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摘要：在我国快速发展过程中，经济在快速发展，社会在不断进步，110kV线路多采用距离保护作为线路主保护，而短路点过渡电阻的存在使阻抗继电器的测量阻抗发生变化，易造成距离保护拒动。针对过渡电阻对距离保护的影响问题，基于PSCAD仿真平台搭建110kV双侧电源输电线路及线路距离保护的仿真模型，分析在不同短路情况下保护的动作特性，并基于此线路对仿真结果进行测试验证。仿真结果表明，过渡电阻对距离保护会产生较大影响，而零序电流保护元件抗过渡电阻干扰的能力较强，作为110kV线路的后备保护，与距离保护配合具有较高的可靠性，能维持系统的稳定性。
关键词：线路保护;过渡电阻;PSCAD/EMTDC;仿真分析
引言
短路故障点的过渡电阻是影响距离保护正确工作的因素之一。当线路发生接地短路时，由于过渡电阻的存在，必将引起测量阻抗的变化，从而对接地距离保护的正确工作带来影响。本文通过分析单侧电源线路和双侧电源线路出口故障时过渡电阻对不同距离保护工作的影响，比较传统型距离保护、自适应距离保护、神经网络距离保护躲过渡电阻特性的各自优缺点，提出了基于人工神经网络的自适应距离保护硬件设计和工作原理。
1距离保护的分类、配置与整定
1.1距离保护的分类
1）阻抗继电器阻抗继电器是反映测量阻抗变化的距离保护，通过判断测量阻抗是否落入其动作区域来判定是否动作：当落入保护动作区域时，保护动作;否则，不动作。其中，保护安装处的测量阻抗表达式为 式中： 分别表示保护安装处的电压、电流和零序电流，且φ=A，B，C;K表示零序电流补偿系数;α表示故障点到保护安装处的距离百分比;Zl表线路阻抗; 分别表示故障点的电压和电流;R表示过渡电阻; 表示过渡电阻引起的故障附加阻抗。阻抗继电器常见的动作特性有方向圆、四边形、偏移圆和全阻抗等。2）距离继电器距离继电器是按照故障点的电压边界条件建立动作判据，即利用故障相补偿电压在保护范围临界点存在相位突变180°的特点，来判别区内与区外故障：当判定为区内故障时，保护动作;否则，不动作。其中，补偿电压表达式为 式中：Zset表示整定阻抗;其他符号定义与式（1）中相同。补偿电压在正常运行态、振荡、两相运行和区外故障时，均能够正确反映整定点电压;唯有在保护区内故障时，方不能准确反映整定点的电压。为判断补偿电压相位是否存在突变，距离继电器需引入起参考作用的极化量（可以是电压、电流，或电压与电流构成的复合量）来比相。在保护判据中选择不同的极化量，可构成具有不同动作特性的保护方案，如极化距离继电器、工频变化量距离继电器、多相补偿距离继电器、电抗继电器等。
1.2距离保护的整定
距离保护整定原则是按金属性故障来校验灵敏度，且不计及弧光电阻的影响。1）阻抗继电器在符合逐级配合原则的前提下，尽可能提高距离保护的灵敏度。对于配合有困难时，采用不完全配合，即后备保护之间定值不配，按时间段相配的原则整定，时间级差采用0.3～0.4s。距离I段：按可靠躲过本线路末端故障整定。如500kV输电线路可靠系数取0.6～0.8;220kV输电线路可靠系数取0.6～0.7;同杆或部分同杆的平行双回线可靠系数取0.5～0.6。对于超短线路（如小于5km），为防止超越应停用距离I段。
2过渡电阻对距离保护的影响
关断零序保护，在仿真模型中的断路器2、断路器6、断路器3和断路器5中只配备距离保护和重合闸保护，而断路器1、断路器4只配备简单的电源保护，观察断路器动作情况。在仿真实验中设置故障开始时间为0.2s，持续时间0.6s。以单相故障为例进行分析，故障点位于线路AB长度50%处。110kV架空输电线路发生接地故障时短路点的过渡电阻一般不超过40Ω。一般来讲，过渡电阻值越大对距离保护的影响越大，本文设置接地点过渡电阻分别为1Ω，30Ω和60Ω，以对比分析在较小、中等、较大的过渡电阻情况下距离保护的动作情况。线路AB发生A相永久性接地故障时，保护2和保护6的动作信号图如图5所示。由上至下分别是当过渡电阻为1Ω，30Ω和60Ω时保护2处的继电器测量的电平信号。保护2和保护6在过渡电阻为1Ω和30Ω的接地故障发生后迅速发出跳闸信号，故障被立即切除，但是在过渡电阻为60Ω时不动作。通过观察阻抗轨迹，若阻抗轨迹落入整定的阻抗圆中，保护动作，否则不动作。可以看出，当过渡电阻为1Ω和30Ω时，A相测量阻抗轨迹在圈内，即短路点位于保护范围内，距离保护能够动作，可靠地切除故障;而随着过渡电阻增大，阻抗轨迹逐渐远离阻抗圆。在过渡电阻值增大到60Ω时，阻抗轨迹并没有落入整定的阻抗圆中，距离保护拒动。由以上仿真结果可知：不同阻值的过渡电阻对距离保护的影响不同，过渡电阻越大，对保护的影响越明显，超出一定范围会造成保护拒动，距离保护失效。
3采用人工神经网络的自适应距离保护
采用ANN构成的自适应接地距离保护系统，按电力系统实时状态自动设置倾斜角α。站计算机采集所需的电压、电流量，经过处理，将相关的数据送回保护系统，由ANN估算倾斜角α以供距离保护应用。此方法的基本思想是基于现时运行的继电保护中，当某段线路发生非金属性短路时，过渡电阻的阻值在实际线路保护中是不能被确定的，因此，流过过渡电阻的电流fI·在保护中也是测不到的，这使得通过计算倾斜角a来实现自适应距离保护的算法变得复雜化、非线性化。通过把人工神经网络引入到自适应距离保护，对需要保护的双端输电线路用PSASP（电力系统分析综合程序）进行仿真。对仿真线路进行大量试验以获得相关数据信息，以计算出倾斜角a。再把实际保护线路能测得的数据结合已经计算出的倾斜角a一起输入到三层BP网络进行训练，以获得一个训练好的三层BP网络。当线路发生短路时，通过把线路的实时测量数据输入到已训练的BP网络中，ANN就能估算出倾斜角a，以实现人工神经网络在自适应距离保护的应用。人工神经网络所具有的并行运算能力、极强的自适应性、高度的鲁棒性和容错能力，对于非线性系统的求解比传统计算方法有着无与伦比的优势，它解决了某些传统计算方法难于求解或不能求解的问题，很适合于处理电力系统这样复杂的非线性大规模动态系统。近十几年来，ANN在故障诊断、智能控制、继电保护、优化运算、负荷预测等方面有相当多的应用研究成果出现。
结语
本文通过数值化的方式，分析了系统各因素对单端电源双回线路负荷侧纵联距离保护承受过渡电阻能力的影响。线路互感、有源侧零序阻抗、无源侧零序阻抗的变化均不会对负荷侧纵联距离元件的承受最大过渡电阻能力产生明显影响，有源侧系统运行方式是影响距离保护承受过渡电阻能力的主要因素。
参考文献
[1]朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].3版.北京：中国电力出版社，2005.
[2]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2007.
[3]姜爱华，薛晨.正序电压极化阻抗继电器的保护失效边界模型[J].电力自动化设备，2015，35（7）：43-49.
[4]雷霖，赖真良，朱家龙，等.工频变化量距离继电器耐受过渡电阻性能分析[J].电力系统保护与控制，2017，45（17）：26-33.
关键词：线路保护;过渡电阻;PSCAD/EMTDC;仿真分析
引言
短路故障点的过渡电阻是影响距离保护正确工作的因素之一。当线路发生接地短路时，由于过渡电阻的存在，必将引起测量阻抗的变化，从而对接地距离保护的正确工作带来影响。本文通过分析单侧电源线路和双侧电源线路出口故障时过渡电阻对不同距离保护工作的影响，比较传统型距离保护、自适应距离保护、神经网络距离保护躲过渡电阻特性的各自优缺点，提出了基于人工神经网络的自适应距离保护硬件设计和工作原理。
1距离保护的分类、配置与整定
1.1距离保护的分类
1）阻抗继电器阻抗继电器是反映测量阻抗变化的距离保护，通过判断测量阻抗是否落入其动作区域来判定是否动作：当落入保护动作区域时，保护动作;否则，不动作。其中，保护安装处的测量阻抗表达式为 式中： 分别表示保护安装处的电压、电流和零序电流，且φ=A，B，C;K表示零序电流补偿系数;α表示故障点到保护安装处的距离百分比;Zl表线路阻抗; 分别表示故障点的电压和电流;R表示过渡电阻; 表示过渡电阻引起的故障附加阻抗。阻抗继电器常见的动作特性有方向圆、四边形、偏移圆和全阻抗等。2）距离继电器距离继电器是按照故障点的电压边界条件建立动作判据，即利用故障相补偿电压在保护范围临界点存在相位突变180°的特点，来判别区内与区外故障：当判定为区内故障时，保护动作;否则，不动作。其中，补偿电压表达式为 式中：Zset表示整定阻抗;其他符号定义与式（1）中相同。补偿电压在正常运行态、振荡、两相运行和区外故障时，均能够正确反映整定点电压;唯有在保护区内故障时，方不能准确反映整定点的电压。为判断补偿电压相位是否存在突变，距离继电器需引入起参考作用的极化量（可以是电压、电流，或电压与电流构成的复合量）来比相。在保护判据中选择不同的极化量，可构成具有不同动作特性的保护方案，如极化距离继电器、工频变化量距离继电器、多相补偿距离继电器、电抗继电器等。
1.2距离保护的整定
距离保护整定原则是按金属性故障来校验灵敏度，且不计及弧光电阻的影响。1）阻抗继电器在符合逐级配合原则的前提下，尽可能提高距离保护的灵敏度。对于配合有困难时，采用不完全配合，即后备保护之间定值不配，按时间段相配的原则整定，时间级差采用0.3～0.4s。距离I段：按可靠躲过本线路末端故障整定。如500kV输电线路可靠系数取0.6～0.8;220kV输电线路可靠系数取0.6～0.7;同杆或部分同杆的平行双回线可靠系数取0.5～0.6。对于超短线路（如小于5km），为防止超越应停用距离I段。
2过渡电阻对距离保护的影响
关断零序保护，在仿真模型中的断路器2、断路器6、断路器3和断路器5中只配备距离保护和重合闸保护，而断路器1、断路器4只配备简单的电源保护，观察断路器动作情况。在仿真实验中设置故障开始时间为0.2s，持续时间0.6s。以单相故障为例进行分析，故障点位于线路AB长度50%处。110kV架空输电线路发生接地故障时短路点的过渡电阻一般不超过40Ω。一般来讲，过渡电阻值越大对距离保护的影响越大，本文设置接地点过渡电阻分别为1Ω，30Ω和60Ω，以对比分析在较小、中等、较大的过渡电阻情况下距离保护的动作情况。线路AB发生A相永久性接地故障时，保护2和保护6的动作信号图如图5所示。由上至下分别是当过渡电阻为1Ω，30Ω和60Ω时保护2处的继电器测量的电平信号。保护2和保护6在过渡电阻为1Ω和30Ω的接地故障发生后迅速发出跳闸信号，故障被立即切除，但是在过渡电阻为60Ω时不动作。通过观察阻抗轨迹，若阻抗轨迹落入整定的阻抗圆中，保护动作，否则不动作。可以看出，当过渡电阻为1Ω和30Ω时，A相测量阻抗轨迹在圈内，即短路点位于保护范围内，距离保护能够动作，可靠地切除故障;而随着过渡电阻增大，阻抗轨迹逐渐远离阻抗圆。在过渡电阻值增大到60Ω时，阻抗轨迹并没有落入整定的阻抗圆中，距离保护拒动。由以上仿真结果可知：不同阻值的过渡电阻对距离保护的影响不同，过渡电阻越大，对保护的影响越明显，超出一定范围会造成保护拒动，距离保护失效。
3采用人工神经网络的自适应距离保护
采用ANN构成的自适应接地距离保护系统，按电力系统实时状态自动设置倾斜角α。站计算机采集所需的电压、电流量，经过处理，将相关的数据送回保护系统，由ANN估算倾斜角α以供距离保护应用。此方法的基本思想是基于现时运行的继电保护中，当某段线路发生非金属性短路时，过渡电阻的阻值在实际线路保护中是不能被确定的，因此，流过过渡电阻的电流fI·在保护中也是测不到的，这使得通过计算倾斜角a来实现自适应距离保护的算法变得复雜化、非线性化。通过把人工神经网络引入到自适应距离保护，对需要保护的双端输电线路用PSASP（电力系统分析综合程序）进行仿真。对仿真线路进行大量试验以获得相关数据信息，以计算出倾斜角a。再把实际保护线路能测得的数据结合已经计算出的倾斜角a一起输入到三层BP网络进行训练，以获得一个训练好的三层BP网络。当线路发生短路时，通过把线路的实时测量数据输入到已训练的BP网络中，ANN就能估算出倾斜角a，以实现人工神经网络在自适应距离保护的应用。人工神经网络所具有的并行运算能力、极强的自适应性、高度的鲁棒性和容错能力，对于非线性系统的求解比传统计算方法有着无与伦比的优势，它解决了某些传统计算方法难于求解或不能求解的问题，很适合于处理电力系统这样复杂的非线性大规模动态系统。近十几年来，ANN在故障诊断、智能控制、继电保护、优化运算、负荷预测等方面有相当多的应用研究成果出现。
结语
本文通过数值化的方式，分析了系统各因素对单端电源双回线路负荷侧纵联距离保护承受过渡电阻能力的影响。线路互感、有源侧零序阻抗、无源侧零序阻抗的变化均不会对负荷侧纵联距离元件的承受最大过渡电阻能力产生明显影响，有源侧系统运行方式是影响距离保护承受过渡电阻能力的主要因素。
参考文献
[1]朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].3版.北京：中国电力出版社，2005.
[2]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].2版.西安：西安交通大学出版社，2007.
[3]姜爱华，薛晨.正序电压极化阻抗继电器的保护失效边界模型[J].电力自动化设备，2015，35（7）：43-49.
[4]雷霖，赖真良，朱家龙，等.工频变化量距离继电器耐受过渡电阻性能分析[J].电力系统保护与控制，2017，45（17）：26-33.