康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100)

基于檢測差流諧波含量的差動保護設計與實現(xiàn)

康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211100)

準確判斷出電流互感器(CT)飽和是區(qū)內故障還是區(qū)外故障引起的，可提高差動保護的可靠性。分析了CT飽和產生的原因和故障時的差流波形，提出了一種基于差流諧波含量的差動保護方案。CT在過零附近區(qū)間能正確傳變二次電流，通過分析這個區(qū)間的差流諧波含量，確定故障是否在差動保護的保護范圍內。采用此方案，在發(fā)生區(qū)外故障CT飽和時能夠可靠閉鎖差動保護，在發(fā)生區(qū)內故障時能夠快速開放差動保護。仿真結果驗證了該方案的正確性。

差動保護；電流互感器(CT)；CT飽和；差流諧波含量；差流波形；仿真研究

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)結構越來越復雜，系統(tǒng)容量也在增加，發(fā)生故障時的故障電流也就越大。差動保護能夠快速、準確地切除故障，因此在主電網(wǎng)中得到了大量運用。近年來，國家投入巨量資金對配電網(wǎng)進行了改造，讓配電網(wǎng)的結構向供電的可靠性和經濟性發(fā)展，導致配電網(wǎng)的容量大大提升。配電網(wǎng)發(fā)生故障時的故障電流會很大，這時需迅速、可靠地切除故障。常規(guī)的配電網(wǎng)采用帶延時過流保護來切除故障，這樣不能很快地切除故障。此時，一些地區(qū)開始引入主網(wǎng)常用的差動保護作為配電網(wǎng)的主保護來快速切除故障，保護一次設備。由此可見，差動保護不管在主電網(wǎng)還是在配電網(wǎng)都得到了大量應用。

差動保護的原理基于基爾霍夫電流定律，具有簡單、可靠的特點[1-3]。差動保護在工程上遇到的主要技術問題是：區(qū)外故障時，故障電流大且伴隨著直流分量，從而使電流互感器(CT)飽和，容易導致差動保護誤動。

本文根據(jù)CT飽和發(fā)生的原理分析飽和后差動電流的波形，提出了基于差流諧波含量的差動保護方法。此方法能夠區(qū)分差動保護的區(qū)內外故障，大大提高了差動保護抗CT飽和的能力，提高了差動保護的可靠性。

1 CT飽和產生的原理和電流特征

1.1 CT的數(shù)學模型

為了簡化原理分析，本文采用簡化的CT等值電路，忽略鐵芯損耗?；镜刃щ娐啡鐖D1所示，圖中：Z1為CT一次阻抗；Z2為CT二次阻抗；Z3為CT勵磁阻抗；Z4為CT負載阻抗。

圖1 CT二次回路等效電路

由圖1可得

(1)

(2)

CT是一個具有鐵芯的非線型元件，其中勵磁阻抗Z3的變化取決于鐵芯的飽和程度。在正常工作狀況下，負載阻抗Z4很小,而勵磁阻抗Z3的數(shù)值很大且數(shù)值基本不變。CT工作在磁化曲線的直線部分，鐵芯處于不飽和狀態(tài)，因此I1與I2成正比關系，從而使一次電流能按變比轉換成二次電流。當CT的一次電流增大后，尤其在一次電流含有較大的非周期分量時，鐵芯開始進入飽和區(qū)，鐵芯的磁導率很快下降到一個很小的值，勵磁阻抗Z3迅速減小。由式(1)可知，I2隨Z3變小而變小。當CT嚴重飽和時，勵磁阻抗Z3急劇減少至接近零，一次電流幾乎全部為I3，二次電流I2幾乎接近于零。

1.2 CT飽和的二次電流特征

CT飽和與非飽和時其二次電流波形[4]如圖2所示，圖中：虛線為CT飽和二次電流，實線為CT不飽和二次電流。CT飽和分為暫態(tài)飽和與穩(wěn)態(tài)飽和，剛開始的50 ms內為暫態(tài)飽和，其波形與時間軸不對稱，50 ms后為穩(wěn)態(tài)飽和，波形以時間軸對稱。大部分的CT飽和都是由暫態(tài)飽和過渡到穩(wěn)態(tài)飽和，或者由暫態(tài)飽和直接退出飽和狀態(tài)。

圖2 典型TA故障波形

從圖2中可以看出，CT飽和的波形具有以下主要特征。

(1)在故障發(fā)生后，CT不會立即進入飽和，存在一個線性傳遞區(qū)，線性傳遞區(qū)的大小與飽和程度有關。

(2)在一次電流達到反方向的最大值時CT飽和退出，所以反方向一次電流過零附近存在線性傳遞區(qū)，其傳遞區(qū)的大小取決于CT飽和深度。

(3)一次電流含有較大的非周期分量，飽和后二次電流產生畸變，二次電流波形出現(xiàn)缺省，幅值降低。

2 常規(guī)的差動保護

目前，國內、外主要的差動保護一般采用比率制動原理[5-8]，以線路兩端或母線所連接單元矢量和的絕對值為差電流Id，以其絕對值的和為制動電流If。為提高其動作快速性，一般以其變化量作為啟動判據(jù)，即ΔId>Iset，ΔId>kΔIf，其中If又有各種不同取法。在飽和檢測方面，有同步識別法、各側各次諧波分量檢測法等。采用同步識別法后的差動保護，對于轉換性故障，一般采取閉鎖一周波時間(20ms)，然后再開放差動的方法，這種方法存在轉換性故障動作較慢的問題。而每側各次諧波檢測法，則利用CT飽和后各次諧波分量的波形特征來判斷CT是否發(fā)生飽和，根據(jù)各次諧波含量的高低來選擇不同的制動系數(shù)。在諧波分量檢測制動中，諧波的提取及濾除是其正確動作與否的關鍵技術。由于保護動作快速性的要求，一般采取向量法簡單計算出其中的諧波含量水平，根據(jù)各諧波水平的不同，采用不同的制動系數(shù)實現(xiàn)差動保護的跳閘邏輯。

本文對差流波形進行分析，利用差動電流含有各次諧波的特點，采用一種短窗的總諧波含量算法來實現(xiàn)差動保護。采用此種方法，差動保護不受流出電流、高阻影響，且有很好的抗CT飽和能力。

3 檢測差流諧波的差動保護關鍵技術

3.1 基于短窗諧波算法的實現(xiàn)

通過對目前應用較廣泛的諧波算法進行分析[4,9-12]，提出采用可變數(shù)據(jù)窗的諧波算法。在電力系統(tǒng)的故障中，故障電流包含基本直流分量，由串補電容引起的低頻分量，由并聯(lián)電抗器引起的附加直流分量，以及由線路分布電容引起的高頻分量。非周期分量對算法的影響不在本文討論之內，在前級處理中加以濾除。高頻分量的存在，使得常規(guī)的諧波算法誤差很大，一方面由于其對高頻分量的抑制很差，另一方面是其采用了CT飽和時傳變不正確的數(shù)據(jù)。研究表明：在故障后的1/4周期內，由于CT鐵芯未及飽和，暫態(tài)傳變誤差較小，二次電流能較好地體現(xiàn)一次電流的變化。CT飽和后，二次電流波形出現(xiàn)畸變、缺損，但當一次電流過零點附近時，飽和CT二次側將出現(xiàn)一個線性傳變區(qū)(即其二次電流能正確反應一次電流)，常規(guī)的諧波算法都沒有很好地利用這些有用的信息。本文利用其飽和線性區(qū)進行短窗諧波計算，提出一整套實現(xiàn)方案，具體如下。

使用短窗諧波算法檢測諧波水平判斷飽和程度，在差流過零點附近，根據(jù)諧波水平不同，采取不同的數(shù)據(jù)窗。由于飽和越嚴重，有效傳變區(qū)越短,正確傳變的數(shù)據(jù)窗也越短，此時短窗諧波算法選取數(shù)據(jù)窗越短，雖然數(shù)據(jù)窗短帶來的計算誤差較大，但由于其所輸入數(shù)據(jù)均為正確傳變數(shù)據(jù)，總體誤差有很大下降。其具體公式為

(3)

式中：D?為三相諧波的大??；I?(CD)為三相差動電流；t為當前點，t1，t2，t3為當前點的前幾點，此4個點在1/4波內(5 ms)；k1，k2和k3為相應點的比率系數(shù)。

諧波計算通常采用4點諧波公式，當計算諧波大于一定值時，則重新采用3點諧波公式計算3點諧波，如果計算出來的諧波比4點諧波小，則認為發(fā)生嚴重飽和，并切換到3點諧波公式計算。

根據(jù)當前諧波計算點來計算當前的諧波含量，其公式為

(4)

式中：K?為當前的諧波含量；tn代表采用了當前使用的諧波點。

通過檢測差流的諧波含量來確定是區(qū)內故障還是區(qū)外故障。

3.2 檢測差流諧波含量差動保護的實現(xiàn)

(1)保護的啟動。采用電流突變量判據(jù)作為差動保護的主啟動判據(jù)，利用電壓元件或零流元件作為差動保護的輔助啟動判據(jù)。

圖3 差動保護RTDS結構

(2)當保護啟動后，計算啟動后5ms內的諧波含量K?：當K?>諧波含量系數(shù)1(k1)時，則認為發(fā)生區(qū)外故障并進入?yún)^(qū)外飽和判斷邏輯；當K?<諧波含量系數(shù)1(k1)時，則認為是區(qū)內故障，開放差動保護。

(3)區(qū)外飽和判斷邏輯，還是檢測差流過零點附近的諧波含量K?，當K?<諧波含量系數(shù)2(k2)時，則認為發(fā)展成區(qū)內故障，開放差動保護，否則繼續(xù)等待判下一個差流過零點。

(4)當差動保護開放后，此時判別差動電流的大小是否滿足動作定值，差動的制動曲線是否滿足條件，如果滿足上面兩點，則差動保護跳閘。

4 動模試驗及結果分析

為驗證以上判據(jù)構成的差動保護的動作性能，通過實時數(shù)字仿真儀(RTDS)對由判據(jù)組成的差動保護進行數(shù)字仿真試驗，試驗模型如圖3所示。

模型中的參數(shù)：M側發(fā)電機組容量200MV·A，N側系統(tǒng)容量2 500MV·A，線路長度100km，線路參數(shù)為R=0.1 Ω/km，X=0.4 Ω/km。CT1變比600 A/1A，CT2變比600 A/1A，TV變比110 kV/100 V。

4.1 區(qū)內故障

故障點都設在F2點，此時模擬區(qū)內正常故障和區(qū)內飽和故障，具體分析如下。

(1)金屬性故障。圖4為C相金屬性故障波形圖，圖中：IC為M側C相電流；ICO為N側C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，故障剛開始諧波含量變大，其原因為諧波的數(shù)據(jù)框不滿足，故計算出來的諧波含量不能參與判斷，當諧波數(shù)據(jù)框滿足后，計算出來的諧波含量<諧波含量系數(shù)1(k1)，則認為是故障，開放差動保護。

圖4 F2點C相接地故障波形

(2)飽和故障。圖5為B相飽和區(qū)內故障波形圖，圖中：IB為M側B相電流；IBO為N側B相電流；IDB為B相差流；IXBB為B相諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，當諧波數(shù)據(jù)框滿足后，計算出來的 諧波含量>諧波含量系數(shù)1(k1)，則進入飽和判斷邏輯。在第1個差流過零區(qū)間諧波含量還是>諧波含量系數(shù)2(k2)，故等待下一個過零區(qū)間，在下一個過零區(qū)間時發(fā)現(xiàn)諧波含量都<諧波含量系數(shù)2(k2)，則認為是發(fā)生區(qū)內故障，開放差動保護。

圖5 F2點B相飽和故障波形

4.2 區(qū)外故障

故障點都設在F1點，此時模擬區(qū)內正常故障和區(qū)內飽和故障，具體分析如下。

(1)飽和故障。圖6為F1點故障C相飽和故障波形圖。圖中：IC為M側C相電流；ICO為N側C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。從故障波形中可以看出，電流突變量啟動后且諧波數(shù)據(jù)框滿足后差流諧波>諧波含量系數(shù)1(k1)，則進入飽和邏輯判斷，在飽和邏輯判斷的每一個差流過零點附近區(qū)域，差流諧波含量都>諧波含量系數(shù)2(k2)，則認為是區(qū)外故障，閉鎖差動保護。

(2)區(qū)外轉區(qū)內的飽和故障。圖7為F1點故障，故障持續(xù)60 ms后又發(fā)生F2點故障，F(xiàn)1和F2故障同時存在的C相飽和故障波形圖。圖中：IC為M側C相電流；ICO為N側C相電流；IDC為C相差流；IXBC為C相的諧波含量曲線。在故障前60 ms內，在每一個差流過零點附近區(qū)域，差流諧波含量都>諧波含量系數(shù)2(k2)，則認為是區(qū)外故障，閉鎖差動保護。60 ms后又有了F2故障，則在60 ms后的第2個差流過零區(qū)域內，諧波含量都<諧波含量系數(shù)2(k2)，則開放差動保護。

圖6 F1點C相飽和故障波形

圖7 F1點轉F2點C相故障波形

5 結束語

本文提出了基于差流諧波含量的差動保護方法，該方法基于保護啟動區(qū)間和差流過零區(qū)間的差流諧波大小來確定諧波的計算數(shù)據(jù)框，通過新的數(shù)據(jù)框重新計算差流諧波含量來確定故障的類型。通過RTDS仿真證明，該方法可行、有效，且具有較強的適應性。

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(本文責編：白銀雷)

2017-04-25；

2017-06-20

TM 938

A

1674-1951(2017)07-0032-04

康豐(1978—)，男，湖北漢川人，工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)等方面的工作(E-mail:feng-kang@sac- china.com)。

王閏羿(1990—)，男，江蘇宜興人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)等方面的工作。

張瑋(1980—)，男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)等方面的工作。

劉慶海(1987—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)等方面的工作。

楊青松(1990—)，男，江蘇鹽城人，工程師，工學碩士，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)等方面的工作。