CN105470931A - 一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，包括：步骤一、采集与母线相连的每一回出线保护安装处A、B、C三相电压和电流数据；步骤二、对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波、采样保持和A/D转换后，得到A、B、C三相电压和电流采样值；步骤三、对采集到的电压电流瞬时值进行故障分量提取；步骤四、对得到的电压电流故障分量瞬时值做全周傅氏变换转换成对应的相量值；步骤五、计算结果判断是否发生母线故障。通过本发明方法可以把从各回出线采集到的原本不同步的电流量转化为同一时刻，从而克服了数据传输不同步对母线电流差动保护的影响。

Description

一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，特别涉及一种母线差动保护方法。

背景技术

目前智能变电站在我国逐步推广使用，在220kV以上变电站规程规定母线保护双重化配置，但110kV母线保护只要求单重配置，直采直跳。对于部分地区重要的110kV变电站，上述规程不能完全满足可靠性要求。为此需配置网络式冗余式的母差保护，网采网跳，实现准双重化。如何消除数据不同步影响是解决冗余式母线保护的关键问题。

此外，分布式母线保护的发展也遇到类似问题。常规微机式母线保护，采用集中式处理方式，不存在数据同步问题。但其存在接线复杂，二次电缆引线长，互感器负担重的问题，近年来分布式母线保护成为研究的重点，但分布式母线保护的一个主要问题是如何解决采样不同步引起的保护误动问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，以解决智能变电站内数据传输不同步及分布式母线保护采样不同步这一问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，具体包括以下步骤：

步骤一、采集与母线相连的每一回出线保护安装处A、B、C三相电压和电流数据；

步骤二、对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波、采样保持和A/D转换后，得到A、B、C三相电压和电流采样值；将采样结果记为u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)；其中k为采样点序号，i为与母线相连线路序号；

步骤三、对采集到的电压电流瞬时值u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)进行故障分量提取；

步骤四、对得到的电压电流故障分量瞬时值做全周傅氏变换转换成对应的相量值；

步骤五、按照式(5)计算结果判断是否发生母线故障：

$\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|,(i=1,2,...,n)---\left(5\right)$

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|,$ 则故障发生在区内；

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|\≤K\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|{\stackrel{\·}{U}}_m\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_i}{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_i}\right|,$ 则故障发生在线区外；

式中，K为比例制动系数；n为与母线相连出线数量；取与母线相连的任意一回线路互感器采集到的电压；同一回线路上采集到的电压和电流信息是同步的，每一回线路的为从母线看向该回线路的等效导纳。

进一步的，步骤二中利用截止频率为300Hz的低通滤波器对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波；步骤二中采样频率为4kHz，每工频周波采样点数N＝80，采样时间间隔T_s＝0.25ms。

进一步的，步骤三种进行故障分量提取具体为：

式中：表示A、B、C三相中的任意一相，分别为电压电流的故障分量，u^[0]，i^[0]为故障前电压电流瞬时值。

进一步的，步骤四的具体变换方式为；

进一步的，步骤五中：0<K<1。

进一步的，K的取值为0.5。

进一步的，步骤一中利用间隔层合并单元采集或分布式保护单元采集的每一回出线保护安装处A、B、C三相电压和电流数据。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：针对智能变电站中过程层合并单元向站控层传输数据时由于延时不同，造成站控层接收到的不同间隔数据不同步，或分布式母线差动保护采样不同步这两种情况，本发明提出了一种不受母线数据不同步影响的差动保护方法，解决了这种不同步对母线差动保护的影响。

附图说明

图1为母线接线示意图；

图2为母线故障对应故障序网图；

图3为线路故障对应故障序网图；

图4为某地变电站110kV母线接线示意图；

图5为区内故障保护仿真计算结果示意图；

图6为区外故障保护仿真计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明应用于母线差动保护过程做进一步详细描述。

本发明一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，包括以下步骤：

步骤一、利用电子型传感器采集与母线相连的每一回出线保护安装处A、B、C三相电压和电流数据。

步骤二、利用截止频率为300Hz的低通滤波器对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波，通过采样保持和A/D转换后，得到A、B、C三相电压和电流采样值。将A、B、C三相电压和电流采样值采样结果分别记为：u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)；其中k为采样点序号，i为与母线相连线路序号。设采样频率为4kHz，此时每工频周波采样点数N＝80，采样时间间隔T_s＝0.25ms。

步骤三、对采集到的电压电流瞬时值u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)进行故障分量提取，具体计算方法如下：

式中：表示A、B、C三相中的任意一相，分别为电压电流的故障分量，u^[0]，i^[0]为故障前电压电流瞬时值。

步骤四、对得到的电压电流故障分量瞬时值做全周傅氏变换转换成对应的相量值。具体变换方式如下：

式中：N为一个工频周期内采样点个数，根据IEC61850规约规定，智能变电站中合并单元采样频率为4kHz，即N取80。

步骤五、按照以下判据判断进行母线差动保护整定：

$\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,(i=1,2,...,n)---\left(5\right)$

式中，K为比例制动系数，取0.5；以图1为例，与母线相连出线共5回，即n取5；取与母线相连的任意一回线路互感器采集到的电压。同一回线路上采集到的电压和电流信息是同步的，所以每一回线路的即为从母线看向该回线路的等效导纳。这个等效导纳大小与系统结构有关，在故障发生后几乎不随时间变化而变化。任意一回线路互感器上的电压理论上都是母线电压，但是在数据传输过程中不同的延时可能会造成互不相同。用任意一回线路电压和这个导纳相乘，其结果是一个等效的电流量，这个电流在时间刻上与相同。用这种方法就算出的电流可以认为是所在时刻各回出线的电流，通过这种方法可以把从各回出线采集到的原本不同步的电流量转化为同一时刻，从而克服了数据传输不同步对母线电流差动保护的影响。

分析故障分别出现在区内和区外时，式(5)计算结果的区别。

当出现区内故障时，图1对应的故障序网图如图2所示。规定由母线指向线路的方向为正方向。母线出现故障时，各条出线均向母线注入故障电流，电流方向均同相且为负，因此有此时如果比率制动系数取0<K<1，即式(5) $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|$ 成立。

当出现区外故障时，图1对应的故障序网图如图3所示。规定由母线指向线路的方向为正方向。线路故障对母线来说是区外故障，母线差动保护不应动作。如图3所示，假设在线路5上出现故障，则线路5电流为故障穿越电流，方向为正，其余各回出现电流为母线的穿越性电流，方向为负，且满足等式而此时远大于零。如果比率制动系数取0<K<1，式(5)不成立。

按照式(5)计算结果判断是否发生母线故障。

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,$ 则说明故障发生在区内上；

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,$ 则说明故障发生在区外上。

以上即为本发明应用于母线差动保护的实施方法。

利用PSCAD仿真软件建立某地330kV降压到110kV的变电站，如图4所示，将本发明提出整定方案用于该站中110kV母线，仿真采样频率设为4kHz，全周波傅氏算法数据窗长取为20ms。分别针对区内故障和区外故障进行仿真验证。根据IEC61850规定，站内通信延时上限为3ms，本仿真取极端情况，将变电站内延时设置为5ms，验证式(5)在数据不同步时保护计算的准确性，为了增加仿真结果的说服力，将常规电流差动保护计算结果绘制于同一图中作为对比。区内故障取图4中k处故障，区外故障取图4中k1故处障，仿真结果以A相接地故障为例进行说明，其他故障类型仿真结果与A相接地故障类似，故不再赘述。

当差动电流大于制动电流时差动保护动作，反之差动保护不动作。由图4可知，当发生区内故障时，利用本发明提出的差动保护方法不但可以正确选择故障位置，还能正确选择出故障相；但是常规电流差动保护在数据不同步情况下会发生健全相误动情况，即保护会出现故障时误选相。

由图5可知，当发生区外故障时，本方法方法只有很小的差动电流，差动电流值远小于制动电流，故保护不会在区外故障时误动，且有很高的可靠性；但是常规电流差动保护在数据不同步时有区外故障误动现象，不满足了继电保护选择性要求。

由上述分析可知，本发明提出的差动保护方法(即式(5))在数据不同步时比常规差动保护有更高的可靠性。为进一步验证本发明提出算法的有效性，进一步进行了不同故障过渡电阻的仿真。均已A相故障为例进行说明，由上文所述可知，对于A相故障，非故障相误动为数据不同步引起的主要问题，针对这一问题用仿真数据进行说明。故将非故障相(B相)仿真数据列于表1和表2中(电流单位：kA)：

表1区外故障时B相电流仿真结果

表2区内故障时B相电流仿真结果

由表1和表2中数据可知，本发明方法在出现故障且数据不同步时时，保护判断结果不会收到过渡电阻不同的影响。无论故障发生在区内还是区外，本发明方法对非故障相计算的差动电流结果都远小于制动电流，有较高的可靠性。

Claims (6)

1.一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采集与母线相连的每一回出线保护安装处A、B、C三相电压和电流数据；

步骤二、对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波、采样保持和A/D转换后，得到A、B、C三相电压和电流采样值；将采样结果记为u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)；其中k为采样点序号，i为与母线相连线路序号；

步骤三、对采集到的电压电流瞬时值u_Ai(k),u_Bi(k),u_Ci(k)，i_Ai(k),i_Bi(k),i_Ci(k)进行故障分量提取；

步骤四、对得到的电压电流故障分量瞬时值做全周傅氏变换转换成对应的相量值；

步骤五、按照式(5)计算结果判断是否发生母线故障：

$\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,(i=1,2,...,n)---\left(5\right)$

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|>K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,$ 则故障发生在区内；

若 $\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|\&le;K\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_m\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_i}{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i}\right|,$ 则故障发生在线区外；

式中，K为比例制动系数；n为与母线相连出线数量；取与母线相连的任意一回线路互感器采集到的电压；同一回线路上采集到的电压和电流信息是同步的，每一回线路的为从母线看向该回线路的等效导纳。

2.根据权利要求1所述的一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，步骤二中利用截止频率为300Hz的低通滤波器对采集得到的A、B、C三相电压和电流进行低通滤波；步骤二中采样频率为4kHz，每工频周波采样点数N＝80，采样时间间隔T_s＝0.25ms。

3.根据权利要求1所述的一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，步骤三种进行故障分量提取具体为：

式中：表示A、B、C三相中的任意一相，分别为电压电流的故障分量，u^[0]，i^[0]为故障前电压电流瞬时值。

4.根据权利要求3所述的一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，步骤四的具体变换方式为；

5.根据权利要求1所述的一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，步骤五中：0＜K＜1。

6.根据权利要求1所述的一种不受母线数据不同步影响的母线差动保护方法，其特征在于，K的取值为0.5。