基于极化电流行波方向继电器的行波方向比较式纵联保护技术及其在750 kV线路上的应用

2015-09-21董新洲罗澍忻施慎行王世勇邬捷龙粟小华张言苍郭效军兰金波钱国明

电力自动化设备 2015年9期

董新洲，罗澍忻，施慎行，王宾，王世勇，崔柳，王珺，任立，姜博，许飞，邬捷龙，刘峰，粟小华，张言苍，郭效军，兰金波，钱国明

（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；2.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；3.国家电网公司西北分部，陕西西安 710048；4.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210032）

0 引言

超/特高压输电系统的发展，对于继电保护动作速度的要求越来越高，传统的基于工频量的继电保护原理难以满足其要求。行波保护原理由于其快速动作的特性，且不受线路分布电容电流、电流互感器饱和的影响，在超/特高压输电线路上有广泛的应用前景。

早在20世纪70年代，基于行波原理的保护技术包括行波距离保护[1]、行波差动保护[2]、行波纵联方向保护[3-5]等就已经被提出，且在国内外有相应的保护装置投入现场试运行。但由于当时的技术水平限制，保护装置的整体可靠性较差，在现场运行中出现了误动的情况[6]，最终以失败告终。

近年来，随着高速数据采集技术、小波变换技术和GPS技术的成熟和应用，利用行波故障信息构造故障测距和继电保护的研究再次掀起高潮[7-8]。特别地，伴随着基于电流行波的输电线路故障测距技术获得大面积成功应用，研究者把目光聚焦到具有优良性能的行波保护研究上来。由于对于可靠性和快速性的要求不同，目前的行波故障测距技术只采用电流行波，但这对于构造高可靠性的行波保护是不够的，电压行波信息不可或缺。

行波距离保护由于线路对端母线和相邻线路反射波的影响，故障点反射行波的可靠识别是一个难题。而且对于距离保护算法，测距误差的存在使得行波距离保护无法保护线路全长。行波差动保护利用线路本端与对端的电压、电流信息构成保护算法，线路两端的数据需要同步，通信数据量较大，对线路通道的要求较高。且电压行波受到电容式电压互感器 CVT（Capacitor Voltage Transformer）特性的限制，难以获得满意的保护特性。

行波纵联方向保护技术由于其只利用本端的电压、电流信息构成故障方向判据，只需线路通道传递故障方向信息，对通道的要求较低，具有较高的实用性。但是，由于CVT的特性限制，电压行波的高频分量无法有效地获取，使得行波纵联方向保护技术亦无法真正实现现场应用。

极化电流行波方向继电器（PCTDR）[9]基于行波在不同频带下的极性一致性特点[10]，采用电流行波作为动作量、电压行波的低频分量作为极化量，构造出方向保护元件。该继电器在实验室测试中取得了较好的动作性能，且在考虑线路并联电抗器和串补电容器的情况下都能可靠动作[11-12]。2012年，基于极化电流行波方向继电器的行波方向比较式纵联保护在国网西北750 kV输电线路上成功投运。

本文首先简要介绍了极化电流行波方向继电器和基于该继电器的行波方向比较式纵联保护原理和装置，然后介绍了保护装置在西北电网750 kV线路上的应用情况，并对装置在挂网试运行期间发生的一起区外故障进行了分析。分析结果表明，该行波保护装置能够可靠地识别并正确判断故障方向，保护原理的正确性和装置的可靠性得到了验证。该保护技术的成功运行，从原理和技术2个层面证明了行波保护是可行、可用的超/特高压线路保护方案，对于解决超/特高压输电线路保护特殊问题具有特别重要的价值。

1 行波方向比较式纵联保护原理

本文所实现的行波方向比较式纵联保护技术基于极化电流行波方向继电器构成，该方向继电器采用电压行波低频分量的极性和电流行波高频分量的极性构成极性比较式方向保护。

当输电线路发生故障时，线路上将产生故障行波并向两端传播。对于正向和反向故障，保护安装处所测量到的电压、电流初始行波极性特征不同。正向故障时，电压初始行波与电流初始行波的极性相反；反向故障时，二者的极性相同[3，13]，如下式所示。

上式中，对于三相系统，采用凯伦贝尔变换对三相电压、电流进行解耦，如式（1）、（2）所示。

其中，ua、ub、uc和 ia、ib、ic分别为三相电压和电流；uα、uβ、uγ和 iα、iβ、iγ分别为 α、β、γ 线模分量的电压和电流。

对于电压、电流各个线模分量进行小波变换，并取电压低频尺度和电流高频尺度下的初始模极大值，故障方向判据如式（3）所示。

其中，MIα、MIβ、MIγ为各线模电流的初始模极大值；MUα、MUβ、MUγ为各线模电压的初始模极大值。

当存在任一线模电压与线模电流的极性相反时，判断为正向故障；反之则判断为反向故障。线路两端通过通信通道构成纵联方向保护，当线路两端都判断为正向故障时，判定为线路区内故障，两端保护装置发出跳闸信号。

2 保护装置

基于该纵联保护技术所研制的行波保护装置总体结构示意图如图1所示。该保护装置由4个子模块组成：电压/电流变换模块，行波保护板模块，工频保护板模块和监控板模块。电压/电流变换模块把互感器二次侧的大电压、大电流变换为小信号，由行波数据采集回路将电压、电流数据采样为数字量，行波保护板和工频保护板进行保护算法逻辑的判断，最终发出跳闸或者告警信号。监控板负责装置的界面显示、人机接口、后台通信等功能。装置的具体实现方案在文献[14]中已有详细叙述，本文不再赘述。

图1 基于极化电流行波方向继电器的行波方向比较式纵联保护装置总体结构图Fig.1 Overall structure of PCTDR-based directional comparison pilot protection

该装置在实验室环境下使用行波保护测试仪[15]进行了大量的动模实验测试，并通过了电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心的型式试验测试。测试内容包括快速瞬变干扰试验、静电放电干扰试验、射频传导骚扰试验、工频磁场抗扰度试验、工频抗扰度试验、脉冲群干扰试验、浪涌（冲击）试验、低温试验、高温试验、过载能力试验、电源影响试验、绝缘电阻试验和介质强度试验13项型式试验项目[16]。在测试中该保护装置采样正常、工作正常，具有良好的抗电磁干扰的特性，对于干扰能够保证不误动，对于故障能够可靠动作，符合行业标准的要求。

3 现场应用

3.1 现场概况

研制的行波方向比较式纵联保护装置于2012年7月开始在西北750 kV电网试运行。系统的网架结构如图2所示，保护装置安装在乾县—信义Ⅰ线上，乾县变电站共有8回进出线，信义变电站共有4回进出线。现场屏柜装置已稳定运行2.5 a，运行期间未发生过硬件故障或软件异常告警，没有发生误动或者拒动的情况，整体运行情况良好。

图2 750 kV系统Fig.2 750 kV system

3.2 故障录波波形

2012年8月25 日，在装置挂网线路区外洛川—榆横Ⅱ线上发生了一起B相单相接地故障，洛川变电站的差动保护和工频变化量距离保护动作。位于乾县变电站的行波保护装置判断为正向故障，故障录波波形见图3。装置电流采样率为500 kHz，录波长度为250 μs；电压采样率为20 kHz，录波长度为故障前20 ms加上故障后1 ms数据，以便获取电压的故障分量。位于信义变电站的保护装置判断为反向故障，由于装置的参数设置，对反向故障并不进行故障录波。图3中，故障时刻为0时刻，B相电压在故障后降低，而A、C相电压并无明显变化。三相电流均出现明显的振荡分量，B相电流初始行波极性与A、C两相电流相反，符合B相单相接地故障的特征。

图3 乾县变电站故障录波波形Fig.3 Fault recording waveforms of Qianxian substation

3.3 电压波形与CVT特性分析

由于CVT特性的影响，故障电压波形不含有高频分量，故障后的电压波形较为平滑。CVT的幅频特性如图4所示。在10 Hz～2 kHz的频率范围内，CVT能够无衰减地传变电压信号。但是，对于2 kHz以上的电压频率分量，经过CVT到达二次侧的电压都存在一定程度的衰减，这使得电压行波高频分量无法应用于行波保护中。通过在EMTP/ATP中建立CVT的等效模型[17]，仿真得出了CVT一次侧和二次侧的电压波形，如图5所示。可以看出，由于CVT特性的影响，二次侧电压波形的高频分量消失，不存在一次侧电压中较为明显的行波突变信号，整体波形变得较为平滑。

图4 CVT的幅频特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristic of CVT

图5 CVT一次侧和二次侧的电压波形Fig.5 Voltage waveforms at primary and secondary sides of CVT

3.4 电流波形与电流互感器特性分析

从图3中的故障电流波形可见，故障电流存在着较为明显的衰减振荡分量，振荡频率约为40 kHz，这是由于电流互感器二次侧的控制电缆特性会对电流行波产生影响。电流互感器及其二次侧控制电缆的等效模型[18]见图6。

图6 电流互感器及其二次侧电缆的等效电路Fig.6 Euivalent circuit of CT and its secondary-side cable

其中，Rs=R2+RC+RL；Ls=L2+LC。

该系统为二阶系统，可以写成如下标准形式：

图中，R1、L1和 R2、L2分别为一次侧和二次侧的电阻、电感；Lm和Rm分别为电流互感器铁芯的励磁电感和损耗电阻；LC、RC分别为二次侧电缆的等效电感和电阻；I1、I2分别为电流互感器一次侧和二次侧的电流。对于高频的电流行波分析，需要考虑二次侧对地杂散电容C2s的影响。由于二次侧电缆较短，可以忽略电缆的分布电容，采用集中参数的RL线路模型。由于Lm的数值相比其他元件大得多，因此在具体计算中可以忽略Lm，而不影响计算结果的精度。根据图6可以推出电流互感器回路的传递函数，如式（4）所示。

根据电流互感器的实际参数，可以得到ξ＜1。因此，电流互感器回路为二阶欠阻尼系统。对于故障行波电流，可以看作一阶跃函数I0ε（t），计算得到二次侧电流的时域表达式为：

从式中可以看出，二次侧电流在阶跃电流的基础上叠加了一衰减振荡分量，如图7所示。

图7 电流互感器一次侧和二次侧的电流波形Fig.7 Current waveforms at primary and secondary sides of CT

3.5 故障结果分析

对于故障录波波形进行相模变换，并计算各个模量的小波变换及其对应尺度的模极大值。电流取小波变换第3尺度，对应频率为31.25～62.5 kHz；电压取小波变换第4尺度，对应频率为0.625～1.25 kHz。α模量和β模量电压、电流及其小波变换模极大值如图8、9所示，模极大值的数值如表1所示。可以看出，电压和电流的初始模极大值极性相反，保护判断为正向故障。γ模量由于幅值较小，未超过设定的阈值，不进行方向判断。