基于故障選相的三端測距方案研究

趙劍松 葛建偉 李文正 董新濤 蘇亞昕 鄧茂軍

摘要：三端線路有其自身結構的特殊性，應用時存在諸多問題。現針對三端線路區外故障CT易飽和、三端采樣不同步、故障測距不準確等問題進行了分析，并提出了解決方案。特別是基于故障選相的測距方案，已成功應用于線路保護裝置，通過了國網電科院和開普的RTDS仿真測試驗證，測距結果滿足測距精度要求。

關鍵詞：差動保護;易飽和;采樣不同步;故障測距

1 差動區外故障問題

目前動模CT飽和線性度最短按3.3 ms進行試驗，因此可利用時差法在3.3 ms內進行區內外判別，區外故障CT飽和，判為區外后會存在差流，由于差流保持，差動不開放，但此時如果再發生區外轉區內故障，由于差流仍然存在，則閉鎖差動，所以需要增加飽和開放判據來解決區外飽和轉區內故障時差動保護閉鎖的問題。飽和開放判據需考慮區外飽和時不誤動，同時區外飽和轉區內故障時開放，使差動保護動作。

本文采用了虛擬制動電流的原理，對一個周波內差流采樣24個點，將虛擬0.2倍差流最大值作為制動電流低門檻，虛擬0.5倍差流最大值作為制動電流高門檻，同時統計一個周波內差流大于此門檻值的個數M>N1（低門檻采樣點數），且M>N2（高門檻采樣點數），差動保護開放，否則閉鎖。在有直流分量的情況下，虛擬制動電流的方案可能不開放，因此還增加了微分飽和開放判據，對一個周波內差流進行微分，將虛擬0.2倍的差流微分最大值作為制動電流低門檻，將虛擬0.5倍的差流微分最大值作為制動電流高門檻，同時統計一個周波內差流微分值大于此門檻的個數M1>S1（微分低門檻采樣點數），且M1>S2（微分高門檻采樣點數），差動保護開放，否則閉鎖。判據如下式所示：

式中：Iop（k）為一個周波內每個采樣點的差動電流值;Iopmax為一個周波內差動電流最大值;N1為原始值低門檻;S1為微分值低門檻;N2為原始值高門檻;S2為微分值高門檻。

微分飽和開放判據受高頻分量的影響較大，在有高頻分量的情況下，微分飽和開放判據容易開放，導致差動保護誤動作。對于轉換性的區內故障或單端電源區外故障飽和，差流飽和段出現較大間斷角時，上述兩種虛擬制動電流方案和微分飽和開放判據都有可能不開放，因此又增加了差流點差飽和開放判據，此判據如下：

式中：Iop（k）為一個周波內每個采樣點的差動電流值;Iop為計算得到的差流;Ires為計算得到的制動電流;Icd為差動動作定值。

若24個采樣點中滿足式（3）和式（4）判據的點數大于G（門檻值），則差動保護開放，否則閉鎖。

2 同步調整問題

2.1? ? 主從定位

三端線路互聯時，整定三側裝置識別碼，確定識別碼最大的裝置為主側，兩個從側均對主側進行調整，兩個從側之間不進行調整，從而實現三側裝置同步;若三側互聯裝置之間有一對光纖斷鏈，則固定認為兩側光纖通信正常的裝置為主側，若三側互聯裝置之間有兩對及以上光纖斷鏈，則不進行同步調整，差動保護閉鎖。

2.2? ? 乒乓算法

確定主側后，對兩從側裝置進行同步調整，采用采樣序號和采樣時刻調整相結合的方法。對主從兩側裝置采樣序號差進行判斷，若連續6次兩端采樣序號差固定不變，則認為兩側采樣穩定，然后對采樣時刻進行調整。從側裝置根據乒乓算法計算出采樣延時和采樣時刻偏差ΔTs。

如圖1所示，采樣時刻和采樣延時計算方法如下所示：

式中：n2為離從端接收到主端發送過來的數據幀最近的采樣序號;n1為從端發送數據幀的采樣序號;t1為從端接收采樣序號為n1的報文時刻與最近采樣序號發送時刻之差;t2為主端接收采樣序號為n1的報文時刻與發送時刻的時間差;T為采樣時間間隔。

2.3? ? 采樣時刻調整

對于常規站裝置，保護CPU計算采樣時刻偏差ΔTs，可通過改變自身的采樣間隔來調整采樣時刻。若0<ΔTs<100，每次將采樣間隔延后1 μs，總共調整ΔTs/1 μs次，可使采樣時刻同步。若ΔTs<0，每次將采樣間隔提前1 μs，總共調整ΔTs/1 μs次，可使采樣時刻同步。

對于智能站裝置，由于合并單元1 s鐘發送4 000幀數據給過程層NPI插件，一個周波內采樣80個點，保護CPU需對NPI進行重采樣，從80個點抽取24個點進行保護計算。在同步調整過程中，保護CPU和NPI插件需要采樣同步，保護CPU通過FPGA每秒產生一個虛擬同步脈沖，保護CPU和NPI插件均以此脈沖作為采樣序號為0的采樣起始時刻，隨后各自按相同的采樣間隔T進行采樣，這樣就實現了保護CPU和NPI之間的同步采樣。保護CPU計算出采樣時刻偏差ΔTs后，調整方法和常規裝置一致。

3 故障測距問題

3.1? ? 基于故障選相的故障支路識別

當T接線路發生短路故障時，如果是單相故障，故障選相結果為單相，此時根據各側零序電壓、電流分量計算T點零序電壓;發生相間及三相故障時，故障選相結果為多相，此時根據各側正序電壓、電流故障分量計算T點正序電壓故障分量。

式中：Ut0.m、Ut0.n、Ut0.s為從M端、N端、S端計算T點零序電壓;Ut1.m、Ut1.n、Ut1.s為從M端、N端、S端計算T點正序電壓故障分量。

線路正常運行或T點發生故障時，則三側計算出的T點電壓接近相等。如果某條支路發生短路，則由故障支路計算出的電壓與由另兩條正常支路計算出的電壓不等。當發生單相故障時，選相結果為單相時比較式（7）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到識別故障支路的條件;如果是多相故障，選相結果為多相，則比較式（8）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到識別故障支路的條件。當這3個量最小值為ΔUmn時，判斷故障支路為ST;當3個量最小值為ΔUms時，判斷故障支路為NT;當3個量最小值為ΔUsn時，判斷故障支路為MT。若ΔUmn≈ΔUsn≈ΔUms，則故障點發生在T節點，取三值均小于1 V，任兩電壓差為0.5 V，判為T節點故障。

3.2? ? 基于故障選相的測距方案

故障支路識別出來之后，假設故障發生在MT分支線路，如圖2所示。

當選相結果為單相時，采用零序分量計算T節點的零序電壓為：

由N側和S側計算T節點的電流為：

再由雙端測距方法計算出故障點M側的距離為：

式中：Zmt為線路MT的單位阻抗;Lmt為線路MT的總長度，線路長度整定為線路MN、MS、NS的全長，此時N側和S側計算的距離分別為：

當發生多相故障，選相結果為多相，采用正序突變量分量計算T節點的正序電壓：

由N側和S側計算T節點的電流：

再由雙端測距方法計算出故障點到M側的距離為：

線路長度整定為線路MN、MS、NS的全長，此時N側和S側計算的距離分別為式（12）和式（13）中計算的LNF和LSF的值。

4 動模仿真及測距結果

本方案通過南京國網電科院和開普的動模測試，動模系統仿真如圖3所示。M側和N側裝置為常規裝置（型號：WXH-813T-G），S側為智能站裝置（型號：WXH-813T-DA-G），MT線路長度為75 km，NT線路長度為75 km，ST線路長度為25 km，測距結果如表1所示。

由表1實測數據，經計算測距最大誤差為0.8%，最小誤差為-0.4%，滿足測距精度2.5%的要求，不管故障點在哪條支路上，經不經過渡電阻，測距結果均滿足要求。仿真測距結果驗證了基于故障選相的故障測距方案的可靠性。

另外還進行了互感器飽和等試驗，區外飽和轉區內故障時，飽和開放判據滿足，保護均能可靠動作，區外故障時，保護不誤動。

5 結語

本文針對T接線路區外故障CT易飽和、采樣不同步、故障測距不準確等問題，分別提出了降低比率制動系數、增加飽和開放判據、增加同步調整方案、增加基于故障選相的測距方案等方法來解決以上問題。特別是基于故障選相的測距方案，通過動模仿真驗證了測距方案的可靠性。該測距方案對多端線路也同樣適用，首先根據選相結果采用不同的電壓分量進行故障支路判別，然后再進行故障點的測距計算，具有廣泛的應用前景。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡介：趙劍松（1985—），男，湖南婁底人，碩士，工程師，研究方向：電力系統繼電保護。