输电线路自同步电流差动保护
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
电网智能化调度与控制教育部重点实验室的研究人员黄家凯、高厚磊，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文指出，电流差动保护原理简单、可靠性高，但对数据的同步性要求严格，同步误差超过一定限值时会引起误动或拒动。
针对电流差动保护常用的动作判据，定性分析了其在内、外部故障时的耐同步误差能力；以故障发生时刻为对时基准，提出了输电线路自同步电流差动保护方案，并对此方案的误差来源、可行性及应用条件等进行了详细的分析与论证；同时，借助现场录波数据和PSCAD仿真结果，对输电线路中自同步电流差动保护方案的可行性进行了验证。
理论与仿真分析表明，所述方案不依赖外部时钟，不受通道传输延时和路由变化的影响，在当前技术条件下，其同步误差在允许范围之内，可为输电线路电流差动保护提供一种新的实现方式。
纵联电流差动保护立足于基尔霍夫电流定律，利用线路两端的电流相量构成动作判据，具有绝对的选择性，已被广泛应用于输电线路之中。虽然其原理简单、性能优越，但对数据的同步性要求严格。被保护线路两端存在同步误差时，保护的灵敏性、可靠性等均会受到影响，严重时甚至会导致保护误动、拒动。因此，构成差动判据前需对两端电流相量进行同步处理。
电流差动保护使用专用的通信通道来交换信息，并对采样数据进行同步处理。常用的同步方法主要有基于数据通道的同步方法、主站广播对时法和基于卫星的同步方法等。这些方法均依赖于时钟，同步效果易受时钟状态、通道工况和网络连接方式等因素的影响。
其中基于数据通道的采样时刻调整法、采样数据修正法以及时钟校正法要求收发过程延时一致，难以适应具有弹性负载、可变路由的复用通信系统；基于卫星的同步方法主要有基于GPS系统的同步方式、基于北斗系统的同步方式等，也可将卫星时钟与网络时钟相结合来进行同步，此类方案的精度高，但技术复杂且时钟源信号易受天气等因素影响而发生跳变，卫星信号异常时波及范围很广。
为将电流差动保护原理应用到配电网中，以解决含高渗透率DG配电网的保护问题，文献[11-12]依据配电网的结构特点提出了基于故障时刻的数据同步方案、故障时刻检测方法及误差分析，为实现配电网电流差动保护进行了有益的探索。
与配电网线路相比，输电线路的空间跨度大，故障信号传播过程明显，若想在输电网中借鉴基于故障时刻的同步方案，其误差、可行性及应用条件等尚需进一步地讨论和验证。文献[13-14]对超高压输电线路不同故障时刻的提取方法及精度等进行了研究与分析，为提高此种同步方案的可靠性提供了有力保障。
为使输电线路电流差动保护摆脱对同步时钟的依赖，增强其对通道路由波动的适应能力，提高保护的实用性和可靠性，本文将故障数据自同步方案应用到输电线路电流差动保护之中，并对其可行性、误差来源和应用条件等进行了详细地分析与论证。故障录波数据和仿真结果均证明了所提方案的可行性，能够为输电线路电流差动保护提供一种新的实现方式。
图3 自同步原理
图8 仿真模型示意图
为摆脱电流差动保护对同步时钟的依赖，克服通道路由波动等因素的影响，提高保护的独立性和可靠性，本文提出了输电线路自同步电流差动保护方案，并对其可行性进行了理论分析和仿真验证。所得结论如下：
1）本文方案的误差主要来自故障信号传播过程带来的误差、采样点近似故障时刻带来的误差以及故障时刻检测算法带来的误差，且由此产生的误差在允许范围内。
2）实际应用时，为充分发挥本文方案的优势，降低同步误差，建议使用较高的采样频率。
3）在选择故障时刻检测算法时要考虑算法窗口与精度的关系，同时还要考虑与差动判据类型（相量差动、瞬时值差动等）的协调和配合，以保证自同步差动方案的工程实现。
4）实际应用时，还应注意分布电容、互感器饱和、串并联补偿元件等的影响，必要时可增加相应的补偿算法。