一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法，首先，基于电压、电流采样值，依据R

【技术实现步骤摘要】
一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法


[0001]本专利技术属于电气技术电力系统及其自动化继电保护领域，具体涉及一种UPFC接入线路的单端量保护方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济社会的迅速发展，对电力的需求也在迅猛增长，但我国经济发展、能源分布因历史原因，地理特点等存在较大的不均衡，同时因为现代电力系统逐渐由交直流电网互相连接形成，且区域内发电和负荷分布往往存在较大不均，使得电力系统面临很多新的挑战，不断提升电网运行的安全水平和电能质量成为电力科研工作者需要迫切解决的问题。柔性交流输电系统(FlexibleAC Transmission System，FACTS)是指通过将新型电力电子装置引入到传统电力系统中，实现对交流电网电压、相角、功率等参数的调节和控制，从而起到强化电网稳定性、可控性的作用。UPFC作为最早出现的一种串并联型补偿装置，兼具串联型和并联型补偿装置的功能，串联侧通过向线路注入一个幅值相角可控的电压源控制接入线路的潮流，并联侧通过向并联接入点注入无功功率维持节点电压稳定，在实际工程中取得了良好的效果。
[0003]但在实际工程中，UPFC内部的换流器因含有大量电力电子器件，线路上发生短时或者永久故障时因电压电流等电气量急剧变化，容易导致换流器出现故障甚至损坏，因此需要为UPFC配置本体保护。常见的做法是在串联侧变压器和串联侧换流器之间配置晶闸管旁路开关(ThyristorBypass Switch，TBS)，同时在串联侧变压器及并联侧变压器上装设旁路开关，如图1所示。当故障发生时，晶闸管旁路开关首先导通旁路换流器，时间通常在5ms以内，随后变压器旁路开关接收到动作信号后在40ms以内将UPFC从线路中切除。目前已经投运的UPFC工程表明，若上述TBS旁路开关及变压器旁路开关正确动作，则UPFC不会对距离保护的正确动作产生较大影响，若TBS未能及时导通，UPFC的接入会极大的破坏线路的阻抗均匀性，使得由传统方法取得的测量阻抗不再准确，阻抗增量受UPFC参数影响较大。因此需要一种适应UPFC接入的距离保护方案。

技术实现思路

[0004]为了克服UPFC接入线路后破坏线路阻抗均匀性和传统距离保护方法无法判断区内外故障的问题，本专利技术旨在提出一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法，通过在发生区内故障时有效判断线路的故障位置，从而实现了UPFC接入线路对端保护。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：对保护安装处的线路端的保护装置进行故障相电压、电流数据采集；
[0008]步骤2：对获得的电压电流数据采用巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，如式(1)所示：
[0009][0010]其中，ω
c
为截止角频率，n为滤波器的阶数，H(ω)为振幅的平方，ω为实际频率；
[0011]步骤3：若已经采集一个数据窗长的数据则进入步骤4，否则回到步骤1继续采样；
[0012]步骤4：利用数据窗内获得的采样值建立微分方程组：当线路发生单相接地故障时，N端保护安装处的故障相电压、电流数据关系满足式(2)：
[0013][0014]其中，i0为故障发生时的零序电流，k1＝(r0‑
r1)/3r1，k2＝(l0‑
l1)/3l1分别为故障发生时电阻和电感的零序补偿系数，r1、l1为线路单位长度的正序电阻和正序电感，r0、l0分别为线路单位长度的零序电阻和零序电感，u
Np
为N端的保护装置的故障相电压，i
Np
为N端的保护装置的故障相电流；
[0015]在线路运行过程中，N端的保护装置不断采集电压电流数据，采用中值差分代替微分的方法，形成一系列满足式(3)的方程：
[0016][0017]其中，n为采样序列编号，Δt为采样间隔；
[0018]步骤5：利用最小二乘法对微分方程组进行求解：将N端保护采集到的电压电流数据用矩阵形式表示为式(5)：
[0019]U＝Lw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0020]U＝[u
Np
(n
‑
k+1),u
Np
(n
‑
k+2),...u
Np
(n)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0021]w＝[w(n
‑
k+1),w(n
‑
k+2),...,w(n)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0022][0023]其中，U为电压采样数据按时间顺序排列形成的矩阵，w为电流采样值与单位长度电阻、电感值乘积形成的按时间顺序排列矩阵，L为待求系数矩阵，故障点到保护安装处距离，n为采样序列编号，k为单个数据窗包含采样点数量，Δt为采样时间间隔，k1为电阻的零序补偿系数，k2为电感的零序补偿系数；
[0024]对系数矩阵求偏导使其为0，从而求得系数矩阵L，具体表达式如式(11)～(13)所示：
[0025][0026][0027]L＝(w
T
w)
‑1w
T
U
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0028]由此求得每个数据窗内采样序列的故障距离及拟合误差；
[0029]步骤6：当采样频率较高时，通过忽略离散误差得到故障距离和拟合误差在时域的解析式，如式(14)～(15)所示：
[0030][0031][0032]其中，t0为当前时间窗开始采样时的采样时刻，t为当前时间窗结束采样时的采样时刻，T1＝t
‑
t0，T1为所用时间窗的长度，r、l分别为线路单位长度的电阻和电感，U
n
为N端系统电压的幅值；
[0033]若故障点位于UPFC之后，N端保护安装处采集到的电压瞬时值满足式(16)，UPFC串联侧注入的电压满足式(17)：
[0034]u
N
＝U
n sin(ωt+α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0035]式中：U
n
为系统电压的幅值，ω为工频角速度，在50Hz交流频率下100πrad/s，α为N端系统电压的初相角；
[0036]u
se
＝U
se sin(ωt+α+β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0037]式中：U
se
为UPFC串联侧注入电压的幅值，β为串联侧注入电压与N端系统电压的初始相角差；
[0038]此时N端系统等效电压满足式(18)，故障电流解析式满足式(19)：
[0039][0040]其中，其中，为N端等效电压与未等效时系统初始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UPFC边界的交流输电线路单端量保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：对保护安装处的线路端的保护装置进行故障相电压、电流数据采集；步骤2：对获得的电压电流数据采用巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，如式(1)所示：其中，ω
c
为截止角频率，n为滤波器的阶数，H(ω)为振幅的平方，ω为实际频率；步骤3：若已经采集一个数据窗长的数据则进入步骤4，否则回到步骤1继续采样；步骤4：利用数据窗内获得的采样值建立微分方程组：当线路发生单相接地故障时，N端保护安装处的故障相电压、电流数据关系满足式(2)：其中，i0为故障发生时的零序电流，k1＝(r0‑
r1)/3r1，k2＝(l0‑
l1)/3l1分别为故障发生时电阻和电感的零序补偿系数，r1、l1为线路单位长度的正序电阻和正序电感，r0、l0分别为线路单位长度的零序电阻和零序电感，u
Np
为N端的保护装置的故障相电压，i
Np
为N端的保护装置的故障相电流；在线路运行过程中，N端的保护装置不断采集电压电流数据，采用中值差分代替微分的方法，形成一系列满足式(3)的方程：其中，p为故障相相别，n为采样序列编号，Δt为采样间隔；步骤5：利用最小二乘法对微分方程组进行求解：将N端保护采集到的电压电流数据用矩阵形式表示为式(5)：U＝Lw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)U＝[u
Np
(n
‑
k+1),u
Np
(n
‑
k+2),...u
Np
(n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)w＝[w(n
‑
k+1),w(n
‑
k+2),...,w(n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，U为电压采样数据按时间顺序排列形成的矩阵，w为电流采样值与单位长度电阻、电感值乘积形成的按时间顺序排列矩阵，L为待求系数矩阵，故障点到保护安装处距离，n为采样序列编号，k为单个数据窗包含采样点数量，Δt为采样时间间隔，k1为电阻的零序补偿系数，k2为电感的零序补偿系数；对系数矩阵求偏导使其为0，从而求得系数矩阵L，具体表达式如式(11)～(13)所示：
L＝(w
T
w)
‑1w
T
U
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)由此求得每个数据窗内采样序列的故障距离及拟合误差；步骤6：当采样频率较高时，通过忽略离散误差得到故障距离和拟合误差在时域的解析式，如式(14)～(15)所示：式，如式(14)～(15)所示：其中，t0为当前时间窗开始采样时的采样时刻，t为当前时间窗结束采样时的采样时刻，T1＝t
‑
t0，T1为所用时间窗的长度，r、l分别为线路单位长度的电阻和电感，U
n
为N端系统电压的幅值；若故障点位于UPFC之后，N端保护安装处采集到的电压瞬时值满足式(16)，UPFC串联侧注入的电压满足式(17)：u
N
＝U
n sin(ωt+α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)式中：U
n
为系...

【专利技术属性】
技术研发人员：董政鑫，李斌，胡泽鹏，姚斌，王文博，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：