各种差动保护比较概论.docx

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各种差动保护比较概论

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