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(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)用時存在諸多問題?，F(xiàn)針對三端線路區(qū)外故障CT易飽和、三端采樣不同步、故障測距不準(zhǔn)確等問題進(jìn)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(yīng)用于線路保護(hù)裝置，通過了國網(wǎng)電科院和開普的RTDS仿真測試驗(yàn)證，測距結(jié)果滿足測距精度要求。

關(guān)鍵詞：差動保護(hù);易飽和;采樣不同步;故障測距

1 差動區(qū)外故障問題

目前動模CT飽和線性度最短按3.3 ms進(jìn)行試驗(yàn)，因此可利用時差法在3.3 ms內(nèi)進(jìn)行區(qū)內(nèi)外判別，區(qū)外故障CT飽和，判為區(qū)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(fā)生區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)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(jù)來解決區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時差動保護(hù)閉鎖的問題。飽和開放判據(jù)需考慮區(qū)外飽和時不誤動，同時區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時開放，使差動保護(hù)動作。

本文采用了虛擬制動電流的原理，對一個周波內(nèi)差流采樣24個點(diǎn)，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(tǒng)計一個周波內(nèi)差流大于此門檻值的個數(shù)M>N1（低門檻采樣點(diǎn)數(shù)），且M>N2（高門檻采樣點(diǎn)數(shù)），差動保護(hù)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(jù)，對一個周波內(nèi)差流進(jìn)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(tǒng)計一個周波內(nèi)差流微分值大于此門檻的個數(shù)M1>S1（微分低門檻采樣點(diǎn)數(shù)），且M1>S2（微分高門檻采樣點(diǎn)數(shù)），差動保護(hù)開放，否則閉鎖。判據(jù)如下式所示：

式中：Iop（k）為一個周波內(nèi)每個采樣點(diǎn)的差動電流值;Iopmax為一個周波內(nèi)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(jù)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(jù)容易開放，導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作。對于轉(zhuǎn)換性的區(qū)內(nèi)故障或單端電源區(qū)外故障飽和，差流飽和段出現(xiàn)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(jù)都有可能不開放，因此又增加了差流點(diǎn)差飽和開放判據(jù)，此判據(jù)如下：

式中：Iop（k）為一個周波內(nèi)每個采樣點(diǎn)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(diǎn)中滿足式（3）和式（4）判據(jù)的點(diǎn)數(shù)大于G（門檻值），則差動保護(hù)開放，否則閉鎖。

2 同步調(diào)整問題

2.1? ? 主從定位

三端線路互聯(lián)時，整定三側(cè)裝置識別碼，確定識別碼最大的裝置為主側(cè)，兩個從側(cè)均對主側(cè)進(jìn)行調(diào)整，兩個從側(cè)之間不進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)三側(cè)裝置同步;若三側(cè)互聯(lián)裝置之間有一對光纖斷鏈，則固定認(rèn)為兩側(cè)光纖通信正常的裝置為主側(cè)，若三側(cè)互聯(lián)裝置之間有兩對及以上光纖斷鏈，則不進(jìn)行同步調(diào)整，差動保護(hù)閉鎖。

2.2? ? 乒乓算法

確定主側(cè)后，對兩從側(cè)裝置進(jìn)行同步調(diào)整，采用采樣序號和采樣時刻調(diào)整相結(jié)合的方法。對主從兩側(cè)裝置采樣序號差進(jìn)行判斷，若連續(xù)6次兩端采樣序號差固定不變，則認(rèn)為兩側(cè)采樣穩(wěn)定，然后對采樣時刻進(jìn)行調(diào)整。從側(cè)裝置根據(jù)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(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀最近的采樣序號;n1為從端發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送時刻之差;t2為主端接收采樣序號為n1的報文時刻與發(fā)送時刻的時間差;T為采樣時間間隔。

2.3? ? 采樣時刻調(diào)整

對于常規(guī)站裝置，保護(hù)CPU計算采樣時刻偏差ΔTs，可通過改變自身的采樣間隔來調(diào)整采樣時刻。若0<ΔTs<100，每次將采樣間隔延后1 μs，總共調(diào)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(diào)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(fā)送4 000幀數(shù)據(jù)給過程層NPI插件，一個周波內(nèi)采樣80個點(diǎn)，保護(hù)CPU需對NPI進(jìn)行重采樣，從80個點(diǎn)抽取24個點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)計算。在同步調(diào)整過程中，保護(hù)CPU和NPI插件需要采樣同步，保護(hù)CPU通過FPGA每秒產(chǎn)生一個虛擬同步脈沖，保護(hù)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(jìn)行采樣，這樣就實(shí)現(xiàn)了保護(hù)CPU和NPI之間的同步采樣。保護(hù)CPU計算出采樣時刻偏差ΔTs后，調(diào)整方法和常規(guī)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(dāng)T接線路發(fā)生短路故障時，如果是單相故障，故障選相結(jié)果為單相，此時根據(jù)各側(cè)零序電壓、電流分量計算T點(diǎn)零序電壓;發(fā)生相間及三相故障時，故障選相結(jié)果為多相，此時根據(jù)各側(cè)正序電壓、電流故障分量計算T點(diǎn)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(diǎn)零序電壓;Ut1.m、Ut1.n、Ut1.s為從M端、N端、S端計算T點(diǎn)正序電壓故障分量。

線路正常運(yùn)行或T點(diǎn)發(fā)生故障時，則三側(cè)計算出的T點(diǎn)電壓接近相等。如果某條支路發(fā)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(dāng)發(fā)生單相故障時，選相結(jié)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(jié)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(dāng)這3個量最小值為ΔUmn時，判斷故障支路為ST;當(dāng)3個量最小值為ΔUms時，判斷故障支路為NT;當(dāng)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(diǎn)發(fā)生在T節(jié)點(diǎn)，取三值均小于1 V，任兩電壓差為0.5 V，判為T節(jié)點(diǎn)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(shè)故障發(fā)生在MT分支線路，如圖2所示。

當(dāng)選相結(jié)果為單相時，采用零序分量計算T節(jié)點(diǎn)的零序電壓為：

由N側(cè)和S側(cè)計算T節(jié)點(diǎn)的電流為：

再由雙端測距方法計算出故障點(diǎn)M側(cè)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(cè)和S側(cè)計算的距離分別為：

當(dāng)發(fā)生多相故障，選相結(jié)果為多相，采用正序突變量分量計算T節(jié)點(diǎn)的正序電壓：

由N側(cè)和S側(cè)計算T節(jié)點(diǎn)的電流：

再由雙端測距方法計算出故障點(diǎn)到M側(cè)的距離為：

線路長度整定為線路MN、MS、NS的全長，此時N側(cè)和S側(cè)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(jié)果

本方案通過南京國網(wǎng)電科院和開普的動模測試，動模系統(tǒng)仿真如圖3所示。M側(cè)和N側(cè)裝置為常規(guī)裝置（型號：WXH-813T-G），S側(cè)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(jié)果如表1所示。

由表1實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)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(diǎn)在哪條支路上，經(jīng)不經(jīng)過渡電阻，測距結(jié)果均滿足要求。仿真測距結(jié)果驗(yàn)證了基于故障選相的故障測距方案的可靠性。

另外還進(jìn)行了互感器飽和等試驗(yàn)，區(qū)外飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障時，飽和開放判據(jù)滿足，保護(hù)均能可靠動作，區(qū)外故障時，保護(hù)不誤動。

5 結(jié)語

本文針對T接線路區(qū)外故障CT易飽和、采樣不同步、故障測距不準(zhǔn)確等問題，分別提出了降低比率制動系數(shù)、增加飽和開放判據(jù)、增加同步調(diào)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(yàn)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(jù)選相結(jié)果采用不同的電壓分量進(jìn)行故障支路判別，然后再進(jìn)行故障點(diǎn)的測距計算，具有廣泛的應(yīng)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(tǒng)繼電保護(hù)。