全电气量保护新原理探讨

摘要:文章首先对传统的保护原理及其线路模型进行了分析和探讨，认为基于工频量的保护无法进一步提高动作速度；基于暂态量的保护无法保证动作可靠性。在此基础上，提出了自适应的、时变的、频率相关的分布参数模型上的反映全电气量的保护新原理。

关键词:工频分量；暂态分量；全电气量；单电气量

中图分类号:TM773　文献标识码:A　文章编号:1009-2374(2011)24-0087-02

一、概述

输电线路的模型和保护原理是输电线路保护的基础，传统的保护大都基于RL串联模型，所应用的原理是基于故障后工频分量的保护原理，然而随着输电线路的延长和电压等级的升高，大电网需要保护进一步的提高动作速度，传统的基于RL模型的以故障后工频分量构成的保护原理不再适应线路保护发展的需要，在这种情况下，以行波保护为主要内容的基于故障后暂态分量的暂态保护原理得到了快速的发展，其所用线路模型也是基于分步参数的线路模型，然而，暂态保护由于可靠性差而无法获得广泛的应用。这就在客观上需要一种基于新线路模型的新的保护原理来解决目前的保护所面临的问题。

继电保护装置是通过反应被保护元件故障时电气量的变化特征构成的，按照反映电气量的不同可以把输电线路保护原理划分为两大类:(1)反应输电线路稳态电气量或者暂态电气量变化特征的保护原理――单电气量保护原理；(2)同时反应输电线路稳态电气量和暂态电气量的保护原理―全电气量保护原理。

二、基于单电气量保护原理及存在的问题

自从1901年第一台基于过电流的电磁式继电器应用于电力系统继电保护以来，至今已有一百多年的历史，一直到上世纪60年代，保护研究者们把精力集中在工频量上，舍弃暂态分量，这种原理下的保护我们称之为基于工频量的单电气量保护。这种基于工频量的单电气量保护在一定程度上保证了动作的可靠性和灵敏性，整套保护的动作速度由于通讯设备的存在而很难提高，动作速度也不够快，为了进一步提高动作速度，从上世纪60年代，保护研究者们从研究行波保护开始，把研究的中心转移到了故障暂态分量上，这种原理下的保护我们称之为基于暂态量的单电气量保护。

基于工频量的单电气量保护的核心思想是忽略输电线路中的暂态分量，取其工频分量(稳态分量)，目前在电力系统中广泛利用故障时工频分量的变化特征构成继电保护装置。基于工频量的单电气量保护，对暂态分量和由暂态分量引起的暂态超越问题，进而对继电保护产生的影响问题，大都局限在提高动作门槛和使用滤波器两种方案上，二者都有一个共同的特点――忽略暂态分量，同样无法进一步提高动作速度。

基于暂态量的单电气量保护的核心思想是利用故障后产生的暂态分量，根据其特性构成动作保护判据。这种基于暂态量的保护以行波保护的研究为主。实际上，故障暂态分量中所包含的故障信息远比工频分量多得多，不仅包括衰减的直流分量和倍频分量，还包括其它高频暂态分量，以及故障点所产生的电压、电流行波在经过母线、故障点等不同波阻抗点时会产生行波的透、反射。利用故障暂态分量的变化特征，构成一种能可靠区分被保护的线路内部任意点故障的继电保护，其动作速度远远高于基于工频量原理的保护。然而，目前国内外所投运的行波保护普遍存在着可靠性不高的问题。

三、基于全电气量保护新原理

(一)全电气量保护新原理的出现

传统的线路距离保护时域微分方程为:

此线路微分方程不仅满足周期的工频分量，而且还满足故障后产生的衰减直流分量和倍频分量。因为故障后产生的衰减直流分量和倍频分量也属于暂态分量，因此传统的距离保护时域微分方程算法也隐含着全电气量的思想。

2005年我国学者在对传统的距离保护算法进行改进时，首次明确提出了全电气量的思想，并首先应用于改进的距离保护相量比较式新算法，这个新算法是先定义一个小矢量的概念，再建立一个满足线路保护的小矢量方程，此方程包含衰减直流分量和稳态谐波分量，且动作时问最快可以在5ms以内(包括装置的继电器出口时间)，线路模型在一定程度上具有自适应性，这一原理目前正应用于开发的实际装置。然而其原理算法基于简单的RL线路模型，满足的暂态分量也仅局限于衰减的直流分量和倍频分量，而暂态分量中的其他高频分量仍然无法满足保护判据。

(二)全电气量保护新原理的核心内容

基于全电气量保护原理是一种新型的保护原理，和单电气量保护原理相比，它包括以下三个方面的核心内容:

1.对输电线路时频分析，重新建立一套新的频率相关模型。通过对故障后电气量特征的分析，发现随着输电线路的延长和电压等级的升高，故障后的暂态分量越明显，输电线路模型越接近实际线路，故障特征的分析就越准确，目前的保护不适合超长线路的原因是基于简单的RLC线路模型。基于全电气量保护新原理首先应建立一个频率相关的分布参数线路模型。

2.保护基于的线路模型应该是时变的。由于保护装置对故障电气量的处理是实时的，这导致在故障后的初期，各种频率的分量都存在，由于不同频率的暂态分量衰减时问不同，频率越高，衰减越快，随着时间的推移，暂态分量依次从高频到低频衰减至零。因此在不同的时刻，必须采用不同的线路模型，直到所有的暂态分量衰减完毕后。

3.线路模型应具有自适应性。因为保护装置在处理故障信号时，总是在一个时间窗口内进行的。由于信号处理的实时性，其有效的时问窗(只包含故障后的电气量)也应该是时变的，有效时间窗的宽度是从一个采样点(或几个采样点的短窗)逐渐变宽直到一个工频周期。在不同的时问窗的宽度下，不同频率信号的分辨率是不同的，当时间窗的宽度小于某种频率信号的一个周期时，这个频率的信号是没有分辨率的，同时，时间窗宽度的增加，高频信号的分辨率逐渐下降。因此自适应的线路模型是反应全电气量的快速可靠的新型保护原理的理论基础。

四、未来展望

目前的保护都是利用工频分量，基于简单的RL模型，因为目前的保护大都属于传统意义上的保护，只是利用故障后的工频分量。故障引起的暂态量通常作为噪声被滤除，这不仅增加了保护的响应时问，而且滤波的效果也极为有限，无法进一步提高其动作速度。为了提高保护动作速度，又不得不利用故障后的暂态分量，为了彻底消除暂态分量的不利影响，也只有将其利用，这样不仅能够消除暂态量的不利影响，而且能够最大可能的提高保护的动作速度。

将线路故障后的暂态模型和稳态模型进行有机的统一，将故障后产生的暂态分量作为有用的信息和稳态工频量一起加以处理，建立起反映全电气量的保护新判据。目前我国学者已经建立起基于RL模型的反映全电气量的新判据，基于分步参数模型的新判据正在进一步研究中，未来参数模型还将具有时变性和自适应性。总之，反映全电气量保护的新原理将成为输电线路继电保护发展的一个方向。

参考文献

[1]张保会.电网继电保护与实时安全性控制面临的问题与

需要开展的研究[J].电力自动化设备,2004,24(7).

[2]张保会.加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力[J].中国电机工程学报，2004,24(7).