李寶偉，文明浩，石 欣，戚宣威，張家琪

基于有源電子互感器的輸電線(xiàn)路等傳變差動(dòng)保護(hù)

李寶偉1,2，文明浩1，石 欣2，戚宣威3，張家琪4

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；4.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

羅氏線(xiàn)圈電子式電流互感器的積分環(huán)節(jié)會(huì)放大傳變誤差，可能造成電流傳變嚴(yán)重失真，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。針對(duì)此問(wèn)題，提出了線(xiàn)路保護(hù)直接采用羅氏線(xiàn)圈微分電流信號(hào)輸出的改進(jìn)思路。并以差動(dòng)保護(hù)為例，提出了一種基于有源電子互感器的輸電線(xiàn)路等傳變差動(dòng)保護(hù)方法。該方法直接采用羅氏線(xiàn)圈輸出的電流微分信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，將用于電容電流補(bǔ)償計(jì)算的電壓信號(hào)經(jīng)虛擬羅氏線(xiàn)圈數(shù)字傳變處理，保證電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的傳變環(huán)節(jié)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，新方法在區(qū)內(nèi)故障時(shí)可快速動(dòng)作，且消除了積分環(huán)節(jié)引入的傳變誤差對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，降低了電壓電流傳變差異對(duì)保護(hù)精度的影響，性能優(yōu)于現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)方法。

羅氏線(xiàn)圈；積分器；電容電流補(bǔ)償；虛擬數(shù)字羅氏線(xiàn)圈；差動(dòng)保護(hù)

0 引言

羅氏線(xiàn)圈電子式電流互感器是一種特殊的電流互感器[1-4]，具有測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大、無(wú)飽和效應(yīng)、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[5-10]。羅氏線(xiàn)圈輸出信號(hào)與被測(cè)電流信號(hào)的微分成正比，因此羅氏線(xiàn)圈電流互感器通常配置積分環(huán)節(jié)，以恢復(fù)被測(cè)的電流信號(hào)[11]。

羅氏線(xiàn)圈電流互感器的積分環(huán)節(jié)會(huì)放大羅氏線(xiàn)圈和采樣環(huán)節(jié)產(chǎn)生的傳變誤差，可能造成電流傳變嚴(yán)重失真，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。文獻(xiàn)[12]給出了某變電站投運(yùn)期間羅氏線(xiàn)圈電流互感器異常輸出導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的案例。故障錄波顯示，異常電流峰值達(dá)5倍以上額定電流，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)70 ms。文獻(xiàn)[13]分析了羅氏線(xiàn)圈電流互感器積分環(huán)節(jié)造成電流傳變嚴(yán)重失真的原因。當(dāng)模數(shù)變換環(huán)節(jié)采樣頻率低于被測(cè)信號(hào)中高頻信號(hào)頻率且兩者頻率滿(mǎn)足一定關(guān)系時(shí)，數(shù)字量信號(hào)將近似為直流量。同時(shí)，由于羅氏線(xiàn)圈自身的傳變特性，在高頻暫態(tài)信號(hào)的激勵(lì)下，羅氏線(xiàn)圈輸出中將會(huì)疊加衰減直流分量。上述兩部分直流分量經(jīng)后續(xù)的積分環(huán)節(jié)處理后將被放大，可能會(huì)造成電流傳變嚴(yán)重失真。

目前，上述可能造成羅氏線(xiàn)圈電流互感器異常輸出的因素中，僅頻率混疊問(wèn)題存在有效的解決措施。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)牡屯V波措施，可抑制采樣過(guò)程中的頻率混疊效應(yīng)[14]。但在高頻信號(hào)激勵(lì)下羅氏線(xiàn)圈產(chǎn)生的衰減直流分量無(wú)法被消除[15]。

針對(duì)羅氏線(xiàn)圈電流互感器異常輸出可能導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題，很多學(xué)者和工程技術(shù)人員提出了對(duì)模擬積分器和數(shù)字積分算法進(jìn)行優(yōu)化的方法[16-19]。模擬積分器優(yōu)化后盡管在原理上表現(xiàn)出良好的性能，但是在具體電路中，由于元器件自身的誤差以及溫漂等因素使其在實(shí)際應(yīng)用中性能并不穩(wěn)定[16]。數(shù)字積分器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，不受溫漂影響，但是準(zhǔn)確度受A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度、采樣點(diǎn)數(shù)及計(jì)算準(zhǔn)確度的影響，也存在一定的局限[17]。文獻(xiàn)[18]提出了采用積分器輸出反饋調(diào)理環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)最終輸出的直流分量，但該方法主要針對(duì)前端殘余的直流分量和數(shù)據(jù)精度誤差長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)產(chǎn)生的直流分量。且為了滿(mǎn)足對(duì)諧波相位誤差的要求，積分器一般有較大的時(shí)間常數(shù)[20-21]，導(dǎo)致衰減直流分量會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在于積分器的輸出中，從而加劇了附加分量對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的影響。

本文提出了線(xiàn)路保護(hù)直接采用羅氏線(xiàn)圈微分信號(hào)輸出的改進(jìn)思路，并以差動(dòng)保護(hù)為例，提出了一種基于羅氏線(xiàn)圈微分信號(hào)輸出的等傳變差動(dòng)保護(hù)方法。對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路，差動(dòng)保護(hù)性能會(huì)受到分布電容電流的影響，需進(jìn)行電容電流補(bǔ)償[22-24]。目前電子式電壓互感器的電容分壓器可分為輸出電壓和輸入成正比的電容分壓器型以及輸出和輸出的微分成比例的微分型電容分壓器型[25]。本文以比例型分壓器為例進(jìn)行說(shuō)明。

基于輸電線(xiàn)路等傳變理論[26-27]，輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)電壓和電流經(jīng)過(guò)相同的線(xiàn)性電路傳變后，其相互關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化，仍滿(mǎn)足原輸電線(xiàn)路分布參數(shù)模型。將電壓量信號(hào)經(jīng)與羅氏線(xiàn)圈傳變特性一致的虛擬羅氏線(xiàn)圈數(shù)字傳變處理，使得差動(dòng)保護(hù)所使用的電壓量和電流量經(jīng)過(guò)相同的傳變環(huán)節(jié)。

本文以輸電線(xiàn)路兩側(cè)均采用羅氏線(xiàn)圈電流互感器為例，對(duì)提出的差動(dòng)保護(hù)新方法進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)一側(cè)為常規(guī)互感器時(shí)，對(duì)常規(guī)互感器側(cè)電流采用與電壓量相同虛擬羅氏線(xiàn)圈等傳變處理。

1 羅氏線(xiàn)圈電流互感器暫態(tài)傳變特性

圖1 羅氏線(xiàn)圈等效電路

由圖1可知，羅氏線(xiàn)圈的傳遞函數(shù)為

式(1)可表示為

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行操作時(shí)，高頻暫態(tài)信號(hào)的時(shí)域形式可表示為

式中：1/為輸入信號(hào)的衰減時(shí)間常數(shù)；為角頻率。

其對(duì)應(yīng)的拉普拉斯變換后的表達(dá)式為

羅氏線(xiàn)圈的輸出信號(hào)可以寫(xiě)成

式中：

式中：

羅氏線(xiàn)圈輸出的信號(hào)經(jīng)采集單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行積分。因此，積分器的輸入信號(hào)可能為衰減高頻信號(hào)或者非周期信號(hào)。數(shù)字積分器的傳遞函數(shù)可表示為

其時(shí)域表達(dá)式為

1) 輸入為衰減高頻信號(hào)

2) 輸入為非周期信號(hào)

由式(12)和式(13)可見(jiàn)，衰減高頻信號(hào)或者非周期信號(hào)經(jīng)積分器后的輸出可分為兩部分：一部分與輸入信號(hào)有相同的頻率和衰減時(shí)間常數(shù)；另一部分為非周期信號(hào)，衰減時(shí)間常數(shù)與積分器參數(shù)有關(guān)。由文獻(xiàn)[20-21]可知，為滿(mǎn)足諧波和空充情況下互感器的輸出有良好的性能，電子互感器設(shè)計(jì)時(shí)電子互感器配套的積分器需有較大時(shí)間常數(shù)。因此附加的衰減直流分量會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在于積分器的輸出中，從而影響保護(hù)的性能。

2 基本原理

現(xiàn)有采用羅氏線(xiàn)圈電流互感器的差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳變環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 常規(guī)差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳變環(huán)節(jié)

等傳變差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳變環(huán)節(jié)如圖3所示，取消合并單元中的積分環(huán)節(jié)，在保護(hù)裝置中將電壓信號(hào)經(jīng)虛擬羅氏線(xiàn)圈進(jìn)行傳變環(huán)節(jié)補(bǔ)償。

圖3 等傳變差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)傳變環(huán)節(jié)

2.1 虛擬數(shù)字羅氏線(xiàn)圈

對(duì)式(1)所示羅氏線(xiàn)圈的傳遞函數(shù)用預(yù)修正雙線(xiàn)性變換進(jìn)行離散，可得虛擬羅氏線(xiàn)圈的傳遞函數(shù)為

虛擬數(shù)字羅氏線(xiàn)圈和實(shí)際羅氏線(xiàn)圈存在傳變誤差，因此需對(duì)虛擬數(shù)字羅氏線(xiàn)圈的傳變誤差進(jìn)行分析。圖4(a)給出了羅氏線(xiàn)圈與虛擬羅氏線(xiàn)圈的幅頻響應(yīng)，圖4(b)為虛擬羅氏線(xiàn)圈的傳變誤差。

電壓經(jīng)虛擬羅氏線(xiàn)圈傳變環(huán)節(jié)補(bǔ)償后，相對(duì)傳變誤差仍隨信號(hào)頻率的升高逐漸增大，因此需濾除信號(hào)中的高頻分量。考慮允許的幅頻響應(yīng)誤差為10%，對(duì)應(yīng)的頻率為659 Hz，如圖4(b)所示。因此，圖3中保護(hù)裝置的數(shù)字低通濾波器可按截止頻率不大于659 Hz設(shè)計(jì)。

圖4 羅氏線(xiàn)圈與虛擬羅氏線(xiàn)圈的幅頻響應(yīng)差異

2.2 線(xiàn)路電容電流

采用輸電線(xiàn)路Π型等值電路計(jì)算線(xiàn)路電容電流，如圖5所示，圖中l(wèi)ine為線(xiàn)路全長(zhǎng)阻抗，line為線(xiàn)路全長(zhǎng)電容。線(xiàn)路電容電流等于線(xiàn)路兩側(cè)對(duì)地分布電容支路電流之和。

圖5 線(xiàn)路Π型等效電路

以M側(cè)電容電流為例，A相電容電流可用式(15)計(jì)算。

為使電容電流計(jì)算中采用的電壓與電流信號(hào)傳變特性保持一致，電容電流計(jì)算中的電壓需經(jīng)虛擬數(shù)字羅氏線(xiàn)圈進(jìn)行傳變環(huán)節(jié)補(bǔ)償，可用式(16)表示。

2.3 并聯(lián)電抗器電流

超高壓長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路一般裝設(shè)并聯(lián)電抗器，差動(dòng)保護(hù)計(jì)算時(shí)需計(jì)及并聯(lián)電抗器電流。并聯(lián)電抗器等效電路如圖6所示。

圖6 并聯(lián)電抗器等效電路

計(jì)算并聯(lián)電抗器的電流，以A相為例：

等傳變后的電抗器電流可用式(18)表示。

2.4 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為

其中

對(duì)于采樣值差動(dòng)保護(hù)，每個(gè)采樣點(diǎn)均進(jìn)行式(9)所示判別，連續(xù)次采樣點(diǎn)判別中如有次滿(mǎn)足式(19)，則差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型及參數(shù)

為了驗(yàn)證本文所提出的等傳變差動(dòng)保護(hù)性能，采用PSCAD仿真軟件建立如圖7所示的500 kV輸電線(xiàn)路模型。

圖7 500 kV輸電線(xiàn)路系統(tǒng)模型

線(xiàn)路模型參數(shù)：1= 0.0196W/km，1= 0.8913 mH/km，1= 0.0135 μF/km，0= 0.1828W/km，0= 2.7375 mH/km，0= 0.0092 μF/km，輸電線(xiàn)路全長(zhǎng)300 km，兩側(cè)均安裝并聯(lián)電抗器，并聯(lián)電抗器參數(shù)為p= 8.3392 H，n= 3.1455 H。

M側(cè)系統(tǒng)參數(shù)：M1= 1.3084W，M1= 24.9658W，M0= 5.6238W，M0= 24.3592W。N側(cè)系統(tǒng)參數(shù)：N1= 2.6168W，N1= 49.9315W，N0= 11.2476W，N0= 48.7185W。

羅氏線(xiàn)圈采用本文第2.1節(jié)給出的參數(shù)，羅氏線(xiàn)圈電流互感器一次額定電流為2500 A。

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)如式(19)所示，其中差動(dòng)定值為0.1倍額定電流，比例制動(dòng)系數(shù)取0.6，差動(dòng)判據(jù)取40，取21。

3.2 數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1節(jié)的分析，數(shù)字低通濾波器的阻帶截止頻率應(yīng)不大于659 Hz。圖3中保護(hù)裝置內(nèi)低通濾波器采用FIR型濾波器，具體為

式中，濾波器系數(shù)0—9分別為0.0213、0.0536、0.0986、0.1426、0.1700、0.1700、0.1426、0.0986、0.0536、0.0213。

圖8為數(shù)字低通濾波器的幅頻響應(yīng)。圖9(a)為羅氏線(xiàn)圈和虛擬羅氏線(xiàn)圈的輸出信號(hào)，圖9(b)為增加低通濾波器后羅氏線(xiàn)圈和虛擬羅氏線(xiàn)圈輸出信號(hào)。

圖8 數(shù)字低通濾波器幅頻響應(yīng)

圖9 羅氏線(xiàn)圈和虛擬羅氏線(xiàn)圈輸出

由圖9可知，電流經(jīng)羅氏線(xiàn)圈和虛擬羅氏線(xiàn)圈后輸出信號(hào)存在一定差異，虛擬羅氏線(xiàn)圈會(huì)導(dǎo)致高頻分量增大，在濾除高頻分量后，電流經(jīng)羅氏線(xiàn)圈和虛擬羅氏線(xiàn)圈無(wú)明顯差異。

3.3 保護(hù)性能分析

在線(xiàn)路區(qū)內(nèi)外發(fā)生單相接地故障的情況下，等傳變差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流如圖10所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ms，以故障發(fā)生時(shí)刻為零時(shí)刻?？v軸為電流微分信號(hào)幅值，是以羅氏線(xiàn)圈二次額定值為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。

由圖10可知，在區(qū)內(nèi)故障的情況下差動(dòng)電流遠(yuǎn)大于制動(dòng)電流，等傳變差動(dòng)保護(hù)能夠可靠動(dòng)作；而區(qū)外故障的情況下差動(dòng)電流遠(yuǎn)小于制動(dòng)電流，等傳變差動(dòng)保護(hù)能夠可靠不動(dòng)作。對(duì)比圖10(b)中經(jīng)電容電流補(bǔ)償前后的電流，電容電流補(bǔ)償可以顯著減小區(qū)外故障情況下的差動(dòng)電流。

為進(jìn)一步驗(yàn)證等傳變差動(dòng)保護(hù)的性能，對(duì)系統(tǒng)不同位置發(fā)生各種類(lèi)型故障的情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。表1中，動(dòng)作時(shí)間單位為ms，“NF”表示保護(hù)不動(dòng)作。仿真結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)故障包括高阻故障時(shí)均可在故障發(fā)生7 ms內(nèi)快速動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作。

表1 仿真結(jié)果

3.4 不同差動(dòng)保護(hù)算法對(duì)比分析

在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，通過(guò)在一次電流中疊加高頻暫態(tài)信號(hào)，模擬產(chǎn)生類(lèi)似文獻(xiàn)[13]中給出的導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作的情況，對(duì)比等傳變差動(dòng)保護(hù)和常規(guī)差動(dòng)保護(hù)算法的動(dòng)作行為。

常規(guī)差動(dòng)保護(hù)算法的數(shù)據(jù)傳變環(huán)節(jié)如圖2所示，合并單元中數(shù)字積分器的傳遞函數(shù)為

文獻(xiàn)[18]提出了一種數(shù)字積分器的設(shè)計(jì)方案，該方案通過(guò)輸出反饋調(diào)理環(huán)節(jié)對(duì)輸出的直流分量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減少前端殘余的直流分量和數(shù)據(jù)精度誤差經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間積累產(chǎn)生的直流分量。將本文提出的采用微分輸出的差動(dòng)保護(hù)新方法和常規(guī)差動(dòng)保護(hù)方法進(jìn)行比較。常規(guī)差動(dòng)保護(hù)所用積分器分別采用傳統(tǒng)的數(shù)字積分器以及文獻(xiàn)[18]提出的改進(jìn)型積分器。

在圖7的M側(cè)一次電流中疊加圖11(a)的短時(shí)高頻暫態(tài)信號(hào)，帶積分器的羅氏線(xiàn)圈電流互感器輸出電流如圖11(b)所示。圖11中以疊加高頻暫態(tài)信號(hào)的起始時(shí)刻為0時(shí)刻。由圖11可見(jiàn)，在一次疊加高頻暫態(tài)信號(hào)后，經(jīng)傳統(tǒng)積分器和改進(jìn)型積分器輸出的電流中均附加了一定的衰減直流分量。改進(jìn)型積分器輸出中附加的直流分量衰減的更快，但暫態(tài)值可能大于傳統(tǒng)積分器的輸出。

圖11 羅氏線(xiàn)圈電流互感器異常輸出波形

等傳變差動(dòng)動(dòng)作情況如圖12所示，傳統(tǒng)和改進(jìn)型積分器采樣值差動(dòng)動(dòng)作情況如圖13和圖14所示。傳統(tǒng)和改進(jìn)型積分器的采樣值差動(dòng)保護(hù)的電容電流補(bǔ)償方法與等傳變差動(dòng)保護(hù)相同，動(dòng)作定值均設(shè)置為0.1倍額定電流。

圖12—圖14中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ms，以疊加高頻暫態(tài)信號(hào)的時(shí)刻為0時(shí)刻。1表示保護(hù)動(dòng)作，0表示保護(hù)不動(dòng)作。圖12中，差動(dòng)電流和制動(dòng)電流曲線(xiàn)為電流微分瞬時(shí)值，是以羅氏線(xiàn)圈二次額定值為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。由圖12可見(jiàn)，在羅氏線(xiàn)圈電流互感器出現(xiàn)異常輸出時(shí)，等傳變差動(dòng)保護(hù)不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

圖13(a)和圖14(a)為經(jīng)積分后的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流瞬時(shí)值，電流是以羅氏線(xiàn)圈電流互感器額定電流為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。圖13中的積分器為傳統(tǒng)積分器，圖14中波形對(duì)應(yīng)的積分器為增加了反饋環(huán)節(jié)的改進(jìn)型積分器。

由圖13和圖14可見(jiàn)，在羅氏線(xiàn)圈電流互感器出現(xiàn)異常輸出時(shí)，采樣值差動(dòng)保護(hù)均會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作情況。傳統(tǒng)積分器和改進(jìn)型積分器均無(wú)法避免附加衰減直流分量導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)作情況。

圖13 采用傳統(tǒng)積分的采樣值差動(dòng)保護(hù)算法動(dòng)作情況

圖14 采用改進(jìn)型積分的采樣值差動(dòng)保護(hù)算法動(dòng)作情況

仿真結(jié)果表明，等傳變差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)快速動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作。在羅氏線(xiàn)圈電流互感器出現(xiàn)異常輸出的情況下，等傳變差動(dòng)保護(hù)由于直接使用了羅氏線(xiàn)圈輸出的電流微分信號(hào)，消除積分環(huán)節(jié)引入的傳變誤差，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提等傳變差動(dòng)保護(hù)的性能，研制了改進(jìn)型羅氏線(xiàn)圈電流互感器和新型線(xiàn)路保護(hù)裝置，如圖15所示，并建立物理動(dòng)態(tài)模擬仿真測(cè)試環(huán)境，對(duì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖15中，羅氏線(xiàn)圈參數(shù)：線(xiàn)圈內(nèi)阻s= 564W，電感= 216 mH，負(fù)載電阻a= 75 kW，互感系數(shù)= 19.57mH，雜散電容0= 30 nF。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸收宵c(diǎn)情況設(shè)置如圖7所示。線(xiàn)路模型參數(shù)：1= 0.018 Ω/km，1= 0.866 mH/km，1= 0.013 μF/km，0= 0.246 Ω/km，0= 2.368 mH/km，0= 0.009 μF/km，長(zhǎng)線(xiàn)路為200 km，短線(xiàn)路為66 km。M側(cè)系統(tǒng)參數(shù)：M1= 8.6813W，M1= 33.3279 Ω，M0= 4.6144W，M0= 28.178W。N側(cè)系統(tǒng)參數(shù)：N1= 2.3284W，N1= 7.8103W，N0= 4.0844W，N0= 9.7164W。

表2和表3給出了不同位置發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。表2和表3中，動(dòng)作時(shí)間單位為ms，“NF”表示保護(hù)不動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)裝置在區(qū)內(nèi)故障情況下可在9 ms內(nèi)動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作，保護(hù)性能不受線(xiàn)路長(zhǎng)度、故障類(lèi)型和故障位置的影響。

表2 200 km線(xiàn)路測(cè)試結(jié)果

表3 66 km線(xiàn)路測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

為消除羅氏線(xiàn)圈電流互感器積分環(huán)節(jié)對(duì)保護(hù)造成的不利影響，本文提出了一種直接采用羅氏線(xiàn)圈微分電流信號(hào)輸出的線(xiàn)路等傳變差動(dòng)保護(hù)方法，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)輸電線(xiàn)路等傳變理論，電流直接采用羅氏線(xiàn)圈輸出的電流微分信號(hào)，電壓也經(jīng)過(guò)了傳變特性相同的虛擬羅氏線(xiàn)圈，傳變環(huán)節(jié)補(bǔ)償后的電壓電流相互關(guān)系，仍然滿(mǎn)足原輸電線(xiàn)路的分布參數(shù)模型。

2) 等傳變差動(dòng)保護(hù)的電流直接采用羅氏線(xiàn)圈輸出的電流微分信號(hào)，消除了積分環(huán)節(jié)引入的傳變誤差對(duì)保護(hù)的影響，提高了保護(hù)的可靠性。

3) 仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不受系統(tǒng)故障位置和故障類(lèi)型的影響，區(qū)內(nèi)故障時(shí)可快速動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作，應(yīng)對(duì)羅氏線(xiàn)圈電子式互感器出現(xiàn)異常輸出能力較強(qiáng)，性能優(yōu)于現(xiàn)有方法。

[1] 王瑜, 楊忠州, 戴冬云, 等. 電子電流互感器與斷路器觸臂集成的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 高壓電器, 2020, 56(1): 48-54.

WANG Yu, YANG Zhongzhou, DAI Dongyun, et al. Insulation structure design of the integration of electronic current transformer and circuit breaker contact arm[J]. High Voltage Apparatus, 2020, 56(1): 48-54.

[2] 王傳川, 白世軍, 李毅, 等. 低溫環(huán)境下電子式電流互感器激光供電情況的分析與研究[J]. 高壓電器, 2020, 56(5): 135-142.

WANG Chuanchuan, BAI Shijun, LI Yi, et al. Analysis and research on laser power supply condition of electronic current transformer under low temperature environment[J]. High Voltage Apparatus, 2020, 56(5): 135-142.

[3] 周紅斌, 周萬(wàn)竣, 張小波. 變電站電流互感器二次側(cè)極性檢測(cè)方案設(shè)計(jì)的研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2020, 57(18): 83-89.

ZHOU Hongbin, ZHOU Wanjun, ZHANG Xiaobo. Research on the design of secondary side polarity detection scheme for CT in substation[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2020, 57(18): 83-89.

[4] 陳海賓, 楊姝楠, 陳麗雯, 等. 基于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)仿真技術(shù)的電流互感器誤差測(cè)試技術(shù)研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2021, 58(2): 133-138.

CHEN Haibin, YANG Shunan, CHEN Liwen, et al. Research on current transformer error testing technology based on field signal simulation technology[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2021, 58(2): 133-138.

[5] 王宇, 孟令雯, 湯漢松, 等. ECT采集單元積分回路的暫態(tài)特性改進(jìn)及其檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(10): 98-104.

WANG Yu, MENG Lingwen, TANG Hansong, et al. Improvement of transient characteristics and development of a testing system of an integration circuit in ECT acquisition unit[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(10): 98-104.

[6] 李振華, 沈聚慧, 李振興, 等. 隔離開(kāi)關(guān)電弧模型及對(duì)Rowgowski線(xiàn)圈電流互感器的傳導(dǎo)干擾研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(16): 131-139.

LI Zhenhua, SHEN Juhui, LI Zhenxing, et al. Research on an arc model of a disconnector for conduction interference of a Rogowski coil electronic transformer[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(16): 131-139.

[7] 戴魏, 鄭玉平, 白亮亮, 等. 保護(hù)用電流互感器傳變特性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(19): 46-54.

DAI Wei, ZHENG Yuping, BAI Liangliang, et al. Analysis of protective current transformer transient response[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(19): 46-54.

[8] WU Yahui, DONG Xinzhou, MIRSAEIDI S. Modeling and simulation of air-gapped current transformer based on Preisach Theory[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2017, 2(2): 111-121.

[9] GANGOLU S, SARANGI S. A novel complex current ratio-based technique for transmission line protection[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(3): 57-65.

[10]李敏, 靳紹平, 胡琛, 等. 高壓電流互感器泄漏電流測(cè)量及消除方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(3): 156-163.

LI Min, JIN Shaoping, HU Chen, et al. Research on leakage current measurement and elimination method of high voltage current transformer[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(3): 156-163.

[11]張杰愷, 李輝, 鄧吉利, 等. 基于數(shù)字積分算法的電子式電流互感器傳變特性[J]. 電測(cè)與儀表, 2017, 54(2): 61-67.

ZHANG Jiekai, LI Hui, DENG Jili, et al. Transfer characteristics of electronic current transducer based on integration algorithms[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2017, 54(2): 61-67.

[12]白世軍, 郭樂(lè), 曾林翠, 等. 變壓器空載合閘對(duì)隔離斷路器電子式CT干擾分析及防護(hù)[J]. 高壓電器, 2018, 54(8): 87-96.

BAI Shijun, GUO Le, ZENG Lincui, et al. Interference analysis and protection of electronic current transformer in DCB during no-load closing of transformer[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(8): 87-96.

[13]JING Shi, HUANG Qi, TANG Fan, et al. Study on additional dynamic component of electronic current transducer based on Rogowski coil and its test approach[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, 56(2): 1258-1265.

[14] JI Jianfei, YUAN Yubo, PANG Fubin, et al. Investigation on anti-interference of Rogowski coil current transformers in smart substations[C] // 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration, November 26-28, 2017, Beijing, China: 1-6.

[15] PANG Fubin, LIU Yu, JI Jianfei, et al. Transforming characteristics of the Rogowski coil current transformer with a digital integrator for high-frequency signals[J]. The Journal of Engineering, 2019(16): 3337-3340.

[16] 謝完成, 戴瑜興. 羅氏線(xiàn)圈電子式電流互感器的積分技術(shù)研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2011, 48(5): 10-13.

XIE Wancheng, DAI Yuxing. Technology research of integrator for Rogowski electronic current transducer[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2011, 48(5): 10-13.

[17] 郭樂(lè), 申狄秋, 盧家力. 電子式互感器積分方案的比較研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(18): 111-114.

GUO Le, SHEN Didi, LU Jiali. A comparative study of integral methods in electronic instrument transform[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(18): 111-114.

[18] 姚東曉, 呂利娟, 倪傳坤, 等. 應(yīng)用于空心線(xiàn)圈電子式互感器的雙環(huán)數(shù)字積分器設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(6): 96-99.

YAO Dongxiao, Lü Lijuan, NI Chuankun, et al. Dual loop digital integrator design for Rogowski coil electronic transformer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(6): 96-99.

[19] 黃友朋, 趙山, 潘峰, 等. 電子式互感器數(shù)字相位補(bǔ)償技術(shù)研究[J]. 中國(guó)電力, 2014, 47(4): 113-117.

HUANG Youpeng, ZHAO Shan, PAN Feng, et al. Research of phase compensation technology in electronic instrument transformer[J]. Electric Power, 2014, 47(4): 113-117.

[20] 鄭玉平, 潘書(shū)燕, 夏雨, 等. 變壓器空投時(shí)電子式電流互感器輸出勵(lì)磁涌流波形異常分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(9): 188-193.

ZHENG Yuping, PAN Shuyan, XIA Yu, et al. Analysis on abnormal magnetizing in rush current output from electronic current transformer when no-load transformer operates[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(9): 188-193.

[21] 申狄秋, 朱明東, 王旭峰, 等. 羅氏線(xiàn)圈電流互感器諧波計(jì)量特性研究[J]. 高壓電器, 2018, 54(6): 170-176.

SHEN Didi, ZHU Mingdong, WANG Xufeng, et al. Harmonic measurement characteristics of electronic current transformer with Rogowski coil[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(6): 170-176.

[22] 臧懷泉, 林飛飛, 榮雅君, 等. 帶并聯(lián)電抗器的時(shí)域電容電流補(bǔ)償算法[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(12): 3964-3971.

ZANG Huaiquan, LIN Feifei, RONG Yajun, et al. Time-domain capacitance current compensation algorithm with shunt reactors[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(12): 3964-3971.

[23] 李振興, 包文亮, 陳艷霞, 等. 適用于串補(bǔ)設(shè)備的輸電線(xiàn)路電流差動(dòng)保護(hù)新判據(jù)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(5): 11-19.

LI Zhenxing, BAO Wenliang, CHEN Yanxia, et al. New criterion for current differential protection used for a transmission line with series compensation equipment[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(5): 11-19.

[24] 朱征, 黃冰飛, 鄒曉峰, 等. 基于電壓突變量的差動(dòng)保護(hù)同步方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2022, 50(16): 156-162.

ZHU Zheng, HUANG Bingfei, ZOU Xiaofeng, et al. A synchronization method of differential protection based on sudden change of voltage[J]. Power System Protection and Control, 2022, 50(16): 156-162.

[25] 馬朝陽(yáng), 陳銘明, 朱明東, 等. 電子式電壓互感器諧波計(jì)量特性研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(9): 160-164, 170.

MA Chaoyang, CHEN Mingming, ZHU Mingdong, et al. Research on harmonic metrological performance of electronic voltage transformer[J]. High Voltage Apparatus, 2017, 53(9): 160-164, 170.

[26] 文明浩, 陳德樹(shù), 尹項(xiàng)根. 超高壓線(xiàn)路等傳變快速距離保護(hù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(4): 145-150.

WEN Minghao, CHEN Deshu, YIN Xianggen. Fast distance protection of EHV transmission lines based on equal transfer processes[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(4): 145-150.

[27] WEN Minghao, CHEN Deshu, YIN Xianggen. Instantaneous value and equal transfer processes-based current differential protection for long transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(1): 289-299.

Current differential relay of a transmission line based on an active electronic transformer using value after an equal transfer processes

LI Baowei1, 2, WEN Minghao1, SHI Xin2, QI Xuanwei3, ZHANG Jiaqi4

(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 3. State Grid Zhejiang Electrical Power Research Institute, Hangzhou 310014, China; 4. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

The integrator of a Rogowski coil current transformer will amplify the error of current transfer and probably cause serious distortion of the current transfer. This will lead to protection mal-operation. To this end, an improved idea for a line relay directly using the differential current output of Rogowski coil is put forward. Taking the differential relay as an example, a current differential relay of the transmission line based on an active electronic transformer using value after equal transfer processes is proposed. In the scheme, the differential current output from the Rogowski coil is directly used for protection calculation, and the voltage signal used for capacitance current compensation calculation is transformed by a virtual Rogowski coil to ensure that the voltage and current signals have the same transfer process. Simulation and experimental results demonstrate that the novel relay has high operational speed in the case of internal faults, the influence of the transmission error introduced by the integral link is eliminated, the impacts of voltage and current signal transmission difference on protection accuracy are mitigated and the performance is superior to the existing differential protection methods.

Rogowski coil; integrator; capacitance current compensation; virtual type of Rogowski coil; current differential protection

10.19783/j.cnki.pspc.220753

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51877090)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51877090).

2021-03-31；

2021-08-25

李寶偉(1984—)，男，通信作者，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: xjtc_libaowei@126.com

文明浩(1973—)，男，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與控制。E-mail: swenmh@hust.edu.cn

(編輯 許 威)