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提出了最小同步误差允许裕度角的概念,用于描述分布式母线差动保护判据耐同步误差能力,推导得到表征同步误差对差动电流影响程度的相移系数。详细分析了母线结构、电流互感器饱和、制动系数以及不同步单元电流幅值和数量等因素对最小同步误差允许裕度角的影响方式,得出该裕度角的理论分析值。利用PSCAD/EMTDC建立了典型结构的母线系统模型,对理论分析进行了全面的仿真验证。验证结果表明,最小同步误差允许裕度角的理论值既可检验现有保护方案中各数据处理环节产生的同步误差是否超出保护承受能力,又可为判断各种同步方案和自同步技术是否符合母线差动保护的要求提供参考。
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第 38 卷 第 9 期
2018 年 9 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.9
Sept. 2018
分布式母线差动保护耐同步误差能力分析
陈 雷
1
,高厚磊
1
,樊占峰
2
(1. 山东大学 电网智能化调度与控制教育部重点实验室,山东 济南 250061;
2. 许继集团有限公司,河南 许昌 461000)
摘要:提出了最小同步误差允许裕度角的概念,用于描述分布式母线差动保护判据耐同步误差能力,推导得
到表征同步误差对差动电流影响程度的相移系数。 详细分析了母线结构、电流互感器饱和、制动系数以及不
同步单元电流幅值和数量等因素对最小同步误差允许裕度角的影响方式,得出该裕度角的理论分析值。 利
用 PSCAD/ EMTDC 建立了典型结构的母线系统模型,对理论分析进行了全面的仿真验证。 验证结果表明,最
小同步误差允许裕度角的理论值既可检验现有保护方案中各数据处理环节产生的同步误差是否超出保护承
受能力,又可为判断各种同步方案和自同步技术是否符合母线差动保护的要求提供参考。
关键词:分布式母线差动保护;耐同步误差能力;相移系数;最小同步误差裕度角;影响因素
中图分类号:TM 77 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2018.09.030
收稿日期:2017
-
07
-
20;修回日期:2018
-
06
-
13
基金项目:许继集团科研项目(SGTYHT/ 14
-
JS
-
190)
Project supported by the Science and Technology Program of
Xuji Group Corporation(SGTYHT/ 14⁃JS⁃190)
0 引言
智能变电站中分布式母线差动保护实现就地分
散数字化采样
[1⁃3]
,数据采样无法做到完全同步;而
且对设有冗余配置,并采用“网采网跳” 的母线差动
保护,由于数据在网络上的传输延时不定,易出现数
据不同步问题。 目前母线差动保护同步方案主要有
2 类:一类是采用外设或内部同步时钟
[4]
实现分布
式采样系统各单元间的数据同步,主要有基于全球
定位系统(GPS) 时钟和基于 IEEE1588 的网络对时
方式
[5⁃7]
;另 一 类 是 利 用 自 同 步 技 术 实 现 数 据 同
步
[8⁃9]
。 GPS 对时会出现失步和同步误差增大的情
况;自同步技术也无法做到完全同步。 母线差动保
护判据本身具有相移制动能力,能够耐受一定的同
步误差,但目前未见对其能耐受的同步误差角度的
定量分析,也缺少对影响其耐受同步误差能力因素
的分析。 因此,母线差动保护的耐受同步误差的能
力是亟待研究的问题。
目前鲜有母线差动保护耐同步误差能力的研究
方法和成果。 文献[10] 分析了线路差动保护的相
移制动能力,但该方法不适用于母线差动保护;文献
[11]从采样不同步角度分析了同步误差对母线采
样值差动保护的影响,但是缺少对保护判据耐同步
误差能力的分析;文献[12] 分析了数字化变电站中
独立于 GPS 的同步时钟源的必要性,并比较了现有
几种同步实现方案的特点,但是没有对各种同步方
法可能产生的最大同步误差进行分析。 不同于两端
线路系统,母线属于多端系统,连接的电气设备复杂
多样,且数量不定,差动电流和制动电流的计算要考
虑多端单元,各单元之间数据的相对不同步方向存
在差异。 相比于线路差动保护,母线差动保护耐受
同步误差能力的分析难度大。
本文针对智能变电站分布式母线差动保护的研
究现状和需要解决的实际问题,以普通比率制动特
性的双母线结构差动保护为例,提出了同步误差允
许裕度角的概念;从被保护母线角度分析了不同步
电流的幅值、数量和性质,数据不同步方向,电流互
感器饱和以及母线连接结构对同步误差裕度角的影
响,从保护判据角度分析了制动系数的影响;推导并
定义了相移系数,以表征不同步角度对差动电流的
影响程度,并理论推导得到了在单个影响因素以及
综合影响因素下,母线差动保护能够耐受的最小同
步误差允许裕度角。 通过大量的仿真计算,验证了
理论分析的准确性,并给出了快速有效确定母线差
动保护最小同步误差允许裕度角的方法。
1 母线差动保护最小同步误差允许裕度角
数据不同步在相量中表现为相位角的偏移。 为
简化分析,先假设电流互感器无传变误差,工作于理
想状态。
普通比率制动特性母线差动保护判据为:
∑
n
i
=
1
I
i
≥ K
∑
n
i
=
1
I
i
∑
n
i
=
1
I
i
≥ I
set.0
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(1)
其中,I
i
为第 i 个单元电流相量;n 为单元总数;K 为
制动系数;I
set.0
为最小启动门槛。
图 1 为同步误差引起电流相量相移示意图。 如
图 1(a)所示,当发生母线差动保护区外故障时,流
入电流 I
i
(i
=
1,2,…,n
-
1)和流出电流 I
n
满足
∑
n
-
1
i
=
1
I
i
+
电 力 自 动 化 设 备
第 38 卷
I
n
=
0。 如图 1(b)所示,当发生母线故障时,忽略无
源元件流出的小电流,各电流均流入母线且接近同
相位。 当第 i 个单元的电流相位角变化 β
i
,恰好使
得式(1)所示判据不成立,引起保护不正确动作时,
定义该临界值 β
i
为该单元的同步误差允许裕度角,
以及 β
=
min{β
i
i
=
1,2,…,n}为保证母线差动保护
正确动作的最小同步误差允许裕度角。 文中分析的
不同步角度范围为 0° ~180°。
图 1 同步误差引起电流相量相移示意图
Fig.1 Schematic diagram of current phase shift
caused by synchronization error
2 β 值影响因素分析
2.1 不同步单元电流幅值的影响
定义 I
n
-
=
∑
n
-
1
i
=
1
I
i
=
I
m
+
∑
n
-
1
i
=
1,i≠m
I
i
,当发生母线差
动保护区外故障时,满足 I
n
+
I
n
-
=
0,如图 2(a) 所示。
假设第 m( m≠n) 个单元的电流的幅值为 I
m
,与
I
n
-
的夹角为 α,则满足式(2)。
I
m
sin α
-
∑
n
-
1
i
=
1,i≠m
I
i
sin γ
=
0
I
m
cos α
+
∑
n
-
1
i
=
1,i≠m
I
i
cos γ
=
I
n
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(2)
图 2 相移分析示意图
Fig.2 Schematic diagram of phase shift analysis
若因同步误差导致 I
m
相移 β
m
角度,可得 I′
m
以
及 I′
n
-
。 差动电流 I
d
沿坐标轴正方向的分量为:
I
dx
=
I
m
cos(α
+
β
m
)
+
∑
n
-
1
i
=
1,i≠m
I
i
cos γ
-
I
n
I
dy
=
I
m
sin(α
+
β
m
)
-
∑
n
-
1
i
=
1,i≠m
I
i
sin γ
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(3)
联合式(2)和(3)可得:
I
d
=
K
d
I
m
(4)
其中,K
d
=
2
-
2cos β
m
=
2sin(β
m
/ 2)。
定义相移系数 K
d
表征 β 对 I
d
大小的影响程度。
根据式(1),构造函数:
f
=
I
d
-
K I
r
(5)
其中, I
r
=
∑
n
i
=
1,i≠m
I
i
+
I
m
。
母线差动保护不正确动作的边界条件为 f
=
0,
将 I
d
和 I
r
代入式(5)可得:
β
m
=
2 arcsin[K(1
+
m
1
) / (2 m
1
)] (6)
其中, m
1
=
I
m
/
∑
n
i
=
1,i≠m
I
i
。
β 随 m
1
变化的曲线如图 3 所示。 由图可见,β
随着 m
1
的增大而减小,且受其影响变化先快后慢。
分析可知,m
1
的取值范围为(0,1]。 当 m
1
取极端值
m
1
=
1,且 K
=
0.25 时,由式(6)可得此时的最小同步
误差允许裕度角 β≈28.9°。
图 3 β 随 m
1
变化关系曲线
Fig.3 Curves of relationship between β and m
1
2.2 不同步单元数量和电流性质的影响
发生母线差动保护区外故障时,不同步单元数
量的影响要视电流性质分 2 种情况讨论:一是所有
不同步单元电流均流入母线( 情况 1);二是部分不
同步单元的电流流入母线、部分不同步单元的电流
流出母线(情况 2)。
a. 情况 1。
假定有 h(1≤h≤n
-
1) 个不同步单元的电流流
入母线,分析可得:
I
dx
=
∑
h
i
=
1
I
i
[cos(α
i
+
β
i
)
-
cos α
i
]
I
dy
=
∑
h
i
=
1
I
i
[sin(α
i
+
β
i
)
-
sin α
i
]
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(7)
为简化分析,可令 h 个不同步单元电流初始相位
相同,即满足 α
1
=
α
2
=
…
=
α
h
=
0°,则由式(7)可得:
I
d
=
I′
2
dx
+
I′
2
dy
(8)
I′
dx
=
∑
h
i
=
1
I
i
cos β
i
-
∑
h
i
=
1
I
i
, I′
dy
=
∑
h
i
=
1
I
i
sin β
i
若相移 β
1
=
β
2
=
…
=
β
h
=
β 且相移方向一致,代
入式(8)可得:
I
d
=
∑
h
i
=
1
I
i
sin
2
β
+
(cos β
-
1)
2
=
K
d
∑
h
i
=
1
I
i
(9)
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