基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护方法与流程

本发明一种基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护方法，涉及输电线路的电流差动保护技术领域。

背景技术：

输电线路的电流差动保护可以利用线路两侧的电流值快速、可靠地区分本线路内部故障与外部故障，达到有选择、快速地切除线路的目的，故在电力系统中得到广泛的应用。电流差动保护需要将线路一侧的电流信息传到另一侧去，安装于线路两侧的保护对两侧的电流同时比较、联合工作，保护是否动作需要取决于安装在输电线路两端的装置联合判断结果。

随着智能电网的快速发展，电力系统与电力通信系统之间相互渗透并逐渐融合成高度集成的电力复合系统，因此电力系统的安全稳定运行还受到通信系统的影响。例如“9·28”意大利大停电事故，就是因通信系统故障导致网络通信阻塞、预警系统出现问题，引起了连锁反应。(李满礼.通信延时/误码引起纵联差动保护风险分析[d].南京邮电大学,2015.)。又如2003年南方电网的某条500kv输电线路发生故障时，其差动保护装置因光纤传输通道时延较大导致保护装置闭锁拒动。(林志波,赵建宁,李俊华,等.影响光纤保护正常运行的若干原因分析[j].电力自动化设备,2004,24(1):98-100.)。如果通信系统出现问题必然会危害电力系统安稳稳定运行。

光纤通道传输质量高，一般状况下，光纤通信传输误码率低，使得发端保护设备发送的信息经过传输到达收端时两端信息一致，不会出现减少以及增加内容的问题，故光纤通信应用广泛。(鞠磊.试析光纤通信技术在继电保护中的应用[j].中国新技术新产品,2018(21):37-38.)但整个通信网络传输的采样值数据总量大，保护状态量较多，实时性强，本身占用不小的带宽，再加上故障时刻的测量值骤增，且要求以较短的时间间隔重复传输，这将导致信息容量所需带宽急剧增大，严重时容易导致信息阻塞，影响差动电流保护的性能。

技术实现要素：

针对目前的电流差动保护存在通信流量较大，故障识别容错性能不强等问题。为了降低区域保护系统对差动保护的通信约束，本发明提出一种基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护方法，来减小通信流量，增加信息的交流速度，减小延时从而提高保护速度。

本发明采取的技术方案为：

基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护方法，

步骤1：对线路两侧电流采样值进行0-1化重构。

步骤2：线路两侧信息交换编码，对量化的值进行编码打包，两端的保护通过保护中的数据处理单元和通信通道快速地进行信息交换。保护设备以南瑞rcs-931系列装置为例，该装置集数据采集、处理与收发单元和保护单元于一体。

步骤3：两侧仅交换0-1化重构的状态信息，基于状态信息量计算线路差动电流和制动电流；

步骤4：通过在数据窗下通过积分计算，得到动作量和制动量，基于动作量和制动量的比较，构成线路改进差动保护综合判据。

步骤1中，电流采样值的0-1化重构具体包括以下步骤：

步骤1.1：保护设备采集单元对电流进行a/d采样，将连续的电流信息离散化；

步骤1.2：离散化的电流采样点都是浮点数，利用公式将电流采样值重构，将正弦波形转换为方波，得到只包含-1、0、1的采样值，转换公式为：

其中，iset.0为比较阈值，iset.0＝0.01×in，in为电流正常运行时的额定值；i(n)、i′(n)分别为重构前、后的n时刻电流值。

步骤2中，线路两侧信息交换编码，采用两组双字对0-1重构后的电流值进行编码，能够明显减小保护通信量。其具体编码规则为：

规则1：将双字2*32个bit位分别对应一次通信传输信息序列，双字间信息互相校验，提高抗干扰性。

规则2：电流量化值为0，则第一组双字编码值为0，第二组双字编码值为0；

规则3：电流量化值为1，则第一组双字编码值为1，第二组双字编码值为0；

规则4：电流量化值为-1，则第一组双字编码值为0，第二组双字编码值为1；

双字编码组合，很容易实现电流量化值的识别，任意不对应变化均视为出现畸变。

步骤3中，差动电流和制动电流的计算，采用传统差动电流与制动电流的计算方法，将重构后的电流值进行差电流计算和和电流计算，公式为：

其中，id(n)为n时刻差动电流，ir(n)为n时刻制动电流，i′m(n)为0-1重构后m侧n时刻的电流值，i′n(n)为0-1重构后n侧n时刻的电流值。

步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：通过取固定数据窗下差动电流、制动电流进行求和，构成新的差动量i′d(n)与制动量i′r(n)，将一定长度数据框里的差动电流和制动电流的累加值，作为保护判据的比较量，使得某一点或某几点采样值出现偏差时对差动量和制动量的大小关系不会有变化，从而并不会影响最终保护的动作情况，增加了故障识别的容错性。

设j为数据窗起始点，j为数据窗长度(数据窗推荐选择半波数据窗)，求和公式为：

步骤4.2：基于两折线式差动保护原理，构建“0-1”二次量化变换的纵联电流差动保护判据：

式中，k为比率制动系数，一般取0.4-0.7；idset.0为最小动作电流定值，由于差动电流和动作电流通过“0-1”重构，该定值也需要相应调整，考虑到测量误差已经被直接定义为“0”状态值给忽略，该定值一般取3-5即可。

本发明一种基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护方法，有益效果在于：

1)、在保证保护性能的前提下，设置比较阈值将电流采样中的浮点数二次变换为只包含“0、1、-1”的状态量，形成新的电流波形，进行通信编码用于信息传输，取一定长度的数据窗内对电流值进行求和来构建新的差动保护动作量及制动量，利用比率式差动保护构建保护新判据。

2)、该方法在满足纵联保护可靠性的前提下，减少系统两侧纵联通信量，提高保护动作时间。能够明显减小保护通信量，减小延时从而提高保护速度。

3)、本发明只需要利用电流差动保护现有的硬件设备，不需要增加新的装置，工程实用性强。

4)、通过对重构后的电流值重新进行编码，大大减少通信量，提高信息传输速度，减少保护延时。

5)、该保护方法的可靠性高，容错性高，抗干扰能力强。

6)、该保护方法原理简洁，可靠，且能够明显减小保护通信量，应用在基于广域信息的继电保护工程上容易实现。

附图说明

图1(a)为正常运行以及区外故障电流波形图；

图1(b)为区内故障电流波形图；

图1(c)为0-1化重构后的正常运行以及区外故障电流波形图；

图1(d)为0-1化重构后的区内故障电流波形图；

图1(e)为动作特性图。

图2(a)为正常运行以及区外故障离散波形图；

图2(b)为区内故障离散波形图。

图3(a)为正常运行以及区外故障离散波形图(m侧离散)；

图3(b)为正常运行以及区外故障离散波形图(n侧离散)。

图4(a)为区内故障离散波形图(m侧离散)；

图4(b)为区内故障离散波形图(n侧离散)。

图5(a)为正常运行以及区外故障0-1重构电流波形图(m侧0-1重构)；

图5(b)为正常运行以及区外故障0-1重构电流波形图(n侧0-1重构)。

图6(a)为区内故障0-1重构电流波形图(m侧0-1重构)；

图6(b)为区内故障0-1重构电流波形图(n侧0-1重构)。

图7(a)为波形采样量化图。

图7(b)为波形采样量化数据通信编码图；

图8(a)为正常运行以及区外故障差动电流波形图；

图8(b)为正常运行以及区外故障制动电流波形图。

图9(a)为区内故障差动电流波形图；

图9(b)为区内故障制动电流波形图。

图10为数据窗选取示意图；其中，1-斑驳数据框，2-全波数据框，3-窄数据框。

图11为pscad模型图。

图12(a)为区外故障动作量与制动量对比图；

图12(b)为区内故障动作量与制动量对比图。

具体实施方式

基于0-1化重构电流采样值的输电线路电流差动保护新方法，其保护原理框架如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)所示，具体包括以下步骤：

步骤1：区内外故障时，输电线路两侧电流波形分析。图2(a)为线路mn正常运行或发生区外故障时两侧电流波形，两侧电流大小相等、方向相反。图2(b)为线路mn发生区内故障时两侧电流波形，流经线路两侧的故障电流接近同相位。

步骤2：通过保护设备采集单元对电流进行a/d转换，实现对模拟电流进行离散化数字采样；假设每个周期采样n个采样值，即在正弦波形上每间隔取一个点。

图3(a)、图3(b)为正常运行或区外故障离散波形图。其中，图3(a)为m侧离散后得到的波形图，图3(b)为n侧离散后得到的波形图。

图4(a)、图4(b)为区内故障波形，其中，图4(a)为m侧离散后得到的波形图，图4(b)为n侧离散后得到的波形图。

步骤3：对离散化的采样电流值进行“0-1”二次重构量化，得到新的电流波形，重构化方程为

其中，iset.0为比较阈值，iset.0＝0.01×in，in为电流正常运行时的额定值；i(n)、i′(n)，分别为重构前、后的n时刻电流值。

图5(a)、图5(b)为正常运行或区外故障0-1重构电流波形，其中，图5(a)为m侧0-1重构后波形，图5(b)为n侧0-1重构后波形。

图6(a)、图6(b)为区内故障0-1重构电流波形，其中，图6(a)为m侧0-1重构后波形，图6(b)为n侧0-1重构后波形。

步骤4：将重构后的电流值进行两组双字编码，如果电流量化值为0，则第一组双字编码值取0，第二组双字编码值取0；如果电流量化值为1，则第一组双字编码值取1，第二组双字编码值取0；如果电流量化值为-1，则第一组双字编码值取0，第二组双字编码值取1。两组编码组合，可以很容易实现电流量化值的识别。假如，当前测量电流离散化每周波24点采样，对图7(a)所示波形进行编码，波形采样量化后数据通信编码结果如图7(b)所示。

步骤5：当m侧编码完成后，将信息通过通信通道发送至n侧；同时，等待接收n侧发过来的同步信息。

步骤6：采用传统差动电流与制动电流的计算方法，分别计算出0-1重构后的差动电流和制动电流，公式为：

其中，id(n)为n时刻差动电流，ir(n)为n时刻制动电流，i′m(n)为0-1重构后m侧n时刻的电流值，i′n(n)为0-1重构后n侧n时刻的电流值。

图8(a)、图8(b)为正常运行以及区外故障情况，由图8(a)可知，当系统发生区外故障时，重构后的差动电流全部为0，由图8(b)可知，制动电流大部分值为2。

图9(a)、图9(b)为区内故障情况，由图9(a)可知，当系统发生区内故障时，重构后的差动电流大部分值为2，由图9(b)可知，制动电流大部分值为0。

步骤7：数据窗的选取与差动量与制动量的计算。考虑到区外故障时制动电流波形中总是有“0”状态值，区内故障时制动电流波形中总是有非“0”状态值，这与原始电流波形存在过零点、定值设定、区内故障两端电流非完全同相位等因素有关。这表明仅仅比较“2”状态值和“0”状态值，是不能判断保护的动作或不动作状态。为提高保护可靠性，将保护的动作电流和制动电流再次处理，取一定数据窗下电流值的和，计算差动电流与制动电流。设i′d(n)为差动量；i′d(n)为制动量；k为比率制动系数，一般取0.4-0.7；idset.0为最小动作电流定值，由于差动电流和动作电流通过“0-1”重构，该定值也需要相应调整，考虑到测量误差已经被直接定义为“0”状态值给忽略，该定值一般可取3-5即可。

计算公式如下：

电流差动保护判据：

以图10为例，分析不同数据窗的选择对保护动作的影响。当选择3—窄数据窗，发生区内故障时，动作电流为4，而制动电流达到6，保护将拒动；当选择2—全波数据窗时，保护的动作电流为76，而制动电流达到12，保护动作可靠，但相对动作时间较慢；当选择1—半波数据窗时，保护的动作电流为38，而制动电流达到6，保护动作仍具有较高可靠性且动作时间相对较快。所以本发明中选择半波数据窗为例。

利用pscad软件建立如图11所示的两端系统模型，进行仿真实验，模型中线路采用“贝格隆”架空输电线路分布参数模型，两端电机功角差设置为55°，线路右端带587.67mw综合负荷以补偿系统不平衡电流。由于pscad无法完成电流信号的数值算法处理，故将pscad仿真数据导入matlab进一步完成仿真实验。故障设置在0.1s时刻发生，持续时间为0.1s，系统采样频率设置为5khz，仿真均采用半波数据窗分析。输电线路正常运行和发生区外故障、区内故障时的仿真结果分别如图12(a)、图12(b)所示。由仿真结果可知，在发生区外故障时，动作量骤减，同时制动量激增，制动量远大于动作量且始终保持在动作量之上，故电流差动保护不动作。在发生区内故障时，动作量骤增，同时制动量突减，动作量远大于制动量，差动保护可靠动作。