基于多維度相互校驗的線路電流差動保護自校正同步策略

徐曉春, 裘愉濤, 趙 萍, 徐 華, 李 皓, 周再兵

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江省杭州市 310007; 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司, 浙江省臺州市 318000)

基于多維度相互校驗的線路電流差動保護自校正同步策略

徐曉春1, 裘愉濤2, 趙 萍3, 徐 華3, 李 皓3, 周再兵3

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江省杭州市 310007; 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司, 浙江省臺州市 318000)

針對目前線路電流差動保護普遍使用的基于內(nèi)部時鐘同步方法,分析了基于乒乓原理測量通道時延的內(nèi)部時鐘同步方法在出現(xiàn)通道路由不一致時,會造成差動保護不正確動作的可能性。提出了一種自適應的異常差流監(jiān)視手段,同時結(jié)合線路兩側(cè)的電氣量同步判據(jù),能夠可靠識別出線路電流差動保護同步異常的情況。在內(nèi)部時鐘同步的基礎(chǔ)上,提出了一種結(jié)合電氣量判據(jù)及外部時鐘的自校正同步策略,該策略能夠自動完成同步狀態(tài)辨識,提高了差動保護抗通道收發(fā)路由不一致的能力。實驗驗證表明,所提出的基于多維度相互校驗的電流差動保護自校正同步策略能夠提高線路電流差動保護抗通道擾動的能力。

差動保護; 內(nèi)部時鐘; 外部時鐘; 自校正; 通道路由不一致

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,高電壓等級、長距離輸電成為主流,同時由于光纖通道的普及,電流差動保護已廣泛應用于高電壓等級輸電線路中。

差動保護利用線路兩側(cè)保護裝置采集的電流進行差動電流的計算,進行差動保護計算的前提是保護裝置能夠完成兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)的同步。目前,國內(nèi)主流保護廠家主要采用基于乒乓原理測量通道時延的內(nèi)部時鐘同步方法,主要包括采樣時刻調(diào)整法、采樣數(shù)據(jù)修正法等,其特點是不依賴于外部時鐘源,但要求承載兩側(cè)數(shù)據(jù)的光纖通道收發(fā)路由一致,否則可能會導致差動保護的不正確動作。在長距離輸電線路上,由于專用光纖發(fā)送功率的限制,基于同步數(shù)字體系(SDH)的復用通道的使用非常普及,SDH一般具有通道保護功能,當通道保護不正確時,可能會導致保護裝置使用的通道出現(xiàn)收發(fā)路由不一致的情況[1-2]。國內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生過多起由于復用通道切換導致保護裝置的通道收發(fā)路由不一致的情況,甚至導致了保護裝置的不正確動作。

國內(nèi)外學者對通道路由收發(fā)不一致對差動保護的影響均進行了比較深入的研究,并提出了一些嘗試性的方法以避免出現(xiàn)通道路由不一致的情況。文獻[3-5]指出通道路由不一致對差動保護的影響,但是對于通道時延不一致程度對差動保護動作方程本身的影響未進行量化分析;文獻[6-8]提出了一些探索性的同步校驗手段和同步方法,但沒有提出一整套的應對通道路由不一致的同步方案。為了提高差動保護抗通道收發(fā)路由不一致的魯棒性,并且具備工程實施的可能性,本文在對目前的差動數(shù)據(jù)同步方法橫向分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于多維度相互校驗的線路電流差動保護自校正同步策略。在以內(nèi)部時鐘為同步主體的前提下,加入電氣量輔助校驗,同時結(jié)合外部時鐘源,能夠有效地對可能出現(xiàn)的通道路由不一致情況進行識別,并進行同步策略自動切換,從而提高了差動保護抗通道路由收發(fā)不一致的能力。

1 通道路由不一致對內(nèi)部時鐘同步方法的影響

由于內(nèi)部時鐘同步方法不依賴于外部時鐘源,靠保護裝置的內(nèi)部時鐘完成兩側(cè)數(shù)據(jù)同步,可靠性非常高,目前國內(nèi)外主流保護廠商的保護裝置均采用內(nèi)部時鐘同步方法[9]。本文以經(jīng)典的采樣時刻調(diào)整法為例加以說明。如圖1所示,采樣時刻調(diào)整法先根據(jù)乒乓原理測量通道時延,再根據(jù)通道時延計算兩側(cè)保護裝置絕對采樣時刻的誤差,從機通過調(diào)整采樣脈沖來實現(xiàn)線路兩側(cè)保護裝置的采樣同步。

圖1 乒乓原理測量通道時延方案Fig.1 Channel delay measurement by Ping-Pong theory

根據(jù)乒乓原理,可以計算得到通道時延為:

(1)

式中:t2s為P2向P1發(fā)送報文的時刻;t1r為P1收到P2報文的時刻;t1s為P1向P2發(fā)送反饋報文的時刻;t2r為P2收到P1反饋報文的時刻。

正確算出通道時延的前提條件是:通道收、發(fā)雙向時延相等。如果雙向通道時延不相等,設(shè)P2向P1發(fā)送方向通道時延為Td1,P1向P2發(fā)送方向通道時延為Td2,根據(jù)式(1)測定通道時延為:

(2)

兩個方向?qū)嶋H通道時延和測定的通道時延的誤差為ΔTd:

(3)

在該不對稱的通道時延下,正常運行或區(qū)外故障時,由于兩側(cè)通道時延不一致而得到的差動電流Icd為:

(4)

式中:IL為保護裝置感知的穿越電流;ω為角速度。

若制動電流Izd=k×2IL,其中k為制動系數(shù),如果滿足式(5),則兩側(cè)裝置啟動后線路縱差保護就可能誤動。

(5)

2 基于外部時鐘源同步方法的特征分析

基于外部時鐘源的同步方法對通道的收發(fā)路由一致性情況沒有任何限制,如圖2所示,只要通道收發(fā)正常,即可根據(jù)采樣時刻與絕對時標的偏差進行采樣同步。兩側(cè)保護裝置分別在通道的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)尋找對應的同步點,當采樣時刻和絕對時標的偏差ΔTs1和ΔTs2均趨向于0時,即可完成兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步[10]。外部時鐘體系同步方法需要借助外部的時鐘同步信息(GPS或北斗),線路兩側(cè)保護裝置在傳輸報文中分別加入當前的同步時鐘信息,基于外部時鐘源的同步方法,保護裝置不需要計算通道時延,通過通信報文中的絕對時標即可完成兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步。由于這種同步方法主要依賴于外部時鐘源,當時鐘源丟失時差動保護會相應退出,當時鐘源故障時(兩側(cè)時鐘失步),可能會導致保護裝置的不正確動作。由于對外部時鐘的強依賴性,這種方法目前很少應用于工程實際。

圖2 基于外部時鐘的采樣同步Fig.2 Sampling synchronization based on external clock

3 基于電氣量的同步校驗方法

3.1 自適應異常差流監(jiān)視

當采用內(nèi)部時鐘同步的差動保護且通道出現(xiàn)收發(fā)路由不一致時,或者當采用外部時鐘源同步的差動保護且兩側(cè)時鐘失步時,可能會導致差動保護不正確動作。一般情況下,可以利用保護裝置實時計算的差流來反映通道的收發(fā)路由情況。目前異常差流的門檻一般采用定值整定的方式來進行判斷,該定值難以整定,一般整定較為保守,靈敏度較低。為了提高檢測的靈敏度和可靠性,本文提出了一種自適應異常差流監(jiān)視方法。

對于高電壓等級的長線路,保護裝置的計算差流應等于線路上的電容電流。一旦保護裝置計算的差流不等于電容電流,基本上可以判斷發(fā)生了通道收發(fā)路由不一致的情況。

在線路空充帶電的情況下,不需要借助通道計算差動電流,保護裝置感受到的本側(cè)電流即為線路的電容電流。利用此特性,保護裝置通過識別線路兩側(cè)開關(guān)的位置來判斷線路是否處在充電狀態(tài),當保護裝置判斷出一側(cè)斷路器在合閘位置、一側(cè)斷路器在分閘位置時,若此時電流呈現(xiàn)出容性電流特征,經(jīng)過一段時間的確認,即可判斷此電流為電容電流。從可靠性角度出發(fā),在電容電流的基礎(chǔ)上乘以一定的可靠系數(shù)(一般取1.2左右)作為異常差流的門檻,以達到差流門檻免整定自適應的目的。

3.2 基于線路兩側(cè)電氣量的同步校驗方法

圖3 典型的π形等值模型Fig.3 A typical π-type model of transmission line

線路處在正常運行狀態(tài),當兩側(cè)保護裝置完成數(shù)據(jù)同步,并通過本側(cè)電流、電壓推算到對側(cè)的電壓時,推算出的對側(cè)電壓和接收到的對側(cè)同步電壓應該保持在一個近似相等的狀態(tài)[11]。

(6)

(7)

當滿足相角差大于監(jiān)視門檻,即α>αset的條件時,認為發(fā)生了兩側(cè)同步異常的情況,需要告警提醒運行人員檢查通道(采用內(nèi)部時鐘的場合)或GPS、北斗對時(采用外部時鐘的場合)?？紤]到電流互感器(TA)傳變特性、線路參數(shù)的可靠性及保護裝置的計算精度,αset一般取5°～8°,可以保證判定通道收發(fā)不一致條件的可靠性,同時能夠保證留取一定的容錯度。

電氣量監(jiān)視同步校驗方法僅在線路正常運行時投入,線路上存在故障或有異常時,自動退出電氣量校驗邏輯。

4 多維度自校正同步策略

本文在充分利用內(nèi)部時鐘同步時具有性能穩(wěn)定、不受外部時鐘干擾,以及外部時鐘同步時具有不依賴于通道收發(fā)路由一致性的優(yōu)勢,同時輔以自適應異常差流監(jiān)測及線路兩側(cè)電氣量校正手段,提出了多維度相互校驗的同步策略,可以有效防止出現(xiàn)通道路由不一致導致差動保護不正確動作的情況。

在內(nèi)部時鐘同步為主導的前提下,保護裝置感受到通道路由不一致情況的判別條件如下:①保護裝置監(jiān)視差流大于異常差流的自適應門檻;②兩側(cè)電氣量同步校驗失敗。其中條件①與通道路由的狀態(tài)和線路參數(shù)無關(guān),即使在通道路由收發(fā)不一致及線路參數(shù)不正確的情況下,也不會影響判據(jù)的準確性,可以作為條件②的補充,能夠及時發(fā)現(xiàn)通道路由不一致的情況。

在內(nèi)部時鐘體系下,一旦判斷出通道收發(fā)路由不一致后即開啟自校正同步策略。

保護裝置實時對判據(jù)①和②進行判斷,并實時對兩側(cè)報文中的時鐘信息進行校驗,僅在內(nèi)部時鐘體系同步正確且電氣量校驗通過的條件下,如果線路兩側(cè)外部時鐘偏差在可接受的范圍以內(nèi),此時置外部時鐘源可用標志作為后續(xù)使用外部時鐘體系的必要條件之一。

如圖4所示,保護裝置一旦判斷出通道收發(fā)路由不一致的情況,在經(jīng)時延確認的外部時鐘源信息可用的前提下,保護裝置切換至外部時鐘源進行同步采樣,同時輔以異常差流和雙端電氣量判別條件。僅當外部時鐘同步正確(兩側(cè)時鐘偏差<50 μs)且電氣量校驗通過時,才投入差動保護功能,否則認為同步失敗,退出差動保護。

圖4 自適應自校正同步策略Fig.4 Adaptive self-correcting synchronization strategy

5 仿真分析

5.1 測試環(huán)境

模擬現(xiàn)場實際復用通道搭建圖5所示的仿真環(huán)境,在PCS-931平臺上完成了多維度自校正同步策略。

測試系統(tǒng)采用實際412 km的500 kV線路,線路參數(shù)見附錄A表A1。線路電流差動保護裝置分別采集線路兩側(cè)保護裝置的電壓電流及開關(guān)位置等信息,模擬線路正常運行,對時源1接收GPS同步時鐘,對時源2接收北斗同步時鐘。

圖5 通道測試環(huán)境Fig.5 Channel testing environment

兩側(cè)保護裝置通過光電轉(zhuǎn)換成E1與SDH連接,SDH之間直接連接了兩條通道時延不同的路由,通道1時延為100 μs,通道2時延為2 000 μs。SDH設(shè)備具有通道保護功能,能夠進行通道路由切換,可以形成通道收發(fā)路由不一致的情況。

5.2 通道收發(fā)路由一致

保護裝置運行在通道1,連接保護裝置的通道收發(fā)路由一致,保護裝置利用內(nèi)部時鐘同步后計算的差動電流基本為零、雙端電壓相量偏差在可接受范圍以內(nèi),同時兩側(cè)同步報文的絕對時鐘偏差在差動保護計算的可接受范圍內(nèi),保護裝置置外部時鐘可用標志,兩側(cè)保護裝置始終處在內(nèi)部時鐘同步體系內(nèi)。相關(guān)同步指標詳見附錄A表A2。

5.3 通道收發(fā)路由不一致

人為模擬通道1單方向故障,此時SDH的重路由將路由切換至通道1和通道2跨接的情況,此時的通道路由不對稱達到950 μs。

在內(nèi)部時鐘體系同步不開啟自校正同步策略的情況下,通道收發(fā)路由不一致時的電壓相量及同步評判結(jié)果見附錄A表A3。

出現(xiàn)通道收發(fā)路由不一致時,經(jīng)本側(cè)電壓推算出的對側(cè)電壓和實際上保護裝置接收到的對側(cè)同步電壓的偏差達到19.8°，大于判別門檻5°，保護裝置判別出可能出現(xiàn)了通道收發(fā)路由不一致的情況。

開啟自校正同步策略后,兩側(cè)保護裝置按照外部時鐘源進行數(shù)據(jù)同步,同步后保護裝置感受到的差動電流接近于0,保護裝置收到的按外部時鐘源同步的對側(cè)同步電壓和本側(cè)推算的同步電壓穩(wěn)定在1°范圍以內(nèi)。

6 結(jié)語

基于內(nèi)部時鐘體系的電流差動保護方法因其可靠性已被普遍使用。試驗驗證表明,本文提出的基于多維度的差動保護自校正同步策略能夠提高基于內(nèi)部時鐘體系的電流差動保護的抗通道收發(fā)路由不一致的能力,同時隨著對時系統(tǒng)的發(fā)展,尤其是基于北斗的對時系統(tǒng)的發(fā)展,基于外部時鐘源的對時系統(tǒng)能夠提高目前差動保護的可靠性。本文提出的具有自校正同步策略的線路電流差動保護在多條線路均有試點運行,目前運行情況良好。

本文提出的基于多維度的差動保護自校正同步策略中的電氣量判據(jù)依賴于均勻參數(shù)的輸電線路,對于非均勻參數(shù)的輸電線路,基于電氣量識別同步的方法會存在較大誤差,可以作為后續(xù)進一步的研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 楊志宏,周斌,張海濱,等.智能變電站自動化系統(tǒng)新方案的探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(14):1-7.DOI:10.7500/AEPS20150825008.

YANG Zhihong, ZHOU Bin, ZHANG Haibin, et al. Discussion on novel scheme of smart substation automation system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(14): 1-7. DOI: 10.7500/AEPS20150825008.

[2] 高鵬,陳新南,陸明,等.南方電網(wǎng)SDH光纖通信環(huán)網(wǎng)繼電保護通道分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2007,1(2):43-48.

GAO Peng, CHEN Xinnan, LU Ming, et al. Analysis on relay protection channel of SDH optical network in China Southern Power Grid[J]. Southern Power System Technology, 2007, 1(2): 43-48.

[3] 李鋼,馮辰虎,孫集偉.縱聯(lián)電流差動保護數(shù)據(jù)同步技術(shù)及通道切換時數(shù)據(jù)交換的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(22):141-145.

LI Gang, FENG Chenhu, SUN Jiwei. Research on data synchronization technology and data exchanging while channel switching of current differential protection[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(22): 141-145.

[4] 李娟,高厚磊,武志剛,等.有源配電網(wǎng)差動保護自同步原理及誤差分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(9):78-85.DOI:10.7500/AEPS20150929011.

LI Juan, GAO Houlei, WU Zhigang, et al. Data self-synchronization method and error analysis of differential protection in active distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(9): 78-85. DOI: 10.7500/AEPS20150929011.

[5] 高厚磊,江世芳,賀家李.數(shù)字電流差動保護中幾種采樣同步方法[J].電力系統(tǒng)自動化,1996,20(9):46-49.

GAO Houlei, JIANG Shifang, HE Jiali. Sampling synchronization methods in digital current differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 1996, 20(9): 46-49.

[6] 卜強生,宋亮亮,張道農(nóng).基于GPS 對時的分散采樣差動保護同步測試方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(22):150-153.

BU Qiangsheng, SONG Liangliang, ZHANG Daonong. Research on the test method of distributed sampling differential protection synchronization based on GPS time[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(22): 150-153.

[7] 馬靜,曾惠敏,林小華.基于廣域信息多端高壓輸電區(qū)域后備保護[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(11):61-69.

MA Jing, ZENG Huimin, LIN Xiaohua. A novel wide area backup protection for multi-terminal transmission lines system[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(11): 61-69.

[8] 張兆云,陳衛(wèi),張哲,等.一種廣域差動保護實現(xiàn)方法[J].電工技術(shù)學報,2014,29(2):297-303.

ZHANG Zhaoyun, CHEN Wei, ZHANG Zhe, et al. A method of wide-area differential protection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 297-303.

[9] 張兆云,劉宏君,俞偉國.光纖通道延時不一致對差動保護的影響[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,36(12):52-55.

ZHANG Zhaoyun, LIU Hongjun, YU Weiguo. Influence of the fiber route with difference on line differential protection[J]. Power System Protection and Control, 2010, 36(12): 52-55.

[10] 呂航,陳軍,楊貴,等.基于交換機數(shù)據(jù)傳輸延時測量的采樣同步方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(9):124-128.DOI:10.7500/AEPS20150520013.

LYU Hang, CHEN Jun, YANG Gui, et al. Synchronous sampling method based on measurement of switch data transmission delay[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(9): 124-128. DOI: 10.7500/AEPS20150520013.

[11] 李振興,田斌,李振華,等.適用于單/雙回線的雙端非同步故障測距方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(22):105-110.DOI:10.7500/AEPS20151031006.

LI Zhenxing, TIAN Bin, LI Zhenhua, et al. Two-terminal nonsynchronized fault location algorithms for single/double transmission lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(22): 105-110. DOI: 10.7500/AEPS20151031006.

Multi-dimensional Cross-checking Based Self-correcting Synchronization Strategy for Line Current Differential Protection

XUXiaochun1,QIUYutao2,ZHAOPing3,XUHua3,LIHao3,ZHOUZaibing3

(1. NR Electirc Co. Ltd., Nanjing 211102, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China; 3. Taizhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Taizhou 318000, China)

In view of the inner-clock synchronization method normally used in the line current differential protection, the possibility of differential protection mal-operation is analyzed when there is an inconsistence of the sending and receiving routing in measuring the channel delay based on the Ping-Pong theory. By combining the synchronization criteria of the electrical variables on both sides of the line, an adaptive abnormal differential current monitoring method is proposed for identifying the synchronization abnormality in the line current differential protection. A self-correcting synchronization strategy is then given which combines the inner-clock system, external clock system and electrical variables criteria. The strategy is able to automatically realize the synchronization status identification and improve the capability in solving the routing inconsistency of differential protection. Testing results show that the proposed multi-dimensional cross-checking based self-correcting synchronization strategy can increase the robustness of line differential current in the routing inconsistency situation.

differential protection; inner clock system; external clock system; self-correcting; routing inconsistency

2017-01-04;

2017-06-14。

上網(wǎng)日期: 2017-07-21。

徐曉春(1984—),男,通信作者,碩士,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護。E-mail： xuxc@nrec.com

裘愉濤(1967—),男,高級工程師,主要研究方向:繼電保護和安全自動裝置。

趙 萍(1963—),女,高級工程師,主要研究方向:繼電保護和安全自動裝置。

(編輯 章黎)