基于多维度相互校验的线路电流差动保护自校正同步策略

徐晓春, 裘愉涛, 赵 萍, 徐 华, 李 皓, 周再兵

(1. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏省南京市 211102; 2. 国网浙江省电力公司, 浙江省杭州市 310007; 3. 国网浙江省电力公司台州供电公司, 浙江省台州市 318000)

基于多维度相互校验的线路电流差动保护自校正同步策略

徐晓春1, 裘愉涛2, 赵 萍3, 徐 华3, 李 皓3, 周再兵3

(1. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏省南京市 211102; 2. 国网浙江省电力公司, 浙江省杭州市 310007; 3. 国网浙江省电力公司台州供电公司, 浙江省台州市 318000)

针对目前线路电流差动保护普遍使用的基于内部时钟同步方法,分析了基于乒乓原理测量通道时延的内部时钟同步方法在出现通道路由不一致时,会造成差动保护不正确动作的可能性。提出了一种自适应的异常差流监视手段,同时结合线路两侧的电气量同步判据,能够可靠识别出线路电流差动保护同步异常的情况。在内部时钟同步的基础上,提出了一种结合电气量判据及外部时钟的自校正同步策略,该策略能够自动完成同步状态辨识,提高了差动保护抗通道收发路由不一致的能力。实验验证表明,所提出的基于多维度相互校验的电流差动保护自校正同步策略能够提高线路电流差动保护抗通道扰动的能力。

差动保护; 内部时钟; 外部时钟; 自校正; 通道路由不一致

0 引言

随着电力系统的发展,高电压等级、长距离输电成为主流,同时由于光纤通道的普及,电流差动保护已广泛应用于高电压等级输电线路中。

差动保护利用线路两侧保护装置采集的电流进行差动电流的计算,进行差动保护计算的前提是保护装置能够完成两侧采样数据的同步。目前,国内主流保护厂家主要采用基于乒乓原理测量通道时延的内部时钟同步方法,主要包括采样时刻调整法、采样数据修正法等,其特点是不依赖于外部时钟源,但要求承载两侧数据的光纤通道收发路由一致,否则可能会导致差动保护的不正确动作。在长距离输电线路上,由于专用光纤发送功率的限制,基于同步数字体系(SDH)的复用通道的使用非常普及,SDH一般具有通道保护功能,当通道保护不正确时,可能会导致保护装置使用的通道出现收发路由不一致的情况[1-2]。国内曾经发生过多起由于复用通道切换导致保护装置的通道收发路由不一致的情况,甚至导致了保护装置的不正确动作。

国内外学者对通道路由收发不一致对差动保护的影响均进行了比较深入的研究,并提出了一些尝试性的方法以避免出现通道路由不一致的情况。文献[3-5]指出通道路由不一致对差动保护的影响,但是对于通道时延不一致程度对差动保护动作方程本身的影响未进行量化分析;文献[6-8]提出了一些探索性的同步校验手段和同步方法,但没有提出一整套的应对通道路由不一致的同步方案。为了提高差动保护抗通道收发路由不一致的鲁棒性,并且具备工程实施的可能性,本文在对目前的差动数据同步方法横向分析的基础上,提出了一种基于多维度相互校验的线路电流差动保护自校正同步策略。在以内部时钟为同步主体的前提下,加入电气量辅助校验,同时结合外部时钟源,能够有效地对可能出现的通道路由不一致情况进行识别,并进行同步策略自动切换,从而提高了差动保护抗通道路由收发不一致的能力。

1 通道路由不一致对内部时钟同步方法的影响

由于内部时钟同步方法不依赖于外部时钟源,靠保护装置的内部时钟完成两侧数据同步,可靠性非常高,目前国内外主流保护厂商的保护装置均采用内部时钟同步方法[9]。本文以经典的采样时刻调整法为例加以说明。如图1所示,采样时刻调整法先根据乒乓原理测量通道时延,再根据通道时延计算两侧保护装置绝对采样时刻的误差,从机通过调整采样脉冲来实现线路两侧保护装置的采样同步。

图1 乒乓原理测量通道时延方案Fig.1 Channel delay measurement by Ping-Pong theory

根据乒乓原理,可以计算得到通道时延为:

(1)

式中:t2s为P2向P1发送报文的时刻;t1r为P1收到P2报文的时刻;t1s为P1向P2发送反馈报文的时刻;t2r为P2收到P1反馈报文的时刻。

正确算出通道时延的前提条件是:通道收、发双向时延相等。如果双向通道时延不相等,设P2向P1发送方向通道时延为Td1,P1向P2发送方向通道时延为Td2,根据式(1)测定通道时延为:

(2)

两个方向实际通道时延和测定的通道时延的误差为ΔTd:

(3)

在该不对称的通道时延下,正常运行或区外故障时,由于两侧通道时延不一致而得到的差动电流Icd为:

(4)

式中:IL为保护装置感知的穿越电流;ω为角速度。

若制动电流Izd=k×2IL,其中k为制动系数,如果满足式(5),则两侧装置启动后线路纵差保护就可能误动。

(5)

2 基于外部时钟源同步方法的特征分析

基于外部时钟源的同步方法对通道的收发路由一致性情况没有任何限制,如图2所示,只要通道收发正常,即可根据采样时刻与绝对时标的偏差进行采样同步。两侧保护装置分别在通道的数据缓冲区内寻找对应的同步点,当采样时刻和绝对时标的偏差ΔTs1和ΔTs2均趋向于0时,即可完成两侧数据的同步[10]。外部时钟体系同步方法需要借助外部的时钟同步信息(GPS或北斗),线路两侧保护装置在传输报文中分别加入当前的同步时钟信息,基于外部时钟源的同步方法,保护装置不需要计算通道时延,通过通信报文中的绝对时标即可完成两侧数据的同步。由于这种同步方法主要依赖于外部时钟源,当时钟源丢失时差动保护会相应退出,当时钟源故障时(两侧时钟失步),可能会导致保护装置的不正确动作。由于对外部时钟的强依赖性,这种方法目前很少应用于工程实际。

图2 基于外部时钟的采样同步Fig.2 Sampling synchronization based on external clock

3 基于电气量的同步校验方法

3.1 自适应异常差流监视

当采用内部时钟同步的差动保护且通道出现收发路由不一致时,或者当采用外部时钟源同步的差动保护且两侧时钟失步时,可能会导致差动保护不正确动作。一般情况下,可以利用保护装置实时计算的差流来反映通道的收发路由情况。目前异常差流的门槛一般采用定值整定的方式来进行判断,该定值难以整定,一般整定较为保守,灵敏度较低。为了提高检测的灵敏度和可靠性,本文提出了一种自适应异常差流监视方法。

对于高电压等级的长线路,保护装置的计算差流应等于线路上的电容电流。一旦保护装置计算的差流不等于电容电流,基本上可以判断发生了通道收发路由不一致的情况。

在线路空充带电的情况下,不需要借助通道计算差动电流,保护装置感受到的本侧电流即为线路的电容电流。利用此特性,保护装置通过识别线路两侧开关的位置来判断线路是否处在充电状态,当保护装置判断出一侧断路器在合闸位置、一侧断路器在分闸位置时,若此时电流呈现出容性电流特征,经过一段时间的确认,即可判断此电流为电容电流。从可靠性角度出发,在电容电流的基础上乘以一定的可靠系数(一般取1.2左右)作为异常差流的门槛,以达到差流门槛免整定自适应的目的。

3.2 基于线路两侧电气量的同步校验方法

图3 典型的π形等值模型Fig.3 A typical π-type model of transmission line

线路处在正常运行状态,当两侧保护装置完成数据同步,并通过本侧电流、电压推算到对侧的电压时,推算出的对侧电压和接收到的对侧同步电压应该保持在一个近似相等的状态[11]。

(6)

(7)

当满足相角差大于监视门槛,即α>αset的条件时,认为发生了两侧同步异常的情况,需要告警提醒运行人员检查通道(采用内部时钟的场合)或GPS、北斗对时(采用外部时钟的场合)。考虑到电流互感器(TA)传变特性、线路参数的可靠性及保护装置的计算精度,αset一般取5°～8°,可以保证判定通道收发不一致条件的可靠性,同时能够保证留取一定的容错度。

电气量监视同步校验方法仅在线路正常运行时投入,线路上存在故障或有异常时,自动退出电气量校验逻辑。

4 多维度自校正同步策略

本文在充分利用内部时钟同步时具有性能稳定、不受外部时钟干扰,以及外部时钟同步时具有不依赖于通道收发路由一致性的优势,同时辅以自适应异常差流监测及线路两侧电气量校正手段,提出了多维度相互校验的同步策略,可以有效防止出现通道路由不一致导致差动保护不正确动作的情况。

在内部时钟同步为主导的前提下,保护装置感受到通道路由不一致情况的判别条件如下:①保护装置监视差流大于异常差流的自适应门槛;②两侧电气量同步校验失败。其中条件①与通道路由的状态和线路参数无关,即使在通道路由收发不一致及线路参数不正确的情况下,也不会影响判据的准确性,可以作为条件②的补充,能够及时发现通道路由不一致的情况。

在内部时钟体系下,一旦判断出通道收发路由不一致后即开启自校正同步策略。

保护装置实时对判据①和②进行判断,并实时对两侧报文中的时钟信息进行校验,仅在内部时钟体系同步正确且电气量校验通过的条件下,如果线路两侧外部时钟偏差在可接受的范围以内,此时置外部时钟源可用标志作为后续使用外部时钟体系的必要条件之一。

如图4所示,保护装置一旦判断出通道收发路由不一致的情况,在经时延确认的外部时钟源信息可用的前提下,保护装置切换至外部时钟源进行同步采样,同时辅以异常差流和双端电气量判别条件。仅当外部时钟同步正确(两侧时钟偏差<50 μs)且电气量校验通过时,才投入差动保护功能,否则认为同步失败,退出差动保护。

图4 自适应自校正同步策略Fig.4 Adaptive self-correcting synchronization strategy

5 仿真分析

5.1 测试环境

模拟现场实际复用通道搭建图5所示的仿真环境,在PCS-931平台上完成了多维度自校正同步策略。

测试系统采用实际412 km的500 kV线路,线路参数见附录A表A1。线路电流差动保护装置分别采集线路两侧保护装置的电压电流及开关位置等信息,模拟线路正常运行,对时源1接收GPS同步时钟,对时源2接收北斗同步时钟。

图5 通道测试环境Fig.5 Channel testing environment

两侧保护装置通过光电转换成E1与SDH连接,SDH之间直接连接了两条通道时延不同的路由,通道1时延为100 μs,通道2时延为2 000 μs。SDH设备具有通道保护功能,能够进行通道路由切换,可以形成通道收发路由不一致的情况。

5.2 通道收发路由一致

保护装置运行在通道1,连接保护装置的通道收发路由一致,保护装置利用内部时钟同步后计算的差动电流基本为零、双端电压相量偏差在可接受范围以内,同时两侧同步报文的绝对时钟偏差在差动保护计算的可接受范围内,保护装置置外部时钟可用标志,两侧保护装置始终处在内部时钟同步体系内。相关同步指标详见附录A表A2。

5.3 通道收发路由不一致

人为模拟通道1单方向故障,此时SDH的重路由将路由切换至通道1和通道2跨接的情况,此时的通道路由不对称达到950 μs。

在内部时钟体系同步不开启自校正同步策略的情况下,通道收发路由不一致时的电压相量及同步评判结果见附录A表A3。

出现通道收发路由不一致时,经本侧电压推算出的对侧电压和实际上保护装置接收到的对侧同步电压的偏差达到19.8°，大于判别门槛5°，保护装置判别出可能出现了通道收发路由不一致的情况。

开启自校正同步策略后,两侧保护装置按照外部时钟源进行数据同步,同步后保护装置感受到的差动电流接近于0,保护装置收到的按外部时钟源同步的对侧同步电压和本侧推算的同步电压稳定在1°范围以内。

6 结语

基于内部时钟体系的电流差动保护方法因其可靠性已被普遍使用。试验验证表明,本文提出的基于多维度的差动保护自校正同步策略能够提高基于内部时钟体系的电流差动保护的抗通道收发路由不一致的能力,同时随着对时系统的发展,尤其是基于北斗的对时系统的发展,基于外部时钟源的对时系统能够提高目前差动保护的可靠性。本文提出的具有自校正同步策略的线路电流差动保护在多条线路均有试点运行,目前运行情况良好。

本文提出的基于多维度的差动保护自校正同步策略中的电气量判据依赖于均匀参数的输电线路,对于非均匀参数的输电线路,基于电气量识别同步的方法会存在较大误差,可以作为后续进一步的研究方向。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Multi-dimensional Cross-checking Based Self-correcting Synchronization Strategy for Line Current Differential Protection

XUXiaochun1,QIUYutao2,ZHAOPing3,XUHua3,LIHao3,ZHOUZaibing3

(1. NR Electirc Co. Ltd., Nanjing 211102, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China; 3. Taizhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Taizhou 318000, China)

In view of the inner-clock synchronization method normally used in the line current differential protection, the possibility of differential protection mal-operation is analyzed when there is an inconsistence of the sending and receiving routing in measuring the channel delay based on the Ping-Pong theory. By combining the synchronization criteria of the electrical variables on both sides of the line, an adaptive abnormal differential current monitoring method is proposed for identifying the synchronization abnormality in the line current differential protection. A self-correcting synchronization strategy is then given which combines the inner-clock system, external clock system and electrical variables criteria. The strategy is able to automatically realize the synchronization status identification and improve the capability in solving the routing inconsistency of differential protection. Testing results show that the proposed multi-dimensional cross-checking based self-correcting synchronization strategy can increase the robustness of line differential current in the routing inconsistency situation.

differential protection; inner clock system; external clock system; self-correcting; routing inconsistency

2017-01-04;

2017-06-14。

上网日期: 2017-07-21。

徐晓春(1984—),男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E-mail： xuxc@nrec.com

裘愉涛(1967—),男,高级工程师,主要研究方向:继电保护和安全自动装置。

赵 萍(1963—),女,高级工程师,主要研究方向:继电保护和安全自动装置。

(编辑 章黎)