基于故障選相的三端測(cè)距方案研究

趙劍松 葛建偉 李文正 董新濤 蘇亞昕 鄧茂軍

摘要：三端線路有其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)用時(shí)存在諸多問(wèn)題?，F(xiàn)針對(duì)三端線路區(qū)外故障CT易飽和、三端采樣不同步、故障測(cè)距不準(zhǔn)確等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案。特別是基于故障選相的測(cè)距方案，已成功應(yīng)用于線路保護(hù)裝置，通過(guò)了國(guó)網(wǎng)電科院和開(kāi)普的RTDS仿真測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)距結(jié)果滿足測(cè)距精度要求。

關(guān)鍵詞：差動(dòng)保護(hù);易飽和;采樣不同步;故障測(cè)距

1 差動(dòng)區(qū)外故障問(wèn)題

目前動(dòng)模CT飽和線性度最短按3.3 ms進(jìn)行試驗(yàn)，因此可利用時(shí)差法在3.3 ms內(nèi)進(jìn)行區(qū)內(nèi)外判別，區(qū)外故障CT飽和，判為區(qū)外后會(huì)存在差流，由于差流保持，差動(dòng)不開(kāi)放，但此時(shí)如果再發(fā)生區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障，由于差流仍然存在，則閉鎖差動(dòng)，所以需要增加飽和開(kāi)放判據(jù)來(lái)解決區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)閉鎖的問(wèn)題。飽和開(kāi)放判據(jù)需考慮區(qū)外飽和時(shí)不誤動(dòng)，同時(shí)區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時(shí)開(kāi)放，使差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

本文采用了虛擬制動(dòng)電流的原理，對(duì)一個(gè)周波內(nèi)差流采樣24個(gè)點(diǎn)，將虛擬0.2倍差流最大值作為制動(dòng)電流低門(mén)檻，虛擬0.5倍差流最大值作為制動(dòng)電流高門(mén)檻，同時(shí)統(tǒng)計(jì)一個(gè)周波內(nèi)差流大于此門(mén)檻值的個(gè)數(shù)M>N1（低門(mén)檻采樣點(diǎn)數(shù)），且M>N2（高門(mén)檻采樣點(diǎn)數(shù)），差動(dòng)保護(hù)開(kāi)放，否則閉鎖。在有直流分量的情況下，虛擬制動(dòng)電流的方案可能不開(kāi)放，因此還增加了微分飽和開(kāi)放判據(jù)，對(duì)一個(gè)周波內(nèi)差流進(jìn)行微分，將虛擬0.2倍的差流微分最大值作為制動(dòng)電流低門(mén)檻，將虛擬0.5倍的差流微分最大值作為制動(dòng)電流高門(mén)檻，同時(shí)統(tǒng)計(jì)一個(gè)周波內(nèi)差流微分值大于此門(mén)檻的個(gè)數(shù)M1>S1（微分低門(mén)檻采樣點(diǎn)數(shù)），且M1>S2（微分高門(mén)檻采樣點(diǎn)數(shù)），差動(dòng)保護(hù)開(kāi)放，否則閉鎖。判據(jù)如下式所示：

式中：Iop（k）為一個(gè)周波內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)的差動(dòng)電流值;Iopmax為一個(gè)周波內(nèi)差動(dòng)電流最大值;N1為原始值低門(mén)檻;S1為微分值低門(mén)檻;N2為原始值高門(mén)檻;S2為微分值高門(mén)檻。

微分飽和開(kāi)放判據(jù)受高頻分量的影響較大，在有高頻分量的情況下，微分飽和開(kāi)放判據(jù)容易開(kāi)放，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。對(duì)于轉(zhuǎn)換性的區(qū)內(nèi)故障或單端電源區(qū)外故障飽和，差流飽和段出現(xiàn)較大間斷角時(shí)，上述兩種虛擬制動(dòng)電流方案和微分飽和開(kāi)放判據(jù)都有可能不開(kāi)放，因此又增加了差流點(diǎn)差飽和開(kāi)放判據(jù)，此判據(jù)如下：

式中：Iop（k）為一個(gè)周波內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)的差動(dòng)電流值;Iop為計(jì)算得到的差流;Ires為計(jì)算得到的制動(dòng)電流;Icd為差動(dòng)動(dòng)作定值。

若24個(gè)采樣點(diǎn)中滿足式（3）和式（4）判據(jù)的點(diǎn)數(shù)大于G（門(mén)檻值），則差動(dòng)保護(hù)開(kāi)放，否則閉鎖。

2 同步調(diào)整問(wèn)題

2.1? ? 主從定位

三端線路互聯(lián)時(shí)，整定三側(cè)裝置識(shí)別碼，確定識(shí)別碼最大的裝置為主側(cè)，兩個(gè)從側(cè)均對(duì)主側(cè)進(jìn)行調(diào)整，兩個(gè)從側(cè)之間不進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)三側(cè)裝置同步;若三側(cè)互聯(lián)裝置之間有一對(duì)光纖斷鏈，則固定認(rèn)為兩側(cè)光纖通信正常的裝置為主側(cè)，若三側(cè)互聯(lián)裝置之間有兩對(duì)及以上光纖斷鏈，則不進(jìn)行同步調(diào)整，差動(dòng)保護(hù)閉鎖。

2.2? ? 乒乓算法

確定主側(cè)后，對(duì)兩從側(cè)裝置進(jìn)行同步調(diào)整，采用采樣序號(hào)和采樣時(shí)刻調(diào)整相結(jié)合的方法。對(duì)主從兩側(cè)裝置采樣序號(hào)差進(jìn)行判斷，若連續(xù)6次兩端采樣序號(hào)差固定不變，則認(rèn)為兩側(cè)采樣穩(wěn)定，然后對(duì)采樣時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整。從側(cè)裝置根據(jù)乒乓算法計(jì)算出采樣延時(shí)和采樣時(shí)刻偏差ΔTs。

如圖1所示，采樣時(shí)刻和采樣延時(shí)計(jì)算方法如下所示：

式中：n2為離從端接收到主端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀最近的采樣序號(hào);n1為從端發(fā)送數(shù)據(jù)幀的采樣序號(hào);t1為從端接收采樣序號(hào)為n1的報(bào)文時(shí)刻與最近采樣序號(hào)發(fā)送時(shí)刻之差;t2為主端接收采樣序號(hào)為n1的報(bào)文時(shí)刻與發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間差;T為采樣時(shí)間間隔。

2.3? ? 采樣時(shí)刻調(diào)整

對(duì)于常規(guī)站裝置，保護(hù)CPU計(jì)算采樣時(shí)刻偏差ΔTs，可通過(guò)改變自身的采樣間隔來(lái)調(diào)整采樣時(shí)刻。若0<ΔTs<100，每次將采樣間隔延后1 μs，總共調(diào)整ΔTs/1 μs次，可使采樣時(shí)刻同步。若ΔTs<0，每次將采樣間隔提前1 μs，總共調(diào)整ΔTs/1 μs次，可使采樣時(shí)刻同步。

對(duì)于智能站裝置，由于合并單元1 s鐘發(fā)送4 000幀數(shù)據(jù)給過(guò)程層NPI插件，一個(gè)周波內(nèi)采樣80個(gè)點(diǎn)，保護(hù)CPU需對(duì)NPI進(jìn)行重采樣，從80個(gè)點(diǎn)抽取24個(gè)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)計(jì)算。在同步調(diào)整過(guò)程中，保護(hù)CPU和NPI插件需要采樣同步，保護(hù)CPU通過(guò)FPGA每秒產(chǎn)生一個(gè)虛擬同步脈沖，保護(hù)CPU和NPI插件均以此脈沖作為采樣序號(hào)為0的采樣起始時(shí)刻，隨后各自按相同的采樣間隔T進(jìn)行采樣，這樣就實(shí)現(xiàn)了保護(hù)CPU和NPI之間的同步采樣。保護(hù)CPU計(jì)算出采樣時(shí)刻偏差ΔTs后，調(diào)整方法和常規(guī)裝置一致。

3 故障測(cè)距問(wèn)題

3.1? ? 基于故障選相的故障支路識(shí)別

當(dāng)T接線路發(fā)生短路故障時(shí)，如果是單相故障，故障選相結(jié)果為單相，此時(shí)根據(jù)各側(cè)零序電壓、電流分量計(jì)算T點(diǎn)零序電壓;發(fā)生相間及三相故障時(shí)，故障選相結(jié)果為多相，此時(shí)根據(jù)各側(cè)正序電壓、電流故障分量計(jì)算T點(diǎn)正序電壓故障分量。

式中：Ut0.m、Ut0.n、Ut0.s為從M端、N端、S端計(jì)算T點(diǎn)零序電壓;Ut1.m、Ut1.n、Ut1.s為從M端、N端、S端計(jì)算T點(diǎn)正序電壓故障分量。

線路正常運(yùn)行或T點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，則三側(cè)計(jì)算出的T點(diǎn)電壓接近相等。如果某條支路發(fā)生短路，則由故障支路計(jì)算出的電壓與由另兩條正常支路計(jì)算出的電壓不等。當(dāng)發(fā)生單相故障時(shí)，選相結(jié)果為單相時(shí)比較式（7）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到識(shí)別故障支路的條件;如果是多相故障，選相結(jié)果為多相，則比較式（8）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到識(shí)別故障支路的條件。當(dāng)這3個(gè)量最小值為ΔUmn時(shí)，判斷故障支路為ST;當(dāng)3個(gè)量最小值為ΔUms時(shí)，判斷故障支路為NT;當(dāng)3個(gè)量最小值為ΔUsn時(shí)，判斷故障支路為MT。若ΔUmn≈ΔUsn≈ΔUms，則故障點(diǎn)發(fā)生在T節(jié)點(diǎn)，取三值均小于1 V，任兩電壓差為0.5 V，判為T(mén)節(jié)點(diǎn)故障。

3.2? ? 基于故障選相的測(cè)距方案

故障支路識(shí)別出來(lái)之后，假設(shè)故障發(fā)生在MT分支線路，如圖2所示。

當(dāng)選相結(jié)果為單相時(shí)，采用零序分量計(jì)算T節(jié)點(diǎn)的零序電壓為：

由N側(cè)和S側(cè)計(jì)算T節(jié)點(diǎn)的電流為：

再由雙端測(cè)距方法計(jì)算出故障點(diǎn)M側(cè)的距離為：

式中：Zmt為線路MT的單位阻抗;Lmt為線路MT的總長(zhǎng)度，線路長(zhǎng)度整定為線路MN、MS、NS的全長(zhǎng)，此時(shí)N側(cè)和S側(cè)計(jì)算的距離分別為：

當(dāng)發(fā)生多相故障，選相結(jié)果為多相，采用正序突變量分量計(jì)算T節(jié)點(diǎn)的正序電壓：

由N側(cè)和S側(cè)計(jì)算T節(jié)點(diǎn)的電流：

再由雙端測(cè)距方法計(jì)算出故障點(diǎn)到M側(cè)的距離為：

線路長(zhǎng)度整定為線路MN、MS、NS的全長(zhǎng)，此時(shí)N側(cè)和S側(cè)計(jì)算的距離分別為式（12）和式（13）中計(jì)算的LNF和LSF的值。

4 動(dòng)模仿真及測(cè)距結(jié)果

本方案通過(guò)南京國(guó)網(wǎng)電科院和開(kāi)普的動(dòng)模測(cè)試，動(dòng)模系統(tǒng)仿真如圖3所示。M側(cè)和N側(cè)裝置為常規(guī)裝置（型號(hào)：WXH-813T-G），S側(cè)為智能站裝置（型號(hào)：WXH-813T-DA-G），MT線路長(zhǎng)度為75 km，NT線路長(zhǎng)度為75 km，ST線路長(zhǎng)度為25 km，測(cè)距結(jié)果如表1所示。

由表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算測(cè)距最大誤差為0.8%，最小誤差為-0.4%，滿足測(cè)距精度2.5%的要求，不管故障點(diǎn)在哪條支路上，經(jīng)不經(jīng)過(guò)渡電阻，測(cè)距結(jié)果均滿足要求。仿真測(cè)距結(jié)果驗(yàn)證了基于故障選相的故障測(cè)距方案的可靠性。

另外還進(jìn)行了互感器飽和等試驗(yàn)，區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，飽和開(kāi)放判據(jù)滿足，保護(hù)均能可靠動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)不誤動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)T接線路區(qū)外故障CT易飽和、采樣不同步、故障測(cè)距不準(zhǔn)確等問(wèn)題，分別提出了降低比率制動(dòng)系數(shù)、增加飽和開(kāi)放判據(jù)、增加同步調(diào)整方案、增加基于故障選相的測(cè)距方案等方法來(lái)解決以上問(wèn)題。特別是基于故障選相的測(cè)距方案，通過(guò)動(dòng)模仿真驗(yàn)證了測(cè)距方案的可靠性。該測(cè)距方案對(duì)多端線路也同樣適用，首先根據(jù)選相結(jié)果采用不同的電壓分量進(jìn)行故障支路判別，然后再進(jìn)行故障點(diǎn)的測(cè)距計(jì)算，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡(jiǎn)介：趙劍松（1985—），男，湖南婁底人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。