电力系统振荡期间输电线路温度安全告警与保护方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路实时运行安全状态评价与保护方法，具 体指电力系统振荡期间输电线路温度安全告警与保护方法，属于电力 系统继电保护技术领域。

背景技术

振荡是指并列运行的系统或发电厂失去同步，破坏了稳定运行的 现象。在实际电力系统中，振荡在各国电力运行中多次发生。作为一 种严重的系统事故，发生振荡时将严重影响系统的稳定性和运行机组 的安全，制约着电网的功率传输能力。振荡事故的进一步扩大极易引 起全系统的连锁跳闸，引发大面积停电，对人民的生活和国民经济造 成重大损失。

为解决振荡问题，许多专家和学者从不同的角度，对振荡的产生 机理和动态特性、影响及抑制策略等方面进行了广泛且深入的研究， 现有研究主要关注振荡对发电机组和继电保护的影响，特别是振荡期 间距离保护的误动问题。不同国家和地区对待线路保护中的振荡问题 有所差异，例如，印度、北美和西欧电网的距离保护一般不具备有效 的振荡闭锁功能，很容易造成保护误动，加速电网崩溃。有些国家和 地区在应对振荡时的保护误动问题上，提出“大圆套小圆”的策略， 然而对于长距离重负荷线路，这种策略将失效。我国的继电保护装置 具有良好的振荡闭锁功能，且具备振荡过程中又发生故障的短时开放 功能，实现单纯振荡情况下距离保护长时间可靠闭锁，但对保护闭锁 后输电线路是否安全缺乏考量，对于振荡期间保护何时开放问题也尚 未见研究。

鉴于此，需要关注振荡闭锁期间导线承受大幅度功率波动时的安 全性能。判断输电线路是否处在安全运行状态需借助一些安全判据指 标，导线的安全性取决于导线的温度、弧垂、张力这三个物理量中最 先受制约的一个，由于电流焦耳发热引起的温升是最主要的原因，因 此在实际工程中，一般以导线的最高允许温度来统一考虑。系统振荡 时流过导线的振荡电流幅值超过正常电流许多倍，甚至与短路电流值 相当或者比短路电流值还要大，但目前却缺乏振荡电流作用下导线温 升响应的研究，很可能出现振荡时线路温升越限，进而引起弧垂越限， 或加速线路热力退火，引起抗拉强度降低，缩短线路寿命，甚至在长 时间振荡电流作用下导致线路熔断。因此，当系统发生振荡时，需要 在线校核导线温度，给出温升越限告警，并及时开放被闭锁的距离保 护，防止导线因温度过热而损伤，保障输电线路安全运行。

由于输电线路长距离、跨气象分区的特点，不同区段导线存在温 差，很难直接引入测温元件所测的导线温度作为调度决策或保护动作 判据。动态热容量(DynamicThermal Rating，DTR)技术是基于线 路实时外部天气条件对导线最大载流能力和运行温度进行评估，这类 技术可以为电网运营商提供更客观的线路运行信息。有关输电线路最大允许载流量和运行温度计算方法，比较有代表性的是IEEE标准模 型、CIGRE标准模型以及Morgan所提方法，上述几种方法模型大同 小异，表达方法有所不同，但这些方法本质上都是建立在线路热平衡 方程基础之上的，可用于计算输电线路的运行温度。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种电力系统振荡期间输 电线路温度安全告警与保护方法，解决现有技术中发生非故障振荡时， 保护被振荡闭锁模块闭锁后忽视了考虑输电线路安全性的技术问题， 能够实现安全预警，能够保证温升越限前的可靠闭锁，而在线路温升 安全越限时及时开放被闭锁的保护，发出跳闸信号，防止导线因温度 过热而损伤，保障输电线路安全运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种电 力系统振荡期间输电线路温度安全告警方法，包括以下步骤：

步骤1)：计算输电线路稳态运行时的初始稳态温度：采集输电 线路稳态运行时的电流及气象环境参数，根据输电线路的导线参数、 输电线路走廊所覆盖区域的实时气象参数以及实时电流，利用稳态热 平衡方程计算输电线路稳态运行时的初始稳态温度；

步骤2)：发生系统振荡后，实时在线采集输电线路振荡电流参 数及当前气象环境参数；

步骤3)：设振荡的振荡周期数为N，计算当前振荡周期所对应 的温升响应曲线，按如下方式：根据步骤2)中采集的输电线路振荡 电流参数及当前气象环境参数，并以上一振荡周期结束时导线温度作 为当前振荡周期的初始导线温度，通过输电线路暂态热平衡方程，计 算出当前振荡周期输电线路的温度变化量ΔT_c；根据当前振荡周期的>c以及当前振荡周期的初始导线温度，构建当前振荡周>

步骤4)：根据温度阈值区间将安全级别划分为以下三种：安全 级、安全预警级以及安全越限级；根据振荡期间的温升响应曲线判断 输电线路的安全级别，并将输电线路当前的安全级别发送给调度系统；

步骤5)：判断振荡是否平息，若否，则回到步骤2)；若是，同 步完成电力系统振荡期间输电线路温度安全告警，并得到输电线路在 整个振荡期间的温升响应曲线。

优选的，稳态热平衡方程的表达式如下：

q_s+q_J＝q_c+q_r>

q_s＝αD_oQ_ssinθ_s>

q_J＝I²R(T_c)>

q_c＝9.92(VD_o)^0.458(T_c-T_a)>

q_r＝πD_oσ_Bε[(T_c+237)⁴-(T_a+237)⁴]>

式(1)中，q_s，q_J，q_c和q_r分别为导线的日照发热功率，焦耳热>

式(2)中，α为导线日照吸热系数，取值0.5～0.9，D₀(m)为>s(W/m²)是导线所处地区海拔高度上的太阳辐射功率>s(°)为太阳光入射方向与导线走向之间夹角；

式(3)中，I为电流有效值，R(T_c)为导线温度为T_c时的单位长>

式(4)中，V(m/S)为风速，T_c和T_a(℃)分别为导线温度和>

式(5)中，σ_B是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.6697×10^-8，ε>

输电线路稳态运行时的实时电流有效值为一固定值，以迭代的方 式求取线路的初始稳态温度，迭代开始时假设导线温度为(T_a+10)℃，>s+q_J-q_c-q_r)的计算结果大于0，则在上>

优选的，温度变化量ΔT_c按如下步骤计算：

步骤301：采用数值积分法计算当前振荡周期的振荡电流有效值 I_sw，按如下公式：

其中，T为当前振荡周期；i_sw为振荡电流瞬时值，即实时采集的>1为当前振荡周期的截止时间；

步骤302：计算当前振荡周期的焦耳热功率q_J，按如下公式：

其中，R(T_c)为导线温度为T_c时的单位长度交流电阻值，单位为>

步骤303：将当前振荡周期的焦耳热功率代入如下的输电线路暂 态热平衡方程：

其中，m为单位长度导向质量，单位为kg/m；c为导线的等效比 热容，单位为J/kg·℃；m_a、m_s分别为单位长度导线中铝、钢材料的>a、c_s分别为铝、钢材料的比热容，单位为J/kg·℃；

步骤304：以当前振荡周期T作为时间间隔Δt，从而将输电线路 暂态热平衡方程改写为：

其中，ΔT_c即为当前振荡周期相对于上一振荡周期的温度变化量。

优选的，电力系统振荡期间的输电线路温度安全告警方法，安全 级的温度阈值区间为[T_a,T_N)，安全预警级的温度阈值区间为[T_N,T_E)，>E,+∞)，T_a为导线所处环境温度，T_N为导线长期运行最高允许温度，T_E为导线短时过载温度。

优选的，通过输电线路上的继电保护装置中的电流检测元件来在 线实时采集输电线路的电流参数。

本发明还提供了一种电力系统振荡期间输电线路保护方法，采用 本发明的电力系统振荡期间输电线路温度安全告警方法进行安全告 警时，当输电线路当前的安全级别为安全越限级时，则表明输电线路 在振荡期间发生温升越限，启动保护措施；与此同时，判断输电线路 在振荡期间是否发生阻抗越限，只要温升越限与阻抗越限中任意一项 条件满足，则开放被闭锁的距离保护，发出跳闸信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明解决了现有技术中未曾解决的技术问题，即如何评判 电力系统发生非故障振荡时，后备保护振荡闭锁后的输电线路的安全 性，并对安全性进行了分级，针对不同的安全级别采取不同的措施： 当输电线路的导线温度落入安全预警阈值区间，则输电线路的安全级 别为安全预警级别，采取的是预警措施，但不开放振荡闭锁，保证了 振荡期间导线温度尚未越限之前可靠闭锁，实现保护不误动；当输电 线路的导线温度落入温升越限区间，则输电线路的安全级别为安全越 限级别，采取的是保护措施，即开放被振荡闭锁的距离保护，从而及 时切除因振荡电流作用而过热的输电线路，避免发生因温度过高而引起的弧垂越限和热力老化。

2、本发明采用了导线温度来综合评判输电线路振荡期间的安全 性，为了克服输电线路不同区段温差大，而难以直接引入测温元件所 测的导线温度作为调度决策或保护动作判据的技术问题，本发明为此 贡献了振荡期间输电线路温升响应的计算方法，寻找振荡期间输电线 路温升薄弱点，弥补了现有技术中的不足。

3、本发明采用输电线路上原有的继电保护装置进行电流参数的 实时采集，不需增添单独的电流采集设备，大大降低了硬件成本和人 力成本。

4、本发明的电力系统振荡期间输电线路保护方法将阻抗判据与 温度判据相结合，提高了判断安全越限级别的可靠性。

附图说明

图1是融合电力系统振荡期间输电线路温度安全告警与保护方 法的流程框图；

图2是不同气象环境下电力系统振荡期间输电线路的温升响应 曲线示例；

图3是融合温度与阻抗判据的输电线路保护逻辑框图；

图4是融合温度与阻抗判据的输电线路保护建模示例图；

图5是温升响应计算模块；

图6是融合温度与阻抗判据的输电线路保护动作特性图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种电力系统振荡期间输电线路温度安全告警方法， 包括以下步骤：

步骤1)：计算输电线路稳态运行时的初始稳态温度：采集输电 线路稳态运行时的电流及气象环境参数，根据输电线路的导线参数、 输电线路走廊所覆盖区域的实时气象参数以及输电线路稳态运行时 的实时电流，利用稳态热平衡方程计算输电线路稳态运行时的初始稳 态温度；稳态运行条件下，输电线路温度变化与运行环境状态相关， 其温度变化主要受载流、风速、风向、日照、气温等因素的影响。改 变气象环境参数，可得到导线在不同气象环境下运行时的稳态温度， 本具体实施方式中导线参数如表1所示：

表1

本具体实施方式中导线参数如表2所示：

表2

根据导线和气象环境参数以及实时采集的输电线路电流参数，求 取输电线路稳态运行时的初始稳态温度。

步骤2)：发生系统振荡后，实时在线采集输电线路振荡电流参 数及当前气象环境参数；

步骤3)：设振荡的振荡周期数为N，计算当前振荡周期所对应 的温升响应曲线，按如下方式：根据步骤2)中采集的输电线路振荡 电流参数及当前气象环境参数，并以上一振荡周期结束时的导线温度 作为当前振荡周期的初始导线温度，通过输电线路暂态热平衡方程， 计算出当前振荡周期输电线路的温度变化量ΔT_c；根据当前振荡周期>c以及当前振荡周期的初始导线温度，构建当前振荡>

步骤4)：根据温度阈值区间将安全级别划分为以下三种：安全 级、安全预警级以及安全越限级；根据振荡期间的温升响应曲线判断 输电线路的安全级别，并将输电线路当前的安全级别发送给调度系统；

步骤5)：判断振荡是否平息，若否，则回到步骤2)；若是，同 步完成电力系统振荡期间输电线路温度安全告警，并得到输电线路在 整个振荡期间的温升响应曲线。

基于导线参数及当前气象环境参数，以及实时在线采集的输电线 路振荡电流参数，得到由各振荡周期的温升响应曲线组成的整个振荡 期间的随时间变化的温升响应曲线，根据实时温升响应曲线能够得到 “特定时刻的导线温度”、“达到特定温度时所用时间”等有用的结果， 为输电线路乃至电力系统的安全性分析提供重要支撑，同时根据实时 在线计算得到的温升响应曲线进行振荡期间输电线路温度安全告警。

本具体实施方式中，稳态热平衡方程的表达式如下：

q_s+q_J＝q_c+q_r>

q_s＝αD_oQ_ssinθ_s>

q_J＝I²R(T_c)>

q_c＝9.92(VD_o)^0.458(T_c-T_a)>

q_r＝πD_oσ_Bε[(T_c+237)⁴-(T_a+237)⁴]>

式(1)中，q_s，q_J，q_c和q_r分别为导线的日照发热功率，焦耳热>

式(2)中，α为导线日照吸热系数，取值0.5～0.9，D₀(m)为>s(W/m²)是导线所处地区海拔高度上的太阳辐射功率>s(°)为太阳光入射方向与导线走向之间夹角；

式(3)中，I为电流有效值，R(T_c)为导线温度为T_c时的单位长>

式(4)中，V(m/S)为风速，T_c和T_a(℃)分别为导线温度和>

式(5)中，σ_B是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.6697×10^-8，ε>

输电线路稳态运行时的实时电流有效值为一固定值，以迭代的方 式求取线路的初始稳态温度，迭代开始时假设导线温度为(T_a+10)℃，>s+q_J-q_c-q_r)的计算结果大于0，则在上>

本具体实施方式中，温度变化量ΔT_c按如下步骤计算：

步骤301：采用数值积分法计算当前振荡周期的振荡电流有效值 I_sw，按如下公式：

其中，T为当前振荡周期；i_sw为振荡电流瞬时值，即实时采集的>1为当前振荡周期的截止时间；

步骤302：计算当前振荡周期的焦耳热功率q_J，按如下公式：

其中，R(T_c)为导线温度为T_c时的单位长度交流电阻值，单位为>

步骤303：将当前振荡周期的焦耳热功率代入如下的输电线路暂 态热平衡方程：

其中，m为单位长度导向质量，单位为kg/m；c为导线的等效比 热容，单位为J/kg·℃；m_a、m_s分别为单位长度导线中铝、钢材料的>a、c_s分别为铝、钢材料的比热容，单位为J/kg·℃；

步骤304：以当前振荡周期T作为时间间隔Δt，从而将输电线路 暂态热平衡方程改写为：

其中，ΔT_c即为当前振荡周期相对于上一振荡周期的温度变化量。

通过输电线路上的继电保护装置中的电流检测元件实时采集输 电线路的振荡电流参数，并利用本发明的振荡电流作用下输电线路温 升响应计算方法，从而求得一般振荡情况(两侧系统振荡角变化范围 较小，振荡角在0°～60°之间变化)及严重振荡情况下输电线路在 不同气象环境下的温升响应曲线如图2中1)和2)所示。可见，无 论是在春秋适宜气温(20℃)还是夏季高温(40℃)环境条件下，系 统振荡时导线温升较快；在夏季无风情况下甚至超过导线短时最高允 许温度(100℃)。在实际情况中，振荡持续时间可能比60S要长，导 线温度会达到更高的值。因此在振荡电流的作用下，导线温度将会很 快超过安全温度，如果振荡持续下去，那么导线温度将会持续上升， 最终造成输电线路故障。

本具体实施方式中，电力系统振荡期间的输电线路温度安全告警 方法，安全级的温度阈值区间为[T_a,T_N)，安全预警级的温度阈值区间>N,T_E)，安全越限级的温度阈值区间为[T_E,+∞)，T_a为导线所处环>N为导线长期运行最高允许温度，T_E为导线短时过载温度。

本发明还提供了一种电力系统振荡期间输电线路保护方法，保护 逻辑框图如图3所示，保护建模示例图如图4，保护建模示例中的温 升响应计算模块如图5所示，采用本发明的电力系统振荡期间输电线 路温度安全告警方法进行安全告警时，当输电线路当前的安全级别为 安全越限级时，则表明输电线路在振荡期间发生温升越限，启动保护 措施；与此同时，判断输电线路在振荡期间是否发生阻抗越限，即输 电线路上的距离保护的I段和II段是否发生阻抗越限，在只要温升越 限与阻抗越限中任意一项条件满足，则开放被闭锁的距离保护，发出 跳闸信号。

可知：

1)振荡期间保护安装处的电流随着频率的改变发生周期性的变 化，如图中1)所示，振荡电流的幅值几乎是额定电流的两倍，甚至 与短路电流值相当，因此振荡电流作用下导线的温升响应不容忽视。

2)由于振荡期间保护安装处的电压和电流都发生周期性的变化， 因此阻抗的周期性变化导致距离继电器的动作信号也发生周期性的 变化，如图中2)所示，说明不采取振荡闭锁，距离保护将会误动， 这与理论分析一致。

3)为防止振荡期间保护误动，加入振荡闭锁模块从而实现振荡 期间的保护的牢牢闭锁，如图中3)所示，实现了振荡期间保护不误 动。

4)然而在振荡电流及外部气象环境的共同作用下，很有可能出 现振荡期间输电线路温升越限，进而引起弧垂越限，加快线路热力退 火，大大影响输电线路的运行寿命，不利于输电线路安全运行。从图 中4)可知，由于输电线路处于夏季无风高温的气象环境下，由于振 荡电流的焦耳热效应，导线温度在较短的时间内(7.297S)超过输电 线路长期运行最高允许温度T_N(70℃)，在45.35S时超过输电线路的>E(100℃)，如果振荡持续下去，极有可能会造成线>

5)应用本发明所提出电力系统振荡期间输电线路保护方法，如 图中5)所示，在线路温度未达到其短时过载温度之前将保护牢牢闭 锁，一旦线路温升越限则瞬时动作，及时切除因振荡电流作用而温升 越限的线路，保护线路不受高温过热而损坏。同时，本发明所提温升 响应计算速度可满足保护动作时限要求，验证了所提方法的可行性和 有效性。

本发明所提供的电力系统振荡期间输电线路温度安全告警与保 护方法，利用导线温度对输电线路的安全性能进行观测和评判，基于 暂态热平衡方程实时在线计算输电线路运行温度，将温度判据与阻抗 判据相结合，既可根据温升响应预测导线安全性能的变化趋势，又能 充分挖掘输电线路耐受过流的能力，为保护动作及系统调度提供决策 依据，保证线路故障时保护可靠动作，保证振荡期间导线温度尚未越 限之前可靠闭锁，实现保护不误动；一旦线路温升越限则及时切除因 振荡电流作用而过热的线路，保护线路不受损坏。