CN107332216B - 一种采用自同步技术的母线差动保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用自同步技术的母线差动保护方法及装置，其中该方法包括采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，并实时计算出各间隔三相瞬时相电流突变量；根据各间隔三相瞬时相电流突变量与故障判定启动门槛值的大小比较来判断是否存在故障，若不存在故障，返回上一步；否则进入下一步；进入故障时刻检测程序根据各间隔所推算故障时刻，标记本间隔故障时刻的三相电流采样值并传送至保护装置；保护装置计算出各段母线保护的差动量和制动量；根据差动量和制动量的大小比较，再结合母线差动保护判据来判断故障发生区段，若故障发生在母线上，选择故障段母线，保护动作切除故障母线；若故障不在母线，一段时间后保护返回。

Description

一种采用自同步技术的母线差动保护方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种采用自同步技术的母线差动保护方法及装置。

背景技术

随着国家电力系统网架结构和规模的不断扩大，越来越多的智能变电站已经建设完成或者正在建设当中。母线作为变电站主要结构，承担着汇集、分配和传送电能的重要功能。母线连接电气设备多，进出线结构复杂，母线故障，会影响系统安全，造成巨大经济损失。母线安全对变电站以及电力系统的稳定运行有着重要作用。

母线采用具有完全选择性的电流差动保护作为主保护。母线保护是一种跨多间隔的保护，保护所需要的信息来源于母线所连接的所有进出线，各个间隔之间的数据严格保持同步是母线差动保护能够正确动作的前提条件，也是分布式母线保护需要解决的一个重大难题。对于集中式母线保护而言，采用电缆将二次侧电气量接入保护装置，进行统一的测量、采样和逻辑处理，认为各间隔的采样是完全同步的。但对于分布式母线保护来说，各间隔就地分散化采样，难以保证各间隔之间采样数据完全同步。

此外，现有的智能变电站中分布式母线差动保护数据同步的实现方案，大都是基于全站GPS时钟源并以北斗作为后备时钟源的同步技术，通过发送同步脉冲到母线的各个间隔合并单元，然后进行同步采样；或者采用IEEE1588精密时钟同步协议。

因此，现有的智能变电站中分布式母线差动保护数据同步的实现方案均依赖于时钟信号和外部设备的稳定性，当GPS信号消失或IEEE1588同步失效，差动保护就要退出运行。全站配备GPS接收设备会增加额外建设成本，且大量的同步信号会占用传输通道资源。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明实施例第一方面提供了一种采用自同步技术的母线差动保护方法，该方法利用母线分布电容小、各间隔之间距离短，故障信号能同时到达各间隔检测装置且同一间隔所采集三相电流信号同步的特点，独立判定每个间隔故障时刻，并将该时刻对应的三相电流采样值加以标记，保护装置将各间隔标记的采样时刻作为保护判据计算的数据起始点，实现母线各间隔故障电流数据的严格同步，来保证母线差动保护的正确动作，该方法不要求数据采样时刻保持严格同步。

本发明实施例第一方面提供的采用自同步技术的母线差动保护方法，包括：

步骤一、采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，并实时计算出各间隔三相瞬时相电流突变量；

步骤二、根据各间隔三相瞬时相电流突变量与故障判定启动门槛值的大小比较来判断是否存在故障，若不存在故障，返回步骤一；否则进入下一步；

步骤三、进入故障时刻检测程序，同时标记第一个相电流突变量超过故障判定启动门槛值的前一个点对应的时刻为故障判定时刻，以该时刻为起点向前推算故障发生时刻；

步骤四、根据各间隔所推算故障时刻，标记本间隔故障时刻的三相电流采样值并传送至保护装置；

步骤五、保护装置从被标记且与故障时刻对应的采样值开始对各间隔电流数据进行处理，计算出各段母线保护的差动量和制动量；

步骤六、根据差动量和制动量的大小比较，再结合母线差动保护判据来判断故障发生区段，若故障发生在母线上，进一步选择故障段母线，保护动作切除故障母线；若故障不在母线，一段时间后保护返回。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第一种实施方式中，在所述步骤一中，利用电流互感器采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流。

需要说明的是，除了电流互感器之外，还可以采用其他电流采样装置来采集母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，比如：现有的交流电流采样电路或电磁式电流互感器。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第二种实施方式中，在所述步骤一中，各间隔三相瞬时相电流突变量是利用两个周期的电流突变量之差计算得到的。

具体地，瞬时相电流突变量的计算需要考虑外界干扰、系统震荡以及系统频率小范围变化等因素的影响，利用两个周期的电流突变量之差计算，计算公式为：

Δi_φ＝||i_φk-i_φk-N|-|i_φk-N-i_φk-2N||

其中，N表示一个周期的采样数，i_φk为当前时刻相电流的采样值，i_φk-N，i_φk-2N分别为一周波前和两周波前相电流的采样值。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第三种实施方式中，在所述步骤二中，故障判定启动门槛值同时考虑灵敏度和可靠性，其取值为额定电流的0.3倍。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第四种实施方式中，在所述步骤二中，当有三相瞬时电流中的至少连续三个点的瞬时相电流突变量均大于故障判定启动门槛值，则判定存在故障；否则，判定为不是故障。

这样能够避免噪声或其他扰动引起的瞬时相电流突变，提高了故障判定的准确性。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第五种实施方式中，在所述步骤三中，以故障判定时刻为起点向前推算，三相瞬时相电流突变量的第一个过零点所对应的时刻为故障发生时刻。

在该步骤中，故障判定时刻t_d是检测到故障发生对应的时刻，启动保护程序，并不是故障发生时刻。所述故障发生时刻对应着相电流突变量第一个过零点。

其中，推算故障时刻的原理为：相电流突变量表达式能够表示成正弦信号和衰减信号的叠加，

其中I_m、θ₁、I₁、T₀均为故障判定时刻对应的相电流突变量参数，I_m为工频分量的幅值，ω为角频率，θ₁为初始角，I₁为衰减分量的幅值，T₀衰减时间常数；也即相电流突变量由工频分量和衰减直流分量组成。Δi_φ第一个过零点所对应的时刻即为故障发生时刻，令Δi_φ＝0，即可求得故障时刻。

上式中参数I_m、θ₁、I₁、T₀可通过对t_d时刻后Δi_φ数据进行采集并用Prony算法提取得到。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第六种实施方式中，在所述步骤四中，标记的本间隔故障时刻的三相电流采样值通过光纤传送至保护装置。

本发明的母线各间隔故障数据自同步实现的前提是：故障信号能够同时到达母线各间隔检测装置，不存在传输延时误差。这也是自同步方法用在母线差动保护上的优势所在。以故障时刻对应的采样时刻作为保护判据计算的起始点，实现各间隔之间三相电流数据的同步。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第七种实施方式中，所述步骤六中的母线差动保护判据是普通比率制动特性母线差动保护判据、复式比率制动特性母线差动保护判据、故障分量比率制动特性母线差动保护判据或采样值差动特性母线差动保护判据中的任一种判据。

需要说明的是，母线差动保护判据可以是普通比率制动特性、复式比率制动特性、故障分量比率制动特性以及采样值差动特性等适用于对母线进行差动保护的各种动作判据，且不限于此几种。

结合本发明实施例的第一方面，本发明实施例的第一方面的第八种实施方式中，在所述步骤六中，差动保护首先启动大差保护，判断故障是否发生在母线上，若判断为母线发生故障，各段母线小差保护分别进行故障母线选择，然后跳开连接在该段母线上的所有断路器。

本发明的采用自同步技术的母线差动保护方法基本原理为：

故障发生后，因为母线各间隔之间距离短，故障信号能够同时到达母线各间隔保护检测装置，不存在传输延时；母线分布电容小，对故障信号波形没有影响。各间隔分别进行故障时刻检测，保护装置以故障时刻作为数据处理起始点，实现各间隔三相电流数据的同步处理，计算差动量和制动量，进行母线差动保护。

本发明实施例第二方面还提供了一种采用自同步技术的母线差动保护装置。

本发明实施例第二方面提供的一种采用自同步技术的母线差动保护装置，采用上述所述的采用自同步技术的母线差动保护方法来实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在母线保护中首次提出采用自同步技术的母线差动保护方法，可以有效解决分布式母线差动保护各间隔数据采样不同步问题。

(2)本发明的采用自同步技术的母线差动保护方法，利用与母线相连接的各间隔实现故障时刻的检测，保护装置以故障时刻作为数据处理起始点，实现各间隔三相电流的同步，同步对时精度高，不依赖于GPS等外设同步时钟、节省建设资本。

(3)该方法不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，不受系统震荡、扰动、负荷电流等因素影响，可靠性高。

(4)该方法在母线差动保护中尤为适用，因为连接在母线上各间隔距离短，故障波形几乎同一时刻到达各间隔，不存在传输延时，而且母线分布电容小，可忽略对故障波形的影响。

(5)该方法适用于各种母线差动保护动作判据。对变电站母线结构的变化具有很强的自适应性，不需要减少或额外增加同步装置。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的采用自同步技术的母线差动保护方法的流程图；

图2是本发明实施例220kV双母线结构示意图；

图3是故障信号到达母线各间隔时刻示意图；

图4(a)为Ⅱ母线A相故障时母线大差动作特性图；

图4(b)为Ⅰ母线小差动作特性图；

图4(c)为Ⅱ母线小差动作特性图；

图5(a)为线路Tline3发生A相故障时母线大差动作特性图；

图5(b)为Ⅰ母线小差动作特性图；

图5(c)为Ⅱ母线小差动作特性图；

图6(a)为自同步母线差动保护技术实施系统结构示意图；

图6(b)为自同步母线差动保护技术实施流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明采用自同步技术的母线差动保护方法的优势在于：

母线长度短，所连接设备和进出线分布集中，故障信号能同时到达各间隔保护安装处故障检测装置，各间隔之间不存在相对传输延时，如图3所示；母线分布电容小，对故障波形基本不存在影响；采用连续三个点相电流突变量超过启动门槛时，才确定发生故障，避开了系统震荡、扰动等因素的影响，降低保护装置频繁启动次数；利用故障后故障电流会发生突变来检测故障，采用相电流突变量进行故障时刻的检测，降低负荷电流的影响。因此采用自同步技术的母线差动保护方法能够准确的找到故障起始点，实现各间隔之间数据的严格同步。

图2所示为220kV双母线结构。

一般情况下，双母线均投入运行，双母线的电流差动保护主要由三组保护构成。

第一组是由CT1、CT2、CT3、CT5、CT6组成的保护范围为整个双母线的大差动保护，当任一条母线上发生故障时，该组保护就会启动；而当故障发生在母线之外时，该组保护不会启动；当母线正常运行时，该组保护作为整个保护的启动元件。

第二组保护是由CT2、CT4、CT5构成的Ⅰ母线小差动保护，用于选择Ⅰ母线上发生的故障。

第三组保护是由CT1、CT3、CT4，CT6构成的Ⅱ母线小差动保护，用于选择Ⅱ母线上发生的故障。规定电流由母线流向线路为正方向，由Ⅰ母线经过CT4流向Ⅱ母线为正方向。

实施例1

结合图1所示故障处理流程图，以Ⅱ母线发生A相接地故障为例，说明采用自同步技术的母线差动保护方法的实现过程：

步骤一、采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，并实时计算出各间隔三相瞬时相电流突变量。在该步骤中，按照国内智能变电站标准，采样频率为4kHz，每周期采样点数N＝80，采样时间间隔为0.25ms。

在具体实施过程中，利用电流互感器CT1、CT2、CT3、CT4、CT5、CT6实时测量各间隔三相瞬时电流，采样频率为4kHz，每周期采集80个点；实时计算各间隔三相瞬时相电流突变量Δi_φ。

除了电流互感器之外，还可以采用其他电流采样装置来采集母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，比如：现有的交流电流采样电路或电磁式电流互感器。在所述步骤一中，各间隔三相瞬时相电流突变量是利用两个周期的电流突变量之差计算得到的。

具体地，瞬时相电流突变量的计算需要考虑外界干扰、系统震荡以及系统频率小范围变化等因素的影响，利用两个周期的电流突变量之差计算，计算公式为：

Δi_φ＝||i_φk-i_φk-N|-|i_φk-N-i_φk-2N||

其中，N表示一个周期的采样数，i_φk为当前时刻相电流的采样值，i_φk-N，i_φk-2N分别为一周波前和两周波前相电流的采样值。

步骤二、根据各间隔三相瞬时相电流突变量与故障判定启动门槛值的大小比较来判断是否存在故障，若不存在故障，返回步骤一；否则进入下一步。

在该步骤中，故障判定启动门槛Io_p要同时考虑灵敏度和可靠性，取值为Io_p＝0.3I_N，I_N为额定电流。

当有三相瞬时电流中的至少连续三个点的瞬时相电流突变量均大于故障判定启动门槛值，则判定存在故障；否则，判定为不是故障。

这样能够避免噪声或其他扰动引起的瞬时相电流突变，提高了故障判定的准确性。

步骤三、进入故障时刻检测程序，同时标记第一个相电流突变量超过故障判定启动门槛值的前一个点对应的时刻为故障判定时刻，以该时刻为起点向前推算故障发生时刻。

在所述步骤三中，以故障判定时刻为起点向前推算，三相瞬时相电流突变量的第一个过零点所对应的时刻为故障发生时刻。

在该步骤中，故障判定时刻t_d是检测到故障发生对应的时刻，启动保护程序，并不是故障发生时刻。所述故障发生时刻对应着相电流突变量第一个过零点。

其中，推算故障时刻的原理为：相电流突变量表达式能够表示成正弦信号和衰减信号的叠加，

其中I_m、θ₁、I₁、T₀均为故障判定时刻对应的相电流突变量参数，I_m为工频分量的幅值，ω为角频率，θ₁为初始角，I₁为衰减分量的幅值，T₀衰减时间常数；也即相电流突变量由工频分量和衰减直流分量组成。Δi_φ第一个过零点所对应的时刻即为故障发生时刻，令Δi_φ＝0，即可求得故障时刻。

上式中参数I_m、θ₁、I₁、T₀可通过对t_d时刻后Δi_φ数据进行采集并用Prony算法提取得到。

实时计算各间隔三相瞬时相电流突变量Δi_φ；

执行故障检测程序，各间隔瞬时相电流突变量与故障判定启动门槛I_op进行大小比较，连续三个点满足Δi_φ＞I_op，检测到故障，保护启动；

标记满足Δi_φ＞I_op的连续三个点的前一个点对应的时刻为故障判定时刻t_d，以t_d为起点，采集之后各间隔相电流突变量数据用Prony算法提取得到t_d时刻中相电流突变量参数I_m、θ₁、I₁、T₀。

令

求解上述方程，得到各间隔故障发生时刻,如表1所示。

表1母线故障时各间隔所求故障时刻

步骤四、根据各间隔所推算故障时刻，标记本间隔故障时刻的三相电流采样值并传送至保护装置。

在所述步骤四中，标记的本间隔故障时刻的三相电流采样值通过光纤传送至保护装置。

本发明的母线各间隔故障数据自同步实现的前提是：故障信号能够同时到达母线各间隔检测装置，不存在传输延时误差。这也是自同步方法用在母线差动保护上的优势所在。以故障时刻对应的采样时刻作为保护判据计算的起始点，实现各间隔之间三相电流数据的同步。

步骤五、保护装置从被标记且与故障时刻对应的采样值开始对各间隔电流数据进行处理，计算出各段母线保护的差动量和制动量。

步骤六、根据差动量和制动量的大小比较，再结合母线差动保护判据来判断故障发生区段，若故障发生在母线上，进一步选择故障段母线，保护动作切除故障母线；若故障不在母线，一段时间后保护返回。

其中，所述步骤六中的母线差动保护判据是普通比率制动特性母线差动保护判据、复式比率制动特性母线差动保护判据、故障分量比率制动特性母线差动保护判据或采样值差动特性母线差动保护判据中的任一种判据。

需要说明的是，母线差动保护判据可以是普通比率制动特性、复式比率制动特性、故障分量比率制动特性以及采样值差动特性等适用于对母线进行差动保护的各种动作判据，且不限于此几种。

保护装置接收各间隔传送的三相电流数据，并从故障时刻标记点开始计算差动量和制动量，带入母线差动保护判据，大差动保护判定为母线故障，Ⅱ母线小差动保护判定为保护区内故障，跳开断路器B₁、B₃、B₄和B₆，Ⅰ母线小差动保护判定为区外故障，保持断路器B₂和B₅不动作，一段时间后保护返回。

本实施例采用普通比率制动特性的母线差动保护判据：

其中，为各间隔相电流，n为该段母线保护所包含的间隔数，制动系数K取0.3，最小动作电流启动门槛I_set.0取0.5倍额定电流，得到母线大差、Ⅰ母线小差、Ⅱ母线小差保护动作特性如图4所示。

在所述步骤六中，差动保护首先启动大差保护，判断故障是否发生在母线上，若判断为母线发生故障，各段母线小差保护分别进行故障母线选择，然后跳开连接在该段母线上的所有断路器。

实施例2

线路Tline3发生A相接地故障，故障处理过程同实施例1，所得各间隔故障推算时刻如表2所示。

表2线路故障时各间隔所求故障时刻

线路Tline3发生A相接地故障时，母线大差、Ⅰ母线小差、Ⅱ母线小差保护动作特性如图5(a)-图5(c)所示。

如表1、表2所示，各间隔所求故障时刻非常接近于实际故障发生时刻，最大误差仅为0.25ms，转化为相角误差仅为4.5°，该误差在差动保护允许范围内，在4kHz的采样频率下与真实故障时刻仅相差一个采样点，同步精度完全满足差动保护的同步要求。该误差大小与采样频率有关，提高采样频率可进一步减小该方法所求故障时刻与真实故障时刻之间的误差。

如图4(a)-图4(c)和图5(a)-图5(c)所示，采用自同步算法的母线差动保护方法能够保证母线差动保护完全正确动作，且具有较高灵敏性和绝对可靠性。

本发明在母线保护中首次提出采用自同步技术的母线差动保护方法，可以有效解决分布式母线差动保护各间隔数据采样不同步问题。

本发明的采用自同步技术的母线差动保护方法，利用与母线相连接的各间隔实现故障时刻的检测，保护装置以故障时刻作为数据处理起始点，实现各间隔三相电流的同步，同步对时精度高，不依赖于GPS等外设同步时钟、节省建设资本。

该方法不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，不受系统震荡、扰动、负荷电流等因素影响，可靠性高。

该方法在母线差动保护中尤为适用，因为连接在母线上各间隔距离短，故障波形几乎同一时刻到达各间隔，不存在传输延时，而且母线分布电容小，可忽略对故障波形的影响。

该方法适用于各种母线差动保护动作判据。对变电站母线结构的变化具有很强的自适应性，不需要减少或额外增加同步装置。

本发明还提供了一种采用自同步技术的母线差动保护装置。

本发明的一种采用自同步技术的母线差动保护装置，采用上述如图1所示的采用自同步技术的母线差动保护方法来实现。

图6(a)为自同步母线差动保护技术实施系统结构示意图；图6(b)为自同步母线差动保护技术实施流程图。若不配置子单元，则故障时刻的判定在保护主单元中实现。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，包括：

步骤一、采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流，并实时计算出各间隔三相瞬时相电流突变量；

步骤二、根据各间隔三相瞬时相电流突变量与故障判定启动门槛值的大小比较来判断是否存在故障，若不存在故障，返回步骤一；否则进入下一步；

步骤三、进入故障时刻检测程序，同时标记第一个相电流突变量超过故障判定启动门槛值的前一个点对应的时刻为故障判定时刻，以该时刻为起点向前推算故障发生时刻；

步骤四、根据各间隔所推算故障时刻，标记本间隔故障时刻的三相电流采样值并传送至保护装置；

步骤五、保护装置从被标记且与故障时刻对应的采样值开始对各间隔电流数据进行处理，计算出各段母线保护的差动量和制动量；

步骤六、根据差动量和制动量的大小比较，再结合母线差动保护判据来判断故障发生区段，若故障发生在母线上，进一步选择故障段母线，保护动作切除故障母线；若故障不在母线，一段时间后保护返回；

在所述步骤三中，以故障判定时刻为起点向前推算，三相瞬时相电流突变量的第一个过零点所对应的时刻为故障发生时刻。

2.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤一中，利用电流互感器采集与母线相连接的各间隔保护安装处的三相瞬时电流。

3.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤一中，各间隔三相瞬时相电流突变量是利用两个周期的电流突变量之差计算得到的。

4.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤二中，故障判定启动门槛值同时考虑灵敏度和可靠性，其取值为额定电流的0.3倍。

5.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤二中，当有三相瞬时电流中的至少连续三个点的瞬时相电流突变量均大于故障判定启动门槛值，则判定存在故障；否则，判定为不是故障。

6.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤四中，标记的本间隔故障时刻的三相电流采样值通过光纤传送至保护装置。

7.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，所述步骤六中的母线差动保护判据是普通比率制动特性母线差动保护判据、复式比率制动特性母线差动保护判据、故障分量比率制动特性母线差动保护判据或采样值差动特性母线差动保护判据中的任一种判据。

8.如权利要求1所述的一种采用自同步技术的母线差动保护方法，其特征在于，在所述步骤六中，差动保护首先启动大差保护，判断故障是否发生在母线上，若判断为母线发生故障，各段母线小差保护分别进行故障母线选择，然后跳开连接在该段母线上的所有断路器。

9.一种采用自同步技术的母线差动保护装置，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的采用自同步技术的母线差动保护方法来实现。