基于分相电流突变量相位比较的广域继电保护

m L
k 1.n
相位仅决定于 n 侧母线背后的发电机和变压器，两 侧电流突变量的相位差可以表示为 Z k1.mn arg n （2） ZL 对220 kV及以下线路 Z L 的阻抗角 L 60 ，n 侧 母 线 的 系 统 阻 抗 Z n 的 阻 抗 角 n 90 ， 有
1 分相ΔI 相位比较的故障识别原理
0 引言
为克服传统继电保护存在的不足，改进和提高 传统继电保护的性能， 研究基于广域信息的能够快速 识别、 隔离故障以及简化保护整定计算的广域保护原 理成了保障大电网安全稳定运行的重要内容 [1-3]。目 前，广域继电保护的研究主要是改进后备保护，其 算法主要有广域电流差动和方向比较纵联保护算
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 50877031 ， 50837002）
k 2.m
分别为线路两侧电流的故障分量。
E m
k2
k 2.mn 180
I k 1.n n
（3）
m I k1.m
k1
E n
I k 2.m
Zm
(a) m
I k 1.m
I k 2.n
ZL
n k1 (1 )Z L
Rg
U k1
I k 1.n
Zn
根据上述分相电流突变量具有的相位特征，利 用线路两端相电流突变量相位差的大小可灵敏可靠 地区分内部与外部故障。对两端相电流突变量相位 差的绝对值设立门槛，构成基于分相电流突变量相 位比较的故障识别判据为 I L. m | arg | zd （4） I
法[4-6]。广域电流差动保护原理简洁，但对广域同步 系统的要求较高，且多点电流值的测量误差累积将 产生较大的不平衡电流，从而导致保护的灵敏性和 可靠性降低，同时系统通信量较大[7]。广域纵联保 护原理通过比较输电线路两端保护所检测到的电气 量（如电流、方向、测量距离等） ，能快速准确地判 断出区内故障和区外故障，动作迅速，准确性高。 但方向元件受高阻接地、线路非全相运行和故障转 换等因素影响较大[8]。 现代电网数字化技术得到大力发展和应用，采 样频率得到大幅提高，信息传输基于光纤数字化，
由式（1）可以看出，在内部故障时，线路两端
杨红，等
基于分相电流突变量相位比较的广域继电保护
- 3 -
正常运行时保护系统的计算量及保护系统的通信 量，根据非故障因素引起的故障分量缓慢变化，而 故障因素引起的故障分量瞬时变化的原则，规定 的定值为 （5） 0.01I n 1.02 | I (k 2 N ) |
(k 2 N ) 为两周波前的 其中： I n 为额定电流； I
相电流突变量。式中右边第二项为浮动门槛值，目 的在于避免两端电流不平衡而引起的启动，提高启 动算法的可靠性；而右边第一项是固定门槛，作用 在于避免稳定运行时浮动门槛值过小而引起其不必 要的启动。为了提高相电流突变量启动相位比较的 可靠性， 设定当电流突变量连续5点大于整定门槛值 时启动元件动作。 2.2 基于补偿电压过零点的广域同步校正 由于信息采集范围的扩大化，同步问题是广域 继电保护面向工程应用需考虑的重点问题之一。相 位比较算法的实现依赖被保护元件各端的采样同 步。各保护IED之间的采样不同步，将会引起很大 的相角误差。 如现有的保护利用24点/周期的采样频 率，两端保护IED相差一位将产生15°的误差，有可 能引起算法的误判。目前广域同步大多采用基于全 球定位系统GPS授时同步方法，但当保护IED不能 正常接收到变电站下达的秒脉冲信号时，利用本地 时钟产生的时标信号可能会出现一定偏差。本文利 用电力系统中发电机在故障后短时间内其相位能够 基本保持不变的特点，提出一种基于补偿电压过零 点的补偿校正方法，能够利用故障前系统本身的电 气量特征实现相位比较的精确同步。 正常运行时，当两端均补偿到线路同一点的时 候，两补偿电压应为同一个电压，即他们将具有同 样的波形。 两波形过零点的时刻也相同。 各保护IED 分别将其电压补偿到线路中点，并利用补偿电压的 过零点作为采样信号的校准点，利用校准点来校正 每个周期的采样初始时间，减小采样同步所引起的 误差。系统出现状态变化（如发生故障、运行方式 ，可以认为 的变化等情况）后短时间内（约250 ms） 电源的相角不会改变，而这段时间能为故障位置的 确定提供充足的时间。 因此， 当线路上发生故障时， 虽然由于故障点位置、两边故障电流分布等因素， 导致线路两端补偿到中点的电压不再相等，但故障 后的短时间内，依然可以利用故障前的校准点作为 对时基准，实现两端相位比较的同步。 2.3 采样点比对的相位差动策略 为了号比较的方法来实
-2-
电力系统保护与控制
基于常规电流相位差动保护的一些缺陷可以得到克 服[9-10]。为满足快速确定故障元件的灵敏度要求， 并大幅降低广域继电保护的系统通信量，本文对基 于分相Δ I相位比较原理的广域继电保护改进算法 及其应用进行了探讨。利用分相ΔI的相位比较，除 保留电流相位差动算法不受电力系统振荡影响、能 允许较大过渡电阻等优点，还能解决传统电流相差 保护受两端电源相角、负荷电流等因素影响，不同 类型短路故障灵敏度不同的缺点，能快速、准确地 判别故障元件。
L. n
(b)
Zm k2
1
m
RgI k 2.m U k2
n Z n
I k 2.n
、 I （ 为 A、B 或 C）分别为流 其中， I L . m L. n
过线路 L 两端保护 IED 的相电流突变量， 方向以母 线流向线路为正。 zd 推荐整定为 145°。采用分相 电流突变量的相位比较构成的故障识别算法原理简 单，并具有较高的灵敏度。
第 40 卷 第 23 期 2012 年 12 月 1 日
Power System Protection and Control
电力系统保护与控制
Vol.40 No.23 Dec. 1, 2012
基于分相电流突变量相位比较的广域继电保护
杨 红 1,2，尹项根 1，陈 卫 1，刘颖彤 1，刘 宝 1
（1.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）,湖北 武汉 430074； 2.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160） 摘要： 随着数字化技术的发展， 电流相位差动保护可以得到进一步的应用， 特别是降低广域差动保护对精确同步采样的依赖。 信息量大导致通信裕度降低是实现广域继电保护的难点。为降低系统通信量，并保证保护的灵敏度和可靠性，提出了一种基 于分相电流突变量（简称 ΔI）相位比较原理的广域继电保护故障元件识别算法。结合该算法在广域继电保护中的实现，阐 述了分相 ΔI 启动算法、基于补偿电压过零点的同步校正方法以及采样点比对的相位差动策略及其配置于广域继电保护中的 应用方案等关键问题。仿真结果表明该算法具有原理简单可靠、动作速度快、灵敏度高等优点，且能够适应高阻接地、非全 相运行、故障发展及故障转移等复杂故障工况。 关键词：广域继电保护；电流突变量；相位差动；故障元件识别
k1 n L
arg
Z n (1 ) Z L Zm ZL
2.1 相电流突变量启动元件 I 0 ，此 正常运行时两侧电流突变量 I m n 时不需对该线路进行故障判别，并且也无法确定他 们之间相位差的大小。为避免无效信息的上传，对 每个保护 IED 设置启动元件， 只有当该元件动作时， 才启动 IED 的通信模块，允许其向广域继电保护决 策单元发送信息。采用相电流突变量的保护启动原 理，设定电流突变量门槛值 。 越小，则启动相 位比较模块的灵敏度就越高。理论上， 0 时，只 0 即能启动相位比较模块。 要相电流突变量 I L. 但在实际的电力系统中，由于电流互感器误差的存 在，为了避免正常运行过程中的频繁启动，并减小
Wide area protection based on phase comparison of segregated current fault component
YANG Hong1, 2, YIN Xiang-gen1, CHEN Wei1, LIU Ying-tong1, LIU Bao1 (1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China) Abstract: Current phase differential protection is attracting new concern with the development of digital technology, which also reduces the dependency of wide area current differential protection on precisely synchronized sampling. The low communication margin stems from more measurement information, which is difficult to realize wide area protection. This paper proposes a novel wide area protection algorithm based on the phased comparison of segregated current fault component to decrease communication range and assure the sensitivity and reliability of the protection. Combining the engineering application, the paper elaborates some key issues including segregated phase start algorithm, the synchronization method based on offset voltage zero crossing point, the phase differential strategy of sampling site comparison, and the application scheme. The example analysis on IEEE 39 nodes system shows the algorithm has superior performance and adapts to the complexity of the high resistance grounded, open-phase operation, fault development and fault transfer. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50877031 and No. 50837002). Key words: wide area protection; current fault component; phase differential protection; fault element identification 中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)23-0001-06