高压线路纵联差动保护原理与动作特性的仿真分析Word文档格式.docx
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常规载波通信都是“点对点”方式下传送闭锁信号或允许信号，也仅限于简单的信号命令。
前些年受限于平台技术，微机保护自带的光端机只能提供一组光纤收发接口，不便适用在多端线路中。
但随着技术的发展，现在已经可以提供两组光纤通信接口，为多端线路保护提供了充分的通道资源[2]。
在国外,数字式电流差动保护的应用较多,尤其是在日本和英国,数字式电流差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护;
在其它国家也有应用。
随着通信技术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降,近几年,我国的通信发展很快,电力通信系统中也在逐步应用光纤通信。
不少地方已经引进了日本东芝公司、英国GEC公司和ABB公司的数字电流差动保护装置。
这些装置可用于数字微波或光纤通信系统、以及短距离的专用光纤通道上[3]。
高压线路电流差动保护,在我国之所以应用不广泛的原因,正如前面所述,是由于它对通信通道的依赖。
它不能够利用目前我国高频保护中用得最为广泛的电力线载波通道来实现。
另外,对于数字式高压线路电流差动保护来讲,线路各端保护装置的同步交流采样,也是其技术的一个关键[4]。
高压线路电流差动保护所采用的通信媒介,与输电线路无直接的联系,继电保护信号的传输可完全不受输电线路故障的影响;
相比通过电力线载波通道传递继电保护信号的高频保护,其通信可靠性会更高。
电力微波、光纤通信的频带较宽,相比电力线载波通道,能为继电保护传递较多的信号,这可为继电保护其它装置（如远方跳闸、切机等）的应用提供更好的条件[5]。
综合来看,正如众所周知的那样,电流差动保护判据是一种简单、可靠和广泛适用的继电保护原理,它是电力系统的主要保护之一。
长期的运行考验也证明了它的优越性。
随着电力系统的发展,超高压、远距离的输电线路和复杂网络（如同杆双回线路、T型分支线路、环网等）的增多,以及电力系统通信技术的进一步迅速发展,毫无疑义,电流差动保护将会在高压、超高压输电线路上,得到更为广泛的应用。
它的应用也将会克服目前高频保护所遇到的一些困难,进一步提高线路保护的运行水平[6]。
4研究的主要内容及设计成果的应用价值
4.1高压线路纵联差动保护基本原理及概论
4.1.1线路纵联差动保护概念
所谓输电线的纵联保护，就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。
因此，理论上这种纵联保护具有绝对的选择性。
差动保护是一种依据被保护电气设备进出线两端电流差值的变化构成的对电气设备的保护装置，一般分为纵联差动保护和横联差动保护。
变压器的差动保护属纵联差动保护，横联差动保护则常用于变电所母线等设备的保护。
由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。
但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。
由于受辅助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。
4.1.2纵联保护的通道
为了把被保护线路一侧电气量的信息传输到另一侧去，需要利用通道。
通道虽然只是传送信息的手段，但是采用不同的通道，输电线路纵连保护在装置原理、结构、性能和适用范围等方面就具有很大的差别。
纵联保护的通道类型主要分为以下四种：
（1）引导线通道
这种通道需要铺设电缆，其投资随着线路长度的增长而增加，不经济。
引导线越长，安全性越低。
引导线中传输的是电信号，发生接地故障时，会产生感应电压，造成保护的不正确动作。
因此，导引线的电缆必须足够的绝缘，从而加大线路的投资。
导引线直接传输交流电量，因此导引线保护广泛采用差动保护原理，但导引线的参数（电阻和分布电容）直接影响保护的性能，从而在技术上限制了导引线保护用于较长的线路。
（2）电力线载波通道
载波通道是纵联保护中应用最广的一种。
载波通道由高压输电线及其加工和连接设备（阻波器、结合电容器及高频收发信机）等组成。
高压输电线机械强度大，十分安全可靠。
但是线路故障时，由于高频信号衰减增大，通道可能遭到破坏。
因此，载波保护在利用高频信号时应使得保护在本线路故障信号中断的情况下仍能正确动作。
（3）微波通道
微波通信是理想的通信系统。
微博通道与输电线没有直接的联系，输电线发生故障时不会对微波通信系统产生任何影响，因此利用微博保护的方式不受限制。
但是保护专用微波通信设备是不经济的。
应当与通信、运动等公用，要求设计师把两方面联系起来，同时考虑信号的衰落问题。
（4）光纤通道
此通道与微博通道有相同的优点。
光纤通信广泛采用PCM调制方式。
最近发展的架空输电线的接地线中铺设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途，当被保护线路很长时，应当与通信、运动等复用。
4.1.3线路纵联差动保护的分类
纵联差动保护包括三大类：
（1）引导线差动纵联保护
（2）相位比较式差动纵联保护
（3）电流差动纵联保护
引导线问题很多，近年来逐渐被光缆代替，在我国使用也不普遍。
相位比较式纵联差动保护，一般简称为相差保护，自20世纪50年代起在我国得到广泛应用，到20世纪80年代逐渐被方向纵联保护和距离纵联保护替代。
电流差动保护在原理上有独特的优点，通道利用光纤和微波有发展前途。
4.1.4线路纵联差动保护原理
电流、电压保护以及距离保护由于其动作原理都只能反应被保护线路一侧的电气量的变化，不可能区分被保护线路末端和对侧母线或者相邻线路始端的短路故障。
为了保证保护选择性，不得不将无时限的保护范围缩短到小于线路全长。
一般将被保护的无时限第一段保护范围整定为线路全长的80%-90%，对于其余的10%-20%线路的短路故障只能由保护第二段限时切除。
即使性能较好的距离保护，在单侧电源线路上也只能是被保护线路全长的80%左右，在双侧电源线路上瞬时切除故障的范围大约只有线路全长的60%左右。
在被保护线路其余部分发生故障时，都只能由延时保护来切除。
这对于很多重要的高压输电线路是不允许的，为了保证电力系统短路故障切除后的稳定性，被保护线路上要求设置具有无延时切除线路上任意故障的保护装置。
由此，产生了输电线路的纵联差动保护，反应的是输电线路两端的电气量的变化，能够区分被保护线路末端和对侧母线或相邻线路始端的短路故障，以实现线路全长范围内任何点短路故障的有选择性的、快速切除。
理论上，输电线路纵联保护具有输电线内部短路故障时动作的绝对选择性。
输电线路纵联差动保护已经成为线路保护的主要保护之一，其基本原理简言之为：
利用被保护线路两端的差动电流大小（幅值和相位）来对故障进行判断。
规定：
线路两端电流反方向由母线流向线路为正，反之为负。
分为两种情况：
（1）当被保护线路正常运行或发生外部故障时，线路两端电流流向为：
一端由母线流向该线路，为正；
另一端由该线路流向该侧母线，为负。
（2）当被保护线路发生内部故障时，线路两端电流流向为：
另一端由该侧母线流向该线路，为负。
输电线路纵联差动保护基本原理图如下图4-1所示
图4-1输电线路纵联保护基本原理图
当k1点短路故障，流经线路两侧断路器的故障电流方向如图中箭头所示，两侧电流方向均为正。
而当k2点故障时即外部发生故障，流经M、N两侧电流方向如图中虚线箭头所示，M侧电流为正。
比较上述两种情况两端电流大小可判断该线路是否发生故障。
通常比较方法是将被保护线路两端电流相减，即对被保护线路两端电流做向量差，根据向量差值进行判断，确定该线路是否发生内部故障。
电流差动纵联保护测量的是真正的差动量。
理想情况下，差动量应该为零或者等于线路中的分接的负荷电流。
然而实际上，这样的情况是不切实际的，由于电流互感器的误差、或线路分布电流等因素影响，差动量的大小与理论值存在一定的偏差.为了防止发生被保护线路外部故障时差动保护的误动作,必须得到被保护线路各端电流的幅值和相位.这就需要合适的数据传输通信通道。
然而，随着微机应用的越来越广泛，通信越来越熟，输电线路电流纵联差动保护的应用已经变得越来越普及。
它可以电流差动保护测量真正的差动量。
在理想情况下，差动量应该为零或者等于线路中的分接的负荷电流。
实际上，这样的情况是不切实际的，由于电流互感器的误差、电流比不匹配或线路分布电容电流的影响，差动量的大小与理论值存在偏差。
为了防止外部故障时差动保护的误动作，必须得到各端电流的幅值和相位。
这就需要合适的数据传输通信通道。
电流差动保护有两种主要方式。
一种是把每个终端的电流合成为一个复合信号，并且通过一个通信通道比较这些合成信号。
另外一种方法是对每个相电流进行采样，将它们转化为数字量并且将这些数字量传送给其他各终端保护终端。
电流差动保护往往比距离保护更加灵敏。
它只需要电流，不需要电压互感器。
电流差动保护在保证安全性的前提下，提高了保护的可依赖性。
由于没有电压互感器，因此它不受系统振荡的影响。
然而它没有固有的后备保护功能。
它可以通过采集各端电流信号实现多端线路的电流差动保护。
4.1.6.1TA极性及电流方向
输电线路电流差动保护和两个电流向量的加减、电流的正负以及TA极性的位置密切相关，此问题极重要，再次简要分析TA极性以及电流方向这一关键问题。
图4-2左图，一次电流I1自母线流向线路，自TA的正极性端流入，二次电流I2从TA的正极性端流出，如图所示的极性联结。
I1，I2，Ij三个电流同相位,Ij就是保护装置进行计算的电流。
保护装置规定从变流器BL的正极性端流出的这个电流Ij为正，所以一次电流I1自母线流向线路时，I1本身就是正值；
反之，I1自线路流向母线时，则Ij流入BL的正极性端，此时的I1自然为负，见图4-2右图，所以与之相对应的一次电流I1就规定为负。
也就是只当差动保护的TA、BL的极性联接如图4-2所示时，TA一次侧电流I1的正负规定是：
当I1自母线流向电路时，I1为正；
当I1自线路流向母线时，I1为负。
图4-2电流差动保护中电流极性判断示意图
4.2电流纵联差动保护的影响因素及对应措施
4.2.1影响因素
仍有诸多因素影响电流差动保护动作的正确性、可靠性、灵敏性。
影响输电线路电流差动纵联保护正确动作的因素一般概括为如下：
（1）电流互感器的误差和不平衡电流
（2）输电线路的分布电容电流
（3）负荷电流的影响
4.2.1.1不平衡差流
电流差动保护的基本原理说明：
在不考虑电流互感器TA的误差、线路分布电容等理想情况下，当输电线路正常或线路区外故障时，差流为零。
然而实际情况中，TA是存在误差的，而且架空长线或电线电缆存在很大的分布电容，诸多原因使得线路正常或区外故障时差动电流并不为零，存在不平衡差流。
产生不平衡差流的原因大致可以分为两大类：
模型所产生的误差和测量所产生的误差。
（1）模型误差：
是指实际被保护元件中还存在其他无法测量的支路多带来的误差。
例如线路中存在分布电容，构成无法测量支路，电容上流过电流，我们称之为分布电容电流，都转换为不平衡电流。
（2）测量误差：
是指测量装置测量到的电流与实际一次电流之间存在额差异。
例如TA饱和误差，在TA饱和时，TA励磁组抗将会下降很大，保护会产生很大不平衡电流。
4.2.1.2分布电容电流
输电线路分布电容电流产生原因：
当输电线路的电压等级较低、线路较短时，分布电容较小，对输电线路两端电流影响不大，可以忽略其对电流差动保护的影响。
但是，当纵联电流差动保护用于超高压长线路或者电缆线路时，输电线路的相与相之间和相与地之间存在分布电容，且分布电容等值容抗大大减小，导致输电线路两端电流大小和相位都发生严重畸变，因而其对电流差动保护将产生较大影响。
4.2.1.3负荷电流
传统的纵联线路差动保护比较的是线路两侧全电流，是非故障状态下负荷电流和故障电流的叠加，在一般的内部短路情况下，可以满足灵敏度的要求。
但是，当区内故障发生大过度电阻短路时，因为故障分量电流很小，故障电流和负荷电流相差不是很大，负荷电流为穿越电流，对两侧全电流大小相位都有影响，降低保护灵敏度，是的纵联电流差动保护允许过度电阻能力有限。
4.2.2对应措施
综合上述提到的差动保护的基本原理以及影响差动保护正确动作的因素，本文提出了提高差动保护灵敏度的两个基本方法：
第一：
减小负荷电流的影响。
在实际线路差动保护中，为了躲避不平衡电流，通常采用的是带有制动特性的差动继电器，因此差动保护的灵敏度受到负荷电流影响。
第二：
减小模型误差产生的不平衡电流。
模型误差产生的不平衡电流主要是线路分布电容电流。
减小分布电容电流所带来不平衡差流影响的方法是采用电容电流补偿措施，以及采用合适滤波算法。
总结起来，可归结为图4-3所示：
图4-3提高保护灵敏度的方法
4.3故障分量差动保护的研究
4.3.1常规差动的缺点
常规差动是用差流选取的基本方法选取差流，但是基本差流选取方法中的制动量引入了负荷电流，因此常规差动保护受负荷电流影响较大，特别是重载线路发生高阻接地故障时，保护的灵敏度受到很大的影响，有可能出现拒动的现象。
下面进行分析：
常规电流差动保护动作判据：
（4-4）
（4-5）
其中，
、
分别为保护线路M侧和N侧的电流向量，
为电流门槛值；
K为比例制动系数（0<
K<
1）。
当以上两式同时成立时电流差动保护动作。
分析基本判据可知，动作量和制动量均为被保护线路的全电流。
全电流为负荷电流和故障电流的叠加。
因此负荷电流的大小将直接影响差动保护的灵敏度。
我们假设线路发生区内接地故障如图4-6所示。
（4-6）
（4-7）
分别为线路两侧故障分量电流，
为负荷电流。
将（4-6）（4-7）带入（4-5），得到：
（4-8）
图4-9线路发生区内接地故障示意图
可见，若发生高阻接地故障时，可能会出现故障支路电流减小、穿越性负荷电流增大的情况，从而导致动作量小于制动量，保护拒动，降低了保护的灵敏性。
如果将K值整定的很小以降低制动量从而提高保护的灵敏性，必然导致区外故障判断能力下降，所以不可行。
4.3.2变化量差动的灵敏度
以双端电源供电单回路为例，对故障分量差动保护灵敏性进行分析。
假设被保护线路发生区内高阻接地故障，如上图4-9所示。
将常规差动判据中的全电流相量替换成线路两端故障分量电流，构成相应的差动保护判据：
（4-10）
（4-11）
式中，
和
分别为线路M和N侧的相电流的突变量；
为定值，K为制动系数（0<
（4-10）为辅助判据，（4-11）为主判据。
两式同时满足时保护动作。
我们可以把线路短路状态分解为正常运行状态和短路状态叠加，如图4-12所示：
图4-12线路短路状态分解图
当P点发生三相短路时，由于三相对称，分析A相情况。
（4-13）
（4-14）
带入（4-11），可以得到制动量为：
（4-15）
当区外发生三相短路故障时，流过各个相的突变量电流皆为穿越性电流，因此三相保护均不会动作。
当P点发生单相接地故障时，仍旧以A相为例进行分析，这时故障相电流分别为：
（4-16）
（4-17）
代入（4-11），得：
（4-18）
因为
阻抗角，
的阻抗角，
的阻抗角之差最大不超过90度，因此不论K取何值（0<
1），差动保护均能灵敏动作，且与过渡电阻无关。
4.3.3变化量差动的提取
对于变化量的提取方法，常规方法是：
（4-19）
式中，N为每周采样次数n为任意整数。
当n=1时，式（4-19）表示从当前采样值
中减去一个周期前的采样值
。
在稳态情况下电流只含有基波及各次谐波，必然有
=0。
只有在发生故障时才有
输出，
存在一个周期。
为了减少系统频率偏差时出现的不平衡，
可以按二次差分计算：
（4-20）
因为存在频率偏差时
，所以二次差分的
受频率偏差影响就降低了。
二次差分也使得故障时
存在时间增加一个周期。
若想延长
存在时间，则使得（4-19）中的n>
1，从算法看
可以或获得任意长的存在时间，但是从系统看故障的存在必然破坏原来系统中的功率平衡关系，系统中各个电源电动势的功角必然要变化。
变化后的故障前状态是无法测量的。
现代快速主保护的动作时间不超过30ms，
的输出时间持续50ms一般就足够了。
5工作的主要阶段、进度
（1）2014年秋季学期第11周（2014年11月18日前）
接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。
（2）2014年秋季学期第12~18周
阅读指定的参考资料及文献，基本完成开题报告、外文翻译任务。
（3）2014年秋季学期第19周（2015年1月20日前）
上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。
（4）2015年春季学期第11周（2015年4月30日前）
提交毕业设计中期报告，完成毕业设计中期考核内容
（5）2015年春季学期第14周
提交毕业设计初稿
（6）2015年春季学期第15周
完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅
（7）2015年春季学期第16周（2015年6月1日至3日）
毕业答辩
6最终目标及完成时间
选择典型的高压电网输电系统，利用PSCAD或其他仿真软件和查找资料获取实际数据进行线路故障特写分析以及分析电容电流补偿原理和突变量差动保护判据的构成，对提出的差动保护判据进行仿真分析。
完成时间：
第15周
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