基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略研究

董承阳

（国网兰州供电公司）

0 引言

智能电网即是电网的智能化， 也被叫做“电网2.0”， 和传统电网相比较， 智能电网的供电能力显著提升， 运行方式更灵活、 可靠。传统的本地继电保护策略实施前漏洞百出， 无法满足智能电网的快速发展需求， 广域输电系统的建设为新型继电保护技术的发展及完善创造了优势条件， 相关部门对广域继电保护进行了大量研究， 主要集中在继电保护系统主要构成、 故障精准定位算法、 保护动作策略等方面。

关于广域输电系统的故障定位问题， 目前主要有两种算法， 分别是基于方向比较原理及电流差动原理的广域继电保护算法[1］。第一种算法对方向元件的特性表现出较强的依赖性， 若不能精准判定方向元件，则会造成算法输出结果错误； 第二种算法对同步采样精准度与电容电流的补偿性均提出了极高的要求， 基于阻抗匹配原理对其进行优化， 进而获得全新的继电保护控制策略， 这种策略的灵敏度较高， 无需进行补偿， 且实施过程不受过渡电阻等因素的影响。

1 阻抗匹配的基本原理

纯电阻电路由负载电阻(R)、 电压源(E)及电源的内阻(r)三部分组成。因为电路内有r， 所以当R值较大或者过小时， 那么整个电路将会接近开路或短路状态。输出功率为[2］：

当R=r， 分母值最小， 是4r， 负载功率达到最大，表明电路阻抗是匹配的。

2 不同输电系统阻抗匹配的继电保护原理

2.1 两端输电系统

图1 是某常规两端输电系统模型， 电路结构近似于π 型。针对该类输电系统的匹配阻抗做出如下定义：

图1 内的F 点突发了故障问题。图1 （a） 代表发生了继电保护区域外故障， 匹配阻抗值是：

在这样的工况下， 匹配阻抗Zcd显现出容性特征，能帮助相关部门或人员快速感知当前输电线路的容抗水平， 虚部是一个幅值偏大的负数。

图1 （b） 是线路继电保护区域内故障， 用下式计算匹配阻抗大小：

式中，Z1=Zm+Z1m，Z2=Zn+Z1n；K取0.5；δ表示系统两端输电电压的相位差。影响匹配阻抗Zcd大小的因素较多， 包括系统两端电源阻抗、 线路阻抗、 过渡电阻RF、δ等。大部分情景下， 第一、 二象限是Zcd的主要分布范围， 虚部是正值； 当RF和δ值都较大时， 那么Zcd可能分布于第一、 二、 四象限内， 其虚部的绝对值远远小于Zcd。

深究阻抗匹配的继电保护实现的基本原理， 根据Zcd虚部的幅值大小及正负， 能更加合理地判定被保护线路的故障发生情况， 判断依据是[3］：

式中， 用输电线路容抗值确定Zset大小， 取值范围500~600Ω；Iset是电流互感器二次侧额定电流的0.2倍。

2.2 多端输电系统

2.2.1 继电保护算法的基本原理

图2 是多端输电系统的模型图， 对于广域输电系统， 可以用下式计算其匹配阻抗Zcd：

图2 多端输电系统的简化模型

式中，M与N分别表示的是广域输电系统的进出线路数及供电母线个数。

分析多端输电系统继电保护区域外故障的发生原理。针对继电保护区域边界处的全部线路电流总和İcd， 其大小可以用保护区域内线路的电容电流总和表示， 将被保护区域内总电容容抗等效成ZC， 当故障处于继电保护区域外时， 基于下式能运算出其匹配阻抗Zcd：

现实中， 因为多端输电系统继电保护区域的范畴存在着一定制约因素， 结合式 （8） 可以发现，Zcd能呈现出继电保护区内等效容抗大小， 幅值偏大， 匹配阻抗角维持-90°不变。

对于多端输电系统继电保护区域内故障原理， 其分析思路和继电保护区域外故障分析大体一致。处在继电保护区域边界的所有线路电流总和İcd近似等于继电保护域内电容电流及故障电流İF总和， 其中：

分析式 （10）， 当继电保护区域内出现故障时， 其虚部是感抗， 幅值较小。在高压输电线路内， 电源及线路阻抗的阻抗角都接近90°。RF值较小时， 可以通过测定分析Zcd的阻抗角推导出电源及线路阻抗的阻抗角具体值， 其大小均接近90°， 伴随RF值的增大过程阻抗角不增反减。

参照Zcd虚部绝对值的幅值能初步判定继电保护区域内是否有有故障， 同时阻抗角所在区域辅助判断， 判定依据如下：

式中， 根据不同电压等级的输电线路容抗值确定Zset大小， 一般取600Ω； 分析各类影响因素，ε的取值范围15°~30°。

当继电保护区域内发生故障时检测到的匹配阻抗虚部绝对值显著小于区域外故障时的虚部绝对值，Zset=600Ω 时， 以上的保护动作判断依据体现出高灵敏度及大裕度的双重特征。

2.2.2 继电保护算法的实现策略

为了增减多端输电系统的继电保护通信与运算执行过程的精简度， 要在继电保护区域内加装启动元件， 通过这种方式使线路差电流的绝对值|Icdi|始终高于Ilset，Ilset是系统额定电流的0.2~0.5 倍。启动元件动作后， 继电保护系统会立即触发继电保护逻辑。实现流程见图3。

图3 继电保护算法的实现流程

（1） 情况一： 线路局部缺陷而引起的差流； 或线路运行过程中突发故障时单侧端断路器动作照常， 但由于另一端失效引起了差流。

（2） 情况二： 线路内电流互感器局部断线或电流信号采集异常等， 造成电网正常运行过程中形成差流。

（3） 情况三： 由于变电站通信异常、 控制电源功能缺损， 进而干扰了电网正常运行状态， 最后形成了差流。

3 算例仿真分析

基于电磁暂态仿真平台PSCAD /EM TDC 创建仿真模型。

假定在输电线路A9和B8单侧线路总长15%处突发了接地及短路故障， 接地、 短路时的RF值分别是300Ω、 25Ω。为了验证基于阻抗匹配原理的继电保护算法的有效性， 仿真时计算出保护对象的Zcd值。假定供电系统稳定运行后， 在1s 时刻发生了故障， 经0.25s 后故障返回。表1 内记录了线路A9 匹配阻抗Zcd的计算结果[5］。

表1 发生故障后一周波时刻匹配阻抗的运算结果

结合表1的数据， 继电保护区域A9发生的是内部故障， 故障相的虚部最大值是0.038kΩ， 远远小于600Ω， 阻抗角范围-3.8°~-90°。非故障相虚部的最低值9.9kΩ， 阻抗角83°~-91°。综合仿真结果， 基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略有灵敏度高， 整定方法及执行过程较简单等优点， 可以尝试推广使用。

4 结束语

本文的论述思路较简单， 以传统两端输电系统阻抗匹配原理下的继电保护控制策略作为范本进行分析， 以合理的方式深化、 拓展了适用于两端输电系统的保护理论， 提出了适用于多端输电系统的继电保护策略。解读匹配阻抗算法的基本原理， 摸索出继电保护的实现方案、 流程， 其有效弥补了继电保护控制策略的不足。通过仿真分析验证了算法的有效性， 且整定方法简单、 抗干扰能力强、 识别灵敏度较高， 为后续研究广域输电系统的继电保护控制策略指明了方向， 提供了新思路。