CN111276938B - 基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据 - Google Patents

基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电力系统继电保护技术领域的一种基于波形相关性原理的换流变压器零序差动保护新判据。对于传统的换流变零序差动保护，外部故障持续期间TA饱和将在零差保护中产生虚假零序差流，可能会造成零差保护误动。在外部故障切除后，如果换流变产生恢复性涌流并伴随TA饱和，零序差动保护同样存在误动风险。本发明通过分析换流变压器发生区内各类故障、区外故障持续及区外故障切除产生恢复性涌流时零序电流特征，利用零序差动保护两侧自产零序电流和中性线上零序电流的波形相关性进行识别，在各类内部故障工况下都能够可靠动作，本发明具有较强的抗TA饱和能力，提高了换流变零序差动保护的可靠性。

Description

基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种基于波形相关性原理的换流变压器零序差动保护新判据。
背景技术
在超/特高压直流输电工程中，换流变压器是连接交直流系统的重要元件，保证其安全稳定运行至关重要。在超/特高压直流输电工程中，除了配置纵联差动保护作为换流变主保护以外，还在换流变Y侧的三相进线处装设有零序差动保护，作为换流变重要保护之一。零差保护通过Y侧三相进线自产零序电流和中性点零序电流的差值作为动作电流来检测换流变内部接地故障，具有较强的抗涌流能力和较高的准确性，在非内部故障时要求能够可靠闭锁。但是，由于变压器铁芯存在饱和特性，在外部故障持续期间与外部故障消除后电压恢复过程中，变压器的绕组侧及中性线处均流过较大的故障电流或者恢复性涌流，由于零差保护两侧TA型号参数存在差异，在故障电流较大的非周期分量的影响下可能会出现一侧TA饱和的现象，从而产生虚假的零序差流，导致零差保护发生误动。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据，所述换流变压器零序差动保护使用零序差动保护继电器来实现零序差动保护的动作。假设某一时段内的两个零序电流序列为x(n)和y(n)，定义rab为x(n)和y(n)的相关系数：
Figure BDA0002287574200000021
其中，cov(x，y)为x(n)与y(n)的协方差，Var(x)和Var(y)分别为x(n)与y(n)的方差。由许瓦兹(Schwartz)不等式可得，两个信号的相关度|rab|≤1；rab可反映两电流信号间的幅值相角相关程度：rab越大，两个信号波形越相似；当两个电流信号幅值成比例且相位相同时相关度rab＝1，为强正相关；幅值成比例且相位相反时相关度rab＝-1，为强负相关；幅值不成比例时-1＜rab＜1，为弱相关；
所述两个电流信号是利用换流变零差保护两侧的三相进线侧自产零序电流
Figure BDA0002287574200000022
和中性线上零序电流
Figure BDA0002287574200000023
采样值构造两个电流离散信号，计算其相关系数；在不计电流互感器TA饱和情况下，通过计算换流变压器内部故障、外部故障和外部故障切除后产生恢复性涌流得出波形相关系数动作临界值；以及计算在换流变压器内部故障伴随其一侧TA饱和、外部故障伴随一侧TA饱和、外部故障切除后产生恢复性涌流伴随一侧TA饱和时的相关系数，得出波形相关系数动作临界值；从而在传统的零差保护判据基础上给出制动判据；经过分析，附加制动判据的零序差动保护判据如下：
Figure BDA0002287574200000024
式中，rab.set为相关系数动作门槛，rab(iself0,in0)为两侧零序电流相关系数，
Figure BDA0002287574200000025
Iop.0为换流变零差保护启动电流，其大小为换流变接地绕组的额定电流的0.3倍，即Iop.0＝0.3p.u.；因此，基于特高压直流输电模型，当满足动作判据，即差流大于保护启动值，保护启动，然后根据两侧电流计算的rab小于门槛值，判为区内故障，保护灵敏动作；反之，rab大于门槛值时，判为区外故障，保护可靠闭锁。
所述在不计电流互感器TA饱和情况下，计算换流变压器内部故障，零差保护两侧零序电流波形幅值成比例且相位相反，为强负相关，相关系数rab.min＝-1；当发生外部故障时，两零序电流波形基本完全重合，相位相同，为强正相关，rab.min＝1；外部故障切除产生恢复性涌流在不计TA饱和情况下，两零序电流波形基本重合，为强正相关，相关系数为1；内部故障导致中性线TA饱和情况下，两零序电流波形的相位相反幅值成比例，rab.min＝-1；外部故障中性线TA饱和下两零序电流为弱正相关，相关系数最小值rab.min＝0.7；外部故障切除产生恢复性涌流引起中性线TA饱和时，两零序电流为弱正相关，相关系数最小值rab.min＝0.6；
所述外部故障切除后产生恢复性涌流导致中性线TA饱和时的相关系数最小值为0.6，则外部故障时的临界相关系数rabd＝0.6,考虑到工程实际需要计及各情况下TA传变特性不一致，可适当减小临界相关系数以提升判据的可靠性，设置动作门槛rab.set＝0.5；附加制动判据的零序差动保护改进判据如下：
Figure BDA0002287574200000031
式中，rab.set为相关系数动作门槛，rab(iself0,in0)为两侧零序电流相关系数，
Figure BDA0002287574200000032
Iop.0为换流变零差保护启动电流，其大小为换流变接地绕组的额定电流的0.3倍，即Iop.0＝0.3p.u.。
本发明的有益效果是提出的基于波形相关原理，利用三相自产零序电流与中性线上零序电流的波形相关度信息，构成具有自适应制动特性的零差保护判据。新判据可以有效解决外部故障持续及外部故障切除产生恢复性涌流下，伴随一侧TA饱和产生虚假零序差流导致零差保护误动的问题，提高了零差保护的可靠性。
附图说明
图1为换流变压器零序差动保护原理接线图。
图2为区内故障(不计TA饱和)工况下零序电流波形。
图3为区外故障(不计TA饱和)工况下零序电流波形。
图4为区外故障切除后产生恢复性涌流(不计TA饱和)工况下零序电流波形。
图5为区内故障TA饱和工况下零序电流波形。
图6为区外故障中性线TA饱和工况下零序电流波形。
图7为区外故障切除后产生恢复性涌流引起中性线TA饱和工况下零序电流波形。
注：以上图中实线为三相进线侧自产零序电流
Figure BDA0002287574200000041
虚线为中性线上零序电流3in0。
具体实施方式
本发明的目的是提出一种基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据，下面结合附图对本发明予以进一步说明。
图1所示为换流变压器零序差动保护原理接线图。在换流变压器零序差动保护原理接线图中使用零序差动保护继电器来实现零序差动保护的动作。假设某一时段内的两个零序电流序列为x(n)和y(n)，定义rab为x(n)和y(n)的相关系数：
Figure BDA0002287574200000042
其中，cov(x，y)为x(n)与y(n)的协方差，Var(x)和Var(y)分别为x(n)与y(n)的方差。由许瓦兹(Schwartz)不等式可得，两个信号的相关度|rab|≤1；rab可反映两电流信号间的幅值相角相关程度：rab越大，两个信号波形越相似；当两个电流信号幅值成比例且相位相同时相关度rab＝1，为强正相关；幅值成比例且相位相反时相关度rab＝-1，为强负相关；幅值不成比例时-1＜rab＜1，为弱相关；因此，相关度的大小可以清楚地区分零差保护区内外故障。
图2为不计TA饱和时换流变内部故障工况，可以看出在波形趋于稳定后，两电流波形幅值成比例且相位相反，为强负相关，rab.min＝-1。发生外部故障(不计TA饱和)时，如图3两零序电流波形基本完全重合，相位相同，为强正相关，rab.min＝1。图4为区外故障切除后产生恢复性涌流(不计TA饱和)工况下两零序电流波形图，可以看出两零序电流波形基本完全重合，为强正相关，rab.min＝1。图5为内部故障TA饱和情况，中性线TA发生饱和后，两波形的相位相反，幅值仍成比例，rab.min＝-1。图6为外部故障中性线TA饱和工况下两零序电流波形，可以看出中性线TA饱和后零序传变畸变，此时两波形为弱正相关，rab.min＝0.7。如图7，选取区外故障切除后恢复性涌流较为严重情况，换流变三相磁链严重不对称，中性线上TA受恢复性涌流影响，其偏磁不断积累导致TA饱和。饱和后的零序电流发生畸变，相位出现少许偏差且虚假差流增大，此时两波形为弱正相关，rab.min＝0.6。
表1不同故障场景下rab.min
Figure BDA0002287574200000051
Figure BDA0002287574200000061
基于以上分析，外部故障切除后产生恢复性涌流使中性线TA饱和时的相关系数最小值为0.6，则外部故障时的临界相关系数rabd＝0.6，考虑到工程实际需要计及各情况下TA传变特性不一致，可适当减小临界相关系数以提升判据的可靠性，设置动作门槛rab.set＝0.5。附加制动判据的零序差动保护判据如下：
Figure BDA0002287574200000062
式中，rab.set为相关系数动作门槛，rab(iself0,in0)为两侧零序电流相关系数，
Figure BDA0002287574200000063
Iop.0为换流变零差保护启动电流，其大小为换流变接地绕组的额定电流的0.3倍，即Iop.0＝0.3p.u.。
因此，基于特高压直流输电模型，当满足动作判据，即差流大于保护启动值，保护启动。然后根据两侧电流计算的rab小于门槛值，判为区内故障，保护灵敏动作。反之，rab大于门槛值时，判为区外故障，保护可靠闭锁。
根据以上的换流变零序差动保护新判据，换流变发生区内故障(不计TA饱和)情况下，零序差流远高于保护启动值，两侧零序电流相位相反，相关系数rab＝-1，低于门槛值，保护可靠动作；区外故障(不计TA饱和)下，在故障持续时间内，两零序电流波形基本一致，其幅值和相位基本没有差异，rab计算值大于门槛值，判定为区外故障。且其零序差流幅值大小基本为零，远低于保护启动值，因此保护可靠闭锁；区外故障切除后产生恢复性涌流(不计TA饱和)工况下，两零序电流波形基本重合，零序差流几乎为零，远低于保护启动值，因此保护可靠闭锁。换流变区内故障伴随TA饱和情况下，中性线零序电流发生饱和，但是两电流仍然相位相反，其相关系数rab＝-1，小于门槛值，保护灵敏动作。换流变区外故障伴随中性线TA饱和情况下，中性线零序电流经TA传变后发生饱和，此时产生的虚假零序差流幅值大于保护启动电流0.3p.u.，零差保护将启动，计算其相关系数可得到rab的最小值为0.7，大于门槛值0.5，因此零差保护可靠闭锁；区外故障切除后产生恢复性涌流伴随中性线TA饱和情况下，由于中性线TA饱和，将在零差保护中产生虚假零序差流，其幅值高于保护启动值，零差保护启动。计算两零序电流的相关系数，最小值为0.6，大于门槛值，保护能够可靠闭锁；
综上分析，本发明所提出的基于波形相关度的零差保护新判据能够在外部故障持续及外部故障切除后产生恢复性涌流情况，存在TA饱和产生虚假零序差流时，确保零差保护可靠闭锁，并且在各类内部故障工况下都能够灵敏动作，具有较强的抗TA饱和能力，在外部故障切除后的电压恢复期间产生恢复性涌流，伴随一侧TA饱和情况下，仍具有可靠识别能力。

Claims (3)

1.一种基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据，其特征在于，所述换流变压器零序差动保护使用零序差动保护继电器来实现零序差动保护的动作；假设某一时段内的两个零序电流序列为x(n)和y(n)，定义rab为x(n)和y(n)的相关系数：
Figure FDA0003283875350000011
其中，cov(x，y)为x(n)与y(n)的协方差，Var(x)和Var(y)分别为x(n)与y(n)的方差；由许瓦兹(Schwartz)不等式可得，两个信号的相关度|rab|≤1；rab可反映两电流信号间的幅值相角相关程度：rab越大，两个信号波形越相似；当两个电流信号幅值成比例且相位相同时相关度rab＝1，为强正相关；幅值成比例且相位相反时相关度rab＝-1，为强负相关；幅值不成比例时-1＜rab＜1，为弱相关；
所述两个电流信号是利用换流变零差保护两侧的三相进线侧自产零序电流
Figure FDA0003283875350000012
和中性线上零序电流
Figure FDA0003283875350000013
采样值构造两个电流离散信号，计算其相关系数；通过计算换流变压器内部故障、外部故障和不计TA饱和时外部故障切除后产生恢复性涌流及换流变压器内部故障伴随其一侧TA饱和、外部故障伴随一侧TA饱和、外部故障切除后产生恢复性涌流伴随一侧TA饱和时的相关系数得出波形相关系数动作临界值；从而在传统的零差保护判据基础上给出制动判据；经过分析，附加制动判据的零序差动保护判据如下：
Figure FDA0003283875350000014
式中，rab.set为相关系数动作门槛，rab(iself0,in0)为两侧零序电流相关系数，
Figure FDA0003283875350000021
Iop.0为换流变零差保护启动电流，其大小为换流变接地绕组的额定电流的0.3倍，即Iop.0＝0.3p.u.；因此，基于特高压直流输电模型，当满足动作判据，即差流大于保护启动值，保护启动，然后根据两侧电流计算的rab小于门槛值，判为区内故障，保护灵敏动作；反之，rab大于门槛值时，判为区外故障，保护可靠闭锁。
2.根据权利要求1所述一种基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据，其特征在于，所述在不计电流互感器TA饱和情况下，计算换流变压器内部故障，零差保护两侧零序电流波形幅值成比例且相位相反，为强负相关，相关系数为-1；当发生外部故障时，两零序电流波形基本完全重合，相位相同，为强正相关，相关系数为1；外部故障切除产生恢复性涌流在不计TA饱和情况下，两零序电流波形基本重合，为强正相关，相关系数为1；内部故障导致中性线TA饱和情况下，两零序电流波形的相位相反幅值成比例，相关系数为-1；外部故障中性线TA饱和下两零序电流为弱正相关，相关系数为0.7；外部故障切除产生恢复性涌流引起中性线TA饱和时，两零序电流为弱正相关，相关系数为0.6。
3.根据权利要求2所述一种基于波形相关性分析的换流变压器零序差动保护新判据，其特征在于，所述外部故障切除后产生恢复性涌流导致中性线TA饱和时的相关系数最小值为0.6，则外部故障时的临界相关系数rabd＝0.6,考虑到工程实际需要计及各情况下TA传变特性不一致，适当减小临界相关系数以提升判据的可靠性，设置动作门槛rab.set＝0.5；附加制动判据的零序差动保护改进判据如下：
Figure FDA0003283875350000031
式中，rab.set为相关系数动作门槛，rab(iself0，in0)为两侧零序电流相关系数，
Figure FDA0003283875350000032
Iop.0为换流变零差保护启动电流，其大小为换流变接地绕组的额定电流的0.3倍，即Iop.0＝0.3p.u.。
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