一种基于自适应比率制动曲线的差动保护方法与流程

本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地涉及一种适用于微机保护的自适应比率制动曲线的差动保护方法。

背景技术：

电流差动保护原理基于基尔霍夫电流定律，反映于被保护元件的流入电流与流出电流之差而动作，不但能够正确区分区内区外故障，而且不需要与其他保护相配合，可以无延时地切除区内各种短路故障，因而被广泛地用作各种元件的主保护。

差动保护中通常采用带折线的比率制动特性，最基本的是二折线制动特性。二折线制动特性由无制动性的水平段和具有制动性的斜线段组成，水平段的设置是为了防止测量电流较小时保护的误动，斜线段的设置使得保护的动作门槛值随着制动量的增大而增大，一方面保证保护在外部故障时不误动，同时也确保了保护在内部故障时的灵敏度。

实践表明，二折线特性差动保护在发电机、输电线路等元件上的应用获得了很好的效果，但将其应用在变压器上时出现了一些问题：受恢复性涌流和电流互感器(CT)传变误差的影响，二折线特性差动保护在外部故障切除后的误动现象时有发生。为了提高变压器差动保护在外部故障切除后的防误动能力，工程上经常采用制动性较强的三折线特性，三折线特性由三段折线组成，每段折线都具有制动性。

三折线制动特性可以很好地解决外部故障切除后保护的误动问题，但却带来了变压器内部轻微匝间故障时灵敏度低的副作用。事实上，对于常规变压器差动保护(二折线特性、三折线特性)来说，外部故障切除后的安全性和内部轻微匝间故障的灵敏度是相互矛盾的，提高一个指标要以牺牲另一个为代价。二折线特性的水平段确保了变压器内部轻微匝间故障的灵敏度，但却使保护在外部故障切除时易误动；三折线特性虽然使得保护具有较高的安全性，却降低了灵敏度。鉴于变压器在电力系统中的重要作用，研究兼顾保护安全性和灵敏度的差动保护方案具有很大意义。

技术实现要素：

常规变压器差动保护采用单一的比率制动曲线，其外部故障切除后的安全性和内部轻微匝间故障时的灵敏度相互矛盾，加强一个指标要以牺牲另一个为代价，为了兼顾变压器差动保护的安全性和灵敏度，本发明公开了一种基于自适应比率制动曲线的差动保护方法。

本发明具体采用如下的技术方案。

一种基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，所述差动保护方法用于变压器的差动保护，其特征在于：

当变压器任一侧相电流突变量满足相电流突变量启动判据后，差动保护在设定时间T₁内投入二折线制动特性判据；T₁时间后，退出二折线制动特性判据，投入三折线制动特性判据。

其中，二折线制动特性判据为：

I_d＞I_dset I_r≤I_rset

I_d＞K(I_r-I_rset)+I_dset I_r＞I_rset

式中：I_d为差动电流，I_r为制动电流，I_dset为差流门槛值，I_rset为制动电流拐点值，K为比率制动系数；

三折线制动特性判据为：

I_d＞K₁I_r+I_dset I_r≤I_rset1

I_d＞K₂(I_r-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset1＜I_r≤I_rset2

I_d＞K₃(I_r-I_rset2)+K₂(I_rset2-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset2＜I_r

式中：K₁、K₂、K₃分别为三折线制动特性第一、二、三段折线的比率制动系数，I_rset1、I_rset2分别为第一、第二个制动电流拐点值。

预设的时间定值T₁的取值范围为20ms～40ms。K₁<K₂<K₃。

进一步，比率制动系数K的取值范围为0.5～1，比率制动系数K₁的取值范围为0～0.3，比率制动系数K₂的取值范围为0.5～0.7，比率制动系数K₃的取值范围为0.7～1。

一种基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于，所述差动保护方法包括如下步骤：

步骤1：对变压器各侧的三相电流以预定的采样速率进行采样，并存储在数据区中；

步骤2：对采样得到的各侧相电流瞬时值计算得到各侧相电流相量值，并分别计算三相的差动电流和制动电流；采用全周傅式算法分别计算各相电流相量值，并分别计算三相的差动电流和制动电流。

步骤3：对采样得到的各侧相电流瞬时值进行突变量计算判断是否满足相电流突变量启动判据，当任意侧相电流突变量连续m次大于启动门槛时，则满足相电流突变量启动判据，保护启动，并执行步骤4；若任意侧相电流突变量均不满足相电流突变量启动判据，则返回步骤1；

步骤4：相电流突变量启动判据启动瞬间计时器开始计时，在0≤t≤T₁时，差动保护投入二折线制动特性判据，将步骤2中计算所得的差动电流和制动电流代入二折线制动特性判据中，并判断是否满足差动保护动作条件，若满足动作条件，则保护动作跳闸，若不满足动作条件，则差动保护不动作；当t＞T₁时，差动保护退出二折线制动特性判据，投入三折线制动特性判据，将步骤2所得的差动电流和制动电流实时代入三折线制动特性判据，若满足动作条件，则差动保护跳闸；若不满足动作条件，则差动保护不动作；其中T₁为二折线制动特性的投入时间定值，其取值应大于保护所用算法的暂态过程时间、小于故障完全切除所需的最短时间。

步骤5：检测相电流突变量启动判据是否满足复归条件，若满足复归条件则保护整组复归，且步骤4启动的计时器清零；若不满足则从第四步开始执行。

本发明进一步包括以下优选技术方案：

前述的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于：以指向被保护变压器为正方向时，所述步骤2中差动电流、制动电流的计算公式如下：

式中：I_d为差动电流，为所有侧相电流之和；I_r为制动电流；为所有侧中幅值最大的相电流，为除最大相电流侧之外的其它侧相电流之和。

前述的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于：步骤3中所述的相电流突变量计算方法为：

式中：为相电流突变量，下标表示A、B、C三相，N为一周采样点数，(t-N)即指t点的1周前的采样值，(t-2N)即指t点2周前的采样值。

相电流突变量启动判据为：

式中I_Qd为突变启动门槛。

前述的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于：步骤4中二折线制动特性判据为：

I_d＞I_dset I_r≤I_rset

I_d＞K(I_r-I_rset)+I_dset I_r＞I_rset

式中：I_dset为差流门槛值，I_rset为制动电流拐点值，K为比率制动系数。

三折线制动特性判据为：

I_d＞K₁I_r+I_dset I_r≤I_rset1

I_d＞K₂(I_r-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset1＜I_r≤I_rset2

I_d＞K₃(I_r-I_rset2)+K₂(I_rset2-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset2＜I_r

式中：K₁、K₂、K₃分别为三折线制动特性第一、二、三段折线的比率制动系数，I_rset1、I_rset2分别为第一、第二个制动电流拐点值。

前述的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于：步骤4中所述的二折线制动特性和三折线制动特性的逻辑配合关系是：以相电流突变量启动判据启动作为计时起点，在其启动后的T₁时间段内投入灵敏度较高的二折线制动特性，用以保证内部轻微匝间故障时的灵敏度，而T₁时间之后，退出二折线制动特性，投入三折线制动特性，用来防止外部故障切除后保护的误动。

前述的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其特征在于：步骤5中相电流突变量启动判据的复归条件需要同时满足以下两点：

1)变压器任一侧相电流均不满足相电流突变量启动判据；

2)所配置的所有变压器保护均复归。

本发明的有益成果是：通过自适应地切换二折线制动特性和三折线制动特性，达到内部故障时利用灵敏度较高的二折线特性切除、外部故障切除后利用制动性较强的三折线特性防误动的目的。该方法选用具有丰富运行经验的二折线特性和三折线特性作为判据的组成部分，两种特性的优点互为补充。该方法简单可靠，易于实现，能够兼顾变压器差动保护的灵敏度和安全性，具有很大的工程应用价值。

附图说明

图1是本方法所采用的二折线比率制动曲线和三折线比率制动曲线示意图；

图2是本方法所提的基于自适应比率制动特性曲线的差动保护方法流程图；

图3是各种情况下保护的动作点轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提出的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法同时采用安全性较高的三折线比率制动曲线和灵敏度较高的二折线比率制动曲线(如图1所示)，克服了常规差动保护只采用单一制动特性导致不能兼顾保护的灵敏度和安全性的缺点。两特性曲线的逻辑配合关系为：以相电流突变量启动判据的启动作为计时起点，T₁时间内保护自动投入灵敏度较高的二折线制动特性，用以灵敏地切除变压器内部故障，包括内部轻微匝间故障；T₁时间后，保护自适应地退出二折线制动特性，投入制动性较强的三折线特性，用来防止外部故障切除导致的保护误动。

本申请公开的基于自适应比率制动曲线的差动保护方法，其具体流程图如图2所示，实现步骤如下：

第一步，对变压器各侧的三相电流以预定的采样速率进行采样，并存储在数据区中。

第二步，对采样得到的各相电流瞬时值进行以下计算：采用全周傅式算法分别计算各相电流相量值，根据变压器变比和绕组接线形式对所得的各相电流相量值进行幅值校正、相位校正，并根据校正后的相量值分别计算三相的差动电流I_d和制动电流I_r。在变压器差动保护中，差动电流和制动电流的计算为本领域技术人员所熟知，现有技术中的变压器差动电流和制动电流的计算包含在本申请的技术方案中，为了详细介绍技术方案，在本申请的实施例中以以下计算公式为例：

式中：I_d为差动电流，为所有侧相电流之和；I_r为制动电流；为所有侧中幅值最大的相电流，为除最大相电流侧之外的其它侧相电流之和。

第三步，对采样得到的各相电流瞬时值进行突变量计算，判断是否满足相电流突变量启动判据，当任意相电流突变量连续m次(m取值范围为3～5，本申请优选m＝4)大于启动门槛时，则满足相电流突变量启动判据，保护启动，并执行第四步；若任意相电流突变量均不满足启动判据，则从第一步开始执行。相电流突变量计算方法及启动判据如下：

式中：下标表示A、B、C三相，N为一周采样点数，(t-N)即指t点的1周前的采样值，(t-2N)即指t点2周前的采样值，I_Qd为突变启动门槛，取值范围为(0.15～0.25)I_N，本申请取0.2I_N，I_N为变压器各侧电流互感器的二次额定电流(1A或5A)。

需要说明的是，以上介绍的相电流突变量计算方法和启动判据只是本申请优选的实施例，是为了使读者更清楚、完整地理解本发明的技术方案，上述启动判据并非是对本申请技术方案的限制。事实上，现有技术中的相电流突变量启动判据形式很多，均可以结合或应用到本申请的步骤三中，例如：设定时间内的任意相电流突变量持续大于突变启动门槛，或者设定时间内大于预定比例的相电流采样值突变量大于突变启动门槛等形式。显然，本领域技术人员清楚，现有技术中的相电流突变量启动判据均可以应用到本申请中。

第四步，相电流突变量启动判据启动瞬间计时器开始计时，在0≤t≤T₁时，差动保护投入二折线制动特性，将第二步计算所得的差动电流和制动电流代入二折线特性判据中，并判断是否满足保护动作条件，若满足动作条件，则保护动作跳闸，若不满足动作条件，则保护不动作。当t＞T₁时，退出二折线制动特性，投入三折线制动特性，并实时检测由步骤2所得的差动电流和制动电流是否满足三折线制动特性判据，若满足，则保护跳闸；若不满足则保护不动作，T₁为二折线制动特性的投入时间定值，T₁的取值范围为20ms～40ms，本申请取30ms。

二折线制动特性判据如下：

I_d＞I_dset I_r≤I_rset (5)

I_d＞K(I_r-I_rset)+I_dset I_r＞I_rset (6)

式中：I_dset为差流门槛值，取值范围为(0.2～0.4)I_e，本申请实施例优选取值为0.3I_e，I_e为变压器高压侧额定电流；I_rset为制动电流拐点值，取值范围为(0.8～1)I_e，在本申请实施例中，此处取典型值I_e；K为比率制动系数，取值范围为0.5～1，本申请优选取值为0.6。

三折线制动特性判据为：

I_d＞K₁I_r+I_dset I_r≤I_rset1 (7)

I_d＞K₂(I_r-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset1＜I_r≤I_rset2 (8)

I_d＞K₃(I_r-I_rset2)+K₂(I_rset2-I_rset1)+K₁I_rset1+I_dset I_rset2＜I_r (9)

式中：K₁为第一段折线的比率制动系数，取值范围为0～0.3，本申请优选为0.2，K₂为第二段折线的比率制动系数，取值范围为0.5～0.7，本申请优选为0.5，K₃为第三段折线的比率制动系数，取值范围为0.7～1，本申请优选为0.7，I_rset1为第一个制动电流拐点值，取值范围为(0.4～0.8)I_e，本申请优选为0.6I_e，I_rset2为第二个制动电流拐点值，取值范围为(4～8)Ie，本申请优选为5I_e。

第五步，检测相电流突变量启动判据是否满足复归条件，若同时满足以下两点：

1)变压器任一侧相电流均不满足相电流突变量启动判据；

2)所配置的所有变压器保护均复归。

则保护整组复归且计时器清零，若不满足复归条件，则从第四步开始执行。

以下通过具体实例来阐明本发明的作用过程。

1、变压器发生一般性内部故障

变压器发生一般性内部故障时，故障电流较大，经计算差动电流I_d和制动电流I_r可知差动电流较大，制动电流较小，保护的动作轨迹大致位于图3上的区域A。

故障发生瞬间，相电流突变量启动判据启动，二折线制动曲线投入30ms时间，因保护的动作轨迹位于区域A中，差动保护能在30ms内迅速动作，此时无论投入的是二折线制动特性还是三折线制动特性，差动保护均能瞬时动作，但很明显，采用二折线制动特性时保护的灵敏度更高。

2、变压器内部发生轻微匝间短路

变压器内部发生轻微匝间短路时，由于故障电流并不是很大，对负荷电流的影响很小，因此此时的制动电流约为正常运行时的负荷电流，动作电流约在差流门槛值附近，动作轨迹大致位于图3的区域B。

突变量启动判据启动后的30ms时间内投入二折线制动特性，而区域B位于二折线制动特性的动作区，差动保护能立即动作，切除轻微匝间短路故障。

3、变压器外部故障

发生外部故障时，差动电流很小，动作电流很大，保护的动作轨迹大致位于图3上的C区；外部故障切除后，流过变压器的电流恢复成负荷电流，故制动电流在额定负荷电流附近，而差流由于受恢复性涌流和CT传变特性不一致的影响也有一定的数值，但数值不大，位于差流门槛值附近，此时的动作轨迹大致位于图3的区域B。

变压器外部故障发生时，突变量启动判据启动后的30ms内投入二折线制动特性曲线，由于此时保护的动作轨迹位于图3的C区，C区位于二折线制动特性的制动区，差动保护不动作；30ms后保护改投三折线制动特性(断路器动作、将故障电流切除的时间大于30ms)，而变压器外部故障切除后的保护动作轨迹位于图3的区域B，区域B位于三折线制动特性的制动区，差动保护不会误动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。