CN104377668B - 一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，该方法通过常规智能电子设备IED获取电流互感器的一次数据变换测量值，可以是模拟信号，或者是数字信号。IED可以通过纵联信道与对侧信息交换后构成常规纵联电流差动保护。对测量电流的幅值和相位进行非均匀重新量化，一个由8个字节组成的测量值变为2个字节的整数值，基于新量化的数值可以由纵联信道构成新的纵联差动保护，也可以基于广域信道，构成广域差动保护。本方法通过二次数据变换能够大幅降低测量值的通信量，能够满足在通信信道灾变时降低通信条件构成差动保护，能够降低广域电流差动保护对通信量的约束；且不降低差动保护动作特性。

Description

一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法

技术领域

本发明属于电力系统中继电保护领域，特别涉及基于广域多源信息的广域继电保护故障判别算法。

背景技术

广域继电保护充分利用广域范围内的同步测量信息，以改善后备保护性能为目标，因具有能够简化定值整定、提高后备保护灵敏度和快速性的优点，受到了学者的广泛探索与研究。但广域继电保护依赖信息的分布采集与远程通信，信息的集中处理造成通信容量大，实时性差等缺陷。因此，研究低通信容量、同时保证灵敏度和可靠性的故障识别算法，有助于合理利用已有通信容量，并适应电网灾变造成信道损坏时建立的临时通信条件。

目前广域继电保护故障元件识别算法的研究研究思路：1)广域保护DCU获取分布式电网节点的方向保护判断结果，根据信息融合技术实现故障元件识别(李振兴，尹项根，张哲，何志勤，冯灿成.基于多信息融合的广域继电保护故障识别[J].电力系统自动化,2011,35(9):14-18.)。2)广域保护DCU获取被保护对象各节点实时测量电流，利用传统纵联差动保护判据构成广域电流差动保护保护(Serizawa Y,Myoujin M,Kitamura K,etal.Wide-area current differential backup protection employing broadbandcommunications and time transfer systems[J].IEEE Transactions on Delivery,1998,13(4):1046-1052.)。第一种方法的方向元件受系统振荡、高阻接地、非全相运行等状态的影响，广域继电保护实现苦难；第二种方法采用分相电流差动，原理简单可靠，具有天然的选相能力，但其信息传输量较大的特点为广域通信带来了压力，特别是集中式的广域继电保护系统。这种缺点成为阻碍广域保护工程应用的一项重要技术难题。

发明内容

为解决广域电流差动保护方法中存在的通信量大的问题，实现不降低差动保护动作特性的情况下有效降低系统通信量，本发明提供了一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法。本发明根据电力系统不同运行状态下测量数据在差动保护动作特性不同区段的积极性，利用非均匀量化技术实现一次线性测量数据的二次数据变换，重新量化的数值通过基于传统纵联信道的纵联差动保护或者基于广域信道的广域继电保护构建差动保护判据时并没有降低其动作特性，却能够大幅降低系统通信量，提高了广域继电保护工程实现应用性。

本发明解决上述技术问题的技术方案：

一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，包括以下步骤：

步骤一：安装在线路两端的智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)根据一次测量数据进行快速傅里叶FFT计算，并通过对计算结果进行非均匀重新量化完成一次测量数据的二次数据变换；

步骤二：线路任一侧IED均实时上传新量化值到该线路对侧IED或者广域保护决策中心单元(Decision Center Unit,DCU)；

步骤三：每一侧的IED根据线路两侧新量化值，按照改进差动保护判据进行保护决策；

步骤四：广域保护DCU选择疑似故障线路，按照改进差动保护判据，分别对疑似故障线路进行差动保护决策计算。

步骤五：广域保护DCU和线路两侧IED设计上相互独立，同步地根据保护判断结果确定故障线路，最终通过协调配合实现保护跳闸。

非均匀重新量化的幅值量化是以额定电流In为基准，电流幅值低值区为0～2In，量化区间取0.02In；高值区为2In～9.7In，量化区间取0.05In；限幅区为9.7In以上，仅对应一固定编码。相角量化按区间取1.5°的均匀量化计算。

二次数据变换的测量数据包括三相电流IA、IB、IC的幅值和相位，或者是测量值的实部和虚部。

线路任一侧IED实时发送新的量化值到线路对侧IED的通信信道可以采用一般的纵联信道，也可以在紧急情况下采用载波、微波、电信或者临时基于无线通信组网WSN等信道。

广域保护DCU选择疑似故障线路依据线路保护本身的零序4段过流保护和突变量电流启动判据的动作结果。在选择线路后，才发送命令启动线路两侧IED上送二次变换的量化值，在通信信道满足条件下，也可以实时上传数据由广域保护DCU实时差动保护判断。

线路IED采用光纤环网通信或者专用通信网络，发送新的量化值到广域保护DCU。

基于二次数据变换后的电流幅值不需要数据还原，直接利用变换后的数据进行差动保护计算，但相位数据则需要相应的还原处理，其还原公式α＝1.5C_α，C_α为二次转换后的相位数据，对于差动保护动作方程中使用到的所有电流定值均需要按照步骤二的变换规则进行变换。检验重新量化值的差动保护灵敏度系数与量化前的差动保护灵敏度系数 其中I_d、I′_d、I_res、I′_res分别为差电流和制动电流，区内故障时，K_Sen2≥|K_Sen1， 灵敏度系数应大于1，其值越高，保护灵敏性越高；区外故障时，K_Sen2≤|K_Sen1，灵敏度系数应小于1，其值越低，保护安全性越高。

本发明一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，有益效果为：

本发明方法能够有效地保留了差动保护的分相保护、快速性、耐过度电阻能力强等优点，在保护构成上既可以利用传统纵联信道构成线路差动保护，也可以利用广域信道构成广域电流差动继电保护，重要的是本发明方法大幅降低了系统通信量，加快了广域保护实现的进程，同时在系统信道灾变时，能够满足载波、微波等通信信道构成线路电流差动主保护的功能。

本发明提出通过二次数据变换重新量化的数据构成线路的差动保护，在不降低保护动作特性的情况下降低系统通信量，使广域电流差动保护的工程应用成为可能。

附图说明

图1为本发明的系统方案图。

图2为改进差动保护动作特性。

图3为α＝30°时的保护灵敏度系数，(a)I_M＝I_n；(b)I_M＝3I_n。

图4为α＝150°时的保护灵敏度系数，(a)I_M＝I_n；(b)I_M＝3I_n。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1-图3所示，一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，所述保护方法包括如下步骤：

步骤1：智能电子设备IED实时读取从电流互感器二次侧采集的三相电流值 其中m表示m节点的测量电流，其他节点定义方式类同。

步骤2：利用FFT算法分别计算三相电流的相量，用幅值和相位表示三相电流I_Am∠α_Am、I_Bm∠α_Bm、I_Cm∠α_Cm。

步骤3：对三相电流相量进行二次数据变换，其变换采用非均匀量化原则，非均匀性体现在根据不同的电流值划分低值区、高值区和限幅区，不同区域量化电流变化率不同，具体量化表如表1所示，I_n为线路额定电流。

步骤4：IED实时发送新的量化幅值和相位到对侧线路IED和广域保护DCU，其信道选择对于常规纵联保护采用一般的纵联光纤信道，也可以在紧急情况下采用载波、微波、电信或者临时基于无线通信组网WSN等信道；对于广域保护采用光纤环网通信信道或者专用通 信网络，紧急情况下可以采用临时迂回信道。

表1量化表

步骤5.IED和广域保护DCU对接收到的量化值的相位部分进行相应的数据还原处理，如式(1)所示，以A相为例，其他类同。

α_Am＝1.5Cα_Am (1)

定义还原后的电流相量表示为该相量与电流相量具有相似的形式，但并不具有实际物理意义，仅用于改进电流差动保护判据。

步骤6.定义动作差电流与制动电流分别为I′_d与I′_r如式(2)

其中，分别对应线路两侧的电流相量

步骤7.下面通过一种改进三折线式的电流差动保护制动特性对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

定义电流差动保护判据的制动门槛值为

其中，K_res1、K_res2为制动比率系数，直接按常规电流差动保护取值，对于零序差动保护可取K_res1＝K_res2；I′_op根据常规差动保护启动电流，按表1电流量化规则进行转换，整定时需考虑分布电容的影响；I′_INT可根据K_res1、K_res2和I′_op计算得到。

动作方程：

I′_d＞I′_res (4)

其动作特性如图2所示。

步骤8.验证保护灵敏度。利用二次变换前的测量值计算灵敏度系数为K_Sen1，利用二次变换后的量化量计算灵敏度系数为K_Sen2

其中，I_res，为实时状态下电流差动保护制动特性的动作阈值。区内故障时，灵敏度系数应大于1，其值越高，保护灵敏性越高；区外故障时，灵敏度系数应小于1，其值越低，保护安全性越高。

分析中令K_res＝K_res1＝K_res2，假设线路M侧电流幅值I_M＝pI_n，N侧电流幅值I_N＝qI_n，且I_M<I_N。并定义电流比例系数

下面就不同量化区间讨论量化后两侧电流的关系。

1)I_M,I_N≤2I_n

此时两侧电流的量化特性都为线性，因此

2)I_M≤2I_n，2I_n<I_N≤9.7I_n

根据量化规则，此时，和不 再存在式(7)的比例关系，其关系表示为

I′_N＝kI′_M-30(q-2) (9)

其中2<q≤9.7，即30(q-2)>0。

3)I_M≤2I_n，I_N>9.7I_n

I′_N＝kI′_M-(50q-254) (10)

其中q>9.7，即50q-254>0。

4)2I_n<I_M≤9.7I_n，2I_n<I_N≤9.7I_n

I′_N＝kI′_M-60(k-1) (11)

其中k>1，即60(k-1)>0。

5)2I_n<I_M≤9.7I_n，I_N>9.7I_n

I′_N＝kI′_M(60k+20q-254) (12)

其中k>1，q>9.7，即60k+20q-254>0。

根据以上五种情况，可用一个综合表达式表示两侧量化电流的关系

I′_N＝kI′_M-ΔI′ (13)

其中，根据以上分析ΔI′≥0，其值存在随电流比例系数k增大而增大的趋势。根据灵敏度系数的定义与式(8)的比例关系可知，ΔI′的存在是引起K_Sen1与K_sen2区别的关键因素。

下面结合ΔI′，分析K_Sen1与K_sen2的关系，根据假设与的夹角为α，且α≥0。令则量化后的根据式(5)、(6)关于灵敏度系数的定义，K_Sen1、K_Sen2可分别计算得到

下面根据α的取值讨论K_Sen1与K_Sen2的关系，对常规电流差动判据与改进判据的灵敏度进行比较。

1)α≤90°

基于上一节的分析，由于k>1，有|k+1∠α|≥|k-1∠α|，同时，由式(13)可知则由式(14)、(15)可得

考虑到α≤90°一般发生在区内故障条件下，可以认为，相比常规电流差动保护，基于测量信息非均匀量化的改进方法在区内故障的灵敏性不降低。

假设K_res＝0.6，图3给出了当α＝30°，I_M保持不变，I_N从0到12I_n变化时两种方法的灵敏度系数。

2)α>90°

同理可得|k+1∠α|<|k-1∠α|，并有

K_Sen2≤K_Sen1 (17)

考虑到α>90°一般发生在区外故障条件下，可以认为，相比常规电流差动保护，基于测量信息非均匀量化的改进方法在区内故障的灵敏性不降低。同样，当K_res＝0.6，α＝150°，I_M保持不变，I_N从0到12I_n变化时两种方法的的灵敏度系数如图4所示。

这里说明的是，尽管在图4中出现了灵敏度系数大于1的情况，但由于在区外故障时两侧电流无论是相角差还是幅值差都不会很大，实际情况并不会出现误动。

步骤9.IED的纵联差动保护和广域保护DCU的差动保护判据均可采用上述改进纵联差动保护判据，包括分相电流差动保护和零序电流差动保护。IED和DCU任一单元满足保护动作条件均发出跳对应线路两侧的断路器，实现故障的快速隔离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易得到的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：安装在线路两端的IED根据一次测量数据进行快速傅里叶FFT计算，并通过对计算结果进行非均匀重新量化完成一次测量数据的二次数据变换；

步骤二：线路任一侧IED均实时上传新量化值到该线路对侧IED或者广域保护DCU；

步骤三：每一侧的IED根据线路两侧新量化值，按照改进差动保护判据进行保护决策；

步骤四：广域保护DCU选择疑似故障线路，按照改进差动保护判据，分别对疑似故障线路进行差动保护决策计算；

步骤五：广域保护DCU和线路两侧IED设计上相互独立，同步地根据保护判断结果确定故障线路，最终通过协调配合实现保护跳闸；

非均匀重新量化的幅值量化是以额定电流In为基准，电流幅值低值区为0～2In，量化区间取0.02In；高值区为2In～9.7In，量化区间取0.05In；限幅区为9.7In以上，仅对应一固定编码，相角量化按区间取1.5°的均匀量化计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于：二次数据变换的测量数据包括三相电流IA、IB、IC的幅值和相位，或者是测量值的实部和虚部。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于：线路任一侧IED实时发送新的量化值到线路对侧IED的通信信道采用一般的纵联信道；或者是在紧急情况下采用载波、微波、电信或临时基于无线通信组网WSN信道。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于：广域保护DCU选择疑似故障线路，依据线路保护本身的零序4段过流保护和突变量电流启动判据的动作结果，在选择线路后，才发送命令启动线路两侧IED上送二次变换的量化值，在通信信道满足条件下，也可以实时上传数据由广域保护DCU实时差动保护判断。

5.根据权利要求1所述的一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于：线路IED采用光纤环网通信或者专用通信网络，发送新的量化值到广域保护DCU。

6.根据权利要求1所述的一种基于二次数据变换的线路电流差动保护方法，其特征在于：基于二次数据变换后的电流幅值不需要数据还原，直接利用变换后的数据进行差动保护计算，但相位数据则需要相应的还原处理，其还原公式α＝1.5C_α，C_α为二次转换后的相位数据，对于差动保护动作方程中使用到的所有电流定值均需要按照步骤二的变换规则进行变换。