CN112701667B - 基于数字编码的正序电流相位差动保护方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护方法、装置及系统，属于配电网继电保护领域，方法包括：采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，滤除电流时间序列中的电流衰减直流分量之后，从中提取正序分量时间序列，并对正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列；分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列；将这些采样值编码时间序列进行按位或运算；当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁。解决差动保护数据传输量大的问题，在通信环境较差的配电网中仍然可以准确识别区内故障。

Description

基于数字编码的正序电流相位差动保护方法、装置及系统

技术领域

本发明属于配电网继电保护领域，更具体地，涉及一种基于数字编码的正序电流相位差动保护方法、装置及系统。

背景技术

面对日益严重的能源与环境问题，可再生能源逐渐进入人们的视野，大量分布式电源接入配电网，对提高能源结构多样性、网络运行经济性和供电高效性等有积极影响。但分布式电源的接入使得配电网结构由传统的单电源放射状网络变为多电源网络，传统三段式电流保护面临严重的选择性问题。目前国内含分布式电源配电网保护方法主要依据国家电网公司出台的《分布式电源接入电网技术规定》和IEEE 1547-2003标准，采用故障后隔离全部分布式电源的方法，但该方法无法充分发挥分布式电源对电网的支撑作用，而且严重限制新能源技术的发展。

解决含分布式电源配电网保护选择性问题最有效的方法是差动保护。目前配电网通信条件恶劣，无法实现大量数据精确地实时传输。差动保护数据传输量较大这一问题现有文献中还未得到很好的解决。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护方法、装置及系统，其目的在于解决差动保护数据传输量大的问题，使得在通信环境较差的配电网中仍然可以准确识别区内故障。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，包括：S1，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除所述电流时间序列中的电流衰减直流分量；S2，从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对所述正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列；S3，分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，所述其他各侧继电保护装置的数量大于等于1；S4，将所述第一采样值编码时间序列与所述第二采样值编码时间序列进行按位或运算；S5，当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，所述第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值。

更进一步地，所述预设阈值为时域上的闭锁角K_set：

其中，

为相位差动闭锁角，T为工频周期，T_s为采样周期。

更进一步地，所述相位差动闭锁角为：

其中，δ_TA为线路差动保护区两侧二次电流的相位差，

为裕度角。

更进一步地，所述S2中提取得到的正序分量时间序列为：

其中，i(k)为所述正序分量时间序列中第k个采样时刻对应的正序分量，i′_a(k)、

和

分别为第k个采样时刻对应的滤除电流衰减直流分量后的A相电流采样值、B相电流采样值和C相电流采样值，N为一个工频周期内的采样点数。

更进一步地，所述S1中采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，包括：与所述线路差动保护区其他各侧继电保护装置同步；按照与所述线路差动保护区其他各侧继电保护装置相同的采样时间间隔，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列。

更进一步地，所述S3中每隔预设时间间隔接收一次所述第二采样值编码时间序列。

更进一步地，所述S2中对所述正序分量时间序列进行二进制编码包括：将所述正序分量时间序列中处于正半周的正序分量电流编码为1，将处于负半周的正序分量电流编码为0，所述第一编码为0。

更进一步地，所述S5中保护启动包括：切除所述线路差动保护区一侧的断路器。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护装置，包括：采样及滤除模块，用于采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除所述电流时间序列中的电流衰减直流分量；提取及编码模块，用于从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对所述正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列；接收模块，用于分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，所述其他各侧继电保护装置的数量大于等于1；运算模块，用于将所述第一采样值编码时间序列与所述第二采样值编码时间序列进行按位或运算；保护模块，用于当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，所述第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护系统，包括多个继电保护装置，分别设置在多个线路差动保护区的每一侧，位于同一线路差动保护区各侧的继电保护装置之间设置有通信线路以传输采样值编码时间序列；所述继电保护装置用于执行如上所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，以在任一线路差动保护区内发生故障时切断所述线路差动保护区各侧的断路器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：采用能综合反映各相运行工况的电流正序分量的瞬时值作为构成差动保护判据的电气量，将数据通信量压缩为原来的三分之一，并将电流正序分量的瞬时值转换为二进制编码，进一步压缩数据通信量，解决差动保护数据传输量大的问题，使得在通信环境较差的配电网中仍然可以准确识别区内故障；此外，滤除采样电流中的衰减直流分量，避免线路故障时影响相位判断，提高了故障判断以及保护的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的双端电源电力系统的示意图；

图3为图2所示系统中缓存区的更新示意图；

图4A为图2所示系统中线路两端电流采样值正序分量波形示意图；

图4B为图2所示系统中线路两端电流采样值正序分量编码示意图；

图5为图2所示系统的逻辑运算结果示意图；

图6为本发明实施例提供的基于数字编码的正序电流相位差动保护装置的框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法的流程图。参阅图1，结合图2-图5，对本实施例中基于数字编码的正序电流相位差动保护方法进行详细说明。

本实施例中，以图2中示出的双端电源电力系统为例说明该基于数字编码的正序电流相位差动保护方法。参阅图2，线路例如为10kV电压等级配电网，两侧通过升压变压器T1、T2接入35kV电压等级的电源中，配电线路长度例如为6km，线路正序阻抗为z＝0.276+j0.343Ω/km。

为电流相位差动保护的一次侧电流，母线N侧接入一负载，k为线路MN差动保护范围内的故障点，线路两侧分别设置有M侧继电保护装置和N侧继电保护装置。这两个继电保护装置中均执行该基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，以对线路MN进行故障检测和差动保护。需要说明的是，对于M侧继电保护装置而言，其相当于以下操作中线路差动保护区一侧的继电保护装置，N侧继电保护装置相当于以下操作中线路差动保护区另一侧的继电保护装置。

可以理解的是，电源电力系统中的线路差动保护区也可以有其他结构。例如十字型交叉线路具有四侧，四个继电保护装置分别设置在这四侧，其中一个继电保护装置相当于以下操作中线路差动保护区一侧的继电保护装置，其他三个继电保护装置相当于以下操作中线路差动保护区其他各侧的继电保护装置。方法包括操作S1-操作S5。

操作S1，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除电流时间序列中的电流衰减直流分量。

具体地，操作S1中，与线路差动保护区其他各侧继电保护装置同步；按照与线路差动保护区其他各侧继电保护装置相同的采样时间间隔，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列。电流时间序列是指若干个电流数据按照其采样时刻的先后顺序排列形成的数列。

对于图2所示系统，M侧继电保护装置和N侧继电保护装置同步之后，各自按照预先设置好的时间间隔持续采样，并将采样数据分别存入各自的缓存区内，每采样一次对缓存区内的电流时间序列进行一次更新。缓存区长度例如为x，则缓存区中存放有x个采样时刻的电流i₁、i₂...、i_x，采用先进先出的原则对缓存区中的数据进行更新，即缓存区内所有数据依次向左移一位，将最左侧的数据移除，将最新的采样值存入最右侧的缓存区中，如图3所示。

当线路中有故障发生时，故障发生后的几个周波内，故障线路各侧测量点处流过的故障电流将有较大的衰减直流分量，使得电流波形处于负半周的时间发生变化，影响相位判断。因此，操作S1中采样得到电流数据后需要滤除其中的电流衰减直流分量，例如采用差分法滤除电流衰减直流分量。滤除电流衰减直流分量后M、N两侧的电流为：

i′_m(k)＝i_m(k)-i_m(k-1)

i′_n(k)＝i_n(k)-i_n(k-1)

其中，i′_m(k)、i′_n(k)分别为M侧、N侧滤除电流衰减直流分量后第k个采样时刻的电流采样值，其波形如图4A上方波形所示。

操作S2，从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列。

滤除直流分量后，采用电流正序分量判断电流相位信息，因此需要计算出电流正序分量的瞬时值。例如通过移相算法计算出线路两侧电流正序分量的瞬时值：

其中，i(k)为第k个采样时刻对应的正序分量，i′_a(k)、

和

分别为第k个采样时刻对应的滤除电流衰减直流分量后的A相电流采样值、B相电流采样值和C相电流采样值，N为一个工频周期内的采样点数。M侧、N侧正序分量的波形如图4A下方波形所示。

进一步地，将正序分量时间序列中处于正半周的正序分量电流编码为1，将处于负半周的正序分量电流编码为0。具体地，M侧继电保护装置和N侧继电保护装置分别对其得到的正序分量进行二进制编码。以M侧继电保护装置为例，当M侧正序分量电流处于正半周时，将其对应的采样点标记为1，否则，将其对应的采样点标记为0。以一个工频周期内的采样点数N＝24为例，对线路MN两侧一个周期内的电流采样值正序分量的瞬时值进行编码后，得到如图4B所示的两个采样值编码时间序列。

操作S3，分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，其他各侧继电保护装置的数量大于等于1。

操作S3中，每隔预设时间间隔接收一次第二采样值编码时间序列。对于图2所示系统，M侧继电保护装置和N侧继电保护装置每隔预设时间彼此向对侧发送一次其存储的采样值编码时间序列。对于十字型交叉线路，其每侧的继电保护装置每隔预设时间彼此向其他三侧的继电保护装置发送一次其存储的采样值编码时间序列。预设时间间隔例如为半个工频周期，当其采样值编码时间序列的长度达到

时，便周期性地将其得到的采样值编码时间序列向对侧发送，其中，T为工频周期，T_s为采样周期。

操作S4，将第一采样值编码时间序列与第二采样值编码时间序列进行按位或运算。

仍以继电保护装置一个工频周期内的采样点数N＝24为例，M侧继电保护装置在一定时间间隔内编码的采样序列为

为M侧继电保护装置在该时间间隔内第k个采样点处的二进制编码。M侧继电保护装置接收到线路MN对侧继电保护装置在当前时间间隔内编码的时间序列为

其中

为N侧保护装置在该时间间隔内第k个采样点处的二进制编码。将这两个采样值编码时间序列进行按位或运算，得到运算结果

其中

为M侧继电保护装置与N侧继电保护装置在该时间间隔内第k个采样点处二进制编码相或的运算结果，编码结果如图5所示。对于十字型交叉线路，将这四个采样值编码时间序列进行按位或运算，得到运算结果。

操作S5，当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值。

第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值0。根据本发明的实施例，预设阈值为时域上的闭锁角K_set：

其中，

为相位差动闭锁角，T为工频周期，T_s为采样周期，δ_TA为线路差动保护区两侧二次电流的相位差，

为裕度角。

相位差动保护整定遵循外部故障时不误动的原则，因此，需要计算外部故障时差动保护区内j侧和k侧对应的正序电流相位差。外部故障时流过j侧和k侧的电流相位差为180°，电流经过电流互感器变换到二次侧时会产生误差，按照电力行业标准的10％误差曲线选择负载后，对应两侧二次电流相位差δ_TA小于7°。

依据工程经验可取为15°。

对于图5所示运算结果，仍以继电保护装置一个工频周期内的采样点数N＝24为例，预设阈值为：

图5所示运算结果中存在6个连续的编码0，大于预设阈值2，判断出发生了区内故障，保护动作，切除线路差动保护区一侧的断路器。具体地，M侧继电保护装置控制切除线路差动保护区M侧的断路器，N侧继电保护装置控制切除线路差动保护区N侧的断路器。

图6为本发明实施例提供的基于数字编码的正序电流相位差动保护装置的框图。参阅图6，该基于数字编码的正序电流相位差动保护装置600包括采样及滤除模块610、提取及编码模块620、接收模块630、运算模块640以及保护模块650。

滤除模块610例如执行操作S1，用于采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除电流时间序列中的电流衰减直流分量。

提取及编码模块620例如执行操作S2，用于从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列。

接收模块630例如执行操作S3，用于分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，其他各侧继电保护装置的数量大于等于1。

运算模块640例如执行操作S4，用于将第一采样值编码时间序列与第二采样值编码时间序列进行按位或运算。

保护模块650例如执行操作S5，用于当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值。

基于数字编码的正序电流相位差动保护装置600用于执行上述图1-图5所示实施例中的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图5所示实施例中的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种基于数字编码的正序电流相位差动保护系统。系统中包括多个继电保护装置，分别设置在多个线路差动保护区的每一侧。位于同一线路差动保护区各侧的继电保护装置之间设置有通信线路以传输采样值编码时间序列。对于任一继电保护装置而言，可以接收到所有与其连接的继电保护装置发送的采样值编码时间序列。每一个继电保护装置中均执行如图1-图5所示实施例中的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，以在任一线路差动保护区内发生故障时，线路差动保护区各侧的继电保护装置切断线路差动保护区各侧的断路器。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图5所示实施例中的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，包括：

S1，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除所述电流时间序列中的电流衰减直流分量；

S2，从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对所述正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列；

S3，分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，所述其他各侧继电保护装置的数量大于等于1；

S4，将所述第一采样值编码时间序列与所述第二采样值编码时间序列进行按位或运算；

S5，当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，所述第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值，所述预设阈值为时域上的闭锁角K_set：

其中，

为相位差动闭锁角，T为工频周期，T_s为采样周期，δ_TA为线路差动保护区两侧二次电流的相位差，

为裕度角。

2.如权利要求1所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，所述S2中提取得到的正序分量时间序列为：

其中，i(k)为所述正序分量时间序列中第k个采样时刻对应的正序分量，i′_a(k)、

和

分别为第k个采样时刻对应的滤除电流衰减直流分量后的A相电流采样值、B相电流采样值和C相电流采样值，N为一个工频周期内的采样点数。

3.如权利要求1所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，所述S1中采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，包括：

与所述线路差动保护区其他各侧继电保护装置同步；

按照与所述线路差动保护区其他各侧继电保护装置相同的采样时间间隔，采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列。

4.如权利要求1所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，所述S3中每隔预设时间间隔接收一次所述第二采样值编码时间序列。

5.如权利要求1所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，所述S2中对所述正序分量时间序列进行二进制编码包括：

将所述正序分量时间序列中处于正半周的正序分量电流编码为1，将处于负半周的正序分量电流编码为0，所述第一编码为0。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，其特征在于，所述S5中保护启动包括：切除所述线路差动保护区一侧的断路器。

7.一种基于数字编码的正序电流相位差动保护装置，其特征在于，包括：

采样及滤除模块，用于采样获取线路差动保护区一侧的电流时间序列，并滤除所述电流时间序列中的电流衰减直流分量；

提取及编码模块，用于从滤除后的电流时间序列中提取正序分量时间序列，并对所述正序分量时间序列进行二进制编码，得到第一采样值编码时间序列；

接收模块，用于分别接收线路差动保护区其他各侧继电保护装置发送的第二采样值编码时间序列，所述其他各侧继电保护装置的数量大于等于1；

运算模块，用于将所述第一采样值编码时间序列与所述第二采样值编码时间序列进行按位或运算；

保护模块，用于当按位或运算的运算结果中连续出现第一编码的次数大于预设阈值时，线路差动保护区内发生故障，保护启动，否则，保护闭锁，所述第一编码为正序分量电流处于负半周时对应的编码值，所述预设阈值为时域上的闭锁角K_set：

其中，

为相位差动闭锁角，T为工频周期，T_s为采样周期，δ_TA为线路差动保护区两侧二次电流的相位差，

为裕度角。

8.一种基于数字编码的正序电流相位差动保护系统，包括多个继电保护装置，分别设置在多个线路差动保护区的每一侧，其特征在于，位于同一线路差动保护区各侧的继电保护装置之间设置有通信线路以传输采样值编码时间序列；

所述继电保护装置用于执行如权利要求1-6任一项所述的基于数字编码的正序电流相位差动保护方法，以在任一线路差动保护区内发生故障时切断所述线路差动保护区各侧的断路器。

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