CN103201923A - 电流差动保护同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流差动保护同步方法，其包含以下步骤：选择电流差动保护所保护线路上的一点；测量该线路各端的电流和电压；根据各端的电流和电压，分别计算选定点的补偿电压；通过比较各端计算出的补偿电压，检测并计算同步误差。这里的各端测量的电压和电流，可以是故障前测量量或者故障后的测量量，可以是相分量或者序分量。而选择的补偿点可以是受保护线路上的任意点，比如线路中点，线路的端点，或者多分支线路的T分支点。该同步方法还包括以下步骤，它通过计算补偿电压的相角差或者波形偏移的变化速度，来区分计算得到的同步误差是因为通道的不对称切换引起的，还是由线路参数的严重变化引起的。

Description

电流差动保护同步方法

技术领域

本发明涉及到电力系统领域，特别是一种电流差动保护的同步方法。

背景技术

数据同步在电力系统领域非常重要，特别是对电流差动保护。电力系统现在大量使用了某些种类的同步机制，比如回声方法（也叫做乒乓法）或者GPS同步。但是回声方法的可靠性严重依赖于通信通道的对称性，而在现实中，这种对称性并不能始终保持。而GPS的信号也不能保证总是可靠。而这将会影响到电流差动保护的可靠性甚至在某些情况下引起保护误动。

现有回声方法的最大问题是它严重依赖于通道的对称性。随着现代电力通信的发展，自愈环网或者可变路由光纤网络在逐渐增加。这将给线路电流差动保护带来新的问题。现有数据同步方法都假设通道的发送和接收的延时是相等的。而一旦通道发生非对称切换，收发通道延时不再相等，这样带来的数据失步将会影响保护装置的可靠性。

而GPS同步方法的最大问题是GPS信号和GPS装置的可靠性并不能完全满足电力系统保护的，虽然理论上GPS能够向变电站提供精确的绝对同步时钟。

为了克服现有的外部同步方法（回声方法，GPS）的问题，有些专利如CN101651324A,JP8037724A，JP2008125251和JP2007068325已经提出了采用负荷电流来同步而不是采用外部同步机制的方法。虽然这些专利的具体实现方法不同，但是它们的基本原理可以描述如下：

如图1所示，上述专利中的方法都是基于如下基本原理：从线路两端测量到的负荷电流向量在正常运行状态下必然是相同的（幅值相等，而相角相反）。这样，如果两端测量到的负荷电流向量的相角不是相反的（180°），这就意味着数据同步有问题，同时偏离180°的这个角度差可以被用来同步测量数据。该原理也可以通过在时域中，比较两个负荷电流的波形偏移量来实现。

该方法是基于负荷电流而不是回声方法的消息或者GPS信号。这样，其在原理上就能避免受到通道不对称性和GPS信号可靠性的影响。但是，负荷电流的相角在轻载或者空载的情况下无法精确测量。这样，基于负荷电流的同步方法不能很好的处理轻载或者空载的运行状况。

该方法的另外一个问题时，它只能处理两端线路的同步问题，而不能处理超过两端的多端线路同步问题。

如图2所示，对于两端系统，因为两个负荷电流的相角必然是相反，两个电流之间的相角差只有一种选择。这样，两端系统的精确同步可以实现。但是，对于三端系统，三个电流向量之间的角度差有两种选择。对于四端甚至更多端的系统，对于相角差的选择就更多了。这样，无法有一个唯一的相对相角差用于同步。这就意味着，上述基于负荷电流向量的同步方法无法用于超过两端的输电系统中。

另外，这些基于负荷电流的专利也没有考虑到超过半个周波的同步误差的情况。因为负荷电流是正弦周期信号，如果同步误差可能超过半个周波，该同步方法无法判断出误差修正的方向是向前还是向后。

总之，对于上述提到的专利，虽然现有的基于负荷电流的同步方法不会受到通道不对称状况的影响，但是它们不能处理好轻载或者空载的运行情况，而且也不能处理多端线路的情况和超过半周波同步误差的情况。

我们先前的专利申请PCT/CN2009/076347描述了一种可以检测通道不对称延时的方法和装置。该方法包括以下步骤：重复地计算保护装置的时钟之间的时钟误差以及该信道不同路径上的通信延迟；将最新计算的时钟误差和通信延迟分别与先前计算的时钟误差和通信延迟进行比较；如果所计算的时钟误差的变化值超过第一阈值或者任意路径上所计算的通信延迟的变化值超过第二阈值；则确定发生了通道转换；以及如果通道转换后所计算的不同路径的通信延迟之间的差异超过第三阈值，则确定该通道延迟是非对称的。这种改进的回声方法是基于回声方法的特性和本地时钟，而不是测量。因此，它可以处理不对称信道切换的问题，包括大于1/2同步周期的错误。但是，如果有很多信道切换，改进的回声方法会导致误差积累。

发明内容

为了克服上述缺点，该发明提出了一种电流差动保护同步方法。

本发明所述的电流差动保护同步方法包括了以下步骤：选择该电流差动保护所保护线路上的一点；测量所述线路各端的电流和电压；分别用各端的电流和电压，分别计算选择点上的补偿电压；通过比较所有的补偿电压来检测和计算同步误差。

根据本发明的一个最佳实施例，在发生故障前，测量所有端的电流和电压。

根据本发明的一个最佳实施例，在发生故障后，测量所有端的电流和电压。

根据本发明的一个最佳实施例，所述所有端的电流和电压都是向量。

根据本发明的另一最佳实施例，所述说有端的电流和电压都是采样值。

根据本发明的一个最佳实施例，所述所有端的电流和电压是相分量。

根据本发明的另一最佳实施例，所述所有端的电流和电压是序分量。

所选定的补偿点可以是传输线路上的任意点，该点也可以选定为线路中点，线路的端点，或者对于多端线路而言选定T分支点。对于双端线路而言，所述补偿点可以选为线路上的任意点，也可以选择线路的中点或者端点。对于三端线路，所述补偿点可以选为线路上的任意点，也可以选择为T分支点或者端点。对于多于三端的多分支线路，该输电线路可以被分解为双分支，三分支或者它们的组合，所述补偿点根据双端或者三端线路来选择。

根据本发明的一个最佳实施例，启动元件方法，回声方法或者改进回声方法用于初步的同步。

根据本发明的一个最佳实施例，电流保护差动保护同步方法包括以下步骤：通过计算相角差变化的速率或者波形偏移的速率，来区分计算得到的同步误差是因为线路参数的大幅度变化引起的，还是由通道不对称切换引起的。

根据本发明的一个最佳实施例，如果各端在故障后测量电流和电压，该电流和电压是正序故障分量，负序故障分量，零序故障分量或者它们的某种组合。

附图说明

下面结合附图中的最佳实施例更详细地阐述本发明的主题，其中：

图1显示了基于负荷电流比较的同步方法；

图2A到图2C是各端负荷电流的向量图；其中，图1A是两端线路的向量图；图2B是三端线路的向量图；图2C是四端线路的向量图；

图3是优选实施方案中的流程框图；

图4给出了双端线路采用补偿电压法的示意图；

图5A到图5B显示了电压向量和电压采样值波形之间的关系；

图6A到图6F是补偿电压同步方法的示意图。其中，图6A是双端线路的示意图；图6B是三端线路的示意图；图6C显示了三端线路中，只有一端和其他两端不同步；图6D显示了三端线路的各端之间都不同步；图6E显示了多端线路结构分解的示意图；图6F显示了多端线路示意图；

图7显示了超过半周波同步误差的问题；

图8显示了采用启动元件进行初步同步的方法；

图9显示了线路参数误差的影响；

图10A显示非对称通道切换和参数变化的不同；图10B显示的区分覆冰和非对称通道切换的方法；

图11A显示的一个典型的线路故障的情况；图11B显示的内部故障时的故障分量网络；图11C显示的是外部故障时的故障分量网络。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，更详细地描述本发明的最佳实施例。

本发明所提方法的目的，是为电流差动保护做测量数据同步，而且该同步方法不受通道不对称和GPS信号不稳定的影响。

该电流差动保护同步方法包括以下步骤：在该电流差动保护所保护的线路上选定一个补偿点；测量所述线路各端的电流和电压；分别用各端的电流和电压，分别计算选择点上的补偿电压；通过比较所有的补偿电压来检测和计算同步误差

故障前方案

图3是优选实施方案中的流程框图。在该方案中，各端的电流，电压在故障前进行测量，而且均是向量值。本方案也提供了电流和电压均是采样值的方法。

在故障前（非故障）状态下，由各端电流电压分别推算出的同一个补偿点的电压理论上应该完全相等。这意味着，如果从不同的端的电流电压计算得到的同一个补偿点的电压，其电压相角应该相等，或者说电压波形的偏移应该相等。如果这些补偿电压的相角不相等，这就意味着数据同步出了问题（通道发生了不对称切换或者GPS信号出了问题）。并且，这个相角差或者波形的不同偏移可以被用于同步不同端的数据。

图4显示了一个双端输电线路。以下的测量量都是在故障前测量到的：

M端：U_M,I_M

N端：U_N,I_N

各端测量到的电压电流可以被用于计算P点的补偿电压。这里，P点可以是线路上的任意点（比如M端，N端或者中点）。用U_M,I_M来计算U_MP，用U_N,I_N来计算U_NP。U_MP和U_NP是同一点的电压。这样，理论上这两个电压应该是相等的，如果两端的电压电流U_M,I_M and U_N,I_N得到了正确同步的话。如果这两个电压U_MP和U_NP不再相等，这就意味着数据同步出了问题。而且这两个补偿电压之间的不同，可以被用来同步测量数据。

本发明所提出的方法对于系统参数和测量量是很自由的。这意味着，计算可以基于分布参数或者是集中参数。而且，计算可以用向量，也可以用采样值。

图5A-5B显示了电压采样值和向量形式之间的关系。如果M和N端的数据不同步，分别由其计算出来的补偿电压U_MP和U_NP之间将有的Δt的时间差，如图5A所示。其也可以用图5B中的向量形式来描述。这里，θ=360°×Δt×f,(f是系统频率)。这里的波形时差Δt或者相角差θ就是M端测量量（U_M,I_M）和N端测量量（U_N,I_N）之间的数据同步误差。而且，这个误差可以直接用于同步/补偿所述的非同步数据。

Δt或者θ可以采用向量或者采样值的方式进行计算：

1）基于向量

在这种优选方案中，电流和电压是用集中参数和向量的形式来计算的。

假设P是线路的中点，分布电容的数值是Z_C，线路阻抗是Z_L。

U_MP＝U_M-(I_M-U_M/Z_C)×Z_L/2        (1)

U_NP＝U_N-(I_N-U_N/Z_C)×Z_L/2        (2)

θ＝∠U_MP-∠U_NP                 (3)

Δt＝θ/f                      (4)

使用等式（1）～（4），这里的时间差Δt或者两端测量量之间的相角差θ可以用补偿电压来得到，包括基于向量形式的或者采样值形式的，计算如下：

I'_N＝I_Ne^jθ                     (5)

i'_N(t)＝i_N(t+Δt)              (6)

2）基于采样值

在另外一种优选方案中，电流和电压可以用采样值和贝瑞隆模型：

$u_{+}\left(t\right)=\frac{u\left(t\right)+i\left(t\right)\·Z_C}{2}---\left(7\right)$

$u_{-}\left(t\right)=\frac{u\left(t\right)-i\left(t\right)\·Z_C}{2}---\left(8\right)$

$u(x,t)=u_{+}(t-\frac{x}{v})+u_{-}(t+\frac{x}{v})---\left(9\right)$

这里，

u(x,t)是某个特定点的补偿电压（采样值）

u(t),i(t)是端电压和电流（采样值）

Z_C是线路的波阻抗

u₊是前向行波

u_-是反向行波

v是行波波速

用式（7）～（9），可以计算出线路上任意点的补偿电压。这样，假设x=L/2，线路中点的补偿电压可以用两端的测量量分别计算出来，为u_MP(t)和u_NP(t)。而这两个补偿电压的差异可以被用于计算两端测量量之间的同步时间误差。

这两个补偿电压可以用以下两种途径来比较：

1）时域方法；

2）频域方法；

波形匹配，过零点检测或者其他一些时域的方法，可以用于直接计算非同步时差Δt(图5A中所显示的时间差Δt)。

对于频域方法，可以先计算补偿电压的工频向量，然后计算相角差(图5B中的θ)。而这个相角差可以用于同步测量数据如下所示：

I'_N＝I_Ne^jθ                    (10)

i'_N(t)＝i_N(t+Δt)             (11)

在式（7）～（9）中，所有的电流和电压都是相对相模量（差模），可以是(A-B)，(B-C)或者(C-A)。

补偿点的补偿电压有可能非常低，如果它恰好位于震荡中心，这将会影响到该同步方法的精度和灵敏度。而这个问题可以通过选择其他补偿点而轻易得到解决。

基于采样值的同步方法具有以下优点：

1）不采用向量，所以不受非正序波形的影响；

2）不需要特别的低通滤波器或者DFT滤波器，可以避免相应的误差；

3）该方法自动计入了分布电容的影响；

4）该方法在重载或者轻载情况下都能很好工作

对于某些特殊情况，比如具有非常严重的电流电压波形畸变或者快速系统震荡时，得到精确的电压电流工频向量是比较困难的。这时，基于向量的同步方法可能会难以得到精确的数据同步。但是，基于采样值的方法在这些情况下仍然能够很好的工作。

根据另外的优选方案，该同步方案也提供了针对多端线路的方法。

针对多端传输线路的同步方法

1）双端传输线路

对于双端传输线路，用于同步算法的补偿点T可以位于线路上的任意一点。可以是端1或者端2，线路中点或者线路上两端之间的其他任意点。该同步方法处理流程包括两步，如图6A所示。

从两个端点，分别计算补偿点T的补偿电压（在本例中，为了简化分析，简化忽略了分布电容的补偿）。

U_T1＝U₁-I₁×Z₁                     (12)

U_T2＝U₂-I₂×Z₂                     (13)

用上述计算所得的两个补偿电压进一步计算出其相位差。然后，用这个相位差来同步测量数据。

θ＝∠U_T2-∠U_T1                    (14)

最后计算得到的同步后的数据如下（以端1为参考值）：

端1:U₁,I₁,

端2:U₂e^jθ,I₂e^jθ

2）三端传输线路

和两端传输线路的情况类似，对于三端线路，补偿点可以是三端线路上的任意点。但是为了计算方便，最好选择T分支点作为补偿点，如图6B所示。该补偿方法包括以下步骤：

从三个端点分别计算补偿点T的补偿电压（为了简化分析，这里简化忽略了分布电容的影响）。

U_T1＝U₁-I₁×Z₁                  (15)

U_T2＝U₂-I₂×Z₂                  (16)

U_T3＝U₃-I₃×Z₃                  (17)

选择上述计算得到的三个补偿电压中的任意一个作为参考值，然后分布计算其他两个补偿电压向量相对于参考向量的相角差。然后用这两个相角差来同步对应的这两端的测量值同步误差。

θ₁＝∠U_T2-∠U_T1                 (18)

θ₂＝∠U_T3-∠U_T1                 (19)

最后计算得到的同步后的测量值如下（以端1数据为参考值）：

端1:U₁,I₁,

端2:U₂e^jθ1,I₂e^jθ1

端3:U₃e^jθ2,I₃e^jθ2,

三个补偿电压中的任意一个都可以选作参考电压，无论有多少个通信通道是不对称的，也无论哪个通信通道是不对称的，所述同步方法都能够很好的工作。电流差动保护实际上只关心不同端数据之间的相对同步误差（时间偏移）。

对于三端系统，它可能具有以下两种可能的非同步情况。

如图6C所示，在某些情况下，三个端的测量数据中有两个之间仍然是同步的。只有一个端的数据和其他两个端的数据不同步。在其它的一些情况下，如图6D所示，三个端的数据可能两两之间都不同步。

本发明提出的同步方法可以很好的适用于上述的两种非同步情况。因为，该方法仅仅是通过补偿不同补偿电压之间的相对相角差，来同步所有的测量数据，而不管有哪几个数据不同步或者哪个特定的数据不同步。而且，这一点对于除三端线路之外的其它多端线路也同样成立。

3）多端输电线路

图6E显示了把多端线路分解的过程。图6F是一个多端传输线路的示意图。该同步方法包括以下步骤（为了简化分析，这里简化忽略了分布电容的影响）：

通过四个端的测量数据，分别计算四端对应的四个补偿电压，包括T₁,点的U_T1和U_T3，T₂点的U_T2和U_T4。

U_T1＝U₁-I₁×Z₁                        (20)

U_T2＝U₂-I₂×Z₂                        (21)

U_T3＝U₃-I₃×Z₃                        (22)

U_T4＝U₄-I₄×Z₄                        (23)

计算U_T1和U_T3,之间的相角差θ₁，然后将它们同步。同步后的电流和电压分别是U₁,I₁,U₃e^jθ1,I₃e^jθ1（这里选择端1为参考值）。

对于端2和端4使用同样的同步过程。计算U_T2和U_T4,之间的相角差θ₂，然后，以此来同步它们。同步后的电压电流数据分别是U₂,I₂,U₄e^{j θ2},I₄e^jθ2（这里选择端2为参考值）。

θ₁＝∠U_T3-∠U_T1                     (24)

θ₂＝∠U_T4-∠U_T2                     (25)

选择T₁和T₂之间的任意点作为补偿点（本例中选择T₁为补偿点）。用步骤2得到的补偿数据来计算补偿电压。然后，计算相应的相角差θ₂，然后再次同步数据。

$U_{T1}^{\′}=U_{T2}-(I_2+I_4{e}^{{\mathrm{j\θ}}_2})\×Z_5---\left(26\right)$

θ₃＝∠U'_T1-∠U_T1                        (27)

最终计算得到的补偿后的数据如下（这里选择端1为参考值）：

端1:U₁,I₁,

端2:

端3:

端4:

根据另外一个优选方案，回声方法，改进回声方法或者启动元件可以用来做初步的同步。这里的初步同步可以保证所提的同步方法可以适用于同步误差大于半个周波的情况。

图7显示一个大于半周波误差的情况。U_M和U_N是从端M和端N分别计算到同一点的补偿电压。如果同步误差可能大于半个周波，同步方法将无法判定同步误差补偿时，波形平移的正确方向是向时间轴的哪个方向。例如，如果真正的同步误差是15毫秒或者5毫秒（50赫兹系统），它们计算得到的相角误差是完全一样的。针对该问题的解决方案是，先用一种初步同步方法进行同步，以保证初步同步后的同步误差小于半个周波，然后再继续用前面所述的补偿电压同步方法进行精确同步。

1）用启动元件来进行初步同步

线路两端的启动元件的动作时间及其在本方案中的应用如下所述。然后本发明所提出的同步方法将用于精确同步。

如图8所示，如果没有同步误差，且如果两个启动元件的动作时间完全一样，两个启动元件的时间差Δt理论上应该几乎为零。如果实际的误差Δt不为零，这就意味着数据同步出了问题。这样，Δt可以被用来做初步的数据同步。

很明显，两个启动元件各自的动作时间的差别需要小于半个周波（对于50赫兹系统而言就是10毫秒），以保证上述初步同步具有足够的精度。2）用回声方法进行初同步

无论通信通道是否对称，回声方法都能够精确计算出发送和接受通道的总延时。

t_Total＝t_sending+t_receiving                (28)

如果该总延时t_Total小于一个周波，则经过回声方法后的同步误差一定小于半个周波。在这种情况下，可以确定本发明所述的同步方法不存在大于半周波误差的问题。

例如，如果一个通道的延时是3毫秒，另外一个通道的延时是16毫秒，保护用其平均值9.5毫秒作为通道延时，然后采用回声方法同步数据。这样最终的同步误差t_error是6.5毫秒，它小于半个周波。这个计算如下所示。

$t_{\mathrm{error}}=\frac{t_{\mathrm{sending}}+t_{\mathrm{receiving}}}{2}-t_{\mathrm{receiving}}=\frac{16+3}{2}-3=6.5\mathrm{ms}$

3）采用改进回声方法进行初同步

如先前专利申请PCT/CN2009/076347所描述，改进回声方法采用的是回声方法和本地时钟共同进行工作，而不是采用的测量量进行同步。它能够处理非对称通道切换带来的大于半个周波误差的情况。这样，一个合理的解决方案就是联合采用改进回声方法和基于补偿电压的同步方法。先用改进回声方法进行初同步，然后用所述补偿电压同步法进行精确同步。

根据其他优选方案，本发明提出的同步方法还包括一个步骤，以用于区别计算得到的同步误差是由线路参数的严重变化引起的，还是由通道的不对称切换引起的。该步骤是通过计算补偿电压的相角差或波形偏移的变化速度来实现的。

线路参数的严重变化比如覆冰

线路参数被用于计算同步误差。线路参数本身的误差也会影响到计算所得的同步误差。通常运行情况下，线路参数的误差是很小的，所以在正常运行模式下，线路参数的误差不会给本同步方法带来大的问题。但是，在某些特殊情况下比如严重的覆冰，这时线路的实际长度和参数都会有较大改变，这时的线路参数误差可能会超过限制。这可能会严重影响同步的结果。因此，必须采用某些措施来检测到这种特殊情况并且闭锁该同步方法。

对应的向量图如图9所示。图9显示了线路误差带来的影响，这里U_M和U_N分别是Ｍ端和Ｎ端的测量电压。U_P是补偿点真实的电压。U_MP和U_NP是由Ｍ端和Ｎ端分别计算得到的补偿点的补偿电压。

假设不存在误差，理论上U_P,U_MP和U_NP应该相等。但是因为覆冰，线路的实际长度和阻抗比用于同步计算的理想数据要更大。这样，从不同端分别计算的补偿点实际上并不是同一个点，这会带来一个同步误差θ_Err。

该同步误差θ_Err将会随着M端和N端之间的功角差（∠U_M-U_N）的增大而增大。这意味着，如果功角很小（轻载情况），即使参数误差很大，最终的同步误差也很小。

本发明所提出的同步方法是基于同一点的补偿电压之间的相角差。如果该相角差从零变为一个相对较大的数值，这就意味着数据同步出错了。但是问题是，通道的非对称切换和严重覆冰都可能会引起上述的相角差较大的问题。所以需要去区分这两种情况。

相角差的变化速度在上述两种情况下是明显不相同的。对于通道的不对称切换，这是一个突变。该变化速度一般是小于几秒甚至更快得多。但是对于严重覆冰等产生的线路参数改变，这个变化是渐变的。这个变化过程是数小时甚至数天。这样，我们可以通过监控这个变化速度来区分这两种情况。

图10A显示了通道不对称切换和参数变化的不同。图中的实线和虚线分别表示了不对称切换和线路参数变化这两种情况分别带来的补偿电压的相角差变化情况。非常明显，它们的变化速度是不一样的。

在实际应用中，只有相角差的突变的情况才采用所述的数据同步方法。而如果检测到足够大的渐变过程，则判定为线路参数的变化（覆冰或者其它原因引起）引起的，并闭锁所提同步方法。

该原理可以用不同的方法实现；一个典型的方法就是采用差分法，如下所示：

Δθ＝θ(t)-θ(t-T)                   (29)

这里，θ是两个补偿电压的相角差。T是时延（比如几秒）。T应该比回声方法实施过程中所可能出现的最大通道切换时间更长，而比最快的覆冰过程更短。

图10A所示的算例的计算结果如图10B所示。10B显示了覆冰和不对称通道切换的区分办法。由通道不对称切换带来的相角差（粗实线）和参数变化带来的相角差（粗虚线）具有很大的不同，很容易区分识别。

如图10B所示，如果这是一个通道不对称切换的例子，相角差Δθ（粗实线）将会有一个明显的阶梯波形。相反，如果这是一个覆冰的例子，相角差Δθ的波形（粗虚线）几乎为零。该方法容易实现且具有很好的灵敏度。

故障后方案

根据另外一个优选方案，电流和电压是各端在故障后测量的。电力系统的故障分量可以表示为采用故障叠加原理，而叠加到故障前系统上的叠加分量。这里的故障叠加分量系统可以被分解为，正序，负序和零序故障分量网络。这三个网络的结构比较类似，但是参数各不相同。

图11A显示了一个典型的两端输电线路，该输电线安装有电流差动保护。图11B显示区内F1故障时的故障分量网络，而图11C显示了它在区外F2故障时的故障分量网络。ΔU和ΔI是IED测量到序故障分量（正序，负序和零序故障分量）。Z_SM和Z_SN分别是M和N侧系统的系统阻抗。Z_LM和Z_LN分别是内部F1故障时M侧和N侧的线路阻抗。Z_L是线路总阻抗。

故障分量可以通过减法运算从故障后的测量（采样值或者向量）中减去故障前分量（采样值或者向量）来获取。

如图11B所示，内部故障发生后，有：

ΔU_M＝-ΔI_M·Z_SM

ΔU_N＝-ΔI_N·Z_SN

假设系统阻抗和线路阻抗具有相同的阻抗角，而且忽略线路上分布电容电流的影响，有：

∠ΔI_M＝∠ΔI_N

∠Z_SM＝∠Z_SN

这样，线路两端所测量到的故障分量序电压具有相同的相角：

∠ΔU_M＝∠ΔU_N

如图11C所示，外部故障发生后有：

ΔU_M＝-ΔI_M·Z_SM

ΔU_N＝ΔI_N·(Z_SM+Z_L)

假设系统阻抗和线路阻抗具有相同的阻抗角，而且忽略线路上的分布电容电流，则有：

∠(-ΔI_M)＝∠ΔI_N

∠Z_SM＝∠(Z_SM+Z_L)

这样，线路两侧检测到的故障分量序电压具有相同的相角：

∠ΔU_M＝∠ΔU_N

可以看出，无论是内部故障还是外部故障，线路两端检测到的故障分量序电压具有相同的相角，比如：

θ_U＝∠ΔU_M-∠ΔU_N＝0°

也可以看到，对于内部故障，线路两端测量到的故障分量序电流具有几乎一样的相角，但是对于外部故障，它们具有几乎相反的相角（相差180度），例如：

θ_I＝∠ΔI_M-∠ΔI_N＝0°内部故障

θ_I＝∠ΔI_M-∠ΔI_N＝180°外部故障

如上所述，当发生通信通道不对称切换时，传统的回声方法在数据同步时将会引起误差，而且该误差等于发生和接收通道延时差的一半。对应的，故障分量序电流和电压之间的相角关系将会偏离上面描述的关系。该相角关系的差偏移是Δθ。

通过计算相角关系的偏移量Δθ，通道不对称所引起的同步误差，可以直接通过Δθ得到。这样，两端保护检测到的电流和电压向量可以进行同步。

如果需要，线路两端保护测量到的采样值可以通过时间偏移Δt进行同步：

Δt＝Δθ/(f·360°)

这里f是系统频率，比如50赫兹或者60赫兹。

比如，如果相角偏移Δθ=27°，系统频率f=50Hz，则可以计算出时间偏移Δt=1.5ms。

所提方法是基于故障分量，所以该同步方法仅在故障（内部故障或者外部故障）发生后使用。保护可以通过故障检测元件检测到故障，然后再启动该同步过程。

上述分析是基于两端电流差动保护。对于多端差动保护而言，仍然可以采用类似的分析并得到一样的结论。

实现

基于上述的基本原理，该发明可以同步以下步骤实现。以两端电流差动保护为例：

A.基于序电压

1)故障发生后（两端的故障检测元件动作），对所有的采样值在给定的执行周期里面执行以下的步骤；

2)计算故障分量序电压；

3)计算相角差Δθ＝∠ΔU_M-∠ΔU_N；

4)用计算所得的Δθ去补偿相电流的相角，包括用Δθ去减少M端电流的相角，或者增加N端电流的相角。

5)用补偿后的电流去计算正常的电流差动保护判据，如果满足跳闸条件，则向断路器发出跳闸命令。

B.基于序电流

1)故障发生后（所有端的故障检测元件动作），对每个采样点或者每个给定的执行周期里面，执行以下步骤：

2)计算故障分量序电流；

3)计算方向继电器以判断故障是发生在区内还是区外，如果两个保护都判断为正方向，该故障判为区内故障，否则判为区外故障；

4)对于内部故障，Δθ＝∠ΔI_M-∠ΔI_N;

对于外部故障，Δθ＝∠ΔI_M-∠ΔI_N-180°;

5)用计算所得的Δθ去补偿相电流的相角，包括用Δθ去减小M端电流的相角，或者增加N端电流的相角;

6)用补偿后的电流去计算正常的电流差动保护判据，如果满足跳闸条件，则向断路器发出跳闸命令。

Δθ的计算可以是基于正序故障分量，负序故障分量或者零序故障分量。

◆在负序分量明显的故障中，建议用负序故障分量来计算Δθ。如果没有负序故障分量（三相对称故障），建议用正序故障分量。

◆在两相动作情况下，建议用正序故障分量来计算Δθ。

基于上述原理，也可以采用基于相分量或者模分量的类似方法，而不是采用序分量来实现。

采用本发明所述的同步方法，即使是在通信通道不对称或者GPS信号不可靠的情况下，电流差动保护也可以正确可靠地动作，而不会产生误动作或者闭锁。这明显地提高了保护的可靠性。

该方法和负荷电流的大小没有关系。它能够在重负荷或者无负荷状况下都可靠工作。

该原理和方法简单而清晰，这便于被现有的装置平台实现。

所述的方法和现有的同步方法（乒乓法和GPS）可以取长补短一起工作。

尽管本发明是基于一些最佳实施例进行说明，但精通技术的人员理解那些实施例绝不应限制本发明的范围。这些实施例还可以有多种更改和改进。在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于较佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电流差动保护同步方法，包括了以下步骤：

选择电流差动保护所保护线路上的一点；

测量所述线路各端的电流和电压；

根据各端测量到的电流和电压，分别计算所选择点上的补偿电压；

通过比较所有的补偿电压，检测和计算同步误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在发生故障前或者发生故障后，测量所有端的电流和电压。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所有端的电流和电压是向量或是采样值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所有端的电流和电压是相分量或序相分量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所选定的补偿点是传输线路上的任意点，优选的选定为线路中点、线路的端点、或者对于多端线路而言选T分支点。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对于双端线路而言，所述补偿点为线路上的任意点，优选的选择线路的中点或者端点；对于三端线路，所述补偿点为线路上的任意点，优选的选择为T分支点或者端点；对于多于三端的多分支线路，该输电线路分解为双分支、三分支或者它们的组合，所述补偿点根据双端或者三端线路来选择。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，启动元件方法、回声方法或者改进的回声方法用于初步的同步。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：通过计算相角差变化的速率或者波形偏移的速率，来区分计算得到的同步误差是因为线路参数的大幅度变化引起的，还是由通道不对称切换引起的。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，如果各端在故障后测量电流和电压，该电流和电压是正序故障分量、负序故障分量、零序故障分量或者它们的某种组合。

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