王風(fēng)光， 杜興偉， 呂 航，鮑凱鵬， 丁 杰

( 1. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102；2. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京211102；3. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450018)

0 引言

與傳統(tǒng)的電流相量差動(dòng)保護(hù)相比，電流采樣值差動(dòng)保護(hù)具有動(dòng)作速度快、計(jì)算量少等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于母線差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)及線路光差保護(hù)等微機(jī)保護(hù)裝置。國(guó)內(nèi)雖然有大量文獻(xiàn)對(duì)電流采樣值差動(dòng)保護(hù)原理進(jìn)行探討，但是探討的內(nèi)容多集中在采樣值差動(dòng)動(dòng)作模糊區(qū)的處理，數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度R及重復(fù)判斷次數(shù)S的選取等問(wèn)題，對(duì)于采樣值差動(dòng)保護(hù)每周波數(shù)據(jù)窗的選取方法，鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)探討[1-3]。

電流采樣值差動(dòng)保護(hù)依靠被保護(hù)對(duì)象的電流瞬時(shí)值來(lái)進(jìn)行故障判別，其基本動(dòng)作原理為：如果連續(xù)R個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)窗中有不少于S個(gè)點(diǎn)符合動(dòng)作條件，則保護(hù)動(dòng)作。每周波數(shù)據(jù)窗的選取正確與否是采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為是否正確的關(guān)鍵[4-6]。

對(duì)采樣值差動(dòng)保護(hù)來(lái)說(shuō)，第1個(gè)數(shù)據(jù)窗比較容易選擇，但是后續(xù)數(shù)據(jù)窗的選擇需要考慮多種因素的影響，如系統(tǒng)頻率、電流非周期分量及電流互感器(current transformer,CT)傳變特性等。當(dāng)故障一次電流很大，尤其是一次電流中含有較大的非周期分量時(shí)，CT將出現(xiàn)飽和，將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)窗選取的正確性，如果再發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)換性故障，則更增加了數(shù)據(jù)窗選取的難度[7-10]。

母差保護(hù)是電力系統(tǒng)中非常重要的元件保護(hù)裝置，母差保護(hù)的穩(wěn)定、安全、可靠直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供電的可靠性。當(dāng)母線上的某個(gè)支路發(fā)生故障時(shí)，母線上所有支路的電流均流向故障點(diǎn)，可能導(dǎo)致故障支路發(fā)生嚴(yán)重CT飽和，因此將采樣值差動(dòng)保護(hù)原理應(yīng)用于母差保護(hù)時(shí)，需要保證CT飽和情況下保護(hù)動(dòng)作行為的正確性[11-12]。

文中分析了CT飽和時(shí)的故障電流特征，并對(duì)比了母差區(qū)內(nèi)外故障時(shí)差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形特征，提出一種應(yīng)用于采樣值差動(dòng)保護(hù)的數(shù)據(jù)窗選取方法，可靠地保證了每周波數(shù)據(jù)窗選取的連續(xù)性及準(zhǔn)確性，提高了CT飽和情況下采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的快速性及準(zhǔn)確性。

1 采樣值差動(dòng)保護(hù)原理

1.1 飽和電流波形特征分析

圖1為電流互感器鐵芯磁滯回線圖，其中縱坐標(biāo)Ψ為磁感應(yīng)強(qiáng)度，橫坐標(biāo)i為勵(lì)磁電流。正常情況下，CT鐵心工作于勵(lì)磁特性上磁感應(yīng)強(qiáng)度Ψ較小的線性區(qū)域，CT可以正確傳變一次電流。當(dāng)發(fā)生母線區(qū)外故障時(shí)，故障線路流過(guò)全部短路電流，線路CT流入較大含非周期分量的短路電流，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度Ψ沿磁滯回線進(jìn)入飽和區(qū)。CT飽和導(dǎo)致勵(lì)磁阻抗變小，一次電流大部分流入勵(lì)磁支路，CT二次電流急劇下降，CT無(wú)法正確傳變一次電流波形，隨后由于反向勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，CT逐漸退出飽和，可以正確傳變一次電流[13-14]。

圖1 電流互感器磁滯回線Fig.1 Magnetic hysteresis loop of CT

基于電流互感器磁滯回線，可以推論出CT在每個(gè)周波均存在線性傳變區(qū)，圖2的 CT飽和波形符合這一典型特征。

圖2 CT飽和波形Fig.2 Saturation waveform of CT

在飽和CT每周波均存在線性傳變區(qū)的基礎(chǔ)上，分析圖2，總結(jié)得到以下主要特征：

(1) 短路發(fā)生后，CT不會(huì)立即進(jìn)入飽和，通過(guò)研究表明，即使故障電流達(dá)到額定電流的100倍以上，CT仍有不低于2 ms的線性段可傳變一次電流[6-7]；

(2) CT進(jìn)入飽和后，二次電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重缺損，無(wú)法正確傳變一次電流；

(3) 即使短路電流中存在較大的正向非周期分量，也不會(huì)影響二次波形的正向過(guò)零點(diǎn)；

(4) 對(duì)于由非周期分量引起CT飽和的情況，CT勵(lì)磁電流中包含大量非周期分量，波形偏向時(shí)間軸一側(cè)[15-17]。

1.2 CT飽和時(shí)區(qū)內(nèi)外故障電流對(duì)比

母線發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定律，流入母線的電流與流出母線的電流應(yīng)當(dāng)大小相等，方向相反，因此母線差流為0。如果故障線路CT發(fā)生飽和，則CT一次電流大量流入勵(lì)磁回路，CT二次電流急劇降低，差動(dòng)電流隨之上升。母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，如果CT發(fā)生飽和，則由于CT二次電流降低導(dǎo)致差動(dòng)電流降低，嚴(yán)重情況下(單電源系統(tǒng))差動(dòng)電流接近0。圖3為CT飽和情況下母線區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形，圖4為CT飽和情況下母線區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)電流及制動(dòng)電流變化率波形。

圖3 CT飽和時(shí)區(qū)外故障差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形Fig.3 Differential current and restraint current under external fault with CT saturated

圖4 CT飽和時(shí)區(qū)外故障差動(dòng)電流及制動(dòng)電流變化率Fig.4 Chang rate of differential current and restraint current under external fault with CT saturated

基于飽和CT在每周波均存在線性傳變區(qū)的結(jié)論，分析圖3和圖4，得差動(dòng)電流及制動(dòng)電流具備以下特征：

(1) 故障起始時(shí)刻，因?yàn)镃T尚未進(jìn)入飽和，所以制動(dòng)電流瞬時(shí)值先于差動(dòng)電流瞬時(shí)值發(fā)生變化；

(2) 在每周波正向過(guò)零點(diǎn)附近，由于CT均存在線性傳變區(qū)，所以差動(dòng)電流瞬時(shí)值接近于0，而制動(dòng)電流瞬時(shí)值不為0；

(3) 在每周波正向過(guò)零點(diǎn)，制動(dòng)電流變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差動(dòng)電流變化率。

圖5為CT飽和情況下母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形。分析圖5可知，差動(dòng)電流及制動(dòng)電流不具備上述3個(gè)特征，在故障起始時(shí)刻，制動(dòng)電流與差動(dòng)電流同時(shí)發(fā)生變化。

圖5 CT飽和時(shí)區(qū)內(nèi)故障差動(dòng)電流及制動(dòng)電流波形Fig.5 Differential current and restraint current under internal fault with CT saturated

1.3 采樣值差動(dòng)保護(hù)原理

采樣值差動(dòng)保護(hù)在線性傳變區(qū)內(nèi)可保證動(dòng)作行為的正確性，因此獲取電流每周波的線性傳變區(qū)是采樣值差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)；通過(guò)制動(dòng)電流、差動(dòng)電流的瞬時(shí)值及變化率的對(duì)比，可以準(zhǔn)確獲取CT二次電流每個(gè)周波的正向過(guò)零點(diǎn)，進(jìn)而獲得線性傳變區(qū)。采樣值差動(dòng)保護(hù)具體邏輯如下：

(1) 無(wú)論是母差區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，制動(dòng)電流變化量均可以準(zhǔn)確反映故障起始時(shí)刻，所以可以根據(jù)制動(dòng)電流變化量來(lái)獲取采樣值差動(dòng)保護(hù)的第1個(gè)數(shù)據(jù)窗，具體見(jiàn)式(1)：

(Irk-Ir(k-N)-Ir(k-N)-Ir(k-2N))>Iset1

(1)

式中：Ir為制動(dòng)電流；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)；N為一個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)；Iset1為啟動(dòng)門檻，需要躲過(guò)CT正常運(yùn)行的不平衡電流。

(2) 將滿足式(1)的第一個(gè)采樣點(diǎn)記為tm，以此點(diǎn)為起點(diǎn)，判斷連續(xù)R個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)窗內(nèi)是否有S點(diǎn)滿足式(2)動(dòng)作條件：

(2)

式中：Idk為當(dāng)前點(diǎn)差動(dòng)電流；k為當(dāng)前采樣點(diǎn)；Idset為差動(dòng)電流啟動(dòng)定值；Kset為比率制動(dòng)系數(shù)。

(3) 因?yàn)榈?個(gè)數(shù)據(jù)窗的起始點(diǎn)選取受多種因素影響，所以文中采用首先選取數(shù)據(jù)窗特征點(diǎn)，再由數(shù)據(jù)窗特征點(diǎn)倒推數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)的方法，如圖6所示。以tm為起點(diǎn)向后順延N點(diǎn)(N為每周波采樣點(diǎn)數(shù))，記為tn′，以tn′為起點(diǎn)向后尋找第2個(gè)數(shù)據(jù)窗的特征點(diǎn)tn，該特征點(diǎn)需滿足式(3)：

(3)

如果找到滿足式(3)的特征點(diǎn)，則認(rèn)為發(fā)生了母差區(qū)內(nèi)故障或母差區(qū)外故障支路CT飽和，繼續(xù)執(zhí)行步驟4進(jìn)行母差區(qū)內(nèi)外故障的判別，否則認(rèn)為發(fā)生母差區(qū)外故障且CT未飽和，以tn′為起點(diǎn)尋找下一個(gè)數(shù)據(jù)窗特征點(diǎn)。

圖6 數(shù)據(jù)窗選取示意Fig.6 Diagram of data window selection

(4) 將滿足式(3)的特征點(diǎn)記為tn，以此點(diǎn)為起點(diǎn)，向前尋找滿足式(4)的采樣點(diǎn)，將此采樣點(diǎn)作為第2個(gè)數(shù)據(jù)窗的起點(diǎn)。

(4)

式中：dIr/dt為制動(dòng)電流變化率；dId/dt為差動(dòng)電流變化率。如1.2節(jié)所述，在區(qū)外故障情況下，每周波正向過(guò)零點(diǎn)附近，制動(dòng)電流變化率大于差動(dòng)電流變化率，制動(dòng)電流大于差動(dòng)電流，故可以選取符合式(4)的采樣點(diǎn)作為數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)。

(5) 如果向前尋找不到滿足式(4)的采樣點(diǎn)，則說(shuō)明發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，可以將tn′作為第2個(gè)數(shù)據(jù)窗的起點(diǎn)，進(jìn)行步驟2判別。如果尋找到滿足式(4)的采樣點(diǎn)，說(shuō)明發(fā)生區(qū)外故障且CT飽和，本數(shù)據(jù)窗內(nèi)閉鎖母差保護(hù)，將此采樣點(diǎn)作為第2個(gè)數(shù)據(jù)窗的起點(diǎn)，進(jìn)行步驟2判別，并作為后續(xù)每個(gè)周波數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)的參考點(diǎn)。

(6) 重復(fù)步驟3，4，5，進(jìn)行采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判別。

采樣值差動(dòng)保護(hù)流程如圖7所示。

圖7 采樣值差動(dòng)保護(hù)原理流程Fig.7 Flow chart of the sampling value differential protection

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述電流采樣值差動(dòng)保護(hù)邏輯，搭建了220 kV 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(real time digital simulation，RTDS)試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 RTDS仿真模型Fig.8 Simulation model of RTDS

2.1 正常情況下母差區(qū)內(nèi)故障

圖9為保護(hù)錄波圖。使用式(1)準(zhǔn)確選取第1個(gè)數(shù)據(jù)窗起點(diǎn)，使用式(2)進(jìn)行采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判別，采樣值差動(dòng)保護(hù)在故障后9 ms動(dòng)作出口。

圖9 區(qū)內(nèi)故障保護(hù)錄波Fig.9 Record of internal fault

2.2 CT飽和情況下母差區(qū)內(nèi)故障

圖10為保護(hù)錄波圖。雖然發(fā)生CT飽和，但仍然可以使用式(1)及式(2)進(jìn)行采樣值差動(dòng)保護(hù)相關(guān)判別，采樣值差動(dòng)保護(hù)在故障后9 ms動(dòng)作出口。

圖10 區(qū)內(nèi)故障CT飽和保護(hù)錄波Fig.10 Record of internal fault with CT saturated

2.3 CT飽和情況下母差區(qū)外故障

圖11為保護(hù)錄波圖。使用式(1)選取第1個(gè)數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)，使用式(3)選取后續(xù)每個(gè)數(shù)據(jù)窗的特征點(diǎn)，再由特征點(diǎn)倒推數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)。每個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣值差動(dòng)保護(hù)均不滿足動(dòng)作條件，所以差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作。

圖11 區(qū)外故障CT飽和保護(hù)錄波Fig.11 Record of external fault with CT saturated

2.4 CT飽和情況下母差區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障

轉(zhuǎn)換時(shí)間50 ms，圖12為保護(hù)錄波圖。采樣值差動(dòng)保護(hù)從第2個(gè)周波開始，依靠數(shù)據(jù)窗特征點(diǎn)倒推數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)，區(qū)外故障時(shí)采樣值差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作。在區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障的第1個(gè)周波內(nèi)，采樣值差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作出口，動(dòng)作時(shí)間為區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障后10 ms。

圖12 區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障CT飽和保護(hù)錄波Fig.12 Record of conversion fault with CT saturated

2.5 頻率偏移及CT飽和情況下母差區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障

圖13為頻率偏移情況下區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障CT飽和保護(hù)錄波圖。頻率偏移情況下，依靠式(4)仍然可以準(zhǔn)確選取區(qū)外故障時(shí)每個(gè)周波的數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)，采樣值差動(dòng)保護(hù)可靠不動(dòng)作。區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障后，由于頻率偏移導(dǎo)致數(shù)據(jù)窗起始點(diǎn)的選取有偏差，采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間略有延遲，動(dòng)作時(shí)間為區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障后15 ms。

圖13 頻率偏移情況下區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障CT飽和保護(hù)錄波Fig.13 Record of conversion fault with CT saturated and frequency shift

3 結(jié)語(yǔ)

基于CT進(jìn)入飽和的“延遲”特性，以及CT在每個(gè)周波過(guò)零點(diǎn)附近均存在線性傳變區(qū)的特點(diǎn)，文中提出了一種采樣值差動(dòng)保護(hù)原理，并著重介紹了采樣值差動(dòng)保護(hù)每周波數(shù)據(jù)窗的選取方法，進(jìn)行了RTDS仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原理的正確性。實(shí)驗(yàn)證明：

(1) 本數(shù)據(jù)窗選取方法不受系統(tǒng)頻率、電流非周期分量及CT傳變特性等影響，可保證在每個(gè)周波均準(zhǔn)確選取數(shù)據(jù)窗，提高了采樣值差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的可靠性；

(2) 對(duì)于區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障，采樣值差動(dòng)保護(hù)可保證在區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障后1～2個(gè)周波內(nèi)動(dòng)作，提高了差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的快速性；

(3) 采樣值差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)窗選取的準(zhǔn)確性，為降低差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)系數(shù)提供了保證，在母差區(qū)內(nèi)故障并存在汲出電流時(shí)，差動(dòng)保護(hù)依然可以快速動(dòng)作，提高了差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作靈敏性。

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