耐受电流暂态分量影响的新型差动保护分析

摘　要：提出一种新型差动保护，在时域中对两端电流的故障分量波形进行比较，并且考虑全频域内的信号, 较少受故障期间暂态分量的影响。同电流差动保护相比，该保护可更可靠、快速动作，同时，它对信号的同步要求较低，也较容易实现与整定，能够成为超高压长距离输电线路的主保护。
关键词：时域分析； 差动保护； 超高压输电线路； 主保护
分类号： TM 771

A NEW DIFFERENTIAL PROTECTION OF TRANSMISSION LINE WITH STRONG IMMUNITY FROM NOISE IN CURRENT TRANSIENT COMPONENT

Yuan Rongxiang, Chen Deshu, Zhang Zhe
(Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：A new differential protection scheme is designed, in which the current fault component waves in two terminals of the protected transmission line are compared in time-domain, and the whole information in frequency domain is taken into account. Compared with current differential protection, the new protection has better performance on resisting the influence of transient component, higher reliability and faster speed. The demand for the synchronism of the current is comparatively low. It frees from the system oscillation. It can be realized easily and could be the primary protection of the long transmission lines with ultra-high-voltage.
　　This project is supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (RFDP) (No.96048723).
Keywords：time-domain analysis; differential protection; ultra-high-voltage transmission line; primary protection▲

0　引言
　　相位比较式差动纵联保护(相差保护)自50年代起在我国输电线路保护中获得广泛应用，到80年代逐渐被方向纵联保护和距离纵联保护所代替，特别是计算机技术的飞速发展，更加速了这种替代过程，主要是因为数字式相差保护若按传统的模拟式保护的思路与方法用计算机来实现，则其并未发挥微机硬件系统的优势，而恰恰是利用了微机的固有弊端，使得数字式相差保护的性能很难满足日益发展的电力系统对继电保护的要求。
　　然而相差保护原理简单、清晰，在两端电流同步的条件下（对同步要求不是太高），对内、外部故障有较好的方向性，且不受正常运行时系统振荡的影响。如何使相差保护在用计算机来实现时不受（或少受）故障期间暂态分量的影响，是提高相差保护性能所急需解决的问题。
　　由于通信技术特别是光纤通信技术的发展，使得继电保护的通道容量已不成为主要矛盾。基于这种现实，本文提出一种输电线路新型差动保护，即在时域中对两端电流的故障分量波形进行比较，它具有比较相位的功能，也兼有幅值比较的作用，较少受故障期间暂态分量的影响，同电流差动保护相比，该保护可更可靠、快速动作切除内部故障，同时，它不受正常运行时系统振荡的影响，对信号的同步要求较低，也较容易实现与整定，可望成为超高压长距离输电线路的主保护。

1　保护原理分析
　　传统的输电线路相差保护是比较被保护输电线路两端的基波电流的相位差值，实质是在频域中比较两端基波电流在一个周期内的波形一致性，内部故障时，基波波形在理想情况下完全一致，外部故障时，基波波形在理想情况下则完全相反。文中新型差动保护与传统的输电线路相差保护一样，通过比较被保护输电线路两端电流的波形一致性来判断是内部故障还是外部故障，只是实现方法不同，新型差动保护在时域中比较波形的一致性，并且考虑全频域内的信号，由此使得新型差动保护与传统的相差保护对通道的要求也不一样，后者只比较两端基波电流的波形一致性，只需传送基波电流的相位信号（可用简单的二进制信号表示），而前者则像电流差动保护一样需传送各个时刻的电流信号。
　　新型差动保护是基于故障分量的保护，由于电力系统正常运行时可看成线性系统，在故障时则可近似地将系统看成为故障分量系统与正常运行系统的叠加，保护采用故障分量系统分析，以减少负荷电流的影响，大量理论与实践证明该方法对提高许多保护继电器的性能行之有效。图1为内部故障时的故障分量系统，F为故障点，P_m，P_n为系统等效无源网络，Δi_m，Δi_n为被保护线路两侧的故障电流分量，Δu_F(0)为在故障时（t=0）故障点的电压， 电流的参考方向如图1所示。

图1　内部故障时的故障分量系统
Fig.1　An internal fault component system

　　当忽略故障电流在两侧传播的差别、两侧系统等值阻抗角的不同及两侧信号同步误差时，两侧电流波形将完全一致，即两侧电流同为正或同为负，亦即Δi_m(t)Δi_n(t)≥0，t为任意正值。考虑到故障电流在两侧传播的差别、两侧系统等值阻抗角的不同及两侧信号同步的误差，为使保护在各种情况下均能可靠动作，取新型差动保护的动作主判据为：

E(t)=∫^t_t0Δi_m(t)Δi_n(t)dt≥E_dz

其中　E(t)为故障期间两侧电流故障分量乘积的积分函数；E_dz为保护动作出口的门槛整定值，是为提高保护动作可靠性而设置的；t₀为故障开始时刻。
　　图2为外部故障时的故障分量系统，各符号意义同图1。如前分析，理想情况时：Δi_m(t)Δi_n(t)≤0，t为任意正值。在实际实现中，可取新型差动保护的闭锁（即反向动作）判据为：

E(t)=∫^t_t0Δi_m(t)Δi_n(t)dt≤-E_dz

图2　外部故障时的故障分量系统
Fig.2　An external fault component system

　　由于被保护线路两侧电流波形的高度相关性，即或者波形相同，或者波形相反，且新型差动保护是在时域中运算，充分考虑了暂态过程的非线性，因此它受故障暂态过程的影响很少，函数E(t)几乎是单调上升（或递减）函数，适当整定E_dz，可以使保护超高速动作出口切除故障。新型差动保护与传统相差保护有本质区别，因为传统相差保护精确地以过零点为基准，认为任何点对相位变化的贡献均相同，通过放大与限幅的过程（即方波形成过程，数字式相差保护则可采用软件方式实现）放大了过零点附近数值的作用，缩小了峰值附近数值的作用。实质上，电流是时域中的函数，其采样值量值的变化是局部的、渐进的，而相位的变化则是全局的、突然的。在电力系统故障发生时，电流波形中伴有快速衰减的局部量——非周期分量和谐波分量，传统相差保护用相位这个全局量来判断故障范围，故很难消除衰减的非周期分量和谐波分量等局部量的影响。对数字式相差保护，由于采样频率的限制，决定了它不可能准确地抓住电流相位的突然变化点（对于常见的每周期采样12点的数字式保护来说，相差一个点则意味着相位误差30°），加上数据采集系统中的误差，使得数字式相差保护很难满足系统的要求。新型差动保护彻底解决了数字式继电保护中应用传统的相差保护原理而构成的数字相差保护存在的弊端，由于它的动作判据是一个求积分的过程，在电流过零点附近因其幅值小而对整个积分值贡献较少，故两端过零点的相对少量的偏移对差动保护的影响十分有限，也就是说，它利用时域采样值来实现，既比较两端电流的相位，也考虑了采样值的幅值这个渐变量促成相位变化过程中的作用，同时由于采样值是局部量，由此构成的保护有可能超高速动作出口切除故障。求积分的过程提高了保护的可靠性，可有效地减少暂态过程的影响。

2　实现方法
2.1　电流故障分量的提取
　　理想的故障分量不能直接测量，在实际应用中，电流故障分量是在适当的假设条件下，根据线路中电流的测量值用一定的算法来获得。不妨设电流的故障分量计算值为Δi(t)，测量电流为i(t)，T为基波周期，t_k时刻测量电流采样值为i(t_k)，则常用的故障分量电流算法如下：

Δi(t_k)=i(t_k)-i(t_k-T)　　　(1)

　　　(2)

Δi(t_k)=i(t_k)-2i(t_k-T)+i(t_k-2T)　　　(3)

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