康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

基于檢測(cè)差流諧波含量的差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

準(zhǔn)確判斷出電流互感器(CT)飽和是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障引起的，可提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性。分析了CT飽和產(chǎn)生的原因和故障時(shí)的差流波形，提出了一種基于差流諧波含量的差動(dòng)保護(hù)方案。CT在過零附近區(qū)間能正確傳變二次電流，通過分析這個(gè)區(qū)間的差流諧波含量，確定故障是否在差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)。采用此方案，在發(fā)生區(qū)外故障CT飽和時(shí)能夠可靠閉鎖差動(dòng)保護(hù)，在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)能夠快速開放差動(dòng)保護(hù)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方案的正確性。

差動(dòng)保護(hù)；電流互感器(CT)；CT飽和；差流諧波含量；差流波形；仿真研究

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)容量也在增加，發(fā)生故障時(shí)的故障電流也就越大。差動(dòng)保護(hù)能夠快速、準(zhǔn)確地切除故障，因此在主電網(wǎng)中得到了大量運(yùn)用。近年來，國(guó)家投入巨量資金對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行了改造，讓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)向供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)展，導(dǎo)致配電網(wǎng)的容量大大提升。配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的故障電流會(huì)很大，這時(shí)需迅速、可靠地切除故障。常規(guī)的配電網(wǎng)采用帶延時(shí)過流保護(hù)來切除故障，這樣不能很快地切除故障。此時(shí)，一些地區(qū)開始引入主網(wǎng)常用的差動(dòng)保護(hù)作為配電網(wǎng)的主保護(hù)來快速切除故障，保護(hù)一次設(shè)備。由此可見，差動(dòng)保護(hù)不管在主電網(wǎng)還是在配電網(wǎng)都得到了大量應(yīng)用。

差動(dòng)保護(hù)的原理基于基爾霍夫電流定律，具有簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)[1-3]。差動(dòng)保護(hù)在工程上遇到的主要技術(shù)問題是：區(qū)外故障時(shí)，故障電流大且伴隨著直流分量，從而使電流互感器(CT)飽和，容易導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

本文根據(jù)CT飽和發(fā)生的原理分析飽和后差動(dòng)電流的波形，提出了基于差流諧波含量的差動(dòng)保護(hù)方法。此方法能夠區(qū)分差動(dòng)保護(hù)的區(qū)內(nèi)外故障，大大提高了差動(dòng)保護(hù)抗CT飽和的能力，提高了差動(dòng)保護(hù)的可靠性。

1 CT飽和產(chǎn)生的原理和電流特征

1.1 CT的數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化原理分析，本文采用簡(jiǎn)化的CT等值電路，忽略鐵芯損耗。基本等效電路如圖1所示，圖中：Z1為CT一次阻抗；Z2為CT二次阻抗；Z3為CT勵(lì)磁阻抗；Z4為CT負(fù)載阻抗。

圖1 CT二次回路等效電路

由圖1可得

(1)

(2)

CT是一個(gè)具有鐵芯的非線型元件，其中勵(lì)磁阻抗Z3的變化取決于鐵芯的飽和程度。在正常工作狀況下，負(fù)載阻抗Z4很小,而勵(lì)磁阻抗Z3的數(shù)值很大且數(shù)值基本不變。CT工作在磁化曲線的直線部分，鐵芯處于不飽和狀態(tài)，因此I1與I2成正比關(guān)系，從而使一次電流能按變比轉(zhuǎn)換成二次電流。當(dāng)CT的一次電流增大后，尤其在一次電流含有較大的非周期分量時(shí)，鐵芯開始進(jìn)入飽和區(qū)，鐵芯的磁導(dǎo)率很快下降到一個(gè)很小的值，勵(lì)磁阻抗Z3迅速減小。由式(1)可知，I2隨Z3變小而變小。當(dāng)CT嚴(yán)重飽和時(shí)，勵(lì)磁阻抗Z3急劇減少至接近零，一次電流幾乎全部為I3，二次電流I2幾乎接近于零。

1.2 CT飽和的二次電流特征

CT飽和與非飽和時(shí)其二次電流波形[4]如圖2所示，圖中：虛線為CT飽和二次電流，實(shí)線為CT不飽和二次電流。CT飽和分為暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和，剛開始的50 ms內(nèi)為暫態(tài)飽和，其波形與時(shí)間軸不對(duì)稱，50 ms后為穩(wěn)態(tài)飽和，波形以時(shí)間軸對(duì)稱。大部分的CT飽和都是由暫態(tài)飽和過渡到穩(wěn)態(tài)飽和，或者由暫態(tài)飽和直接退出飽和狀態(tài)。

圖2 典型TA故障波形

從圖2中可以看出，CT飽和的波形具有以下主要特征。

(1)在故障發(fā)生后，CT不會(huì)立即進(jìn)入飽和，存在一個(gè)線性傳遞區(qū)，線性傳遞區(qū)的大小與飽和程度有關(guān)。

(2)在一次電流達(dá)到反方向的最大值時(shí)CT飽和退出，所以反方向一次電流過零附近存在線性傳遞區(qū)，其傳遞區(qū)的大小取決于CT飽和深度。

(3)一次電流含有較大的非周期分量，飽和后二次電流產(chǎn)生畸變，二次電流波形出現(xiàn)缺省，幅值降低。

2 常規(guī)的差動(dòng)保護(hù)

目前，國(guó)內(nèi)、外主要的差動(dòng)保護(hù)一般采用比率制動(dòng)原理[5-8]，以線路兩端或母線所連接單元矢量和的絕對(duì)值為差電流Id，以其絕對(duì)值的和為制動(dòng)電流If。為提高其動(dòng)作快速性，一般以其變化量作為啟動(dòng)判據(jù)，即ΔId>Iset，ΔId>kΔIf，其中If又有各種不同取法。在飽和檢測(cè)方面，有同步識(shí)別法、各側(cè)各次諧波分量檢測(cè)法等。采用同步識(shí)別法后的差動(dòng)保護(hù)，對(duì)于轉(zhuǎn)換性故障，一般采取閉鎖一周波時(shí)間(20ms)，然后再開放差動(dòng)的方法，這種方法存在轉(zhuǎn)換性故障動(dòng)作較慢的問題。而每側(cè)各次諧波檢測(cè)法，則利用CT飽和后各次諧波分量的波形特征來判斷CT是否發(fā)生飽和，根據(jù)各次諧波含量的高低來選擇不同的制動(dòng)系數(shù)。在諧波分量檢測(cè)制動(dòng)中，諧波的提取及濾除是其正確動(dòng)作與否的關(guān)鍵技術(shù)。由于保護(hù)動(dòng)作快速性的要求，一般采取向量法簡(jiǎn)單計(jì)算出其中的諧波含量水平，根據(jù)各諧波水平的不同，采用不同的制動(dòng)系數(shù)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的跳閘邏輯。

本文對(duì)差流波形進(jìn)行分析，利用差動(dòng)電流含有各次諧波的特點(diǎn)，采用一種短窗的總諧波含量算法來實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)。采用此種方法，差動(dòng)保護(hù)不受流出電流、高阻影響，且有很好的抗CT飽和能力。

3 檢測(cè)差流諧波的差動(dòng)保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于短窗諧波算法的實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)目前應(yīng)用較廣泛的諧波算法進(jìn)行分析[4,9-12]，提出采用可變數(shù)據(jù)窗的諧波算法。在電力系統(tǒng)的故障中，故障電流包含基本直流分量，由串補(bǔ)電容引起的低頻分量，由并聯(lián)電抗器引起的附加直流分量，以及由線路分布電容引起的高頻分量。非周期分量對(duì)算法的影響不在本文討論之內(nèi)，在前級(jí)處理中加以濾除。高頻分量的存在，使得常規(guī)的諧波算法誤差很大，一方面由于其對(duì)高頻分量的抑制很差，另一方面是其采用了CT飽和時(shí)傳變不正確的數(shù)據(jù)。研究表明：在故障后的1/4周期內(nèi)，由于CT鐵芯未及飽和，暫態(tài)傳變誤差較小，二次電流能較好地體現(xiàn)一次電流的變化。CT飽和后，二次電流波形出現(xiàn)畸變、缺損，但當(dāng)一次電流過零點(diǎn)附近時(shí)，飽和CT二次側(cè)將出現(xiàn)一個(gè)線性傳變區(qū)(即其二次電流能正確反應(yīng)一次電流)，常規(guī)的諧波算法都沒有很好地利用這些有用的信息。本文利用其飽和線性區(qū)進(jìn)行短窗諧波計(jì)算，提出一整套實(shí)現(xiàn)方案，具體如下。

使用短窗諧波算法檢測(cè)諧波水平判斷飽和程度，在差流過零點(diǎn)附近，根據(jù)諧波水平不同，采取不同的數(shù)據(jù)窗。由于飽和越嚴(yán)重，有效傳變區(qū)越短,正確傳變的數(shù)據(jù)窗也越短，此時(shí)短窗諧波算法選取數(shù)據(jù)窗越短，雖然數(shù)據(jù)窗短帶來的計(jì)算誤差較大，但由于其所輸入數(shù)據(jù)均為正確傳變數(shù)據(jù)，總體誤差有很大下降。其具體公式為

(3)

式中：D?為三相諧波的大小；I?(CD)為三相差動(dòng)電流；t為當(dāng)前點(diǎn)，t1，t2，t3為當(dāng)前點(diǎn)的前幾點(diǎn)，此4個(gè)點(diǎn)在1/4波內(nèi)(5 ms)；k1，k2和k3為相應(yīng)點(diǎn)的比率系數(shù)。

諧波計(jì)算通常采用4點(diǎn)諧波公式，當(dāng)計(jì)算諧波大于一定值時(shí)，則重新采用3點(diǎn)諧波公式計(jì)算3點(diǎn)諧波，如果計(jì)算出來的諧波比4點(diǎn)諧波小，則認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重飽和，并切換到3點(diǎn)諧波公式計(jì)算。

根據(jù)當(dāng)前諧波計(jì)算點(diǎn)來計(jì)算當(dāng)前的諧波含量，其公式為

(4)

式中：K?為當(dāng)前的諧波含量；tn代表采用了當(dāng)前使用的諧波點(diǎn)。

通過檢測(cè)差流的諧波含量來確定是區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。

3.2 檢測(cè)差流諧波含量差動(dòng)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

(1)保護(hù)的啟動(dòng)。采用電流突變量判據(jù)作為差動(dòng)保護(hù)的主啟動(dòng)判據(jù)，利用電壓元件或零流元件作為差動(dòng)保護(hù)的輔助啟動(dòng)判據(jù)。

圖3 差動(dòng)保護(hù)RTDS結(jié)構(gòu)

(2)當(dāng)保護(hù)啟動(dòng)后，計(jì)算啟動(dòng)后5ms內(nèi)的諧波含量K?：當(dāng)K?>諧波含量系數(shù)1(k1)時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生區(qū)外故障并進(jìn)入?yún)^(qū)外飽和判斷邏輯；當(dāng)K?<諧波含量系數(shù)1(k1)時(shí)，則認(rèn)為是區(qū)內(nèi)故障，開放差動(dòng)保護(hù)。

(3)區(qū)外飽和判斷邏輯，還是檢測(cè)差流過零點(diǎn)附近的諧波含量K?，當(dāng)K?<諧波含量系數(shù)2(k2)時(shí)，則認(rèn)為發(fā)展成區(qū)內(nèi)故障，開放差動(dòng)保護(hù)，否則繼續(xù)等待判下一個(gè)差流過零點(diǎn)。

(4)當(dāng)差動(dòng)保護(hù)開放后，此時(shí)判別差動(dòng)電流的大小是否滿足動(dòng)作定值，差動(dòng)的制動(dòng)曲線是否滿足條件，如果滿足上面兩點(diǎn)，則差動(dòng)保護(hù)跳閘。

4 動(dòng)模試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證以上判據(jù)構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能，通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)對(duì)由判據(jù)組成的差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行數(shù)字仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

模型中的參數(shù)：M側(cè)發(fā)電機(jī)組容量200MV·A，N側(cè)系統(tǒng)容量2 500MV·A，線路長(zhǎng)度100km，線路參數(shù)為R=0.1 Ω/km，X=0.4 Ω/km。CT1變比600 A/1A，CT2變比600 A/1A，TV變比110 kV/100 V。

4.1 區(qū)內(nèi)故障

故障點(diǎn)都設(shè)在F2點(diǎn)，此時(shí)模擬區(qū)內(nèi)正常故障和區(qū)內(nèi)飽和故障，具體分析如下。

(1)金屬性故障。圖4為C相金屬性故障波形圖，圖中：IC為M側(cè)C相電流；ICO為N側(cè)C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，故障剛開始諧波含量變大，其原因?yàn)橹C波的數(shù)據(jù)框不滿足，故計(jì)算出來的諧波含量不能參與判斷，當(dāng)諧波數(shù)據(jù)框滿足后，計(jì)算出來的諧波含量<諧波含量系數(shù)1(k1)，則認(rèn)為是故障，開放差動(dòng)保護(hù)。

圖4 F2點(diǎn)C相接地故障波形

(2)飽和故障。圖5為B相飽和區(qū)內(nèi)故障波形圖，圖中：IB為M側(cè)B相電流；IBO為N側(cè)B相電流；IDB為B相差流；IXBB為B相諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，當(dāng)諧波數(shù)據(jù)框滿足后，計(jì)算出來的 諧波含量>諧波含量系數(shù)1(k1)，則進(jìn)入飽和判斷邏輯。在第1個(gè)差流過零區(qū)間諧波含量還是>諧波含量系數(shù)2(k2)，故等待下一個(gè)過零區(qū)間，在下一個(gè)過零區(qū)間時(shí)發(fā)現(xiàn)諧波含量都<諧波含量系數(shù)2(k2)，則認(rèn)為是發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，開放差動(dòng)保護(hù)。

圖5 F2點(diǎn)B相飽和故障波形

4.2 區(qū)外故障

故障點(diǎn)都設(shè)在F1點(diǎn)，此時(shí)模擬區(qū)內(nèi)正常故障和區(qū)內(nèi)飽和故障，具體分析如下。

(1)飽和故障。圖6為F1點(diǎn)故障C相飽和故障波形圖。圖中：IC為M側(cè)C相電流；ICO為N側(cè)C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，電流突變量啟動(dòng)后且諧波數(shù)據(jù)框滿足后差流諧波>諧波含量系數(shù)1(k1)，則進(jìn)入飽和邏輯判斷，在飽和邏輯判斷的每一個(gè)差流過零點(diǎn)附近區(qū)域，差流諧波含量都>諧波含量系數(shù)2(k2)，則認(rèn)為是區(qū)外故障，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。

(2)區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的飽和故障。圖7為F1點(diǎn)故障，故障持續(xù)60 ms后又發(fā)生F2點(diǎn)故障，F(xiàn)1和F2故障同時(shí)存在的C相飽和故障波形圖。圖中：IC為M側(cè)C相電流；ICO為N側(cè)C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。在故障前60 ms內(nèi)，在每一個(gè)差流過零點(diǎn)附近區(qū)域，差流諧波含量都>諧波含量系數(shù)2(k2)，則認(rèn)為是區(qū)外故障，閉鎖差動(dòng)保護(hù)。60 ms后又有了F2故障，則在60 ms后的第2個(gè)差流過零區(qū)域內(nèi)，諧波含量都<諧波含量系數(shù)2(k2)，則開放差動(dòng)保護(hù)。

圖6 F1點(diǎn)C相飽和故障波形

圖7 F1點(diǎn)轉(zhuǎn)F2點(diǎn)C相故障波形

5 結(jié)束語

本文提出了基于差流諧波含量的差動(dòng)保護(hù)方法，該方法基于保護(hù)啟動(dòng)區(qū)間和差流過零區(qū)間的差流諧波大小來確定諧波的計(jì)算數(shù)據(jù)框，通過新的數(shù)據(jù)框重新計(jì)算差流諧波含量來確定故障的類型。通過RTDS仿真證明，該方法可行、有效，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

[1]朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M].3版.北京：

中國(guó)電力出版社，2005.

[2]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[4]索南加樂，宋國(guó)兵，許慶強(qiáng).任意長(zhǎng)度數(shù)據(jù)窗幅頻特性一致的正交相量濾波器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(6)：45-49,59.

[5]楊經(jīng)超,尹項(xiàng)根,陳德樹,等.采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(9):71-77.

[6]胡玉峰,陳德樹,尹項(xiàng)根.采樣值差動(dòng)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(10):40-44.

[7]陳德樹,尹項(xiàng)根,張哲,等.故障分量差動(dòng)保護(hù)與故障變化量差動(dòng)保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(9):39-41，87.

[8]袁榮湘,陳德樹,馬天皓,等.基于故障分量的采樣值電流差動(dòng)保護(hù)研究——原理分析[J].繼電器,2000,28(3):9-11,14.

[9]鄭建勇，巫海鋼.短數(shù)據(jù)窗傅氏算法在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(18):49-52，60.

[10]袁宇波，陸于平，劉中平.基于相量法的短數(shù)據(jù)窗快速濾波算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(3):58-63.

[11]王毅非.最小二乘算法的研究與改進(jìn)[J].繼電器，2000，28(3):5-8.

[12]邰能靈，朱佳杰.小矢量算法在發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)中的應(yīng)用分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(13):51-54，67.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-04-25；

2017-06-20

TM 938

A

1674-1951(2017)07-0032-04

康豐(1978—)，男，湖北漢川人，工程師，從事微機(jī)保護(hù)的軟件應(yīng)用與開發(fā)等方面的工作(E-mail:feng-kang@sac- china.com)。

王閏羿(1990—)，男，江蘇宜興人，助理工程師，從事微機(jī)保護(hù)的軟件應(yīng)用與開發(fā)等方面的工作。

張瑋(1980—)，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，從事微機(jī)保護(hù)的軟件應(yīng)用與開發(fā)等方面的工作。

劉慶海(1987—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機(jī)保護(hù)的軟件應(yīng)用與開發(fā)等方面的工作。

楊青松(1990—)，男，江蘇鹽城人，工程師，工學(xué)碩士，從事微機(jī)保護(hù)的軟件應(yīng)用與開發(fā)等方面的工作。