《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》是許繼集團有限公司、許繼電氣股份有限公司於2004年2月24日申請的專利，該專利的公布號為CN1797888，申請公布日為2006年7月5日，發明人是李瑞生、馮秋芳、許慶強、劉千寬、樊占峰、劉星。該發明涉及電力系統自動化技術領域。
《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》包括將保護實時測量到的故障分量電壓和電流經數模轉換器輸入到計算機，並求得故障分量的阻抗，在阻抗平面上，根據被保護線路的阻抗，距離原點0.4倍線路阻抗處做線路阻抗對應線段的垂線，從而在阻抗平面上離線得到電抗線；根據阻抗坐標在電抗線的上下位置判斷故障類型，如果在電抗線的下部，則判為正方向故障；否則判為負方向故障；根據故障類型啟動繼電器元件工作，進行相應的保護。該發明提高了反方向元件的動作可靠性，對各類故障靈敏度較高，提高了保護的可靠性，且更加易於實現。適應於高壓輸電線路的零序、負序功率方向元件和反應正序故障分量和負序分量的複合量的方向元件保護。
2015年11月27日，《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法
- 申請人：許繼集團有限公司、許繼電氣股份有限公司
- 申請日：2004年2月24日
- 申請號：2004101024387
- 公布號：CN1797888
- 公布日：2006年7月5日
- 發明人：李瑞生、馮秋芳、許慶強、劉千寬、樊占峰、劉星
- 地址：河南省許昌市建設路178號
- 分類號：H02H3/26(2006.01)、H02H7/26(2006.01)
- 代理機構：鄭州聯科專利事務所
- 代理人：陳浩
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
方向元件即繼電器在現代繼電保護裝置中占有重要的地位，從簡單方向性過電流保護到複雜的超高壓線路的快速主保護，它都得到了廣泛的套用。傳統的方向元件有三種：套用於電壓電流保護的90°接線方向繼電器，套用於接地保護的零序功率方向繼電器，套用於高頻保護中的負序功率方向保護繼電器。第一種方向元件其特性受故障點過渡電阻的影響，在發生經過渡電阻短路時靈敏度降低，在出口三相短路時有電壓死區；在縱聯方向保護和方向性零序保護中使用的負序和零序功率方向元件實質上是反應故障分量的，與傳統的方向元件相比具有明顯的優點。但是系統在發生三相不對稱短路時才出現負序分量，在接地短路時才出現零序分量，也就是說，它們都不能反應三相對稱短路；正序故障分量方向元件則不受故障類型的影響，也不受系統負荷和故障點過渡電阻的影響，動作靈敏度高。安艷秋、高厚磊在2003年第8期的《電力系統及其自動化學報上》發表的《正序故障分量及其在繼電保護中的套用》公開了一種適應於各種故障分量的方向判別方法。王凱在《電工技術》2003（4）發表的《正序故障分量元件在超高壓輸電線路繼電保護中的套用》運用解析法詳細分析了正序故障分量元件在測量高壓輸電線路區內外短路故障的理論依據，由於該元件測量時不受系統振盪等擾動因素影響，具有極強的抗干擾能力。因此，2004年前廣泛採用正序故障分量或正序故障分量與負序分量組合後的複合量方向比較原理構成線路的主保護。但是，正序故障分量方向元件存在的隱患是，對正方向故障，如果保護安裝處背後是大系統，線上路發生故障時，正序電壓的突變數較小，不能用來進行比相判別，會影響該方向元件的判向可靠性，可能會引起正序故障分量方向元件誤判向而導致方向高頻保護拒動作。
發明內容
專利目的
為了克服2004年2月之前技術的不足，該發明的目的在於提供一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法，提高反方向方向元件的動作可靠性。
技術方案
《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》包括以下步驟：
步驟一、將保護裝置實時測量到的電壓和電流經數模轉換器輸入到保護裝置的數據處理單元，並時時檢測電力線路是否發生故障，若檢測到線路發生故障，保護裝置進入故障處理程式；
步驟二、由當前的正序電壓電流量和故障前的正序電壓電流量求得正序電壓電流變化量ΔU1、ΔP1，從而求得故障分量的阻抗；
步驟三、在阻抗平面上，根據被保護線路的阻抗，距離原點0.3-0.6倍線路阻抗處作線路阻抗對應線段的垂線，從而在阻抗平面上得到電抗線；
步驟四、根據步驟二求得的阻抗，計算其坐標與電抗線的上下位置關係，如果在其坐標電抗線的下部，則判為正方向故障；否則判為反方向故障；
步驟五、根據判定的故障的方向啟動方向繼電器元件工作，進行相應的保護邏輯判別。步驟三所作的垂線位於距離原點0.3-0.6倍（一般取0.4倍）線路阻抗處。
改善效果
《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》有如下優點：該發明提供了一種在高壓電網繼電保護中正負序故障分量方向元件和零序功率方向元件的判別故障的方法。測量故障後故障分量的阻抗，根據故障分量阻抗的大小決定故障的方向，用阻抗平面上的電抗線來代替原來的相位比較判據，相當於在相位判斷的基礎上，又增加了幅值比較的成份，來彌補ΔU1和U0很小的時候會引起誤判方向的缺陷，提高了反方向元件的動作可靠性。對各類故障靈敏度較高，不存在死區；對各類故障均具有明確的方向性，不受初始角、故障距離的影響。該發明在不降低正反方向靈敏度的前提下，有效提高了保護的可靠性，且更易於實現。該發明較好地解決了正序故障分量方向元件在大系統長線路末端故障時的靈敏度和誤判方向的問題。
附圖說明
圖1是《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》主流程圖；
圖2a是該發明實施例的正序故障分量等效網路的正向故障示意圖；
圖2b是該發明實施例的正序故障分量等效網路的范向故障示意圖；
圖3是阻抗平面圖；
圖4是判向動作區域示意圖。
權利要求
1、《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》其特徵在於，該方法包括以下步驟：
步驟1、將保護裝置實時測量到的故障分量電壓和電流經數模轉換器輸入到保護裝置的數據處理單元，並求得故障分量的阻抗；
步驟2、在阻抗平面上，根據被保護線路的阻抗，距離原點0.3～0.6倍線路阻抗處做線路阻抗對應線段的垂線，從而在阻抗平面上離線得到電抗線；
步驟3、根據阻抗坐標在電抗線的上下位置判斷故障類型；
步驟4、根據故障類型啟動繼電器元件工作，進行相應的保護。
2、根據權利要求1所述的正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法，其特徵在於，步驟1中的求得故障分量的阻抗採用下述公式：ΔU1/ΔP1=ΔR+j·ΔX；其中ΔU1、ΔP1分別為正序電壓電流變化量，（ΔR，ΔX）為阻抗在阻抗平面上的坐標點，分別表示電阻和電抗。
3.根據權利要求1所述的正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法，其特徵在於，所述步驟2中的垂線位於阻抗平面圖上距離原點0.4倍線路阻抗處。
4、根據權利要求3所述的正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法，其特徵在於，所述步驟3進一步包括：用測量到的正序故障分量阻抗對應在阻抗平面上的坐標作為正、反方向元件的判向動作量。
實施方式
對電力系統故障的分析，可套用對稱分量理論和疊加原理進行分析。將系統中三相電氣量分解為正序、負序、零序三個旋轉的對稱分量，並可將故障時正序分量分解為正常分量和故障分量的疊加。參閱圖1該發明的主流程圖，對輸電線路中的正負序故障分量方向和零序功率方向進行判別的方法如下：
首先，保護裝置將實時測量到的電壓和電流經模數轉換器輸入到保護裝置的數據處理單元，並時時檢測電力線路是否發生故障，若檢測到線路發生故障，保護裝置進入故障處理程式；並由當前的正序電壓電流量和故障前的正序電壓電流量求得正序電壓電流變化量ΔU1、ΔP1，從而求得故障分量的阻抗：然後，在阻抗平面上，根據被保護線路的阻抗，距離原點0.3-0.6倍（一般取0.4倍）線路阻抗處作線路阻抗對應線段的垂線，從而在阻抗平面上得到電抗線；之後，根據所求得的阻抗，計算其坐標與電抗線的上下位置關係，如果在其坐標電抗線的下部，則判為正方向故障；否則判為反方向故障；最後，根據判定的故障的方向啟動方向繼電器元件工作，進行相應的保護邏輯判別。
實施例一
正序故障分量方向判別方法。參閱圖2a和圖2b，2a和圖2b示出一個簡單的兩端電源系統發生故障時的正序故障分量等效網路，如果考慮M側的保護，則圖2a和圖2b分別是正向故障和反向故障的等效網路。圖中UF為正常運行條件下F點的電壓，ΔZ為故障附加阻抗，其隨短路類型和故障點位置而改變。
根據上面兩個圖可以得出下面結論：正方向故障時：ΔU1/ΔP1=-Zsm
反方向故障時：ΔU1/ΔP1=ZL+Zsn
從上述兩式中可以看出，根據實時測量到的ΔU1/ΔP1是-Zsm還是ZL+Zsn可以判斷出是正方向還是反方向故障。參閱圖3阻抗平面圖，判方向的關鍵是怎樣根據ΔU1/ΔP1求得的阻抗，在圖中阻抗平面上確定是P點還是Q點。P點對應正方向，Q點對應反方向。
對保護裝置來說，系統阻抗Zsm和Zsn隨著系統運行方式而變化，是未知參數。但是被保護線路的阻抗是已知的，即圖3中只有線段OR是已知的。為了判別正反方向，可以在圖3中線段OR上某點作該線段的垂線，用來區分正反方向，由此可以得到圖4判向動作區域圖，圖中垂線為1，垂足定在0.4ZL處可以保證反方向元件的靈敏度略高於正方向元件。
令ΔU1/ΔP1=ΔR+j·ΔX，ΔR和ΔX可以實時測量得到，其構成的坐標點（ΔR，ΔX）如果在直線1的上側，判為反方向；如果在1的下側判為正方向。由於被保護線路的阻抗已知，所以直線1與線段OR的垂足以及直線1的斜率都能離線得到，即1是已知的直線，令其方程為：aR+bX＝c。其中，a、b、c為已知的常數，且a＞0，R為橫坐標，X為縱坐標。最後方向元件的動作判據如下：正方向元件動作判據為a·ΔR+b·ΔX＜c；反方向元件動作判據為a·ΔR+b·ΔX＞c。
從圖4可以看出，對長輸電線路，判據的正方向方向元件的靈敏度得到很大的提高，且線路越長，靈敏度越高。同時，反方向元件也有0.6ZL對應的判向裕度空間，在兩側電源系統阻抗相同的前提下，反方向元件的靈敏度還是明顯高於正方向元件。
實施例：零序功率分量方向判別方法。採用的故障分量為U0、I0，參考圖2a、圖2b。
正方向故障時：ΔU1/ΔP1=-Z0sm
反方向故障時：ΔU1/ΔP1=Z0L+Z0sn
式中Z0sm、Z0sn分別為m、n兩側系統的零序阻抗，Z0L為線路零序阻抗。從上述兩式中可以看出，根據實時測量到的U0/I0是-Z0sm還是Z0L+Z0sn可以判斷出是正方向還是反方向故障。餘下的判別方法和正序故障分量方向元件的判別方法完全一樣。
實施例二
負序功率分量方向判別方法。採用的故障分量為U2、I2，參考圖2a、圖2b。
正方向故障時：ΔU1/ΔP1=-Z2sm
反方向故障時：ΔU1/ΔP1=Z2L+Z2sn
式中Z2sm、Z2sn分別為m、n兩側系統的負序阻抗，Z2L為線路負序阻抗。從上述兩式中可以看出，根據實時測量到的U2/I2是-Z2sm還是Z2L+Z2sn可以判斷出是正方向還是反方向故障。餘下的判別方法和正序故障分量方向元件的判別方法完全一樣。
對零序、負序功率方向元件，以及反應正負序故障分量複合量的方向元件，都可以採用與上述類似的判據，來提高反方向元件的動作可靠性。特別是零序功率方向元件，在現場出現過的幾次因零序電壓或者電流較小而引起保護拒動的現象，用該發明均能較準確有效地判出故障方向。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種正負序故障分量方向和零序功率方向判別方法》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
