CN104242268A - 一种三区域电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三区域电流差动保护方法，属于电力系统电流差动保护技术领域。本发明分别进行对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域的判别以及对故障类型的判别，然后根据这两者的判别结果再决定保护动作与否。本发明充分利用双端电流的幅值与相位，将整个幅相平面划分为包含制动区、模糊区、动作区的三个区域，根据双端电流的相对关系处于何区域来确定保护动作与否，在模糊区时利用区外故障CT线性区判据区分区内高阻故障与区外故障CT饱和，解决了灵敏性与安全性之间的矛盾，同时对于区外故障转区内故障有较好的速动性。

Description

一种三区域电流差动保护方法

技术领域

本发明属于电力系统电流差动保护技术领域，更准确地说本发明涉及一种将幅相平面上划分为三区域的电流差动保护方法。

背景技术

差动保护是电力系统中应用最为广泛的保护之一，其动作的可靠性对于被保护元件安全稳定运行有着重大的影响。特别是近年来，随着电力系统的快速发展，要求电流差动保护能够反映区内高阻故障并且在区外故障CT饱和时不误动，新型保护原理得到了更加广泛的关注和研究。

在差动保护中，需要同时考虑区内高阻故障和区外故障CT饱和问题，使得保护在区内经过渡电阻短路时，能够具有足够的反映过渡电阻能力让保护灵敏动作，同时在区外故障CT饱和时，保护不受虚假差流的影响，能够可靠不动作。

对于区内高阻故障，可以通过零序电流差动继电器来得到很好的反映，但全电流差动保护本身受负荷电流影响较大，反映过渡电阻较差，且全电流差动可作为独立的保护使用，因此有必要提高其反映过渡电阻的能力。

传统的电流差动保护判据将幅相平面仅分为两个区域，比率制动系数的设置较为困难，系数太大会降低内部轻微故障时保护的灵敏度，太小又会影响外部故障时保护的安全性，该矛盾是由于区外故障CT饱和与区内高阻故障两种情况的相对电流分布存在重合造成的。另外，在区外故障CT饱和转区内故障时，闭锁时间将影响保护动作速度。

因此，目前针对差动保护灵敏性与安全性之间矛盾问题，尚没有很好的解决方法，多采用非线性比率制动或者优化比率系数，但非线性差动判据式较为复杂，不便于整定，而且灵敏性的提高都不明显。

发明内容

本发明的目的是：为了解决传统全电流差动保护灵敏性低的问题，给出一种一种三区域电流差动保护方法。该方法在区内发生高于一定数值的高阻故障时，保护仍能可靠动作，同时进一步解决了灵敏性与安全性之间的矛盾，即在保证区外故障CT饱和保护不误动的同时，能反映区内经较大的过渡电阻故障并可靠动作，而且对于区外故障CT饱和转为区内故障时保护具有较快的动作速度，较传统电流差动保护具有更好的动作性能。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1)对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域进行判别，将幅相平面分为制动区、动作区和模糊区，根据双端电流相对幅值比与相位差θ，判别双端电流的相对关系的所属区域，所述双端电流为保护装置所获取的被保护元件两端的电流，具体包括以下步骤：

1-1)根据双端电流的采样值，用全波傅氏算法计算得到双端电流基波矢量的实部与虚部，分别组成双端电流基波矢量与

1-2)以双端电流中幅值较大者为基准，将另一端电流归一到幅值较大的电流上，得到双端电流相对幅值比与相位差θ，假设幅值较大，则 $\mathrm{\θ}=\arg \left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_N}{{\stackrel{\·}{I}}_M}\right);$

1-3)若双端电流相对幅值比与相位差θ满足制动区方程，则认为双端电流的相对关系处于制动区；

若双端电流相对幅值比与相位差θ满足动作区方程，则认为双端电流的相对关系处于动作区；

若双端电流相对幅值比与相位差θ既不满足动作区方程，也不满足制动区方程，则认为双端电流的相对关系处于模糊区；

制动区方程如公式(1)所示：

动作区方程如公式(2)所示：

或 $\left|\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\right|\≤a_3---\left(2\right)$

上述公式中，a₁和a₂为制动区幅值比判定参数，和为制动区相位差判定参数，a₃为动作区幅值比判定参数，和为动作区相位差判定参数；

2)根据差动电流与制动电流的幅值I_d与I_r，判断是否满足区外故障CT线性区判据，具体包括以下步骤：

2-1)对双端电流采样值求和与差，得到差动电流与制动电流，利用数据窗长为1/4周波的小矢量算法计算得到差动电流与制动电流的幅值I_d与I_r，其中 $I_d=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|,I_r=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|,$ 为由1/4周波的小矢量算法计算得到双端电流；

2-2)若I_d与I_r满足公式(3)，则认为满足区外故障CT线性区判据；

I_d＜I_d0或I_d＜kI_r   (3)

上述公式中，I_d0为差流门槛，k为比率系数；

3)根据对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域的判别结果以及区外故障CT线性区判据的满足与否，决定保护动作与否：

当双端电流的相对关系处于制动区时，则保护不动作；

当双端电流的相对关系处于动作区时，则保护直接动作；

当双端电流的相对关系处于模糊区时，如触发满足区外故障CT线性区判据，则按设定的闭锁时间闭锁模糊区，在闭锁时间内保护不动作；若在闭锁时间外不满足区外故障CT线性区判据，则保护动作。

上述技术方案的进一步特征在于：a₁取为0.8，a₂取为1，取为170°，取为200°，取为-70°，取为130°，a₃取为0.1。

上述技术方案的进一步特征在于：I_d0取为0.3倍额定电流，k取为0.25。

上述技术方案的进一步特征在于：所述闭锁时间为18ms。

本发明的有益效果如下：本发明充分利用双端保护电流的幅值与相位，将整个幅相平面划分为三个区域，根据双端电流的相对关系处于何区域来确定保护动作与否，在动作区保护直接动作，在模糊区时利用区外故障CT线性区判据区分区内高阻故障与区外故障CT饱和，若为区内高阻故障，保护可灵敏动作，解决了灵敏性与安全性之间的矛盾，同时对于区外故障转区内故障有较好的速动性。

附图说明

图1是本发明方法的应用示意图。

图2是本发明方法的实施示意图。

图3是本发明方法的幅相平面区域划分示意图。

图4是本发明方法的保护动作判断的逻辑示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明方法的应用示意图。由图1可知，保护安装在电力系统中M端和N端母线出口处，由保护装置获取被保护元件两端的电流即双端电流和

本发明方法的基本过程为，分别进行对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域的判别以及对故障类型的判别，然后根据这两者的判别结果再决定保护动作与否。为实现本发明方法，可通过图2所示的三区域差动继电器1、区外故障CT线性区判据2和保护逻辑控制电路3加以实施。即针对每个采样点，先由三区域差动继电器1和区外故障CT线性区判据2分别根据各自的方程作出判断结果，然后再由保护逻辑控制电路3将三区域差动继电器1的判断结果与区外故障CT线性区判据2的判断结果进行逻辑处理，将处理结果作为作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。

下面对三区域差动继电器1、区外故障CT线性区判据2及保护逻辑控制电路3的工作原理作详细介绍。

(1)三区域差动继电器判断相对电流关系处于幅相平面的何区域

首先获得双端保护电流的采样值，用全波傅氏算法计算得到双端电流基波矢量的实部与虚部，分别组成双端电流基波矢量I_M与I_N。

全波傅氏算法计算式为：

$I_{\mathrm{Re}}\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i(k-N+l)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}l\right)$

$I_{\mathrm{Im}}\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i(k-N+l)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}l\right)$

I＝I_Re+jI_Im

式中，k为采样值序列号，N为每周期采样点数，i为电流采样值，I_Re为电流基波矢量实部，I_Im为电流基波矢量虚部，为电流基波矢量。

以双端电流中幅值较大者为基准，将另一端电流归一到幅值较大的电流上，得到双端电流相对幅值比与相位差θ，假设幅值较大，则然后根据与θ，判别双端电流的相对关系的所属区域。

如图3所示，图中将幅相平面划分为制动区、动作区和模糊区。图中每个角度值的单位为度。通过三区域差动继电器判断每个时刻的电流相对关系处于哪个区域。

其中，制动区域为满足制动区方程的区域，制动区方程为：

a₁和a₂为制动区幅值比判定参数，和为制动区相位差判定参数，实践中，这四个参数根据CT稳态误差范围确定，如a₁可取为0.8，a₂可取为1，可取为170°，可取为200°。

因此，算得的幅值比与相位差在此区域内时，认为双端电流的相对关系处于制动区。

动作区域满足动作区方程的区域，动作区方程为：

或 $\left|\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\right|\≤a_3$

a₃为动作区幅值比判定参数，和为动作区相位差判定参数，实践中，这四个参数根据CT饱和的幅值比相位差范围确定，如可取为-70°，可取为130°，a₃可取为0.1。

因此，算得的幅值比与相位差在此区域内时，认为双端电流的相对关系处于动作区。

如算得的幅值比与相位差既不在制动区也不在动作区时，则认为双端电流的相对关系处于模糊区。对于模糊区，不能直接判定保护动作与否，而要通过下面将要介绍的区外故障CT线性区判据判别是区内高阻故障还是区外故障CT饱和，然后再根据判别的故障类型进行相应处理。

(2)区外故障CT线性区判据区分是否属于区外故障CT饱和

对双端电流采样值求和与差，得到差动电流与制动电流，利用数据窗长为1/4周波的小矢量算法计算得到差动电流与制动电流的幅值I_d与I_r。

$I_d=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|$

$I_r=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|$

数据窗长为1/4周波的小矢量算法计算式为：

令

$X=\left[\begin{array}{c}i(k-\frac{N}{4}+1)\\ i(k-\frac{N}{4}+2)\\ .\\ .\\ .\\ i\left(k\right)\end{array}\right]$

令

$C=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ \sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}& \cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ \sin (\frac{N}{4}-1)\frac{2\mathrm{\π}}{N}& \cos (\frac{N}{4}-1)\frac{2\mathrm{\π}}{N}\end{array}\right]$

则计算结果为：

$Y={\left(C^{T}C\right)}^{-1}{C}^T\·X=\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Re}}\\ I_{\mathrm{Im}}\end{array}\right]$

$\stackrel{\·}{I}=I_{\mathrm{Re}}+{\mathrm{jI}}_{\mathrm{Im}}$

式中，k为采样值序列号，N为每周期采样点数，i为电流采样值，I_Re为电流基波矢量实部，I_Im为电流基波矢量虚部，为电流基波矢量。

比较I_d与I_r的大小关系，看是否满足区外故障CT线性区判据式。区外故障CT线性区判据式为：

I_d＜I_d0或I_d＜kI_r

其中I_d0为差流门槛，可参考传统比率差动判据中的值，可取为0.3倍额定电流；k为比率系数，该系数比传统比率差动判据中的值要小，可根据灵敏度的需要适当设定，可取为0.25。

当满足此判据式时，判定为区外故障CT饱和。由于系统正常运行时该判据一直满足，若之后不再满足此判据，则为区内故障。该判别只对模糊区起作用。

(3)保护逻辑控制电路决定保护动作与否

在进行了上述两种判断后，保护逻辑控制电路对三区域差动继电器和区外故障CT线性区的判断结果进行逻辑处理，作出执行或不执行保护动作的最终判断结果。即若双端电流的相对关系处于制动区，则保护不动作，若双端电流的相对关系处于动作区，则保护直接动作，当双端电流的相对关系处于模糊区时，如触发满足区外故障CT线性区判据时，则按设定的闭锁时间闭锁模糊区，在闭锁时间内保护不动作；若在闭锁时间外不满足区外故障CT线性区判据，则保护动作。

图4给出了上述逻辑的一个实施例，其原理是：若电流分布处于动作区，保护直接动作。对于区外故障，若CT未饱和，即使CT存在一定传变误差，相对电流分布仍完全处于制动区，保护不动作；若CT发生饱和，电流分布轨迹从制动区运行到模糊区后一直处于模糊区，区外故障CT线性区判据判别将得到满足。此时闭锁模糊区一段时间t₂，在闭锁时间t₂内保护不动作，t₂可取为18ms。

对于区内故障，若非高阻故障，电流分布轨迹从制动区穿越模糊区进入动作区，保护直接动作；若为区内高阻故障，电流分布轨迹从制动区运行到模糊区，经计算的暂态延时后可能进入动作区也有可能一直停留在模糊区，若在模糊区经判别时间t₁后没有因满足区外故障CT饱和判据引起的闭锁信号，保护动作。若在模糊区判别时间结束之前进入动作区，则保护直接动作。判别时间t₁应大于等于闭锁时间t₂，以避免在闭锁时间内因不满足区外故障CT线性区判据而触动保护动作。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种三区域电流差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域进行判别，将幅相平面分为制动区、动作区和模糊区，根据双端电流相对幅值比与相位差θ，判别双端电流的相对关系的所属区域，所述双端电流为保护装置所获取的被保护元件两端的电流，具体包括以下步骤：

1-1)根据双端电流的采样值，用全波傅氏算法计算得到双端电流基波矢量的实部与虚部，分别组成双端电流基波矢量与

1-2)以双端电流中幅值较大者为基准，将另一端电流归一到幅值较大的电流上，得到双端电流相对幅值比与相位差θ，假设幅值较大，则 $\mathrm{\θ}=\arg \left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_N}{{\stackrel{\·}{I}}_M}\right);$

1-3)若双端电流相对幅值比与相位差θ满足制动区方程，则认为双端电流的相对关系处于制动区；

若双端电流相对幅值比与相位差θ满足动作区方程，则认为双端电流的相对关系处于动作区；

若双端电流相对幅值比与相位差θ既不满足动作区方程，也不满足制动区方程，则认为双端电流的相对关系处于模糊区；

制动区方程如公式(1)所示：

动作区方程如公式(2)所示：

或 $\left|\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}\right|\≤a_3---\left(2\right)$

上述公式中，a₁和a₂为制动区幅值比判定参数，和为制动区相位差判定参数，a₃为动作区幅值比判定参数，和为动作区相位差判定参数；

2)根据差动电流与制动电流的幅值I_d与I_r，判断是否满足区外故障CT线性区判据，具体包括以下步骤：

2-1)对双端电流采样值求和与差，得到差动电流与制动电流，利用数据窗长为1/4周波的小矢量算法计算得到差动电流与制动电流的幅值I_d与I_r，其中 $I_d=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}+{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|,I_r=|{\stackrel{\·}{I}}_M^{\′}-{\stackrel{\·}{I}}_N^{\′}|,$ 为由1/4周波的小矢量算法计算得到双端电流；

2-2)若I_d与I_r满足公式(3)，则认为满足区外故障CT线性区判据；

I_d＜I_d0或I_d＜kI_r   (3)

上述公式中，I_d0为差流门槛，k为比率系数；

3)根据对双端电流的相对关系在幅相平面上所属区域的判别结果以及区外故障CT线性区判据的满足与否，决定保护动作与否：

当双端电流的相对关系处于制动区时，则保护不动作；

当双端电流的相对关系处于动作区时，则保护直接动作；

当双端电流的相对关系处于模糊区时，如触发满足区外故障CT线性区判据，则按设定的闭锁时间闭锁模糊区，在闭锁时间内保护不动作；若在闭锁时间外不满足区外故障CT线性区判据，则保护动作。

2.根据权利要求1所述的三区域电流差动保护方法，其特征在于，a₁取为0.8，a₂取为1，取为170°，取为200°，取为-70°，取为130°，a₃取为0.1。

3.根据权利要求1所述的三区域电流差动保护方法，其特征在于，I_d0取为0.3倍额定电流，k取为0.25。

4.根据权利要求1所述的三区域电流差动保护方法，其特征在于，所述闭锁时间为18ms。