不受同步對(duì)時(shí)誤差影響的線路差動(dòng)保護(hù)方案研究*

江全才，陳韋男，鄭浩

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

電流相量差動(dòng)保護(hù)因其原理簡(jiǎn)單可靠、具有全線速動(dòng)及高靈敏性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為輸電線路的主保護(hù)[1]。對(duì)于電流相量差動(dòng)保護(hù)而言，其保護(hù)計(jì)算所需的電氣量少，僅需線路兩端的電流互感器(TA)采樣本端的電流信息，并通過(guò)光纖通道交換電流信息就能完成故障判斷。值得注意的是，由于電流相量包含幅值與相位信息，因此只有在線路兩端數(shù)據(jù)采樣同步的前提下，才能夠保證電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的可靠性。然而，隨著電網(wǎng)的大力發(fā)展建設(shè)，輸電線路長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，通信通道可能會(huì)出現(xiàn)光纖傳輸信號(hào)衰變，因此線路兩端難以保證采樣信息的同步，導(dǎo)致電流的相位信息出現(xiàn)偏差，此時(shí)如果沒(méi)有相應(yīng)的措施閉鎖電流差動(dòng)保護(hù)或者將其退出運(yùn)行，將會(huì)引起電流相量差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作[2]。

為保證電流差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，必須對(duì)線路兩端采樣信息進(jìn)行同步化處理。目前對(duì)差動(dòng)保護(hù)采樣同步技術(shù)的研究有以下兩類：一類是研究不受采樣非同步影響的差動(dòng)保護(hù)方案[3-6]，其中，文獻(xiàn)[3]提出了一種幅值差動(dòng)判據(jù)，無(wú)需借用相位信息進(jìn)行故障辨識(shí)，但該判據(jù)存在保護(hù)死區(qū)問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]提出了具有良好相移制動(dòng)能力的電流差動(dòng)保護(hù)，能夠應(yīng)對(duì)兩端電流相移偏差角度達(dá)到60°；文獻(xiàn)[5]引入電壓量構(gòu)造一種導(dǎo)納差動(dòng)判據(jù)，避免了采樣非同步的影響，但是保護(hù)門檻值的整定較為復(fù)雜。另一類是研究采樣數(shù)據(jù)同步方法[7-8]，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于GPS精確對(duì)時(shí)的差動(dòng)保護(hù)采樣同步方法；文獻(xiàn)[8]提出了一種數(shù)據(jù)修正方法，通過(guò)對(duì)對(duì)端送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相移處理從而達(dá)到數(shù)據(jù)采樣同步的目的，但是該方法容易受到電網(wǎng)頻率波動(dòng)的影響。

針對(duì)采樣失同步的問(wèn)題，本文結(jié)合電流相量差動(dòng)保護(hù)與幅值差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種不受采樣非同步影響的線路差動(dòng)保護(hù)方案。當(dāng)線路兩端采樣信息失同步時(shí)，將退出電流相量差動(dòng)保護(hù)，依靠電流幅值差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障快速辨識(shí)；而線路兩端采樣保持同步時(shí)，電流相量差動(dòng)保護(hù)與電流幅值差動(dòng)保護(hù)相互配合，采用“或”邏輯出口，消除電流幅值差動(dòng)保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)的問(wèn)題。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提的方案能夠有效的應(yīng)對(duì)采樣信息失同步對(duì)線路保護(hù)的影響，保證線路兩端采樣失同步時(shí)，線路保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，線路保護(hù)可以迅速響應(yīng)故障。

1 線路兩端同步誤差對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)的影響分析

圖1為雙端電源輸電線路示意圖。

圖1 雙電源輸電線路示意圖

(1)

式中K1為制動(dòng)系數(shù)，取值范圍為(0，1)。

(2)

圖發(fā)生相移φ1

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

綜上所述，比較式(7)所表示的差動(dòng)電流與式(9)所表示的制動(dòng)電流可知，當(dāng)線路區(qū)內(nèi)無(wú)故障但線路兩端電流數(shù)據(jù)存在時(shí)間同步誤差時(shí)，線路電流相量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于電流相量差動(dòng)保護(hù)與電流幅值差動(dòng)保護(hù)的抗對(duì)時(shí)同步誤差新方案

2.1 電流幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)

由第1節(jié)分析可知，線路兩端的電流相量出現(xiàn)時(shí)間同步誤差會(huì)引起電流的相位誤差，但不會(huì)引起電流的幅值誤差，因此，若是利用線路兩端電流的幅值信息進(jìn)行保護(hù)判據(jù)的設(shè)計(jì)，則能夠有效的解決時(shí)間同步誤差所帶來(lái)的線路保護(hù)誤動(dòng)作的問(wèn)題。

(10)

式中S為最大的相對(duì)誤差系數(shù)。

(11)

值得指出的是，雖然電流幅值差動(dòng)保護(hù)具有抗對(duì)時(shí)同步誤差，不受兩端系統(tǒng)等值阻抗角度差異的影響等優(yōu)點(diǎn)，但其自身也有需要解決的問(wèn)題，如在線路中點(diǎn)附近發(fā)生短路故障時(shí)，由于線路兩端保護(hù)安裝處測(cè)量的故障電流幅值幾乎相等，無(wú)法滿足式(11)的動(dòng)作判據(jù)，從而出現(xiàn)保護(hù)的死區(qū)，導(dǎo)致電流幅值差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)。因此，電流幅值差動(dòng)保護(hù)不宜單獨(dú)作為線路主保護(hù)使用，應(yīng)與其他保護(hù)配合使用。

2.2 抗對(duì)時(shí)同步誤差線路保護(hù)新方案

由上述分析可知，電流幅值差動(dòng)保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)的問(wèn)題，但是對(duì)兩端保護(hù)數(shù)據(jù)同步要求并不高；而電流相量差動(dòng)保護(hù)能夠保證全線故障識(shí)別，但是要求兩端保護(hù)數(shù)據(jù)保持高度的同步性，對(duì)時(shí)同步誤差將會(huì)影響相量差動(dòng)保護(hù)的可靠性。因此，可以綜合運(yùn)用兩種保護(hù)判據(jù)，結(jié)合電流幅值差動(dòng)保護(hù)和電流相量差動(dòng)保護(hù)的特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。需要注意的是，鑒于目前輸電線路會(huì)配備同步測(cè)量裝置，當(dāng)線路同步對(duì)時(shí)一致時(shí)，以相量差動(dòng)保護(hù)為主要的保護(hù)方式；當(dāng)線路不滿足同步測(cè)量條件時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)不能可靠性運(yùn)行時(shí)將會(huì)退出運(yùn)行，借助電流幅值差動(dòng)保護(hù)保障線路的安全。由此，本文提出抗對(duì)時(shí)同步誤差線路保護(hù)新方案，如圖3所示。

圖3 抗對(duì)時(shí)同步誤差保護(hù)方案

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

圖4 雙端輸電線路仿真模型

3.2 算例仿真

算例1：線路區(qū)外F3點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障，故障時(shí)刻tf=0.41 s，線路兩端電流采樣同步無(wú)誤差，則線路相量差動(dòng)保護(hù)與幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作情況如圖5所示。

圖5 相量、幅值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

由圖5(a)可知，區(qū)外F3點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，電流相量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的差動(dòng)電流始終低于制動(dòng)電流，保護(hù)可靠制動(dòng)；由圖5(b)可知，幅值差動(dòng)電流始終低于動(dòng)作門檻值，因此，電流幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)同樣能夠制動(dòng)區(qū)外故障。

算例2：線路正常運(yùn)行，以M側(cè)電流為參考端，設(shè)置線路兩端電流采樣值出現(xiàn)5 ms的同步誤差，即S端電流采樣值相移偏差90°。圖6為線路兩端對(duì)時(shí)同步誤差時(shí)的電流波形和線路保護(hù)的動(dòng)作情況。

由圖6(b)、圖6(c)可以看出，由于受線路兩端電流采樣對(duì)時(shí)誤差的影響，相量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的差動(dòng)電流會(huì)大于制動(dòng)電流，導(dǎo)致相量保護(hù)判據(jù)誤動(dòng)作；而幅值差動(dòng)判據(jù)無(wú)需相位信息參與保護(hù)計(jì)算，不會(huì)受到對(duì)時(shí)同步誤差的影響，因此幅值差動(dòng)電流始終低于動(dòng)作門檻值。鑒于本文所提的保護(hù)方案，當(dāng)線路兩端電流采樣出現(xiàn)對(duì)時(shí)同步誤差時(shí)，將退出線路相量保護(hù)判據(jù)，此時(shí)，借助幅值差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)，能夠有效的避免對(duì)時(shí)誤差所帶來(lái)的影響，在一定程度上提高保護(hù)的可靠性。

圖6 線路兩端的電流波形及相量、幅值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

算例3：線路區(qū)內(nèi)F1點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障，故障時(shí)刻tf=0.41 s，線路兩端電流采樣同步無(wú)誤差，則線路相量差動(dòng)保護(hù)與幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作情況如圖7所示。

由圖7(a)可知，區(qū)內(nèi)F1點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，電流相量差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作電流較大，表現(xiàn)出較高的靈敏度；由圖7(b)可知，由于故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)附近，線路兩端的電流幅值近乎相等，幅值差動(dòng)電流始終低于動(dòng)作門檻值，因此，電流幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)無(wú)法正確響應(yīng)區(qū)內(nèi)故障。因此可以將電流相量差動(dòng)保護(hù)和電流幅值差動(dòng)保護(hù)組成保護(hù)的“或”邏輯出口，從而解決電流幅值差動(dòng)保護(hù)在線路中點(diǎn)附近發(fā)生故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題。

圖7 相量、幅值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

算例4：線路區(qū)內(nèi)F2點(diǎn)發(fā)生金屬性故障，并且，以M端為參考端，設(shè)置線路兩端電流采樣出現(xiàn)5 ms的對(duì)時(shí)同步誤差，即S端電流采樣值相移偏差90°。鑒于對(duì)時(shí)誤差的影響，電流相量差動(dòng)保護(hù)已退出運(yùn)行，本算例不再給出其動(dòng)作情況。圖8為故障前后線路兩端的電流波形和線路幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作情況。

圖8 線路兩端的電流波形及幅值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

由圖8(b)可知，區(qū)內(nèi)F2點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，幅值差動(dòng)電流判據(jù)的差流迅速越過(guò)動(dòng)作門檻值，響應(yīng)區(qū)內(nèi)故障。值得指出的是，若是線路兩端電流采樣失同步的同時(shí)，線路區(qū)內(nèi)中點(diǎn)附近發(fā)生金屬性接地故障，此時(shí)，線路保護(hù)將會(huì)拒動(dòng)。對(duì)于此類特殊情況，可依靠線路后備保護(hù)切除故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高壓輸電線路兩端電流采樣非同步而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或被迫退出的問(wèn)題，本文結(jié)合相量電流差動(dòng)保護(hù)與幅值電流差動(dòng)保護(hù)的性能優(yōu)點(diǎn)，提出了一種不受采樣非同步影響的線路保護(hù)新方案。理論分析與仿真算例驗(yàn)證了該方案的可行性，形成結(jié)論如下：

(1)當(dāng)線路兩側(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步誤差時(shí)，傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)失效，電流幅值差動(dòng)保護(hù)判據(jù)僅需要電流幅值信息即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)判斷，消除了電流相位信息的影響，可有效應(yīng)對(duì)線路兩端數(shù)據(jù)采樣失同步所帶來(lái)的保護(hù)誤動(dòng)作/失效的問(wèn)題，提高保護(hù)的可靠性；

(2)當(dāng)線路兩側(cè)數(shù)據(jù)無(wú)同步誤差，將相量差動(dòng)保護(hù)與幅值差動(dòng)保護(hù)形成保護(hù)的“或”邏輯出口，進(jìn)一步提高保護(hù)可靠性，保證線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)能夠可靠動(dòng)作切除故障；線路區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)能夠可靠制動(dòng)。