专利名称：基于参数识别的并联电抗器保护方法
技术领域：
本发明涉及超、特高压电力系统主设备并联电抗器的保护研究领域，更具体涉及一种基于参数识别的并联电抗器保护方法。
背景技术：
并联电抗器作为输电线路的关键设备在超高压电力系统中获得了广泛的应用，它对整个电力系统的安全稳定运行起着决定性作用。尤其是，随着我国电力系统建设特高压输电线路和实现全国联网进程的加快，研究大型超高压、特高压输电线路的并联电抗器故障及其保护有着重大意义。
众所周知，特高压远距离输电线路对地电容大，吸收了系统的容性无功。为了补偿容性无功，限制系统的过电压和潜供电容电流，一般都在输电线路的一端或者两端变电所内装设三相对地并联电抗器。随着并联电抗器的容量不断增大，受外形尺寸、重量及运输设备等条件的限制，大型并联电抗器的构成大多采用分相式结构，这种结构的并联电抗器一般不会发生相间故障，其主要的故障方式为内部单相接地故障和内部匝间短路故障。
目前，针对大型并联电抗器的保护原理有很多，如零序功率方向保护，带补偿阻抗的零序功率方向保护，纵联差动保护和基于等效电感的并联电抗器匝间保护等。但是这些保护原理都存在着一些缺陷 (1)零序功率方向保护是利用零序电压
和零序电流
的相位关系来区分并联电抗器内、外部故障。当发生短路匝数很少的短路故障时，3U0和3I0很小，很难被检测和发现。
(2)带补偿的零序功率方向保护，关键在补偿阻抗zb的选取，假如zb过大，则在电抗器的母线或外部出线接地时，造成误动；反之，zb过小，电抗器内部接地时保护范围太小，且匝间短路时灵敏度低，因此保护整定困难。
(3)纵联差动保护对并联电抗器在匝间短路时产生的故障电流具有穿越性，因此纵联差动保护不能保护匝间短路故障。
(4)基于等效电感的并联电抗器匝间保护，是基于能量损失函数，利用故障前后同一积分区间内能量的变化来检测匝间故障，存在着能量函数阈值整定困难问题。
此外，现有的并联电抗器保护几乎都是基于工频分量的保护，然而，实际系统中的故障包含工频分量、高次谐波分量和非周期分量。高次谐波分量和非周期分量用现有的方法无法完全滤除，其对保护动作性能造成了很大的影响，尤其是延长了保护装置的动作时限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种灵敏度高、反应速度快、可靠性高的基于参数识别的并联电抗器保护方法。
本发明的原理基于参数识别思想。对于线性电网络而言，网络的响应取决于网络的结构，元件参数以及激励。如果已知网络的结构和激励，由其响应可以求解出网络元件参数R、L、C，即为网络参数识别。
基于上述思想，本发明在电力系统网络结构已知的前提下，采集系统运行信息，求取零序等效阻抗，利用求解的零序等效阻抗和电抗器固有阻抗参数进行比较，来判定并联电抗器的内部故障。
为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的 步骤1实时采集电抗器高压侧三相相电压值序列U1a(k)、U1b(k)、U1c(k)和三相相电流值序列I1a(k)、I1b(k)、I1c(k)，计算零序电压序列U0(k)和零序电流序列I0(k)，其中k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…， 步骤2构建零序等效阻抗Z的参数识别方程其中u0、i0分别为零序电压和电流，L、R分别为零序等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，然后利用最小二乘参数估计法代入U0(k)、I0(k)序列，计算出相应时刻零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)； 步骤3利用零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，计算相应的幅角、幅值参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))和
其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz； 步骤4将幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))代入方向判据 φ-270°+α＜arg(R(k)+jω0L(k))＜φ-90°-α，其中α为裕度角，一般取15°；将幅值参数估计值
代入幅值判据 其中kk为可靠系数，一般取kk＝0.5～0.8； 上述两个判据，可以单独使用，也可以联合使用。
单独使用方向判据当幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))满足方向判据时，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
优先单独使用幅值判据当幅值参数估计值
满足幅值判据时，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
最佳方案是联合使用两个判据，当幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))满足方向判据时，或当幅值参数估计值
满足幅值判据时，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
与现有技术相比，本发明具有以下优点 (1)该方法是时域解微分方程算法，通过求解系统的固有参数来进行故障判别，避开了直接电气量的比较，因此从原理上不受非周期分量，系统频率变化以及振荡等其它因素的影响。
(2)具有高灵敏度，有效地解决了传统电抗器保护中存在的问题，尤其是解决了在轻微匝间短路故障时存在的动作死区问题。
(3)保护判据可靠性高，抗干扰能力强。
(4)滤波所需时间短，动作迅速，不需靠延时躲过系统暂态过程，保护动作时间在10ms左右，甚至更短时间就可以正确动作。
(5)整定简单，保护整定值只需输入电抗器一次参数值。
(6)该方法同样适用于可控电抗器保护，且不受可控电抗器补偿度变化的影响。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。
图1为并联电抗器与超高压系统连接的等效电路图； 图2为并联电抗器故障示意图； 图3为电抗器内部单相接地短路时的故障网络模型图； 图4为电抗器内部匝间短路时的故障网络模型图； 图5为电抗器外部单相接地短路时的故障网络模型图； 图6为方向判据保护动作特性图； 图7为保护装置硬件结构框图； 图8为本发明的故障判断流程图； 图9为过渡电阻为50Ω时单相接地故障方向判据仿真结果图； 图10为过渡电阻为50Ω时单相接地故障幅值判据仿真结果图； 图11为输电线路轻载时1.7％匝间短路故障方向判据仿真结果图； 图12为输电线路轻载时1.7％匝间短路故障幅值判据仿真结果图； 图13为输电线路重载时1.7％匝间短路故障方向判据仿真结果图； 图14为输电线路重载时1.7％匝间短路故障幅值判据仿真结果图。
具体实施例方式 参照图1，并联电抗器采用Y型接法接入超高压输电线路的一端，该并 联电抗器带有中性点小电抗，其中Z1L为并联电抗器阻抗，zN为中性点小电抗，ZS为系统阻抗。
参照图2，并联电抗器故障示意图，其中K1-电抗器内部单相接地故障；K2-电抗器内部匝间短路故障；K3-电抗器外部接地故障。下面分别结合等效电路图对这三种故障情况进行分析。
(1)内部单相接地故障K1 电抗器内部接地故障时，零序源在电抗器内部，即由电抗器向系统送出功率，零序电压和零序电流关系如图3所示，零序电流正方向由母线m指向电抗器。
其中，ZS＝RS+jω0LS＝ZS1+ZS2，ZS为电抗器外部系统等效阻抗； ZL＝RL+jω0LL＝ZL1+ZL2，ZL为电抗器内部等效阻抗。
此时系统零序电压U0＝-I0jZS，零序电流超前零序电压。此时的零序等效阻抗Z等于系统零序阻抗，有微分方程成立。
(2)内部匝间短路故障K2 电抗器内部匝间短路时，零序源在电抗器内部，零序电压和零序电流关系如图4所示。此时系统零序电压U0＝-I0jZS，零序电流超前零序电压。此时的零序等效阻抗Z等于系统零序阻抗，有微分方程成立。
(3)外部单相接地故障K3 电抗器外部单相接地故障时，零序源在电抗器外部，零序电压及零序电流的关系如图5所示。此时系统零序电压U0＝I0jZL，零序电流滞后零序电压。此时的零序等效阻抗Z等于电抗器零序阻抗，有微分方程成立。
综上所述，电抗器内、外部故障时的两个微分方程可以统一为其中R为零序等效阻抗Z的电阻参数，L为零序等效阻抗Z的电感参数。并且可知在电抗器内部故障时，该微分方程反映的是系统零序阻抗，参数R和L为负；在电抗器外部故障时，该微分方程反映的是电抗器零序阻抗，参数R和L为正。另外，在电力系统中系统零序阻抗一般只有几十欧，而电抗器零序阻抗一般达到几百欧，甚至上千欧，系统零序阻抗值远小于电抗器零序阻抗值，因此，电抗器内部故障时计算出来的参数R和L值也远小于外部故障时的参数值。这样，不仅可以通过参数R和L的符号关系，而且可以根据参数R和L的幅值关系来判定电抗器内部故障，这就是基于参数识别的并联电抗器保护的基本原理。
根据基于参数识别的并联电抗器保护的基本原理，可以构成判定并联电抗器内部故障的两个判据方向判据和幅值判据。
(1)方向判据 在电抗器内、外部故障时，用参数识别法获取的零序等效阻抗参数符号相反，即相位相差180°，因此，零序等效阻抗Z的相位方向可以作为判定电抗器内部故障的依据。
令系统阻抗ZS的阻抗角为φ(可近似取90°)，在电抗器内部故障时，最大灵敏角为φ-180°；在外部故障时，最大灵敏角为φ，方向判据如下 φ-270°+α＜arg(R(k)+jω0L(k))＜φ-90°-α，其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz，α为裕度角，一般取15°。
方向判据的动作特性如图6所示，其中带阴影斜线以下部分为保护装置动作区，通过方向判据计算出来的角度值，落在动作区内，判定为电抗器内部故障。
(2)幅值判据 对于系统阻抗ZS和电抗器阻抗ZL幅值，有关系|ZS|＜＜|ZL|存在。即内、外部故障的阻抗幅值大小不是一个数量级的，因此可以利用阻抗幅值大小关系来进行并联电抗器内部故障判别。
用参数识别法获取的零序等效阻抗参数值，其阻抗幅值大小可按公式计算，其中ω0＝2πf0＝100π。为了准确区分内、外部故障，且考虑对输电线路进行模型的等值和简化会带来一定的误差，取可靠系数kk＝0.5～0.8，则整定值考虑到在实际系统中，如图1所示的并联电抗器带有中性点小电抗，采用电抗器的等效参数(ZL＝Z1L+3ZN)来进行判据整定。
因此，基于参数识别的并联电抗器保护内部故障幅值判据为|Z|＜Zzd，即其中kk为可靠系数，一般取kk＝0.5～0.8。
(3)保护判据动作的逻辑特性 上述两个判据，可以单独使用，也可以联合使用。为了提高保护动作的灵敏性，使得在各种电抗器内部故障情况下，保护都能够灵敏动作，将两个判据通过或门控制输出，只要满足其中一个判据，就可以判定为电抗器内部故障。
参照图7，电源U1和电源U2之间为电力输电线路，在电源U1侧设置有并联电抗器和保护装置，该保护装置通过电压互感器和电流互感器测量并联电抗器的三相电压和电流，将模拟测量值经过低通滤波器、采样保持器和A/D转换器后，送到微机处理器(DSP)，由微机处理器将判定结果通过光电隔离器传送给继电器，执行相应保护动作。
参照图7、图8，本发明是这样的判定后来实现保护的。
首先，通过电压互感器和电流互感器测量并联电抗器的三相电压和电流，将模拟测量值经过低通滤波器、采样保持器和A/D转换器后，得到并联电抗器高压侧三相电压值序列U1a(k)、U1b(k)、U1c(k)，以及三相电流值序列I1a(k)、I1b(k)、I1c(k)，计算零序电压序列U0(k)和零序电流序列I0(k)，其中k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…， 其次，构建零序等效阻抗Z的参数识别方程其中u0、i0分别为零序电压和电流，L、R分别为零序等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，然后利用最小二乘参数估计法代入U0(k)、I0(k)序列，计算出相应时刻零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)。
根据最小二乘法参数估计法，参数识别方程其通式可写为A1L+A2R＝B，其中(采用3点微分公式，Δt为采样间隔，k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…)；A2＝i0；B＝u0。相应的离散形式的参数识别方程为A1iL+A2iR＝Bi(i＝1，2，…，n)，待求参数为L、R，其中L、R分别为等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，A1i，A2i为第i个采样时刻对应的系数值，i为采样周期的计数，n为最小二乘参数估计法所需采样点的长度，本发明一般采用5～20ms数据窗。
构建矩阵方程组AX＝B，其中 可求得X＝[A2×n]-1B，即对应的电感参数L和电阻参数R，顺次推移数据窗；同理，可得到对应的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)。
第三，利用零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，计算相应的幅角、幅值参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))和
其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz。
最后，将幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))代入方向判据 φ-270°+α＜arg(R(k)+jω0L(k))＜φ-90°-α，其中α为裕度角，一般取15°； 将幅值参数估计值
代入幅值判据 其中kk为可靠系数，一般取kk＝0.5； 当幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))满足方向判据时，或当幅值参数估计值
满足幅值判据时，判定并联电抗器发生内部故障，保护动作；若两个判据都不满足，则保护不动作。
为了验证本发明的正确性，采用中国电力科学研究院750kV动模数据进行了模拟。实验模型电抗器基本参数及设置如下电压等级750kV；电抗器阻抗2133Ω；中性点电抗器阻抗500Ω。
参照图9和图10，过渡电阻为50Ω，7.7％内部单相接地故障时，方向判据和幅值判据的仿真结果说明如下在电抗器内部故障时，方向判据的最大灵敏角近似为-90°。图9中，方向判据保护动作区间位于-15°和-165°两直线之间，由本发明方法计算出来的幅角近似在-110°附近波动，因此，保护装置可以迅速切除故障。
同样故障，利用幅值判据进行判定。首先在整定计算中，将并联电抗器阻抗及中性点电抗器阻抗看作一个整体，可靠系数取kk＝0.5，因此整定值为0.5×(2133+3×500)＝1816.5Ω。图10中，如直线所示，整定值为1816.5Ω，而零序等效阻抗近似在500Ω附近波动，显然小于整定值，因此，保护装置可以迅速切除故障。
参照图11、图12，分别为输电线路轻载(40％额定负载)情况下，1.7％匝间短路故障时方向判据和幅值判据的仿真结果图，判定结果与图9、图10结果类似。参照图13、图14，分别为输电线路重载(90％额定负载)情况下，1.7％匝间短路故障时方向判据和幅值判据的仿真结果图，判定结果也与图9、图10结果类似。虽然二者均为小匝间短路故障，零序电压、电流幅值比较小，但方向判据和幅值判据灵敏度依然较高，保护也可迅速切除故障。因此，说明输电线路负荷的大小不影响本发明的正确性。
另外，输电线路中含有可控串联补偿电容，对本发明的保护判据没有影响，并且可控电抗器补偿度变化对保护判据的正确动作也没有影响。因此，本发明在实施时，也可以应用在含可控串补和可控电抗器的线路系统中。
权利要求
1、一种基于参数识别的并联电抗器保护方法，其特征在于，包括
步骤1实时采集并联电抗器高压侧三相相电压值序列U1a(k)、U1b(k)、U1c(k)和三相相电流值序列I1a(k)、I1b(k)、I1c(k)，计算零序电压值序列U0(k)和零序电流值序列I0(k)，其中k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…，
步骤2构建零序等效阻抗Z的参数识别方程其中u0、i0分别为零序电压和电流，L、R分别为零序等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，然后利用最小二乘参数估计法代入U0(k)、I0(k)序列，计算出相应时刻零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)；
步骤3利用零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，计算相应的幅角arg(R(k)+jω0L(k))，其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz；
步骤4将幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))代入方向判据
φ-270°+α＜arg(R(k)+jω0L(k))＜φ-90°-α，其中α为裕度角，如果满足判据，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
2、根据权利要求1所述的基于参数识别的并联电抗器保护方法，其特征在于，所述步骤4中的裕度角α取15°。
3、一种基于参数识别的并联电抗器保护方法，其特征在于，包括
步骤1实时采集并联电抗器高压侧三相相电压值序列U1a(k)、U1b(k)、U1c(k)和三相相电流值序列I1a(k)、I1b(k)、I1c(k)，计算零序电压值序列U0(k)和零序电流值序列I0(k)，其中k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…，
步骤2构建零序等效阻抗Z的参数识别方程其中u0、i0分别为零序电压和电流，L、R分别为零序等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，然后利用最小二乘参数估计法代入U0(k)、I0(k)序列，计算出相应时刻零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)；
步骤3利用零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，计算相应的幅值参数估计值
其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz；
步骤4将幅值参数估计值
代入幅值判据
其中kk为可靠系数，
如果满足判据，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
4、根据权利要求3所述的基于参数识别的并联电抗器保护方法，其特征在于，所述步骤4的可靠系数kk＝0.5～0.8。
5、一种基于参数识别的并联电抗器保护方法，其特征在于，包括
步骤1实时采集并联电抗器高压侧三相相电压值序列U1a(k)、U1b(k)、U1c(k)和三相相电流值序列I1a(k)、I1b(k)、I1c(k)，计算零序电压值序列U0(k)和零序电流值序列I0(k)，其中k为采集数据序列号，k＝0，1，2，3…，
步骤2构建零序等效阻抗Z的参数识别方程其中u0、i0分别为零序电压和电流，L、R分别为零序等效阻抗Z的电感参数和电阻参数，然后利用最小二乘参数估计法代入U0(k)、I0(k)序列，计算出相应时刻零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)；
步骤3利用零序等效阻抗Z的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，计算相应的幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))和幅值参数估计值
其中ω0＝2πf0，f0＝50Hz；
步骤4将幅角参数估计值arg(R(k)+jω0L(k))代入方向判据
φ-270°+α＜arg(R(k)+jω0L(k))＜φ-90°-α，其中α为裕度角，一般取α＝15°，将幅值参数估计值
代入幅值判据
其中kk为可靠系数，取kk＝0.5；
如果上述参数估计值之一满足相应判据，判定并联电抗器发生内部故障，执行内部故障保护指令。
全文摘要
本发明涉及超、特高压电力系统主设备并联电抗器的保护研究领域，公开了一种基于参数识别的并联电抗器保护方法，包括以下步骤首先实时采集采集系统信息，构建零序等效阻抗Z的参数识别方程(见右Ⅰ)，然后利用最小二乘参数估计法计算出相应时刻零序等效阻抗的电感参数序列L(k)和电阻参数序列R(k)，获得相应的幅角、幅值参数估计值(见右Ⅱ式和右Ⅲ式)。最后，利用相应的方向判据和/或幅值判据，判定并联电抗器是否发生内部故障。
文档编号H02H3/38GK101286634SQ200810017550
公开日2008年10月15日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者索南加乐, 田宏强, 张健康, 粟小华 申请人:西安交通大学, 西北电网有限公司