CN107359602A - 一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，依据线路的故障特征实现故障状况检测和故障时刻提取，并以被保护线路两端的故障时刻为时间基准对电流数据进行同步，在过零点附近亦有良好的效果。考虑到行波折反射过程以及噪声干扰等的影响，本发明对连续7个采样点进行检测且至少4点发生突变时方认为故障发生，保护可靠性及故障时刻精度均得到保证。本发明不依赖于同步时钟、不需增加额外设备，充分利用故障特征实现数据同步，可减少时间信息的传递，具有通信量小、通道利用效率高等优势，能够耐受通道延时和采样延时等的影响。

Description

一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法

技术领域

本发明属于电力系统输电线路继电保护领域，尤其涉及一种适用于输电线路的不需要同步时钟的自同步纵联电流差动保护方法。

背景技术

输电线路的覆盖范围广、地域跨度大，其运行环境复杂且工作状况多变。实际运行中，输电线路上故障多发且故障范围易扩大，严重影响到整个系统的安全、稳定、经济运行，因此必须配备灵敏、可靠的保护装置。纵联电流差动保护利用线路两端的电流数据构成差动判据，动作性能优越，具有绝对的选择性，常用作超、特高压输电线路的主保护之一。然而，差动保护对电流数据的同步性要求较高，数据不同步会影响保护的灵敏性、可靠性，严重时甚至会造成保护误动、拒动等恶劣后果。因此，构成电流差动保护动作判据之前需要对采样数据进行同步处理。

目前常用的同步办法主要有基于数据通道的同步方法、主站广播对时法、基于卫星的同步方法等，这些方法均依赖于内部时钟或外部时钟，同步效果受时钟状态、通道工况、通信网络连接方式等诸多因素的影响。其中基于数据通道的采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法要求收发过程延时一致，难以适应具有弹性负载、可变路由的复用通信系统；基于卫星的同步方法精度高、服务范围广，但技术复杂且过分倚重于卫星设备，易受卫星工况影响且影响范围极大。

可见，现有输电线路纵联电流差动保护的动作性能受制于时钟状态、通道工况等因素，需要一种能够摆脱时钟依赖和通道束缚的简单、可靠的保护方案。

发明内容

为解决输电线路纵联电流差动保护的上述不足，本发明通过对故障发生时刻进行检测，提出了一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法。此方法根据故障发生时的故障特征分别提取线路两端的故障发生时刻，进而参照故障时刻来对电流采样序列进行同步并提取故障分量构成分相电流差动判据，能够摆脱对时钟装置、通信通道的依赖，且可降低时标密度、缓解通信压力，有助于提高保护的可靠性。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，包括以下步骤：

(1)被保护线路两端继电保护装置实时采集并获得ABC三相的电流采样序列；

(2)检测被保护线路是否存在故障，如果不存在故障，则返回步骤(1)，如果两端保护装置均检测到故障，则进入步骤(3)；

(3)分别提取被保护线路两端的故障发生时刻，并以此时刻为时间基准对两端的电流采样序列进行同步校正；

(4)提取电流数据的故障分量，并计算故障分量的幅值和相角，根据计算结果构成差动判据，判断是否为内部故障。

进一步地，所述步骤(2)中，根据设定电气量信号的采样值突变或信号奇异性故障特征来判明被保护线路是否存在故障。

进一步地，所述步骤(2)中，对连续的n+1个采样点进行电流值检测，当连续的n+1个采样点中，设定数量的采样点满足：

当前时刻采样点的电流采样值与一周期之前的该采样点的电流采样值之差的绝对值，与一周期之前该采样点的电流采样值与两周期之前该采样点的电流采样值之差的绝对值的差值，大于整定的门槛值；

则认为线路存在故障。

进一步地，所述步骤(3)中，误差允许范围内，认为被保护线路两端检测到的故障发生时刻为同一时刻；故障发生时刻为满足步骤(2)中故障判别条件的第一个采样点的采样时刻。

进一步地，所述步骤(4)中，提取电流数据的故障分量的具体方法为：

当前故障分量电流的采样值等于当前电流采样值与一周期之前的电流采样值的差值。

或者，

当前故障分量电流的采样值等于当前电流采样值与设定周期之前的电流采样值的差值。

进一步地，所述步骤(4)中，使用全周傅里叶滤波算法计算故障分量的幅值和相角，并由故障分量构成电流差动保护的动作判据。

进一步地，所述步骤(4)中，判断是否为内部故障的具体方法为：

如果被保护线路两端电流相量的故障分量之和的绝对值大于最小动作限值；

并且，被保护线路两端电流相量的故障分量之和的绝对值大于被保护线路两端电流相量的故障分量之差的绝对值与比率制动系数的乘积；

则判定为内部故障并给出动作信号，否则，不给出动作信号。

本发明的工作原理为：

故障发生时，被保护线路两端均可检测到电气量信号的突变，均可提取到相应的故障发生时刻；为避免噪声信号、行波过程等对保护的影响，检测故障及提取故障时刻时需检测连续的7个采样点，当至少4点满足条件时方可认为故障存在并提取故障时刻；故障位置到两端保护安装处的距离往往不同，故障信号的传播距离、传播延时也不同，因此线路两端检测到的故障发生时刻与实际值之间存在差异，在误差允许范围内可认为两端检测到的故障发生时刻相同并进行同步；继而提取故障分量并构成电流差动判据，给出相应的动作信号。

本发明的有益效果为：

1)本发明适用于输电线路，为输电线路提供了一种简单可靠的保护方法，不依赖于外部同步时钟装置，且无需增加额外的投资，仅利用故障特征就可实现电流差动保护的数据同步；

2)本发明提取故障时刻时，对连续的7个采样点进行检测且至少4点满足条件时方可认定故障存在并提取故障时刻，能够较好地耐受噪声信号和行波折反射过程对采样数据的影响，有利于提高差动保护的可靠性；

3)本发明利用故障时刻进行同步，可降低通信数据中时标的密度，具有数据量小、传输效率高等优势；

4)本发明利用故障时刻进行同步，能够耐受通道路由波动、采样延时变化等因素的影响，且不要求通信过程来回延时一致，可适用于复用通信网络；

5)本发明在确定故障存在后才进行差动运算，不反映线路正常运行状态，可避免线路正常运行时电容电流对保护的影响；

6)本发明即可应用于双端输电线路，也可应用于多端输电线路；

7)本发明选用故障分量构成差动判据，可有效避免电流中负荷分量对保护性能的影响，具有较高的灵敏性。

附图说明

图1为本发明中电流数据进行自同步的示意图；

图2为本发明中故障检测的示意图；

图3为本发明中提取故障分量的示意图；

图4为适用于输电线路的自同步电流差动流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明公开了一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，包括以下步骤：

一种适用于输电线路的自同步电流差动保护方法，包括以下步骤：

(1)被保护线路两端继电保护装置实时采集并获得ABC三相的电流采样序列；被保护线路两端独立采样，不要求采样过程严格同步(可降低时标密度)，但应使用较高的采样频率以保证故障时刻精度和数据同步精度，建议采样频率不低于3200Hz，本发明使用的采样频率为3200Hz。

(2)检测被保护线路是否存在故障，如果不存在故障，则返回步骤(1)，如果两端保护装置均检测到故障，则进入步骤(3)；可根据电流等电气量信号的采样值突变或信号奇异性等故障特征来判明被保护线路是否存在故障。本发明根据电流信号的突变来检测故障发生状况，具体为：

根据故障发生时具有明显的电流故障分量的特征，当电流采样值发生突变、故障分量超过一定门槛时即可认为线路存在故障。

为保证保护装置的可靠性、容错性，应对连续的n+1个采样点进行检测；受故障信号折反射过程的影响，某些采样点的幅值可能受到削弱，不能满足门槛判据，因此当连续n+1个采样点中有一定数量(m)的采样点满足门槛条件时即可认为有故障发生。即：

其中，i_k为当前采样值，i_k-N为一周期之前的采样值，i_k-2N为两周期之前的采样值；i_k+1、i_k+n为相邻的连续的n个点的采样值，i₀为整定的门槛值，门槛值i₀可整定为0.05倍的额定电流，N为每周波采样点数。

(3)分别提取被保护线路两端的故障发生时刻，并以此时刻为时间基准对两端的电流采样序列进行同步校正；

故障时刻是指满足所述步骤(2)中故障判别条件的第一个采样点的采样时刻，即由最接近故障发生时刻的采样时刻充当实际的故障时刻；误差允许范围内可认为被保护线路两端检测到的故障发生时刻为同一时刻，可以此时间为基准对采样序列进行同步处理。

(4)提取电流数据的故障分量，并计算故障分量的幅值和相角，进而利用电流故障分量构成差动保护的动作判据，判据满足则为内部故障并给出动作信号，不满足判据则不给出动作信号。

本发明从全电流的采样序列中滤除正常的负荷电流来获取故障分量，即，

i_gk＝i_k-i_k-N

其中，i_gk为当前故障分量电流的采样值，i_k为当前的电流采样值，i_k-N为一周期之前的采样值，N为每周波采样点数；上述提取算法中由一周期之前的电流采样值充当负荷电流，只能准确提取故障后一个周波内的故障分量，也可采用多周期之前的采样值充当负荷分量。

本发明确定故障存在后才进行差动运算，不反映线路正常的运行状态，可有效避免线路正常运行时电容电流对保护性能的影响；本发明中使用全周傅里叶滤波算法计算故障分量的幅值和相角并由故障分量构成电流差动保护的动作判据，能够有效消除负荷电流对保护性能的影响。

采用如下式所示的动作判据，即

其中，为被保护线路两端电流相量的故障分量，I₀为最小动作限值，K为比率制动系数；I₀、K均需根据现场的实际要求进行整定；ABC三相均可使用上述公式，构成各自的动作判据。

被保护线路发生故障时，电流等电气量信号会发生明显的突变。经传输延时后，故障信号由故障位置抵达线路两端保护安装处；在误差允许范围内，可使用线路两端检测到的故障发生时刻为同步基准对数据进行校正，如图1所示；如图2所示，噪声信号也可能引起采样数据的突变，判别故障时刻时应避免此种影响。根据两端保护装置检测到的故障发生时刻对数据进行同步处理，继而使用故障分量构成差动判据，使用故障分量有利于改善保护性能，提取故障分量的办法如图3所示，在全电流中滤除正常的负荷分量即可得到故障分量。

本发明的实施流程如图4所示：收集被保护线路两端实时的电气量信息，分别检测其故障状况，确定故障存在后，提取线路两端各自的故障时刻。在检测故障和提取故障时刻时，需考虑噪声信号干扰等引起的采样值扰动，对连续的多个采样点进行检测。除此之外，考虑到行波折反射过程可能削弱某些采样点的幅值，当连续检测的多个采样点中有一定数量的采样点满足条件时即可认为故障发生并提取故障时刻。如图2所示，本发明对连续的7个采样点进行检测，当其中至少4个点满足条件时即可认为故障发生，且故障时刻为第一个发生突变的采样点的采样时刻。使用采样时刻代替实际的故障时刻会产生一定的同步误差，且采样频率越高此误差越小，本发明中使用的采样频率为3200Hz。

本发明不依赖于时钟的同步信号进行数据同步，而是以检测到的故障发生时刻作为同步基准。受检测方法、故障位置、采样频率等因素的影响，线路两端故障时刻的检测结果可能存在差异，因此本发明存在一定的同步误差。误差来源主要包括：

1)、输电线路发生故障时，故障信号由故障位置向两端保护装置传递，故障点到保护安装位置的距离不同、传播延时不同，因此两端故障发生时刻的检测结果也可能不完全相同，引入了一定的同步误差，该误差与故障位置有关，线路中间位置故障时该误差最小，外部故障时最大，误差最大值取决于线路长度(300km/ms)。

2)、本发明使用最接近故障发生时刻的采样时刻作为故障时刻的检测结果，检测值与实际值之间存在差异，此误差在一个采样间隔之内，采样频率越高，误差越小。

3)、提取故障时刻时，本发明选用最接近实际故障发生时刻的采样时刻充当其检测结果，能够限制两端采样装置的不同步误差，但受检测算法影响，故障时刻的检测结果可能偏离理想值而引入误差，本发明根据故障分量的突变来提取故障时刻，可有效限制此种误差。

采样频率较高(≥3200Hz)时，本发明的误差主要来自于故障信号沿线路的传播过程，被保护线路中间位置故障时误差最小，外部故障时误差最大，最大值与线长有关。

本发明使用的电流差动判据以基尔霍夫电流定律为基础，具有绝对的选择性，动作性能优越；具有天然的选相能力，不需附加选相元件；不受系统振荡、非全相运行等状况的影响，可以反映各种类型的故障。

本发明使用带浮动门槛的比率制动特性，制动量不是固定值而是随短路电流的大小变化，灵敏性高。选用不同制动比率时，保护具有不同的灵敏性、可靠性。电流差动保护的制动比率一般整定为0.5～0.8，外部故障时能够耐受3～4毫秒的不同步误差，内部故障时耐受性更强，因此将同步方法的误差限制在3～4毫秒内就能够满足电流差动保护的要求。电流差动保护可容许3～4毫秒的同步误差，即容许9.6～12.8个采样点(3200HZ)的同步误差，或容许900～1200km的传播误差，实际使用时要保证故障时刻检测算法、传播过程等产生的同步误差在上述容许范围之内。此外，本发明不反映线路正常运行状态，可避免线路正常运行时电容电流对保护的影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)被保护线路两端继电保护装置实时采集并获得ABC三相的电流采样序列；

(2)检测被保护线路是否存在故障，如果不存在故障，则返回步骤(1)，如果两端保护装置均检测到故障，则进入步骤(3)；

(3)分别提取被保护线路两端的故障发生时刻，并以此时刻为时间基准对两端的电流采样序列进行同步校正；

(4)提取电流数据的故障分量，并计算故障分量的幅值和相角，根据计算结果构成差动判据，判断是否为内部故障。

2.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据设定电气量信号的采样值突变或信号奇异性故障特征来判明被保护线路是否存在故障。

3.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对连续的n+1个采样点进行电流值检测，当连续的n+1个采样点中，设定数量的采样点满足：

当前时刻采样点的电流采样值与一周期之前的该采样点的电流采样值之差的绝对值，与一周期之前该采样点的电流采样值与两周期之前该采样点的电流采样值之差的绝对值的差值，大于整定的门槛值；

则认为线路存在故障。

4.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(3)中，误差允许范围内，认为被保护线路两端检测到的故障发生时刻为同一时刻；故障发生时刻为满足步骤(2)中故障判别条件的第一个采样点的采样时刻。

5.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(4)中，使用全周傅里叶滤波算法计算故障分量的幅值和相角，并由故障分量构成电流差动保护的动作判据。

6.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(4)中，提取电流数据的故障分量的具体方法为：

当前故障分量电流的采样值等于当前电流采样值与一周期之前的电流采样值的差值。

或者，

当前故障分量电流的采样值等于当前电流采样值与设定周期之前的电流采样值的差值。

7.如权利要求1所述的一种适用于输电线路的自同步纵联电流差动保护方法，其特征在于，所述步骤(4)中，判断是否为内部故障的具体方法为：

如果被保护线路两端电流相量的故障分量之和的绝对值大于最小动作限值；

并且，被保护线路两端电流相量的故障分量之和的绝对值大于被保护线路两端电流相量的故障分量之差的绝对值与比率制动系数的乘积；

则判定为内部故障并给出动作信号，否则，不给出动作信号。