一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法及系统，根据系统故障对应的电压和电流，将保护装置单位数据窗内采集的电压和电流信息代入线路阻感方程，形成差分方程组，得到线路阻感模型的矩阵方程；利用最小二乘法对矩阵方程进行拟合求解，完成一周波内的所有单位数据窗内的拟合误差计算，以及故障距离为拟合系数矩阵β

【技术实现步骤摘要】
一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法及系统


[0001]本专利技术属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种单端量后备保护方法及系统。

技术介绍

[0002]随着风电及光伏等新能源在电力系统中的占比越来越大，其对继电保护的影响越来越不可忽视。例如风电接入电网表现出弱馈特性、系统阻抗不稳定特性、频偏特性和高谐波特性，这些特性严重影响工频阻抗距离保护测量阻抗的准确性，从而导致距离保护的误动或拒动。从原理来看，基于线路集中参数模型的时域距离保护不受电网频率及背侧电源变化的影响，相对于传统工频量距离保护更适用于新能源接入系统的送出线。但传统的时域距离保护存在例如“下级线路存在分支线且过渡电阻较大时，可能会造成保护的超越”等一些技术问题亟待解决。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术存在的技术问题，本专利技术提出了一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法及系统，在电网线路故障且保护安装处的下级线路存在分支线路的情况下，根据实时采集的本段线路的电压、电流信息计算拟合误差，合理设置阈值判断线路阻感模型与线路参数的匹配程度，从而判定故障是否发生在本段线路。
[0004]本专利技术利用以下的技术方案来实现：
[0005]一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1、线路正常运行时，将单位数据窗内从保护装置离散采样到的电压和电流代入形成线路阻感模型差分方程组，得到线路阻感模型的矩阵方程；
[0007]步骤2、在所述单位数据窗内，采用最小二乘法对所述矩阵方程进行拟合求解，得到待求系数矩阵β的拟合值作为拟合系数矩阵β
r
，将所述拟合系数矩阵β
r
代入，得到拟合误差E
r
，将采样点滑动至下一单位数据窗，再次计算拟合误差，直至完成一周波内的所有单位数据窗内的拟合误差计算，将采样点滑动至下一单位数据窗，再次计算故障距离，直至得到一周波内的所有单位数据窗内的故障距离；
[0008]若一周波内的所有单位数据窗内的故障距离小于设定门槛值且拟合误差的平方和小于设定门槛值，则判定为发生区内故障；否则，判定为发生区外故障。
[0009]一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护系统，包括采样模块和故障判定模块，其中：
[0010]所述采样模块，其在单位数据窗内从保护装置离散采样电压和电流，形成线路阻感模型差分方程组，得到线路阻感模型的矩阵方程；
[0011]所述故障判定模块，其对矩阵方程进行拟合求解，直至完成一周波内的所有单位数据窗内的拟合误差计算和故障距离计算，若一周波内的所有单位数据窗内的故障距离小于设定门槛值且拟合误差的平方和小于设定门槛值，则判定为发生区内故障；否则，判定为发生区外故障。
[0012]与现有技术相比，本专利技术能够形成保护线路全长的后备保护方案。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法整体流程图；
[0014]图2为具有分支线路的新能源并网实例示意图；
[0015]图3为拟合计算滑动数据窗选取方式示意图；
[0016]图4为本专利技术的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护系统模块图；
[0017]附图标记：
[0018]100、采样模块，200、故障判定模块。
具体实施方式
[0019]以下结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0020]如图1所示，为本专利技术的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法整体流程图。本专利技术通过将线路等效为单位长度具有固定电阻和电感的阻感模型，根据基于阻感模型的时域微分方程计算故障点位置，“参数匹配”即将计算得到的故障距离反代回阻感方程，根据所定义拟合误差的大小，判断测量电压、测量电流与计算故障距离是否符合该基于线路阻感模型的方程。若匹配则说明保护与故障点之间只存在代表本段线路的电阻和电感，为区内故障，不匹配则说明保护和故障点之间不仅有代表本段线路的电阻及电感，为区外故障。该方法具体包括以下步骤：
[0021]步骤1、根据系统正常运行期间的电压和电流，将单位数据窗(采样间隔，选择1ms)内从保护装置离散采样得到的电压和电流信息代入线路阻感方程，形成差分方程组，表达式如下：
[0022][0023]其中，u
mA
(
·
)、i
mA
(
·
)分别为保护装置安装处m侧故障相A的电压、电流的瞬时值，i
m0
(
·
)为零序电流，x为故障点与保护装置安装处的距离，r1、l1分别为线路单位长度的正序电阻值及电感值。k
r
为电阻零序补偿系数，k
l
为电感零序补偿系数，并且，k
r
＝(r0‑
r1)/3r1，k
l
＝(l0‑
l1)/3l1，r0、l0分别为线路单位长度的零序电阻值及电感值，并且，R
′
F
为故障点处的等效过渡电阻，R
′
F
＝R
F
/C
F
，R
F
为实际故障过渡电阻，C
F
为保护安装处的零序分流系数，Δt为采样间隔，1,2,
…
,j,
…
,n为当前采样点的编号，k为单位数据窗内的采样点数，由于需要进行差分运算，因此单位数据窗内数据形成的差分方程个数为k
‑
2个，在形成的差分方
程组中j＝n
‑
k+2,n
‑
k+3,
…
,n
‑
1；
[0024]利用保护装置不断采集的电压、电流信息，得到一系列线路阻感方程，整理为矩阵形式，表达式如下：
[0025]U＝Iβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026]矩阵U,β，I分别为电压信息矩阵、待求系数矩阵及电流信息矩阵：
[0027]U＝[u
mA
(n
‑
k+2),u
mA
(n
‑
k+3),...,u
mA
(n
‑
1)]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0028][0029]β＝[x R'
F
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030]其中，p(j)为用于计算的序列：
[0031]p(j)＝(i
mA
(j)+3k
r
i
m0
(j))r1+(i
mA
(j+1)+3k
r
i
m0
(j+1)
‑
i
mA
(j
‑
1)
‑
3k
l...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、线路正常运行时，将单位数据窗内从保护装置离散采样到的电压和电流代入形成线路阻感模型差分方程组，得到线路阻感模型的矩阵方程；步骤2、在所述单位数据窗内，采用最小二乘法对所述矩阵方程进行拟合求解，得到待求系数矩阵β的拟合值作为拟合系数矩阵β
r
，将所述拟合系数矩阵β
r
代入，得到拟合误差E
r
，将采样点滑动至下一单位数据窗，再次计算拟合误差，直至完成一周波内的所有单位数据窗内的拟合误差计算，以及故障距离为拟合系数矩阵β
r
的第一个元素，将采样点滑动至下一单位数据窗，再次计算故障距离，直至得到一周波内的所有单位数据窗内的故障距离；若一周波内的所有单位数据窗内的故障距离小于设定门槛值且拟合误差的平方和小于设定门槛值，则判定为发生区内故障；否则，判定为发生区外故障。2.如权利要求1所述的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，所述步骤1中：差分方程组的表达式如下：其中，u
mA
(
·
)、i
mA
(
·
)分别为保护装置安装处m侧故障相A的电压、电流的瞬时值，i
m0
(
·
)为零序电流，x为故障点与保护装置安装处的距离，r1、l1分别为线路单位长度的正序电阻值及电感值，k
r
为电阻零序补偿系数，k
l
为电感零序补偿系数，R
′
F
为故障点处的等效过渡电阻，1,2,
…
,j,
…
,n为当前采样点的编号，Δt为采样间隔，k为单位数据窗内的采样点数；故障点处的等效过渡电阻R
′
F
的表达式如下：R
′
F
＝R
F
/C
F
；其中，R
F
为实际故障过渡电阻，C
F
为保护安装处的零序分流系数；电阻零序补偿系数k
r
、电感零序补偿系数k
l
的表达式分别如下：k
r
＝(r0‑
r1)/3r1，k1＝(l0‑
l1)/3l1其中，r0、l0分别为线路单位长度的零序电阻值及电感值；线路阻感模型的矩阵方程，表达式如下：U＝Iβ其中，U、I、β分别为电压矩阵、待求拟合系数矩阵及电流矩阵：U＝[u
mA
(n
‑
k+2),u
mA
(n
‑
k+3),...,u
mA
(n
‑
1)]
T
β＝[x R'
F
]
T
其中，n为当前时刻采样点编号，k为单位数据窗内的采样点数，p(.)为采样电流的函数，表达式如下：p(j)＝(i
mA
(j)+3k
r
i
m0
(j))r1+(i
mA
(j+1)+3k
r
i
m0
(j+1)
‑
i
mA
(j
‑
1)
‑
3k
l
i
m0
(j
‑
1))l1/(2Δt)，j为差分方程组中的采样点编号，j＝n
‑
k+2,n
‑
k+3,
…
,n
‑
1。3.如权利要求1所述的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，对线路阻感模型所形成的差分方程组进行单次最小二乘拟合计算时，通过选取数据窗长度来选取采样点个数，利用每次选取的采样点进行拟合计算，在下一个采样点进入时，丢弃前一个采样点并读入新的采样点，使拟合计算数据窗内的采样点保持恒定。4.如权利要求1所述的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，所述步骤2中的拟合系数矩阵β
r
表达式如下：β
r
＝(I
T
I)
‑1I
T
U将上述拟合系数矩阵β
r
代入，首先得到单次拟合计算的拟合误差E
r
，表达式如下：其中，β
r
为拟合系数矩阵，n为当前时刻采样点编号，k为单位数据窗内的采样点数，U、I、β分别为电压矩阵、待求拟合系数矩阵及电流矩阵，j为差分方程组中的采样点编号。5.如权利要求1所述的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，待求系数矩阵β的拟合值满足使得数据窗内电压矩阵的计算值Iβ与电压矩阵的实际值U在欧式空间距离最小。6.如权利要求1所述的一种基于线路模型参数匹配的单端量后备保护方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢仲润，李斌，胡泽鹏，何佳伟，郑玉平，吴通华，宋国兵，刘建，周建华，
申请(专利权)人：南瑞集团有限公司国网江苏省电力有限公司电力科学研究院西安交通大学，
类型：发明
国别省市：