不受同步對時誤差影響的線路差動保護方案研究*

江全才，陳韋男，鄭浩

(三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

電流相量差動保護因其原理簡單可靠、具有全線速動及高靈敏性等優點，逐漸成為輸電線路的主保護[1]。對于電流相量差動保護而言，其保護計算所需的電氣量少，僅需線路兩端的電流互感器(TA)采樣本端的電流信息，并通過光纖通道交換電流信息就能完成故障判斷。值得注意的是，由于電流相量包含幅值與相位信息，因此只有在線路兩端數據采樣同步的前提下，才能夠保證電流差動保護動作的可靠性。然而，隨著電網的大力發展建設，輸電線路長度越來越長，通信通道可能會出現光纖傳輸信號衰變，因此線路兩端難以保證采樣信息的同步，導致電流的相位信息出現偏差，此時如果沒有相應的措施閉鎖電流差動保護或者將其退出運行，將會引起電流相量差動保護誤動作[2]。

為保證電流差動保護正確動作，必須對線路兩端采樣信息進行同步化處理。目前對差動保護采樣同步技術的研究有以下兩類：一類是研究不受采樣非同步影響的差動保護方案[3-6]，其中，文獻[3]提出了一種幅值差動判據，無需借用相位信息進行故障辨識，但該判據存在保護死區問題；文獻[4]提出了具有良好相移制動能力的電流差動保護，能夠應對兩端電流相移偏差角度達到60°；文獻[5]引入電壓量構造一種導納差動判據，避免了采樣非同步的影響，但是保護門檻值的整定較為復雜。另一類是研究采樣數據同步方法[7-8]，文獻[7]提出了一種基于GPS精確對時的差動保護采樣同步方法；文獻[8]提出了一種數據修正方法，通過對對端送來的數據進行相移處理從而達到數據采樣同步的目的，但是該方法容易受到電網頻率波動的影響。

針對采樣失同步的問題，本文結合電流相量差動保護與幅值差動保護的優點，提出了一種不受采樣非同步影響的線路差動保護方案。當線路兩端采樣信息失同步時，將退出電流相量差動保護，依靠電流幅值差動保護實現故障快速辨識；而線路兩端采樣保持同步時，電流相量差動保護與電流幅值差動保護相互配合，采用“或”邏輯出口，消除電流幅值差動保護存在保護死區的問題。理論分析和仿真結果表明，所提的方案能夠有效的應對采樣信息失同步對線路保護的影響，保證線路兩端采樣失同步時，線路保護不會誤動；區內故障時，線路保護可以迅速響應故障。

1 線路兩端同步誤差對電流差動保護的影響分析

圖1為雙端電源輸電線路示意圖。

圖1 雙電源輸電線路示意圖

(1)

式中K1為制動系數，取值范圍為(0，1)。

(2)

圖發生相移φ1

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

綜上所述，比較式(7)所表示的差動電流與式(9)所表示的制動電流可知，當線路區內無故障但線路兩端電流數據存在時間同步誤差時，線路電流相量差動保護判據存在誤動的風險。

2 基于電流相量差動保護與電流幅值差動保護的抗對時同步誤差新方案

2.1 電流幅值差動保護判據

由第1節分析可知，線路兩端的電流相量出現時間同步誤差會引起電流的相位誤差，但不會引起電流的幅值誤差，因此，若是利用線路兩端電流的幅值信息進行保護判據的設計，則能夠有效的解決時間同步誤差所帶來的線路保護誤動作的問題。

(10)

式中S為最大的相對誤差系數。

(11)

值得指出的是，雖然電流幅值差動保護具有抗對時同步誤差，不受兩端系統等值阻抗角度差異的影響等優點，但其自身也有需要解決的問題，如在線路中點附近發生短路故障時，由于線路兩端保護安裝處測量的故障電流幅值幾乎相等，無法滿足式(11)的動作判據，從而出現保護的死區，導致電流幅值差動保護出現拒動。因此，電流幅值差動保護不宜單獨作為線路主保護使用，應與其他保護配合使用。

2.2 抗對時同步誤差線路保護新方案

由上述分析可知，電流幅值差動保護存在保護死區的問題，但是對兩端保護數據同步要求并不高；而電流相量差動保護能夠保證全線故障識別，但是要求兩端保護數據保持高度的同步性，對時同步誤差將會影響相量差動保護的可靠性。因此，可以綜合運用兩種保護判據，結合電流幅值差動保護和電流相量差動保護的特點，充分發揮各自的優點。需要注意的是，鑒于目前輸電線路會配備同步測量裝置，當線路同步對時一致時，以相量差動保護為主要的保護方式；當線路不滿足同步測量條件時，電流差動保護不能可靠性運行時將會退出運行，借助電流幅值差動保護保障線路的安全。由此，本文提出抗對時同步誤差線路保護新方案，如圖3所示。

圖3 抗對時同步誤差保護方案

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

圖4 雙端輸電線路仿真模型

3.2 算例仿真

算例1：線路區外F3點發生金屬性接地故障，故障時刻tf=0.41 s，線路兩端電流采樣同步無誤差，則線路相量差動保護與幅值差動保護判據的動作情況如圖5所示。

圖5 相量、幅值差動保護動作情況

由圖5(a)可知，區外F3點發生金屬性接地故障時，電流相量差動保護判據的差動電流始終低于制動電流，保護可靠制動；由圖5(b)可知，幅值差動電流始終低于動作門檻值，因此，電流幅值差動保護判據同樣能夠制動區外故障。

算例2：線路正常運行，以M側電流為參考端，設置線路兩端電流采樣值出現5 ms的同步誤差，即S端電流采樣值相移偏差90°。圖6為線路兩端對時同步誤差時的電流波形和線路保護的動作情況。

由圖6(b)、圖6(c)可以看出，由于受線路兩端電流采樣對時誤差的影響，相量差動保護判據的差動電流會大于制動電流，導致相量保護判據誤動作；而幅值差動判據無需相位信息參與保護計算，不會受到對時同步誤差的影響，因此幅值差動電流始終低于動作門檻值。鑒于本文所提的保護方案，當線路兩端電流采樣出現對時同步誤差時，將退出線路相量保護判據，此時，借助幅值差動保護實現線路保護，能夠有效的避免對時誤差所帶來的影響，在一定程度上提高保護的可靠性。

圖6 線路兩端的電流波形及相量、幅值差動保護動作情況

算例3：線路區內F1點發生金屬性接地故障，故障時刻tf=0.41 s，線路兩端電流采樣同步無誤差，則線路相量差動保護與幅值差動保護判據的動作情況如圖7所示。

由圖7(a)可知，區內F1點發生金屬性接地故障時，電流相量差動保護判據的動作電流較大，表現出較高的靈敏度；由圖7(b)可知，由于故障點位于線路中點附近，線路兩端的電流幅值近乎相等，幅值差動電流始終低于動作門檻值，因此，電流幅值差動保護判據無法正確響應區內故障。因此可以將電流相量差動保護和電流幅值差動保護組成保護的“或”邏輯出口，從而解決電流幅值差動保護在線路中點附近發生故障時保護拒動的問題。

圖7 相量、幅值差動保護動作情況

算例4：線路區內F2點發生金屬性故障，并且，以M端為參考端，設置線路兩端電流采樣出現5 ms的對時同步誤差，即S端電流采樣值相移偏差90°。鑒于對時誤差的影響，電流相量差動保護已退出運行，本算例不再給出其動作情況。圖8為故障前后線路兩端的電流波形和線路幅值差動保護判據的動作情況。

圖8 線路兩端的電流波形及幅值差動保護動作情況

由圖8(b)可知，區內F2點發生金屬性接地故障時，幅值差動電流判據的差流迅速越過動作門檻值，響應區內故障。值得指出的是，若是線路兩端電流采樣失同步的同時，線路區內中點附近發生金屬性接地故障，此時，線路保護將會拒動。對于此類特殊情況，可依靠線路后備保護切除故障。

4 結束語

針對高壓輸電線路兩端電流采樣非同步而導致保護誤動作或被迫退出的問題，本文結合相量電流差動保護與幅值電流差動保護的性能優點，提出了一種不受采樣非同步影響的線路保護新方案。理論分析與仿真算例驗證了該方案的可行性，形成結論如下：

(1)當線路兩側數據出現同步誤差時，傳統差動保護失效，電流幅值差動保護判據僅需要電流幅值信息即可實現保護判斷，消除了電流相位信息的影響，可有效應對線路兩端數據采樣失同步所帶來的保護誤動作/失效的問題，提高保護的可靠性；

(2)當線路兩側數據無同步誤差，將相量差動保護與幅值差動保護形成保護的“或”邏輯出口，進一步提高保護可靠性，保證線路區內故障時，保護能夠可靠動作切除故障；線路區外故障時，保護能夠可靠制動。