本發(fā)明涉及電網保護技術領域。

背景技術：

在現(xiàn)代大電網中利用本地信息的傳統(tǒng)后備保護在整定和配合上有一定的困難，難以滿足電網安全運行的要求，在電網發(fā)生大規(guī)模潮流轉移時，傳統(tǒng)后備保護有可能進入動作區(qū)，誤動作切除正常線路，造成大面積停電事故。廣域后備保護利用多點廣域信息，無需時間配合檢測與切除故障，在大電網中適應性較好，引起國內外學者的關注。

近年來隨著同步相量測量單元pmu(phasormeasurementunit)的發(fā)展，使以pmu量測電壓電流為數(shù)據(jù)源的廣域后備保護算法成為可能。由于pmu的成本和維護費用較高，在全網安裝pmu不切實際，已有學者研究了基于有限pmu的廣域后備保護算法。

李捷，苗世洪，劉沛，等發(fā)表了“基于分相有功功率差動原理的線路高阻接地保護判據(jù)[j].電網技術，2011，35(8):197-201”。該文獻采用集中式廣域后備保護的區(qū)域結構，將分相差動有功功率與傳統(tǒng)的電流差動判據(jù)配合，構成簡單的廣域差動保護原理，該算法不受故障位置和電容電流的影響，但由于需要線路兩端的電氣量進行功率差動，該算法對每個ied依賴性都很強，一旦ied故障，算法的有效性可能受到影響。

陳靜，劉滌塵，王寶華等發(fā)表了“基于有限pmu的廣域后備保護研究[j].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(17):67-71,77”。該文獻針對有限pmu推算未布pmu的母線電壓，定位故障關聯(lián)母線，再計算該母線相連所有支路的有功功率估算值和實際值的相對誤差來判斷故障，但是準確找到故障線路的前提是準確搜索到與故障線路相連的母線，但是實際上當發(fā)生高阻接地故障時，僅根據(jù)電壓幅值并不能準確找到該母線，該算法的檢測故障效果就受到了影響。

發(fā)明專利公開號為cn106129975a，公開了“一種基于有功功率故障分量判據(jù)的差動保護方法”，研究先獲取差動保護范圍邊界上各斷路器相關的全部電壓電流同步采樣數(shù)據(jù)，轉化成標幺值數(shù)據(jù)，計算各斷路器相關的功率故障分量采樣點數(shù)據(jù)，獲得差動保護有功功率的故障分量動作值與制動值，與故障分量門檻相比判斷為動作則判別故障區(qū)域，但是該專利沒有涉及高過渡電阻發(fā)生故障時故障線路的判斷方法。

現(xiàn)有基于廣域后備保護方法的準確性在經過渡電阻接地，尤其是高阻接地故障時會受到影響，本發(fā)明在有限pmu布局下，構造了與已有方法不同的基于線路差動有功功率的廣域后備保護算法，針對無分支結構、有分支結構，均能夠準確識別故障線路，而且在發(fā)生高阻接地故障時仍能夠準確識別故障線路。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于差動有功功率的廣域后備保護方法，它能夠有效地解決輸電線路經高阻接地故障時故障線路不易檢測的問題，能夠在高阻接地故障時準確識別故障線路。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

一種基于差動有功功率的廣域后備保護方法，其步驟如下：

步驟一、采用間隔布點的pmu布局策略，將電網劃分為成若干區(qū)域，將未布pmu的母線且與其相連的各線路以及與其相鄰的各母線組成為一個區(qū)域，記為區(qū)域zk；如果某線路兩端都布置有pmu，則將該線路單獨作為一個區(qū)域；

區(qū)域zk的區(qū)域正序差動有功功率定義為：

式(1)中，為區(qū)域zk內負荷點的有功功率，負荷為恒阻抗模型；

bk為區(qū)域zk的邊界母線集合；

為從邊界母線i流入區(qū)域zk的實測正序有功功率，其計算公式為其中，為邊界母線i的正序電壓，為從母線i流向區(qū)域zk的正序電流，θi為和之間的相角；

基于區(qū)域正序差動有功功率的故障區(qū)域搜索判據(jù)為：

式(2)中，為區(qū)域正序差動有功功率閾值，取各正常區(qū)域的正序差動有功功率的最大值乘以可靠系數(shù)krel得到。

當區(qū)域zk的正序差動有功功率大于正序差動有功功率閾值時，則判斷其為故障區(qū)域；

步驟二、對于無分支結構的故障區(qū)域，利用布有pmu邊界母線的電壓電流，求取本故障區(qū)域中各線路的差動有功功率；

對于無分支結構，由布有pmu邊界母線的電壓電流，向中間未布pmu母線推算得到未布pmu母線的兩個正序推算電壓。如果兩個推算電壓幅值的差值較大時，將它們中幅值較小的對應推算路徑所在的線路判別為故障線路；

在發(fā)生高阻接地故障時，這兩個推算電壓幅值很接近，此時需要再計算各疑似線路的差動有功功率；

在無分支結構下，兩端節(jié)點編號為j和k的線路ljk的差動有功功率pd,j_k定義為，布有pmu母線k流向線路的實測有功功率pk_j與未布pmu母線j流向線路的推算有功功率p'j_k之和：

式(3)中，是由另一個布有pmu母線i向母線j推算得到的推算正序電壓，θj,i為的相角；bjk為線路ljk的電納；re表示取所得復數(shù)的實部的操作符號；

的計算公式為其中，γ為線路傳播系數(shù)，zc為波阻抗，xij為線路lij的長度；

在式(3)中分別代入正序、負序、零序分量，得到線路ljk的正序、負序、零序差動有功功率

忽略電導，由母線i向母線j推算得到的電壓為則對于線路lij，無論它是否發(fā)生故障，都有：

在式(3)與(4)中代入正序分量，聯(lián)立求解，得到線路lij的正序差動有功功率

根據(jù)無分支結構下正序網絡的電壓相量圖，當線路lij上的f點發(fā)生故障時，電壓相量圖中分別為i、f、j點故障前電壓，是故障點的正序電壓；

對于大多數(shù)故障情景，由故障側母線i向母線j推算得到的正序電壓總是滯后于由正常側母線k向母線j推算得到的正序電壓即得到

由式(5)可得故障線路lij的正序差動有功功率

對于正常線路ljk，在式(3)中代入正序電壓電流，則得到線路ljk的差動有功功率pd,j_k：

由于bjk<0，由式(6)可知，正常線路ljk的正序差動有功功率

因此，故障線路lij的正序差動有功功率而正常線路ljk的正序差動有功功率將此作為構建故障線路判據(jù)的重要基礎。

步驟三、對于有分支結構的故障區(qū)域，先采用動態(tài)加權因子，準確計算出區(qū)域中未布pmu母線的估計電壓，再求取故障區(qū)域中各疑似故障線路的差動有功功率；

先由中間未布pmu母線的各側推算電壓的幅值識別出故障線路，在發(fā)生高阻接地故障時，各側推算電壓的幅值較接近，此時需要再分別計算疑似線路的差動有功功率；

故障線路lij的差動有功功率pd,i_j定義為：

式(7)中，u'j、θ'j為未布pmu母線j的估計電壓的幅值和相角。

由布有pmu母線i、k、h向未布pmu母線j推算得到推算電壓再將3個推算電壓代入下式，得到母線j的估計電壓

式(8)中，wi、wk、wh為3個推算電壓的加權因子，它們按式(9)計算：

式(8)中，τ為函數(shù)f(x)＝e^-τx的調節(jié)系數(shù)；

式(7)與式(4)分別代入正序分量，聯(lián)立求解，可得到故障線路lij的正序差動有功功率

由于又bjk<0，由式(10)可得到，故障線路lij的正序差動有功功率而其它兩條正常線路ljk、ljh的正序差動有功功率均小于零；

步驟四、基于線路差動有功功率的故障線路的三種判據(jù)：

1)廣域后備保護故障判據(jù)1：

式(11)中，為n個邊界母線向未布pmu母線j推算得到的n個推算正序電壓幅值集合，δuset為電壓差值閾值，un為母線的額定相電壓；kset是電壓差值閾值系數(shù)；

計算故障區(qū)域中未布pmu母線j的各側正序推算電壓，當各推算電壓幅值的最大值與最小值之差δu滿足時，將該故障區(qū)域中各推算電壓中最小者對應推算路徑所在的線路ljx判斷為故障線路；

2)在發(fā)生高阻接地故障時，故障區(qū)域中未布pmu母線j的各推算電壓幅值較接近，即各推算電壓幅值的最大值與最小值之差δu小于電壓閾值，不滿足故障判據(jù)1；此時，構造和利用故障判據(jù)2：

針對無分支結構，根據(jù)式(5)，先計算故障區(qū)域中兩條線路的正序差動有功功率；

針對有分支結構，根據(jù)式(8)、(10)，先計算故障區(qū)域中各線路的正序差動有功功率；

設為故障區(qū)域中某線路lxj的正序差動有功功率，為線路lxj布有pmu側母線x流向線路lxj的實測正序有功功率；

如果除以的絕對值的數(shù)值大于比值閾值kp，即滿足：

則判斷線路lxj為故障線路；

式(12)中，kp為大于零的比值閾值；

3)當故障點靠近線路末端，且過渡電阻很大時，利用判據(jù)2也不能準確判斷出故障線路，這屬于極少數(shù)情況；此時，構造和利用故障判據(jù)3，采用負序、零序分量，分別計算各條線路的負序、零序差動有功功率；

如果故障區(qū)域中某線路lxj滿足下式：

則判斷線路lxj為故障線路；

式(13)中，kp為大于零的比值閾值。

所述步驟一中的可靠系數(shù)krel的取值范圍為1.3～1.5。

步驟四中所述的電壓差值閾值系數(shù)kset取值為2.5％，比值閾值kp取值為10％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的效果與優(yōu)勢在于：

1)本發(fā)明在有限pmu的隔點布局策略下，先利用各區(qū)域邊界布有pum的電壓電流，計算出各區(qū)域的區(qū)域正序差動有功功率，與相應的區(qū)域有功功率閾值相比，能夠準確地搜索出故障區(qū)域。然后在故障區(qū)域中識別故障線路，大大減輕了廣域后備保護系統(tǒng)的通信負擔。并且，基于區(qū)域正序差動有功功率的故障區(qū)域搜索算法，不受線路的對地電容和負荷電流的影響。

2)本發(fā)明針對故障區(qū)域是無分支結構、有分支結構，分別提出了線路差動有功功率的計算方法。利用故障區(qū)域內各線路的差動有功功率，依據(jù)所構造的三種故障判據(jù)，能夠準確地識別故障線路，并且在過渡電阻高達300ω時，仍能準確地判斷出故障線路。

3)對于有分支結構，構造了動態(tài)加權因子，能夠較準確地估計出未布pmu母線的電壓，比以平均值求取估計電壓的方法更準確。

附圖說明

圖1為無分支結構下正序實測電壓與推算電壓分布。

圖2為正序網絡的電壓相量圖。

圖3為有分支結構拓撲圖。

圖4為基于差動有功功率的抗過渡電阻的廣域后備保護方法的流程圖。

圖5為ieee39節(jié)點測試系統(tǒng)及其兩個分區(qū)。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術內容進行詳細的具體說明

如圖4所示本發(fā)明所提供的基于差動有功功率的抗過渡電阻的廣域后備保護方法的流程，包括如下步驟：

1)搜索故障區(qū)域。

將電網分為若干區(qū)域，各區(qū)域邊界節(jié)點上布置有pmu。

收集各區(qū)域的邊界節(jié)點上的電壓電流，計算得到各區(qū)域的正序差動有功功率。

將它們與區(qū)域有功功率閾值比較，將大于閾值的區(qū)域判斷為故障區(qū)域。

區(qū)域zk的區(qū)域正序差動有功功率定義為：

式(1)中，為區(qū)域zk內負荷點的有功功率，負荷為恒阻抗模型。

bk為區(qū)域zk的邊界母線集合。

為從邊界母線i流入區(qū)域zk的實測正序有功功率，其計算公式為其中，為母線i的正序電壓，為從母線i流向區(qū)域zk的正序電流，和之間的相角。

基于區(qū)域正序差動有功功率的故障區(qū)域搜索判據(jù)為：

式(2)中，為區(qū)域正序差動有功功率閾值，取各正常區(qū)域的正序差動有功功率的最大值乘以可靠系數(shù)krel得到。krel建議取1.3～1.5。

當某區(qū)域zk的正序差動有功功率大于正序差動有功功率閾值時，則判斷zk為故障區(qū)域。

2)對于無分支結構的故障區(qū)域，利用該區(qū)域布有pmu的邊界母線的電壓電流，求取本區(qū)域中各線路的差動有功功率，供后續(xù)的判斷故障線路時使用。

在無分支結構中，由布有pmu的邊界母線向未布pmu母線推算，得到兩個正序推算電壓。如果兩個推算電壓幅值的差值較大時，將兩個推算電壓中幅值較小的對應推算路徑所在的線路判別為故障線路。

在發(fā)生高阻接地故障時，這兩個推算電壓幅值接近，無法識別故障線路，此時需要再計算兩條線路的差動有功功率。

以圖1所示的無分支結構為例，線路ljk的差動有功功率pd,k_j為布有pmu母線k流向線路ljk的實測有功功率pk_j與未布pmu母線j流向線路ljk的有功功率推算值p'j_k之和：

式(3)中，是由另一個布有pmu母線i向母線j推算得到的推算正序電壓，θj,i為的相角。bjk為線路ljk的電納。re表示取所得復數(shù)的實部的操作符號。

的計算公式為其中，γ為線路傳播系數(shù)，zc為波阻抗，xij為線路lij的長度。

在式(3)中分別代入正序、負序、零序分量，得到線路ljk的正序、負序、零序差動有功功率

忽略電導，母線j的電壓是由i推算得到則無論lij是否有故障，都有：

在式(3)與(4)中代入正序分量，聯(lián)立求解，得到線路lij的正序差動有功功率

圖1無分支結構對應的正序網絡的電壓相量圖如圖2所示，線路lij上的f點發(fā)生故障，圖2中為i、f、j點故障前電壓，是故障點的正序電壓。

對于大多數(shù)故障情景，由故障側母線i推算的母線j的正序電壓總是滯后于由正常側母線k推算的母線j的正序電壓可得到

由式(5)，可得故障線路lij的正序差動有功功率

對于正常線路ljk，在式(3)中代入正序電壓電流，則得到線路ljk的差動有功功率pd,j_k：

由于bjk<0，由式(6)可知，正常線路ljk的正序差動有功功率

因此，故障線路lij的正序差動有功功率正常線路ljk的正序差動有功功率將此作為故障線路判據(jù)的重要基礎。

3)對于有分支結構的故障區(qū)域，先構造了動態(tài)加權因子，估計出故障區(qū)域中未布pmu母線的電壓，再求取區(qū)域內各線路的差動有功功率，供后續(xù)的判斷故障線路時使用。

在有分支結構中，由布有pmu的邊界母線向未布pmu母線推算得到多個正序推算電壓。如果兩個推算電壓幅值的差值較大時，將各推算電壓中幅值最小的對應的推算路徑所在線路判別為故障線路。

在發(fā)生高阻接地故障時，各推算電壓幅值較接近，無法辨別故障線路，此時需要再計算各線路的差動有功功率。

以圖3中故障線路lij為例，線路lij的差動有功功率為：

由式(7)其中u'j、θ'j為母線j的估計電壓的幅值、相角，的計算公式為：

式(8)中，wi、wk、wh為3個推算電壓的加權因子，它們按式(9)計算：

式(9)中，τ為函數(shù)f(x)＝e^-τx的調節(jié)系數(shù)。

在式(7)與式(4)中分別代入正序分量，聯(lián)立求解，可得到故障線路lij的正序差動有功功率

由圖2可得又bjk<0，由式(10)可得到，故障線路lij的正序差動有功功率而其它兩條正常線路ljk、ljh的正序差動有功功率均小于零。

4)對于無分支結構、有分支結構，統(tǒng)一構造了基于差動有功功率的3個判據(jù)，來識別故障線路：

(1)首先采用廣域后備保護故障判據(jù)1：

計算故障區(qū)域內中未布pmu母線j的各側正序推算電壓，當由(11)各推算電壓幅值的最大值與最小值之差δu滿足時(其中，為n個邊界母線向中間母線j推算得到的n個推算正序電壓幅值集合，δuset為電壓差值閾值，un為母線的額定相電壓；kset是電壓差值閾值系數(shù))，將該故障區(qū)域中各推算電壓中最小者對應推算路徑所在的線路ljx判斷為故障線路。

(2)在發(fā)生高阻接地故障時，故障區(qū)域中未布pmu母線j的各推算電壓幅值較接近，即各推算電壓幅值的最大值與最小值之差δu小于電壓差值閾值，此時構造和利用故障判據(jù)2。

針對無分支結構，根據(jù)式(5)，計算故障區(qū)域中兩條線路的正序差動有功功率。

針對有分支結構，根據(jù)式(8)、(10)，計算故障區(qū)域中各線路的正序差動有功功率。

設為線路lxj的正序差動有功功率，為線路lxj布有pmu側母線x流向線路lxj的實測正序有功功率。

如果除以的絕對值的數(shù)值大于比值閾值kp，即滿足：

則判斷線路lxj為故障線路。

式(12)中，kp為大于零的比值閾值。

(3)當故障點靠近線路末端、且過渡電阻很大時，利用判據(jù)2不能準確判斷出故障線路(這屬于極少數(shù)情況)，此時構造和利用故障判據(jù)3：采用負序、零序分量，分別計算各條線路的負序、零序差動有功功率。如果某線路lxj滿足下式：

則判斷線路lxj為故障線路。

式(13)中，kp為大于零的比值閾值。

實施例

圖5所示為ieee39節(jié)點測試系統(tǒng)及其兩個分區(qū)，加粗母線表示安裝有pmu。系統(tǒng)電壓等級為345kv，系統(tǒng)頻率60hz，采樣頻率為1khz。電壓電流均取故障發(fā)生后兩個周波的數(shù)據(jù)。對表1所示的8個典型區(qū)域進行仿真驗證，

設故障區(qū)域搜索算法的區(qū)域有功功率閾值為30mw，調節(jié)系數(shù)τ＝3.5。

設置故障線路識別算法的參數(shù)kset＝2.5％，un＝200kv，δuset＝5kv，kp＝10％。

表1幾個典型區(qū)域

實施算例1無分支結構，故障區(qū)域內有2條線路。

在無分支結構區(qū)域z4中，設置線路l17_18在距離母線18的5％、50％、95％處發(fā)生故障，故障類型有a相接地故障(ag)、ab兩相短路接地故障(abg)、ab兩相間短路故障(ab)、三相短路故障(abc)，對接地故障設置不同的過渡電阻rf。

線路l17_18發(fā)生不同類型故障時不同位置、不同過渡電阻下各區(qū)域的正序差動有功功率見表2、表3、表4，可看到區(qū)域z4的正序差動有功功率大于區(qū)域有功功率閾值且其它區(qū)域的正序差動有功功率均小于區(qū)域有功功率閾值，由故障區(qū)域搜索判據(jù)可準確判斷區(qū)域z4為故障區(qū)域。

故障區(qū)域z4在各種故障情景下故障線路l17_18的識別算法結果如表5所示，對于金屬性接地故障與相間故障，故障區(qū)域z4的δu滿足δu＞δuset，利用故障線路識別判據(jù)1能夠準確判斷最小推算電壓對應的線路l17_18為故障線路。

由表5可看到，在高阻接地故障情景下故障區(qū)域z4都有δu＜δuset，需要再計算各線路的正序差動有功功率。對于線路l17_18，得到均大于kp；對于線路l3_18。得到均小于kp。根據(jù)故障線路識別判據(jù)2，能夠準確判斷故障區(qū)域z4中故障線路為l17_18，正常線路為l3_18。

表2區(qū)域z4中線路l17_18發(fā)生ag故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表3區(qū)域z4中線路l17_18發(fā)生abg故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表4區(qū)域z4中線路l17_18發(fā)生ab、abc故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表5線路l17_18的各種故障情景下的故障線路識別算法結果

注：加粗字體表示故障線路的數(shù)據(jù)，當δu≥5時，各線路的差動有功功率無需列出，表中以---表示(下同)。

當線路l17_18發(fā)生ag接地故障且過渡電阻為300ω、故障位置在靠近線路l17_18末端5％處時，由表5可得，故障線路l17_18的正序差動有功功率的的比值不明顯(為10.66％)，接近于kp，但不會產生誤判。此時再計算各線路的負序、零序差動有功功率進行輔助判斷，計算結果見表6。對于故障線路l17_18，有依據(jù)故障線路識別的判據(jù)3，能夠準確地判斷故障線路為l17_18。

表6線路l17_18末端(距母線18的5％處)a相高阻接地故障

實施算例2有分支結構，故障區(qū)域內有3條線路。

設置區(qū)域z2中線路l5_4在距離母線4的5％、50％、95％分別發(fā)生故障，故障類型有ag、abg、ab、abc，對接地故障設置不同過渡電阻rf。

對于有分支結構，在各種故障情景下區(qū)域搜索結果見表7、表8、表9，本專利的故障區(qū)域搜索算法均能正確搜索出故障區(qū)域為z2。

在各種故障情景下區(qū)域z2中故障線路l5_4的識別結果如表10所示，可看到對于金屬性接地故障、相間故障，故障區(qū)域z2的δu滿足δu＞δuset，利用故障線路識別判據(jù)1能夠準確地識別出故障線路為l5_4。

對于高阻接地故障情景，故障區(qū)域z2的δu不滿足δu＞δuset，需要再計算各線路的正序差動有功功率。

根據(jù)故障線路識別判據(jù)2，能夠準確識別故障線路為l5_4。

由表10看到，最不利的故障情景是線路l5_4距母線4的5％發(fā)生ag、300ω高阻接地故障，此時，對于故障線路l5_4，有滿足判據(jù)2；對于兩條正常線路l3_4、l14_4，都有不會誤判，最終正確地識別故障線路為l5_4。

表7區(qū)域z2中線路l5_4發(fā)生ag故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表8區(qū)域z2中線路l5_4發(fā)生abg故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表9區(qū)域z2中線路l5_4發(fā)生ab、abc故障時各區(qū)域的正序差動有功功率

表10線路l5_4的各種故障情景下的故障線路識別算法結果

對于故障線路l5_4，有彼此接近于kp，還可用判據(jù)3檢測l5_4為故障線路，見表11，對于線路l5_4，有的可判斷線路l5_4故障)

表11線路l5_4末端(距母線18的5％處)a相高阻接地故障

本發(fā)明考慮了輸電線路高阻接地故障時故障元件較難識別的情況，給出多個故障判據(jù)，使得算法在過渡電阻達到300ω時仍能準確的識別故障線路。

本領域的技術人員可以對本發(fā)明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變型在本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則這些修改和變型也在本發(fā)明的保護范圍之內。