CN103560482A - 基于相量集合的差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相量集合的差动保护方法，在相当大程度上改变目前差动保护依赖于采样值必须严格同步的缺点。采用跨失步时间窗内的多时刻的相量构成相量集合，由于相量集合中必然存在满足差动保护同步要求的相量，所以可以由相量集合运算得到的差动电流和制动电流来完成差动保护，从而实现在采样值同步或一定程度失步时，差动保护可以继续投入使用且其灵敏度和可靠性均不受影响的目的。

Description

基于相量集合的差动保护方法

技术领域

本发明涉及一种差动保护方法。

背景技术

智能变电站的过程层设备之间的采样值数据（SV）采用DL/T860.92（IEC61850-9-2，以下称为9-2方式）协议点对点或组网传输方式，虽然组网传输方式符合智能变电站网络化、多间隔信息共享和简化过程层网络结构等发展方向，但其不同间隔SV的同步依赖于对时系统。

由于对保护装置的技术要求是：不依赖于外部对时系统实现其保护功能。变电站网络传输SV多用于故障录波及网络报文分析装置和站域级保护控制装置，在采用9-2组网传输方式获得SV时，要求各支路SV严格同步，SV失步可能导致保护误动或拒动，所以目前智能变电站中的继电保护在配置有差动保护的继电保护装置不采用9-2组网方式接入SV，即采用直接点对点采集；若采用9-2组网方式接入SV的继电保护装置需要对差动原理的保护进行限制，如不配置差动保护或配置但SV失步时退出差动保护。

也就是说，现有的差动保护方法必须依赖外部对时系统才能实现SV严格同步，不满足对保护装置的相关技术要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相量的差动保护方法，用以解决目前智能变电站差动保护装置采样值采用9-2网络接入方式在失步时退出的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：

基于相量集合的差动保护方法，包括步骤如下：

1）计算当前采样点和前n个采样点的相量，形成各支路对应的采样电流集合；n*Ts>失步时间，Ts为采样周期；

2）将各支路对应的电流集合内每个元素和其它集合的各元素分别相加形成一个差动电流集合；在差动电流集合中求出最小差流I_cd.min和最大差流I_cd.max；若最小差流I_cd.min小于各支路当前采样值幅值的最大值与制动系数k的乘积，0<k<1，则差动电流I_cd取最小差流I_cd.min，否则差动电流I_cd取最大差流I_cd.max；

3）根据制动电流的选取方法对各支路对应的电流集合进行运算，求取制动电流集合，并以制动电流集合中最大元素为制动电流I_zd；

4）根据差动保护动作判据，执行差动保护。

求最小差流I_cd.min时，首先求取差流集合中幅值最小的两个元素，若两最小元素相位差在160^°～200°之间，取最小差流I_cd.min为0，否则取差流集合的最小元素为最小差流I_cd.min。

所述基于相量集合的差动保护方法在采样失步时采用。

所述k取0.3到0.7。

本发明采用一种新型的差动保护方法，在相当大程度上改变目前差动保护依赖于采样值必须严格同步的缺点。采用跨失步时间窗内的多时刻的相量构成相量集合，由于相量集合中必然存在满足差动保护同步要求的相量，所以可以由相量集合运算得到的差动电流和制动电流来完成差动保护，从而实现在采样值同步或一定程度失步时，差动保护可以继续投入使用且其灵敏度和可靠性均不受影响的目的。

附图说明

图1是相量集合构成示意图；

图2是区内故障时差的电流Im和In一定时Icd随θ变化示意图；

图3是区内故障时θ和Im一定时Icd随In变化示意图；

图4是多端差动与两端差动的演化示意图；

图5是SV采用9-2组网方式接入时失步时间示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

在一个连续时间段内各个时刻的电流相量理论上存在无穷多个，在实现上我们可以根据该时间窗里所包含的采样点，在每个采样点处计算一个相量，在一个跨失步时间窗内的多时刻的相量构成相量集合，那么在这个相量集合中必然存在同步的相量，需要在相量集合中找出同步相量所对应的差动电流和制动电流来完成差动保护，差动保护的方法包括步骤如下：

基于相量集合的差动保护方法，包括步骤如下：

1)计算当前采样点和前n个采样点的相量，形成各支路对应的采样电流集合；n*Ts>失步时间，Ts为采样周期；

2)将各支路对应的电流集合内每个元素和其它集合的各元素分别相加形成一个差动电流集合；在差动电流集合中求出最小差流I_cd.min和最大差流I_cd.max；若最小差流I_cd.min小于各支路当前采样值幅值的最大值与制动系数k的乘积，0<k<1，则差动电流I_cd取最小差流I_cd.min，否则差动电流I_cd取最大差流I_cd.max；

3)将根据各支路对应的电流集合求取制动电流集合，并以制动电流集合中最大元素为制动电流I_zd；

4)根据差动保护动作判据，执行差动保护。

以下给出一种本发明方法的具体实施方式，这是一种双端差动保护方法（下文会论证本发明的可行性以及本发明的方法也适用于多端差动保护）。

例如：在9-2组网方式接入SV的继电保护装置，装置的采样频率为1600点/秒，即采样周期为Ts=0.625ms，失步时间为2.635ms。

（一）生成各支路（各端）的电流相量集合

要想包含2.635ms的失步时间，可取5×Ts作为相量集合的时间窗。分别计算当前采样点和依次前推1～5个点处的相量值构成相量集，各相量如图1所示。

（二）由相量集合求取差动电流和制动电流

为了下文方便说明，首先定义集合加减法规则：两集合相加减等于集合内每个元素和另一集合各元素分别相加减形成的集合。若两个集合的元素个数分别为m和n，则他们的和或差是一个元素个数为m*n的集合。

第一步：将当前采样点前推1～5个点，分别计算当前点（下标为0）和前推各点（下标为1～5）处的相量值，形成相量集合。对于双端差动保护，两端电流的相量集合分别为 $\left\{\begin{array}{cccccc}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}\end{array}\right\},$ $\left\{\begin{array}{cccccc}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\end{array}\right\}.$

第二步：两相量集合相加求取差动电流集合。如下所示，集合加减相当于矩阵的加减运算。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}\end{array}\right\}+\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\end{array}\right\}=\left(\begin{array}{cccccc}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}+\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\end{array}\right)$

第三步：两相量集合相减求取制动电流集合。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}\end{array}\right\}-\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\end{array}\right\}=\left(\begin{array}{cccccc}\stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M0}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M1}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M2}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M3}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M4}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N0}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N1}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N2}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N3}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N4}}& \stackrel{\&CenterDot;}{I_{M5}}-\stackrel{\&CenterDot;}{I_{N5}}\end{array}\right)$

第四步：由差动电流集合求取差动电流。

a)求取最小差流I_cd.min：首先求取差流集合中幅值最小的两个元素，若两最小元素反相位（通常相位差在160°～200°之间），则取最小差流为0，否则取差流集合的最小元素为最小差流。（文中不带点号的电流标号为相量的幅值）。

b)求取最大差流I_cd.max：取差流集合的最大元素为最大差流。

c)差动电流Icd的选取：若I_cd.min＜k*max{I_m0，I_n0}，其中k可取0.3～0.7，则差动电流取最小差流I_cd.min，否则差动电流取最大差流I_cd.max。

第五步：由制动电流集合求取其最大元素为制动电流Izd。

（三）由差动电流和制定电流进行比率差动保护判别

采用传统差动保护的动作判别方程，由相量集合求得的差动电流和制动电流可直接带入差动保护动作方程式进行动作判别。差动保护动作方程如下：Iset最小动作电流，k为制动系数。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{cd}}>I_{\mathrm{set}}\\ I_{\mathrm{cd}}>k*I_{\mathrm{zd}}\end{array}\right.$

通过以上实施例确定的制动电流和差动电流，能够根据传统的差动保护条件进行差动保护。该方法不需要外部对时，在目前智能变电站差动保护装置采样值采用9-2网络接入方式的情况下，在失步时采用本发明的方法仍然能够实现差动保护。

作为其他实施方式，制动电流的选取也不局限于两端电流相量集合相减，本领域技术人员也可以参照其他制动电流的选取方法（计算公式）相应地改变集合运算方式得到,比如可以在多端差动保护时选取各支路电流相量模值之和乘以1/2，据此对各支路的集合进行运算，把各集合作为矩阵运算即可，这对于本领域技术人员来说是显而易见的，在此不具体举例。对于制动系数的选取，还可以取更大范围的值如，0<k<1。

下面对本发明差动电流选取的原理、适用性进行分析。

根据差动保护原理，系统正常或区外故障时I_cd.min≈0＜k*max{I_m0，I_n0}，区内故障时

相量集合元素间的最大相位差θ=相量固有角差Δψ+失步角度。如图2、3所示，在Im和In一定时，Icd，即I_cd.min随着θ的增大而减小，Im’——>Im，Icd’——>Icd；当θ和一端差动电流如Im一定时，I_cd.min＝I_m*sin（π-θ），若要满足I_cd.min＞k*max{I_m0，I_n0}，必须有θ＜π-sin^-1（k）。因此上述故障判据的适用范围为：模拟量失步时间造成的失步角度小于π-sin^-1（k）-Δψ。如当k取0.5时，要求失步角度小于

。其中相量固有角差Δψ取决于系统正常运行时的各支路电源的固有相角差，其大小取决于支路电源间的有功功率传输，其不能超过电力系统的稳定运行极限，即

根据失步相位可计算出相量集差动要求模拟量失步时间T为失步时间的边界，

按IEC61850-9-2协议组网方式下可根据SV报文中的同步位判别该组SV是否同步。当SV同步时，继电保护装置通过对齐采样序号实现不同MU（合并单元）间SV的同步；当SV失步时保护装置以各MU的SV报文到达时刻进行同步，这种情况下不同MU的SV失步时间是一定的。在图5说明SV采样的最大通道延时为2ms+10us+Ts，所以在MU失步的状态下，不同MU的SV最大失步时间小于2ms+10us+Ts，由于电子互感器与合并单元间采用FT3格式传输，故应以MU接收时刻为同步点计算SV失步时间，所以不同MU的SV最大失步时间为0.25ms+10us+Ts，远小于相量集合差动方法的适用失步时间的边界值。

本发明的方法也适用于多端差动保护，原因在于：由于各支路模拟量间失步时间均小于T，由于各相量集时间窗大于失步时间窗，所以相量集中必然存在一个该支路与其他各支路同步的相量。图4以演化方式说明任何多端差动本质和为两端差动相同。所以，本领域技术人员容易根据以上双端差动保护的实施例得出多端差动保护的具体步骤，在此不再赘述。

Claims (4)

1.基于相量集合的差动保护方法，其特征在于，包括步骤如下：

1）计算当前采样点和前n个采样点的相量，形成各支路对应的采样电流集合；n*Ts>失步时间，Ts为采样周期；

2）将各支路对应的电流集合内每个元素和其它集合的各元素分别相加形成一个差动电流集合；在差动电流集合中求出最小差流I_cd.min和最大差流I_cd.max；若最小差流I_cd.min小于各支路当前采样值幅值的最大值与制动系数k的乘积，0<k<1，则差动电流I_cd取最小差流I_cd.min，否则差动电流I_cd取最大差流I_cd.max；

3）根据制动电流的选取方法对各支路对应的电流集合进行运算，求取制动电流集合，并以制动电流集合中最大元素为制动电流I_zd；

4）根据差动保护动作判据，执行差动保护。

2.根据权利要求1所述的基于相量集合的差动保护方法，其特征在于，求最小差流I_cd.min时，首先求取差流集合中幅值最小的两个元素，若两最小元素相位差在160°～200°之间，取最小差流I_cd.min为0，否则取差流集合的最小元素为最小差流I_cd.min。

3.根据权利要求1所述的基于相量集合的差动保护方法，其特征在于，所述基于相量集合的差动保护方法在采样失步时采用。

4.根据权利要求1所述的基于相量集合的差动保护方法，其特征在于，所述k取0.3到0.7。

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