CN101694937B - 基于稳态量带量方向的母线保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力自动化领域内，涉及电力系统继电保护。本发明提出一种新的基于稳态量带量方向的母线保护方法及整套技术方案。利用对母线各连接单元的原始电流采样值进行积分来计算相对方向；对相对方向与预设门槛比较形成带量正方向，带量负方向，无方向等三种稳态方向。同时计算方向系数，对区内方向进行定量判别。通过对各单元CT饱和的判断，使得区外故障CT饱和可靠不动，对于区外转区内的转换性故障则动作准确快速。

Description

基于稳态量带量方向的母线保护方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，涉及电力系统继电保护。

背景技术

目前用于继电保护的方向原理有两种，一种为功率方向，另外一种为电流间的相对方向，以上判据各有优缺点。方法一，由于采用了电压，易受PT断线的影响，存在电压死区。采用行波功率方向原理的，存在单相电压过零发生同相故障保护不启动的问题。同时功率方向计算量较大，动作速度慢。方法二，利用电流间相对方向，不受电压影响，但受流出电流影响，极端情况下保护拒动。以上两种原理均不能很好的适用于母线保护。

发明内容

本发明提供了一种适用于母线保护的方向保护新判据，称之为电流稳态量带量方向保护，母线上连接的各单元(母联，线路，变压器等)电流带量方向为各单元的电流多点积分值，此值为标量，除了有正，负号外还带有一定的数值大小。根据数值的正负号及大小值与预设门槛比较可分为带量正方向，带量负方向，无方向三种。三种方向均为电流相对方向，数值为方向所带量。根据所有单元的带量方向进行方向系数的计算。通过判断每个单元的方向是否一致进行故障定性判断，通过方向系数进行故障定量计算，使得保护动作行为正确而且快速。

本发明是通过以下的技术方案来实现的，包括以下步骤：

步骤1、数据采集：

对母线上各连接单元(母联，线路，变压器等)的A，B，C三相电流以恒定的采样频率进行电流采样。

步骤2、计算各单元稳态量带量方向：

通过计算母线上各连接单元(母联，线路，变压器等)的A，B，C三相电流稳态量的多点积分来计算各单元的A，B，C三相电流稳态量带量方向，

$X_{\mathrm{n\Φ}}=\underset{j=k-m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{n\Φj}}$

其中，k为当前采样点，m为向前追忆点，Φ分别取A，B，C三相，I_nΦj为第n个连接单元在采样点j时刻的电流量，

当X_nΦ＞max(Iset，0.3In)，则为正方向，

当X_nΦ＜-max(Iset，0.3In)，则为负方向，

当|X_nΦ|＜max(Iset，0.3In)为无方向，

其中Iset为用户整定值，In为额定二次电流值；

步骤3、计算母线稳态量差流及稳态量方向系数：

所述稳态量方向系数包括单元稳态量方向系数和母联稳态量方向系数，通过各连接单元的电流稳态量计算母线稳态量差流，其中稳态量差流计算方法为已知技术，通过各单元电流稳态量带量方向计算稳态量方向系数，

稳态量方向系数采用如下公式计算：

K_JGΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，单元稳态量方向系数

K_MLΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，母联稳态量方向系数

所述稳态量差流采用如下公式计算：等于各连接单元电流量和的绝对值，

其中，X_nΦ为各连接单元同一采样时刻点的稳态量方向值，在单元稳态量方向系数计算公式中，所述各连接单元不包括母联断路器，单元稳态量方向系数为所有连接单元的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值；在母联稳态量方向系数计算公式中，所述各连接单元包括母联断路器，母联稳态量方向系数为包括母联断路器在内的所有连接单元的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值；

母线区内故障时若无故障电流从区内流向区外(即流出电流)，则单元稳态量方向系数与母联稳态量方向系数相等且均近似为1，远远大于设定阈值。由于流出电流一般通过母联流出，考虑一定的流出电流，则母联稳态量系数能够反映出流出电流在总故障电流中的比例。

步骤4、保护启动及逻辑判断：

为提高转换性故障的动作速度，配置常规差流启动。故障发生后，若常规差流启动满足条件，则为慢速启动。利用快速谐波法判CT饱和，根据CT饱和情况采用不同的稳态量带量方向判据。若满足稳态量带量方向判据，则保护快速出口，不满足则待常规差流启动返回后，稳态量带量方向保护退出，

(a)若CT不饱和，当K_JGΦ＞C，K_MLΦ＞D，其中C，D为预设值(C，D取值0～1之间)，且在一定数据窗内满足条件的点数足够多(根据波形情况一般24点中有16点或者12点有8点满足)，则在复合电压开放时(低电压，零序电压，负序电压任一动作)，允许出口。

(b)若CT饱和，则除满足(a)中的条件外，增加饱和支路最大带量方向点的制动系数K＞E，其中k为常规的比率制动系数，E为设定阈值，采用公知的技术，稳态量差流启动采用如下判据

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Id}\≥A\\ \mathrm{Id}/\mathrm{Ir}\≥B\end{array}\right.$

其中A为0.8Iset，Iset为整定值，B为0.3，

Id≡∫|id|   为常规差电流，采用积分算法，

其中id＝∑i  为差电流瞬时值，等于各连接单元采样值之和，

Ir≡∫ir     为常规制动电流，采用积分算法，

其中ir＝∑|i|为制动电流瞬时值，等于各连接单元采样电流的绝对值之和。

本发明的有益效果是：区内故障，若无流出电流，K_JGΦ≈1，K_MLΦ≈1，则保护能够快速出口。若有电流流出，考虑一定的分流系数，取恰当的门槛，保护仍然能够快速动作。通过计算最大带量方向点的制动系数，能够准确抓住CT饱和与故障的不同特征，饱和时可靠不动作，区内故障则动作迅速。

由于采用采样值短窗数据积分算法来计算方向，能够保证快速性；采用电流间相对方向，不受PT断线影响，无电压死区，不存在电压过零时常规功率方向的不能启动的问题；采用方向系数来解决流出电流对方向保护的影响。因此带量方向保护具有很好的实用性。

附图说明

图1母线系统图；

图2区内故障CT饱和时带量方向及方向系数图；

图3区外故障CT饱和时带量方向及方向系数图；

图4区内故障有流出电流时带量方向及方向系数图；

图5本发明保护方法的流程框图。

具体实施方式

根据说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开了一种稳态量方向保护方法，具体步骤如下(如图5所示)：

步骤1、数据采集：

对母线上各连接单元(母联，线路，变压器等)的A，B，C三相电流以恒定的采样频率进行电流采样。母线上所有连接单元见附图1所示：以双母线为例，连接单元为母联Im，I母上连接单元为I1，II母上连接单元为I2，其中I1，I2可定义为主变，线路等。

步骤2、计算各单元稳态量带量方向：

通过计算母线上各连接单元(母联，线路，变压器等)的A，B，C三相电流稳态量的多点积分来计算各单元的A，B，C三相电流稳态量带量方向。具体计算如下：

$X_{\mathrm{n\Φ}}=\underset{j=k-m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{n\Φj}}$

k为当前采样点，m为向前追忆点(m取值2～4)，Φ为A，B，C，I_nΦ为单元n电流量，X_nΦ为单元稳态量带量方向。

如图1所示连接单元，各单元稳态量带量方向为以I1 A相为例：

$X_{1a}=\underset{j=k-m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{1\mathrm{aj}},$ 其中I_1aj为当前计算点A相电流，

I1的B，C相，I2，Im的A，B，C相计算类似。

求出的X_1a，X_1b，X_1c，X_2a，X_2b，X_2c，X_ma，X_mb，X_mc为标量，经过如下处理后，形成正方向，负方向，无方向等三种方向属性及方向大小值。具体比较如下(以X_1a为例)：

X_1a＞max(Iset，0.3In)，其中Iset为用户整定值，In为额定二次电流值。则为正方向，X_1a＜-max(Iset，0.3In)，则为负方向，|X_1a|＜max(Iset，0.3In)为无方向。经过比较后，标量值既有了方向属性，同时具备数值。

步骤3、计算稳态量差流及稳态量方向系数：稳态量差流采用如下公式计算：

等于各连接单元电流量和的绝对值

稳态量方向系数采用如下公式计算：

K_JGΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，单元稳态量方向系数

K_MLΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，母联稳态量方向系数

单元稳态量方向系数中的X_nΦ为各连接单元(不包括母联)同一采样时刻点的稳态量方向值。单元稳态量方向系数为所有连接单元(不包括母联)的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值。

母联稳态量方向系数中的X_nΦ为各连接单元(包括母联)同一采样时刻点的稳态量方向值。母联稳态量方向系数为所有连接单元(包括母联)的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值。

如图1所示K_MLa＝|X_1a+X_2a+X_ma|/(|X_1a|+X_2a|+X_ma|)

K_JGa＝|X_1a+X_2a|/(|X_1a|+X_2a||)

步骤4、保护启动及逻辑判断

通过判断差流稳态量启动来判断慢速启动。在慢速启动条件满足条件下，若稳态量方向满足条件，辅助条件具备则保护出口。

(1)差流稳态量启动：采用如下判据

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Id}\≥A\\ \mathrm{Id}/\mathrm{Ir}\≥B\end{array}\right.$

其中A为0.8Iset(Iset为整定值)，B为0.3。

Id≡∫|id|   为常规差电流，采用积分算法

其中id＝∑i  为差电流瞬时值，等于各连接单元采样值之和

Ir≡∫ir     为常规制动电流，采用积分算法

其中ir＝∑|i|为制动电流瞬时值，等于各连接单元采样电流的绝对值之和

(2)稳态量带量方向保护判据

慢速启动后，采用快速谐波法对每一支路三相电流进行CT饱和的判断。若满足如下公式则认为CT饱和：

|[(I_φ)_T+(I_φ)_(T-5)]-m[(I_φ)_(T-2)+(I_φ)_(T-3)]|/[|(I_φ)_T|+|(I_φ)_(T-5)|+|(I_φ)_(T-2)|+|(I_φ)_(T-3)|]＞k

其中，(I_φ)_T为当前采样点的常规采样值，(I_φ)_T-2(I_φ)_T-3(I_φ)_T-5分别为当前采样点的前2，3，5点常规采样值，m，k为预设值，取值(0～1)。

(a)若CT不饱和，则判断K_JGΦ＞C，K_MLΦ＞D，其中C，D为预设值(C，D取值0～1之间)，且在一定数据窗内满足条件的点数足够多(根据波形情况一般24点中有16点或者12点有8点满足)，则在复合电压开放(低电压，零序电压，负序电压任一动作)，差流满足定值条件满足情况下，允许出口。

(b)若CT饱和，则除满足(a)中的条件外，增加饱和支路最大带量方向点的制动系数K＞E。其中k为常规的比率制动系数，采用公知的技术。

其中快速谐波法判饱和具有快速，可靠，计算量小等特点。若为区外故障CT饱和形成差流，由于CT至少有2ms的正确传变，则支路最大带量方向点出现在电流正确传变的最高点，而后由于饱和，电流开始下降。制动系数理论情况下为0，而区内故障附带CT饱和，支路最大带量方向点由于所有方向相同，制动系数理想状态下为1。采用(2)后能够准确的区分CT饱和造成的差流与区内故障时差流的差异。

如图2所示为区内故障CT饱和时录波示意图，其中为母线区内B相故障伴随Ib2CT饱和，ib1和ib2方向相同(同为正方向)，此时Ib2最大带量方向点方向值为20.124，制动系数＝1，保护快速动作。

如图3所示为区外故障CT饱和时录波示意图，其中为母线区外A相故障伴随Ia2CT饱和，尽管ia1和ia2方向在饱和时相同，但此时Ia2最大带量方向点方向值为7.751，制动系数＝0.14，保护可靠不动作

如图4所示为区内故障有电流流出时录波示意图，此时有一部分电流流出，虽然制动系数＜1，但大于内部设定值C，D；

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于带量方向的母线保护方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

1)数据采集：

对母线上各连接单元的A，B，C三相电流以恒定的采样频率进行电流采样，所述连接单元包括母联断路器，线路，变压器；

2)计算各单元电流稳态量带量方向：

通过计算母线上各连接单元的A，B，C三相电流稳态量的多点积分来计算各单元的A，B，C三相电流稳态量带量方向X_nΦ，

$X_{\mathrm{n\Φ}}=\underset{j=k-m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{n\Φj}}$

其中，k为当前采样点，m为向前追忆点，Φ分别取A，B，C三相，l_nΦj为第n个连接单元在采样点j时刻的电流量，

当X_nΦ＞max(lset，0.3ln)，则为正方向，

当X_nΦ＜-max(lset，0.3ln)，则为负方向，

当|X_nΦ|＜max(lset，0.3ln)为无方向，

其中lset为用户整定值，ln为额定二次电流值；

3)计算母线稳态量差流及稳态量方向系数：

计算母线稳态量差流，并通过各单元电流稳态量带量方向计算稳态量方向系数，所述稳态量方向系数包括单元稳态量方向系数和母联稳态量方向系数，分别如下公式计算：

K_JGΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，单元稳态量方向系数

K_MLΦ＝|∑X_nΦ|/∑|X_nΦ|，母联稳态量方向系数

所述稳态量差流采用如下公式计算：id＝|∑i|等于各连接单元电流量和的绝对值，

单元稳态量方向系数中的X_nΦ为不包括母联断路器的其它各连接单元同一采样时刻点的稳态量方向值，单元稳态量方向系数为不包括母联断路器的其它所有连接单元的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值；

母联稳态量方向系数中的X_nΦ为包括母联断路器在内的各连接单元同一采样时刻点的稳态量方向值，母联稳态量方向系数为包括母联断路器在内的所有连接单元的稳态量方向和的绝对值与绝对值之和的比值；

4)保护启动及逻辑判断：

故障发生后，若稳态量差流启动满足条件，则为慢速启动，利用快速谐波法判断CT是否饱和，根据CT饱和情况采用不同的电流稳态量带量方向判据，若满足稳态量带量方向判据、即K_JGΦ＞C，K_MLΦ＞D，其中C，D为预设值，则保护快速出口，否则待常规差流启动返回后，稳态量带量方向保护退出。

2.据权利要求1所述的基于带量方向的母线保护方法，其特征在于，所述的逻辑判断进一步包括以下步骤：

1)CT不饱和，所述稳态量方向系数若满足动作条件，则保护允许出口，否则闭锁出口

2)CT饱和，则除满足所述稳态量方向系数条件外，还需满足饱和支路最大带量点制动系数要求，否则闭锁出口。

3.如权利要求2的基于带量方向的母线保护方法，其特征在于，单元CT饱和采用如下公式计算：

|[(I_φ)_T+(I_φ)_(T-5)]-m[(I_φ)_(T-2)+(I_φ)_(T-3)]|/

[|(I_φ)_T |+|(I_φ)_(T-5)|+|(I_φ)_(T-2)|+|(I_φ)_(T-3)|]＞k

其中，(I_φ)_T为当前采样点的常规采样值，(I_φ)_T-2(I_φ)_T-3(I_φ)_T-5分别为当前采样点的前2，3，5点常规采样值，m，k为预设值，取值(0～1)。

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