智能變電站線路差動(dòng)保護(hù)原理分析與方案設(shè)計(jì)

田俊杰，郝 捷，劉新元

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著光電技術(shù)、微電子技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)變電站逐漸邁向智能化的發(fā)展道路。隨著智能變電站的建設(shè)，其特有的體系結(jié)構(gòu)、采用的新型智能電子設(shè)備為線路光纖差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 常見線路差動(dòng)保護(hù)原理分析

1.1 向量差動(dòng)保護(hù)原理分析

基于基爾霍夫電流定律的差動(dòng)保護(hù)由于具有動(dòng)作迅速、原理簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用為電力設(shè)備的主保護(hù)[1]，差動(dòng)保護(hù)原理圖如圖1所示。

圖1 差動(dòng)保護(hù)原理圖

假設(shè)規(guī)定電流的正方向是母線指向線路，Im、In為線路兩端的工頻向量電流值，以兩端電流向量和作為動(dòng)作電流Id，Id一般也被稱為差動(dòng)電流。如圖1 a所示，理論上在正常運(yùn)行或保護(hù)動(dòng)作區(qū)外故障時(shí)有

在圖1 b中，若存在線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)則有

實(shí)際上由于互感器的誤差及輸電線路分布電容的影響，在線路正常運(yùn)行時(shí)或者在發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的 Im＋I(xiàn)n值不再等于0，這個(gè)電流值稱為不平衡電流。目前，線路差動(dòng)保護(hù)一般采用兩折線的比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)原理。線路比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)可以分為以下兩種情況。

比率制動(dòng)差動(dòng)曲線的延長(zhǎng)線經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，如圖2 a所示，則判據(jù)為

圖2 向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的兩種形式

比率制動(dòng)差動(dòng)曲線的延長(zhǎng)線不再經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，如圖2 b所示，則判據(jù)為

其中， Ires．0為拐點(diǎn)電流。

式（4） 中，最小動(dòng)作電流Iop通常按照躲過(guò)線路的最大不平衡電流進(jìn)行整定；制動(dòng)斜率Kr的取值考慮一是對(duì)線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)要有充足的靈敏性，二是防止當(dāng)線路保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)由于互感器飽和使得差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)；拐點(diǎn)電流Ires．0為開始起制動(dòng)作用的電流值，一般按線路額定電流進(jìn)行設(shè)定，但為避免兩側(cè)CT誤差，常取0.6~0.8的可靠系數(shù)降低拐點(diǎn)電流值；差動(dòng)電流 Id取為 Id＝＋；制動(dòng)電流Ires取為

原點(diǎn)的比率曲線與過(guò)原點(diǎn)的比率曲線相比，容易獲得更大的保護(hù)動(dòng)作范圍、更高的區(qū)內(nèi)故障靈敏性，目前，線路差動(dòng)保護(hù)一般選取不過(guò)原點(diǎn)的比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)原理。

1.2 基于故障分量的差動(dòng)保護(hù)原理分析

1.2.1 基本原理

根據(jù)疊加原理，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流包含故障前的正常負(fù)荷電流加上故障分量電流[2]。故障分量即是故障狀態(tài)電流，從原理上說(shuō)故障后的電流減去故障前正常負(fù)荷電流即是故障分量電流。圖3為非故障線路示意圖，圖4為故障線路示意圖，圖5為故障狀態(tài)下故障分量示意圖。根據(jù)疊加原理可以得到：Im＝ΔIm＋I(xiàn)f，In＝ΔIn－If。圖 4與圖5中Z為接地過(guò)渡電阻。

圖3 非故障線路示意圖

下面具體分析故障分量差動(dòng)保護(hù)的原理，故障分量電流差動(dòng)保護(hù)是由故障電流分量構(gòu)成的[3]，保護(hù)的判據(jù)如下

其中，ΔIm、ΔIn為M、N兩側(cè)的故障分量；Kr為比率制動(dòng)系數(shù)；ΔI0為最小動(dòng)作電流。

圖4 故障線路示意圖

對(duì)于向量差動(dòng)保護(hù)，根據(jù) Im＝ΔIm＋I(xiàn)f，In＝ΔIn－If，其動(dòng)作判據(jù)公式（3） 可以改寫為

其中，If為負(fù)荷電流；Kr為比率制動(dòng)系數(shù)；I0為最小動(dòng)作電流。

對(duì)比故障分量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)和向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)可以看出，兩種判據(jù)具有相同的差動(dòng)電流，但是有不同的制動(dòng)電流。向量差動(dòng)的制動(dòng)電流比故障分量差動(dòng)的制動(dòng)電流多了2倍的負(fù)荷電流。因此，在線路負(fù)荷比較大，又發(fā)生過(guò)大的過(guò)渡電阻故障時(shí)，故障分量變得很小，而負(fù)荷電流很大，向量差動(dòng)保護(hù)就會(huì)受到制動(dòng)電流的制約，而發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)。故障分量制動(dòng)電流不包含正常負(fù)荷電流，基于故障分量的差動(dòng)保護(hù)承受過(guò)渡電阻的能力會(huì)大大加強(qiáng)。

圖5 線路故障分量示意圖

由圖5可以求出

從式（7） 得到，故障分量差動(dòng)電流Id和制動(dòng)電流Ires的比值與過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)。因此，只要故障分量能夠滿足差動(dòng)保護(hù)判據(jù)，保護(hù)就會(huì)可靠動(dòng)作。

采樣差動(dòng)保護(hù)具有動(dòng)作速率快的特點(diǎn)，故障分量差動(dòng)保護(hù)具有不受負(fù)荷電流影響和承受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)的特點(diǎn)。將兩種保護(hù)判據(jù)結(jié)合就出現(xiàn)了故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)，它結(jié)合了上述兩種判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，其判據(jù)為

其中，iop為最小動(dòng)作電流；kr為制動(dòng)系數(shù)；(k)為線路發(fā)生故障時(shí)的兩側(cè)故障分量電流瞬時(shí)采樣值；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)。

和采樣值差動(dòng)一樣，故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)也是采用R個(gè)連續(xù)采樣值中有S個(gè)及以上個(gè)點(diǎn)滿足動(dòng)作條件則發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

根據(jù)以上分析可知故障分量采樣值差動(dòng)消除了負(fù)荷電流和過(guò)渡電阻的影響，又增加了采樣值差動(dòng)保護(hù)速率快的優(yōu)點(diǎn)，從而提高了差動(dòng)保護(hù)的靈敏度和可靠性；不過(guò)故障分量差動(dòng)保護(hù)也有自身缺陷，故障發(fā)生后的1到2個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行故障計(jì)算才有效。

1.2.2 故障分量的計(jì)算方法

故障分量的計(jì)算方法很多，目前常用的計(jì)算公式見式（9）。

其中，i(k)為當(dāng)前電流采樣值；i(k-N)為1周期之前的電流采樣值；N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)；k為采樣點(diǎn)。

正常情況下，式（9） 輸出為零。在線路發(fā)生故障時(shí)，式（9） 能反應(yīng)故障發(fā)生后1周期之內(nèi)的故障分量，但在1周期之后，反應(yīng)的故障分量就會(huì)出現(xiàn)偏差，并且會(huì)逐步衰減為零；另外，式（9） 在采樣電流頻率變化時(shí)也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差[4-5]。

為延長(zhǎng)故障提取時(shí)間，采用式（10）的計(jì)算方

其中，ik為當(dāng)前電流采樣值；i（k－N）為 1周期之前的電流采樣值；i（k－2N）為2周期之前的采樣值；N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)。

式（8） 不但能解決電流頻率變化時(shí)給故障分量計(jì)算帶來(lái)的誤差，而且在故障后2周期內(nèi)提取的故障分量依然有效，延長(zhǎng)了故障分量差動(dòng)起到保護(hù)作用的有效時(shí)間。

2 智能變電站線路光纖差動(dòng)保護(hù)方案

2.1 本文選取的差動(dòng)保護(hù)原理

基于故障分量的采樣值差動(dòng)保護(hù)原理具有動(dòng)作速度快、不受負(fù)荷電流影響、承受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其仍然存在故障分量只在故障發(fā)生后2個(gè)周期內(nèi)有效的弱點(diǎn)，為彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，在差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)2個(gè)周期后投入向量差動(dòng)作為基于故障分量的采樣值差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)。

本文選用的差動(dòng)保護(hù)具體設(shè)計(jì)如下。

2.1.1 故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)

故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)如下

式（11） 中，iop為最小動(dòng)作電流；kr為制動(dòng)系數(shù)；、分別為線路發(fā)生故障時(shí)的兩側(cè)故障分量電流瞬時(shí)采樣值；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)。

其中，Δim（k）、Δi（nk）按式 （12） 進(jìn)行取值。

式 （12） 中，i（k）為當(dāng)前電流采樣值；i(k-N)為1周期之前的電流采樣值；i(k-2N)為2周期之前的采樣值；N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)。

以故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)作為差動(dòng)保護(hù)的主判據(jù)，在保護(hù)起動(dòng)后立即投入此判據(jù)，對(duì)于線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)能夠切除故障，對(duì)于線路區(qū)外發(fā)生故障，能夠保證保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

2.1.2 向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)

向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)如下

式 （13） 中，Iop為最小動(dòng)作電流；為差動(dòng)電流；Kr為制動(dòng)斜率；為制動(dòng)電流；Ires．0為拐點(diǎn)電流。

在保護(hù)起動(dòng)40 ms后投入向量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)，作為于線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障而故障分量采樣值差動(dòng)保護(hù)失效時(shí)的后備保護(hù)判據(jù)，直到保護(hù)跳閘或保護(hù)返回退出。

2.2 線路光纖差動(dòng)保護(hù)方案

選用3層2網(wǎng)構(gòu)架下的智能變電站，設(shè)計(jì)線路差動(dòng)保護(hù)方案。線路差動(dòng)保護(hù)接線示意圖如6所示。

圖6中MN表示1條110 kV及以下電壓等級(jí)的輸電線路，在線路M側(cè)的智能變電站中，電子式電流互感器ECT(electronic current transformer)采集到線路M側(cè)的電流瞬時(shí)值，并傳遞給其間隔中的合并器；合并器合并線路M側(cè)的三相電流、電壓采樣值，通過(guò)過(guò)程層交換機(jī)或是直連光纖，把電流、電壓采樣值進(jìn)一步傳輸給M側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)裝置。M側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)裝置通過(guò)專用的光纖通道，把本側(cè)的三相電流采樣值傳遞給N側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)裝置。為此M側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)裝置首先對(duì)接收到的IEC61850-9-2采樣值報(bào)文進(jìn)行解析處理，提取出本側(cè)線路三相瞬時(shí)采樣值與對(duì)應(yīng)的smpCnt（采樣計(jì)數(shù)器）的值。受限于光纖通道的傳輸速率，差動(dòng)保護(hù)裝置需對(duì)IEC61850-9-2報(bào)文中的采樣點(diǎn)進(jìn)行重新采樣，從每周期采樣80個(gè)點(diǎn)，降低到每周期采樣40點(diǎn)，即保護(hù)裝置按照每隔1個(gè)采樣點(diǎn)選點(diǎn)的方式完成重新采樣。然后差動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組幀發(fā)送給對(duì)側(cè)裝置。不同于ECT、合并器MU（merging unit）裝置的數(shù)據(jù)輸出有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，差動(dòng)裝置對(duì)采樣值的輸出能夠采用私有協(xié)議，本方案中用表1所示格式的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。 該幀格式中起始、結(jié)束標(biāo)志固定為01111110。為防止幀中其他數(shù)據(jù)信息中出現(xiàn)連續(xù)的6個(gè)1，發(fā)送端在5個(gè)連續(xù)的1自動(dòng)插0，接收端則自動(dòng)刪0。數(shù)據(jù)幀中第2個(gè)字節(jié)表示報(bào)文類型，用以標(biāo)識(shí)該幀數(shù)據(jù)是否為采樣數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中第3個(gè)至第14個(gè)字節(jié)傳輸本側(cè)線路三相電流采樣值，具體數(shù)值取自9-2SV報(bào)文解析出的采樣值。數(shù)據(jù)幀中第15與第16個(gè)字節(jié)為采樣標(biāo)號(hào)同樣取自9-2SV報(bào)文解析出的smpCnt（采樣計(jì)數(shù)器） 的值，由于裝置每周期只傳輸40個(gè)采樣點(diǎn)，采樣標(biāo)號(hào)按 0、2、4、6…3998、0、2、4…的數(shù)值進(jìn)行改變。數(shù)據(jù)幀中第10個(gè)到第14字節(jié)為保留位，由于傳輸控制信息、通信延時(shí)等信息。數(shù)據(jù)幀中第15個(gè)與第16個(gè)字節(jié)為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC（cyclical redundancy check），當(dāng)接收端裝置檢測(cè)出該幀數(shù)據(jù)有誤，則舍棄該幀數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)為24字節(jié)即136 b，每一個(gè)電流周期傳輸40個(gè)采樣點(diǎn)，即傳輸40幀數(shù)據(jù)，那么1 s的時(shí)間內(nèi)只需要傳輸384 kb的數(shù)據(jù)，易于工程實(shí)現(xiàn)。

表1 正常數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

線路N側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)傳輸工作原理相同。線路差動(dòng)保護(hù)裝置采集到線路本側(cè)和線路另一側(cè)的電流采樣值，通過(guò)本文確定的差動(dòng)保護(hù)原理算法就能判斷出線路工作在正常狀態(tài)、線路發(fā)生區(qū)外故障或是線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，從而決定是否進(jìn)行本側(cè)開關(guān)跳閘。

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)向量差動(dòng)保護(hù)的原理及整定原則，確定了選用故障分量采樣值差動(dòng)+向量差動(dòng)相組合的保護(hù)原理，設(shè)計(jì)了智能變電站總體的線路差動(dòng)保護(hù)方案。該方案不僅能快速可靠地切除區(qū)內(nèi)故障，還大大減弱了過(guò)渡電阻對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性的影響。