基于动态过程中差动电流变化率的区内外故障预判方法与流程

本发明涉及区内外故障的预判方法，特别是一种基于动态过程中差动电流变化率的区内外故障预判方法。

背景技术：

电流差动保护是反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的一种保护，作为最理想的保护原理，已被广泛应用于电力系统发电机、变压器、母线以及短距离输电线路等重要电气设备的保护。电流差动保护多采用比率制动特性，当制定好比率制动曲线后，对于某一固定的制动电流值，其对应的差动电流动作值是确定的，若计算出的差动电流实际值大于此刻的差动电流动作值，则保护动作出口。对于采用单一比率制动曲线的差动保护来说，保护在区内故障时的灵敏度与区外故障时的可靠性是互相矛盾的，提高一个指标要以牺牲另一个为代价。究其原因，在于传统的差动保护判断逻辑中缺少区分区内、外故障的预判机制，无论区内故障还是区外故障，均采用相同的动作曲线，这必然造成保护的灵敏度与可靠性难以兼顾。

事实上，针对区内、区外故障的不同故障特点，若能在区内故障时，采用有针对性的灵敏度较高的差动保护动作特性曲线，而在区外故障时采用可靠性较高的差动保护动作特性曲线，则可同时提高差动保护在区内故障时的灵敏度和区外故障时的可靠性。实现上述设想的前提是能够在故障初期利用特征量对区内、外故障进行预判，利用故障分量进行故障预判的研究较多，基于相量值进行故障预判的研究较少。目前工程实际中投入的差动保护大多数为相量差动，研究如何在相量差动的基础上进行故障预判是十分重要的。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种基于动态过程中差动电流变化率的区内外故障预判方法，该方法基于全周傅氏算法的动态过程实现，可在保护启动后的四分之一周期(5ms)内预判出区内、外故障。

本发明解决的技术方案是：

一种基于动态过程中差动电流变化率的区内外故障预判方法，包括以下步骤：

步骤一、相电流突变量保护启动后，采用全周傅氏算法分别按式(1)和式(2)计算各采样点的差动电流id和制动电流ir：

式中：id为差动电流幅值，为被保护元件所有侧相电流相量之和的绝对值，ir为制动电流幅值，为被保护元件各侧电流中的最大值，为被保护元件所有侧相电流相量之和，其中不包含幅值最大的电流；

步骤二、根据第一步的计算结果，计算保护启动后第一个采样点处的差动电流与制动电流的比值k，若k∈[2-ε，2+ε]，判定为空载合闸，否则进入步骤三，其中ε为误差系数；

步骤三、根据第一步的计算结果，从保护启动后的第二个采样点开始，按式(3)计算差动电流变化率d(n-1)(n≥2)，连续计算m个采样点，若d(i)≥aset(i＝1,2,…m)恒成立，则判定为区内故障，否则判定为区外故障；

其中，n为保护装置一周波的采样点数；aset为5；ts为保护装置的采样间隔，单位为s；

优选的，所述步骤二中的误差系数ε取15％，即计算保护启动后第一个采样点处的差动电流与制动电流的比值k，若k∈[1.75，2.15]，判为空载合闸，否则进入步骤三；误差系数取值为15％主要是考虑零点漂移及采样误差的影响，该判据为现有技术，本发明的创新之处在于步骤三对区内故障和区外故障的判定。

微机保护中电流、电压基波相量的计算多采用全周傅氏算法，全周傅氏算法的数据窗为20ms(一个周波)，这决定了利用全周傅氏算法计算出的每一时刻点的电流、电压基波相量均是基于当前时刻点之前的一周波数据得到的。假设保护装置一周波采样100个数据点，在n＝0时发生故障，则n<0时，全周傅氏算法数据窗中的数据均为故障前的值，当n>100时，全周傅氏算法数据窗中的数据均为故障后的值，而在n＝0～100时，全周傅氏算法数据窗中的数据既有故障前的值又有故障后的值。n＝0～100即为本文所说的全周傅氏算法的动态过程。

图1是一列频率为50hz、幅值为1的正弦波，正弦波形从300点开始，一个周波包含100个采样点。当用全周傅式算法计算图1波形的基波分量时，算法的动态过程中所得的基波值如图2(a)所示。由图2(a)可知全周傅式算法的动态过程为一周波时间(对应于图2(a)的300-400采样点)，在这一周波时间内，计算出来的基波值从0逐渐增大到稳态基波值。图2(b)是图2(a)的微分值，在300-400点内微分值均大于零，说明当从无到有计算正弦波形的基波分量时，全周傅式算法动态过程的计算结果是单增的。

被保护元件发生区内故障时的差动电流波形与图1类似(正常运行时，差流几乎为0，内部故障时，差流为故障电流，基本为正弦波)，故采用全周傅式算法计算差动电流基波值时，算法的动态过程中计算出来的差动电流基波值是单增的，此时采用差流变化率算法可在故障初期灵敏地识别故障。区外故障时，若不考虑各侧ct的饱和，则根据对式(1)的分析可知，此时差流基本为零，差流变化率判据不会误判；若区外故障考虑ct饱和，则在ct的线性段内(至少有3ms)，差流也基本为零，差流变化率判据也不会误判。

与现有技术相比，本发明方法具有以下有益的技术效果：

(1)本发明采用的变化率判据本质上是趋势判据，趋势判据与现有技术中的数值判据(如故障分量判据)相比，不受具体数值大小的影响，仅与数值变化趋势有关，判据灵敏度更高。例如对于变压器轻微匝间故障而言，故障电流数值不大，此时采用数值判据预判故障时，可能由于故障电流达不到数值判据的门槛值导致故障漏判，但变化率判据判的是故障电流趋势，只要故障电流是增大的趋势，变化率判据就能起作用，可在保护启动后的四分之一周期(5ms)内预判出区内、外故障。

(2)本发明的技术方案是在电流相量值差动以及全周傅氏算法的背景下提出的，电流相量值差动和全周傅氏算法分别为目前工程实际中的主流差动保护方案和算法，故本发明的技术方案仅需在现有的保护装置上进行判据升级即可实现，无需开发新装置及算法，实用性更强。

附图说明

图1为待计算正弦波形。

图2中，(a)为全周傅氏算法动态过程计算的基波幅值；(b)为动态过程中基波幅值的微分值。

图3为实施例的仿真系统模型图。

图4中：

(a)为高压绕组a相5％匝间故障a相差动电流瞬时值采样图；

(b)为高压绕组a相5％匝间故障a相差动电流变化率采样图；

图5中：

(a)为区外a相故障a相差动电流瞬时值采样图；

(b)为区外a相故障a相差动电流变化率采样图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例

在新信息规范六统一rtds实验环境上进行仿真实验，分析预判判据的性能。

系统模型按图3搭建。其中变压器额定容量：240mva，电压等级：220/110/10kv；短路阻抗(标幺值)：x12＝0.12，x13＝0.38，x23＝0.22；高、中、低压侧ct变比分别为1250/1、2500/1、4000/1；仿真系统容量10000mva，经ct转换后，高压侧电流额定值为ie＝0.5a。

以下就各种典型工况分析本发明预判判据的性能：

(1)高压绕组a相5％匝间故障并切除(每周波采样100个数据点)

图4(a)为a相差动电流瞬时值，(b)为a相差动电流变化率。由图4(a)图可知，发生a相5％匝间短路时，差动电流很小，此时常规差动保护无法动作。根据相电流突变量判据，相电流突变量保护在第1562个采样点启动，按照本发明方法进行判定，在1563个采样点开始计算差动电流变化率d，由图4(a)图可知，d(1)＝7.089，d(15)＝18.07，d(i)(i＝1,2,…15)>aset，aset＝5，即可灵敏的判断出内部故障。

(2)区外a相故障并切除(每周波采样100个数据点)

图5(a)为a相差动电流瞬时值，图5(b)为a相差动电流变化率。根据相电流突变量判据，相电流突变量保护在第2054个采样点启动，按照本发明方法进行判定，在2055个采样点开始计算差动电流变化率d，由图5(b)可知，d(1)＝-0.8537，d(15)＝-0.05177，d(i)(i＝1,2,…15)<aset，aset＝5，即可可靠地判为外部故障。

申请人根据本发明方法各种情况下进行仿真实验，结果见下表1和表2所示：

表1仿真结果(每周波采样100点)

注：上表中d(i)为a相的计算结果

表2仿真结果(每周波采样24点)

注：上表中d(i)为a相的计算结果

有上述情况可以清楚的看出，本发明预判出区内、外故障准确度高，不受具体数值大小的影响，仅与数值变化趋势有关，判据灵敏度高，可在保护启动后的四分之一周期(5ms)内预判出区内、外故障，为现场快速排查故障类型提供可靠参考，大大提高了区内、外故障的排出效率和准确度，具有很大应用价值，经济效益显著。