基于单端信息量的特高压串补线路距离保护方案

第４１卷第１期　２０１４年１月　华北电力大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏａｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．４１．Ｎｏ．１　Ｊａｎ．，２０１４　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１００７—２６９１．２０１４．０１．１０　

基于单端信息量的特高压串补线路距离保护方案　

郑　涛　，高　超　，赵　萍　

（１．华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京１０２２０６；２．台州电业局，浙江台州３１７０００）　

摘要：基于输电线路的Ｒ．Ｌ模型，提出了一种利用单端信息量的串补线路距离保护方案。该方法根据串补电　容与线路参数的关系，列解故障状态网络和故障附加网络微分方程，推导出一组以故障距离和过渡电阻为待　求参数的方程式，通过求解线性方程直接得到故障位置。该方法可以实现故障的精准定位，较好地解决了传　统距离保护在串补线路中的暂态超越问题，同时，利用ＭＯＶ导通前的暂态信息，很好的避开了ＭＯＶ导通初　期串补电容电压难以获取的问题，极大的提高了距离保护的可靠性。利用ＰＳＣＡＤ仿真验证了该方案的可靠　性和有效性。　

关键词：串联补偿线路；距离保护；故障定位；Ｒ—Ｌ模型；单端信息　

中图分类号：ＴＭ７７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—２６９１（２０１４）０１—００６０—０６　

Ａ　ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＵＨＶ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　

ｌｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｎｅ．ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　

ＺＨＥＮＧ　Ｔａｏ　，ＧＡＯ　Ｃｈａｏ　，ＺＨＡＯ　Ｐｉｎｇ　

（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０２２０６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔａｉｚｈｏｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｔａｉｚｈｏｕ　３１７０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｒ・Ｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ，ｕｓｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｅｎｄ　ｄａｔａ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｌｉｎｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｓｔａｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｆａｕｌｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｏｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅｓ．Ｆａｕｈ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｂｙ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｂｅｙｏｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｒａ—　ｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｓｃｈｅｍｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｎｌｙ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄａｔａ　ｂｅｆｏｒｅ　ＭＯＶ，ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ａｖｏｉｄ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＭＯＶ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ　ｄｉｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ，ｔｈｅｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ＰＳＣＡＤ　ｓｉｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ，　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｌｉｎｅ；ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ；Ｒ—Ｌ　ｍｏｄｅｌ；ｏｎｅ—ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　

０　引　Ｉ＝１　

线路安装串联补偿装置可以很好地提高系统　的经济性和可靠性，在我国高压远距离输电线路　

中得到了广泛地应用　。随着特高压电网的建　设，智能电网工程的推进，串补因其改善电力系统　

收稿日期：２０１３—１０—２７　稳定性，提高电能质量及线路传输功率，减少线路　损耗的优势，在未来的电网建设中，应用前景将更　

加广阔。然而，串补电容破坏了输电线路参数的　

均匀性，可能造成电压电流反向，并在故障信息中　引入大量低频分量及衰减的非周期分量，给传统　

继电保护尤其是距离保护产生不利的影响　“　。　

ＭＯＶ导通时，其非线性将进一步加大传统距离保　

护可靠动作的难度。　

为解决安装串补之后给传统距离保护带来的　第１期　郑涛，等：基于单端信息量的特高压串补线路距离保护方案　６ｌ　

问题，当前主要有两种方案　。　：一是改变线路整　

定值，即利用线路阻抗和串补容抗之和进行整定，　

利用ｚ，＝Ｚ　一ｌｚ。Ｉ，但随着补偿度的增高，保护灵　

敏性将逐渐降低，甚至降为零；二是利用电平检测　方案，即假设串补电容两端的电压一直保持在其　

过电压保护水平上，并由此构建保护判据，此方案　

在故障发生在串补装置前以及故障发生在串补装　置后但串补电容被旁路的情况下，可能会出现保　

护拒动的问题。　当前，对于串补线路的故障定位方法有了较　

大的发展。文献［１］利用故障后到ＭＯＶ导通前的　

暂态信息进行模型识别，实现故障点的快速定位。　但这种方法是在单相故障的基础上提出的，在适　

用范围上具有一定的局限性。文献［３，４］利用串　

补装置的等值阻抗来估计串补两端的电压，用于　故障定位。但此方案仅利用工频信息，特高压串　

补系统含有大量的低频分量和高频分量，仅使用　

工频量进行故障定位有失准确性。文献［５］利用　串补安装在线路末端的模型，假设串补电容前的　电压为补偿电压，通过分析故障发生在串补装置　前后时补偿电压的幅值及相位的不同来确定故障　

点相对串补装置的位置，此方案未考虑过渡电阻　

地影响，对过渡电阻的适应性不足。　本文提出了一种基于单端信息量的特高压串　

补线路故障测距方案，根据故障状态网络和故障　附加网络，得到了以故障距离及过渡阻抗为未知　

量的时域方程组。该算法不必事先确定故障点相　

对串补的位置，对过渡电阻有较强的适用性。同　时，利用故障后到ＭＯＶ导通前的暂态数据快速识　

别故障位置，能够避开了ＭＯＶ的非线性影响，具　

有较高的可靠性。ＰＳＣＡＤ仿真证明，该方案在各　种故障状态下均可实现快速准确地故障定位，具　

有较高的可靠性。　

１　基于单端信息量的距离保护基本　

原理　

首先，采用单相系统模型，推导保护算法的基　

本原理。双端电源的单相故障线路如图１所示。　

图中ｉ　，ｉ　为故障时Ｍ，Ｎ两侧的电流瞬时　

值；　，Ｍ　为故障时Ｍ，Ｎ两侧的电压瞬时值；ｔｔｆ，ｉｆ　

为故障点的电压电流瞬时值；Ｒｆ为故障时的过渡　电阻值；ｅ　，ｅ　为双端系统的等值电源；ｚ代表单位　图１　故障状态的等值电路图　Ｆｉｇ．１　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｆａｕｌｔ　ｓｔａｔｉｏｎ　

长度的线路阻抗值，其可表示为ｒ＋ｊ　的形式；ｌ　ｌ　分别为Ｍ侧及Ｎ侧到故障点的距离；　串补电　

容的容抗值。　

由图１可以列写故障状态下系统方程式为　

＝ｒｌａｉｓ＋Ｘｌｄｌ等＋　ｉＭｄ　＋ｉｆＲｆ（１）＋　＋　一　Ｈ　（）　

对其两边取微分得：　

。鲁　＋　誓　

公式（２）中：ｒ，　为线路参数；Ｃ为串补电容的容　

抗值，均为已知量；“　，ｉ　为采样数据，其一阶及二　

阶微分值可以利用差分代替微分的方式求得，即　

ｄｔ　２Ｔｓ　

ｄｉＭ（ｎ）　ｉＭ（ｎ＋１）＋ｉＭ（ｎ一１）　一：＝一　ｄｔ　２Ｔｓ　

ｄｉ　ｉＭ（ｎ）　ｉＭ（ｎ＋１）＋ｉＭ（ｎ一１）一２ｉＭ（ｎ）　一＝：～　ｄｔ　２Ｔｓ　

（３）　式（３）中：Ｔｓ为采样间隔；ｎ为采样时刻。此时，系　

统方程中未知参量为ｚ　Ｒｆ，　，。如使用叠加定理，　将故障后的网络拆为正常工作状态网络及故障附　

加网络，利用故障附加网络电流关系可求得故障　

电流　ｒ。网络结构如图２所示，图中　，ｉ　为系统　正常工作时Ｍ处测得的电压值及负荷电流值；　

，ｉ　为系统故障后Ｍ处测得的电压及电流值；　ｉ　故障后Ｎ处测得的电流值；故障附加网络中故　

障分类满足ＡｕＭ＝ＭＭ＾一ｕＭ　，ＡｉＭ＝　Ｍ＾一ｉＭ　。　根据图２（ｂ）中的线路关系可得：　

：　；　Ａ　（４）ｚ，＝———————　—————一　Ｍ　Ｉ　ｑ　Ｊ　

ｄ２　特高压线路中线路电阻远小于线路电感，故　

存在ｆ　＝Ｘ　／ｚ　Ｘ　／ｘ＝ｋｃｚ。其中　为线路的串　

补度，ｚ为线路的总长度。从而方程（４）可化简为　

ｆ　１一ｋ　、ｆ　ｒ＝　＿一手　ＡｉＭ　（５）

　６２　华北电力大学学报　

Ｍ　（ａ）正常状态网络等值电路　Ｎ　

Ｃｏ）故障附加网络等值电路　图２　故障状态下叠加原理分解图　Ｆｉｇ．２　Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆａｕｌｔ　ｃｏｎ－　ｄｉｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

推导测距方程式为　

ｄａＭ。ｚ　。＋Ａ　ｚ　２　＋Ａ　Ｒｓ＋Ａ４　

式中：　

÷　＋ｒ　＋　一　孚　

一÷　一手　

。，　，、ｄｉＭ　Ａ　３　（１～ｃ）　

Ａ　＝　Ｒ，＝　Ａｌｌ　Ａ１２　ｄＵ　Ｍ１一Ａ１４　

Ａ１２　Ａ２２　ｄｕ　Ｍ２一Ａ２４　

ＡＩ３　Ａ３２　ｄｔｔ　Ｍ３一Ａ３４　（９）　

故障距离ｚ　。的计算公式中，串补电容值体现　

Ａ　（　１，２，３，４；　＝１，３，４）中，经矩阵计算，发现　串补电容值对故障距离ｚ　。的测距结果影响不明　

显，该算法可同时适用于串补前和串补后故障。　

（６）　２三相串补系统保护算法　

２．１　三相线路的序网变换矩阵　三相输电线路存在复杂的耦合关系，在分析　

三相线路时应先进行解耦分析。由故障分析理　论　可知，通过变换矩阵方式可将三相系统解耦　

分解为３个序网系统。本文算法基于时域参数，　利用对称分量法将其分解为３个序网（正序，负　

序，零序），其变换矩阵为　

线性方程组（６）中有３个系数，理论上取３个　

不连续采样点的电压、电流数据建立３个方程的　线性方程组：　

＿Ａ１　“　２＋Ａｌ，　

ｄＵＭ２：Ａ２１ｌ，／１＋Ａ２２ｆ２　＋Ａ　，Ｒｉ＋Ａ：　（８）　

ｄｔｔＭ３：Ａ３１ｌｄｌ＋Ａ３２　ｚ２ｄ。＋Ａ３３ＲＩ＋Ａ３４　

利用此线性方程组可以准确测得故障距离　ｚ　及过渡电阻　的大小：　

ｄＵ　Ｍ１一ＡＩ４　Ａ１２　Ａ１３　

ｄＵＭ２一Ａ：　Ａ２２　Ａ２３　

ｄｕ　Ｍ３一Ａ３４　Ａ３２　Ａ３３　÷　，