基于檢測差流諧波含量的差動保護設計與實現

康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211100)

基于檢測差流諧波含量的差動保護設計與實現

康豐，王閏羿，張瑋，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211100)

準確判斷出電流互感器(CT)飽和是區內故障還是區外故障引起的，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在過零附近區間能正確傳變二次電流，通過分析這個區間的差流諧波含量，確定故障是否在差動保護的保護范圍內。采用此方案，在發生區外故障CT飽和時能夠可靠閉鎖差動保護，在發生區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展，電網結構越來越復雜，系統容量也在增加，發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，因此在主電網中得到了大量運用。近年來，國家投入巨量資金對配電網進行了改造，讓配電網的結構向供電的可靠性和經濟性發展，導致配電網的容量大大提升。配電網發生故障時的故障電流會很大，這時需迅速、可靠地切除故障。常規的配電網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，一些地區開始引入主網常用的差動保護作為配電網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還是在配電網都得到了大量應用。

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CT飽和發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。此方法能夠區分差動保護的區內外故障，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。基本等效電路如圖1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的數值很大且數值基本不變。CT工作在磁化曲線的直線部分，鐵芯處于不飽和狀態，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，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飽和分為暫態飽和與穩態飽和，剛開始的50 ms內為暫態飽和，其波形與時間軸不對稱，50 ms后為穩態飽和，波形以時間軸對稱。大部分的CT飽和都是由暫態飽和過渡到穩態飽和，或者由暫態飽和直接退出飽和狀態。

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)在故障發生后，CT不會立即進入飽和，存在一個線性傳遞區，線性傳遞區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，其傳遞區的大小取決于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，二次電流波形出現缺省，幅值降低。

2 常規的差動保護

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，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是否發生飽和，根據各次諧波含量的高低來選擇不同的制動系數。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，根據各諧波水平的不同，采用不同的制動系數實現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

通過對目前應用較廣泛的諧波算法進行分析[4,9-12]，提出采用可變數據窗的諧波算法。在電力系統的故障中，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據。研究表明：在故障后的1/4周期內，由于CT鐵芯未及飽和，暫態傳變誤差較小，二次電流能較好地體現一次電流的變化。CT飽和后，二次電流波形出現畸變、缺損，但當一次電流過零點附近時，飽和CT二次側將出現一個線性傳變區(即其二次電流能正確反應一次電流)，常規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進行短窗諧波計算，提出一整套實現方案，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，根據諧波水平不同，采取不同的數據窗。由于飽和越嚴重，有效傳變區越短,正確傳變的數據窗也越短，此時短窗諧波算法選取數據窗越短，雖然數據窗短帶來的計算誤差較大，但由于其所輸入數據均為正確傳變數據，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。

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，則認為發生嚴重飽和，并切換到3點諧波公式計算。

根據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內故障還是區外故障。

3.2 檢測差流諧波含量差動保護的實現

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

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1(k1)時，則認為發生區外故障并進入區外飽和判斷邏輯；當K?<諧波含量系數1(k1)時，則認為是區內故障，開放差動保護。

(3)區外飽和判斷邏輯，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2(k2)時，則認為發展成區內故障，開放差動保護，否則繼續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

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

模型中的參數：M側發電機組容量200MV·A，N側系統容量2 500MV·A，線路長度100km，線路參數為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 區內故障

故障點都設在F2點，此時模擬區內正常故障和區內飽和故障，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，其原因為諧波的數據框不滿足，故計算出來的諧波含量不能參與判斷，當諧波數據框滿足后，計算出來的諧波含量<諧波含量系數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，當諧波數據框滿足后，計算出來的 諧波含量>諧波含量系數1(k1)，則進入飽和判斷邏輯。在第1個差流過零區間諧波含量還是>諧波含量系數2(k2)，故等待下一個過零區間，在下一個過零區間時發現諧波含量都<諧波含量系數2(k2)，則認為是發生區內故障，開放差動保護。

圖5 F2點B相飽和故障波形

4.2 區外故障

故障點都設在F1點，此時模擬區內正常故障和區內飽和故障，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據框滿足后差流諧波>諧波含量系數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域，差流諧波含量都>諧波含量系數2(k2)，則認為是區外故障，閉鎖差動保護。

(2)區外轉區內的飽和故障。圖7為F1點故障，故障持續60 ms后又發生F2點故障，F1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域，差流諧波含量都>諧波含量系數2(k2)，則認為是區外故障，閉鎖差動保護。60 ms后又有了F2故障，則在60 ms后的第2個差流過零區域內，諧波含量都<諧波含量系數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間和差流過零區間的差流諧波大小來確定諧波的計算數據框，通過新的數據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等方面的工作。