繼電保護電流測量回路極性檢測方法

王洪彬，曾星星，趙 紅，熊小伏，歐陽金鑫，張友強，陳 濤

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繼電保護電流測量回路極性檢測方法

王洪彬1，曾星星2，趙 紅3，熊小伏3，歐陽金鑫3，張友強1，陳 濤1

(1. 重慶市電力公司電力科學研究院 重慶渝北區(qū) 401123；2. 國家電網(wǎng)公司西南分部 成都 610041；3. 重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室 重慶沙坪壩區(qū) 400044)

基于電流原理的繼電保護是電力系統(tǒng)應用最廣泛的主保護裝置，其測量回路異常將直接導致保護設備誤動或拒動，是電力系統(tǒng)應盡量預防的高風險事故。極性是保護二次系統(tǒng)電流測量回路的重要特征，但其現(xiàn)有檢測方法仍較繁瑣復雜，而且常常出現(xiàn)錯檢漏檢事件，從而嚴重影響電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，有必要研究更為簡易可靠的極性檢測措施以確保電流測量回路極性的正確性。為此該文定義了廣義變比，建立了繼電保護電流測量回路極性辨識模型，分析了測量回路綜合誤差對極性監(jiān)測的影響，并得到了測量回路極性故障判據(jù)。仿真分析驗證了該方法的有效性。

綜合誤差; 電流測量回路; 廣義變比; 極性檢測

近年來，隨著智能電網(wǎng)技術和數(shù)字化變電站技術的不斷發(fā)展，基于新型智能電子設備、網(wǎng)絡通信以及多測點信息綜合比較判斷的廣域保護受到了國內(nèi)外學者的廣泛認可，但同時也增大了電力系統(tǒng)繼電保護錯誤動作的風險。因此，有必要加強保護設備投運之前的檢測工作，避免保護裝置因錯檢漏檢而造成重大損失。

電流互感器(CT)作為繼電保護測量回路的重要組成，其極性的連接直接影響了保護的正確動作，因此現(xiàn)有規(guī)程均要求CT在投運前進行離線校驗和帶負荷檢測以確保極性的正確。目前，離線檢測方法主要包括直流法、交流法和儀表法[1]。直流法將直流電源和毫安表按相同的正負極性分別接于CT一、二次側，根據(jù)毫安表的指針位置來判斷極性。交流法則需短接相同極性端口的CT一、二次線圈，并在二次側接交流電壓，通過測量兩個端口的電壓與一次側電壓的關系來判斷極性。儀表法利用互感器校驗儀直接檢測CT極性，若其指示器沒有指示，則其極性為正，否則為負。

離線檢測具有較高的精度，但無法避免接線等造成的極性錯誤，因此帶負荷檢測仍是確保CT極性正確的必要環(huán)節(jié)[2]。常用的極性帶負荷檢測方法主要通過電流電壓間相角與有功無功間相角的對比、測量差動保護的差動電流以及比較線路同名相電流相位[3-4]。然而，無論是離線檢測還是帶負荷檢測，現(xiàn)有方法均需要復雜接線和操作，不僅工作效率較低，而且容易因為人為疏忽導致漏檢或錯檢情況出現(xiàn)[5]。文獻[6-7]介紹了兩起變壓器差動保護誤動的案例，文獻[8]介紹了母線差動保護誤動的案例，其原因均是由于電流互感器極性錯誤，且都造成了較為嚴重的停運事故。

為此，有必要研究更加簡單有效的極性檢測方法以確保繼電保護的可靠工作，避免測量回路極性錯誤引起保護裝置錯誤動作，以及可能造成的區(qū)域性大面積停電事故。本文研究分析了繼電保護電流測量回路極性錯誤的影響，通過測量回路廣義變比的定義，建立了基于廣義變比的極性辨識模型，從而構建了繼電保護電流測量回路極性檢測新方法。該方法可避免復雜接線和人工操作，無需添加硬件，具有精度高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，是現(xiàn)有互感器極性檢測方法的有效補充。

1 保護電流測量回路極性故障分析

目前，繼電保護系統(tǒng)廣泛使用的電流互感器分為電磁型和電子型，二者并存于智能電網(wǎng)建設初期，如圖1所示。圖1a為微機保護電流測量回路，一次側大電流經(jīng)電流互感器變換為二次側小電流，再通過電纜、電流變換器、模擬低通濾波器(ALF)、采樣保持電路(S/H)、多路模擬開關(MUX)和A/D轉換電路轉換為計算機可識別的電流采樣值[9]；圖1b為數(shù)字化保護電流測量回路，羅氏線圈通過電磁感應關系將一次系統(tǒng)電流變換為二次采樣電流之后，經(jīng)積分放大、低通濾波、相位補償、A/D轉換、編碼、電光轉換和合并單元轉換為保護CPU所采用的數(shù)字量[10]。

以上各環(huán)節(jié)與測量回路極性直接相關的主要是電磁互感器的一、二次繞組的接法和羅氏線圈的具體繞向[9-10]。另外，測量回路各環(huán)節(jié)維護、更換以及合并單元軟件程序配置或版本升級都有可能導致極性錯誤。一般情況下極性故障都會使保護裝置誤動，而小電流支路極性錯誤卻不易被發(fā)現(xiàn)，一旦系統(tǒng)故障就會誘發(fā)該隱藏故障爆發(fā)。

以差動保護為例，若接入一個節(jié)點(如母線、變壓器單元等)的各支路CT極性正確，則在正常運行及差動保護區(qū)外故障時母線保護差動電流應小于其動作電流，有：

根據(jù)文獻[11]，若接入差動保護回路第條支路電流測量回路極性接反，即第條支路二次電流反向，則式(1)變?yōu)椋?/p>

2 電流測量回路極性檢測方法

2.1 電流測量回路廣義變比概念

定義電流測量回路廣義變比為流進CT一次側電流與保護CPU所得二次電流的比值，用表示，即圖1所示電流測量回路首端一次系統(tǒng)電流與末端保護CPU所得電流采樣值之比，有：

通常用額定變比表征CT變換電流的關系，定義為一次額定電流與二次額定電流的比值。如對于二次額定電流為5 A的電磁型電流互感器，當一次額定電流為1 000 A時，選擇的電磁型電流互感器的額定變比為=1 000/5。由此可得廣義變比標幺值，即為廣義變比有名值與其額定變比的比值，表示為，有：

2.2 電流測量回路廣義變比的辨識

根據(jù)廣義變比的定義，欲通過求解其辨識值檢測電流測量回路極性異常情況，必先獲取系統(tǒng)一、二次電流值。然而，工程實際中只能采集到二次電流值，因此就要解決在一次電流未知的情況下求解廣義變比的問題。

實際系統(tǒng)中，每套保護裝置特別是電流差動原理的保護，其接入電流反應了一次系統(tǒng)的連接關系。因此，根據(jù)一次系統(tǒng)拓撲關系，利用基爾霍夫電流定律，即在任一瞬時，流出(或流入)某元件電流的代數(shù)和恒等于零，即：

式(8)的解為個采樣時刻不同廣義變比的集合。然而，由于電流互感器角差一般較小[2]，各采樣時刻廣義變比的差別很小，利用奇異值分解法的迭代求解，可獲得廣義變比的平均辨識值n。因此，由式(8)可得：

將上式表示為矩陣形式，有：

式中，

由此，根據(jù)奇異值理論[12-13]可將()分解為：

計算中使采樣組數(shù)遠大于電流測量回路數(shù)，由式(5)、式(6)可知的列向量是線性相關的[14]，且當足夠大時，可使，此時超定齊次方程組式(10)只有一個基礎解，為排除零解，加入約束條件。將式(11)代入式(10)，可得如下轉換關系：

其中，單位正交矩陣T可逆，上式可化簡為：

2.3 電流測量回路極性檢測判據(jù)

考慮到繼電保護電流測量回路各環(huán)節(jié)誤差對其極性故障診斷的影響，可視為其二次電流采樣值中引入一個綜合誤差項，有：

當電流測量回路極性正確時，一次電流與二次電流之比為額定變比，即。由式(15)、式(16)可得：

根據(jù)極性故障判據(jù)的取值范圍，由2.2節(jié)所得電流測量回路、、相各支路廣義變比辨識值，即可得如圖3所示的繼電保護電流測量回路極性在線診斷流程。

圖3 繼電保護電流測量回路極性檢測流程

3 仿真分析

圖4所示為采用PSCAD/EMTDC搭建的母線差動保護電流測量回路極性故障檢測仿真系統(tǒng)。

圖4 母差保護測量回路極性故障檢測仿真系統(tǒng)

圖4中各電流互感器額定變比均為=1 200/5，單相電源、相同，其額定電壓為220 kV、頻率為50 Hz，其負載分別為1=2 500 Ω+j942 Ω，2= 1 000 Ω+j157 Ω和3=150 Ω+j31.4 Ω。

設定圖4仿真系統(tǒng)中各支路電流測量回路綜合誤差為零且極性正確，正常運行狀態(tài)下，根據(jù)圖2采集圖4中母線保護裝置各二次電流，采樣時段為0.1～0.2 s，如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)各二次電流

3.1 電流測量回路極性檢測可行性分析

假定圖4仿真系統(tǒng)CT1和CT2的相位誤差為0.225°且無幅值誤差。分別設定測量回路所有支路極性正常、僅CT1或CT2所在測量回路支路極性接反以及CT1和CT2所在測量回路支路極性同時接反，根據(jù)2.2節(jié)方法計算測量回路各支路廣義變比，如表1所示。

表1 不同極性狀態(tài)下的廣義變比辨識值(標幺值)

由表1可知，當各測量回路支路極性均正確時，各支路廣義變比符號全為正；僅CT1或CT2所在測量回路支路極性接反時，CT1或CT2所在支路廣義變比符號為負，其他支路廣義變比符號為正；當CT1、CT2所在測量回路支路極性同時接反時，CT1、CT2所在支路廣義變比同時變負，其他支路廣義變比符號為正。由此，驗證了可根據(jù)電流測量回路廣義變比的正負符號辨識其極性故障的結論。

3.2 電流測量回路極性檢測靈敏度分析

系統(tǒng)實際運行條件下，電流測量回路各環(huán)節(jié)誤差不可回避，為驗證測量回路誤差對極性故障診斷的影響，在圖4的仿真系統(tǒng)中設定CT1所在支路電流測量回路極性接反且存在如表2所示的誤差情況，其中為幅值誤差、為相位誤差(超前為正、滯后為負)。計算CT1所在支路廣義變比g1，如表2所示，CT1所在支路測量回路極性接反時在不同誤差下的廣義變比辨識值。

表2 不同誤差下的廣義變比辨識值ng1

由表2可知，電流測量回路誤差對其極性故障的診斷影響非常顯著。當電流測量回路極性接反時，其廣義變比的辨識值始終為負；隨著測量回路幅值誤差的增大，廣義變比辨識值增大；隨著測量回路相位誤差的增大，廣義變比辨識值減小。另外，綜合誤差數(shù)值越大，其廣義變比辨識值偏離理想變比-1越大，這與實際運行經(jīng)驗相吻合。測量回路綜合誤差在規(guī)程規(guī)定范圍之內(nèi)時[3]，即，，在本文研究所設定的可靠系數(shù)1.1下其廣義變比辨識值滿足極性故障判據(jù)。由此可見，通過廣義變比辨識值取值范圍的判斷可以排除測量回路綜合誤差對極性故障檢測的影響，從而驗證了本文方法的有效性。

廣義變比相對負載靈敏度定義為單位負載量變化所導致的變比值變化為：

由此可見,當電機空載時,轉子會停留在定位力矩的平衡點,此時在判斷轉子區(qū)域后就可以確定轉子所在的位置,從而簡化了判斷方法。

設定圖4仿真系統(tǒng)僅CT1所在支路極性接反，其幅值和相位誤差分別為-10%與1°，逐一改變CT1所在支路負載大小，分別為0.51、1.51、1.91、21以及2.51，并統(tǒng)計仿真系統(tǒng)所有支路二次電流采樣值最大值與最小值的平均倍數(shù)，并判斷能否診斷其極性故障。表3為本文研究的極性故障診斷方法靈敏度仿真結果。

根據(jù)表3的仿真結果可知：即便保護系統(tǒng)角差和幅值誤差處于極端情況下，系統(tǒng)各二次采樣電流最大值與最小值的平均倍數(shù)高達25時，本文方法都能正確檢測出極性故障情況，具有較高的靈敏度。

表3 極性故障診斷方法靈敏度仿真結果

4 結 束 語

目前，電力系統(tǒng)中二次系統(tǒng)測量回路極性錯誤問題難以避免。本文提出了繼電保護測量回路的廣義變比概念，建立了繼電保護電流測量回路極性診斷的數(shù)學模型，并基于奇異值分解法提出了電流測量回路極性故障的判據(jù)，建立了基于廣義變比的繼電保護測量回路極性檢測方法，通過仿真算例驗證了該方法的有效性。該方法僅通過軟件算法即可實現(xiàn)，無需額外接線或添加硬件設備，可以作為現(xiàn)有極性檢測方法的補充或正確性參照，是一種簡單有效的繼電保護電流測量回路極性檢測新方法。

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編 輯 漆 蓉

Polarity Detection Method of Current Measurement Circuit in Relay Protection

WANG Hong-bin1, ZENG Xing-xing2, ZHAO Hong3, XIONG Xiao-fu3, OUYANG Jin-xin3, ZHANG You-qiang1, and CHEN Tao1

(1. Chongqing Electric Power Research Institute Yubei Chongqing 401123; 2. Southeast Branch of State Grid Chengdu 610041; 3. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University Shapingba Chongqing 400044)

The relay protection based on the current principle is the most widely-used main-protection devices in power systems, its measurement circuit abnormity will directly lead to incorrect tripping or missoperation of protection equipment, which is the high-risk incident that power systems should be vigorously prevented. Polarity is an important characteristic in current measurement circuits of protection secondary systems, but its existing detection methods are still cumbersome and complex, and often bring wrong or leakage inspection events, which will seriously affect the safety and reliability of power systems. Therefore, it is necessary to research more simple and reliable polarity detection measures to ensure the correctness of polarity of current measurement circuits. So this paper defines the generalized ratio, and establishes a polarity diagnosis model of protection current measurement circuits, and analyzes the influence of comprehensive error of measurement circuits to the diagnosis of the polarity faults, and finally obtains the polarity fault criteria of current measurement circuits. Simulation analysis demonstrates the effectiveness of the proposed method.

comprehensive error; current measurement circuit; generalized ratio; polarity detection

TM732

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.05.011

2015-06-11；

2015-11-09

重慶市科技攻關項目(應用重點)(cstc2012gg-yyjsB90003)

王洪彬(1979-)，男，高級工程師，主要從事智能電網(wǎng)二次系統(tǒng)運行、電力系統(tǒng)保護與控制方面的研究.