考慮電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)

金恩淑，陳亞瀟，扈佃愛，江 坤

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考慮電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)

金恩淑，陳亞瀟，扈佃愛，江 坤

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為避免廣域電流差動(dòng)保護(hù)受電容電流影響而誤動(dòng)的情況發(fā)生，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種不受電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法。利用微分方程計(jì)算出各線路上的電容電流，采用修正的差動(dòng)電流對(duì)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，即在傳統(tǒng)差動(dòng)電流基礎(chǔ)上減去計(jì)算出的電容電流以使電流差動(dòng)保護(hù)不再受電容電流的影響。利用PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)將改進(jìn)的廣域電流差動(dòng)保護(hù)與傳統(tǒng)原理的電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，該保護(hù)不受電容電流影響，外部故障時(shí)可靠不動(dòng)作，驗(yàn)證了此保護(hù)算法的可行性和有效性。

廣域電流差動(dòng)保護(hù)；動(dòng)作電流；制動(dòng)電流；電容電流；補(bǔ)償精度

0 引言

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在的不足和加強(qiáng)繼電保護(hù)之間的配合，自上世紀(jì)九十年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開展了廣域繼電保護(hù)的理論研究。電流差動(dòng)保護(hù)原理基于基爾霍夫電流定律，具有簡(jiǎn)單可靠、動(dòng)作性能優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到了廣域系統(tǒng)中，而計(jì)算機(jī)、通信以及同步測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展完善，使得廣域電流差動(dòng)保護(hù)完全可以滿足電網(wǎng)廣域保護(hù)系統(tǒng)的需要。廣域電流差動(dòng)保護(hù)是通過(guò)測(cè)量某個(gè)區(qū)域電流的差動(dòng)值來(lái)判斷故障點(diǎn)是在區(qū)內(nèi)還是在區(qū)外。然而，若保護(hù)區(qū)域包含有線路，在外部故障時(shí)廣域電流差動(dòng)保護(hù)可能會(huì)受電容電流的影響而誤動(dòng)。因此，廣域電流差動(dòng)保護(hù)不得不考慮電容電流的影響。

為了消除電容電流對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)的影響，應(yīng)用較多的方法是在保護(hù)裝置中采取補(bǔ)償措施。文獻(xiàn)[5]提出的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償算法是建立在計(jì)算穩(wěn)態(tài)向量基礎(chǔ)上的，因此只能補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)下的電容電流，不能補(bǔ)償暫態(tài)的電容電流，暫態(tài)電容電流必須通過(guò)差動(dòng)定值躲過(guò)，使保護(hù)靈敏度降低，因而不完全符合對(duì)電容電流補(bǔ)償提出的要求。目前學(xué)者所廣泛研究的時(shí)域補(bǔ)償算法在分析參數(shù)的不對(duì)稱情況下多采用模分量法。模分量法利用微分方程對(duì)電容電流進(jìn)行計(jì)算之前先進(jìn)行相模變換，補(bǔ)償后再進(jìn)行反變換，但此方法稍顯復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]提出的貝瑞隆模型僅從模型上克服了電容電流的影響，但在獲取線路一端電流進(jìn)行差動(dòng)時(shí)仍然存在電容電流。

鑒于以上情況，本文提出了一種更加簡(jiǎn)便的考慮電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)算法。首先利用微分方程計(jì)算出各線路上的電容電流，并對(duì)每條線路的補(bǔ)償精度進(jìn)行了計(jì)算；然后采用修正的差動(dòng)電流對(duì)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，即在傳統(tǒng)差動(dòng)電流基礎(chǔ)上減去計(jì)算出的電容電流以使電流差動(dòng)保護(hù)不再受電容電流的影響；最后通過(guò)仿真說(shuō)明此方法的可行性和有效性。

1 傳統(tǒng)廣域電流差動(dòng)保護(hù)

基于基爾霍夫電流定律的常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單可靠，靈敏度高，被廣泛用作輸電線路、母線和電氣設(shè)備的主保護(hù)，運(yùn)行效果良好。廣域電流差動(dòng)原理與常規(guī)保護(hù)基本一樣，不同點(diǎn)是，常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)對(duì)象是單個(gè)電氣元件，廣域電流差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)對(duì)象是一個(gè)區(qū)域（包括單個(gè)電氣元件）。

圖1為一個(gè)典型的廣域系統(tǒng)，廣域系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取相鄰變電站所需的數(shù)據(jù)信息，本文選取所能反應(yīng)的最大保護(hù)范圍為差動(dòng)區(qū)，即選取本變電站全部出線的對(duì)端電流參與差動(dòng)計(jì)算，如圖A區(qū)域所示，設(shè)以流入A區(qū)域?yàn)檎较颉?/p>

圖1典型的廣域系統(tǒng)

傳統(tǒng)的廣域電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流為

制動(dòng)電流為

動(dòng)作判據(jù)為

（3）

式中：為差動(dòng)電流的啟動(dòng)值，可取為0.5；為額定電流；為制動(dòng)系數(shù)，可取為0.5。

根據(jù)上述的動(dòng)作方程，繪制比率制動(dòng)特性曲線如圖2所示。

圖2電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

若差動(dòng)電流與制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)位于折線上方的陰影區(qū)，此時(shí)差動(dòng)電流動(dòng)作。反之，則不動(dòng)作。

2 改進(jìn)的廣域電流差動(dòng)保護(hù)

2.1修正的差動(dòng)電流

傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)并沒(méi)有考慮電容電流的影響，因此當(dāng)電容電流足夠大時(shí)，差動(dòng)電流將超過(guò)門檻值而引起保護(hù)誤動(dòng)。改進(jìn)的電流差動(dòng)保護(hù)考慮了電容電流的影響，利用與傳統(tǒng)保護(hù)相同的制動(dòng)電流和動(dòng)作判據(jù)，但采用了修正的差動(dòng)電流，從而能夠保證在外部故障時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作。

考慮電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)修正的差動(dòng)電流為

2.2電容電流的時(shí)域補(bǔ)償計(jì)算

圖3 π型等值電路

對(duì)于長(zhǎng)線路而言，有

（7）

對(duì)m點(diǎn)應(yīng)用基爾霍夫電流定律，有

對(duì)n點(diǎn)應(yīng)用基爾霍夫電流定律，有

將式（8）與式（9）相加，并將式（6）、式（7）代入得

（10）

為說(shuō)明每條線路電容電流補(bǔ)償?shù)木?，可采用式?1）所示的誤差計(jì)算公式：

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的保護(hù)算法的有效性和可行性，以圖1為例搭建PSCAD仿真模型。其中，L1與L2為具有耦合作用的平行雙回線。以A區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)，選取本變電站全部出線的對(duì)端電流參與差動(dòng)計(jì)算，即CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7、CB8、CB9、CB10、CB11、CB12、CB13處電流參與計(jì)算。以A相為例，將本文方法與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在各種情況下進(jìn)行比較。

（1）正常運(yùn)行

圖4(a)為正常運(yùn)行情況下，A區(qū)域傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流及動(dòng)作信號(hào)；圖4(b)為傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的特征曲線。由圖4可以看出，傳統(tǒng)保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)并未進(jìn)入到動(dòng)作區(qū)，保護(hù)正常不動(dòng)作。

圖4傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

圖5(a)中分別為正常運(yùn)行情況下，改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的A區(qū)域線路電容電流、修正的差動(dòng)電流及動(dòng)作信號(hào)；圖5(b)為改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的特征曲線。由圖5可以看出，修正的差動(dòng)電流明顯減小，差動(dòng)電流與制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)均在制動(dòng)區(qū)內(nèi)，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

在正常運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)與改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)均可靠不動(dòng)作。

（2）內(nèi)部故障

在0.2 s時(shí)刻，220 kV母線處發(fā)生經(jīng)200 Ω高阻接地故障時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)與改進(jìn)的電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況分別如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可以看出，在0.2 s發(fā)生高阻接地故障后，修正的差動(dòng)電流減小，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)和改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的工作點(diǎn)均進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，保護(hù)均可靠動(dòng)作。

（3）外部故障

在0.2 s時(shí)刻，線路L6上靠近負(fù)荷側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)與改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知，在0.2 s時(shí)刻發(fā)生外部故障時(shí)，由于電容電流的存在，使得差動(dòng)電流較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)，保護(hù)誤動(dòng)。

圖6傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

圖7改進(jìn)的電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

圖8傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況

由圖9可知，在0.2 s時(shí)刻發(fā)生外部故障時(shí)，改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)由于考慮了電容電流的影響，使得修正的差動(dòng)電流與傳統(tǒng)保護(hù)的差動(dòng)電流相比，變得很小，因而工作點(diǎn)仍在制動(dòng)區(qū)，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

圖9改進(jìn)的電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

由公式(11)可對(duì)PSCAD仿真系統(tǒng)中的各條線路計(jì)算補(bǔ)償精度。限于篇幅，僅給出L1、L3、L4、L13線路的補(bǔ)償誤差數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1可知，采用2.2節(jié)的補(bǔ)償計(jì)算方法可以較好地補(bǔ)償線路電容電流，并且對(duì)暫態(tài)電容電流同樣具有較好的補(bǔ)償效果。

表1線路補(bǔ)償誤差

Table 1 Circuit error compensation

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了當(dāng)前傳統(tǒng)廣域電流差動(dòng)保護(hù)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮電容電流影響的廣域電流差動(dòng)保護(hù)。首先根據(jù)微分方程計(jì)算出保護(hù)區(qū)內(nèi)各線路的電容電流，并對(duì)補(bǔ)償精度進(jìn)行了計(jì)算。然后在原有差動(dòng)量基礎(chǔ)上減去電容電流，從而能夠有效補(bǔ)償暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電容電流以使差動(dòng)電流不受電容電流的影響而誤動(dòng)。

由PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)的廣域電流差動(dòng)保護(hù)不受電容電流影響，既可以保證外部故障時(shí)保護(hù)可靠不動(dòng)作，同時(shí)也可以保證內(nèi)部故障時(shí)仍保持足夠的靈敏度，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Wide area current differential protection considering the effects of capacitive current

JIN En-shu, CHEN Ya-xiao, HU Dian-ai, JIANG Kun

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

To avoid the circumstances that the maloperation currently occurs when the wide-area current differential protection is influenced by the capacitive current, this paper improves the traditional current differential protection and puts forward a way to calculate the wide-area current differential protection that is not affected by capacitive current. We use differential equation to calculate the capacitive current on different circuits, and by using amendatory differential current, we make efficient compensation for fault transient current and steady capacitive current. That is to guarantee current differential protection against the influence from capacitive current, we subtract the calculated capacitive current from the traditional differential current. The PSCAD simulation experiment compares this protection with the traditional current differential protection. It turns out that this protection is not affected by capacitive current, and has no maloperation through external failure, which verifies the feasibility and effectiveness of this protective calculation.

wide-area current differential protection; operating current; braking current; capacitive current; compensation precision

TM77

A

1674-3415(2014)19-0062-06

2014-04-25；

2014-08-06

金恩淑（1972-），女，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究;E-mail：jes222@aliyun.com

陳亞瀟（1989-），女，通信作者，在讀碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究。