CN102593801A - 基于标积制动判据归一化的分相差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统的继电保护领域，涉及一种基于标积制动判据归一化的分相差动保护方法：通过输电线路两侧的CT采集线路两侧的电流；利用全波傅里叶算法计算两侧电流的幅值、相角以及两侧电流的相角差；若两侧电流相角差小于120°，则判断为内部故障，保护动作跳闸；若两侧电流相角差大于120°，转入下面的幅值判据：先判断两侧电流的幅值是否均大于3倍的CT一次侧额定电流；若大于，则取比例系数K＝0.2，若不大于则取K＝0.8；再计算两侧电流中幅值较小与幅值较大之间的比值，若比值小于K，则判定为内部故障，保护动作跳闸。本发明提出的输电线路分相电流差动保护方法，更好地兼顾了区内故障的灵敏性和区外故障的选择性。

Description

基于标积制动判据归一化的分相差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统的继电保护领域，具体涉及一种的输电线路分相电流差动新判据。

背景技术

分相电流差动原理基于基尔霍夫电流定律，在不考虑输电线路分布电容和电流互感器CT饱和的情况下能实现全线速动，且其本身具有选相功能，原理简单，随着光纤通信工程的大规模普及和数字信号处理技术的进步，已成为输电线路理想的保护方式。许多文献提出的新差动判据表现在采用故障电流(包括工频变化量，零序电流分量等)及自适应判据^[1～7]等方面，都旨在提高区内故障的灵敏度和区外故障的安全性。但是现有的分相电流差动保护判据存在的问题是：判据受负载电流、电流互感器饱和、分布电容电流和过渡电阻等因素的影响，在外部故障时其制动性能不够理想，而在内部故障时动作灵敏度又不够高。因此，有必要提出一种新的保护判据和保护方法，更好地兼顾区内故障的灵敏性和区外故障的选择性。

参考文献

[1]尹项根，陈德树，张哲等.故障分量差动保护[J].电力系统自动化，1999，22(11)：13-17.

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发明内容

本发明的目的是提供一种能更好地兼顾区内故障的灵敏性和区外故障的选择性，且易于实现的输电线路分相电流差动保护方法。本发明的技术方案如下：

一种基于标积制动判据归一化的分相差动保护方法，包括下列步骤：

(1)通过输电线路两侧的CT采集线路两侧的电流；

(2)利用全波傅里叶算法计算两侧电流的幅值、相角以及两侧电流的相角差；

(3)若两侧电流相角差小于120°，则判断为内部故障，保护动作跳闸；若两侧电流相角差大于120°，转入下面的幅值判据：先判断两侧电流的幅值是否均大于3倍的CT一次侧额定电流；若大于，则取比例系数K＝0.2，若不大于则取K＝0.8；再计算两侧电流中幅值较小与幅值较大之间的比值，若比值小于K，则判定为内部故障，保护动作跳闸。

本发明的有益效果如下：

1、本发明利用相角约束条件(11)和幅值约束条件(12)共同构成判据，具有自适应性，区内轻微故障能正确动作，区外故障且CT严重饱和不会误动作，更好地兼顾了区内故障的灵敏性和区外故障的选择性；

2、本发明提出的新判据在抗CT饱和能力及反应区内故障的灵敏性上优于常规分相电流差动保护判据。

3、新判据动作原理简单明确，易于在微机保护中实现；

附图说明

图1双侧电源系统。

图2两侧电流幅值比在各种运行状态下的分析。

图3不考虑CT暂态饱和的理想动作区。

图4考虑了CT暂态饱和的理想动作区。

图5归一化标积制动判据对应的动作区。

图6本发明的新判据的动作区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行说明。

对于图1的双侧电源系统，输电线路mn两侧的电流分别用和

表示，继电保护装置的正方向均取为母线流向线路，则常规分相电流差动保护的动作判据为：

式中，

和

为线路两侧的同名相电流，制动系数k的取值直接影响保护的灵敏性和安全性。

令

为方便分析，假设I_m为两端电流中幅值较大者，则两侧电流的幅值比为

各种运行状态下，幅值比

在直角坐标系中均落在图2所示半径r＝1的圆内，具体分析如下：正常运行(不考虑分布电容影响)时两端电流幅值相等，相位相差180°，运行在(-1，0)处；区外故障，两侧电流互感器(CT)的误差可能不一致，但只要复合误差不太大，运行点会落在(-1，0)附近的区域内；内部故障时，运行点取决于负荷电流和故障电流之间的关系，空载或轻载情况下的运行点在(1，0)附近的区域内，随着负荷电流增加，运行点向负半轴偏移，重载内部轻微故障时，负荷电流占主导地位，运行点甚至可能在(-a，0)(a＜1)附近。由此可见，单位圆内越远离(-1，0)制动性越强，外部故障的安全性越高，但重载下轻微故障的灵敏性也相应降低。所以，常规分相电流差动保护很难兼顾到区外故障的安全性和区内故障的灵敏性。

下面分析找出常规分相电流差动保护的理想动作区。按照其整定原则，并考虑区外故障m侧CT为正误差+10％、n侧CT为负误差-10％，则

大量现场的故障录波数据表明区外故障两侧电流的最大相角差小于60°。由此可得：在不考虑CT暂态饱和误差情况下的分相差动保护，其保证区外故障不误动的理想动作区域为图3所示的阴影部分。

但是，在外部故障的暂态过程中衰减非周期分量会严重影响CT的传变特性。假设一次电流全偏移，归算到二次侧数值为

其中，I′_m为归算到二次侧的电流峰值，T₁为一次回路的时间常数。在已知二次回路时间常数T₂的情况下，可求得CT的励磁电流 $i_0^{\text{\′}}=I_m^{\′}\frac{T_1}{T_2-T_1}(e^{-\frac{t}{T_2}}-e^{-\frac{t}{T_1}})-\frac{I_m^{\′}}{\mathrm{\ω}{T}_2}\sin \mathrm{\ωt}---\left(3\right)$ 励磁电流的暂态误差和最大稳态误差之比 $K_{\mathrm{tf}}=\frac{i_0^{\′}}{\left(I_m^{\′}R\right)/\left(\mathrm{\ω}{L}_0\right)}=\frac{\mathrm{\ω}{T}_1{T}_2}{T_2-T_1}\left(e^{-\frac{t}{T_2}}{-e}^{-\frac{t}{T_1}}\right)-\sin \mathrm{\ωt}---\left(4\right)$ 式中，T₂＝L_m/R，L_m和R分别是CT二次回路的时间常数、励磁电抗和二次负载电阻。在

时，K_tf达到最大值。再令sinωt＝-1，代入式(3)得到最大励磁电流为

最大暂态饱和系数 $K_{\mathrm{tf}\max }=\mathrm{\ω}{T}_1{\left(\frac{T_1}{T_2}\right)}^{\frac{T_1}{T_2-T_1}}+1---\left(6\right)$

CT暂态饱和时，T₂会严重减小，取T₂＝32ms。一般500kV和1000kV系统的时间常数T₁分别为50ms和150ms左右。由式(6)计算得到CT暂态饱和的幅值误差列于表1。表中是未考虑剩磁情况下得到的数值，再计及剩磁的影响，CT饱和更严重，幅值误差可达到80％左右，但角度误差一般不大。此时两侧电流的幅值比A＝(1-80％)/1＝0.2。所以，若差动保护的动作特性仍采用图3所示的动作区域，则外部故障且CT饱和的暂态过程中可能误动。因此，考虑CT暂态饱和的传变误差后，为保证区外故障的选择性需要将动作区由图3的阴影区减小为图4所示的阴影区。

表1CT暂态饱和的幅值误差

Tab 1 The amplitude error in CT transient saturation

标积制动判据的动作方程为

$|{\stackrel{\·}{I}}_m+{\stackrel{\·}{I}}_n|>\sqrt{-S\left|{\stackrel{\·}{I}}_m\right|\·\left|{\stackrel{\·}{I}}_n\right|\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

理论上S可取任意正数，但是S的取值直接影响保护动作的选择性和灵敏性。标积制动在数学上同常规的分相差动判据式(1)可以相互推导，特别地当S＝4k²/(1-k²)时，两者有相同的动作区域。

对标积制动判据进行归一化处理得： $|{\stackrel{\·}{I}}_m/|{\stackrel{\·}{I}}_m|+{\stackrel{\·}{I}}_n/|{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right|>\sqrt{-S\cos \mathrm{\θ}}---\left(8\right)$

将

代入上式有

对其进行化简可得(1+cosθ)²+sin²θ＞-Scosθ

cosθ＞-2/(2+S)        (10)

则归一化的标积制动相角约束条件为

-arccos[-2/(2+S)]＜θ＜arccos[-2/(2+S)]   (11)

上式表明，S的取值可自适应调整θ值。从前面的分析可知外部故障两侧电流的最大相角差一般不大于60°，故在式中取S＝2，对应的动作区为图5的阴影区域。

对比图5动作区与图4的理想动作区可见：标积制动归一化得到的相角约束条件在保证区外故障的选择性上更优越，但由于线路重载情况下内部轻微故障时，运行点可能在[120°，240°]范围内，显然不在图5的动作区内。因此，为保证差动保护此时能正确动作，本发明在相角约束条件的基础上，建立了幅值约束：

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_n\right|/\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m\right|<K---\left(12\right)$

实际上，公式(12)是一个半径r＝K的圆。因此，相角约束条件(11)和幅值约束条件(12)共同构成的动作区为图6所示的阴影区域。

很显然，幅值判据中K的取值承担着区分区内轻微故障和区外故障且一侧CT饱和的任务。相角约束和幅值约束构成的新型判据的判断过程如下：故障时，先计算两侧电流的相角差θ，若满足公式(11)，判定为内部故障；若不满足，需要由幅值约束条件来判定保护是否应该动作。令I_set＝3I_N，I_N为CT一次侧额定电流。在不满足相角约束条件的情况下，若I_m＞I_set且I_m＞I_set，外部故障的可能性大，为防止CT饱和引起保护误动作，取K＝0.2，若I_m和I_n没有都大于I_set，则内部轻微故障的可能性大，为保证保护的灵敏性取K＝0.8。假设m端的电流幅值比较大，最后判断是否成立，若成立则动作跳闸。具体步骤如下：

1、保护装置通过输电线路两侧的CT采集线路两侧的电流，利用全波傅里叶算法计算两侧电流

和

的幅值、相角以及两侧电流的相角差θ；

2、若两侧电流相角差θ小于120°，则判断为内部故障，保护动作跳闸；若θ大于120°，转入幅值判据；

3、幅值判据中，假设m端的电流幅值比较大，先判断两侧电流是否满足：I_m＞3I_N且I_n＞3I_N(I_N为CT一次侧额定电流)，若满足取K＝0.2；若不满足取K＝0.8。再判断两侧电流幅值比

是否小于K，即

是否满足，满足判定为内部故障，保护动作跳闸。

Claims (1)

1.一种基于标积制动判据归一化的分相差动保护方法，包括下列步骤：

(1)通过输电线路两侧的CT采集线路两侧的电流；

(2)利用全波傅里叶算法计算两侧电流的幅值、相角以及两侧电流的相角差；

(3)若两侧电流相角差小于120°，则判断为内部故障，保护动作跳闸；若两侧电流相角差大于120°，转入下面的幅值判据：先判断两侧电流的幅值是否均大于3倍的CT一次侧额定电流；若大于，则取比例系数K＝0.2，若不大于则取K＝0.8；再计算两侧电流中幅值较小与幅值较大之间的比值，若比值小于K，则判定为内部故障，保护动作跳闸。

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