基于阻抗匹配原理的继电保护控制研究

国网新疆电力科学研究院 陈 龙

现阶段我国智能电网加速建设，电网整体供电能力得到有效增强，也呈现出复杂性特点，运行方式越来越灵活[1]。基于这种情况下，以往使用的继电保护方式不再符合当前智能电网使用需求，甚至产生诸多故障问题，直接影响到供电的稳定性。为确保继电保护控制发挥作用，电力技术人员开始使用广域测量系统，从而为继电保护提供了新的技术支持[2]。广域继电保护使用主要包含广域继电保护系统组成、故障位置确定、保护策略等方面。当前，我国在广域故障位置确定方面，主要使用方向比较原理的广域继电保护算法和电流差动原理的广域继电保护算法。其中，方向比较原理的广域继电保护算法往往需要充分发挥方向元件的作用，对其产生很强的依赖性，如果方向没有判断正确，往往会造成算法输出上出现严重差异；电流差动原理的广域机电保护算法对实时采样精准度和电容电流补偿有着非常高的要求，对其调整优化可以形成阻抗匹配原理的继电保护控制策略，这种方法使用中，不用进行任何补偿，与过渡电阻也没有什么关系，并且敏感度非常高，能够满足当前电网运行的需要。

1 传统输电系统阻抗匹配的继电保护原理分析

1.1 两端输电系统

从传统两端输电系统阻抗匹配分析，如果其中产生故障后，需要对故障问题进行分析，判断是区域外故障还是区域内故障[3]。如果是输电线路继电保护区域外产生故障，其匹配阻抗数值是：

在这种故障产生中，整体所呈现的匹配阻抗更多是容性特点，可以充分体现出输电线路的容抗，但是虚部是非常大的负值。如果是区域内产生故障，其匹配阻抗数值和电源阻抗、线路阻抗等有着很大关系[4]。从具体层面而言，匹配阻抗会处于第一、第二象限内，虚部需要选取正值，如果过流电阻和电源差异都非常大，其匹配阻抗很大程度上处于第四象限，虚部数值也会非常小，往往会低于匹配阻抗。

1.2 多端输电系统

1.2.1 继电保护算法原理分析

图1是多端输电系统的模型，也可以作为三端以上的广域输电系统，对于广义输电系统而言，其匹配阻抗为：

图1 多端输电系统模型

在式（2）中，N和M都是广域输电系统的供电母线数量，也可以代表输出和输入线路数量。

从具体层面而言，多端输电系统继电保护区域外故障也是频繁存在的。在整个继电保护设备使用，一直位于继电保护区域边缘范围的所有线路电流总和是Idc，能够将其近似于继电保护区域所有线路的电容电流总和，这时继电保护区域内所有电容的容抗数值大小等于ZC，导致继电保护区域外部范围依旧处于故障中，其产生的匹配阻抗应当为：

从多端输电系统分析，其继电保护范围有着非常显著的区域限制，无法实现全部保护，通过式（4）可以得到，匹配阻抗往往可以呈现出继电保护范围内存在的等效容抗数值，并且也会有非常大的数值变化程度，其阻抗角一般是－90°[5]。通过对多端输电系统模型进一步分析，位于继电保护区域边缘范围的所有线路电流总和是Icd，能够将其近似于继电保护区域所有线路的电容电流和故障电流之和，从而可以得出：

从式（5）中具体故障问题出现过程中分析，ΔUF=UFl0l，UFl0l是故障区域内还没有产生故障前所形成的电压数值；z1,z2,…，是故障出现后，不同位置所产生的等效阻抗；RF是输电系统所产生的过渡电阻。如果多端输电系统一致都是在稳定输电作业，基本上各个位置的电压也是稳定的，不同位置电压差异非常小，这时可以计算出其中存在的系数K，其数值基本上可以等于0或者1，φ是不同故障位置电压和输电线路母线电压间的差异数值，一般情况下应当在－20°＜φ＜20°。基于这种情况下，继电保护范围内产生故障后，其匹配阻抗的数值是：

从多端输电系统就可以得知，其所使用的继电保护范围有着非常大的限制，从式（6）分析出，如果继电保护区域产生故障后，匹配阻抗、电源阻抗、线路阻抗、过渡阻抗、相位差异等存在关系，但是其虚部体现出非常感性的特点，并且变化幅度不大。在电压等级非常高的输电系统中，电源阻抗和线路阻抗所形成的阻抗角基本上是垂直角度。从过渡阻抗数值非常小的情况而言，匹配阻抗往往产生的阻抗角可以直接呈现出电源和输电线路的阻抗角度是垂直，并且阻抗角度也会在过渡电阻持续增大中开始降低。如果是继电保护区域内外出现故障，结合匹配阻抗虚部产生的数值可以清楚掌握故障情况，也可以利用阻抗角的大小对其进行辅助判定。在这种情况下，阻抗匹配原理可以作为多端输电系统继电保护行为的有效依据，通过使用其中存在的虚部数值和阻抗角度大小对整个保护范围、故障区域等故障出现情况诊断、分析等。如果继电保护区域内产生故障后，虽然与匹配阻抗、过渡阻抗等有着密切关系，但是所具有的虚部数值是非常小的，并未与继电保护区域外故障形成的匹配阻抗虚部数值进行比较。

1.2.2 继电保护算法实现

为确保多端输电系统继电保护作用发挥，应当对数据传输和计算过程进行简化，这时就需要在继电保护范围内对元件进行使用，输电系统差电流的绝对数值I 是超过虚部数值的，一般情况下选择0.3～0.6倍系统额定电流。继电保护系统在判断出启动元件开始工作后，就会自动执行继电保护逻辑，如图2所示。从具体层面而言，整个算法流程主要对三个方面进行判断。第一，输电线路本身存在问题，导致出现非常显著的差电流；或者输电线路产生故障后，一端断路器还在正常工作，另一端并未发挥作用，整体是失效的，也会产生差电流。第二，输电线路中存在的电流互感器断线或者电流采集过程产生问题，也会造成电网在正常使用中产生差电流。第三，输电线路中变电站数据传输异常、控制电源失去作用等，也会造成电网正常使用产生差电流。

图2 继电保护算法流程

2 案例仿真分析

从多端输电系统阻抗匹配的继电保护算法层面研究分析，在电磁暂态仿真平台中构建相应的模型，如图3所示。

图3 广域继电保护系统

假设在输电线路L3距离B6一侧全长20%的位置产生接地故障、短路故障等，接地过程中所形成的过渡电阻是300，短路故障所形成的过渡电阻是25。为确保阻抗匹配原理的继电保护算法的作用得以发挥，仿真过程需要对诸多保护对象的匹配阻抗进行明确。基于这种情况下，应当设定供电系统在稳定运行中，后续3s 内产生故障问题，并且3.25s 故障问题返回。对于L3，需要将其匹配阻抗进行计算。从计算结果得知，输电线路产生故障后，继电保护范围内L3属于内部故障，故障位置所形成的虚部最大数值是0.035，没有大于600，阻抗角度大小在－72°～-4.1°。通过该仿真结果说明，通过使用阻抗原理的继电保护控制策略有着非常高的灵敏度，鉴定过程非常方便，应当在输电系统中进行大规模应用。

3 结语

本文在研究过程中，通过对两端输电系统阻抗匹配继电保护控制策略分析，并且对其应用理论进行拓展，逐步延伸到多端输电系统阻抗匹配原理的继电保护控制策略。结合算法原理和实现流程剖析，从而产生适合多端输电系统继电保护的有效方案。结合各类产生差电流的情况，制定针对性继电保护策略，对测量范围内的数据进行获取，得到匹配阻抗数值，为分相保护奠定良好的理论基础，从而对多数据资料提供有效保护，也可以对传统继电保护控制策略的不足进行弥补。在仿真试验中，对提出的算法进行验证，发现使用在多端输电系统阻抗匹配原理上的机电保护控制策略为当前广域继电保护故障分析提供新的研究方向，以此保障输电线路的安全稳定运行，更好地为社会经济发展提供充足的电力供应。