基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护方法

摘要

本发明涉及一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护方法，其特征在于采用被保护线路两侧的电流故障分量幅值及其相位差构成差动保护判据，其中差动电流(Icd)等于本侧电流故障分量幅值|ΔIM|加上对侧电流故障分量幅值|ΔIN|与二者相位差余弦函数的乘积，即制动电流(Ir)等于|ΔIM|减去|ΔIN|与的乘积，即差动保护判据为Icd-KIr≥Idz，其中K为制动系数，Idz为动作电流门槛值。若满足差动保护判据，判为区内故障，差动保护动作，否则判为区外故障，差动保护不动作。本发明所涉及的电流差动保护方法在区内故障时具有较高的灵敏度，在区外故障时有较高的安全性，受过渡电阻、分布电容、TA饱和等因素的影响较小，具有良好的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护领域的电流差动保护方法，尤其是一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护方法。

背景技术

电流差动保护原理根据基尔霍夫第一定律实现，通过计算流入、流出被保护对象的电流是否相等，从而判断被保护对象是否发生了内部故障。电流差动保护原理具有较强的提取内部故障信息的能力，且无需电压量，在电力系统中获得了广泛应用，大多数的设备和线路都优先采用电流差动保护作为主保护。根据所采用电流的不同，电流差动保护可分为全电流差动保护原理、电流故障分量差动保护原理、零序电流差动保护原理、电流相位差动保护原理等，其中，全电流差动和电流故障分量差动保护原理应用较为广泛。

电流差动保护性能易受不平衡电流的影响。在电力系统中不平衡电流的来源较多，如分布电容电流、各测量点非同步采样、TA特性不一致、TA饱和等。为克服不平衡电流对差动保护的影响，引入了制动电流和比例制动系数，但制动量的存在反过来又会影响差动保护的灵敏度，导致某些情况下发生内部经高阻接地故障时灵敏度不足。因此采用哪些量构成差动和制动电流，进而构成动作特性较为理想的电流差动保护判据，成为研究电流差动保护的关键问题。

故障电流分量具有不受负荷电流影响、灵敏度较高等特点，受到人们的普遍重视，基于故障电流分量构成的相量差动保护较全电流相量差动保护具有更高的灵敏度和可靠性，但在某些运行方式下发生经大过渡电阻接地的区内故障时仍会可能拒动，线路分布电容较大且TA严重饱和时发生区外故障仍可能误动。

中国专利申请200910022923公开了一种直流输电线路电流差动保护算法，该方法根据输电线路分布参数模型，在时域中利用模变换将直流电流、直流电压的采样值转换为模量，然后从线路两端分别利用两端模电压、电流计算出线路某点各个时刻的模电流，用模电流直接构造电流差动保护判据，或者经过极模反变换合成极电流，再根据极电流构造电流差动保护判据。该发明只针对电力系统中的直流输电线路，由于采用的是分布参数线路模型，因此要求系统具有很高的采样频率。此外引入了相模变换和反变换也增加了计算量。

中国专利申请201010034085公开了一种用于变压器内部的稳态量与故障分量的复合电流差动保护方法和复合电流差动继电器。该方法中的继电器采用稳态量计算差动电流与制动电流构成一个稳态量双K差动继电器，采用故障分量计算差动电流与制动电流构成另一个故障分量双K差动继电器，然后将两者合成一个稳态量与故障分量的复合电流差动继电器。该发明涉及的是变压器差动保护而非线路差动保护，采用多个制动系数会使整定计算变得复杂。

中国专利申请201010165606公开了一种相位相关电流差动保护方法。该发明采用全电流的相位相关电流差动保护判据，基本原理就是将差动回路两侧的电流相位差引入电流差动判据，使得判据中的制动项在区内、外故障时分别体现为驱动和制动两种状态，并且提出四种实现判据及计算方法。该发明相比传统方法在故障判断可靠性和灵敏度方面有较大提高，但在应对不平衡电流方面的性能有待提高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护方法，该方法不受负荷电流影响、判据灵敏度高，具有良好的区分区内、外故障的能力；在区内故障时的制动电流很小，能够提高差动保护判断区内故障的灵敏度，在区外故障时的差动电流很小，能够提高差动保护判断区外故障的安全性，受分布电容、TA饱和的影响较小，抗过渡电阻能力较强。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于故障分量电流幅值与相位差的电流差动保护方法，包括以下步骤：

第一步：故障发生后，在线路两侧分别用故障发生后的电流值减去故障发生前的电流值，然后采用傅里叶算法可获得电流故障分量的幅值和相位；

第二步：令差动电流(I_cd)等于本侧电流故障分量幅值|ΔI_M|加上对侧电流故障分量幅值|ΔI_N|与二者相位差余弦函数的乘积，即制动电流(I_r)等于|ΔI_M|减去|ΔI_N|与的乘积，即

第三步：差动保护判据为I_cd-KI_r≥I_dz，其中K为制动系数，I_dz为动作电流门槛值。若满足差动保护判据，判为区内故障，差动保护动作，否则为区外故障，差动保护不动作。

所述的第一步中的电流故障分量的计算方法为：用故障发生后的电流值减去故障发生前一个周期的电流值，以获得故障发生后多个周期的电流故障分量值。

所述的第二步中的差动电流构成表达式为制动电流构成表达式为其中|ΔI_M|为本侧电流故障分量的幅值，|ΔI_N|为对侧电流故障分量的幅值，为两侧电流故障分量之间相位差的余弦值。

所述的第三步中的差动保护判据为I_cd-KI_r≥I_dz，其中K为制动系数，取值范围为0.5～0.8之间，I_dz为动作电流门槛值，按躲过系统的最大不平衡电流来整定。若满足差动保护判据，判为区内故障，差动保护动作，否则判为区外故障，差动保护不动作。

本发明采用电流故障分量的幅值和相位差构成差动保护判据，与现有同类技术相比具有如下优点：

1.采用电流的故障分量构成判据，具有不受负荷电流影响、判据灵敏度高等优点；

2.电流故障分量相位差不受负荷电流和过渡电阻的影响，受分布电容、TA饱和的影响较小，仅由故障点两侧系统的综合阻抗的阻抗角决定，具有良好的区分区内、外故障的能力；

3.本发明所提判据在区内故障时的制动电流很小，能够提高差动保护判断区内故障的灵敏度，在区外故障时的差动电流很小，能够提高差动保护判断区外故障的安全性，受分布电容、TA饱和的影响较小，抗过渡电阻能力较强。

附图说明

图1是两端电源电力系统模型结构示意图；

图2是区内F1点故障时的差动电流和制动电流曲线示意图；

图3是区内F1点故障时本发明所述新判据与传统判据动作电流比较示意图；

图4是区外F2点故障时的差动电流和制动电流曲线示意图；

图5是区外F2点故障时本发明所述新判据与传统判据动作电流比较示意图；

图6是区外F2点故障且TA饱和时本发明所述新判据与传统判据动作电流比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1.区内故障时电流差动保护判据性能分析

在图1所示的双端电源电力系统模型中，在保护区内的F1点设置A相金属性接地故障，根据本发明所设计差动电流和制动电流计算方法，得到的差动、制动电流曲线如图2所示，其中实线表示制动电流，虚线表示差动电流。发生内部故障时，差动电流远大于制动电流。为了说明本发明所述判据的优越性，与目前常用的电流变化量差动判据(传统判据)性能进行比较。F1处故障时二者动作电流曲线的比较情况如图3所示。可见，在发生区内故障时，本发明所提判据的动作电流大于传统判据的动作电流，表明本发明所提判据在区内故障时与传统判据相比，具有较高的灵敏度。

2.区外故障时电流差动保护判据性能分析

在保护区外F2处设置A相金属性接地故障，本发明所提判据的差动电流和制动电流曲线如图4所示，此时差动电流很小而制动电流很大。相应的动作电流曲线与传统判据动作电流曲线比较情况如图5所示。可见，在发生区外故障时，本发明所提判据的动作电流小于传统判据的动作电流，表明本发明所提判据在区外故障时与传统判据相比，具有较高的安全性。

3.区外故障且TA饱和时电流差动保护判据性能分析

设在F2处发生故障且左侧TA饱和，本发明所提判据的动作电流曲线与传统判据动作电流曲线的比较情况如图6所示。此时与情况2相比，二者的动作电流均有不同程度的减小，但本发明所提判据的动作电流仍然小于传统判据的动作电流，表明这种情况下本发明所提判据仍然具有较高的安全性。