任圓 蔡清亮 高德艷

摘要：在我國快速發(fā)展過程中，經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，110kV線路多采用距離保護(hù)作為線路主保護(hù)，而短路點(diǎn)過渡電阻的存在使阻抗繼電器的測量阻抗發(fā)生變化，易造成距離保護(hù)拒動(dòng)。針對(duì)過渡電阻對(duì)距離保護(hù)的影響問題，基于PSCAD仿真平臺(tái)搭建110kV雙側(cè)電源輸電線路及線路距離保護(hù)的仿真模型，分析在不同短路情況下保護(hù)的動(dòng)作特性，并基于此線路對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行測試驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，過渡電阻對(duì)距離保護(hù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，而零序電流保護(hù)元件抗過渡電阻干擾的能力較強(qiáng)，作為110kV線路的后備保護(hù)，與距離保護(hù)配合具有較高的可靠性，能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：線路保護(hù);過渡電阻;PSCAD/EMTDC;仿真分析

引言

短路故障點(diǎn)的過渡電阻是影響距離保護(hù)正確工作的因素之一。當(dāng)線路發(fā)生接地短路時(shí)，由于過渡電阻的存在，必將引起測量阻抗的變化，從而對(duì)接地距離保護(hù)的正確工作帶來影響。本文通過分析單側(cè)電源線路和雙側(cè)電源線路出口故障時(shí)過渡電阻對(duì)不同距離保護(hù)工作的影響，比較傳統(tǒng)型距離保護(hù)、自適應(yīng)距離保護(hù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)距離保護(hù)躲過渡電阻特性的各自優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護(hù)硬件設(shè)計(jì)和工作原理。

1距離保護(hù)的分類、配置與整定

1.1距離保護(hù)的分類

1）阻抗繼電器阻抗繼電器是反映測量阻抗變化的距離保護(hù)，通過判斷測量阻抗是否落入其動(dòng)作區(qū)域來判定是否動(dòng)作：當(dāng)落入保護(hù)動(dòng)作區(qū)域時(shí)，保護(hù)動(dòng)作;否則，不動(dòng)作。其中，保護(hù)安裝處的測量阻抗表達(dá)式為 式中： 分別表示保護(hù)安裝處的電壓、電流和零序電流，且φ=A，B，C;K表示零序電流補(bǔ)償系數(shù);α表示故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離百分比;Zl表線路阻抗; 分別表示故障點(diǎn)的電壓和電流;R表示過渡電阻; 表示過渡電阻引起的故障附加阻抗。阻抗繼電器常見的動(dòng)作特性有方向圓、四邊形、偏移圓和全阻抗等。2）距離繼電器距離繼電器是按照故障點(diǎn)的電壓邊界條件建立動(dòng)作判據(jù)，即利用故障相補(bǔ)償電壓在保護(hù)范圍臨界點(diǎn)存在相位突變180°的特點(diǎn)，來判別區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障：當(dāng)判定為區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作;否則，不動(dòng)作。其中，補(bǔ)償電壓表達(dá)式為 式中：Zset表示整定阻抗;其他符號(hào)定義與式（1）中相同。補(bǔ)償電壓在正常運(yùn)行態(tài)、振蕩、兩相運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)，均能夠正確反映整定點(diǎn)電壓;唯有在保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，方不能準(zhǔn)確反映整定點(diǎn)的電壓。為判斷補(bǔ)償電壓相位是否存在突變，距離繼電器需引入起參考作用的極化量（可以是電壓、電流，或電壓與電流構(gòu)成的復(fù)合量）來比相。在保護(hù)判據(jù)中選擇不同的極化量，可構(gòu)成具有不同動(dòng)作特性的保護(hù)方案，如極化距離繼電器、工頻變化量距離繼電器、多相補(bǔ)償距離繼電器、電抗繼電器等。

1.2距離保護(hù)的整定

距離保護(hù)整定原則是按金屬性故障來校驗(yàn)靈敏度，且不計(jì)及弧光電阻的影響。1）阻抗繼電器在符合逐級(jí)配合原則的前提下，盡可能提高距離保護(hù)的靈敏度。對(duì)于配合有困難時(shí)，采用不完全配合，即后備保護(hù)之間定值不配，按時(shí)間段相配的原則整定，時(shí)間級(jí)差采用0.3～0.4s。距離I段：按可靠躲過本線路末端故障整定。如500kV輸電線路可靠系數(shù)取0.6～0.8;220kV輸電線路可靠系數(shù)取0.6～0.7;同桿或部分同桿的平行雙回線可靠系數(shù)取0.5～0.6。對(duì)于超短線路（如小于5km），為防止超越應(yīng)停用距離I段。

2過渡電阻對(duì)距離保護(hù)的影響

關(guān)斷零序保護(hù)，在仿真模型中的斷路器2、斷路器6、斷路器3和斷路器5中只配備距離保護(hù)和重合閘保護(hù)，而斷路器1、斷路器4只配備簡單的電源保護(hù)，觀察斷路器動(dòng)作情況。在仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置故障開始時(shí)間為0.2s，持續(xù)時(shí)間0.6s。以單相故障為例進(jìn)行分析，故障點(diǎn)位于線路AB長度50%處。110kV架空輸電線路發(fā)生接地故障時(shí)短路點(diǎn)的過渡電阻一般不超過40Ω。一般來講，過渡電阻值越大對(duì)距離保護(hù)的影響越大，本文設(shè)置接地點(diǎn)過渡電阻分別為1Ω，30Ω和60Ω，以對(duì)比分析在較小、中等、較大的過渡電阻情況下距離保護(hù)的動(dòng)作情況。線路AB發(fā)生A相永久性接地故障時(shí)，保護(hù)2和保護(hù)6的動(dòng)作信號(hào)圖如圖5所示。由上至下分別是當(dāng)過渡電阻為1Ω，30Ω和60Ω時(shí)保護(hù)2處的繼電器測量的電平信號(hào)。保護(hù)2和保護(hù)6在過渡電阻為1Ω和30Ω的接地故障發(fā)生后迅速發(fā)出跳閘信號(hào)，故障被立即切除，但是在過渡電阻為60Ω時(shí)不動(dòng)作。通過觀察阻抗軌跡，若阻抗軌跡落入整定的阻抗圓中，保護(hù)動(dòng)作，否則不動(dòng)作。可以看出，當(dāng)過渡電阻為1Ω和30Ω時(shí)，A相測量阻抗軌跡在圈內(nèi)，即短路點(diǎn)位于保護(hù)范圍內(nèi)，距離保護(hù)能夠動(dòng)作，可靠地切除故障;而隨著過渡電阻增大，阻抗軌跡逐漸遠(yuǎn)離阻抗圓。在過渡電阻值增大到60Ω時(shí)，阻抗軌跡并沒有落入整定的阻抗圓中，距離保護(hù)拒動(dòng)。由以上仿真結(jié)果可知：不同阻值的過渡電阻對(duì)距離保護(hù)的影響不同，過渡電阻越大，對(duì)保護(hù)的影響越明顯，超出一定范圍會(huì)造成保護(hù)拒動(dòng)，距離保護(hù)失效。

3采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)距離保護(hù)

采用ANN構(gòu)成的自適應(yīng)接地距離保護(hù)系統(tǒng)，按電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置傾斜角α。站計(jì)算機(jī)采集所需的電壓、電流量，經(jīng)過處理，將相關(guān)的數(shù)據(jù)送回保護(hù)系統(tǒng)，由ANN估算傾斜角α以供距離保護(hù)應(yīng)用。此方法的基本思想是基于現(xiàn)時(shí)運(yùn)行的繼電保護(hù)中，當(dāng)某段線路發(fā)生非金屬性短路時(shí)，過渡電阻的阻值在實(shí)際線路保護(hù)中是不能被確定的，因此，流過過渡電阻的電流fI·在保護(hù)中也是測不到的，這使得通過計(jì)算傾斜角a來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)距離保護(hù)的算法變得復(fù)雜化、非線性化。通過把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到自適應(yīng)距離保護(hù)，對(duì)需要保護(hù)的雙端輸電線路用PSASP（電力系統(tǒng)分析綜合程序）進(jìn)行仿真。對(duì)仿真線路進(jìn)行大量試驗(yàn)以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以計(jì)算出傾斜角a。再把實(shí)際保護(hù)線路能測得的數(shù)據(jù)結(jié)合已經(jīng)計(jì)算出的傾斜角a一起輸入到三層BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得一個(gè)訓(xùn)練好的三層BP網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，通過把線路的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)輸入到已訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)中，ANN就能估算出傾斜角a，以實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自適應(yīng)距離保護(hù)的應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的并行運(yùn)算能力、極強(qiáng)的自適應(yīng)性、高度的魯棒性和容錯(cuò)能力，對(duì)于非線性系統(tǒng)的求解比傳統(tǒng)計(jì)算方法有著無與倫比的優(yōu)勢，它解決了某些傳統(tǒng)計(jì)算方法難于求解或不能求解的問題，很適合于處理電力系統(tǒng)這樣復(fù)雜的非線性大規(guī)模動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。近十幾年來，ANN在故障診斷、智能控制、繼電保護(hù)、優(yōu)化運(yùn)算、負(fù)荷預(yù)測等方面有相當(dāng)多的應(yīng)用研究成果出現(xiàn)。

結(jié)語

本文通過數(shù)值化的方式，分析了系統(tǒng)各因素對(duì)單端電源雙回線路負(fù)荷側(cè)縱聯(lián)距離保護(hù)承受過渡電阻能力的影響。線路互感、有源側(cè)零序阻抗、無源側(cè)零序阻抗的變化均不會(huì)對(duì)負(fù)荷側(cè)縱聯(lián)距離元件的承受最大過渡電阻能力產(chǎn)生明顯影響，有源側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式是影響距離保護(hù)承受過渡電阻能力的主要因素。

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