田俊杰,郝 捷,劉新元
(1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西 太原 030001;2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
隨著光電技術(shù)、微電子技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,傳統(tǒng)變電站逐漸邁向智能化的發(fā)展道路。隨著智能變電站的建設(shè),其特有的體系結(jié)構(gòu)、采用的新型智能電子設(shè)備為線路光纖差動保護(hù)的應(yīng)用發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
基于基爾霍夫電流定律的差動保護(hù)由于具有動作迅速、原理簡單和可靠性高等優(yōu)勢,現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用為電力設(shè)備的主保護(hù)[1],差動保護(hù)原理圖如圖1所示。
圖1 差動保護(hù)原理圖
假設(shè)規(guī)定電流的正方向是母線指向線路,Im、In為線路兩端的工頻向量電流值,以兩端電流向量和作為動作電流Id,Id一般也被稱為差動電流。如圖1 a所示,理論上在正常運行或保護(hù)動作區(qū)外故障時有
在圖1 b中,若存在線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時則有
實際上由于互感器的誤差及輸電線路分布電容的影響,在線路正常運行時或者在發(fā)生區(qū)外故障時的 Im+I(xiàn)n值不再等于0,這個電流值稱為不平衡電流。目前,線路差動保護(hù)一般采用兩折線的比率制動差動保護(hù)原理。線路比率制動差動保護(hù)可以分為以下兩種情況。
比率制動差動曲線的延長線經(jīng)過原點,如圖2 a所示,則判據(jù)為
圖2 向量差動保護(hù)判據(jù)的兩種形式
比率制動差動曲線的延長線不再經(jīng)過原點,如圖2 b所示,則判據(jù)為
其中, Ires.0為拐點電流。
式(4) 中,最小動作電流Iop通常按照躲過線路的最大不平衡電流進(jìn)行整定;制動斜率Kr的取值考慮一是對線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時差動保護(hù)要有充足的靈敏性,二是防止當(dāng)線路保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障時由于互感器飽和使得差動保護(hù)誤動;拐點電流Ires.0為開始起制動作用的電流值,一般按線路額定電流進(jìn)行設(shè)定,但為避免兩側(cè)CT誤差,常取0.6~0.8的可靠系數(shù)降低拐點電流值;差動電流 Id取為 Id=+;制動電流Ires取為
原點的比率曲線與過原點的比率曲線相比,容易獲得更大的保護(hù)動作范圍、更高的區(qū)內(nèi)故障靈敏性,目前,線路差動保護(hù)一般選取不過原點的比率制動差動保護(hù)原理。
1.2.1 基本原理
根據(jù)疊加原理,當(dāng)線路發(fā)生故障時,故障電流包含故障前的正常負(fù)荷電流加上故障分量電流[2]。故障分量即是故障狀態(tài)電流,從原理上說故障后的電流減去故障前正常負(fù)荷電流即是故障分量電流。圖3為非故障線路示意圖,圖4為故障線路示意圖,圖5為故障狀態(tài)下故障分量示意圖。根據(jù)疊加原理可以得到:Im=ΔIm+I(xiàn)f,In=ΔIn-If。圖 4與圖5中Z為接地過渡電阻。
圖3 非故障線路示意圖
下面具體分析故障分量差動保護(hù)的原理,故障分量電流差動保護(hù)是由故障電流分量構(gòu)成的[3],保護(hù)的判據(jù)如下
其中,ΔIm、ΔIn為M、N兩側(cè)的故障分量;Kr為比率制動系數(shù);ΔI0為最小動作電流。
圖4 故障線路示意圖
對于向量差動保護(hù),根據(jù) Im=ΔIm+I(xiàn)f,In=ΔIn-If,其動作判據(jù)公式(3) 可以改寫為
其中,If為負(fù)荷電流;Kr為比率制動系數(shù);I0為最小動作電流。
對比故障分量差動保護(hù)判據(jù)和向量差動保護(hù)判據(jù)可以看出,兩種判據(jù)具有相同的差動電流,但是有不同的制動電流。向量差動的制動電流比故障分量差動的制動電流多了2倍的負(fù)荷電流。因此,在線路負(fù)荷比較大,又發(fā)生過大的過渡電阻故障時,故障分量變得很小,而負(fù)荷電流很大,向量差動保護(hù)就會受到制動電流的制約,而發(fā)生保護(hù)拒動。故障分量制動電流不包含正常負(fù)荷電流,基于故障分量的差動保護(hù)承受過渡電阻的能力會大大加強。
圖5 線路故障分量示意圖
由圖5可以求出
從式(7) 得到,故障分量差動電流Id和制動電流Ires的比值與過渡電阻無關(guān)。因此,只要故障分量能夠滿足差動保護(hù)判據(jù),保護(hù)就會可靠動作。
采樣差動保護(hù)具有動作速率快的特點,故障分量差動保護(hù)具有不受負(fù)荷電流影響和承受過渡電阻能力強的特點。將兩種保護(hù)判據(jù)結(jié)合就出現(xiàn)了故障分量采樣值差動保護(hù),它結(jié)合了上述兩種判據(jù)的優(yōu)點,其判據(jù)為
其中,iop為最小動作電流;kr為制動系數(shù);(k)為線路發(fā)生故障時的兩側(cè)故障分量電流瞬時采樣值;k為當(dāng)前采樣點數(shù)。
和采樣值差動一樣,故障分量采樣值差動保護(hù)也是采用R個連續(xù)采樣值中有S個及以上個點滿足動作條件則發(fā)出動作信號。
根據(jù)以上分析可知故障分量采樣值差動消除了負(fù)荷電流和過渡電阻的影響,又增加了采樣值差動保護(hù)速率快的優(yōu)點,從而提高了差動保護(hù)的靈敏度和可靠性;不過故障分量差動保護(hù)也有自身缺陷,故障發(fā)生后的1到2個周期內(nèi)進(jìn)行故障計算才有效。
1.2.2 故障分量的計算方法
故障分量的計算方法很多,目前常用的計算公式見式(9)。
其中,i(k)為當(dāng)前電流采樣值;i(k-N)為1周期之前的電流采樣值;N為每周期采樣點數(shù);k為采樣點。
正常情況下,式(9) 輸出為零。在線路發(fā)生故障時,式(9) 能反應(yīng)故障發(fā)生后1周期之內(nèi)的故障分量,但在1周期之后,反應(yīng)的故障分量就會出現(xiàn)偏差,并且會逐步衰減為零;另外,式(9) 在采樣電流頻率變化時也會出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差[4-5]。
為延長故障提取時間,采用式(10)的計算方
其中,ik為當(dāng)前電流采樣值;i(k-N)為 1周期之前的電流采樣值;i(k-2N)為2周期之前的采樣值;N為每周期采樣點數(shù);k為當(dāng)前采樣點。
式(8) 不但能解決電流頻率變化時給故障分量計算帶來的誤差,而且在故障后2周期內(nèi)提取的故障分量依然有效,延長了故障分量差動起到保護(hù)作用的有效時間。
基于故障分量的采樣值差動保護(hù)原理具有動作速度快、不受負(fù)荷電流影響、承受過渡電阻能力強等優(yōu)點,但其仍然存在故障分量只在故障發(fā)生后2個周期內(nèi)有效的弱點,為彌補該缺點,在差動保護(hù)啟動2個周期后投入向量差動作為基于故障分量的采樣值差動保護(hù)的后備保護(hù)。
本文選用的差動保護(hù)具體設(shè)計如下。
2.1.1 故障分量采樣值差動保護(hù)判據(jù)
故障分量采樣值差動保護(hù)判據(jù)設(shè)計如下
式(11) 中,iop為最小動作電流;kr為制動系數(shù);、分別為線路發(fā)生故障時的兩側(cè)故障分量電流瞬時采樣值;k為當(dāng)前采樣點數(shù)。
其中,Δim(k)、Δi(nk)按式 (12) 進(jìn)行取值。
式 (12) 中,i(k)為當(dāng)前電流采樣值;i(k-N)為1周期之前的電流采樣值;i(k-2N)為2周期之前的采樣值;N為每周期采樣點數(shù);k為當(dāng)前采樣點。
以故障分量采樣值差動保護(hù)作為差動保護(hù)的主判據(jù),在保護(hù)起動后立即投入此判據(jù),對于線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時能夠切除故障,對于線路區(qū)外發(fā)生故障,能夠保證保護(hù)不會發(fā)生誤動作。
2.1.2 向量差動保護(hù)判據(jù)
向量差動保護(hù)判據(jù)如下
式 (13) 中,Iop為最小動作電流;為差動電流;Kr為制動斜率;為制動電流;Ires.0為拐點電流。
在保護(hù)起動40 ms后投入向量差動保護(hù)判據(jù),作為于線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障而故障分量采樣值差動保護(hù)失效時的后備保護(hù)判據(jù),直到保護(hù)跳閘或保護(hù)返回退出。
選用3層2網(wǎng)構(gòu)架下的智能變電站,設(shè)計線路差動保護(hù)方案。線路差動保護(hù)接線示意圖如6所示。
圖6中MN表示1條110 kV及以下電壓等級的輸電線路,在線路M側(cè)的智能變電站中,電子式電流互感器ECT(electronic current transformer)采集到線路M側(cè)的電流瞬時值,并傳遞給其間隔中的合并器;合并器合并線路M側(cè)的三相電流、電壓采樣值,通過過程層交換機(jī)或是直連光纖,把電流、電壓采樣值進(jìn)一步傳輸給M側(cè)線路差動保護(hù)裝置。M側(cè)線路差動保護(hù)裝置通過專用的光纖通道,把本側(cè)的三相電流采樣值傳遞給N側(cè)線路差動保護(hù)裝置。為此M側(cè)線路差動保護(hù)裝置首先對接收到的IEC61850-9-2采樣值報文進(jìn)行解析處理,提取出本側(cè)線路三相瞬時采樣值與對應(yīng)的smpCnt(采樣計數(shù)器)的值。受限于光纖通道的傳輸速率,差動保護(hù)裝置需對IEC61850-9-2報文中的采樣點進(jìn)行重新采樣,從每周期采樣80個點,降低到每周期采樣40點,即保護(hù)裝置按照每隔1個采樣點選點的方式完成重新采樣。然后差動保護(hù)裝置對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組幀發(fā)送給對側(cè)裝置。不同于ECT、合并器MU(merging unit)裝置的數(shù)據(jù)輸出有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,差動裝置對采樣值的輸出能夠采用私有協(xié)議,本方案中用表1所示格式的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。 該幀格式中起始、結(jié)束標(biāo)志固定為01111110。為防止幀中其他數(shù)據(jù)信息中出現(xiàn)連續(xù)的6個1,發(fā)送端在5個連續(xù)的1自動插0,接收端則自動刪0。數(shù)據(jù)幀中第2個字節(jié)表示報文類型,用以標(biāo)識該幀數(shù)據(jù)是否為采樣數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中第3個至第14個字節(jié)傳輸本側(cè)線路三相電流采樣值,具體數(shù)值取自9-2SV報文解析出的采樣值。數(shù)據(jù)幀中第15與第16個字節(jié)為采樣標(biāo)號同樣取自9-2SV報文解析出的smpCnt(采樣計數(shù)器) 的值,由于裝置每周期只傳輸40個采樣點,采樣標(biāo)號按 0、2、4、6…3998、0、2、4…的數(shù)值進(jìn)行改變。數(shù)據(jù)幀中第10個到第14字節(jié)為保留位,由于傳輸控制信息、通信延時等信息。數(shù)據(jù)幀中第15個與第16個字節(jié)為循環(huán)冗余校驗碼CRC(cyclical redundancy check),當(dāng)接收端裝置檢測出該幀數(shù)據(jù)有誤,則舍棄該幀數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)為24字節(jié)即136 b,每一個電流周期傳輸40個采樣點,即傳輸40幀數(shù)據(jù),那么1 s的時間內(nèi)只需要傳輸384 kb的數(shù)據(jù),易于工程實現(xiàn)。
表1 正常數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
線路N側(cè)差動保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)傳輸工作原理相同。線路差動保護(hù)裝置采集到線路本側(cè)和線路另一側(cè)的電流采樣值,通過本文確定的差動保護(hù)原理算法就能判斷出線路工作在正常狀態(tài)、線路發(fā)生區(qū)外故障或是線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障,從而決定是否進(jìn)行本側(cè)開關(guān)跳閘。
依據(jù)向量差動保護(hù)的原理及整定原則,確定了選用故障分量采樣值差動+向量差動相組合的保護(hù)原理,設(shè)計了智能變電站總體的線路差動保護(hù)方案。該方案不僅能快速可靠地切除區(qū)內(nèi)故障,還大大減弱了過渡電阻對差動保護(hù)動作特性的影響。