母线采样值差动保护数据窗选取方法研究

王风光， 杜兴伟， 吕 航，鲍凯鹏， 丁 杰

( 1. 南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京 211102；2. 智能电网保护和运行控制企业国家重点实验室，江苏 南京211102；3. 国网河南省电力公司，河南 郑州 450018)

0 引言

与传统的电流相量差动保护相比，电流采样值差动保护具有动作速度快、计算量少等特点，目前广泛应用于母线差动保护、变压器差动保护及线路光差保护等微机保护装置。国内虽然有大量文献对电流采样值差动保护原理进行探讨，但是探讨的内容多集中在采样值差动动作模糊区的处理，数据窗长度R及重复判断次数S的选取等问题，对于采样值差动保护每周波数据窗的选取方法，鲜有文献进行重点探讨[1-3]。

电流采样值差动保护依靠被保护对象的电流瞬时值来进行故障判别，其基本动作原理为：如果连续R个采样点的数据窗中有不少于S个点符合动作条件，则保护动作。每周波数据窗的选取正确与否是采样值差动保护动作行为是否正确的关键[4-6]。

对采样值差动保护来说，第1个数据窗比较容易选择，但是后续数据窗的选择需要考虑多种因素的影响，如系统频率、电流非周期分量及电流互感器(current transformer,CT)传变特性等。当故障一次电流很大，尤其是一次电流中含有较大的非周期分量时，CT将出现饱和，将严重影响数据窗选取的正确性，如果再发生复杂的转换性故障，则更增加了数据窗选取的难度[7-10]。

母差保护是电力系统中非常重要的元件保护装置，母差保护的稳定、安全、可靠直接关系到电力系统的稳定性及供电的可靠性。当母线上的某个支路发生故障时，母线上所有支路的电流均流向故障点，可能导致故障支路发生严重CT饱和，因此将采样值差动保护原理应用于母差保护时，需要保证CT饱和情况下保护动作行为的正确性[11-12]。

文中分析了CT饱和时的故障电流特征，并对比了母差区内外故障时差动电流及制动电流波形特征，提出一种应用于采样值差动保护的数据窗选取方法，可靠地保证了每周波数据窗选取的连续性及准确性，提高了CT饱和情况下采样值差动保护动作的快速性及准确性。

1 采样值差动保护原理

1.1 饱和电流波形特征分析

图1为电流互感器铁芯磁滞回线图，其中纵坐标Ψ为磁感应强度，横坐标i为励磁电流。正常情况下，CT铁心工作于励磁特性上磁感应强度Ψ较小的线性区域，CT可以正确传变一次电流。当发生母线区外故障时，故障线路流过全部短路电流，线路CT流入较大含非周期分量的短路电流，导致磁感应强度Ψ沿磁滞回线进入饱和区。CT饱和导致励磁阻抗变小，一次电流大部分流入励磁支路，CT二次电流急剧下降，CT无法正确传变一次电流波形，随后由于反向励磁磁感应强度降低，CT逐渐退出饱和，可以正确传变一次电流[13-14]。

图1 电流互感器磁滞回线Fig.1 Magnetic hysteresis loop of CT

基于电流互感器磁滞回线，可以推论出CT在每个周波均存在线性传变区，图2的 CT饱和波形符合这一典型特征。

图2 CT饱和波形Fig.2 Saturation waveform of CT

在饱和CT每周波均存在线性传变区的基础上，分析图2，总结得到以下主要特征：

(1) 短路发生后，CT不会立即进入饱和，通过研究表明，即使故障电流达到额定电流的100倍以上，CT仍有不低于2 ms的线性段可传变一次电流[6-7]；

(2) CT进入饱和后，二次电流波形出现严重缺损，无法正确传变一次电流；

(3) 即使短路电流中存在较大的正向非周期分量，也不会影响二次波形的正向过零点；

(4) 对于由非周期分量引起CT饱和的情况，CT励磁电流中包含大量非周期分量，波形偏向时间轴一侧[15-17]。

1.2 CT饱和时区内外故障电流对比

母线发生区外故障时，根据基尔霍夫定律，流入母线的电流与流出母线的电流应当大小相等，方向相反，因此母线差流为0。如果故障线路CT发生饱和，则CT一次电流大量流入励磁回路，CT二次电流急剧降低，差动电流随之上升。母线发生区内故障时，如果CT发生饱和，则由于CT二次电流降低导致差动电流降低，严重情况下(单电源系统)差动电流接近0。图3为CT饱和情况下母线区外故障时差动电流及制动电流波形，图4为CT饱和情况下母线区外故障时差动电流及制动电流变化率波形。

图3 CT饱和时区外故障差动电流及制动电流波形Fig.3 Differential current and restraint current under external fault with CT saturated

图4 CT饱和时区外故障差动电流及制动电流变化率Fig.4 Chang rate of differential current and restraint current under external fault with CT saturated

基于饱和CT在每周波均存在线性传变区的结论，分析图3和图4，得差动电流及制动电流具备以下特征：

(1) 故障起始时刻，因为CT尚未进入饱和，所以制动电流瞬时值先于差动电流瞬时值发生变化；

(2) 在每周波正向过零点附近，由于CT均存在线性传变区，所以差动电流瞬时值接近于0，而制动电流瞬时值不为0；

(3) 在每周波正向过零点，制动电流变化率远远大于差动电流变化率。

图5为CT饱和情况下母线区内故障时差动电流及制动电流波形。分析图5可知，差动电流及制动电流不具备上述3个特征，在故障起始时刻，制动电流与差动电流同时发生变化。

图5 CT饱和时区内故障差动电流及制动电流波形Fig.5 Differential current and restraint current under internal fault with CT saturated

1.3 采样值差动保护原理

采样值差动保护在线性传变区内可保证动作行为的正确性，因此获取电流每周波的线性传变区是采样值差动保护的基础；通过制动电流、差动电流的瞬时值及变化率的对比，可以准确获取CT二次电流每个周波的正向过零点，进而获得线性传变区。采样值差动保护具体逻辑如下：

(1) 无论是母差区内故障还是区外故障，制动电流变化量均可以准确反映故障起始时刻，所以可以根据制动电流变化量来获取采样值差动保护的第1个数据窗，具体见式(1)：

(Irk-Ir(k-N)-Ir(k-N)-Ir(k-2N))>Iset1

(1)

式中：Ir为制动电流；k为当前采样点；N为一个周波的采样点数；Iset1为启动门槛，需要躲过CT正常运行的不平衡电流。

(2) 将满足式(1)的第一个采样点记为tm，以此点为起点，判断连续R个采样点的数据窗内是否有S点满足式(2)动作条件：

(2)

式中：Idk为当前点差动电流；k为当前采样点；Idset为差动电流启动定值；Kset为比率制动系数。

(3) 因为第2个数据窗的起始点选取受多种因素影响，所以文中采用首先选取数据窗特征点，再由数据窗特征点倒推数据窗起始点的方法，如图6所示。以tm为起点向后顺延N点(N为每周波采样点数)，记为tn′，以tn′为起点向后寻找第2个数据窗的特征点tn，该特征点需满足式(3)：

(3)

如果找到满足式(3)的特征点，则认为发生了母差区内故障或母差区外故障支路CT饱和，继续执行步骤4进行母差区内外故障的判别，否则认为发生母差区外故障且CT未饱和，以tn′为起点寻找下一个数据窗特征点。

图6 数据窗选取示意Fig.6 Diagram of data window selection

(4) 将满足式(3)的特征点记为tn，以此点为起点，向前寻找满足式(4)的采样点，将此采样点作为第2个数据窗的起点。

(4)

式中：dIr/dt为制动电流变化率；dId/dt为差动电流变化率。如1.2节所述，在区外故障情况下，每周波正向过零点附近，制动电流变化率大于差动电流变化率，制动电流大于差动电流，故可以选取符合式(4)的采样点作为数据窗起始点。

(5) 如果向前寻找不到满足式(4)的采样点，则说明发生了区内故障，可以将tn′作为第2个数据窗的起点，进行步骤2判别。如果寻找到满足式(4)的采样点，说明发生区外故障且CT饱和，本数据窗内闭锁母差保护，将此采样点作为第2个数据窗的起点，进行步骤2判别，并作为后续每个周波数据窗起始点的参考点。

(6) 重复步骤3，4，5，进行采样值差动保护动作判别。

采样值差动保护流程如图7所示。

图7 采样值差动保护原理流程Fig.7 Flow chart of the sampling value differential protection

2 仿真验证

为验证上述电流采样值差动保护逻辑，搭建了220 kV 实时数字仿真(real time digital simulation，RTDS)试验系统，系统如图8所示。

图8 RTDS仿真模型Fig.8 Simulation model of RTDS

2.1 正常情况下母差区内故障

图9为保护录波图。使用式(1)准确选取第1个数据窗起点，使用式(2)进行采样值差动保护动作判别，采样值差动保护在故障后9 ms动作出口。

图9 区内故障保护录波Fig.9 Record of internal fault

2.2 CT饱和情况下母差区内故障

图10为保护录波图。虽然发生CT饱和，但仍然可以使用式(1)及式(2)进行采样值差动保护相关判别，采样值差动保护在故障后9 ms动作出口。

图10 区内故障CT饱和保护录波Fig.10 Record of internal fault with CT saturated

2.3 CT饱和情况下母差区外故障

图11为保护录波图。使用式(1)选取第1个数据窗起始点，使用式(3)选取后续每个数据窗的特征点，再由特征点倒推数据窗起始点。每个数据窗内采样值差动保护均不满足动作条件，所以差动保护可靠不动作。

图11 区外故障CT饱和保护录波Fig.11 Record of external fault with CT saturated

2.4 CT饱和情况下母差区外转区内故障

转换时间50 ms，图12为保护录波图。采样值差动保护从第2个周波开始，依靠数据窗特征点倒推数据窗起始点，区外故障时采样值差动保护可靠不动作。在区外转区内故障的第1个周波内，采样值差动保护快速动作出口，动作时间为区外转区内故障后10 ms。

图12 区外转区内故障CT饱和保护录波Fig.12 Record of conversion fault with CT saturated

2.5 频率偏移及CT饱和情况下母差区外转区内故障

图13为频率偏移情况下区外转区内故障CT饱和保护录波图。频率偏移情况下，依靠式(4)仍然可以准确选取区外故障时每个周波的数据窗起始点，采样值差动保护可靠不动作。区外转区内故障后，由于频率偏移导致数据窗起始点的选取有偏差，采样值差动保护动作时间略有延迟，动作时间为区外转区内故障后15 ms。

图13 频率偏移情况下区外转区内故障CT饱和保护录波Fig.13 Record of conversion fault with CT saturated and frequency shift

3 结语

基于CT进入饱和的“延迟”特性，以及CT在每个周波过零点附近均存在线性传变区的特点，文中提出了一种采样值差动保护原理，并着重介绍了采样值差动保护每周波数据窗的选取方法，进行了RTDS仿真实验验证原理的正确性。实验证明：

(1) 本数据窗选取方法不受系统频率、电流非周期分量及CT传变特性等影响，可保证在每个周波均准确选取数据窗，提高了采样值差动保护动作的可靠性；

(2) 对于区外转区内故障，采样值差动保护可保证在区外转区内故障后1～2个周波内动作，提高了差动保护动作的快速性；

(3) 采样值差动保护数据窗选取的准确性，为降低差动保护比率制动系数提供了保证，在母差区内故障并存在汲出电流时，差动保护依然可以快速动作，提高了差动保护动作灵敏性。

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