基于电压突变量的差动保护同步方法研究

朱 征，黄冰飞，邹晓峰，姜 琳，韦岩阳

基于电压突变量的差动保护同步方法研究

朱 征1，黄冰飞2，邹晓峰1，姜 琳2，韦岩阳2

(1.国网上海市电力公司，上海 200437；2.上海欣能信息科技发展有限公司，上海 200025)

随着基于无线通道的配网差动保护被引入配电网，需要解决的关键技术之一即是两端故障数据的同步问题。基于保护启动时刻电压突变量的同步方法可以在不增加额外设备的情况下实现数据同步，但对该方法的同步精度和适用范围尚缺乏必要的理论分析和验证。通过叠加原理研究了多相故障情况下基于电压突变量的差动保护同步原理，并进一步分析了故障启动门槛、采样频率、故障初始角、谐波和各侧装置采样时刻不同对同步误差的影响，并进行了相关模拟仿真测试。结果表明，取5%的电压额定值作为启动门槛，采用每周波240点采样，能确保各侧装置在线路多相故障时启动时刻的同步误差小于30°，从而满足配网差动保护的同步要求。

差动保护；电压突变量；同步

0 引言

差动保护具有固有的选择性[1]，已广泛应用于主网线路保护。随着分布式能源的逐步推广，在“3060”双碳目标下，分布式能源建设进入井喷模式后，提升配网保护选择性迫在眉睫。将线路差动保护应用于配网是提升保护选择性的有效手段。

线路差动保护要求两侧采样同步，并通过高速通道将采样值传送到对侧[2-6]。主网线路结构简单，线路差动保护通常采用专用光纤或复用SDH[7-10]信道进行点对点通信。专用光纤或复用SDH信道路径固定，双向传输时延相同，采用乒乓原理测定通道时延，经时延补偿调整从机侧采样时刻，可以实现各侧差动保护同步采样[2]。

配网网架结构复杂，改造频繁，无法采用点对点光纤通信。无线通信技术，特别是4G专网[11-12]和5G[13-18]通信技术的发展，通信带宽和传输速率已能基本满足差动保护的相关要求，但其双向传输时延不一致，无法通过乒乓原理[2]实测通道单向时延，各侧差动保护装置无法通过时延补偿实现同步采样。部分厂家开发了基于外部同步脉冲的配网差动保护，但其可靠性依赖于外部时钟[19-21]；部分学者研究了不依赖于外部时钟的同步方案，如电流故障数据自同步原理[22-23]。对于区内故障，要求线路两侧均有电源提供故障电流，并且同步误差受电源大小、不同故障角等影响较大，适用性相对较差。

本文研究了用故障电压突变量确定故障启动时刻的可行性，包括分析其启动灵敏度、采样频率、故障初始角、谐波和各侧装置采样时刻不同对启动同步误差的影响，并进行了相关模拟仿真测试。

1 原理

图1 故障分量下的等效电路图

故障点的电压为

对于相间故障，按弧光电阻压降为5%的额定电压校核灵敏度，线路在变电站出口处的电压突变量最小，测量点m的电压突变量为

2 误差分析

2.1 启动门槛引起的误差

将式(5)代入式(4)，得

由式(6)可知，测量点离故障点越远，越大，出口处电压启动元件灵敏度越低。取110 kV变电站主变容量为31.5 MVA，短路比为16.7，对应的短路阻抗为。为了简化计算，系统侧视为无穷大电源，系统阻抗归算为变压器阻抗，取。取10 kV架空线路每公里的单位阻抗为。在架空线路12.755 km处，即处发生金属性故障，故障初始角，变电站出口处电压变化量波形如图2中红色曲线所示。图中蓝色、绿色曲线分别对应为0.05和0.1处的电压变化量波形。

图3为不同启动系数和线路分段长度时电压启动角度差，其中横轴对应不同，纵轴为线路分段两侧启动角度差。由上而下的9条曲线对应启动系数从0.09到0.01。由上述曲线可知：同一灵敏系数下，随着(即线路分段长度)的增加，线路分段两侧的启动角度差趋于稳定；线路分段较长的情况下，两侧装置的启动角度差主要由启动系数决定，系数越小，角度差越小，，即使，两侧启动角度差也才27.29º。

2.2 故障初始角引起的误差

将式(4)离散化，即

为防止干扰引起电压突变量误启动，设定电压突变量连续三点大于启动门槛后才确认故障发生，并将连续三点启动的第一点对应的时刻取为故障发生时刻。

图4 离散电压突变量曲线

2.3 采样离散误差

2.4 谐波引起的误差

由于故障瞬间有大量的高次谐波，实际应用中，加低通滤波器滤除高次谐波，以消除其对电压启动元件的影响。

低通滤波器包括保护装置采样回路的RC滤波、数字低通滤波器等。故障电压在加低通滤波器前后的波形如图5所示。

图5 故障电压加低通滤波器前后波形图

图5中红色曲线为未经低通滤波器滤波的故障电压波形，含有大量的5次谐波。蓝色曲线为经低通滤波器滤波后的故障电压波形。对滤波前后的电压用傅立叶变换进行频谱分析，其基波和5次谐波随时间变换的结果如图6所示。

图6 故障电压频谱分析图

3 仿真测试

3.1 仿真模型

用ATP建模仿真，仿真模型如图7所示。

图7 仿真模型

由2.1节分析结果可知，启动门槛越低，由此引起的同步误差越小，考虑门槛太低容易引起误启动，本方案拟采用5%的额定电压作为启动门槛。由2.4节分析可知，采用低通滤波器后能滤除大部分高次谐波，其对启动判据的影响基本可以忽略不计。因此仿真测试主要集中于不同采样频率和不同故障初始角对同步误差的影响。

3.2 采样离散误差测试

采样离散误差的测试涉及两个方面：首先是如何模拟两侧装置在同一采样频率下采样时刻不一致引起的误差；其次再测试不同采样频率对同步误差的影响。

变电站出口处3个相间电压突变量波形如图8所示，红色、蓝色和绿色曲线分别对应AB、BC和CA相间电压，500和-500为对应的启动门槛。3个相间电压突变量对应的启动时刻分别为第67、70、73个采样点。

图8 每周波24点采样下的变电站出口电压波形图

长度为3 km和1 km的线路分段末端电压启动时刻分别如图9和图10所示。

图9 每周波24点采样分段长度3 km处电压启动时刻

图10 每周波24点采样分段长度1 km处电压启动时刻

图中横轴为末端采样时刻和始端采样时刻之间的误差，0对应两侧在同一时刻采样，-20表示末端比始端早0.2个采样间隔，否则为晚0.2个采样间隔，纵轴为启动时刻的采样点。由图9可以看出，三相最快的为末端相对超前情况下的采样时刻，最快启动时刻为第66采样点，比始端最快时刻快1个采样点，对应15º。若线路分段长度缩短到1 km，大部分情况两侧同一时刻启动，当末端滞后采样时，最大启动时刻误差为一个采样点，对应15º。

若采用24点采样，比较3 km和1 km线路分段长度两侧的同步误差最大为2个和1个采样间隔，无法体现是采样点的量化误差，还是两侧装置采样时刻不同对最终启动同步的影响大。为此，提高采样频率到每周波240点，进行类似的仿真，如图11—图13所示。

变电站出口处3个相间电压突变量对应的启动时刻分别为第667、691、721个采样点，如图11所示。

图12、图13分别表示长度为3 km和1 km的线路分段末端电压启动时刻，随着两侧装置采样时刻偏差逐步由超前向滞后变化，电压启动时刻逐步往后。其中横轴为末端采样时刻和始端采样时刻之间的误差，纵轴为启动时刻的采样点，对于3 km线路分段，最快启动时刻在663采样点处，两侧最大误差为4个采样点，对应6º。对于1 km线路分段，最快启动时刻在665采样点处，两侧最大误差为2个采样点，对应3º。若末端采样点滞后，两侧同步误差减少1个采样点。

图11 每周波240点采样变电站出口电压波形图

图12 每周波240点采样分段长度3 km处电压启动时刻

图13 每周波240点采样分段长度1 km处电压启动时刻

3.3 故障初始角误差测试

表1 不同故障角各种故障两侧同步误差

测试显示，对于三相故障，两侧最大同步误差为5个采样点，对应7.5º。对于两相或两相接地故障，电压瞬时值较大时发生故障，两侧最大同步误差最小只有4个点，对应6º；随着故障瞬间电压瞬时值逐步减小，两侧同步误差逐步增大，最大有16个点，对应24º，符合理论分析。

4 结论

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A synchronization method of differential protection based on sudden change of voltage

ZHU Zheng1, HUANG Bingfei2, ZOU Xiaofeng1, JIANG Lin2, WEI Yanyang2

(1. State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200437, China;2. Shanghai Shineenergy Information Technology Development Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

With the introduction of wireless channel-based distribution differential protection into the distribution network, one of the key techniques to be developed is the synchronization of fault data at both ends. The method of synchronization based on the voltage surge at the time of protection activation can achieve data synchronization without adding additional equipment. However, there is a lack of the necessary theoretical analysis and verification of the synchronization accuracy and applicability of this method. In the paper, the synchronization principle of differential protection based on voltage mutation under multiphase fault conditions is studied using the superposition principle. The effects of different fault initiation threshold, sampling frequency, fault initial angle, harmonics and sampling moment of each side device on the synchronization error are further analyzed. A simulation test is carried out through ATP modeling, and the results show that taking 5% of the voltage rating as the starting threshold and using 240 sampling points per wave can ensure that the starting synchronization error of each side device is less than 30°, thus satisfying the synchronization requirement of distribution network differential protection.

differential protection; voltage sudden change; synchronization

10.19783/j.cnki.pspc.211480

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 52094020000Y).

国家电网公司总部科技项目资助(52094020000Y)；国网上海市电力公司科技项目资助(52094019006B)

2021-11-02；

2022-02-10

朱 征(1966—)，男，学士，高级工程师，研究方向为电力系统自动化；E-mail: zhuz@sh.sgcc.com.cn

黄冰飞(1983—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电网运行与控制；E-mail: huang_bingfei@sh.sgcc.com.cn

邹晓峰(1985—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。E-mail: unisamuel@hotmail.com

(编辑 许 威)