本發(fā)明涉及輸電線路新型繼電保護(hù)方法，具體指一種基于電流耐受能力時間預(yù)測的架空輸電線路主動式熱保護(hù)方法，屬于電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來國內(nèi)外發(fā)生的多次大面積停電引發(fā)了人們的關(guān)注，總結(jié)原因大多是由于個別元件故障的切除造成電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引發(fā)系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移從而導(dǎo)致部分輸電線路的電流發(fā)生躍變，電流若超過該線路的保護(hù)整定值則將線路切除，進(jìn)而引起新一輪的潮流轉(zhuǎn)移，最終發(fā)展成連鎖跳閘事故。目前防范電網(wǎng)連鎖跳閘的研究主要集中在廣域保護(hù)(wide-areaprotectionsystem，waps)等方面，廣域保護(hù)對通信提出了更高的要求，需要實(shí)時收集電網(wǎng)所有的動態(tài)信息，存在著計算量過大、難以確定合理的保護(hù)范圍等缺點(diǎn)。

線路保護(hù)跳閘助推連鎖故障的根源在于保護(hù)按照輸電線路運(yùn)行電流參數(shù)超出正常邊界為啟動跳閘條件，且這個邊界條件不能動態(tài)反映線路安全狀態(tài)的實(shí)時變化，使得發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移電流躍變時在調(diào)度員采取調(diào)控措施之前，保護(hù)就自動動作將線路切除，這雖然保證了輸電線路等設(shè)備的安全，但由此引發(fā)更大連鎖跳閘，不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

線路承載過電流的耐受能力主要由導(dǎo)線運(yùn)行溫度和電氣絕緣間隙距離限制，隨導(dǎo)線所處氣象環(huán)境、導(dǎo)線電氣性能、機(jī)械性能以及熱力現(xiàn)象而變化?，F(xiàn)有的輸電線路設(shè)計規(guī)范和運(yùn)行規(guī)程中，利用最高允許溫度表征輸電線路安全運(yùn)行溫度和對地、交叉跨越的最小安全距離兩方面。所以相比電流，利用溫度表征線路的過電流耐受能力將更準(zhǔn)確地反映線路的安全狀態(tài)，且線路溫升與電流躍變之間存在時滯效應(yīng)，若能充分利用線路熱慣性的延長時間，可為精準(zhǔn)安全穩(wěn)定控制贏得時間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)以電流參數(shù)超出正常邊界為啟動跳閘條件存在的上述不足，本發(fā)明提出一種基于電流耐受時間預(yù)測的輸電線路主動式熱保護(hù)方法，本方法在保證系統(tǒng)安全的前提下，盡量提高線路的耐受能力，從而可以盡量延緩跳閘保護(hù)動作，最大限度避免連鎖跳閘。

基于電流耐受時間預(yù)測的輸電線路主動式熱保護(hù)方法，主體思想如圖1所示，保護(hù)邏輯如圖2所示，本發(fā)明的技術(shù)方案按如下步驟進(jìn)行：

步驟1信息采集：采集輸電線路多源數(shù)據(jù)

在電力系統(tǒng)中氣象觀測站有限且不可能完全與輸電線路走廊重合，高壓長距離輸電線路會經(jīng)過一些氣候條件特殊的區(qū)域，其氣象狀況可能與周邊的環(huán)境有明顯的差別。因此，根據(jù)架空輸電線路參數(shù)、地理位置原圖，結(jié)合所跨越范圍內(nèi)的氣象觀測站和氣象局發(fā)布的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，對線路進(jìn)行分區(qū)分段精細(xì)化獲取氣象信息，有效提高后續(xù)線路過電流耐受時間預(yù)測的計算精度。如圖3所示輸電線路可以根據(jù)其地理環(huán)境和周圍氣象站分布特征分為n段，獲取各區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度和日照強(qiáng)度等氣象變量的實(shí)況值和預(yù)報值，作為后續(xù)各段線路的溫升計算及耐受時間預(yù)測的氣象輸入量。在不需添加測量設(shè)備的情況下，通過線路繼電保護(hù)的測量元件實(shí)時采集線路電流信息，通過測溫元件采集輸電線路導(dǎo)線溫度。

步驟2保護(hù)啟動：輸電線路溫度啟動判據(jù)與過電流啟動判據(jù)

通過輸電線路溫度啟動判據(jù)與過電流啟動判據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路主動式熱保護(hù)的啟動功能。若兩者中任意一個滿足判據(jù)，則保護(hù)啟動。輸電線路溫度啟動判據(jù)是將采集的導(dǎo)線溫度值θc與導(dǎo)線溫度啟動值θstart進(jìn)行比較，若超過導(dǎo)線溫度啟動值，則保護(hù)啟動，具體表達(dá)式如下：

θc＞θstart,θstart＝kθθmax(1)

式(1)中，kθ為溫度啟動系數(shù)，取0.6-0.8，θmax取導(dǎo)線規(guī)程設(shè)計的最高允許運(yùn)行溫度；

過電流啟動判據(jù)是將采集的線路電流信息ic與電流啟動值istart進(jìn)行比較，若采集電流值超過電流啟動值，則保護(hù)啟動，具體表達(dá)式如下：

ic＞istart,istart＝kiil.max(2)

式(2)中，ki為電流啟動系數(shù)，取0.8-0.9，il.max表示線路最大負(fù)荷電流；

步驟3耐受時間預(yù)測：輸電線路過電流耐受時間預(yù)測

保護(hù)啟動后進(jìn)行耐受時間預(yù)測，基于所采集的輸電線路多源數(shù)據(jù)信息，通過導(dǎo)線動態(tài)熱平衡分析，求得導(dǎo)線溫升響應(yīng)表達(dá)式，取導(dǎo)線規(guī)程設(shè)計的最高允許運(yùn)行溫度為線路耐受基準(zhǔn)值，預(yù)測得線路的安全耐受時間，具體預(yù)測過程如下：

3.1)輸電線路動態(tài)熱平衡分析

運(yùn)行條件下，輸電元件溫度變化與運(yùn)行環(huán)境及狀態(tài)相關(guān)，對架空輸電線路而言，其溫度變化主要受載流、風(fēng)速、風(fēng)向、日照、氣溫等因素的影響。輸電線路動態(tài)熱平衡方程即是在綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上對輸電線路電熱耦合規(guī)律的數(shù)學(xué)建模，具體表達(dá)如下：

式(3)中，qc、qr、qs、ql分別是單位長度導(dǎo)線的對流散熱功率、輻射散熱功率、日照發(fā)熱功率和焦耳熱功率，w/m；θ表示導(dǎo)線溫度，通常取各絞層的平均溫度，℃。對于由多種材料組成的導(dǎo)線，鋼芯鋁絞線為例，有m·c＝ma·ca+ms·cs；其中，ma、ms為單位長度導(dǎo)線中鋁、鋼材料的質(zhì)量kg/m；ca、cs為鋁、鋼材料的比熱容，j/(kg·℃)。

3.2)輸電線路溫升預(yù)測表達(dá)式推導(dǎo)

已知?dú)庀髤?shù)和輸電線路短時過載量的條件下，從解析分析入手推導(dǎo)求得電流沖擊后熱慣性過程的溫度時域表達(dá)式為：

式(4)中，d表示導(dǎo)線的直徑；θ0、θa、θmax分別是導(dǎo)線的初始溫度、運(yùn)行環(huán)境溫度和最高允許運(yùn)行溫度；rref是指輸電線路的交流等效電阻，參考輸電線路設(shè)計手冊計算求取；ac、ar、as分別是導(dǎo)線的對流散熱系數(shù)、輻射散熱系數(shù)、日照吸熱系數(shù)，參考ieee標(biāo)準(zhǔn)和cigre標(biāo)準(zhǔn)計算求?。籭0、if分別是導(dǎo)線的初始電流有效值、潮流轉(zhuǎn)移后電流有效值，即k表示線路的過電流倍數(shù)。

3.3)輸電線路安全耐受時間預(yù)測

若取θmax作為過電流短時最高允許溫度時，由溫升解析模型可求得對應(yīng)電流倍數(shù)k與溫升時間的關(guān)系為：

由最高允許運(yùn)行溫度θmax，可得到導(dǎo)線在該溫度下臨界允許電流相對于初始運(yùn)行電流的倍數(shù)關(guān)系式為：

由導(dǎo)線熱平衡理論可知，當(dāng)過電流小于臨界允許電流時，允許上升溫度時間無窮大。當(dāng)過電流大于臨界允許電流時，電流越大溫升允許時間將會越小。具體函數(shù)關(guān)系如下：

3.4)全輸電線路安全耐受時間的選取

根據(jù)全輸電線路走廊實(shí)時電氣量與氣象量數(shù)據(jù)分段區(qū)域劃分，線路被劃分為n段。在獲取各區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度和日照強(qiáng)度這些氣象變量的實(shí)時或預(yù)報值后，各段線路載流量分別可根據(jù)式(7)計算，得到n個安全耐受時間值，則圖2所示的整條線路的安全耐受時間取為n段中最小值。表示為：

ts＝min{ts1,ts2,…tsi…tsn}i＝1,2…n(8)

步驟4溫度告警：

預(yù)測得到的導(dǎo)線短時安全耐受時間后，向電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送耐受時間信息，為精準(zhǔn)安穩(wěn)控制提供時間參考，同時向啟動計時元件發(fā)送啟動信號，啟動計時元件開始計時。在此期間，采取功率調(diào)節(jié)、切機(jī)切負(fù)荷等安全穩(wěn)定控制措施，使電網(wǎng)盡快恢復(fù)安全穩(wěn)定；當(dāng)計時元件時間到達(dá)0.5ts時刻，將告警信息發(fā)送至電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，提醒調(diào)度人員。

步驟5保護(hù)跳閘：

當(dāng)計時時間到達(dá)ts時刻，則向線路斷路器與調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號，及時切除溫度越限的線路。同時在安全耐受時間區(qū)間內(nèi)監(jiān)測導(dǎo)線溫度，當(dāng)滿足溫度越限動作判據(jù)時，無需等待計時時間到達(dá)ts時刻，熱保護(hù)即可直接向線路斷路器與調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號，切除溫度越限的線路。

溫度越限動作判據(jù)是將采集的導(dǎo)線溫度值θc與導(dǎo)線溫度動作值θset進(jìn)行比較，若超過導(dǎo)線溫度動作值，則保護(hù)動作，具體表達(dá)式如下：

θc＞θset,θset＝krelθmax(9)

式(9)中，krel為可靠系數(shù)，取1.05-1.1。

由于在啟動計時到到達(dá)ts時刻過程中，調(diào)度系統(tǒng)可能采取了切機(jī)切負(fù)荷等安穩(wěn)控制措施，這些措施的實(shí)施，可能使之前的保護(hù)啟動判據(jù)不再滿足，即溫度或者電流低于對應(yīng)的啟動值，此時即使到達(dá)ts時刻，也無需跳閘保護(hù)，從而可以盡量延緩跳閘保護(hù)動作，最大限度避免連鎖跳閘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明所提供的輸電線路主動式熱保護(hù)方法，在潮流轉(zhuǎn)移初期主動預(yù)測輸電線路安全性能的實(shí)時變化趨勢，在不需添加昂貴設(shè)備的前提下，依靠輸電線路現(xiàn)有的在線監(jiān)測裝置、微氣象站以及精細(xì)化氣象預(yù)報系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測線路的過電流耐受時間，最大限度的挖掘輸電線路耐受潮流轉(zhuǎn)移過電流能力；在電網(wǎng)運(yùn)營商應(yīng)對緊急突發(fā)情況及時采取處理措施時，及時將當(dāng)前輸電線路的安全耐受能力反饋至電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，主動協(xié)調(diào)安穩(wěn)控制消除被保護(hù)線路的過電流，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定，有效避免發(fā)生大面積連鎖跳閘事故，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1為輸電線路主動式熱保護(hù)方法的主體思想圖。

圖2為輸電線路主動式熱保護(hù)方法的邏輯框圖。

圖3為輸電線路氣象信息數(shù)據(jù)的分段分區(qū)域采集方式圖。

圖4為輸電線路主動式熱保護(hù)方法的耐受時間預(yù)測流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于電流耐受時間預(yù)測的輸電線路主動式熱保護(hù)方法，主體思想為：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致被保護(hù)線路電流躍變時，利用導(dǎo)線溫度表征線路過電流耐受能力，準(zhǔn)確預(yù)測線路的實(shí)時安全狀態(tài)；基于輸電線路地理信息和沿線氣象觀測站分布特征，分區(qū)分段獲取線路運(yùn)行氣象條件的實(shí)況值和預(yù)報值，計算線路溫升響應(yīng)以準(zhǔn)確預(yù)測輸電線路過電流安全耐受時間值；將耐受時間信息反饋至電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，為精準(zhǔn)的安穩(wěn)控制提供時間依據(jù)，同時關(guān)注控制期間導(dǎo)線溫度變化軌跡，若仍有超過最高允許運(yùn)行溫度的危險情況，則切除線路，避免發(fā)生因溫度過高而引起的弧垂越限和熱力老化；主體思想如圖1所示。

本發(fā)明具體按如下步驟進(jìn)行：

步驟1信息采集：采集輸電線路多源數(shù)據(jù)

在電力系統(tǒng)中氣象觀測站有限且不可能完全與輸電線路走廊重合，高壓長距離輸電線路會經(jīng)過一些氣候條件特殊的區(qū)域，其氣象狀況可能與周邊的環(huán)境有明顯的差別。因此，根據(jù)架空輸電線路參數(shù)、地理位置原圖，結(jié)合所跨越范圍內(nèi)的氣象觀測站和氣象局發(fā)布的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，對線路進(jìn)行分區(qū)分段精細(xì)化獲取氣象信息，有效提高后續(xù)線路過電流耐受時間預(yù)測的計算精度。如圖3所示輸電線路可以根據(jù)其地理環(huán)境和周圍氣象站分布特征分為n段，獲取各區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度和日照強(qiáng)度等氣象變量的實(shí)況值和預(yù)報值，作為后續(xù)各段線路的溫升計算及耐受時間預(yù)測的氣象輸入量。在不需添加測量設(shè)備的情況下，通過線路繼電保護(hù)的測量元件實(shí)時采集線路電流信息，通過測溫元件采集輸電線路導(dǎo)線溫度。

步驟2保護(hù)啟動：輸電線路溫度啟動判據(jù)與過電流啟動判據(jù)

通過輸電線路溫度啟動判據(jù)與過電流啟動判據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路主動式熱保護(hù)的啟動功能。若兩者中任意一個滿足判據(jù)，則保護(hù)啟動。輸電線路溫度啟動判據(jù)是將采集的導(dǎo)線溫度值θc與導(dǎo)線溫度啟動值θstart進(jìn)行比較，若超過導(dǎo)線溫度啟動值，則保護(hù)啟動，具體表達(dá)式如下：

θc＞θstart,θstart＝kθθmax(1)

式(1)中，kθ為溫度啟動系數(shù)，取0.6-0.8，θmax取導(dǎo)線規(guī)程設(shè)計的最高允許運(yùn)行溫度；

過電流啟動判據(jù)是將采集的線路電流信息ic與電流啟動值istart進(jìn)行比較，若采集電流值超過電流啟動值，則保護(hù)啟動，具體表達(dá)式如下：

ic＞istart,istart＝kiil.max(2)

式(2)中，ki為電流啟動系數(shù)，取0.8-0.9，il.max表示線路最大負(fù)荷電流；

步驟3耐受時間預(yù)測：輸電線路過電流耐受時間預(yù)測(同時參見圖4)

保護(hù)啟動后進(jìn)行耐受時間預(yù)測，基于所采集的輸電線路多源數(shù)據(jù)信息，通過導(dǎo)線動態(tài)熱平衡分析，求得導(dǎo)線溫升響應(yīng)表達(dá)式，取導(dǎo)線規(guī)程設(shè)計的最高允許運(yùn)行溫度為線路耐受基準(zhǔn)值，預(yù)測得線路的安全耐受時間，具體預(yù)測過程如下：

3.1)輸電線路動態(tài)熱平衡分析

運(yùn)行條件下，輸電元件溫度變化與運(yùn)行環(huán)境及狀態(tài)相關(guān)，對架空輸電線路而言，其溫度變化主要受載流、風(fēng)速、風(fēng)向、日照、氣溫等因素的影響。輸電線路動態(tài)熱平衡方程即是在綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上對輸電線路電熱耦合規(guī)律的數(shù)學(xué)建模，具體表達(dá)如下：

式(3)中，qc、qr、qs、ql分別是單位長度導(dǎo)線的對流散熱功率、輻射散熱功率、日照發(fā)熱功率和焦耳熱功率，w/m；θ表示導(dǎo)線溫度，通常取各絞層的平均溫度，℃。對于由多種材料組成的導(dǎo)線，鋼芯鋁絞線為例，有m·c＝ma·ca+ms·cs；其中，ma、ms為單位長度導(dǎo)線中鋁、鋼材料的質(zhì)量kg/m；ca、cs為鋁、鋼材料的比熱容，j/(kg·℃)。

3.2)輸電線路溫升預(yù)測表達(dá)式推導(dǎo)

已知?dú)庀髤?shù)和輸電線路短時過載量的條件下，從解析分析入手推導(dǎo)求得電流沖擊后熱慣性過程的溫度時域表達(dá)式為：

式(4)中，d表示導(dǎo)線的直徑；θ0、θa、θmax分別是導(dǎo)線的初始溫度、運(yùn)行環(huán)境溫度和最高允許運(yùn)行溫度；rref是指輸電線路的交流等效電阻，參考輸電線路設(shè)計手冊計算求??；ac、ar、as分別是導(dǎo)線的對流散熱系數(shù)、輻射散熱系數(shù)、日照吸熱系數(shù)，參考ieee標(biāo)準(zhǔn)和cigre標(biāo)準(zhǔn)計算求??；i0、if分別是導(dǎo)線的初始電流有效值、潮流轉(zhuǎn)移后電流有效值，即k表示線路的過電流倍數(shù)。

3.3)輸電線路安全耐受時間預(yù)測

若取θmax作為過電流短時最高允許溫度時，由溫升解析模型可求得對應(yīng)電流倍數(shù)k與溫升時間的關(guān)系為：

由最高允許運(yùn)行溫度θmax，可得到導(dǎo)線在該溫度下臨界允許電流相對于初始運(yùn)行電流的倍數(shù)關(guān)系式為：

由導(dǎo)線熱平衡理論可知，當(dāng)過電流小于臨界允許電流時，允許上升溫度時間無窮大。當(dāng)過電流大于臨界允許電流時，電流越大溫升允許時間將會越小。具體函數(shù)關(guān)系如下：

3.4)全輸電線路安全耐受時間的選取

根據(jù)全輸電線路走廊實(shí)時電氣量與氣象量數(shù)據(jù)分段區(qū)域劃分，線路被劃分為n段。在獲取各區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、濕度和日照強(qiáng)度這些氣象變量的實(shí)時或預(yù)報值后，各段線路載流量分別可根據(jù)式(7)計算，得到n個安全耐受時間值，則圖2所示的整條線路的安全耐受時間取為n段中最小值。表示為：

ts＝min{ts1,ts2,…tsi…tsn}i＝1,2…n(8)

步驟4溫度告警：

預(yù)測得到的導(dǎo)線短時安全耐受時間后，向電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送耐受時間信息，為精準(zhǔn)安穩(wěn)控制提供時間參考，同時向啟動計時元件發(fā)送啟動信號，啟動計時元件開始計時。在此期間，采取功率調(diào)節(jié)、切機(jī)切負(fù)荷等安全穩(wěn)定控制措施，使電網(wǎng)盡快恢復(fù)安全穩(wěn)定；當(dāng)計時元件時間到達(dá)0.5ts時刻，將告警信息發(fā)送至電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，提醒調(diào)度人員。

步驟5保護(hù)跳閘：

當(dāng)計時時間到達(dá)ts時刻，則向線路斷路器與調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號，及時切除溫度越限的線路。同時在安全耐受時間區(qū)間內(nèi)監(jiān)測導(dǎo)線溫度，當(dāng)滿足溫度越限動作判據(jù)時，無需等待計時時間到達(dá)ts時刻，熱保護(hù)即可直接向線路斷路器與調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號，切除溫度越限的線路。

溫度越限動作判據(jù)是將采集的導(dǎo)線溫度值θc與導(dǎo)線溫度動作值θset進(jìn)行比較，若超過導(dǎo)線溫度動作值，則保護(hù)動作，具體表達(dá)式如下：

θc＞θset,θset＝krelθmax(9)

式(9)中，krel為可靠系數(shù)，取1.05-1.1。

由于在啟動計時到到達(dá)ts時刻過程中，調(diào)度系統(tǒng)可能采取了切機(jī)切負(fù)荷等安穩(wěn)控制措施，這些措施的實(shí)施，可能使之前的保護(hù)啟動判據(jù)不再滿足，即溫度或者電流低于對應(yīng)的啟動值，此時即使到達(dá)ts時刻，也無需跳閘保護(hù)，從而可以盡量延緩跳閘保護(hù)動作，最大限度避免連鎖跳閘。本發(fā)明保護(hù)邏輯如圖2所示。

最后需要說明的是，本發(fā)明的上述實(shí)例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。盡管申請人參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。