基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略研究

基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略研究

韩祎晗

国能内蒙古呼伦贝尔发电有限公司 内蒙古 呼伦贝尔

021025

摘要：随着智能电网的发展，电网供电能力得到了加强，复杂性加深，运行模式更灵活。常规本地继电保护策略已不能满足智能电网发展要求，广域测量系统的推广应用为继电保护新技术的发展提供了前提条件，广域继电保护的研究主要涉及广域继电保护系统构成、故障定位算法、保护动作策略等方面。

关键词：阻抗匹配；继电保护；控制策略

随着智能电网技术的发展，传统两端输电系统正逐步向三端甚至多端输电系统发展。将原来应用于两端输电系统的基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略优化并扩展到三端和多端输电系统，提出一种广域输电系统继电保护控制策略。经仿真验证，该继电保护策略能准确判定区域内外故障，且算法整定简单，不受分布电容、分布电流、过渡电阻等影响，辨识灵敏度高。

一、继电保护概述

继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。需具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生故障，是保护区内故障还是区外故障功能。要实现这一功能，需根据故障前后电气物理量变化特征为基础构成。

1、组成。一般情况下，继电保护装置由测量元件、逻辑环节、执行输出组成。①测量比较部分。其是测量通过被保护电气元件物理参量，并与给定值比较，根据比较结果，给出“是”、“非”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应启动。②逻辑部分。它能使保护装置按一定逻辑关系判定故障类型和范围，最后确定是应使断路器跳闸、发出信号或是否动作与延时等，并将对应指令传给执行输出部分。③执行输出部分。根据逻辑传递指令，完成保护装置所承担任务。如在故障时动作于跳闸，不正常运行时发出信号，而在正常运行时不动作等。

2、基本要求。①选择性。基本含义是保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减小，以保证系统中非故障部分继续安全运行。②速动性，它是指继电保护装置应以尽可能快的速度断开故障元件，从而减轻故障设备损坏程度，减小用户在低电压下工作时间，提高电力系统运行稳定性。③灵敏性。保护装置对其保护范围内故障或不正常运行状态反应能力称为灵敏性(灵敏度)，常用灵敏系数衡量。它是在保护装置测量元件确定动作值后，按最不利运行方式、故障类型、保护范围内的指定点校验，并满足有关规定标准。④可靠性。其是指在保护装置规定保护范围内发生应反应故障时，保护装置要可靠地动作(即不拒动)。而在不属于该保护动作其它任何情况下，则不应动作(即不误动)。

　　二、阻抗匹配原理

纯电阻电路由三部分组成：负载电阻(R)、电压源(E)和电源内阻(r)。因电路中有r，当R值大或太小时，整个电路将接近开路或短路状态。输出功率为：

当R=r，分母值最小，为4r，负载功率达到其最大值，表明电路阻抗匹配。

三、不同输电系统阻抗匹配继电保护原理

1、两端输电系统。图1显示某常规两端输电系统模型，电路结构近似于π型，其匹配阻抗定义为：

图1中F点发生故障。图1(a)表示继电保护区外故障的发生，匹配阻抗值为：

Zcd=ZC

在此工况下，匹配阻抗Zcd表现出容性特性，能帮助相关部门或人员快速感知输电线路容抗水平，虚部是幅值大的负数。

图1(b)显示了线路继电保护区域内故障，使用下式计算匹配阻抗：

式中：Z1=Zm+Z1m，Z2=Zn+Z1n；K取0.5；δ表示系统两端输电电压相位差。影响匹配阻抗Zcd大小因素多，包括系统两端电源阻抗、线路阻抗、过渡电阻RF、δ等。在大多情况下，第一二象限是Zcd主要分布范围，虚部是正值；当RF和δ值大时，Zcd可能分布在一二四象限内，其虚部绝对值远小于Z。

图1  两端输电系统模型

(a)区域外故障                        (b)区域内故障

通过深入研究阻抗匹配继电保护基本原理，基于Zcd虚部幅值和正负值，可更合理地判定被保护线路中故障的发生，判断标准为：

式中：利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、多端输电系统

①继电保护算法原理。对于广域输电系统可用下式计算其匹配阻抗Zcd：

式中：M、N表示广域输电系统进出线路数与供电母线个数。

分析多端输电系统继电保护区外故障发生原理。继电保护区域边界处所有线路电流总和可用保护区内线路电容电流总和表示，保护区域内总电容容抗等效成ZC，当故障在继电保护区外时，其匹配阻抗Zcd按下式计算：

在现实中，多端输电系统中继电保护区域范围存在一定限制，结合公式发现，Zcd能在继电保护区域内呈现等效容抗大小，振幅大，匹配阻抗角在-90°不变。

多端输电系统继电保护区内故障分析方法与继电保护区外故障分析基本一致。位于继电保护区边界的所有线路电流总和近似等于继电保护区内电容电流和故障电流总和，其中：

＝

式中：=|0|，|0|为线路前期正常运行时流过故障点电压；是从故障点到相应输电末端等效阻抗。在多端输电系统稳态运行下，取|0|=K(++…+)ejδ/N。K≈1.0，δ是故障位置电压与母线电压相位差，范围为-15°～15°，当继电保护区内发生故障时，用下式计算Zcd大小：

当继电保护区内发生故障时，虚部是振幅较小感抗。在高压输电线路内，电源与线路阻抗的阻抗角接近90°。RF值较小时，经测定分析Zcd阻抗角能得出电源与线路阻抗的阻抗角具体值，接近90°，随着RF值的增大，阻抗角不增反减。

参考Zcd虚部绝对值幅度，能初步判定继电保护区内是否存在故障，而且阻抗角所在区域辅助判断，判定依据为：

式中：Zset大小基于不同电压等级输电线路容抗值确定，常取600Ω；分析各种影响因素，ε取值范围为15～30°。

当在继电保护区内发生故障时，检测到的匹配阻抗虚部绝对值明显小于区域外，Zset=600Ω时，上述保护动作判断依据反映了高灵敏度和大裕度双重特征。

②实现策略。为增减多端输电系统中继电保护通信和运算执行精简度，应在继电保护区内安装启动元件，其能使线路差电流绝对值||高于，是系统额定电流0.2～0.5倍。启动元件动作后，继电保护系统将立即触发继电保护逻辑。

⑴情况一：线路局部缺陷引起的差流；或线路运行中突发故障时，单端断路器动作正常，但另一端失效引起了差流。

⑵情况二：线路内电流互感器局部断线或电流信号采集异常，导致电网正常运行时出现差流。

⑶情况三：由于变电站通信异常和控制电源功能缺损，干扰了电网正常运行，最终形成差流。

四、算例仿真

基于电磁暂态仿真平台PSCAD/EMTDC建立仿真模型。假设在输电线路A9及B8一侧线路总长15%处发生接地和短路故障，则接地和短接期间的RF值分别为300Ω、25Ω。为验证基于阻抗匹配原理的继电保护算法有效性，在仿真过程中计算了被保护对象的Zcd值。假设供电系统运行稳定，1s时发生故障，0.25s后故障返回。结果表明，内部故障发生在继电保护区A9，故障相最大虚部值为0.038kΩ，远小于600Ω，阻抗角范围为-3.8°～-90°。非故障相虚部最小值为9.9kΩ，阻抗角83°～-91°。综合仿真结果表明，基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略具有灵敏度高、整定方法和执行过程简单等优点，可推广应用。

参考文献：

[1]陈星田.基于广义变比辨识的继电保护电流测量回路故障诊断方法[J].中国电机工程学报，2014，12(11):26-27.

[2]谢文涛.基于阻抗匹配原理的继电保护控制策略研究[J].电工技术，2021(24):131-133，135.