秦瑞敏, 夏经德,罗金玉,钱慧芳,袁玉宝,刘欢庆

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着大规模联合电力系统的建立,越来越多的多端线路出现在电网中,传统距离保护和零序保护难以满足选择性和速动性的要求．因此,研究多端线路的安全稳定运行具有非常重要的意义[1-3]．

目前,T型或多端输电线路主要以电流差动保护作为主保护[4-6],因为其特殊性,当发生区外故障时,易受电流互感器饱和的影响,有可能使保护误动[7-8]．文献[9]提出了基于相对磁链积累方差曲线的电流互感器相位偏移式饱和的识别方法;文献[10]提出了基于数学形态学的电流互感器饱和识别判据．一般而言,抗CT饱和措施的引入,会引起差动保护速度降低,灵敏度下降．目前国内外识别电流互感器饱和的方法有时差法、谐波制动法、小波检测法、差分法等,但上述各种方法都有一定的缺点[11-13]．序分量[14-16]的保护算法具有不受负荷电流影响、灵敏度高的特点,并且基于序分量的相关算法保护能够有效避免三相线路模型中相间耦合[17-18]的影响．

针对差动保护在T型线路或多端线路中存在的上述问题,给出了一种基于纵向阻抗[19-20]改进的多端线路电流差动保护改进算法．该算法利用对称分量法,并根据T型线路正序故障附加网络中的电流故障分量与各测量端电流故障分量的关系,选取各端序电流故障分量和作为动作量,三端中任意两端的最大电压故障分量之差与其对应的线路串联正序阻抗比值为制动量,该算法具有区外故障时较高的可靠性以及区内故障时一定的灵敏度．经过对多端线路的等效,该算法可以合理的从T型线路扩展到多端线路．EMTP仿真结果表明,该改进算法在原理上不受过渡电阻的影响,并且具有较好的抵御电流互感器饱和的能力,适用于多端输电线路保护,具有一定的工程实用价值．

1 T型线路差动保护的改进算法

当输电线路发生故障时,分为三相不对称故障和对称故障．在三相对称的情况下,不存在负序或零序网络;在非接地不对称故障下,不存在零序网络．运用叠加原理和对称分量法,将故障后的T型输电线路分解成故障前网络和故障后附加正序、负序、零序网络．综上所述,本文采用各种故障状态下都存在的附加正序网络作为下文研究的基本网络．T型线路的区外、区内的附加正序网络如图1所示．

(a) 外部故障 (b) 内部故障图 1 m端区外、区内故障附加正序网络图Fig.1 External or internal fault model of additional positive sequence network diagram

根据文献[19]中纵向阻抗的引入,在双端线路故障时,其算法的动作量为两端正序电流故障分量和,制动量为两端正序电压故障分量差与其对应序阻抗的比值,区内故障时具有较高的灵敏度，区外故障时具有较高的可靠性,下文根据此算法可推导出该理论在T型及多端线路中的判据．

1.1 区外故障

如图1(a)所示,假设当T型线路m端发生区外故障时,理想状态下T型线路三端正序电流故障分量的和为

(1)

(a) 线路m,n端的电压故障分量差为

(2)

以故障点的电压故障分量作为参考,按照故障电压分布原则,从m端到n端的电压故障分量随着故障点的远离而逐渐减小,呈现一个单调递减的趋势,该差值为一个稳定的结果．由式(1)和式(2)得

(3)

(b) 由式(2)所示,线路m,p两端电压的相量差就是线路m-p段的电压降,同样根据式(3)的推导过程得

(4)

(c) 线路n,p端的电压故障分量差为

(5)

以故障点电压作为参考电压,根据电压分配原则,n,p两端的正序电压故障分量差值为一个不稳定的结果,容易使保护误动．

1.2 区内故障

如图2(b)故障分量网络图所示,假设m-T段线路发生故障,线路m，n两端的电压故障分量差的关系式表示为

(6)

再由式(6)转化得区内m-T段线路发生故障时的判据为

(7)

(8)

同理,当故障发生在n-T或p-T段内时,同上述m-T段线路发生故障时分析方法相同,都可推出式(8)形式差动保护的判据,在此并不进行依次推导．

结合1.1和1.2节的内容,该改进算法在T型线路区内、区外故障时的判别式为

(9)

基于单相线路模型的相关算法分析可以不考虑相间耦合,但基于三相线路故障模型保护的分析中,相间耦合的影响是不可避免的．利用相关序分量有效避免了相间耦合对保护算法的影响,因此该算法同样也适用于三相线路模型中．

2 多端线路差动保护算法的改进

图 2 多端输电网络故障示意图Fig.2 Diagram of multi-terminal transmission network

相比双端、T型线路,多端输电线路只是在线路端数上有所增加,其中T型线路是N=3时总线式线路的特殊情况．

(1) 如图2所示,当线路中①点区外故障时,以电压故障分量幅值最大的一端到离故障点最近节点这段线路作为转化后T型线路的一条线路,此时即m1-T1段线路;把离故障点最近节点与另外一段线路等效成转化后T型线路的第二条线路,此时即m2-T1段线路;故障点最近节点与其余一侧所有线路等效成转化后T型线路的第三条线路．

经过以上分析,此差动保护的改进算法完全可以从T型线路推广到多端总线式线路中,其中动作量为各端正序电流故障分量的相量和,动作量为各端中任意两端之间的最大正序电压差与其对应的串联正序阻抗的比值．因此多端干线式线路差动保护的改进算法表示为

(10)

根据上述内容,提出如下形式的改进电流差动保护动作判据:

Ir-Ires>Iset.

(11)

3 电流互感器饱和性能分析

由于T型或多端线路发生区外故障时,靠近故障侧的短路电流急剧增大,导致近故障侧的电流互感器发生饱和．随着饱和程度的增加,不平衡电流也将相应增加,将会导致传统差动保护状态分辨余量减小,甚至误动．

假设图1(a)m端区外故障,使m端电流互感器发生暂态饱和．在时域内对m侧电流的影响是将电流的顶部消去一部分,该影响可以近似等效为电流互感器暂态饱和的形式．为了定性分析TA饱和对工频电流的影响,针对电流在过零点后并不是立即进入饱和,而是需要达到一定数值或者角度才反映出饱和的特性,可将电流过零点到饱和点的相角之差定义为导通角θ,其电流互感器暂态饱和后的电流波形如图3所示．

图 3 电流互感器暂态饱和后的电流波形Fig.3 The transient saturation current of TA

根据图3电流波形,可得到电流互感器发生暂态饱和后的工频电流分量为

(12)

因为其基波余弦分量为零,所以其基波分量为

(13)

当电流互感器暂态饱和度达到180°时,此时电流互感器饱和最严重,定性反映为电流因饱和衰减为原来的一半,在此基础上分析单端电流互感器饱和对该差动保护改进算法的影响．假设各端线路的正序阻抗为Z,到T节点的线路长度相同,系统阻抗不带入计算,则电流互感器暂态饱和前m端电流故障分量为

(14)

当电流互感器暂态饱和角为180°时,此时动作量和制动量分别为

(15)

(16)

当电流互感器发生最严重饱和的情况下,改进算法中Ir/Ires=1.5,说明该算法至少有1.5倍以上的裕度．因此,通过电流互感器暂态饱和分析可知,该改进算法在T型线路中具有较强的抗电流互感器暂态饱和能力,在电流互感器暂态饱和程度的不断增加其差动电流的幅值也不断增加,但是无论电流互感器暂态饱和程度如何,区外故障时差动电流的幅值仍然小于Ires的值,避免保护因电流互感器饱和而误动．

4 仿真分析

4.1 仿真系统及其参数

通过ATP-EMTP建立如图4所示电压等级为110 kV的6端输电线路模型．模型中电源均采用集中参数模型表示,线路均采用分布参数模型表示．图4中故障位置k1，k2，k3为出口区外故障点,k4和k5为出口区内故障点,k6为T3-m4中点处故障点．

图 4 仿真模型图Fig.4 Simulation model diagram

(a) 系统参数，Ω：

(b) 线路参数:

正序参数:r1=0.035 Ω/km,l1=0.423 4 mH/km,c1=0.002 7 μF/km;

零序参数:r0=0.309 Ω/km,l0=1.142 6 mH/km,c0=0.001 9 μF/km．

4.2 仿真数据及分析

仿真故障类型有单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路和电流互感器饱和,仿真结果为表1～3所示,表4为图1(a)所示模型通过模拟相关电流值,使电流互感器达到不同饱和度得到的结果.

(1) 表1～3可以看出,在区内故障时,各端电流故障分量的和明显大于任意两端之间最大的电压故障分量差与该两端线路的串联正序阻抗比值;对于区外故障时,保护的动作量很小,制动量明显大于动作量,具有较高的可靠性,并且该算法不受过渡电阻的影响．

(2) 由表4可以看出,当发生区外金属性故障时,m侧电流互感器发生饱和,随着饱和度的增加动作量由72 A逐渐增大到1 319 A,但不会造成保护的误动,仍有1.46倍的裕度,因此该保护具有较强的抗电流互感器暂态饱和能力．

表 1 线路单相接地的仿真数据

表 2 线路相间短路以及短路接地的仿真数据

表 3 线路三相短路的仿真数据

表 4 线路a相单相接地故障时m端TA饱和的仿真结果

5 结束语

本文基于纵向阻抗得出了一种多端线路差动保护的改进算法.理论分析和ATP仿真结果表明,改进后的判据对区内故障时,动作量为各端远大于制动量,具有较高的灵敏性;区外故障时,制动量明显大于动作量具有比较高的可靠性．该算法结构简单、易于整定、动作灵敏,抗过渡电阻能力强，能够有效抵御电流互感器饱和的能力,具有一定的工程应用价值．

参考文献(References)：

[1] 马静,曾惠敏,林小华.基于广域信息多端高压输电区域后备保护[J].电力系统保护与控制,2012,40(11):61-69.

MA J,ZENG H M,LIN X H.A novel wide area backup protection for multi-terminal transmission lines system[J].Power System Protection and Control,2012,40(11):61-69.

[2] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].增订版.北京:中国电力出版社,2004:185-201.

HE J L,SONG C J.Principles of protective relaying electric power systems[M].Revised edition.Beijing:China Electric Power Press,2004:185-201.

[3] CHEN C S,LIU C W,JIANG J A.Three-terminal transmission line protection using synchronized voltage and current phasor measurements[C]//Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific.Yokahama: IEEE,2002:1727-1732.

[4] 葛耀中.电流差动保护动作判据的分析和研究[J].西安交通大学,1980,14(2):93-108.

GE Y Z.Analysis and study of operating criteria of differential relays [J].Journal of Xi′an Jiaotong University,1980,14(2): 93-108.

[5] 高厚磊,江世芳.T接线路电流纵差保护新判据研究[J].继电器,2001,29(9):6-9.

GAO H L,JIANG S F.Study on new criterion of current differential protection for Teed lines[J].Relay,2001,29(9):6-9.

[6] 刘静,邰能灵,李珅.T型线路电流差动保护研究[J].电力自动化设备,2008,28(10):58-63.

LIU J,TAI N L,LI S.Differential current protection of T-type transmission lines[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(10):58-63.

[7] 陈建玉,孟宪民,张振旗,等.电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策[J].电力系统自动化,2000,24(6):54-56.

CHEN J Y,MENG X M,ZHANG Z Q,et al.Influence of the current transformer saturation on relay unit and its countermeasures in medium voltage power system[J].Automation of Electric Power Systems,2000,24(6):54-56.

[8] 陈三运.一起CT饱和引起的继电保护拒动分析[J].电网技术,2002,26(4):85-87.

CHEN S Y.Analysis of a miss operation of protection device caused by saturation of current transformer[J].Power System Technology,2002,26(4):85-87.

[9] 毕大强,冯存亮,葛宝明.电流互感器局部暂态饱和识别的研究[J].中国电机工程学报,2012,32(31):184-191.

BI D Q,FENG C L,GE B M.Research on identification of partial transient saturation in current transformers[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(31):184-191.

[10] 林湘宁,刘沛,高艳.基于数学形态学的电流互感器饱和识别判据[J].中国电机工程学报,2005,25(5):44-48.

LIN X N,LIU P,GAO Y.A novel method to identify the saturation of the current transformer using mathematical morphology[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(5):44-48.

[11] 陈丽艳,何奔腾,钱国明,等.基于电流极性比较的抗电流互感器饱和新方法[J].电力系统自动化,2009,33(8):56-61.

CHEN L Y,HE B T,QIAN G M,et al.A novel method of current transformer saturation countermeasure based on comparing[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(8):56-61.

[12] 郝后堂,史泽兵,江卫良.重合于故障时TA饱和对差动保护的影响及对策[J].电力自动化设备,2013,33(4):167-170.

HAO H T,SHI Z B,JIANG W L.Influence of CT saturation on differential protection during faulty line reclose and countermeasure [J].Electric Power Automation Equipment,2013,33(4):167-170.

[13] 任龙飞,郝治国,张保会,等.继电保护抗TA暂态饱和改进Prony算法[J].电力自动化设备,2014,34(5):126-132.

REN L F,HAO Z G,ZHANG B H,et al.Improved Prony algorithm against transient CT saturation for relay protection[J].Electric Power Automation Equipment,2014,34(5):126-132.

[14] 彭春华,张艳伟.基于电流正序分量相位比较的主动配电网保护方案[J].电力自动化设备,2016,36(6):163-169.

PENG C H,ZHANG Y W.Protection scheme based on phase comparison of positive-sequence fault current for active distribution network[J].Electric Power Automation Equipment,2016,36(6):163-169.

[15] MIRSAEIDI S,MAT SAID D,MUSTAFA M W,et al.A protection strategy for micro-grids based on positive-sequence component[J].IET Renewable Power Generation,2015,9(6):600-609.

[16] 张向聪,夏经德,陈伟利,等.一种利用双端电气量的故障测距新算法[J].西安工程大学学报,2016,30(2):218-224.

ZHANG X C,XIA J D,CHEN W L,et al.A new fault location algorithm with two-terminal electric quantities[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016,30(2):218-224.

[17] 李捷,苗世洪,刘沛,等.同杆双回线跨线接地故障的距离保护算法研究[J].中国电机工程学报,2011,35(8):197-201.

LI J,MIAO S H,LIU P,et al.A protection criterion for high resistance grounding of transmission line based on phases gregated active power differential principle[J].Proceedings of the CSEE,2011,35(8):197-201.

[18] 索南加乐,许庆强,宋国兵,等.正序电压电流补偿的方向元件[J].电力系统自动化,2004,28(24):51-55.

SUONAN J L,XU Q Q,SONG G B,et al.A reliable directional relay based on positive sequence compensated voltage and current components[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(24):51-55.

[19] 夏经德,索南加乐,王莉，等.基于纵联阻抗幅值的输电线路纵联保护[J].电力系统保护与控制,2011,39(4):43-51.

XIA J D,SUONAN J L,WANG L,et al.A transmission line pilot protection based on the amplitude of the pilot impedence[J].Power System Protection and Control,2011,39(4):43-51.

[20] 王波,夏经德,秦瑞敏,等.纵向阻抗在T型网络中的应用[J].西安工程大学学报,2017,31(4):509-514.

WANG B,XIA J D,QIN R M,et al.Application of longitudinal impedance in T-type line[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2017,31(4):509-514.