幅值受限、相角受控、频率偏移等独特特性，与同步发电机的故障特性截然不同。进而导致传统以工频量为基础的继电保护可靠性与灵敏性受到威胁，甚至存在误、拒动风险的技术问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种线路差动保护动作边界计算方法，包括：

根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，并确定差动保护的动作判据；

根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数；

分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律；

根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能。

可选地，根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，包括：

确定差动电流I

确定制动电流I

其中，θc表示I

可选地，确定动作判据，包括：

根据启动值、制动系数以及制动电流，确定差动保护的动作判据：

其中，I

可选地，根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数，包括：

根据以下公式，构建差动保护动作边界函数：

f(x,θ

其中，x为送出线路场站侧相电流I

可选地，分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律：

对所述差动保护动作边界函数的制动系数k求偏导：

分析制动系数k对所述差动保护动作边界函数的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着制动系数k的增大单调递减；

对所述差动保护动作边界函数的夹角θc求偏导：

分析变量θc对所述差动保护动作边界函数中的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着夹角θc的增大单调递减。

可选地，根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能，包括：

在不同的制动系数k下，会产生不同的可能拒动边界，当故障相电流两侧的夹角满足下式：

/>

存在拒动可能，根据所述短路容量比x再次进行是否会拒动的验证，当短路容量比满足下式：

在此区间内时，保护发生拒动；

当所述短路容量比x满足下式：

在此区间外时，保护正常动作，不会拒动。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种线路差动保护动作边界计算系统，包括：

确定动作判据模块，用于根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，并确定差动保护的动作判据；

构建边界函数模块，用于根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数；

确定变化规律模块，用于分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律；

评估动作性能模块，用于根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能。

可选地，确定动作判据模块，包括：

确定差动电流子模块，用于确定差动电流I

其中，θc表示I

可选地，确定动作判据，包括：

确定动作判据子模块，用于根据启动值、制动系数以及制动电流，确定差动保护的动作判据：

其中，I

可选地，构建边界函数模块，包括：

构建边界函数子模块，根据以下公式，构建差动保护动作边界函数：

f(x,θ

其中，x为送出线路场站侧相电流I

可选地，确定变化规律模块，包括：

求导制动系数子模块，用于对所述差动保护动作边界函数的制动系数k求偏导：

分析制动系数子模块，用于分析制动系数k对所述差动保护动作边界函数的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着制动系数k的增大单调递减；

求导夹角子模块，用于对所述差动保护动作边界函数的夹角θc求偏导：

分析夹角子模块，用于分析夹角θc对所述差动保护动作边界函数中的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着夹角θc的增大单调递减。可选地，评估动作性能模块，包括：

夹角满足条件子模块，用于在不同的制动系数k下，会产生不同的可能拒动边界，当故障相电流两侧的夹角满足下式：

短路容量比满足条件子模块，用于存在拒动可能，根据所述短路容量比x再次进行是否会拒动的验证，当短路容量比满足下式：

保护拒动子模块，用于在此区间内时，保护发生拒动；

当所述短路容量比x满足下式：

保护动作子模块，用于在此区间外时，保护正常动作，不会拒动。

从而，通过本文所提的公式可计算出动作边界，明确新能源场站送出线路的差动保护正确动作边界，进而评估电网安全运行的新能源接入容量范围。对于新能源高比例消纳、电网安全运行具有重要的工程意义。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本实施方式所述的一种线路差动保护动作边界计算方法的示意图；

图2为根据本实施方式所述的差动电流与制动电流的关系示意图；

图3为根据本实施方式所述的差动保护动作边界函数中变化量的变化规律的示意图；

图4(a)和图4(b)为根据本实施方式所述的不同短路容量比下的保护动作及相角情况的示意图；

图5为根据本实施方式所述的一种线路差动保护动作边界计算系统的示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

根据本发明的第一个方面，提供了一种线路差动保护动作边界计算方法100，参考图1所示，该方法100包括：

S101:根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，并确定差动保护的动作判据；

S102:根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数；

S103:分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律；

S104:根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能。

具体地，所述方法包括以下步骤：

步骤1：参考差动保护的动作方程，根据平行四边形法构造动作与制动关系方程组；

步骤2：推导动作与制动关系方程组，构建差动保护动作边界函数；

步骤3：分析函数的变化属性，明确函数中变化量的变化规律；

步骤4：将保护定值带入函数，明确保护拒动区域边界，实现保护动作性能的评估。

步骤1的具体过程为：对于常见的比率制动型电流差动保护，其典型动作判据如下式所示：

式中：I

值得注意的是I

在满足差动保护“启动”门槛后，即I

I

I

将公式(2)代入公式(1)的保护动作方程I

步骤2的具体过程为：将步骤一中的公式(2)代入公式(3)，化简后令其为一个含多变量的函数，即：

f(x,θ

根据公式(4)可明确，当函数f(x,θc,k)大于0时，代表保护动作，反之f(x,θc,k)小于零时，代表保护拒动。

步骤3的具体过程为：由于短路容量比x恒大于0，k∈[0.6,0.8]恒大于0，θc∈(90,180)导致cosθc∈(0,-1)，因此将函数f(x,θc,k)对k求偏导，主要分析变量k对函数的作用：

从公式(5)中可以得出偏导后函数小于0，即该函数随着k的增大单调递减，参考图3所示。

同理将函数f(x,θc,k)对θc求偏导，主要分析变量θc对函数的作用：

从公式(5)中可以得出偏导后函数小于0，即该函数随着θc的增大单调递减，参考图3所示。

步骤4的具体过程为：为满足求取到的保护拒动区域最大，因此制动系数k取0.8，θc＝180度代入函数中，可得到f(x,θc,k)<0的最大面积，即得到保护的最大误动面积，此时x＝9，即短路容量比为1:9，因此可知当短路容量比大于1:9时，函数f(x,θc,k)>0，即保护一定可以正确动作。

在应用过程中，不同保护装置的制动系数k可能存在不同，因此为评估保护装置的动作性能需要将实际要估计的装置中k值代入函数(4)中，此时函数(4)即为短路容量比与相角差的关系，再将实际的短路容量比代入，最终得到相角差的值。最终判断保护是否会拒动。具体表达如下：

在不同的制动系数k下，会产生不同的可能拒动边界，当故障相电流两侧的相角差满足下式：

此时将存在拒动可能，同时需要根据实际短路容量比x再次进行是否会拒动的验证。当短路容量比满足下式：

即在此区间内时，保护会发生拒动。

当短路容量比满足下式：

即在此区间外时，保护可以正常动作，不会拒动。以新能源送出系统为例，对所提的方法进行验证。

参考图4(a)所示，图4(a)中是短路容量比1:1.28且k＝0.8时，动作情况及相角情况。通过理论计算，把短路容量比边界1:1.28和k＝0.8带入所提函数中，可以得到角度为103度。可以看出故障相B的两侧故障电流相角差约为50度，小于103度，即不会拒动；故障相C的两侧故障电流相角差约为114.6度，大于103度，即保护拒动。相反验证：根据理论计算114.6度时短路容量比边界为1:3.5，而此时短路容量比为1:1.28，1.28小于1:3.5。即会拒动，与理论分析一致。

参考图4(b)所示，图4(b)中是短路容量比1:12.7且k＝0.8时，动作情况及相角情况。故障相B的两侧故障电流相角差约为42度，小于103度，即不会拒动；故障相C的两侧故障电流相角差约为104度，虽然大于103度，但由于短路容量为1:12.7，12.7大于9，因此不会拒动，与理论分析一致。

从而，通过本文所提的公式可计算出动作边界，明确新能源场站送出线路的差动保护正确动作边界，进而评估电网安全运行的新能源接入容量范围。对于新能源高比例消纳、电网安全运行具有重要的工程意义。

可选地，根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，包括：

确定差动电流I

确定制动电流I

其中，θc表示I

可选地，确定动作判据，包括：

根据启动值、制动系数以及制动电流，确定差动保护的动作判据：

其中，I

可选地，根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数，包括：

根据以下公式，构建差动保护动作边界函数：

f(x,θ

其中，x为送出线路场站侧相电流I

可选地，分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律：

对所述差动保护动作边界函数的制动系数k求偏导：

分析制动系数k对所述差动保护动作边界函数的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着制动系数k的增大单调递减；

对所述差动保护动作边界函数的夹角θc求偏导：

分析变量θc对所述差动保护动作边界函数中的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着夹角θc的增大单调递减。

可选地，根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能，包括：

在不同的制动系数k下，会产生不同的可能拒动边界，当故障相电流两侧的夹角满足下式：

存在拒动可能，根据所述短路容量比x再次进行是否会拒动的验证，当短路容量比满足下式：

在此区间内时，保护发生拒动；

当所述短路容量比x满足下式：

在此区间外时，保护正常动作，不会拒动。

从而，通过本文所提的公式可计算出动作边界，明确新能源场站送出线路的差动保护正确动作边界，进而评估电网安全运行的新能源接入容量范围。对于新能源高比例消纳、电网安全运行具有重要的工程意义。

根据本发明的另一个方面，参考图5所示，还提供了一种线路差动保护动作边界计算系统500，该系统500包括：

确定动作判据模块510，用于根据送出线路两侧的电流，确定差动电流和制动电流，并确定差动保护的动作判据；

构建边界函数模块520，用于根据所述差动电流和制动电流的关系方程组，构建差动保护动作边界函数；

确定变化规律模块530，用于分析所述差动保护动作边界函数的变化属性，确定所述差动保护动作边界函数中变化量的变化规律；

评估动作性能模块540，用于根据所述差动保护动作边界函数，通过所述变化规律确定保护拒动区域边界，评估保护动作性能。

可选地，确定动作判据模块510，包括：

确定差动电流子模块，用于确定差动电流I

确定制动电流子模块，用于制动电流I

其中，θc表示I

可选地，确定动作判据模块510，包括：

确定动作判据子模块，用于根据启动值、制动系数以及制动电流，确定差动保护的动作判据：

其中，I

可选地，构建边界函数模块520，包括：

构建边界函数子模块，根据以下公式，构建差动保护动作边界函数：

f(x,θ

其中，x为送出线路场站侧相电流I

可选地，确定变化规律模块530，包括：

求导制动系数子模块，用于对所述差动保护动作边界函数的制动系数k求偏导：

分析制动系数子模块，用于分析制动系数k对所述差动保护动作边界函数的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着制动系数k的增大单调递减；

求导夹角子模块，用于对所述差动保护动作边界函数的夹角θc求偏导：

分析夹角子模块，用于分析夹角θc对所述差动保护动作边界函数中的变化规律：所述差动保护动作边界函数随着夹角θc的增大单调递减。

可选地，评估动作性能模块540，包括：

夹角满足条件子模块，用于在不同的制动系数k下，会产生不同的可能拒动边界，当故障相电流两侧的夹角满足下式：

短路容量比满足条件子模块，用于存在拒动可能，根据所述短路容量比x再次进行是否会拒动的验证，当短路容量比满足下式：

保护拒动子模块，用于在此区间内时，保护发生拒动；

当所述短路容量比x满足下式：

保护动作子模块，用于在此区间外时，保护正常动作，不会拒动。

本发明的实施例的一种线路差动保护动作边界计算系统500与本发明的另一个实施例的一种线路差动保护动作边界计算方法100相对应，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。