一种适用于T接线路电流差动保护装置的研制

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(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153；3.国网浙江省电力公司，杭州 310007))

0 引言

近些年电力系统的规模发展迅速，用电负荷密度也越来越高，从设备投资的经济效益与征地的困难出发，常常出现高压重负荷三端(T型)输电线路。虽然三端线路不仅能够解决用地紧张问题，而且具备较好的经济效益，但是给传统继电保护带来很多新的问题。首先，由于T接线路很多位于负荷密集区，大多属于短线路，距离保护的整定阻抗较小，难以躲过短路点过渡电阻的影响，容易造成距离保护的超越和保护间配合整定问题；其次，T接线路属于多端口网络结构，决定了作为快速段的距离保护I段不能实现全线保护的速动[1]。此外，由于T接线路的网络结构比较复杂，对于使用纵联保护的方案，各方向元件的相互配合存在困难，并且在非全相运行、功率倒送和合闸于故障时可能不能满足系统对保护的要求[2]，而且在区内故障有电流流出的情况下，会对各种保护元件产生不利影响。而基于光纤通道的电流差动保护具有原理简单、动作速度快、选相准确、适应性广的特点，是解决上述各种问题的最好方法[3]。本文结合国电南京自动化股份有限公司开发的三端T接线路保护装置，介绍一下基于光纤通道的T接线路差动保护装置的整体解决方案。

1 T接线路的应用现状

近几年来，T接线路在全国范围已经有大量应用。具体来说，对于110 kV电压等级的T接线路有较多应用，而对于220 kV电压等级的T接线路，则应用较少。对于现有的T接线路来说，运行方式有全接线三端运行方式，也有受端备用的非全线三端运行方式(三端运行方式下又分单端电源和两端电源2种情况)，也存在T接线路一侧长期不投入运行的两端运行方式。由于T接线路大多处于负荷密集处，T接线路的一般长度在0.2～30.0 km之间，大多数都属于短线路，所以这些特点使得传统的两端保护方案往往不能够完全适用。此外，随着现代通信技术的不断发展和光纤材料成本的下降，目前国内110 kV以上电压等级的线路主保护均采用以2 048 kbit/s速率复接PDH/SDH(准同步数字系列/同步数字系列)系统或专用光纤通道的差动保护。因此，T接线路保护系统也能够采用光纤通道进行三端信息的充分交换，实现三侧光纤差动主保护功能，从而满足系统对保护全线速动的要求。

2 三端数据同步方法

T接线路光纤差动保护首要需解决的就是各端的采样数据同步问题。本装置采用较为成熟的采样时刻调整法和采样序列号相结合的同步方法，在保证各端在通道正常情况下有较高同步精度的条件下，对于通道路由切换过程中造成通道短时丢点或短时收发延时不一致的情况，仍然能够保证各侧数据的同步，从而提高了保护装置的适应能力和运行可靠性。

本装置采用同步采样的数据同步技术，通信报文包含主从标志、实时校验。如图1所示，三端同步采用1个主机、2个从机的方式。其中，主机采样间隔固定，2个同步从机根据主机发来的信息与主机保持同步，同步后分别向2个对侧发送本侧采样值。此外，主机和从机不需要整定，由装置上电后自动确定，而在任何一个通道中断时，主机自动转移到无通道异常的装置侧，从而仍然能够保证系统的同步采样进行。

图1 三端输电线路数据同步示意Fig.1 Three-terminal transmission line data synchronization

通道在正常情况下，主机与从机之间采用采样时刻调整法，利用经典的乒乓同步原理实现两侧较高精度的同步采样，但是当通道延时变化、短时丢点等通道不稳定情况发生时，则可以利用之前在通道稳定情况下依赖已经建立的采样序列号同步条件，依靠两侧高精度晶振的天然同步性，在短时间内仍然可维持采样点同步。目前，装置设计晶振频率稳定度为±50 ×10-6，通信中断后每秒同步误差最多增加100 μs(1.8°)，完全能够满足光差短时的同步要求。

3 T接线路差动保护判据方法

分相电流差动保护判据一般为比例制动式，可以用如下形式表述。

(1)

一般基于此判别式的三端线路电流差动保护的差流取值都相同，不同之处在于制动电流Ires制动量的选取方法。而现有比率制动量的取法一般分为以下几种。

(1)单一的标量和制动方式：

(2)

(2)最大模值制动方式：

(3)

(3)等效为两端线路的向量和制动方式：

(4)

对于以上3种制动电流的取法来说，标量和制动方式、最大模值制动方式区外故障的制动作用相对较强，但都存在区内故障灵敏度不足的问题；等效为两端的相量和制动方式虽然同时拥有较好的区外故障制动作用和区内故障的动作灵敏度，但在三端运行方式下区内故障并有汲出电流的情况下，最大相电流选取不易，因此对于差动保护判别的实现和分析都会造成困难。

本文采用如下制动电流取值方式：

(5)

该方法采用了独特的制动电流选取方法，原理简单可靠，不受系统运行方式影响。其不仅具有较好的区外故障制动性和区内故障动作灵敏度，而且不需要考虑三端运行方式下的区内故障，并有汲出电流时的制动量选取困难问题。

4 电流互感器(CT)饱和判断方法

差动保护受到CT饱和引起的电流畸变影响很大，需要重点处理。T接线路外部故障时，近故障侧CT将流过另外两侧故障分量电流之和，其出现CT饱和的可能性更大，此时二次电流波形严重失真(如图2所示)，从而可能引起差动保护误动。国内外现有的一些CT饱和检测方法：基于饱和开始差动电流和制动电流不同时出现的时差法；基于小波算法检测CT饱和[4]；通过计算电流谐波比确定CT饱和；采用一周波分段波形积分法判别CT饱和[5]以及利用电流的多阶差分进行CT饱和判别[6]的方法。

图2 CT饱和电流波形Fig.2 CT saturation current waveform

本文基于以下2种CT饱和综合判别方法，能够可靠地识别出区外故障情况下的CT饱和情况：(1)基于两侧电流相位的“电流比相法”；(2)基于故障时电流谐波含量水平的“相关系数法”。其首先利用“电流比相法”判断出具备区外故障可能有CT饱和的情况，然后利用“相关系数法”可靠识别CT饱和引起的电流波形畸变的程度，从而最终确认区外故障是否CT饱和。

电流比相法判别式为

(6)

式中：im(t)为某侧相电流瞬时值；Im为相应的全波傅氏算法幅值；iop(t)为此相差流瞬时值；Iop为相应的全波傅氏算法幅值；T为基波周期；m为动作门槛。其利用区外故障时，相电流与差流变化方向相反的特点进行比相。

相关系数法则是利用最小二乘法实时估计整周波内相电流和差流中的噪声水平(即谐波含量水平)，从而进行CT饱和识别。其基本公式为

5 运行方式转换方法

在实际运行中，由于受到建设周期、近远期规划、负荷性质和不停电检修的需求影响，T接线路通常存在多种运行方式。例如：(1)近期为两端运行线路，远期规划为三端运行线路；(2)三端运行方式下，一侧负荷停止供电，本侧开关断开，处于热备用状态；(3)三端运行方式下，一侧开关需要检修，其他两侧还需要正常运行。因此，装置需要适应以上多种运行方式的变化。

本保护装置通过设定一个“两端运行压板”，可以有效解决三端线路多种运行方式转换的需求。以图3中所示的各侧压板投入情况为例，具体实现逻辑如下：

(1)当M/S/N各侧的“两端运行压板”都退出时，各侧均为三端运行方式。

(2)当M/S/N只有任一侧的“两端运行压板”投入时，各侧均为三端运行方式。

(3)当M侧的“两端运行压板”先投入时，如果N侧的“两端运行压板”也投入后，则M与N侧变成两端运行方式，并一直保持下去。

(4)其他侧情况也依据上述逻辑进行。

图3 三端和两端运行示意Fig.3 Schematic of three-terminal and two-terminal operation

在图3b中的压板投入情况下，S侧停电检修开关断开，MN则为两端运行，M和N侧仅使用此两侧的电流进行差流计算，不会受到S侧保护装置调试或开关检修的影响。

6 RTDS动态模拟验证结果

为验证本文提出原理的正确性和实用性，基于实时数字仿真系统(RTDS)进行了相关动态模拟验证。图4为根据现场实际系统搭建的T接线路试验模型。本试验内容包括：(1)区内外金属性故障；(2)区内外转换性和发展性故障；(3)区内高阻接地故障；(4)本线路功率倒向；(5)区内故障分支有故障电流流出；(6)空载合闸于故障；(7)小电源和单电源运行方式下故障；(8)系统振荡下区内外故障；(9)三端运行方式及两端运行方式的转换；(10)三端运行方式1个通道中断情况下区内外故障。

图4 动态模拟试验模型(110 kV系统)Fig.4 Dynamic simulation test model (110 kV system)

图5所示为区内高阻故障情况下保护正确动作；图6所示为区外故障情况下CT饱和，保护正确未动作。

图5 区内高阻故障(截屏)Fig.5 High resistance fault in the area

图6 区外故障CT饱和(截屏)Fig.6 External fault CT saturation

经过本系统动态模拟试验验证，基于本文原理开发的保护装置，不仅在区内外金属性故障、转换性故障、区内高阻故障和系统振荡等典型情况下的故障动作正确，而且在单通道异常、三端和两端多种运行方式下以及区内故障有汲出电流情况下，都能够正确动作，整体测试结果优异。

7 结束语

本文通过对T接线路的特点进行分析和研究，提出了基于光纤差动的三端线路保护方案，并依据相关原理研制出了三端线路保护装置。经过RTDS动态模拟验证，此装置具有动作速度快、保护功能完善、技术性能优良的特点，具有非常好的实用价值。