（电力系统及其自动化专业论文）功率差动的母线保护研究.pdf

f 7 j i 一 r ， t 华北电力大学硕十学位论文 摘要 随着智能化电气设备飞速发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体 化智能设备的竞相出现，变电站综合自动化技术迈入了数字化发展的新阶段，数字 化变电站是电力系统自动化发展的方向。电流差动保护原理作为母线保护的基本原 理已经非常成熟并普遍应用，但在数字化变电站中，电流差动原理遇到了一些新的 问题，比如网络延时和数据传输过程中的丢包现象。这有可能造成电流差动保护误 动。本文提出了一种新的母线保护方案：有功功率差动保护。功率差动保护方案中的 有功功率是一个直流量，所以有功功率不受异步的影响。并经仿真验证，此方案性 能可靠。功率差动保护提供了一种不受异步影响的方案，弥补了电流差动在同步信 号故障时必须退出运行的不足。 关键词：数字化变电站，功率差动保护，有功功率差动保护 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t e l e c t r i c e q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l y t h e i n t e l l i g e n ts w i t c h ，p h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ，e t c d i g i t a ls u b s t a t i o nh a sb e e nt h em a i n a s p e c to fs u b s t a t i o na u t o m a t i z a t i o ns y s t e m c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r i n c i p l ei sab a s i c a l b u s b a rp r o t e c t i o nt h e o r ya n di sw i d e l yu s e d b u ti nd i g i t a ls u b s t a t i o n s ，t h e r ea r es o m e d i f f i c u l t i e st o a p p l y c u r r e n td i f f e r e n t i a l p r i n c i p l e t h i sp a p e rp r o p o s e s an e w p r i n c i p l e b u s p r o t e c t i o ns c h e m e ，p o w e r d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n i n t h e p o w e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m e ，a c t i v ep o w e ri sac o n s t a n t ，s oi ti sn o ta f f e c t e db y a s y n c h r o n o u sc l o c k i ti sp r o v e db ys i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ep o w e rd i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o ns c h e m ei sp r a c t i c a l t h ep o w e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ns c h e m ep r o v i d e sa w a y t h a ti sn o ta f f e c t e db ya s y n c h r o n o u sc l o c k ，a n di tm a k e su pf o rad e f i c i e n c y ，t h a t i st h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nm u s tb el o c k e dw h e nt h ec l o c ki sa s y n c h r o n o u s z h a ol i l o n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gs h a o f e n g k e yw o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，p o w e rd i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a c t i v ep o w e r d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n i i l ， 、 k ， 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i | i a b s t r a c t ii i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 数字化变电站应用过程中出现的新问题5 1 3 本论文的主要内容7 第二章数据传输异步对母线保护的影响8 2 1 数字化变电站现有的母线保护8 2 1 1 电流采样值差动保护8 2 1 2 方向原理保护9 2 2 数据传输异步对电流采样值差动保护的影响1 0 2 2 1 数据传输异步对电流采样值差动保护的误动分析1 0 2 2 2 数据传输异步对电流采样值差动保护的拒动分析1 6 2 3 本章小结，1 9 第三章功率差动保护2 0 3 1 功率差动保护的原理2 0 3 2 负序功率差动方案2 0 3 3 零序功率差动保护方案2 2 3 4 无功功率功率保护方案2 3 3 5 本章小结2 4 第四章有功功率差动保护2 5 4 1 有功功率差动保护原理2 5 4 2 有功功率的算法和接线2 7 4 2 1 有功功率的算法2 7 4 2 2 有功功率功率差动方案的接线2 8 4 3 非金属性短路时，有功功率差动保护区内和区外故障的性能2 9 4 4 金属性短路时有功功率差动保护的解决方案3 0 4 4 1 单电压记忆3 0 4 4 2 双电压记忆3 1 i v ， 华北电力人学硕士学位论文 4 4 3 对记忆电压法的理解3 2 4 5 各种不利因素对有功功率差动保护的影响3 2 4 5 1 数据传输不同步对有功功率差动保护的影响3 2 4 5 2 异步状态下功率变化对于有功功率的影响3 3 4 5 3 误码和数据缺失对有功功率差动的影响3 5 4 5 4 电流互感器饱和对有功功率差动保护的影响3 9 4 5 5 非周期分量对有功功率差动保护的影响3 9 4 6 有功功率差动保护比率制动系数的选取4 0 4 7 本章小结4 1 第五章结论和应用展望4 2 参考文献4 3 致谢4 6 在学期间发表论文和参加科研情况4 7 v ， 毫 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 本论文研究的背景是数字化变电站近年成为业内关注的热点。因为数字化变电 站在建设、运行、维护和管理等方面有其独特的优势。数字化变电站的建成投产为 电网数字化建设奠定了基础，在变电站发展历程史上具有划时代的意义，是一次变 电技术的革命【2 3 】。 1 1 1 数字化变电站主要有以下几个方面优势： 1 信号量测精度高及互感器动态性能好 数字化变电站采用电子式互感器实现信号的测量，并在二次侧直接输出数字信 号通过光纤传输，可根本性地避免传统电磁式互感器由于采用铁芯而导致的饱和和 铁磁谐振等因素的影响，提高保护测量精度；电子式互感器频率响应宽、动态性能 好，可进行暂态电流、高频大电流和直流的测量，为保护和自动装置提供更加准确 的电气暂态特性。 2 信号传送环节的抗干扰能力强 在传统变电站内，设备通过大量的电缆相连，信号传输环节较多，其间存在的 电缆损耗、电磁兼容、电磁干扰、施工工艺等问题都会导致传输的模拟信号出现误 差及失真；而电子式互感器输出、二次设备间通信等信号都通过光缆以数字量的形 式传输，极大地增强了变电站信号传输环节的抗干扰能力。 3 二次系统的安全性高 电子式互感器绝缘结构简单，可以实现二次侧与高压一次侧有效的电气隔离； 电子式互感器避免了传统互感器采用油绝缘而可能导致的漏油、易燃、易爆的危险。 另外，电子式互感器的二次侧由光纤连接，不存在传统互感器二次侧c t 开路、p t 短路或者两点接地的危险。 4 二次回路简化 在传统变电站中，电磁互感器二次侧需经大量的电缆将各自的电压、电流模拟 量信号送至不同的保护、控制和测量装置，二次回路比较复杂；而数字化变电站中每 组电气量信号送至合并单元进行数据打包后，可通过光缆实现批量数字信息传送， 二次回路及安装调试工作量都大为简化。 5 网络化信号传输和共享效率高 数字化变电站利用光纤和以太网实现设备连接，极大地提高了信号的传输效 率；而且，站内保护、测控、计量、监控、远动等可共享一个网络信息平台，提高 华北电力大学硕十学位论文 了信息共享效率，避免了设备重复配置。 6 设备间的互操作问题 传统变电站的综自系统虽然基本实现了计算机化和网络化，但由于缺乏统一的 通信规约标准，设备间互操作性差，难以实现全站设备信息及操作一体化；而数字 化变电站采用的i e c6 1 8 5 0 标准对站内智能电子设备的信息描述和访问方法都进行 了全面的定义和规范，形成了统一的通信规约平台，解决了设备问的互操作问题。 7 设备自检及自动化运行管理水平高 数字化变电站内智能设备均具备( 配备) 了相应的监测和自检功能，通过站内信 息平台能够实时查看各设备的运行状况，实时自检，便于维护；数字化变电站中信 息传输基于网络通信技术实现，过程层、间隔层、站控层设备及网络通信设备等环 节都可以得到有效的监控，极大地提高变电站运行的可观性、可控性和自动化水平。 8 经济性 电子式互感器取代了电磁式互感器、光缆取代电缆以及网络通信等技术的应 用，使得数字化变电站工程占地面积减少，电缆沟土建工程量大大减少；简化了二 次回路、智能设备的使用又极大地减少了建设和调试的工作量，缩短了建设工期； 大幅减少铜质电缆的用量节省了矿产资源的浪费，符合国家节约型自主创新社会的 政策导向。 由于数字化变电站的这些优势和特点，在技术、运行和管理水平上它较传统变 电站将有一个全面的提升。数字化变电站将减少投运后的运行成本、促进减员增效、 提高自动化水平，因此具有重大的技术意义与经济效益。 可以预计，在现有技术水平不断发展和运行经验不断总结的基础上，数字化变电 站将以其在数字化、自动化、智能化、安全性和互操作性等方面的优势，成为未来 变电站技术发展的必然趋势。数字化变电站的建设和发展会像当年微机保护替代集 成电路保护一样雨后春笋般地展开。 1 1 2 数字化变电站的主要技术特征【1 9 】 1 数据采集的数字化 数字化变电站的主要标志是采用数字化电气量测系统( 如光电式互感器或电子 式互感器) 采集电流、电压等电气量，实现了一、二次系统在电气上的有效隔离，增 大了电气量的动态测量范围，同时提高了测量精度，从而为实现常规变电站装置冗 余向信息冗余的转变以及信息集成化应用提供了基础。 2 系统分层分布化 变电站自动化系统的发展经历了从集中式向分布式转变，第二代分层分布式变 电站自动化系统大多采用成熟的网络通信技术和开放式互连规约，能够更完整地记 录设备信息并显著地提高系统的响应速度。i e c 6 1 8 5 0 标准提出了变电站过程层、间 2 华北电力大学硕十学位论文 隔层、站控层的三层结构模型，建议采用面向对象建模、软件复用、高速以太网、 嵌入式实时操作系统( r e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 以及x m l ( e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e ) 等技术，以便满足电力系统对实时性、可靠性的要求，同时有效地 解决异构系统之间信息互通、装置自我描述与互操作以及系统的扩展性等的问题， 为实施变电站分层分布式方案提供了可靠的技术基础。 3 系统结构的紧凑化 数字化电气量测设备具有体积小、重量轻等特点，可以集成在智能开关设备系 统中，按变电站机电一体化设计理念进行功能优化组合和设备布置。在高压和超高 压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其它自动装置的i o 单元( 如a i d 变换、光隔离器件、控制操作回路等) 作为一次智能设备的一部分，实现了i e d 的 近过程化( p r o c e s s c l o s e ) 设计；在中低压变电站可将保护及监控装置小型化、紧凑化 并完整地安装在开关柜上。 4 系统建模标准化 i e c6 18 5 0 确立了电力系统的建模标准，为变电站自动化系统定义了统一、标 准的信息模型与信息交换模型，其意义主要体现在以下几个方面：第一，实现智能 设备的互操作性。采用对象建模、抽象通信服务接口( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e i n t e r f a c e ，a c s i ) 以及设备自我描述规范，使变电站自动化功能在语法及语义上都得 以标准化，并使功能完全独立于具体的网络协议，进而实现了智能设备的真正的互 操作。第二，实现了变电站的信息共享。对一、二次设备统一建模，采用全局统一 规则命名资源，使变电站内及变电站与控制中心之间实现了无缝通信。第三，简化 系统的维护、配置和工程实施。设备功能、系统配置以及网络连接都可采用基于x m l 的变电站配置语- 言( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ，s c l ) 进行描述、存储、交换、 配置和管理。 5 信息交互网络化 数字化变电站采用低功率、数字化的新型电子式互感器代替了常规互感器，将 高电压、大电流直接变换为数字信号量。变电站内设备之间通过高速网络进行信息 交互，二次设备不再出现功能重复的i o 接口，常规的功能装置变成了逻辑的功能 模块，即通过采用标准以太网技术真正实现了数据与资源的共享。网络化的信息流， 具体包括：第一，过程层与间隔层之间的信息交换，即过程层的各种智能传感器和 执行器可以自由地与间隔层的装置交换信息；第二，间隔层内部的信息交换；第三， 间隔层之问的通信；第四，间隔层与变电站层的通信；第五，变电站层不同设备之 间的通信。信息交互网络化的主要优点表现在：( 1 ) 能根据实际需要灵活地选择网 络的拓扑结构，易于利用冗余技术提高系统的可靠性，网络拓扑结构改变不会影响 变电站功能的实现。( 2 ) 当过程层采用基于i e c6 1 8 5 0 9 2 的过程总线时，传感器 的采样数据可利用多播( m u l t i c a s t i n g ) 技术同时发送至测控、保护、故障录波及相角 3 华北电力大学硕士学位论文 测量等单元，进而实现了数据的共享。( 3 ) 利用网线代替导线可大大减少变电站内 二次回路的连接线数量，从而提高系统的可靠性。 6 信息应用的集成化 常规变电站的监视、控制、保护、故障录波、量测与计量等装置几乎都是功能 单一、相互独立的系统，这些系统往往存在硬件配置的重复、信息不共享及投资成 本大等缺点。而数字化变电站则对原来比较分散的二次系统装置进行了信息集成及 功能优化处理，因此有效地避免了上述问题的发生。数字化变电站将是未来“数字 化电力系统”中的功能和信息节点。i e c 针对电力系统操作与运行制定了一整套标 准，以逐步统一电力系统内各自动化系统的信息模型和信息交换模型，消除由于缺 乏统一建模和系统异构而导致的各种“信息孤岛”。 7 设备检修的状态化 以往的设备状态检修主要是针对一次设备，二次设备的状态监测对象不是单一 元件，而是一个单元或系统。虽然l e d 装置本身具备了状态检修的实施基础，但是， 二次设备的状态检修必须作为一个系统性的问题来考虑，状态监测环节应包含交流 输入、直流及操作回路等，因此在常规变电站内很难实施二次系统的状态检修。在 数字化变电站中，可以有效地获取电网运行状态数据以及各种l e d 装置的故障和动 作信息，实现对操作及信号回路状态的有效监视。数字化变电站中几乎不再存在未 被监视的功能单元，设备状态特征量的采集与没有盲区。设备检修策略可以从常规 变电站设备的“定期检修”变成为“状态检修”，从而大大提高了系统的可用性。 8 。设备操作智能化 新型高压断路器二次系统是采用微机、电力电子技术和新型传感器建立起来 的，如a b b 公司的p a s s ( p l u g & s w i t c hs y s t e m ) 年1 s i e m e n s 公司的h i s ( h i g h l y i n t e g r a t e ds w i t c h g e a r ) 等，其主要特点包括： ( 1 ) 执行单元采用微机控制及电力电子技术代替了常规机械结构的辅助开关 和辅助继电器，可按电压波形控制跳、合闸角度，能够精确地控制跳、合闸的时间， 减小暂态过电压幅值。( 2 ) 非常规传感器采用微机技术，可独立采集运行数据并早 期检测设备的缺陷和故障。( 3 ) 断路器内部的微机可直接处理设备信息并独立执行 本地功能，而不依赖于变电站级的控制系统。( 4 ) 具有自检功能，可监视断路器设 备的一次和二次系统，发现缺陷时能够及时报警，并为状态检修提供了参考。断路 器系统的智能性由微机控制的二次系统、l e d 和相应的智能软件来实现，保护和控 制命令可以通过光纤网络到达非常规变电站的二次回路系统，从而实现了与断路器 操作机构的数字化接口。 4 华北电力大学硕i j 学位论文 1 2 数字化变电站应用过程中出现的新问题 数字化变电站是一个全新的理论体系，对于传统的变电站自动化系统、微机保 护装置以及一次电气设备具有挑战性，同时数字化变电站也是一个庞大的系统工 程，其技术发展将会是一个逐步完善、较长时期、渐进的过程。在应用过程中也出 现了一些新的问题，其中之一就是数据传输过程中出现的丢包、延时、碰撞，本文 将其统称为数据传输异步。 2 1 1 网络传输过程中丢包现象 带比率制动特性的差动保护原理以其快速性、可靠性和灵活性逐步替代了原来 的各种母线保护原理，成为目前应用最为广泛的母线保护原理。虽然c t 饱和对差 动原理带来了一定困扰，但随着电子式电流互感器的应用，c t 饱和问题不再存在。 所以差动原理仍然是数字化变电站母线保护的首选原理。在数字化变电站实现母线 差动保护，与常规变电站的母线差动保护的最大区别就是对各间隔的电流采样。常 规变电站是从各间隔c t 二次侧直接连接电缆到母线保护装置的交流变换插件，由 保护装置的采样回路集中进行交流采样然后经a d 转换器件变换成数字量。而数字 化变电站电子式电流互感器输出的直接是数字量，保护装置所用的模拟量数据、开 关量数据均通过光纤以太网从交换机或合并器获取。采样的方式发生变化，衍生出 了采样同步问题和数据实时传输问题。采样同步问题可以通过g p s 等外部时钟或 者保护装置内部对时解决，但是，要从过程层和间隔层的通讯网络上同时获取所有 间隔的数据，并且要满足母线保护对交流量的实时性要求和采样频率要求对通讯网 络是一个很大挑战。以2 4 个间隔母线系统9 6 点周波采样率1 6 位数据为例计算 对通讯速率的要求，如按i e c 6 1 8 5 0 9 2 规约为2 4 * 9 6 * 5 0 * 9 8 4 ，约为1 0 8m ，即便 通讯主干网采用1 0 0m b i t 以太网也是很难在满足别的通讯需求的同时满足母线保 护这么大的通讯要求。因此，相对线路保护和变压器保护，通讯瓶颈问题在数字化 变电站母线保护中体现的尤为突出。虽然也有些方案提出来，例如，多c p u 和多 交换机同时通讯，分担通讯任务同时分担差流计算任务，c p u 间通过c a n 总线网 络交换分组计算的差流数据，最后汇总作差动保护。还有方案提出来采用b u ( b a y u i n t ) 单元从各间隔合并器或分组交换机进行采样并对采样进行预处理，然后通过 专用的母线保护通讯网络汇总采样数据到c u ( c e n t r e u n i t ) 单元进行差动保护计算 与判别。但是这些方案都是以较大的成本来解决通讯瓶颈问题，单就母线保护来讲 装置成本要超过常规变电站母线保护1 15 , 1 6 1 。 如此大的通讯要求，以及网络的特点决定了数据在传输过程中的丢包现象是不 可避免的。 2 1 2 数字化变电站的时延 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 1 延时不确定性 时延不确定性是指不能保证报文在可预测的时间内可靠地传输。本文中的时延 是指端到端时延，即发送节点的应用程序发送报文的时刻起至该报文被接收节点的 应用程序接收到的这段时间。由于报文的丢失相当于时延为无穷大，本文将报文丢 失也称为时延的不确定性。 2 。1 2 2 影响网络传输时延不确定的因素 通信网络报文传输过程的实质是由发送节点的某功能产生发送报文，经过各层 协议的封装解析并通过网络到达接收节点的某功能，网络时延就是在这个过程中产 生的。在普通办公自动化领域，一般只保证传输可靠性即可，通常不要求严格控制 时延。而在变电站自动化领域则不然，报文的成功发送不仅取决于收到报文的完整 性，更取决于收到报文的时间。变电站内的以太网必须满足数字化变电站中最苛刻 应用( 例如g o o s e 、采样值等报文传输) 提出的时延确定性要求，即报文在以太 网上传输时应有可预测的、确定的时延，在系统运行的任何期间都必须满足此要求。 但是，传统以太网技术一直被视为不确定性的网络，难以满足数字化变电站中最苛 刻应用的时延确定性的要求。w e b 技术的应用推动了交换式以太网技术的发展， 使得采用交换技术构建可预测的实时以太网成为可能。需要指出的是，尽管采用交 换技术在一定程度上提高了以太网通信的时延确定性，但是并不能满足数字化变电 站中最苛刻应用的要求，特别是在电网故障或系统规模扩大时，若对网络中某一资 源( 如缓冲区、带宽、处理能力) 的需求超过了该资源所能提供的可用部分，将出 现报文超时到达，甚至报文丢失，不能保证时延的确定性。具体表现在以下几个方 面：( 1 )由于数字化变电站通信网络中存在多种类型信息源，不可避免地存在信 息的碰撞、重发等现象，这就导致信息传输时延不确定。( 2 )网络中每个交换机 或路由器都有输入和输出缓冲区，若报文到达的速率接近或超过报文处理和转发的 速率，报文就会在缓冲区堆积，出现排队现象，这时报文会经历很大的时延，特别 是当缓冲区溢出时，会导致报文丢失。( 3 )时延不确定性问题不仅与网络的链路 容量( 带宽) 、交换机的缓冲区有关，而且与接入网络的l e d 的处理能力密切相关。 ( 4 ) 当前网络正朝着高速化的方向发展，更容易出现l e d 的处理能力不够高、缓 冲区不够大而造成报文的丢失。根据以上分析可知，引起传输时延不确定的因素主 要为：端节点c p u 的利用率( 与端节点c p u 的处理能力和端节点操作系统性能有 关) ；端节点处的通信流量( 到达率、报文大小) ；网络负载i l 7 1 。 这些新出现的数据传输中的问题必然会影响到继电保护装置的可靠运行。现阶 段出现数据传输过程中出现问题时，一般是将保护功能闭锁或者是退出保护功能， 这将导致无保护功能。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要内容 传统的模拟量电流差动不会遇到数据传输不同步的问题，但在数字化变电站 中，电流采样值差动也遇到了一些新的问题，如网络延时，数据丢包，甚至同步装 置故障。电流差动的理论基础是基尔霍夫电流定律，只有在同一时刻的流入一个节 点的电流和才是零。但是如果同步信号装置故障、网络延时、数据丢包，即使没有 发生短路故障，保护装置也能感受的差动电流的存在，有误动的可能，所以数字化 变电站中当遇到类似问题时，一般是将保护退出或者是闭锁，导致无保护功能。为 此，本文提出一种新的保护方案，在同步信号失步时，也能正确动作，即有功功率 差动保护方案，并分析了同步信号异步、数据丢失，及其它不利条件对有功功率差 动保护的影响。 本论文的主要内容如下： 1 介绍了数字化变电站中常用的母线保护方案：电流采样值差动和方向性保护 原理。 2 分析了数据传输故障对电流采样值差动的影响，包括误动和拒动，并得出结 论：数据传输故障可能造成电流采样值差动保护误动。 3 提出了新的母线保护原理：功率差动保护原理，分析了负序功率差动、零序 功率差动、无功功率差动三种方案的不足，并得出结论，这三种方案都不宜 作为母线差动保护。 4 分析了有功功率差动方案的原理和特点，说明了有功功率差动为什么能从根 本上避免数据传输故障的影响。 5 仿真分析了有功功率差动方案区分区内和区外故障的性能。 6 介绍了有功功率差动在金属性故障情况下的弥补方案。 7 仿真分析了各种不利因素对有功功率差动方案的影响。 8 比较了有功功率差动保护和电流采样值差动保护的优缺点，得出了本文的结 论：有功功率差动方案更有应用前景。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章数据传输异步对母线保护的影响 2 1 数字化变电站现有的母线保护 2 1 1 电流采样值差动保护 作为差动保护的一种特殊形式，采样值差动与常规相量差动保护相比较，具有 动作速度快、计算量少的特点，同时也是微机应用在传统差动保护领域中的一个突 破。近年来，采样值差动已陆续在母差保护、线路纵联保护、变压器保护中得到成 功应用。尤其在数字化变电站中，采样值差动优势更为明显【4 ，8 ，1 1 】。 与常规相量差动保护类似，采样值差动判据一般由折线式制动特性曲线构成。 如图2 1 所示( 两折线为例) f d - i ； 一 f t l f t 图2 1 采样值差动的动作特性 采样值差动的动作判据一般为： i d i d o ，i d ki t( 2 一1 ) 与常规相量差动相比较，采样值差动的一个突出特点，它不是计算某一数据窗 的差流值，而是通过多点重复判别来判定动作与否，也就是合理的选择r ，s 值， 来判断是否动作。 电流采样值可靠运行的基础是比较各个支路同一时刻的电流值，当数据传输失 步时，即使没有发生短路故障，电流采样值差动也有可能误动，如图2 2 所示； 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 数据传输异步对差流影响仿真图 其中横坐标是采样点，从图2 2 可以看出，无短路故障且数据同步时，差动电 流为支路1 和支路2 的电流值之和为零；但是当出现数据传输异步情况时，假设支 路2 的电流延时1 t ，此时的差动电流为支路1 某时刻电流值加上支路2 延时1t 的 电流值，不再为零，会产生虚拟的差动电流，电流采样值差动保护有可能误动。 发生区内故障时候，由于数据传输异步，差动电流值不准确，电流采样值差动 有可能拒动。 数据传输异步对电流采样值差动的影响将在2 2 节分析。 2 1 2 方向原理保护 方向原理【1 3 】在差动原理以前就曾作为母线保护原理得到应用。当母线发生故障时功 率方向全部是指向母线的，出线故障时故障线路的功率方向一定是背离母线的。 在数字化变电站中采用方向原理构成母线保护有其独特的优越性。首先不像差动原 理那样对通讯网络产生过大的负担，每个间隔单元的保护只需要获得其它间隔单元的功 率方向即可。其次不需要专门的母线保护装置，直接在各问隔保护装置i e d 中增加一 个母线保护软件功能模块即可，是一个完全的网络保护，相对差动原理的母线保护来讲 是一个近乎零成本的母线保护。 方向原理的母线保护由于实现简单，对通讯系统没有额外要求，所以特别适用于数 字化变电站。文中论述的面向数字化变电站低压母线系统的保护实现方案已经在某数字 化变电站实际试运行。如果能够解决系统故障时功率方向快速可靠判别的问题，用于高 9 华北电力大学硕士学位论文 压母线系统也未尝不可。所以在积极探索差动原理应用于数字化变电站母线保护的实现 方法的同时，积极探索利用电子式电流电压互感器测量频带宽，测量精度高，响应速度 快的特点，设计快速准确的方向判别原理，开辟一种更适合数字化变电站母线保护的新 思路是很有意义的。 方向原理的不足就是在遇到弱馈支路时，不易判别故障方向。 2 2 数据传输异步对电流采样值差动保护的影响 2 2 1 数据传输异步对电流采样值差动保护的误动分析 由于是异步状态，即使没有发生短路故障，由于网络延时、数据冲突、时钟不 同步等原因，保护装置采集的电流数据也会出现虚拟的差动电流。电流采样值差动 保护有可能误动。 下面分析数据传输不同步对电流采样值差动保护误动影响。 分析之前先做如下推断，即： 推断一，母线上的支路数越少，数据传输异步越容易引起电流采样值差动保护 误动。 母线接线图如图2 3 所示 图2 - 3 母线接线图 n 因为是考虑数据传输异步对电流采样值差动保护的影响，根据推断一，可以将 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 图等效为一进一出的母线简图，如图2 4 所示。 图2 4 母线简图 图2 - 4 中，支路1 电流( ，) = ls i n ( c o t + a ) ，不妨设口= 0 。当系统无短路故障或 者是发生区外故障时，满足基尔霍夫电流定律，即f 1 ( t ) + i 2 ( f ) = o ，所以支路2 的电流 必为。s i n ( c o t ) 。 当数据传输异步角度时，支路2 ( 以支路1 为基准) 的电流为 f 2 ( f ) 一ls i n ( c o t + f 1 ) 此时的差动电流为 屯( ，) = l ls i n ( a ) t ) - i , s i n ( c o t - ff 1 ) i = 2 和s c 耐+ 争c 纠 制动电流为 乙( f ) = i ls i n ( c o t ) + 1 i ，s i n ( c o t + f 1 ) l 当比较小时 北印忙c 斛争c 刽 硼) 2 陋c 斛纠 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 而电流采样值差动保护启动条件， 揣，七 驰 式( 2 - 5 ) 中k 为比率制动系数。将式( 2 3 ) 、式( 2 - 4 ) 代入( 2 - 5 ) 中得到 k 刊南 6 ) 从式( 2 - 6 ) 可以看出，电流采样值差动保护的误动角度与比率制动系数k 和异 步角度有关。 以下具体分析在一定的比率制动系数情况下，异步3 0 度角和异步6 0 度角时， 电流采样值差动保护的误动区间。 2 2 1 1 数据传输异步3 0 度( 两个采样点) 情况： 母线接线图等效后如图2 5 所示 假设支路1 的电流 f l ( f ) = ls i n ( t ) 支路2 的电流 f 2 ( f ) = 一ls i n ( t ) 图2 - 5 母线简图 1 2 华北电力大学硕j j 学位论文 当异步3 0 度时 i 2 ( f ) = 一ls i n ( r + 詈) 此时虚拟的差动电流为 屯( r ) = l l s i n ( ，) 一ls i n ( ，+ 詈) i ，如仿真图2 - 6 所示， 0 7 1 1 1 - -一一一一一一ri -一一一一一一 - r一 i1 0 6 l 虚拟的差动电流 j ii 图2 - 6 虚拟的差动电流 制动电流为 乙( f ) = i l s i n ( f ) i + 1 1 s i n o + 詈) i ，如图2 - 7 所示 v 1 5 1 1 1 -一一一。一一 一 r一i _一一 一一一 一 t一_ o 5 o 宕一一；一墨一3 i - 一二一一詈一一吉一号一言一未一一挹 图2 7 制动电流 图2 7 中曲线2 、曲线3 、曲线4 分别是0 2 、0 5 、0 7 5 ( 比率制动系数) 倍的制动 1 3 华北电力大学硕：l 学位论文 电流。 将图2 - 6 中的差动电流和图2 7 中的制动电流在一张图表示时，得到图2 - 8 ，当虚拟 的差动电流屯( f ) 大于制动电流时为误动区间，在图2 - 8 上标注为动作区；当虚拟的差动 电流小于制动电流时为复归区间，在图2 8 上标注为复归区。 无故障异步度情况 图2 - 8 无短路故障且数据采样异步3 0 度仿真图 从图2 8 可以看出，制动比率系数为0 2 、0 5 、0 7 5 时，误动区间分别是1 8 6 、 0 9 8 4 、0 6 8 6 ( 单位为弧度) ，复归区间为万1 8 6 、t o 9 8 4 、7 o 6 8 6 ( 单位为 弧度) 。当制动系数为0 2 时动作区间和复归区间之比为最大，最大为1 8 6 1 2 8 = 1 4 5 ， 即，有一半以上的采样点会误动。 2 2 1 2 数据传输异步6 0 度( 4 个采样点) 的情况 母线接线图等效后如图2 5 所示 假设支路1 的电流 f l ( t ) = i ms i n ( t ) 支路2 的电流 之( ，) = 一ls i n ( t ) 当异步6 0 度时 1 4 华北电力人学硕士学位论文 之( f ) = 一厶s i n ( f + 要) 此时虚拟的差动电流为 ( ，) = l ，m s i n ( r ) 一l s i n ( ，+ 詈) l 制动电流为 乙( r ) = l l s i n ( 叫+ i ls i n ( ，+ 詈) l 仿真差动电流和制动电流如图2 - 9 所示，图中差动电流值大于制动电流值的区 间为误动区间，在图2 - 9 标注为动作区；差动电流小于制动电流的区f b q 为复归区间， 在图2 9 标注为复归区。 图2 9 无短路故障且同步信号异步6 0 度差流仿真图 从图2 - 9 可以看出，在系统无短路故障或者是区外短路故障时，由于数据传输 异步6 0 度时的误动区间为：当制动比率系数为0 2 、0 5 、0 7 5 时分别是2 4 7 4 、1 7 1 3 、 1 312 ( 单位为弧度) ，相应的复归区间分别为7 2 4 7 4 、万1 7 13 、万1 3 12 ( 单 位为弧度) 。 综上，正常运行或者是区外短路故障时，由于数据的异步传输，而导致的电流采样 值差动保护的误动区间随着异步角度增大而增大，随着制动比率系数增大而减小，当异 15 华北电力大学硕士学位论文 步6 0 度、制动比率系数为o 2 时，误动区间为2 4 7 4 弧度，相应的复归区间为7 一2 4 7 4 = 0 6 6 6 弧度，动作区间与制动区间之比为2 4 7 4 0 6 6 6 ，每半个周期1 2 个采样点中最 多有9 个采样点落入误动区间，很容易引起电流采样值差动保护误动。 2 2 2 数据传输异步对电流采样值差动保护的拒动分析 由于是异步状态，当发生内部故障时，由于数据传输不同步，会使差动电流不准确， 有可能拒动。 分析数据传输异步对电流差动保护的影响前，为了计算方便，先做如下几条推断： 第一，数据传输异步时，一段母线上支路数越少，越容易引起差动保护拒动。 第二，数据传输异步时，两条支路的幅值越是接近，越容易引起差动保护拒动。 第三，发生短路故障时，故障电流基本上是同方向的。 下面分别讨论异步3 0 度和异步6 0 度时对动作特性的影响。将母线接线图等效为一 进一出的母线简图( 根据推断一) ，如图2 1 0 所示，不妨设支路1 的电流为( ，) = ，。s i n ( t ) 根据推断二和推断三，支路2 电流也为f 1 ( t ) - - i s i n ( t ) 图2 - 1 0 母线简图 2 2 2 1 内部故障且异步3 0 度情况的拒动分析 当发生区内故障且数据传输异步3 0 度情况仿真图如图2 1 1 所示，数据传输同步时， 差动电流值应大于制动电流值的，但是当数据传输异步3 0 度时，由于异步的影响，会 使差动电流不准确，从而有少量的采样点会落入拒动区间，如图2 1 l 所示： 1 6 路 一 姗j o 趴i一、上 支 一 华北电力大学硕上学位论文 图2 1 1 区内故障且数据传输异步3 0 度时仿真图 其中横坐标为弧度， 差动电流为 i a ( t ) = l ls i n ( f ) + ls i n o + 詈) l ，在图2 - 1 1 中标注为“差流”的曲线 制动电流为 f 乙( ，) = i l s i n ( f ) i - i - i ls i n ( h 詈，在图2 1 1 中根据不同的比率制动系数标注为“0 2 倍制动电流”、“0 5 倍制动电流”、“0 7 5 倍制动电流”。 因为此时已经发生区内故障，差动电流应大于制动电流的，但是由于数据传输 异步的影响，会有一部分采样点落入拒动区间的，如图2 1 1 所示。 比率制动系数分别取0 2 、0 5 、0 7 5 。从上图可以看出制动比率系数为0 2 、0 5 、 o 7 5 时，据动区间最大为0 4 弧度。 2 2 2 2 内部故障且异步6 0 度情况的拒动分析 当发生区内故障时且异步6 0 度情况仿真图如图2 1 2 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 2 区内故障且数据传输异步6 0 度时仿真图 在异步6 0 度情况下差动电流为 ( f ) = l l s i n ( f ) + ls i n o + 詈) i ，在图2 _ 1 2 中标注为“差流的曲线。 制动电流为 乙( ，) = i ls i n ( f ) l + l l ms i n o + 6 , 1 ，在图2 - 1 2 中，根据不同的比率制动系数标注为“0 2 倍制动电流”、“o 5 倍制动电流”、“0 7 5 倍制动电流”。 从图2 1 2 可以看出，制动比率系数为0 2 、0 5 、0 7 5 时，据动区间最大为o 8 1 7 弧 度，为4 6 8 3 角度，最多有四个采样点落入拒动区间。 对于r ，s 电流采样值差动来说，只要r ，s 值和比率制动系数，选取得当，拒动 可能性是比较小的。 所以，发生区内故障且数据传输异步时，电流采样值的基本上是不会拒动的。 2 2 3 本节小结 1 ) 总结图2 8 和图2 - 9 得到的无故障且同步信号故障情况下电流差动误动区间表如 表2 1 华北电力人学硕十学位论文 表2 - 1 无短路故障且同步信号异步情况下误动区间 比率制动系数为比率制动系数为比率制动系数为 0 2 o 5 o 7 5 弧度角度 弧度角度弧度角度 异步15 度 1 8 61 0 6 60 9 8 4 5 6 4 0 6 8 63 9 3 异步3 0 度 2 4 7 4 1 4 1 81 7 1 39 8 21 31 27 5 2 2 ) 异步时故障拒动区间 在最严重情况下( 两个支路故障电流幅值相等、比率制动系数为0 7 5 、异步3 0 度) 故障拒动区间0 8 1 7 弧度( 4 6 8 3 角度) ，最多有四个采样点落入误动区间。 2 3 本章小结 采样值电流差动保护利用电流采样的瞬时值来实现基于相量的常规电流差动保护 动作判据。作为差动保护的一种特殊形式，采样值差动与常规相量差动保护相比较，具 有动作速度快、计算量少等特点，同时也是微机应用在传统差动保护领域中的一个突破。 近年来，采样值差动已陆续在母差保护、线路纵联保护、变压器保护中得到成功应用。 对于r ，s 采样值电流差动来说，数据传输异步很容易引起误动，从表2 一l 可以看出， 最大的误动区间为1 4 1 8 角度，对于每半周期采样1 2 点来说( 采样间隔为1 5 度) 最多 可以有1 0 个采样点落入误动区间。这对于6 取4 ，8 取6 ，1 0 取8 的r ，s 采样值电流 差动来说很容易误动，所以，保护装置遇到同步信号故障