不受同步对时误差影响的线路差动保护方案研究

江全才;陈韦男;郑浩

【摘 要】为解决高压输电线路两端电流采样非同步而导致电流相量差动保护误动作问题,结合相量差动保护和幅值差动保护的性能特点,提出了不受采样非同步影响的线路差动保护方案.在线路两端电流采样出现同步误差时,此方案将相量差动保护退出运行,仅依靠电流幅值差动保护切除大多数线路区内故障,从而消除采样失同步的影响;在线路两端电流采样同步时,以相量差动保护为主要的保护方式,提高保护的可靠.理论分析与仿真研究表明,所提方案可有效应对线路两端电流采样失同步的问题,区内故障保护可靠动作,区外故障可靠制动.

【期刊名称】《电测与仪表》

【年(卷),期】2018(055)019

【总页数】6页(P67-71,77)

【关键词】线路保护;采样同步;相量差动保护;幅值差动保护

【作 者】江全才;陈韦男;郑浩

【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源

学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002

【正文语种】中 文

【中图分类】TM93

0 引 言

电流相量差动保护因其原理简单可靠、具有全线速动及高灵敏性等优点，逐渐成为输电线路的主保护[1]。对于电流相量差动保护而言，其保护计算所需的电气量少，仅需线路两端的电流互感器(TA)采样本端的电流信息，并通过光纤通道交换电流信息就能完成故障判断。值得注意的是，由于电流相量包含幅值与相位信息，因此只有在线路两端数据采样同步的前提下，才能够保证电流差动保护动作的可靠性。然而，随着电网的大力发展建设，输电线路长度越来越长，通信通道可能会出现光纤传输信号衰变，因此线路两端难以保证采样信息的同步，导致电流的相位信息出现偏差，此时如果没有相应的措施闭锁电流差动保护或者将其退出运行，将会引起电流相量差动保护误动作[2]。

为保证电流差动保护正确动作，必须对线路两端采样信息进行同步化处理。目前对差动保护采样同步技术的研究有以下两类：一类是研究不受采样非同步影响的差动保护方案[3-6]，其中，文献[3]提出了一种幅值差动判据，无需借用相位信息进行故障辨识，但该判据存在保护死区问题；文献[4]提出了具有良好相移制动能力的电流差动保护，能够应对两端电流相移偏差角度达到60°；文献[5]引入电压量构造一种导纳差动判据，避免了采样非同步的影响，但是保护门槛值的整定较为复杂。另一类是研究采样数据同步方法[7-

8]，文献[7]提出了一种基于GPS精确对时的差动保护采样同步方法；文献[8]提出了一种数据修正方法，通过对对端送来的数据进行相移处理从而达到数据采样同步的目的，但是该方法容易受到电网频率波动的影响。

针对采样失同步的问题，本文结合电流相量差动保护与幅值差动保护的优点，提出了一种不受采样非同步影响的线路差动保护方案。当线路两端采样信息失同步时，将退出电流相量差动保护，依靠电流幅值差动保护实现故障快速辨识；而线路两端采样保持同步时，电流相量差动保护与电流幅值差动保护相互配合，采用“或”逻辑出口，消除电流幅值差动保护存在保护死区的问题。理论分析和仿真结果表明，所提的方案能够有效的应对采样信息失同步对线路保护的影响，保证线路两端采样失同步时，线路保护不会误动；区内故障时，线路保护可以迅速响应故障。

1 线路两端同步误差对电流差动保护的影响分析

图1为双端电源输电线路示意图。

图1 双电源输电线路示意图Fig.1 Schematic diagram of double-end source transmission line

线路保护装置分别安装在M侧和N侧，保护安装处所测量的电流分别为与线路电流差动保护判据为相量差动保护，即

(1)

式中K1为制动系数，取值范围为(0，1)。

对于双端输电线路而言，假设当线路区内无故障且无测量误差时，线路两端的测量电流满足条件但由于线路两端信息同步误差导致与两个相量存在时间误差Ts，对于工频50Hz而言，全周波时间为20 ms，那么对应的相移误差为：

(2)

设M端为参考侧，则两相量与之间存在的时间误差等同于S侧的相移角偏差φ1，如图2所示。

图发生相移φ1

当S侧电流发生相移φ1后有：

(3)

如图2所示，受线路两端同步误差的影响，差动电流可以表示为

(4)

将代入到式(4)化简可得到，在线路两端同步误差的影响下，差动电流如式(6)所示：

(5)

(6)

为简化式(6)，假设电流的初始相角φs=0，那么差动电流可以简化为：

(7)

根据正弦函数的特性可知，cos(2φ1)∈(-1,1)，则

同理可知，受线路两端同步误差的影响，电流相量差动判据的制动量为:

(8)

与差动电流的相移分析过程类似，将代入式(8)化简可得到制动电流为:

(9)

根据正弦函数的特性可知，cos(φ1/2)∈(-1,1)，则

综上所述，比较式(7)所表示的差动电流与式(9)所表示的制动电流可知，当线路区内无故障但线路两端电流数据存在时间同步误差时，线路电流相量差动保护判据存在误动的风险。

2 基于电流相量差动保护与电流幅值差动保护的抗对时同步误差新方案

2.1 电流幅值差动保护判据

由第1节分析可知，线路两端的电流相量出现时间同步误差会引起电流的相位误差，但不会引起电流的幅值误差，因此，若是利用线路两端电流的幅值信息进行保护判据的设计，则能够有效的解决时间同步误差所带来的线路保护误动作的问题。

当线路正常运行或发生外部故障时，由于线路两端的电流具有穿越性，若不考虑互感器传变误差以及其他影响因素，则线路两端电流与的幅值应满足若考虑到各误差影响因素，则线路两端电流与的幅值应满足以下关系：

(10)

式中S为最大的相对误差系数。

由线路正常运行或外部故障时线路两端电流的幅值关系可知，只要不满足式(10)，则表示线路此时不处于正常运行或外部故障的状态，而是发生了区内故障。因此，由式(10)的相反条件，可以得到，线路区内故障时，线路两端电流与的幅值应满足或者综合上述两个关系式，可得到电流幅值差动保护的动作方程为：

(11)

式中表示线路一侧的电流幅值；表示线路对侧的电流幅值；K2表示电流幅值差动保护的动作可靠系数，K2值的选取应参考电流差动保护的运行经验，一般为在1.3～2之间。

值得指出的是，虽然电流幅值差动保护具有抗对时同步误差，不受两端系统等值阻抗角度差异的影响等优点，但其自身也有需要解决的问题，如在线路中点附近发生短路故障时，由于线路两端保护安装处测量的故障电流幅值几乎相等，无法满足式(11)的动作判据，从而出现保护的死区，导致电流幅值差动保护出现拒动。因此，电流幅值差动保护不宜单独作为线路主保护使用，应与其他保护配合使用。

2.2 抗对时同步误差线路保护新方案

由上述分析可知，电流幅值差动保护存在保护死区的问题，但是对两端保护数据同步要求并不高；而电流相量差动保护能够保证全线故障识别，但是要求两端保护数据保持高度的同步性，对时同步误差将会影响相量差动保护的可靠性。因此，可以综合运用两种保护判据，结合电流幅值差动保护和电流相量差动保护的特点，充分发挥各自的优点。需要注意的是，鉴于目前输电线路会配备同步测量装置，当线路同步对时一致时，以相量差动保护为主要的保护方式；当线路不满足同步测量条件时，电流差动保护不能可靠性运行时将会退出运行，借助电流幅值差动保护保障线路的安全。由此，本文提出抗对时同步误差线路保护新方案，如图3所示。

图3 抗对时同步误差保护方案Fig.3 Protection scheme of anti-time synchronization error

3 仿真验证

3.1 仿真模型

在PSCAD中搭建220 kV线路仿真模型，如图4所示。其中线路L的参数为R=0.02 Ω/km，L=0.5 6 mH/km，C=0.012 μF/km，R0=0.114 Ω/km，L0=2.288 6 mH/km，C0=0.005 2 μF/km，线路长度为200 km。故障点F1与母线M相距100 km，故障点F2与母线M相距20 km。线路相量差动保护判据为幅值差动保护判据为下面通过几组算例对本文所提的抗对时同步误差线路保护新方案进行验证。

图4 双端输电线路仿真模型Fig.4 Simulation model of double-end transmission line

3.2 算例仿真

算例1：线路区外F3点发生金属性接地故障，故障时刻tf=0.41 s，线路两端电流采样同步无误差，则线路相量差动保护与幅值差动保护判据的动作情况如图5所示。

图5 相量、幅值差动保护动作情况Fig.5 Action of phasor and amplitude differential protection

由图5(a)可知，区外F3点发生金属性接地故障时，电流相量差动保护判据的差动电流始终低于制动电流，保护可靠制动；由图5(b)可知，幅值差动电流始终低于动作门槛值，因此，电流幅值差动保护判据同样能够制动区外故障。

算例2：线路正常运行，以M侧电流为参考端，设置线路两端电流采样值出现5 ms的同步误差，即S端电流采样值相移偏差90°。图6为线路两端对时同步误差时的电流波形和线路保护的动作情况。

由图6(b)、图6(c)可以看出，由于受线路两端电流采样对时误差的影响，相量差动保护判据的差动电流会大于制动电流，导致相量保护判据误动作；而幅值差动判据无需相位信息参与保护计算，不会受到对时同步误差的影响，因此幅值差动电流始终低于动作门槛值。鉴于本文所提的保护方案，当线路两端电流采样出现对时同步误差时，将退出线路相量保护判据，此时，借助幅值差动保护实现线路保护，能够有效的避免对时误差所带来的影响，在一定程度上提高保护的可靠性。

图6 线路两端的电流波形及相量、幅值差动保护动作情况Fig.6 Current waveform on both sides of the line and the action of phasor and amplitude differential protection

算例3：线路区内F1点发生金属性接地故障，故障时刻tf=0.41 s，线路两端电流采样同步无误差，则线路相量差动保护与幅值差动保护判据的动作情况如图7所示。

由图7(a)可知，区内F1点发生金属性接地故障时，电流相量差动保护判据的动作电流较大，表现出较高的灵敏度；由图7(b)可知，由于故障点位于线路中点附近，线路两端的电流幅值近乎相等，幅值差动电流始终低于动作门槛值，因此，电流幅值差动保护判据无法正确响应区内故障。因此可以将电流相量差动保护和电流幅值差动保护组成保护的“或”逻辑出口，从而解决电流幅值差动保护在线路中点附近发生故障时保护拒动的问题。

图7 相量、幅值差动保护动作情况Fig.7 Action of phasor and amplitude differential protection

算例4：线路区内F2点发生金属性故障，并且，以M端为参考端，设置线路两端电流采样出现5 ms的对时同步误差，即S端电流采样值相移偏差90°。鉴于对时误差的影响，电流相量差动保护已退出运行，本算例不再给出其动作情况。图8为故障前后线路两端的电流波形和线路幅值差动保护判据的动作情况。

图8 线路两端的电流波形及幅值差动保护动作情况Fig.8 Current waveform on both sides of the line and the action of amplitude differential protection

由图8(b)可知，区内F2点发生金属性接地故障时，幅值差动电流判据的差流迅速越过动作门槛值，响应区内故障。值得指出的是，若是线路两端电流采样失同步的同时，线路区内中点附近发生金属性接地故障，此时，线路保护将会拒动。对于此类特殊情况，可依靠线路后备保护切除故障。

4 结束语

针对高压输电线路两端电流采样非同步而导致保护误动作或被迫退出的问题，本文结合相量电流差动保护与幅值电流差动保护的性能优点，提出了一种不受采样非同步影响的线路保护新方案。理论分析与仿真算例验证了该方案的可行性，形成结论如下：

(1)当线路两侧数据出现同步误差时，传统差动保护失效，电流幅值差动保护判据仅需要电流幅值信息即可实现保护判断，消除了电流相位信息的影响，可有效应对线路两端数据采样失同步所带来的保护误动作/失效的问题，提高保护的可靠性；

(2)当线路两侧数据无同步误差，将相量差动保护与幅值差动保护形成保护的“或”逻辑出口，进一步提高保护可靠性，保证线路区内故障时，保护能够可靠动作切除故障；线路区外故障时，保护能够可靠制动。

参 考 文 献

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