基于故障选相的三端测距方案研究

赵剑松 葛建伟 李文正 董新涛 苏亚昕 邓茂军

摘要：三端线路有其自身结构的特殊性，应用时存在诸多问题。现针对三端线路区外故障CT易饱和、三端采样不同步、故障测距不准确等问题进行了分析，并提出了解决方案。特别是基于故障选相的测距方案，已成功应用于线路保护装置，通过了国网电科院和开普的RTDS仿真测试验证，测距结果满足测距精度要求。

关键词：差动保护;易饱和;采样不同步;故障测距

1 差动区外故障问题

目前动模CT饱和线性度最短按3.3 ms进行试验，因此可利用时差法在3.3 ms内进行区内外判别，区外故障CT饱和，判为区外后会存在差流，由于差流保持，差动不开放，但此时如果再发生区外转区内故障，由于差流仍然存在，则闭锁差动，所以需要增加饱和开放判据来解决区外饱和转区内故障时差动保护闭锁的问题。饱和开放判据需考虑区外饱和时不误动，同时区外饱和转区内故障时开放，使差动保护动作。

本文采用了虚拟制动电流的原理，对一个周波内差流采样24个点，将虚拟0.2倍差流最大值作为制动电流低门槛，虚拟0.5倍差流最大值作为制动电流高门槛，同时统计一个周波内差流大于此门槛值的个数M>N1（低门槛采样点数），且M>N2（高门槛采样点数），差动保护开放，否则闭锁。在有直流分量的情况下，虚拟制动电流的方案可能不开放，因此还增加了微分饱和开放判据，对一个周波内差流进行微分，将虚拟0.2倍的差流微分最大值作为制动电流低门槛，将虚拟0.5倍的差流微分最大值作为制动电流高门槛，同时统计一个周波内差流微分值大于此门槛的个数M1>S1（微分低门槛采样点数），且M1>S2（微分高门槛采样点数），差动保护开放，否则闭锁。判据如下式所示：

式中：Iop（k）为一个周波内每个采样点的差动电流值;Iopmax为一个周波内差动电流最大值;N1为原始值低门槛;S1为微分值低门槛;N2为原始值高门槛;S2为微分值高门槛。

微分饱和开放判据受高频分量的影响较大，在有高频分量的情况下，微分饱和开放判据容易开放，导致差动保护误动作。对于转换性的区内故障或单端电源区外故障饱和，差流饱和段出现较大间断角时，上述两种虚拟制动电流方案和微分饱和开放判据都有可能不开放，因此又增加了差流点差饱和开放判据，此判据如下：

式中：Iop（k）为一个周波内每个采样点的差动电流值;Iop为计算得到的差流;Ires为计算得到的制动电流;Icd为差动动作定值。

若24个采样点中满足式（3）和式（4）判据的点数大于G（门槛值），则差动保护开放，否则闭锁。

2 同步调整问题

2.1    主从定位

三端线路互联时，整定三侧装置识别码，确定识别码最大的装置为主侧，两个从侧均对主侧进行调整，两个从侧之间不进行调整，从而实现三侧装置同步;若三侧互联装置之间有一对光纤断链，则固定认为两侧光纤通信正常的装置为主侧，若三侧互联装置之间有两对及以上光纤断链，则不进行同步调整，差动保护闭锁。

2.2    乒乓算法

确定主侧后，对两从侧装置进行同步调整，采用采样序号和采样时刻调整相结合的方法。对主从两侧装置采样序号差进行判断，若连续6次两端采样序号差固定不变，则认为两侧采样稳定，然后对采样时刻进行调整。从侧装置根据乒乓算法计算出采样延时和采样时刻偏差ΔTs。

如图1所示，采样时刻和采样延时计算方法如下所示：

式中：n2为离从端接收到主端发送过来的数据帧最近的采样序号;n1为从端发送数据帧的采样序号;t1为从端接收采样序号为n1的报文时刻与最近采样序号发送时刻之差;t2为主端接收采样序号为n1的报文时刻与发送时刻的时间差;T为采样时间间隔。

2.3    采样时刻调整

对于常规站装置，保护CPU计算采样时刻偏差ΔTs，可通过改变自身的采样间隔来调整采样时刻。若0<ΔTs<100，每次将采样间隔延后1 μs，总共调整ΔTs/1 μs次，可使采样时刻同步。若ΔTs<0，每次将采样间隔提前1 μs，总共调整ΔTs/1 μs次，可使采样时刻同步。

对于智能站装置，由于合并单元1 s钟发送4 000帧数据给过程層NPI插件，一个周波内采样80个点，保护CPU需对NPI进行重采样，从80个点抽取24个点进行保护计算。在同步调整过程中，保护CPU和NPI插件需要采样同步，保护CPU通过FPGA每秒产生一个虚拟同步脉冲，保护CPU和NPI插件均以此脉冲作为采样序号为0的采样起始时刻，随后各自按相同的采样间隔T进行采样，这样就实现了保护CPU和NPI之间的同步采样。保护CPU计算出采样时刻偏差ΔTs后，调整方法和常规装置一致。

3 故障测距问题

3.1    基于故障选相的故障支路识别

当T接线路发生短路故障时，如果是单相故障，故障选相结果为单相，此时根据各侧零序电压、电流分量计算T点零序电压;发生相间及三相故障时，故障选相结果为多相，此时根据各侧正序电压、电流故障分量计算T点正序电压故障分量。

式中：Ut0.m、Ut0.n、Ut0.s为从M端、N端、S端计算T点零序电压;Ut1.m、Ut1.n、Ut1.s为从M端、N端、S端计算T点正序电压故障分量。

线路正常运行或T点发生故障时，则三侧计算出的T点电压接近相等。如果某条支路发生短路，则由故障支路计算出的电压与由另两条正常支路计算出的电压不等。当发生单相故障时，选相结果为单相时比较式（7）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到识别故障支路的条件;如果是多相故障，选相结果为多相，则比较式（8）中的ΔUmn、ΔUms、ΔUsn可以得到识别故障支路的条件。当这3个量最小值为ΔUmn时，判断故障支路为ST;当3个量最小值为ΔUms时，判断故障支路为NT;当3个量最小值为ΔUsn时，判断故障支路为MT。若ΔUmn≈ΔUsn≈ΔUms，则故障点发生在T节点，取三值均小于1 V，任两电压差为0.5 V，判为T节点故障。

3.2    基于故障选相的测距方案

故障支路识别出来之后，假设故障发生在MT分支线路，如图2所示。

当选相结果为单相时，采用零序分量计算T节点的零序电压为：

由N侧和S侧计算T节点的电流为：

再由双端测距方法计算出故障点M侧的距离为：

式中：Zmt为线路MT的单位阻抗;Lmt为线路MT的总长度，线路长度整定为线路MN、MS、NS的全长，此时N侧和S侧计算的距离分别为：

当发生多相故障，选相结果为多相，采用正序突变量分量计算T节点的正序电压：

由N侧和S侧计算T节点的电流：

再由双端测距方法计算出故障点到M侧的距离为：

线路长度整定为线路MN、MS、NS的全長，此时N侧和S侧计算的距离分别为式（12）和式（13）中计算的LNF和LSF的值。

4 动模仿真及测距结果

本方案通过南京国网电科院和开普的动模测试，动模系统仿真如图3所示。M侧和N侧装置为常规装置（型号：WXH-813T-G），S侧为智能站装置（型号：WXH-813T-DA-G），MT线路长度为75 km，NT线路长度为75 km，ST线路长度为25 km，测距结果如表1所示。

由表1实测数据，经计算测距最大误差为0.8%，最小误差为-0.4%，满足测距精度2.5%的要求，不管故障点在哪条支路上，经不经过渡电阻，测距结果均满足要求。仿真测距结果验证了基于故障选相的故障测距方案的可靠性。

另外还进行了互感器饱和等试验，区外饱和转区内故障时，饱和开放判据满足，保护均能可靠动作，区外故障时，保护不误动。

5 结语

本文针对T接线路区外故障CT易饱和、采样不同步、故障测距不准确等问题，分别提出了降低比率制动系数、增加饱和开放判据、增加同步调整方案、增加基于故障选相的测距方案等方法来解决以上问题。特别是基于故障选相的测距方案，通过动模仿真验证了测距方案的可靠性。该测距方案对多端线路也同样适用，首先根据选相结果采用不同的电压分量进行故障支路判别，然后再进行故障点的测距计算，具有广泛的应用前景。

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收稿日期：2020-07-22

作者简介：赵剑松（1985—），男，湖南娄底人，硕士，工程师，研究方向：电力系统继电保护。