CN112398098A - 一种正序变化量差动保护方法及装置 - Google Patents

一种正序变化量差动保护方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用换流变压器网侧电流和阀侧电流构成的带制动特性的正序变化量差动保护方法以及装置，通过判断正序变化量动作电流和制动电流是否满足正序变化量差动保护动作方程，来确定是否实施保护动作，并且在实现过程中通过引入频率跟踪功能，可以很好地反映正常运行和降压运行方式下的保护元件设备内部轻微故障。

Description

一种正序变化量差动保护方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统保护相关领域，尤其涉及一种用于直流输电系统中的正序变化量差动保护方法及装置。
背景技术
变化量是一个状态量,对应于两个时刻的状态差值，在数值上有正负之分。用于电力系统的变化量是一种短暂的故障分量分相变化量，故障分量是由故障本身引起的，独立于负荷分量之外，因而在现代继电保护技术中有广泛的应用。
目前现有元件类差动保护对保护元件设备内部轻微故障存在以下问题：
1.对于元件设备内部相间轻微故障，差动保护容易受负荷电流的影响，灵敏度低，特别是在重负荷的情况下可能无法动作。
2.内部相间故障由于故障点电势可能较低，故障时受过渡电阻影响较大。
3.如果要提高灵敏度，必然以损失可靠性为前提。
现有技术中，专利CN1419327A提出了一个利用发电机微机保护装置的机端电流和中性点电流构成的工频变化量比率差动元件，专利CN110865312A提出了一个适用于UPFC的工频变化量方向元件。但是，工频变化量仅能够反映故障分量中的工频成分，在实现工频变化量比率差动元件时，仍然是采用工频变化量的区内外判别元件和饱和开放元件，存在上文中提及的问题。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明提供了一种利用换流变压器网侧电流和阀侧电流构成的带制动特性的正序变化量差动保护方法以及装置，并且在实现过程中通过引入频率跟踪功能，可以很好地反映正常运行和降压运行方式下的保护元件设备内部轻微故障。
为达到上述目的，本发明提供了一种正序变化量差动保护方法，当正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires满足正序变化量差动保护动作方程时，正序变化量差动保护动作跳闸；其中，
所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure BDA0002740189480000021
其中，
Figure BDA0002740189480000022
Figure BDA0002740189480000023
为网侧边开关电流，
Figure BDA0002740189480000024
为网侧中开关电流，
Figure BDA0002740189480000025
为阀星侧首端电流，
Figure BDA0002740189480000026
为阀角侧首端电流。边开关是指3/2接线中靠近母线侧的开关，中开关是指3/2接线中远离母线侧的开关。
Figure BDA0002740189480000027
分别为对应各侧电流的正序变化量；
Figure BDA0002740189480000028
为
Figure BDA0002740189480000029
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
进一步的，电流的正序变化量
Figure BDA00027401894800000210
通过如下步骤获取：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure BDA00027401894800000211
通过下式得到电流的正序变化量
Figure BDA00027401894800000212
Figure BDA00027401894800000213
其中
Figure BDA00027401894800000214
为短路前负荷电流。
进一步的，所述差动保护方法用于大差正序变化量差动保护，所述大差正序变化量差动保护的保护范围包括换流变压器引线、星星换流变压器和星角换流变压器。
进一步的，所述差动保护方法用于小差正序变化量差动保护，所述小差正序变化量差动保护包括星星换流变压器小差正序变化量差动保护和星角换流变压器小差正序变化量差动保护。
进一步的，所述第一和第二门限值的取值分别为：
0.1≤K1≤0.4，0.5≤K2≤1.0。
根据本发明的另一个方面，提供了一种正序变化量差动保护装置，包括正序变化量差动保护判断模块和正序变化量差动保护动作模块，所述正序变化量差动保护判断模块的输出连接所述正序变化量差动保护动作模块；
所述正序变化量差动保护判断模块，判断正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires是否满足正序变化量差动保护动作方程；
所述正序变化量差动保护动作模块，当接收到满足正序变化量差动保护动作方程的判断结果时，正序变化量差动保护动作跳闸；
其中，所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure BDA0002740189480000031
Figure BDA0002740189480000032
Figure BDA0002740189480000033
为网侧边开关电流，
Figure BDA0002740189480000034
为网侧中开关电流，
Figure BDA0002740189480000035
为阀星侧首端电流，
Figure BDA0002740189480000036
为阀角侧首端电流。边开关是指3/2接线中靠近母线侧的开关，中开关是指3/2接线中远离母线侧的开关。
Figure BDA0002740189480000037
分别为对应各侧电流的正序变化量；
Figure BDA0002740189480000038
为
Figure BDA0002740189480000039
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
进一步的，所述正序变化量差动保护判断模块中还包括电流正序变化量获取模块；
所述电流正序变化量获取模块，获取电流的正序变化量
Figure BDA00027401894800000310
包括：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure BDA00027401894800000311
通过下式得到电流的正序变化量
Figure BDA00027401894800000312
Figure BDA00027401894800000313
其中
Figure BDA00027401894800000314
为短路前负荷电流。
综上所述，本发明提供一种利用换流变压器网侧电流和阀侧电流构成的带制动特性的正序变化量差动保护方法以及装置，通过判断正序变化量动作电流和制动电流是否满足正序变化量差动保护动作方程，来确定是否实施保护动作，并且在实现过程中通过引入频率跟踪功能，可以很好地反映正常运行和降压运行方式下的保护元件设备内部轻微故障。本发明具有如下技术效果：本发明的实现不会对原有的保护平台提出更高的要求，可以在原有的保护装置平台上实现。与现有技术中的差动保护方案相比，本发明提供了一种新的变化量差动保护方案，且不需人工干预。既方便了现场维护，也增加了换流变压器保护装置程序的通用性，易于程序的版本维护。
附图说明
图1是本发明典型直流输电系统的整体结构图；
图1中各附图标记的含义为：1、交流母线；2、交流断路器；3、电磁式电流变换器；4、换流变压器；5、换流阀；6、直流系统；
图2是本发明正序变化量差动保护方法流程图；
图3是本发明正序变化量差动保护动作特性图；
图4是本发明正序变化量差动保护装置结构示意图；
图5是本发明正序变化量差动保护逻辑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明针对现有技术中在实现工频变化量比率差动元件时，仍然是采用工频变化量的区内外判别元件和饱和开放元件，由于与采用正序变化量比率差动元件+正序变化量的区内外判别元件+正序变化量的饱和开放元件相比，所取得的技术效果远不及后者。所谓正序变化量，也就是短路附加状态的正序电流分量，存在于任何故障类型中。正序变化量差动保护是指，依据各侧电流的正序变化量构成的差动保护称为正序变化量差动保护。正序变化量元件具有如下特点：
1、在各种短路时均有较大幅值，且不受负荷状态的影响；
2、在故障类型转换时，相位变化比较小。
因此，本发明提供了一种利用换流变压器网侧电流和阀侧电流构成的带制动特性的正序变化量差动保护方法以及保护装置，能够很好地反映正常运行和降压运行方式下的保护元件设备内部轻微故障。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图1示出了一种典型直流输电系统的整体结构图，本发明提供的正序变化量差动保护方法以及保护装置均可用于图1所示的直流输电系统保护。如图1所示，直流输电系统包括：交流母线1、交流断路器2、电磁式电流变换器3、换流变压器4、换流阀5、以及直流系统6。换流变压器4可以为两绕组变压器或者三绕组变压器。
本发明提供的正序变化量差动保护方法和保护装置均可以应用于大差正序变化量差动保护和小差正序变化量差动保护中。其中，大差正序变化量差动保护和小差正序变化量差动保护的保护算法及原理均相同，仅是保护范围和选用的CT不同。具体来说，大差正序变化量差动保护的保护范围是换流变引线、星星换流变压器和星角换流变压器，如图1所示，可以选用电流变换器3-1、3-2、3-4和3-9；小差正序变化量差动保护包括星星换流变压器小差正序变化量差动保护和星角换流变压器小差正序变化量差动保护，星角换流变压器小差正序变化量差动保护的保护范围是星角换流变压器，如图1所示，可以选用电流变换器3-3和序号3-4，星星换流变压器小差正序变化量差动保护的保护范围是星星换流变压器，可以选用电流变换器3-8和3-9。基于上述说明，为方便叙述，本发明中不再区分大差正序变化量差动保护和小差正序变化量差动保护，统称为正序变化量差动保护。正序变化量差动保护不受正常运行的负荷电流的影响，具有比大(小)差差动保护更高的灵敏度，由于大(小)差差动保护的制动电流的选取包括正常的负荷电流，变压器发生弱故障时，大(小)差差动保护由于制动电流大，可能延时动作或者不动作。正序变化量差动保护主要解决变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障。
根据本发明的一个实施例，提供了一种正序变化量差动保护方法，其流程图如图2所示，该保护方法包括：当正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires满足正序变化量差动保护动作方程时，正序变化量差动保护动作跳闸；其中，
所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure BDA0002740189480000061
其中，
Figure BDA0002740189480000062
Figure BDA0002740189480000063
为网侧边开关电流，
Figure BDA0002740189480000064
为网侧中开关电流，
Figure BDA0002740189480000065
为阀星侧首端电流，
Figure BDA0002740189480000066
为阀角侧首端电流。边开关是指3/2接线中靠近母线侧的开关，中开关是指3/2接线中远离母线侧的开关。
Figure BDA0002740189480000067
分别为对应各侧电流的正序变化量；
Figure BDA0002740189480000068
为
Figure BDA0002740189480000069
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
该保护方法的动作特性图如图3所示，图3示出的坐标系中，横坐标Ires表示制动电流，纵坐标Iop表示斜线代表正序变化量动作电流，Ie是变压器的额定电流一元函数Iop＝K2Ires，本发明该实施例中提供的差动保护方法的动作区间为如图3中所示由纵轴Iop>K1Ie以及函数中Iop>K2Ires所围出的斜线阴影所表示出的区域，K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值。
根据某些实施例，对大差正序变化量差动保护来说，
Figure BDA00027401894800000610
为网侧边开关电流，
Figure BDA00027401894800000611
为网侧中开关电流，
Figure BDA00027401894800000612
为阀星侧首端电流，
Figure BDA00027401894800000613
为阀角侧首端电流(或角侧开关电流)。对星星换流变压器小差正序变化量差动保护来说，
Figure BDA00027401894800000614
为星星换流变压器网侧首端电流，
Figure BDA00027401894800000615
为星星换流变压器阀星侧首端电流。对星角换流变压器小差正序变化量差动保护来说，
Figure BDA00027401894800000616
为星角换流变压器网侧首端电流，
Figure BDA00027401894800000617
为星角换流变压器阀角侧首端电流。
根据某些实施例，所述第一和第二门限值的取值范围可以为：
0.1≤K1≤0.4，0.5≤K2≤1.0。
电流的正序变化量
Figure BDA0002740189480000071
通过如下步骤获取：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure BDA0002740189480000072
正序电流突变量
Figure BDA0002740189480000073
只需从常规正序分量减去对应的负荷电流便可获得：
Figure BDA0002740189480000074
其中
Figure BDA0002740189480000075
为短路前负荷电流，在微机保护中的做法为：△i1(t)＝i1(t)-i1(t-nT)，n为整数，T为工频周期。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种正序变化量差动保护装置，其结果示意图如图4所示。该装置包括正序变化量差动保护判断模块、正序变化量差动保护动作模块，所述正序变化量差动保护判断模块中还包括电流正序变化量获取模块。所述正序变化量差动保护判断模块的输出连接所述正序变化量差动保护动作模块。
所述正序变化量差动保护判断模块，判断正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires是否满足正序变化量差动保护动作方程；
所述正序变化量差动保护动作模块，当接收到满足正序变化量差动保护动作方程的判断结果时，正序变化量差动保护动作跳闸；
其中，所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure BDA0002740189480000076
Figure BDA0002740189480000077
Figure BDA0002740189480000078
为网侧边开关电流，
Figure BDA0002740189480000079
为网侧中开关电流，
Figure BDA00027401894800000710
为阀星侧首端电流，
Figure BDA00027401894800000711
为角侧首端电流，
Figure BDA00027401894800000712
分别为对应各侧电流的正序变化量；
Figure BDA00027401894800000713
为
Figure BDA00027401894800000714
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
所述电流正序变化量获取模块，获取电流的正序变化量
Figure BDA0002740189480000081
包括：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure BDA0002740189480000082
通过下式得到电流的正序变化量
Figure BDA0002740189480000083
Figure BDA0002740189480000084
其中
Figure BDA0002740189480000085
为短路前负荷电流。
图5示出了正序变化量差动保护逻辑图，如图5所示，本发明实施例所提供的正序变化量差动保护方法以及保护装置对应于其中的正序变化量差动保护启动模块。在正序变化量差动保护逻辑中，以正序变化量差动保护A相为例，还包括正序变化量差动保护A相继电器、A相饱和开放、A相励磁涌流闭锁、以及CT断线闭锁差动，上述四种保护逻辑判别结果输出至第一与门的输入，其中，正序变化量差动保护A相继电器和A相饱和开放的结果直接输出，A相励磁涌流闭锁和CT断线闭锁差动的结果取反后输出。将上述第一与门的输出与本发明实施例中涉及的正序变化量差动保护的结果输出至第二与门的输入端，从而得到正序变化量差动保护A相动作的逻辑判定结果。其余两相的保护逻辑与A相相同。
综上所述，本发明涉及一种利用换流变压器网侧电流和阀侧电流构成的带制动特性的正序变化量差动保护方法以及保护装置，可以用于直流输电系统中的变压器和换流变压器，实现方法简单、可靠，实现门槛较低，通过将正序变化量引入到差动保护模块，利用正序变化量的独特优点，实现了对于变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障的保护，使其能够灵敏地动作于变压器或换流变压器内部的轻微故障，不受负荷影响，即使在重负荷下也能可靠动作，并且受过渡电阻影响较小，区外故障不会误动作。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种正序变化量差动保护方法，其特征在于，
当正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires满足正序变化量差动保护动作方程时，正序变化量差动保护动作跳闸；其中，
所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure FDA0002740189470000011
其中，
Figure FDA0002740189470000012
Figure FDA0002740189470000013
为网侧边开关电流，
Figure FDA0002740189470000014
为网侧中开关电流，
Figure FDA0002740189470000015
为阀星侧首端电流，
Figure FDA0002740189470000016
为阀角侧首端电流。边开关是指3/2接线中靠近母线侧的开关，中开关是指3/2接线中远离母线侧的开关。
Figure FDA0002740189470000017
分别为对应上述各侧电流的正序变化量；
Figure FDA0002740189470000018
为
Figure FDA0002740189470000019
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
2.根据权利要求1所述的差动保护方法，其特征在于，电流的正序变化量
Figure FDA00027401894700000110
通过如下步骤获取：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure FDA00027401894700000111
通过下式得到电流的正序变化量
Figure FDA00027401894700000112
其中
Figure FDA00027401894700000113
为短路前负荷电流。
3.根据权利要求2所述的差动保护方法，其特征在于，所述差动保护方法用于大差正序变化量差动保护，所述大差正序变化量差动保护的保护范围包括换流变压器引线、星星换流变压器和星角换流变压器。
4.根据权利要求2所述的差动保护方法，其特征在于，所述差动保护方法用于小差正序变化量差动保护，所述小差正序变化量差动保护包括星星换流变压器小差正序变化量差动保护和星角换流变压器小差正序变化量差动保护。
5.根据权利要求3或4所述的差动保护方法，其特征在于，所述第一和第二门限值的取值分别为：
0.1≤K1≤0.4，0.5≤K2≤1.0。
6.一种正序变化量差动保护装置，其特征在于，包括正序变化量差动保护判断模块和正序变化量差动保护动作模块，所述正序变化量差动保护判断模块的输出连接所述正序变化量差动保护动作模块；
所述正序变化量差动保护判断模块，判断正序变化量动作电流Iop和制动电流Ires是否满足正序变化量差动保护动作方程；
所述正序变化量差动保护动作模块，当接收到满足正序变化量差动保护动作方程的判断结果时，正序变化量差动保护动作跳闸；
其中，所述正序变化量差动保护动作方程为：
Figure FDA0002740189470000021
Figure FDA0002740189470000022
Figure FDA0002740189470000023
为网侧边开关电流，
Figure FDA0002740189470000024
为网侧中开关电流，
Figure FDA0002740189470000025
为阀星侧首端电流，
Figure FDA0002740189470000026
为阀角侧首端电流。边开关是指3/2接线中靠近母线侧的开关，中开关是指3/2接线中远离母线侧的开关。
Figure FDA0002740189470000027
分别为对应各侧电流的正序变化量；
Figure FDA0002740189470000028
为
Figure FDA0002740189470000029
中幅值最大者；K1和K2为正序变化量差动保护的第一门限值和第二门限值，Ie为直流输电系统中单个变压器的额定电流。
7.根据权利要求6所述的差动保护装置，其特征在于，所述正序变化量差动保护判断模块中还包括电流正序变化量获取模块；
所述电流正序变化量获取模块，获取电流的正序变化量
Figure FDA00027401894700000210
包括：
采用对称分量法得到在保护范围内任一点发生故障时对应的正序复合序网图；
根据叠加原理把所述正序复合序网分解成故障前状态及故障附加状态；
根据故障附加状态得到短路状态下的正序电流
Figure FDA0002740189470000031
通过下式得到电流的正序变化量
Figure FDA0002740189470000032
其中
Figure FDA0002740189470000033
为短路前负荷电流。
8.根据权利要求7所述的差动保护装置，其特征在于，所述差动保护装置用于大差正序变化量差动保护，所述大差正序变化量差动保护的保护范围包括换流变压器引线、星星换流变压器和星角换流变压器。
9.根据权利要求7所述的差动保护装置，其特征在于，所述差动保护装置用于小差正序变化量差动保护，所述星星换流变压器小差正序变化量差动保护的保护范围包括星星换流变压器，星角换流变压器小差正序变化量差动保护的保护范围包括星角换流变压器。
10.根据权利要求8或9所述的差动保护装置，其特征在于，所述第一和第二门限值的取值分别为：
0.1≤K1≤0.4，0.5≤K2≤1.0。
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