摘要　线路差动保护能否采用采样值差动原理，是一个很有意义的新课题。介绍了采样值差动的基本原理，并以该原理为基础，结合T接线路差动保护的特点，提出了一种新的保护判据。理论分析和动模实验表明，该方法是可行的，并比常规的差动判据有更好的抗TA饱和能力和抗高阻接地能力。
关键词　采样值　微机差动保护　算法

Research of Microcomputer Differential Current Protection Principle
for T Structure Short Transmission Line

Li Yan,Yin Xianggen,Ma Tianhao,Chen Deshu
(Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)
Xu Jinliang,Lou Hongyong
(Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,Nanjing 210003,China)

Abstract　Implementation of differential protection according to every sampled value is a question for discussion.The basic principle of differential protection according to every sampled value is introduced and a new criterion is proposed based on it.Theoretical analysis and dynamic model test show that the new criterion is feasible and improvement is obtain in the ability against TA saturation and high resistance neutral grounding in comparison with conventional differential protection.
Keywords　sampled values; microcomputer differential current protection; algorithm

0　引言
　　在高压电网的线路保护和电气主设备保护中，纵联差动保护得到了非常广泛的应用。常规的模拟式电流差动继电器反应的差电流是被保护设备的各支路电流之和，其不平衡值是一个随时间变化的正弦量。目前已有的各种微机差动保护，其原理大多与常规差动保护相同，即将每一支路电流的若干个采样值用于某一种算法，计算出相应的基频分量的虚、实部，然后求出各支路电流的相量和，作为差动电流，再根据采用的动作特性判据构成差动保护。
　　与传统的差动原理不同，采样值差动直接利用每一个采样点进行差动计算，它不需要计算向量值，而是直接利用采样值构成差动保护判据。在T接短线路差动保护装置的研制中，作者利用这一原理，构成了纵联差动保护的一种新判据。动模实验证实了这一判据不仅可靠，而且在动作速度、抗TA饱和、抗高阻接地方面有很好的特性。
　　目前，光纤通信技术已逐渐成熟。由于光纤传输不受电磁干扰的影响，通信误码率低，工作稳定，在安全性和可靠性方面比导引线通道有显著的优势；同时，光纤通道频带宽，容量大，可以缓解电力系统的通道拥挤问题。因此，利用光纤通道的新型微机短线路差动保护得到了越来越广泛的研究和应用。在研究过程中，多端采样同步和数据通信是非常关键的问题，本文中，作者将对这一问题做一个简要的讨论。

1　采样值差动原理
　　根据克希霍夫定律，流入一个节点的各支路电流之和为零。这个定律首先是按各支路电流的瞬时值计算的，各支路正弦电流向量和为零是这一定理所推广的。对微机差动保护来说，当各支路电流在同一时刻采样时，所采得的是各支路电流在同一时刻的瞬时值，在被保护设备没有横向短路故障时，各采样值之和等于零。当发生横向短路故障，亦即保护设备额外增加一个支路时，原来各支路电流的瞬时值之和便等于新增故障支路的电流的瞬时值。
　　采样值差动保护就是利用此采样值电流之和(称作采样值差动电流)按一定的动作判据构成的。由于差动保护所采用的各支路电流是TA二次侧电流，而TA铁心存在非线性，随着电流的增大，不平衡电流将愈来愈大。因此和常规差动保护一样，需要采用非线性的制动特性。
　　与常规差动保护原理相比，采样值差动保护有一个显著的特点。在稳态过程，常规的差动保护中用的是有效值，差动电流和不平衡电流以及施加的制动电流都是一个不随时间变化的确定值。但是对采样值差动保护来说，采样值是随时间而周期变化的，因此，差动电流等都是随时间变化的。对每一个采样点，它的制动值都不会一样，有一些采样点制动效果较差，有一些采样点制动效果较好。这就要采取措施使得在被保护设备无内部短路时，保护的判据能避开制动效果差的采样点，而又不影响内部短路时保护能正确动作。我们选用的方法是重复多次判断法。具体地说就是连续R次采样判决中有S次及以上符合动作条件则判定为保护动作。这里要求S次及以上动作是为了防止少量采样点的制动不足。一般，R次比S次多2次则是为了保证内部短路时可靠动作，不受个别采样点误判的影响。
　　现在问题是R，S值如何取法。根据文献［1］的研究结果，为了保证采样值差动的制动性能不低于常规向量差动保护，采样点的重复数应不低于以下所包括的采样点数。该采样点数

式中　T为工频周期，T_S为采样间隔时间。
　　对12点采样，T/T_S=12，可得S≥4。即保护必须有连续4点以上判定动作才允许保护输出动作信号，这样才确保其制动特性等于或优于常规向量差动保护。内部故障时，可能有一个采样点遇上过零点，此采样点可能判定为不动点。因此要求R≥S+2，即对12点采样只需10 ms就可以完成故障判断。
　　综上所述，采样值差动可以适当提高动作速度。

2　T接线复式采样值差动新原理
2.1　常规微机差动保护的原理
　　以往的T接线比率差动继电器的动作原理大体有两种。第一种是用三端电流中的最大电流作为制动电流，其比率特性为：

(1)

　　第二种是用三端电流的标量和作为制动电流，其比率特性为：

(2)

式中　I_m为T接线各端TA二次电流的矢量；K_r为制动系数。
　　 理想情况下，(1)式左边在区内故障时大于1，在区外故障时近似等于0；(2)式左边在区内故障时近似等于1，在区外故障时近似等于0。因此，只要适当选择K_r值即可保证该保护对区内或区外故障的选择性。但是，这两种继电器都存在一些缺点。区外严重故障时，由于TA深度饱和，会产生很大的不平衡电流，可能引起保护误动作；区内经较高电阻接地故障时，由于故障电流较小，保护可能出现拒动的情况。
2.2　复式采样值差动判据
　　针对上述存在的问题，作者提出了一种新判据。系统接线情况见图1。

　　

式中　i₁,i₂,i₃为同一时刻线路三端电流采样值；

　　Δi₁=i₁ (j) -i₁ (j-24)；
　　Δi₂=i₂ (j) -i₂ (j-24)；
　　Δi₃=i (j) -i (j-24)；
j为采样时刻，上面三式中j取12～24；K_r1,K_r2,为比例制动系数；i_d01,i_d02为固定的门槛，和传统比例差动选择原则类似。

图1　T接线路简图

　　本差动判据中(3)式为采样值差动判据，(4)式为采样值故障分量差动判据，由(3)式和(4)式共同组成一个复式采样值差动保护判据。其中，(4)式仅在保护起动后第二个周期有效。(3)式或(4)式中任何一个成立，就判定这一个采样点动作，如果在连续8个采样点中有6个动作，则认为保护动作。
　　相对传统的基于相量和的T接线比例差动判据，这一判据有如下几个突出的优点。
　　(1) 动作速度快。在利用相量和的微机差动保护中，其采样完成后必须等待几个采样点(数量依所选算法而定)，然后利用这几个采样值按一定算法进行相量计算，再利用所得相量进行差动判断。本判据只需利用同一时刻的瞬时采样值就可直接完成差动判断，这就加快了保护的动作速度，根据动模实验的结果，区内一般故障可以在12～17 ms内动作，区内高阻接地故障(>50 Ω)动作时间在40 ms以内。
　　(2) 抗TA饱和能力强。在严重故障时，由于电流很大，会引起TA饱和。区外故障时，当TA饱和不是很严重时，通常的制动特性可以有效制动，保护不会误动；但TA深度饱和时，会产生一个较大的不平衡电流，引起保护误动作。利用波形识别的方法对TA饱和时二次侧电流波形进行分析，可以发现，在故障发生的初始时刻和电流过零点附近，TA存在一个短时的线性传变区，在线性传变区内二次电流基本不失真，这个区域一般5～7 ms。因此，由于TA饱和引起的不平衡电流一般不会超过10 ms，即当保护采用12点采样时，不平衡电流不会超过6个采样点，动模实验也证明了这一点。因此，上面8取6的采样值差动判据可以很好地解决TA饱和问题。
　　(3) 抗高阻接地性能好。当保护区内经大电阻接地时，故障电流较小，如果这时的穿越性负荷电流较大，就可能引起保护制动过大，导致保护误闭锁。针对这种情况，本判据设立了采样瞬时值的故障分量辅助判据，有效地提高了保护耐受过渡电阻的能力。动模实验表明，对110 kV线路，本判据可以耐受50 Ω以上的过渡电阻。

3　同步方式
　　对于差动保护，保证数据采样的同步进行是保证差动保护正确动作的关键问题之一。现在已投运的保护采用的是同步调整来保证采样数据的同步，主要有两种方法：一种是时间调整法，一种是数值调整法。同步调整的方式花费时间长，计算量也比较大，由于靠计算方法同步，精度受到一定限制，也无法满足采样值差动保护的要求。
　　在保护装置的研制过程中，我们尝试采用一种更为直接快速的直接同步法，即由一个采样同步信号直接启动线路各端的采样和A/D转换，这一同步信号是由一侧保护装置发出，由光纤通道传送到保护的另外几侧，完全由硬件保证同步，以减少软件的工作量。实验发现，同步精度仅受同步信号传输时延的影响，而信号在光纤中是以接近光速传播的，当对信号处理速度足够快，且线路较短时(<30 km)，同步误差是可以忽略的(<0.5°)。当通信采用2 Mbps的光端机，经测试同步误差可以满足差动保护的要求，特别是在短线路差动保护中，这是一种很好的方式。但对于长线差动就必须考虑传输时延，可以采用根据实测时延进行固定补偿的方法。
　　对于T接线路，采用直接同步方式必须考虑线路运行方式的改变，例如当三端运行改为两端运行时，同步脉冲的发出站可能被改变。这时希望保证同步信号可以在线切换，并且不影响保护的正常运行。这里可以采用主站切换的方式完成。将线路的一端设置成主站，另一端设置成辅助主站，正常时由主站发出同步脉冲指导另外两端或其中某一端的同步，当主站退出运行时，瞬时进行切换，由辅助主站接替主站进行同步，完成在线切换。实验证明这种方式是可行的。

4　结束语
　　本文介绍了利用采样值差动原理构成的一种T接线路纵差保护新判据，该判据在抗TA饱和、抗高阻接地和速动性方面有很好的特性。同时，还介绍了一种直接同步的数据采样方案，该方案对软件的依赖小，同步精度高，特别适合于短线保护。动模实验的结果证实了本文的结论。

参考文献
1　陈德树等.采样值电流差动微机保护的一些问题.电力自动化设备，1996，16(4)：3～7
2　伍叶凯，郁惟镛.微机短线路光纤纵差动保护装置的研究.继电器，1996，24(2)