各种差动保护比较.docx

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各种差动保护比较

采样值差动于常规相量差动的比较

与常规相量差动相比较，采样值差动的一个突出特点是它不是计算某一数据窗的差流值，而是通过多点重复判别来判定动作与否。

利用这个特点，通过合理选择重复判别次数R，S，可有效抑制区外故障时TA暂态响应不一致对差动保护的影响。

利用采样值差动能有效区分区内区外故障，同时也能有效鉴别励磁涌流，比传统相量差动更能保证故障快速动作具体分析见《采样值差动及其应用》胡玉峰、陈树德、尹相根，电力系统自动化，2000，24，No10，第42页。

基于故障分量的菜采样值差动保护与常规相量差动和采样值差动的比较

常规的相量电流差动保护还是采样值电流差动保护，都无法解决差动保护在内部高阻接地故障时的敏度和负荷电流对差动保护的影响等问题．而基于故障分量的保护存原理上与正常运行时的负荷几关，与接地故障时的过渡电阻大小无直接关系，具有相当优越性

故障分量的差动保护与常规相量差动保护相比，其突出特点是可大幅度提高保护灵敏度，并可较好地解决高阻接地或轻微短路且有负荷电流流出时差动保护所存在的缺陷，

采样值电流差动保护可以提高电流差动保护的动作速度，但是并没有改善保护的灵敏度

故障分量差动保护动作特性详见||王维倚（WangWeijian）．电气主设备继电保护原理与应用（TheTheoryandApplicationofElectricMainEquipmentsProtection）．北京I中国电力出版社（Beiiing：

ChinaElectdealPowarPress），1996/尹项根，陈德树，张哲，等（YinXianggentChenDeshu—ZhangZhe，eta1）．故障分量差动保护（DifferentialProtectionBasedOnFault—Component）．电力系统自动化（AutomationofElectricPowerSystems）．1999．23（11）

由图中可以看出，由于制动区与动作区之间存在一个缓冲区，因而可使故障分量差动保护具有极为优良的动作选择性。

将采样值差动与故障分量原理相结合，同样可起到提高灵敏度的作用。

对于采样值差动，由于存在过零点附近采样值差动判据不满足，最严重时可能出现过零点为两采样值的中点而导致连续两点不满足判据。

故差动电流需达到一定幅值才能保证可靠动作。

因而对于某些故障情况，如变压器轻微匝问故障同时有负荷电流流出时，采样值差动同样存在一个灵敏度问题，将故障分量与采样值差动结合，是解决这一问题的有效方法，同时对于采样值差动判据i≥Ki，可充分利用故障分量缓冲区来消除判据的模糊区，具体方法是合理选择系数K，使其对应的模糊区完全落在缓冲区内．这样既结台了两种原理的优点，又克服了采样值差动模糊区的影响。

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采样值电流差动保护原理的研究

袁荣湘1　陈德树1　马天皓　张哲1　尹项根1

1.华中理工大学电力系，湖北　武汉　430074　2.中兴通讯公司监控产品部，广东　深圳　518004

常规的电流差动保护中差动量和制动量的求取一般是反应电流的有效值或平均值等，通过滤波等办法消除非周期分量和谐波分量的影响。

在计算机继电保护的有效值计算方法中，故障时引起的非周期分量和谐波分量尽管衰减很快，但可能在较长时间内影响计算的准确性，即采用时间窗为一个周期的算法，若开始几个采样值中含较高的非基波分量，则将影响与这些采样值相关的各个周期的计算结果。

如果要保证保护动作的可靠性，势必影响保护的动作速度。

若电流差动保护的动作判据按每一个采样值分别判断，则可以在原理上完全消除这种影响，有效地提高电流差动保护的动作速度与可靠性。

正是基于这些方面的考虑，参考文献［1］讨论了采样值电流差动保护的有关问题，本篇将在此基础上对采样值电流差动保护与常规电流差动保护的关系和它们的动作边界变化区作进一步的研究。

1　电流差动保护的传统方法

　　电流差动保护适用任何数量支路的条件，其判据亦有很多种，但不论是哪一种判据，其基本部分（动作量）总是以

Ii为基础的，其中Ii为任一支路的电流（规定母线流向线路为电流正方向），n为线路数。

各种判据的区别在于附加的制动项构成的方法不同，但它们都是各线路电流的函数，可简单将其归并为两端电流，分别以Im,In表示。

这样可归纳出传统电流差动保护常见的动作判据有以下几种形式：

|Im+In|≥I0；|Im+In|≥K1（ImIn）；

|Im+In|≥K2max（Im,In）；|Im+In|≥K3|Im-In|；

|Im+In|2≥-K4ImIncos

　Im,In为两端电流向量；Im,In为两端电流向量的幅值；I0为整定的动作门槛值；K1～K4为整定系数；

为两端电流向量的夹角。

　　对电流差动保护的分析方法可采用以两端电流Im,In的关系表示。

这类分析中有两种常见的方法：

比率差动特性法是在线路两端电流相位相差180°的条件下作出的，主要适于分析在外部故障时保护的动作行为；相位特性法是在线路两端电流大小相等的条件下作出的，适于分析在线路两端电流大小相等时保护在内部和外部故障时的动作行为。

对电流差动保护的分析也可以用差动电流和制动电流的关系表示，通常称为制动特性。

传统电流差动保护性能的分析可参见文献［2］，在此不赘述。

2　采样值电流差动保护与常规电流差动保护的关系

　　采样值电流差动保护利用电流采样的瞬时值来实现基于相量的常规电流差动保护动作判据。

假设故障时采样的电流仅由基波分量构成，即已滤去谐波分量、非周期分量等非工频成分，则前面的各种判据一般可简化为如下两种形式或这两种形式的组合，即

|A|>|B|　　　　　　

（1）

或

|A|>C　（C为常数）　　　　　　　　　　

（2）

　　先考虑

（1）式，对应的采样值电流差动保护判据为

|Asinθ|>|Bsin（θ-Δθ）|　　　　　　　　　　　　（3）

式中　A对应于Asinθ；B对应于Bsin（θ-Δθ）;θ为变量；Δθ为两相量A和B之间的角差；A，B分别为A，B的幅值。

由于两相量角差可用区间［0,π］表示，故不妨设Δθ∈［0，π］。

　　当Δθ=0或π时，若

（1）式成立，则（3）式恒成立；当0<Δθ<π时，不妨先设A=B,则（3）式判据变为

|sinθ|>|sin（θ-Δθ）|　　　　　　　　　　　　　（4）

　　当Δθ≤θ≤π时，（4）式成为sinθ>sin（θ-Δθ），亦即2sin（Δθ/2）cos（θ-Δθ/2）>0。

　　由于sin（Δθ/2）>0,则上式等价于cos（θ-Δθ/

2）>0,即Δθ<θ<（Δθπ）/2。

　　当π≤θ≤πΔθ时，（4）式成为-sinθ>sin（θ-Δθ），亦即2cos（Δθ/2）sin（θ-Δθ/2）<0。

　　由于cos（Δθ/2）>0,则（4）式等价于sin（θ-Δθ/2）<0,即πΔθ/2<θ<πΔθ。

　　综上可知，θ在（πΔθ）/2<θ<πΔθ/2的范围内不满足（4）式，其范围大小为π/2，如图1（a）所示，动作函数与制动函数1比较为此时的最不利情形，即动作量与制动量的相位相差90°。

图1　采样值与常规电流差动保护关系示意图

　　现讨论当A，B不相等时，由于A>B，故θ不满足

（1）式的范围将小于π/2，图1（a）中的动作函数与制动函数2比较为此种条件下的最不利情形示意图，θ不满足

（1）式的范围为

小于π/2。

　　对

（2）式，对应的采样值电流差动保护判据为

|Asinθ|>C　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

式中　A对应于Asinθ，θ为变量。

　　当C<>

时，θ亦在小于π/2范围内，不满足（5）式，动作函数与制动函数C的比较如图1（b）所示。

　　因此，如果不考虑非基波分量的影响和抗干扰性能时，对于采样值电流差动保护，理论上只要在半个周期中有>90°的角度范围满足其判别方程，制动效果则与其所对应的常规电流差动保护判据的制动效果相当

3　保护动作边界变化范围的确定

采样值电流差动保护动作判据方程在>90°的角度范围内成立，对于每周期采样12个点的数字式继电保护装置来说，相当于在半个周期内有4点以上满足保护动作判据。

采样初始时刻的随机性，使得采样值差动保护的动作边界并不固定。

实际上，数字式保护都可能存在类似的问题，只是我们将其影响归结为求相量时的误差，而在分析保护性能时假设所求相量是绝对精确的，故没有保护动作区边界变化一说。

即当采用傅氏算法、曲线拟合法等与采样初始时刻无关的算法时，当然无变化的动作边界；当采用最大值算法、半周积分法、导数算法等受采样值初始时刻变化影响的算法，则存在一定的动作边界变化区域，而且，采样值电流差动保护受采样初始时刻随机性的影响最大。

采样值电流差动保护的动作区边界变化范围不会因为加长数据窗、使出口动作速度变慢而减少，仅与采样频率有关。

　　仍以每周期采样12个点的计算机继电保护装置为例，对于

（2）式判据，如图2（a）所示，图中动作函数1与制动函数的比较表示最有利的情形，即动作函数峰值附近的两连续采样值相等，此时动作函数峰值是制动量C的2倍，图中动作函数2与制动函数的比较表示最不利的情形，即有一采样点正好是动作函数峰值，此时动作函数峰值是制动量C的

倍，对应于

（2）式判据的动作区边界变化范围是：

A∈（

C，2C）

图2　保护动作边界变化范围计算示意图

对于

（1）式判据，如图2（b）所示，图中动作函数1与制动函数的比较为最有利的情形，即动作函数峰值附近的两连续采样值相等，此时动作函数峰值与制动函数峰值相等，图中动作函数2与制动函数的比较表示最不利的情形，即有一采样点正好是动作函数峰值，此时动作函数峰值是制动函数峰值的

倍，则对应于

（1）式判据的动作区边界变化范围是：

A/B∈（K，

K），K为保护判据中的比例系数

上述采样值差动保护的动作边界变化区域可在比率制动特性平面上清楚表示，如图3所示，其横坐标为制动量的幅值，纵坐标为差动量的幅值。

动作区和制动区之间的区域为不定部分。

图3（b）不定部分中角度为θ=arctan（

-1）K/（1

K2）。

　　当保护装置每周期采样点数为N时，推而广之可以得到采样值电流差动保护动作边界的变化范围。

对于

（2）式的动作区，边界变化范围是：

图3　采样值电流差动保护动作边界变化范围示意图

对于

（1）式，其动作边界变化范围是：

　　由上式可以知道，提高保护装置的采样率可以减少保护动作区边界的不定区域范围，其极限是N→∞时，这种不确定区域消失。

4　采样值电流差动保护的动作速度

　　使用采样值电流差动保护的重要原因之一是试图提高电流差动保护的动作速度。

从上面的分析知道，保护在一个与半个周期左右动作出口，对采样值电流差动保护来说，性能没有多少区别，而由于动作边界存在不确定部分，过分提高采样值电流差动保护的动作速度则是不现实的。

同时，在分析中采样值电流差动保护与传统电流差动保护制动效果相当的假设条件是，必须在半个周期中有>90°的角度范围满足动作判别方程。

因此，尽管通过提高电流差动保护的采样速度，可大大减少采样值电流差动保护动作边界的变化范围，但是，采样值电流差动保护出口动作速度无论如何必须>5ms（对于频率为50Hz的电网来说即对应于90°），才能保证采样值电流差动保护的可靠性。

5　结论

a.对于每周采样12点的采样值电流差动保护来说，在半个周期内满足保护动作判据的判断次数不宜小于4次（即保证在>90°的角度范围内满足动作判据），6取4的保护方案是可行的。

　　b.在计算机继电保护的软、硬件条件许可下，提高数据采样率对采样值电流差动保护性能提高十分有利。

提高采样率可以减少采样值电流差动保护动作边界的变化区域，同时当保护动作出口速度不变时，提高采样率将有助于改善采样值电流差动保护的可靠性。

但应注意的是，不能因为采样率提高而将保护动作速度无限制地提高，原理上采样率与动作速度没有直接关系，采样值电流差动保护的出口速度极限为5ms（对频率为50Hz的电网而言）。

　　c.如果采样值电流差动保护能保证其制动效果与常规电流差动保护的制动效果相当，那么其整定方法容易从使用相同原理判据的常规电流差动保护的整定方法中类比过来，抗电流互感器饱和的方法亦可采用常规电流差动保护中使用的同类方法。

基于故障分量的采样值电流差动保护研究

——原理分析

袁荣湘　陈德树　马天皓　张哲　尹项根

摘要：

对基于故障分量的采样值电流差动保护的原理进行了研究，得出了其适宜采用的制动特性曲线，分析了故障分量原理在采样值电流差动保护中应用时具有的特点，讨论了电容电流对保护的影响，对基于故障分量的采样值电流差动保护装置的研制具有重要意义。

关键词：

电流差动保护；采样值；故障分量

中图分类号：

TM771　　文献标识码：

A

文章编号：

1003-4897（2000）03-0009-03

Studyonthecurrentdifferentialprotectionbasedonsampledvaluesusingfaultcomponent——principleanalysis

YUANRong-xiang,MATian-hao

（ZhongxingTelecomLtd.,518004Shenzhen,China）

YUANRong-xiang,CHENDe-shu,ZHANGZhe,YINXiang-gen

（HuazhongUniversityofScienceandTechnology,430074Wuhan）

Abstract:

Inthispaper,theprincipleofthecurrentdifferentialprotectionbasedonsampledvaluesusingfaultcompoentisinvestigated.Theproperresistancecharacteristicfigureisdescribed.Theperformanceofthecurrentdifferentialprotectionusingfaultcomponentisanalyzed.Theinfluenceofthecapacitivecurrentisdiscussed.

Keywords:

currentdifferentialprotection;sampledvalue;faultcomponent

1　引言

　　近年来，继电保护工作者对基于故障分量的保护原理进行了深入研究并取得了显著成果，在距离保护、方向保护等原理保护中得到成功应用。

由于常规的相量电流差动保护还是采样值电流差动保护，都无法解决差动保护在内部高阻接地故障时的灵敏度和负荷电流对差动保护的影响等问题，而基于故障分量的保护在原理上与正常运行时的负荷无关，与接地故障时的过渡电阻大小无直接关系，具有相当的优越性。

因此，采用故障分量原理保护与采样值电流差动保护相结合，形成基于故障分量的采样值电流差动保护，以提高电流差动保护的性能，是十分自然的设想。

本文对基于故障分量的采样值电流差动保护的原理、特性的有关问题进行讨论。

2　采样值电流差动保护的制动特性曲线

　　对于常规电流差动保护多采用两折或三折的折线型制动特性，它们的动作区与制动区界限分明。

对于采样值电流差动保护，由于其动作边界受采样时刻随机性的影响而存在一定的不确定区域，动作区与制动区的边界也不象常规电流差动保护一样如此分明［1］。

然而，继电保护的动作与不动作是不容模棱两可的，幸好电流差动保护具有优异的选择性，其动作区与制动区之间存在相当宽的不可能运行区域，特别是故障分量原理的电流差动保护，这从根本上保证了存在动作边界不定区域的采样值电流差动保护的可靠性、选择性。

虽然采样值电流差动保护动作边界的不确定性不致于严重影响其性能，但对电流差动保护的测试、检验带来了困难，因为检测实验常需在一定条件下较准确地给出其动作边界，以便运行管理人员理解与整定，如果仍使用常规电流差动保护的折线型制动特性曲线，则难于用实验方法测量其理论上的明确动作边界。

如图1所示，图中横坐标为制动电流幅值，纵坐标为差动电流幅值，曲线1为保护流过不同外部短路电流时对应的不平衡电流曲线，曲线2为考虑可靠性后整定的电流差动保护制动曲线，在实际的保护装置中常用直线1、2和3所构成的三折线型制动特性曲线来近似，折线的交点对应的制动电流分别是为Is1、Is2，最大制动电流为Is*max,Id0为差动保护最小动作电流，Iunb*max为最大外部短路不平衡电流，kIunb*max为差动保护动作电流的整定值，其中k为可靠系数，设直线2、3的斜率分别为k1、k2，则采样值电流差动保护的制动特性表达式如下：

　id≥id0，当is≤is1

（1）

　　id≥id0＋k1（is－is1），当is1≤is≤is2

（2）

　　id≥id0＋k1（is2－is1）＋k2（is－is2），当is≥is2（3）

　　从参考文献［1］的分析可以知道，采样值电流差动保护有两类判据，其动作方程为：

（4）

（5）

对应着（4）式和（5）式表示的不等式，不妨分别称为Ⅰ类、Ⅱ类判据。

对于（4）式，当Δθ＝0且动作量与制动量信号频率一致时，此式的比较与采样时刻无关，即与常规电流差动保护的判据方程完全一致，不存在动作边界变化区的问题。

对于（5）式，由于C为常量，则总是存在动作边界的变化区。

对图1所示的制动特性曲线对应的方程中，

（1）式为Ⅱ类判据，

（2）式、（3）式则为Ⅰ类、Ⅱ类判据的组合形式，因此，无论何时上面各式均存在动作边界的变化区，这样就不能用实验的方法来确定采样值电流差动保护理论上的准确动作边界。

为解决此问题，可以采用较为简单的制动特性曲线，如图1所示的直1与直线4构成的折线，其动作方程为如下形式：

　　id≥id0，当is≤is0（6）

　　id≥k3is，当is≥is0（7）

图1　差动保护折线型制动特性曲线示意图

式中k3为直线4的斜率。

对于（7）式，当使差动电流id和制动电流is相位一致时，则与常规电流差动保护相应的判据效果相同。

对于（6）式，显然仍存在动作边界变化区的问题，但由于这一段主要是防止负荷状态下保证保护不误动，其灵敏度一般很高，裕度较大，对差动保护性能影响不大，对于基于故障分量的采样值电流差动保护在原理上消去了负荷的影响，故其灵敏度更高，裕度更大。

为了保证保护的可靠性，应考虑到采样值电流差动保护受动作边界变化区的影响后，制动曲线中制动电流Is0、Is*max对应的点位于图1中曲线2之上，采用的办法是提高比例系数k3的值。

　　在采用较简单的制动特性曲线后，电流差动保护的动作区有一定程度的缩小，但缩小的区域一般是不可能运行的区域，故一般不存在保护动作特性不满足要求的问题。

3　利用故障分量的采样值电流差动保护原理

　　采样值电流差动保护可以提高电流差动保护的动作速度，但是并没有改善保护的灵敏度，基于故障分量的电流差动保护能够提高保护的灵敏度，因此自然提出了基于故障分量的采样值电流差动保护原理，有理由期望它的性能优于常规的采样值电流差动保护

图2　故障分量系统示意图

　　如图2（a）所示的内部故障时的故障分量系统示意图，假设正常运行时的负荷电流ip从M侧流向N侧，此时两侧电流为：

　　im＝ip＋Δim,in＝Δin－ip

在本文中各电流相量的表示均对应相应电流的瞬时值，如

p表示负荷电流ip对应的相量。

不妨采用下面的常规电流差动保护的动作判据来讨论，即：

对应的故障分量原理电流差动保护判据为：

　　对于常规电流差动保护的动作量和制动量分别为：

由此可见，常规电流差动保护的动作量与故障分量原理电流差动保护相同，制动量不同，前者比后者多了一项2

p，正是这个负荷电流项的存在，制约着常规电流差动保护制动系数k3的提高，降低了电流差动保护的灵敏度，使得发生高阻接地短路等故障电流偏小的故障时保护拒动。

　　图2（b）所示为外部故障时的故障分量系统示意图。

制动量中的负荷电流项是否就一定加大了外部故障时电流差动保护的制动作用、提高了保护的可靠性呢?

其实也未必尽然。

制动量是相量Δ

m－Δ

n与相量2

p的叠加

与

谁大谁小，取决于Δ

m－Δ

n与2

p的相位关系，由于故障发生时刻的随机性，它们的相位关系也是不确定的，因此，常规电流差动保护制动量中的负荷电流项并不一定是使制动作用增大而提高保护可靠性，某些时候可能起着完全相反的作用，这样势必降低保护的性能。

4　基于故障分量的采样值电流差动保护的制动特性

　　故障分量原理电流差动保护的比例系数选取与常规电流差动保护有所不同。

如图3（a）所示为内部故障时故障分量系统的等值电路图，两侧系统等值阻抗为Zm、Zn，被保护线路阻抗为ZL，故障点两侧的线路阻抗分别为αZL、（1－α）ZL，其中0≤α≤1，故障点电流则有：

而在外部故障时有：

　　由此可见，在内部故障时，故障分量原理电流差动保护的差动量与制动量之比值由系统阻抗和故障点位置决定，且不小于1，其变化范围是：

对于常规电流差动保护，由于制动量中负荷电流项的存在而不具有上述特性，对应于制动特性曲线图中，表现为故障分量原理电流差动保护的不可能运行区域比常规电流差动保护大，这一点对于采样值电流差动保护来说十分重要，因为采样值电流差动保护存在动作边界的不确定区域，其制动特性常采用图1中直线1与直线4所构成的相对简单的制动特性曲线，且为了保证保护的可靠性，直线4的斜率不能太低。

故障分量原理电流差动保护比例系数的取值较大、范围相对固定的特性充分保证了采样值电流差动保护的可靠性，有效地克服了其不足之处，因此，采用故障分量的采样值电流差动保护充分发挥了各自的长处，具有明显的优势。

图3　故障分量系统的等值电路

5　电容电流对基于故障分量的采样值电流差动保护的影响

　　当考虑被保护线路电容电流的影响时，其内部故障等值电路图如图3（b）所示，此时有：

im＝ip＋Δim＋ic,　in＝Δin－ip

式中ic为正常运行时流过被保护线路分布电容中的等值电流值，则有：

　　对于如图2（b）所示的外部故障分量系统有：

　　im＝ip＋Δim＋ic,　　in＝Δin－ip＋Δic

　　式中Δic为N侧系统外部故障时被保护线路等值电容电流故障分量，它是有故障时的等值电压源－Δuf（0）产生的。

此时有：

由此可见，对于内部故障，故障分量原理的电流差动保护在原理上消去了电容电流的影响（电容电流的影响有时对保护动作是有利的，有时是作用相反，这与电容电流

c与故障分量电流Δ

m、Δ

n的相位有关）；对于外部故障，由于存在电容电流的故障分量Δ

c，故障分量原理电流差动保护在抑制电容电流影响方面没有明显的优势。

6　结论

　　采样值电流差动保护能保证在大于90°的角度范围内满足动作判据，那么其制动特性可以使用与常规电流差动保护相同的制动特性，但由于动作边界变化区的存在，宜使用图1中直线1、4构成的较简单的制动特性曲线。

　　基于故障分量的采样值电流差动保护在提高保护的灵敏度和在原理上充分保证采样值电流差动保护的可靠性两个方面具有明显的优势；对于减少被保护线路电容电流的影响，对于内部故障，基于故障分量的采样值电流差动保护能有效减少其影响，对于外部故障则没有明显的作用。

基金项目：

教育部博士点基金资助项目（96048723）