CN106058804A - 基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法 - Google Patents

Abstract

基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法，属于电力系统继电保护领域，本发明为解决现有继电保护制动性较差、区内故障灵敏性较低的问题。本发明判断方法利用光学电流互感器对线路两侧的同相电流以设定的采样率进行同步采样，将线路对侧的同相电流采样瞬时值传输至本侧；对本侧和对侧的同相电流采样瞬时值进行处理，计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z；利用得到的全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z分相构成全电流差动保护判断依据；全电流差动保护判断依据的动作量全电流差动保护判断依据的制动量本发明用于电力系统的继电保护。

Description

基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，涉及一种线路全电流差动保护判断方法。

背景技术

继电保护是电力系统的重要组成部分，电力系统要求继电保护具有良好的选择性、速动性、灵敏性和可靠性。纵联保护由于原理上具有绝对的选择性，是当前电力系统中主要电气设备的主保护。随着我国西电东输工程的不断深入和智能电网的持续发展，电压等级的升高、输电容量的增大将给我国电力系统带来更大的安全隐患，继电保护将面临更严峻考验。因而，电力系统的发展对继电保护提出了更高的要求，智能电网渴求动作更快、更可靠的新型继电保护技术。

目前，实用的保护基本上都是从故障波形中提取工频分量作为特征量构成保护判据，如此一来，由于数字带通滤波器的数据窗口的需求，使得继电保护的动作时间不少于一个周期，继电保护的速动性和可靠性受到限制，不利于将故障的范围缩到最小和损失降到最低。电力系统发生故障时的情况复杂，故障信号除了工频信号之外，还包含丰富的非周期分量和大量的谐波，研究表明，非周期分量和谐波是电力系统发生故障时的必然产物，包含了基波、各次谐波和非周期分量的全电流信息可以更加全面地反映系统故障。利用全电流信息构成新的差动保护原理是是继电保护发展的必然趋势。

全电流差动保护要求电流互感器能够准确测量电力线路两端任意时刻的瞬时值。理论分析和长期的实践证明，基于法拉第电磁感应原理的常规电磁式电流互感器的暂态特性差，难以满足全电流差动保护的需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有继电保护制动性较差、区内故障灵敏性较低的问题，提供了一种基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法。

本发明所述基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法，该判断方法的具体过程为：

步骤1、利用光学电流互感器对线路两侧的同相电流以设定的采样率进行同步采样，将线路对侧的同相电流采样瞬时值传输至本侧；

步骤2、对本侧和对侧的同相电流采样瞬时值进行处理，计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z；

步骤3、利用得到的全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z分相构成全电流差动保护判断依据：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_d>K_{set}{A}_z\\ A_d>I_{dset}\end{array}\right.$

其中：K_set表示制动系数定值，I_dset表示最小动作电流门槛定值；

步骤4、根据上述判断依据进行比较判定，如果满足判断依据，则判定为本相线路区内故障，本相差动保护动作，如果不满足判断依据，则判定为本相线路区外故障，本相差动保护不动作；

步骤2所述计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z的具体方法为：全电流差动保护判断依据的动作量

全电流差动保护判断依据的制动量

其中：i_m为线路本侧同相电流采样瞬时值，i_n为线路对侧同相电流采样瞬时值，t₁为计算初始时刻，△t为积分时间窗口。

本发明的优点：本发明提出的判断方法基于光学电流互感器准确传变的一次电流信息，利用两端电流瞬时值之和与电流瞬时值之差对固定积分时间窗口的积分作为动作量和制动量构成全电流差动保护的保护判据，具有明显优势。首先，基于光学电流互感器测量的全电流携带了更全面的故障信息，真实地反映了故障情况；其次，与工频量必须依靠带通滤波器对信息进行提取不同，全电流无需任何滤波环节，基于全电流差动保护技术直接利用该信息，实现实时动作，从而使从故障发生到保护动作的时间大大缩短。该保护判断方法在保证了输电线路区外故障有较好的制动性和区内故障有较高的灵敏性外，大大提高了保护的动作速度，在采用光学电流互感器的智能电网中具有良好的应用前景。基于法拉第磁光效应原理的光学电流互感器则具备天然良好的动态测量能力，对于系统中的工频量、非周期分量和高次谐波皆能准确测量，且不存在磁饱和问题。

附图说明

图1是本发明所述基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法的逻辑判断图；

图2是本发明所述基于光学电流互感器的线路全电流差动保护系统的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法，该判断方法的具体过程为：

步骤1、利用光学电流互感器对线路两侧的同相电流以设定的采样率进行同步采样，将线路对侧的同相电流采样瞬时值传输至本侧；

步骤2、对本侧和对侧的同相电流采样瞬时值进行处理，计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z；

步骤3、利用得到的全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z分相构成全电流差动保护判断依据：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_d>K_{set}{A}_z\\ A_d>I_{dset}\end{array}\right.$

其中：K_set表示制动系数定值，I_dset表示最小动作电流门槛定值；

步骤4、根据上述判断依据进行比较判定，如果满足判断依据，则判定为本相线路区内故障，本相差动保护动作，如果不满足判断依据，则判定为本相线路区外故障，本相差动保护不动作；

步骤2所述计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z的具体方法为：全电流差动保护判断依据的动作量

全电流差动保护判断依据的制动量

其中：i_m为线路本侧同相电流采样瞬时值，i_n为线路对侧同相电流采样瞬时值，t₁为计算初始时刻，△t为积分时间窗口。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，引入动作量与制动量的比值作为制动比

在相同条件下，制动比最大值Max(m_res)具有随着积分时间窗口的增加而逐渐减小的趋势；

全电流差动保护判断依据的积分时间窗口的选择依据是：当发生区外故障时，全电流差动保护不发生误动作的最大制动比Max(m_res)随故障初始相位变化趋于稳定，并综合考虑选择性、速动性和灵敏性的需求确定，积分时间窗口小于四分之一周期时间。

本发明中，图1为一个应用本发明的双端口输电线路全电流差动保护系统示意图。利用本侧(M侧)光学电流互感器1和本侧电流采集装置与对侧(N侧)光学电流互感器2和对侧电流采集装置分别对被保护输电线路本侧和对侧的各相电流以设定的采样率进行同步采样，并将输电线路对侧的各相电流采样瞬时值通过光纤通讯网络传输至本侧的应用本发明全电流差动保护判据的保护装置；应用本发明全电流差动保护判据的保护装置对得到的本侧和对侧的各相电流采样瞬时值进行分相处理，计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z；利用得到的全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z分相构成下式表述的全电流差动保护判据方程：

A_d>K_setA_z (1)

式中，K_set为制动系数定值，

所述全电流差动保护判据的动作量为：

$A_d={\∫}_{t_1}^{t_1+\mathrm{\Δ}t}|i_m+i_n|dt---\left(2\right)$

所述全电流差动保护判据的制动量为：

$A_z={\∫}_{t_1}^{t_1+\mathrm{\Δ}t}|i_m-i_n|dt---\left(3\right)$

其中：i_m、i_n为线路两侧同相电流采样瞬时值，规定图1中电流i_m和i_n的正方向为母线指向线路，t₁为计算初始时刻，△t为积分时间窗口。

当电力系统发生区内故障(图1中的K1处)时，流过M侧和N侧的电流可用下式表达：

$i_m=I_M\left(cos\right(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\·cos\mathrm{\α})---\left(4\right)$

$i_n=I_N\left(cos\right(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\·cos\mathrm{\β})---\left(5\right)$

式中，I_m和I_n分别为故障发生时刻M侧和N侧初始电流的幅值；α和β分别为故障过渡过程开始瞬间(t＝0)M侧和N侧一次电流的初始相位角；ω为基波电流频率，一般ω＝50赫兹；τ₁为非周期分量的衰减时间常数，等于一次回路中的电感与电阻的比值，取决于系统短路的地点和特性，可在百分之几到十分之几秒内变化。

当电力系统发生区外故障(图1中的K2处)时，流过M侧的电流仍可以用式(4)表示，而N侧的电流可用下式表达：

$i_n=-I_N\left(cos\right(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})-e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}}\·cos\mathrm{\β})---\left(6\right)$

令M侧和N侧故障时刻初始电流的相位差为：

△θ＝α-β (7)

理想情况下，线路两侧的故障电流幅值相等，即I_m＝I_n；没有相位差，即△θ＝0。

当发生区内故障时，由式(4)和式(5)可知，(i_m-i_n)等于零，(i_m+i_n)为两倍的故障电流，(i_m+i_n)远远大于(i_m-i_n)。由式(2)和式(3)可知此时对应的动作量A_d远远大于制动量A_z，只要制动系数定值K_set取值合理，可以满足式(1)所表示的动作方程，全电流差动保护动作。

当发生区外故障时，由公式(4)和式(6)可知，(i_m-i_n)为两倍的故障电流，(i_m+i_n)等于零，(i_m+i_n)远远小于(i_m-i_n)。由式(2)和式(3)可知此时对应的动作量A_d远远小于制动量A_z，只要制动系数定值K_set取值合理，全电流差动保护不会动作。

考虑极端不利的情况：在输电线路正常运行时，M侧或N侧若有一侧光学电流互感器发生断路或通讯链路失效，此时动作量A_d和制动量A_z相等，由于制动系数定值K_set取值小于1，这意味着在正常运行状态下仍然会满足动作方程式(1)，全电流差动保护会发生误动作。

显然这是继电保护不允许发生的，为避免发生误动作，必须引进最小动作电流门槛定值I_dset作为辅助判据，使动作量A_d同时满足：

A_d>I_dset (8)

在引进最小动作电流门槛定值I_dset作为辅助判据之后，式(1)与式(8)共同构成全电流差动保护判据，

$\left\{\begin{array}{c}{A}_d>K_{set}{A}_z\\ A_d>I_{dset}\end{array}\right.---\left(9\right)$

根据上述判据进行比较判定，如果满足判据，则判定为本相线路区内故障，本相差动保护动作，否则为本相线路区外故障，本相差动保护不动作。

引入动作量与制动量的比值作为制动比

在相同条件下，制动比最大值Max(m_res)具有随着积分时间窗口的增加而逐渐减小的趋势。

所述全电流差动保护判据的积分时间窗口的选择依据是：当发生区外故障时，全电流差动保护不发生误动作的最大制动比Max(m_res)随故障初始相位变化趋于稳定，并综合考虑选择性、速动性和灵敏性的需求确定，积分时间窗口小于四分之一周期时间。

图2为本发明的全电流差动保护判据的逻辑判断图，图中虚线框内为本发明的全电流差动保护判据，当该判据满足时，分相电流差动保护动作跳闸。

Claims (2)

1.基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法，该判断方法的具体过程为：

步骤1、利用光学电流互感器对线路两侧的同相电流以设定的采样率进行同步采样，将线路对侧的同相电流采样瞬时值传输至本侧；

步骤2、对本侧和对侧的同相电流采样瞬时值进行处理，计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z；

步骤3、利用得到的全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z分相构成全电流差动保护判断依据：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_d>K_{set}{A}_z\\ A_d>I_{dset}\end{array}\right.$

其中：K_set表示制动系数定值，I_dset表示最小动作电流门槛定值；

步骤4、根据上述判断依据进行比较判定，如果满足判断依据，则判定为本相线路区内故障，本相差动保护动作，如果不满足判断依据，则判定为本相线路区外故障，本相差动保护不动作；

其特征在于，步骤2所述计算全电流差动保护的动作量A_d和制动量A_z的具体方法为：全电流差动保护判断依据的动作量

全电流差动保护判断依据的制动量

其中：i_m为线路本侧同相电流采样瞬时值，i_n为线路对侧同相电流采样瞬时值，t₁为计算初始时刻，△t为积分时间窗口。

2.根据权利要求1所述的基于光学电流互感器的线路全电流差动保护判断方法，其特征在于，引入动作量与制动量的比值作为制动比

在相同条件下，制动比最大值Max(m_res)具有随着积分时间窗口的增加而逐渐减小的趋势；

全电流差动保护判断依据的积分时间窗口的选择依据是：当发生区外故障时，全电流差动保护不发生误动作的最大制动比Max(m_res)随故障初始相位变化趋于稳定，并综合考虑选择性、速动性和灵敏性的需求确定，积分时间窗口小于四分之一周期时间。