同桿四回線縱聯差動保護新方案

于仲安，程明釗，郭培育，邰能靈

（1.江西理工大學電氣工程與自動化學院，贛州341000；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

近年來，隨著電力網的不斷擴大，輸電線路走廊越來越緊張，考慮到經濟因素，同桿多回線線路已被廣泛應用[1-5]，然而同桿四回線輸電線路又是同桿多回線中的特殊一種，也正因為這種特殊性與復雜性，同時也給線路繼電保護帶來較大的影響[6-13]。目前，對于同桿四回線輸電線路的研究，國內外文獻主要集中在桿塔結構、導線排列方式、送電線路電場分布、絕緣配置、防霧特性以及電磁污染等方面，而在電流縱聯差動保護方面的研究較少。文獻[6]提出利用鄰線的零序電流來消除電磁耦合的影響，雖然這也可使保護準確動作，但其接線方式較復雜且受系統運行方式影響較大。文獻[8]在分析同桿雙回線主要的排列方式和不平衡電流現象的基礎上，研究了超高壓同桿雙回輸電線路在區外相間故障時，由于零序環流超過門檻值造成的零序功率方向元件誤動事故，對同桿雙回線零序環流不平衡度進行了分析，并針對零序環流造成同桿雙回線方向縱聯保護誤動情況，提出了同桿雙回線序分量方向縱聯保護的方案。文獻[10]分析了零序互感對同桿并架四回線的影響，并且提出了四回線零序補償系數的計算方法且分析了過渡電阻對接地距離保護對測量阻抗的影響。

對于傳統縱差保護的影響因素，首先由于同桿四回線結構的復雜性，使得每回線之間存在零序互感，從而可能影響保護的誤動或拒動；其次，由于同桿四回線大多都是應用于高壓長距離輸電線路，因此對于分布電容電流的影響也很大；最后，過渡電阻的變化也會影響保護動作。針對上述問題，本文深入研究了同桿四回線輸電線路，提出了相應的反序負序網絡，利用該反序負序分量的特征推導出電流縱聯差動保護判據新原理。大量的PSCAD/EMTDC 仿真結果表明：該判據原理簡單可靠，且避過零序互感，分布電容電流，故障類型及過渡電阻等因素的影響。此外對于電源背側系統阻抗的變化自適應能力也很強。

1 基于十二序分量的特征分析

同桿四回線輸電線路系統結構如圖1 所示，且四回線從上至下依次是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，假設該模型為理想模型，即各阻抗參數均對稱：其中每回線之間的線間阻抗記為ZX，相間阻抗記為ZM，自阻抗記為ZS。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

由于該模型結構的特殊性與復雜性，即各回線之間均存在互感，各相之間也存在互感。借此本文采用12 序分量法[14]對其進行解耦，從而消除他們之間的線間、相間互感，得到相互獨立的12 個分 量（e0，f0，g0，h0，e1，f1，g1，h1，e2，f2，g2，h2），其 中，這12 個分量分別為同相量e 以及環流量（f，g，h），并且各回線電流分量與這12 序分量之間的關系可表示為

式中，M 為解耦矩陣，表示為

其中，α=ej120°

根據這個解耦矩陣M 就可以消除各回線間的線間、相間互感，從而推導出相應的（f，g，h）序負序網絡圖。由于（f，g，h）序負序網絡均可被選用，現以h 序負序網絡為例，如圖2 所示。

圖2 同桿四回線內部故障時h 序負序網絡Fig.2 Sequence h negative sequence network in the four parallel lines

本文選取h 序負序分量進行研究，是由于該負序分量具有較多適用于同桿四回線縱聯差動保護的特點：首先反序負序分量又為環流量，只存在于四回線內部，外部故障時，其分量基本為0，且不流經過渡電阻，故可大大地減少過渡電阻對其縱差保護的影響；其次，由于在四回線兩端的反序負序電壓為零，進而可躲過電容電流對其保護的作用，致使該縱差保護具有絕對的選擇性。此外，因反序負序分量也為故障分量，借此可不考慮負荷電流對其保護的影響。

2 基于h 序負序分量的縱聯差動保護

2.1 基于h 序負序分量的縱聯差動保護判據新原理

綜上所述，反序負序分量不受系統阻抗、零序互感、電容電流等因素影響，同時由于該分量又為環流量，當線路故障時，其分量只存在四回線內部，而四回線外部其分量幾乎趨于0，基于此可以靈敏地判斷故障區段（區內指四回線內部，區外指四回線以外的部分）。根據反序負序電流的定義式以及綜合為了躲開四回線外部故障時最大短路電流下X、Y 側電流互感器誤差，可得到縱聯差動保護新判據為

式中：IXh2、IYh2分別為X、Y 側經12 序分量法得到的h 序負序分量；KK為可靠系數，取1.2～1.3；Ktx為電流互感器同型系數，型號相同取0.5，型號不同取1.0；Ker為電流互感器誤差系數，取10%；Khs為數據采樣同步系數，取1.2；IXdφ，max、IYdφ，max分別為該四回線電源容量變化范圍內的X、Y 側最大單相短路電流。

2.2 基于h 序負序分量的縱聯差動保護性能分析

如前所述，該縱聯差動保護新判據充分利用了反序負序分量的特性，由于該分量是經12 序分量法得到的獨立分量，從而避開了四回線中零序互感的影響。其次，該分量在四回線兩端電壓為0，進而可躲過分布電容電流對其縱差保護的作用。最后，因為該反序負序網絡中，其系統阻抗為0，故該保護不受系統阻抗影響。同時該判據綜合考慮了電源兩側不平衡電流及數據采集非同步等因素的影響，使得該縱差保護具有更好的精確性及穩定性。此外，在傳統的縱聯差動保護中，易受系統振蕩等因素影響，而本文提出的縱聯差動新判據是基于負序網絡，故不受系統振蕩影響。而且該分量又為環流量，僅存在四回線內部，綜上所述，該保護不需要啟動判據。致使該保護適用于電源容量變化的系統運行方式。

3 PSCAD/EMTDC 仿真與驗證

3.1 仿真模型

綜上所述，同桿四回線輸電線路系統模型的電壓等級為330 kV，其線路全長為120 km，母線X側系統阻抗參數：正負序阻抗為Z1SX=Z2SX=j25 Ω，零序阻抗為Z0SX=j40 Ω，Y 側電源容量是在一定范圍內變化的，每回線之間的線間阻抗、相間阻抗分別為0.080 31+j0.252 4 Ω/km 和0.080 31+j0.252 4 Ω/km，自阻抗為0.115 2+j0.686 Ω/km。

3.2 整定電流的求解及故障仿真

由于系統容量的變化即對應的是系統阻抗的變化，先假設X 側系統阻抗固定，Y 側系統阻抗變化，從而求解出該模型的整定電流Iset。PSCAD/EMTDC 仿真結果見表1。

表1 區外故障時不同電源容量下線路兩側的最大單相短路電流Tab.1 The largest single-phase current with different power capacity and external fault

由表1 可得，Iset= 1/12KKKtxKerKhs1/12×1.2×0.5×0.1×1.2×（1 846.09+4 306.29）A=36.914 A。此外，該表已經充分說明了系統容量的變化。

為了驗證該縱聯差動保護的精確性及穩定性，本文通過PSCAD/EMTDC 仿真了幾種不同情況下的故障，即金屬性接地（過渡電阻為0），經較大的過渡電阻接地（200 Ω）以及四回線外部故障。如表2、表3 所示。此外，由于帶弱饋（即某一電源側其系統阻抗遠遠大于另一側電源系統阻抗）的同桿四回線對其縱聯差動保護的要求更高，借此本文主要針對帶弱饋系統情況。并假設Y 側（即弱側）系統阻抗參數：正負序阻抗為Z1SY=Z2SY=21 015+j40 005 Ω，Z0SY=50 005+j70 005 Ω。

從表2 可以得出，該縱差保護能夠靈敏地判斷同桿四回線金屬性接地故障（即過渡電阻為0），并且其縱聯差動電流值遠遠大于整定電流值，此外，過渡電阻的增大雖然使縱差電流有所減小，但仍然能夠可靠地動作。同時由于其保護不受零序互感、系統阻抗及分布電容電流等因素影響，故可在不同故障情況下，使其保護能夠可靠地動作。

由表3 可以看出，當故障發生在同桿四回線以外時，縱聯差動電流為0，從而使該縱聯差動保護可靠的不動作。此外，當線路Y 側電源容量發生變化至強電源時，本文所提出的縱差判據仍然適用，并且不需要再進行整定計算。

表2 在不同過渡電阻下的縱聯差動電流值及保護動作情況Tab.2 Action protection case and longitudinal differential current with different resistance

表3 區外故障時縱聯差動電流及保護動作情況Tab.3 Action protection case and longitudinal differential current with external fault

4 結語

本文提出的一種基于h 序負序電流的縱聯差動保護新判據，該判據彌補了傳統的同桿四回線縱聯差動保護的缺陷，即可躲過同桿四回線之間的零序互感，分布電容電流及系統阻抗等因素影響，而且該保護還不需要啟動判據以及不受電源容量的變化的影響。其次，由于該判據是基于負序電流基礎之上，故還可避免系統振蕩等因素干擾。同時，由于反序負序電流是不對稱故障的顯著特征，因此，對于系統的不對稱故障，該保護與選相元件相結合可以作為同桿四回線輸電線路的主保護。大量的PSCAD/EMTDC 仿真表明：當同桿四回線內部故障時，線路兩端的h 序負序電流差遠遠大于整定電流，即該保護能夠準確可靠的動作。即使過渡電阻的增大會影響線路兩端負序電流之差，但該保護依然能夠可靠的動作。反之，當故障發生在四回線外部時，該保護能夠可靠的不動作。但是，對于系統發生三相對稱故障時，由于此故障的特征就是其負序電流理論上應該為零，而本文所提出的算法又是基于負序網絡所分析的，因此，對于線路發生三相對稱故障時，本文所提出的算法不能夠直接應用，然而考慮在實際運行中，發生這種三相對稱故障的概率卻很小，幾乎為0。綜上所述，本文所提出的電流縱聯差動保護算法實用價值較大。

[1]葛耀中. 新型繼電保護與故障測距原理與技術[M]. 西安：西安交通大學出版社，1996.

[2]郁惟鏞，胡大良，張耀宇（Yu Weiyong，Hu Daliang，Zhang Yaoyu）.基于電荷量比較原理電流差動保護仿真研究（Study on current differential protection based on the theory of charge comparison）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），1997，9（1）：15-19.

[3]趙永彬，陸于平（Zhao Yongbin，Lu Yuping）. 90°接線功率方向繼電器的分析與改進（Analysis and improvement of 90°connection power directional relay）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（3）：89-93.

[4]張洋，王偉，樊占峰（Zhang Yang，Wang Wei，Fan Zhanfeng）.基于虛擬零序電流的雙回線接地距離保護原理（A novel scheme of ground distance protection for double circuit line based on virtual zero sequence current）[J]. 電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（21）：55-59.

[5]Bhalja B R，Maheshwari R P.High-resistance faults on two terminal parallel transmission line：analysis，simulation studies，and an adaptive distance relaying scheme [J].IEEE Trans on Power Delivery，2007，22（2）：801-812.

[6]宋國兵，劉志良，康小寧，等（Song Guobing，Liu Zhiliang，Kang Xiaoning，et al）.一種同桿并架雙回線接地距離保護方案（A scheme for ground distance protection of parallel transmission lines）[J]. 電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（12）：102-106，114.

[7]朱聲石.高壓電網繼電保護原理與技術[M].北京：中國電力出版社，2005.

[8]李斌，李學斌，丁茂盛，等（Li Bin，Li Xuebin，Ding Maosheng，et al）.同桿雙回線環流對方向縱聯保護的影響及改進（Influence of circulating in same-pole double-circuit transmission lines on directional pilot protection and its improvement）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2011，35（8）：103-107.

[9]龔震東，范春菊，郁惟鏞，等（Gong Zhendong，Fan Chunju，Yu Weiyong，et al）.一種基于六序網圖的同桿雙回線故障測距算法（A new fault allocation algorithm for parallel transmission line based on six-sequence network）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（17）：58-60，82.

[10]馬曉明，范春菊，劉玲（Ma Xiaoming，Fan Chunju，Liu Ling）. 跨電壓等級同桿四回線接地距離保護的研究（Ground distance protection for four joint transmission lines with different voltage grades on the same tower）[J].電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（24）：28-34.

[11]馮勇鑫，溫渤嬰（Feng Yongxin，Wen Boying）.接地距離保護中零序補償系數整定方法的探討（Investigation on setting method for zero-sequence current compensation coefficient in ground-fault distance protection）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（3）：95-98.

[12]曲廣龍，楊洪耕，吳曉清，等（Qu Guanglong，Yang Honggeng，Wu Xiaoqing，et al）.考慮電網拓撲結構的行波故障定位方法（Fault location with traveling wave considering network topological structure）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（6）：118-122.

[13]陳靜，唐飛，廖清芬（Chen Jing，Tang Fei，Liao Qingfen）.相/序電壓幅值比較的交直流電網故障選相（Faulty phase selection criterion in AC/DC hybrid power system based on the comparison of phase/sequence voltage amplitude）[J].電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（4）：29-33.

[14]田羽，范春菊，龔振東（Tian Yu，Fan Chunju，Gong Zhendong）.同桿4 回線12 序分量法（Twelve-sequence component method of four-parallel lines on same towers）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（21）：35-39，105.