智能变电站线路差动保护原理分析与方案设计

2018-07-13田俊杰刘新元

山西电力 2018年3期

关键词：差动保护装置分量

田俊杰，郝捷，刘新元

（1.国网山西省电力公司，山西太原 030001；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

随着光电技术、微电子技术、以太网技术的不断发展进步，传统变电站逐渐迈向智能化的发展道路。随着智能变电站的建设，其特有的体系结构、采用的新型智能电子设备为线路光纤差动保护的应用发展带来了机遇和挑战。

1 常见线路差动保护原理分析

1.1 向量差动保护原理分析

基于基尔霍夫电流定律的差动保护由于具有动作迅速、原理简单和可靠性高等优势，现在被广泛应用为电力设备的主保护[1]，差动保护原理图如图1所示。

图1 差动保护原理图

假设规定电流的正方向是母线指向线路，Im、In为线路两端的工频向量电流值，以两端电流向量和作为动作电流Id，Id一般也被称为差动电流。如图1 a所示，理论上在正常运行或保护动作区外故障时有

在图1 b中，若存在线路保护区内故障时则有

实际上由于互感器的误差及输电线路分布电容的影响，在线路正常运行时或者在发生区外故障时的 Im＋In值不再等于0，这个电流值称为不平衡电流。目前，线路差动保护一般采用两折线的比率制动差动保护原理。线路比率制动差动保护可以分为以下两种情况。

比率制动差动曲线的延长线经过原点，如图2 a所示，则判据为

图2 向量差动保护判据的两种形式

比率制动差动曲线的延长线不再经过原点，如图2 b所示，则判据为

其中， Ires．0为拐点电流。

式（4）中，最小动作电流Iop通常按照躲过线路的最大不平衡电流进行整定；制动斜率Kr的取值考虑一是对线路保护区内故障时差动保护要有充足的灵敏性，二是防止当线路保护区外发生故障时由于互感器饱和使得差动保护误动；拐点电流Ires．0为开始起制动作用的电流值，一般按线路额定电流进行设定，但为避免两侧CT误差，常取0.6~0.8的可靠系数降低拐点电流值；差动电流 Id取为 Id＝＋；制动电流Ires取为

原点的比率曲线与过原点的比率曲线相比，容易获得更大的保护动作范围、更高的区内故障灵敏性，目前，线路差动保护一般选取不过原点的比率制动差动保护原理。

1.2 基于故障分量的差动保护原理分析

1.2.1 基本原理

根据叠加原理，当线路发生故障时，故障电流包含故障前的正常负荷电流加上故障分量电流[2]。故障分量即是故障状态电流，从原理上说故障后的电流减去故障前正常负荷电流即是故障分量电流。图3为非故障线路示意图，图4为故障线路示意图，图5为故障状态下故障分量示意图。根据叠加原理可以得到：Im＝ΔIm＋If，In＝ΔIn－If。图 4与图5中Z为接地过渡电阻。

图3 非故障线路示意图

下面具体分析故障分量差动保护的原理，故障分量电流差动保护是由故障电流分量构成的[3]，保护的判据如下

其中，ΔIm、ΔIn为M、N两侧的故障分量；Kr为比率制动系数；ΔI0为最小动作电流。

图4 故障线路示意图

对于向量差动保护，根据 Im＝ΔIm＋If，In＝ΔIn－If，其动作判据公式（3）可以改写为

其中，If为负荷电流；Kr为比率制动系数；I0为最小动作电流。

对比故障分量差动保护判据和向量差动保护判据可以看出，两种判据具有相同的差动电流，但是有不同的制动电流。向量差动的制动电流比故障分量差动的制动电流多了2倍的负荷电流。因此，在线路负荷比较大，又发生过大的过渡电阻故障时，故障分量变得很小，而负荷电流很大，向量差动保护就会受到制动电流的制约，而发生保护拒动。故障分量制动电流不包含正常负荷电流，基于故障分量的差动保护承受过渡电阻的能力会大大加强。

图5 线路故障分量示意图

由图5可以求出

从式（7）得到，故障分量差动电流Id和制动电流Ires的比值与过渡电阻无关。因此，只要故障分量能够满足差动保护判据，保护就会可靠动作。

采样差动保护具有动作速率快的特点，故障分量差动保护具有不受负荷电流影响和承受过渡电阻能力强的特点。将两种保护判据结合就出现了故障分量采样值差动保护，它结合了上述两种判据的优点，其判据为

其中，iop为最小动作电流；kr为制动系数；(k)为线路发生故障时的两侧故障分量电流瞬时采样值；k为当前采样点数。

和采样值差动一样，故障分量采样值差动保护也是采用R个连续采样值中有S个及以上个点满足动作条件则发出动作信号。

根据以上分析可知故障分量采样值差动消除了负荷电流和过渡电阻的影响，又增加了采样值差动保护速率快的优点，从而提高了差动保护的灵敏度和可靠性；不过故障分量差动保护也有自身缺陷，故障发生后的1到2个周期内进行故障计算才有效。

1.2.2 故障分量的计算方法

故障分量的计算方法很多，目前常用的计算公式见式（9）。

其中，i(k)为当前电流采样值；i(k-N)为1周期之前的电流采样值；N为每周期采样点数；k为采样点。

正常情况下，式（9）输出为零。在线路发生故障时，式（9）能反应故障发生后1周期之内的故障分量，但在1周期之后，反应的故障分量就会出现偏差，并且会逐步衰减为零；另外，式（9）在采样电流频率变化时也会出现严重的误差[4-5]。

为延长故障提取时间，采用式（10）的计算方

其中，ik为当前电流采样值；i（k－N）为 1周期之前的电流采样值；i（k－2N）为2周期之前的采样值；N为每周期采样点数；k为当前采样点。

式（8）不但能解决电流频率变化时给故障分量计算带来的误差，而且在故障后2周期内提取的故障分量依然有效，延长了故障分量差动起到保护作用的有效时间。

2 智能变电站线路光纤差动保护方案

2.1 本文选取的差动保护原理

基于故障分量的采样值差动保护原理具有动作速度快、不受负荷电流影响、承受过渡电阻能力强等优点，但其仍然存在故障分量只在故障发生后2个周期内有效的弱点，为弥补该缺点，在差动保护启动2个周期后投入向量差动作为基于故障分量的采样值差动保护的后备保护。

本文选用的差动保护具体设计如下。

2.1.1 故障分量采样值差动保护判据

故障分量采样值差动保护判据设计如下

式（11）中，iop为最小动作电流；kr为制动系数；、分别为线路发生故障时的两侧故障分量电流瞬时采样值；k为当前采样点数。

其中，Δim（k）、Δi（nk）按式（12）进行取值。

式（12）中，i（k）为当前电流采样值；i(k-N)为1周期之前的电流采样值；i(k-2N)为2周期之前的采样值；N为每周期采样点数；k为当前采样点。

以故障分量采样值差动保护作为差动保护的主判据，在保护起动后立即投入此判据，对于线路区内发生故障时能够切除故障，对于线路区外发生故障，能够保证保护不会发生误动作。

2.1.2 向量差动保护判据

向量差动保护判据如下

式（13）中，Iop为最小动作电流；为差动电流；Kr为制动斜率；为制动电流；Ires．0为拐点电流。

在保护起动40 ms后投入向量差动保护判据，作为于线路区内发生故障而故障分量采样值差动保护失效时的后备保护判据，直到保护跳闸或保护返回退出。

2.2 线路光纤差动保护方案

选用3层2网构架下的智能变电站，设计线路差动保护方案。线路差动保护接线示意图如6所示。

图6中MN表示1条110 kV及以下电压等级的输电线路，在线路M侧的智能变电站中，电子式电流互感器ECT(electronic current transformer)采集到线路M侧的电流瞬时值，并传递给其间隔中的合并器；合并器合并线路M侧的三相电流、电压采样值，通过过程层交换机或是直连光纤，把电流、电压采样值进一步传输给M侧线路差动保护装置。M侧线路差动保护装置通过专用的光纤通道，把本侧的三相电流采样值传递给N侧线路差动保护装置。为此M侧线路差动保护装置首先对接收到的IEC61850-9-2采样值报文进行解析处理，提取出本侧线路三相瞬时采样值与对应的smpCnt（采样计数器）的值。受限于光纤通道的传输速率，差动保护装置需对IEC61850-9-2报文中的采样点进行重新采样，从每周期采样80个点，降低到每周期采样40点，即保护装置按照每隔1个采样点选点的方式完成重新采样。然后差动保护装置对采样数据进行重新组帧发送给对侧装置。不同于ECT、合并器MU（merging unit）装置的数据输出有相关标准规定，差动装置对采样值的输出能够采用私有协议，本方案中用表1所示格式的数据帧进行数据发送。该帧格式中起始、结束标志固定为01111110。为防止帧中其他数据信息中出现连续的6个1，发送端在5个连续的1自动插0，接收端则自动删0。数据帧中第2个字节表示报文类型，用以标识该帧数据是否为采样数据帧。数据帧中第3个至第14个字节传输本侧线路三相电流采样值，具体数值取自9-2SV报文解析出的采样值。数据帧中第15与第16个字节为采样标号同样取自9-2SV报文解析出的smpCnt（采样计数器）的值，由于装置每周期只传输40个采样点，采样标号按 0、2、4、6…3998、0、2、4…的数值进行改变。数据帧中第10个到第14字节为保留位，由于传输控制信息、通信延时等信息。数据帧中第15个与第16个字节为循环冗余校验码CRC（cyclical redundancy check），当接收端装置检测出该帧数据有误，则舍弃该帧数据。一帧数据为24字节即136 b，每一个电流周期传输40个采样点，即传输40帧数据，那么1 s的时间内只需要传输384 kb的数据，易于工程实现。