两种纵向阻抗标称制的性能对比与仿真验证

夏经德,康小宁,邵文权,程 远

(1.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048; 2.西安交通大学 电气工程学院,陕西 西安 710049)

0 引 言

随着智能化电子互感器技术、高性能微机处理技术和宽频带光纤通信技术的飞跃发展, 国内外的微机保护已经由简单地模仿传统成熟的保护方式逐步发展出功能完善、技术新颖、适应性强和稳定可靠的综合保护措施.复杂的新技术不再成为影响保护可靠性的瓶颈,它们的代表有行波保护[1]、自适应保护[2]、基于Prony方法的保护[3]、参数识别保护[4]和基于小波的保护[5]等,已经成为相关科技文献争相追逐的研究目标.

近年来出现了一类新型的输电线路单元式阻抗计算方法[6-7],它最成功的特点在于具有立论严谨、分析透彻、整定清晰和功能可靠的特点,因此突破了传统阻抗计算的束缚,可以成为未来保护发展的样本,其中纵向阻抗的计算方法是其中的典型代表[8].它的最大特点在于找到了被保护线路的电压、电流与阻抗之间可以相互比较和等量转换的物理模型以及数学表达,由此建立了确保纵向阻抗可靠性和灵敏度的理论基础和应用前景.

通过近年对纵向阻抗的不断研究,逐步认识到该阻抗的其他性能特点以及未来的扩展方向,同时也暴露出在早期研究中还存在的若干技术问题.例如,传统的纵向阻抗习惯使用有名制计量方法,这种方法所反映的阻抗状态直观明确，但是这种方法也存在一些问题，主要表现在系统的运行方式,特别是线路长度发生变化时,很难从阻抗数据中直接进行状态评估，当遇到超短线路纵联保护时,由于线路阻抗偏小将可能导致状态分辨裕度变窄,影响工程实际运用效果.

本文将电力系统分析中所采用标幺制的计算方法以及相关的分析过程运用到纵向阻抗,它的最大特点在于将基于有名制的纵向阻抗所得到不同的计算结果合理转换成为一致的纯数值结果,建立了统一的、可以直接相互比较的基准平台.通过理论分析和仿真验证可以发现,采用标幺值的纵向阻抗在性能评估和状态判断方面获得了明显的改善,这种方法因此具有较好的工程应用前景.

1 纵向阻抗的基本原理和特点

1.1 纵向阻抗的性能分析

根据文献[8]所记载的相关内容,纵向阻抗是以线路两端电压差除以线路两端电流和,获得阻抗结果为量纲的新型保护算法:

(1)

通过理论分析可知,纵向阻抗以线路串联阻抗为界,甄别所发生故障的原因.为了有效利用本文的篇幅,所用的图形、变量以及相关的说明等全部参见文献[8].根据纵向阻抗的性能分析结果可以知道,纵向阻抗的计算结果可以与故障距离保持严格的线性变化关系,且不受故障电阻的任何影响,这个特点可以作为故障测距的方法,可有效改善基于工频电气量的传统故障测距性能.

1.2 纵向阻抗的解耦特点

纵向阻抗成功地利用了零序电路的电气特点,将与故障位置有关的零序电流等效置换为与故障位置无关的零序电压,由此完全消除了相间耦合的影响,确保纵向阻抗可以准确以线路串联正序阻抗为界,甄别区内外故障的保护特性:

(2)

确保基于单相线路模型所得的纵向阻抗特征完全可以适用于三相线路模型的纵向阻抗.

1.3 纵向阻抗的性能分析

纵向阻抗除了具有上面所述能够准确甄别区内外故障的特点外,根据文献[8]可以知道,纵向阻抗还完全能够抵御系统在正常运行的所有范围内所带来相关扰动的影响.对于现有最高电压等级、最长距离的交流输电线路，正常运行情况下纵向阻抗可以忽略线路分布电容所带来的影响,正常分辨线路的实际运行状态.无论是TA互感器稳态还是暂态电磁饱和,都不会影响纵向阻抗的可靠性.纵向阻抗具有充裕的甄别裕度,完全有能力克服TA和TV互感器各种稳态和暂态测量误差所造成的影响.纵向阻抗克服了许多传统继电保护弊端.

纵向阻抗之所以能够具备上述诸多卓越性能特点,关键在于它特有的计算结构.通过分析可以发现,当遇到区外故障时,只要有一定的故障分量电流流过被保护线路,线路两端电压差在纵向阻抗的计算中处于绝对不可动摇的大数地位:

(3)

任何测量衰减、电磁扰动与状态变化都不可能改变式(3)所建立的大小对比关系,确保了纵向阻抗绝对的可靠性.当遇到区内故障时,只要有一定的故障电流(由故障位置、故障电阻、线路长度以及系统运行方式确定,可以通过保护启动门槛来甄别和限制),线路两端电流和在纵向阻抗的计算中处于绝对不可动摇的大数地位:

(4)

式中 比较公式的中间项为线路两侧至故障点幅值较大的电压差.

只要内部故障可靠，触发所设置的保护启动单元后,就可以确保式(4)所建立的大小对比关系,确保了纵向阻抗绝对的灵敏性.根据式(3)和式(4)所反映的状态特性可以知道,纵向阻抗所涉及的线路各相两端电压差、两端电流和与两端之间线路串联正序阻抗之间不仅在区内、区外故障时呈现完全不同的比较状态关系,而且具备等效状态转换与相同量纲比较的物理表达模型和数学计算形式,而且这3种电气量来自完全不同的度量体系,具有彼此独立的状态特征和计量方法,并且不能通过任何分析方法进行简化或者合并,确保了构成相关保护可靠性与灵敏度三足鼎立式的完美配合关系,是纵向阻抗最重要的性能特点.

2 纵向阻抗的标幺值计算和特点

随着对纵向阻抗不断深入的研究和验证后发现,文献[8]直接采用有名制方式定义并且设定相关保护的判别公式,这种方法具有计算简单、目标明确、状态分辨清晰和保护整定简单的特点,可以直接产生良好的保护效果.但是这种方法也存在2点不足:

(1) 采用有名制的纵向阻抗在具体保护整定时需要按照被保护线路实际串联阻抗制进行,保护实际计算结果也与线路阻抗直接相关,给故障分析和状态甄别带来一定的困扰.

(2)当遇到超短距离线路的保护时,由于区内故障纵向阻抗的变化范围有限,当遇到区外故障时出现TA饱和或者类似问题时,状态分辨的裕度将缩小,影响保护的工程实际应用效果.

针对上述2个问题,本文提出了标幺值纵向阻抗的计算方法,即在文献[8]公式(33)所涉纵向阻抗计算式的分母项中增加了被保护线路的串联正序阻抗:

(5)

由此构建了基于标幺值纵向阻抗的单元式输电线路纵联保护改进方案.式(5)与文献[8]中保护判据的唯一区别就在于:式(5)阻抗计算的分母上增加了一个线路正序阻抗的标幺化计算基准阻抗值.正是由于在纵向阻抗的保护判别式中增加了基准阻抗值,这样所得标幺值的纵向阻抗摆脱了有名值的束缚,所得阻抗结果更能体现如下优势:

(1) 当遇到短距离线路的单元式保护时,所得阻抗结果与长距离线路的阻抗结果具备相同的动作门槛和甄别裕度,因此提高了纵向阻抗适应不同线路特性的能力,增大了短距离线路故障判别的灵敏度.

(2) 纵向阻抗由此可以忽略线路正序阻抗幅值大小的影响,当遇到其他因素影响时,如电流互感器传变误差与饱和、线路分布电容影响等,可以直接根据所得阻抗结果作出相关因素对阻抗影响程度的判断,因此具有数值比较和性能评判统一的基础和平台.

3 两种标称值纵向阻抗的性能比较

与有名制的纵向阻抗相比,标幺值的纵向阻抗在计算方法中增加了被保护线路的串联正序阻抗,使纵向阻抗计算式分母项的量纲经过调整后与分子项的量纲取得一致,使计算结果不再呈现量纲的特点,便于阅读理解和性能分析.与此同时,由于有名制的纵向阻抗在保护甄别时所采用的阻抗幅值甄别,按照工程计算特点以及阻抗保护惯例,分辨裕度应该不小于18Ω,当遇到超短距离线路发生TA饱和时,可能造成分辨裕度偏小，影响甄别效果;对于标幺值的纵向阻抗在故障甄别时所采用的相对比较纯数,分辨裕度超过1.3倍即可满足甄别要求.因此同样针对发生TA饱和的超短线路,后者具备更强的适应能力和应用前景.

4 仿 真

为了与文献[8]仿真结果保持一致并且能够比较性能特点,本文所用文献[8]所记载1 000kV，500km超长距离交流输电线路和500kV，50km短距离m侧测量端附带TA饱和特性EMTP仿真线路模型,具体EMTP仿真模型以及相关电气及其他参数请查阅文献[8].

表1为超长距离线路a 相单相接地故障时2种纵向阻抗EMTP仿真的对比结果,其中有名制纵向阻抗的计算量纲为Ω,标幺值的纵向阻抗是无量纲的.

表2为短距离线路a相单相接地故障m单端CT 饱和时2种纵向阻抗EMTP仿真的对比结果,各阻抗的计算量纲如表1所示.

根据表1和表2所得的仿真结果可以获得以下结论:

(1) 在任何故障情况下,2种纵向阻抗算法的结果都能够准确分辨出所发生故障的实际状态,说明2种算法都具备完整的可靠性与灵敏度,完全可以适应所遇到的各种保护需要.

表1 单向接地故障下2种阻抗的仿真对比结果

表2 单相接地故障单端CT饱和的仿真对比结果

(2) 当遇到短距离线路发生单侧TA饱和时,将增大纵向阻抗分母项的数值,并且因此降低了纵向阻抗的计算幅值和相关保护的可靠性.当考虑状态的分辨裕度时,有名制的纵向阻抗在表2的最右侧略显不足,如饱和进一步加深势必加剧恶化该状态的分辨效果.标幺值的纵向阻抗在相同位置上显现出更大的分辨裕度,说明该算法具有更好的适应能力,并且由此可以提高状态的分辨效果.

(3) 有名制的纵向阻抗在面临超长距离的输电线路时所获得的阻抗幅值离动作整定值较远,可能会产生长距离线路分布电容影响有限的错觉，而标幺值的纵向阻抗则明确显示线路分布电容同样是影响纵向阻抗性能的正确提示.

(4) 有名制的纵向阻抗很难获得各种干扰因素对纵向阻抗影响的相对参照比较数据.而标幺值的纵向阻抗则直接可以从所得的结果上分析出相关干扰因素所造成影响的对比结果,如分布电容所带来的影响和TA饱和的基本相同.

由此可以看出,虽然两种标称制都能够正确描述出所被保护线路的实际状态,但是标幺值的纵向阻抗在描述状态特性时更直观可读,因此此方法更适用于实际应用.

5 结束语

本文提出了一种基于标幺值纵向阻抗的计算方法,并进行了理论分析、仿真验证.分析结论和仿真结果表明,在区外故障时,标幺值纵向阻抗的结果更能反映出线路实际运行时各种干扰因素所造成的扰动效果,在同等条件下比有名制的纵向阻抗有更好的判别裕度;在区内故障时,2种纵向阻抗的结果都能真实描述故障性质,故障特征十分明显,保证上述纵联保护的灵敏性.标幺值纵向阻抗的保护整定效果更稳定、数值简单、提示清晰,可以进行定量比较.在EMTP 数字仿真中,所得结果表明本文所提出标幺值的纵向阻抗更具备实际工程的应用价值.

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