王旭
重庆道恒机电安装工程有限公司 重庆市 400050
摘要：设计了一种数字式差动保护继电器保护电路的新技术。利用GPS系统卫星接收器在受保护馈线的每一端进行同步采样。通过电力系统模拟器仿真在不同位置的配电馈线故障。测试馈线两端产生的电流信号保护的性能。这些测试是使用保护模拟器进行的。结果说明了电流互感器饱和对保护灵敏度和稳定性的影响。最后证明了精确同步差动保护的快速性、选择性和准确性。在内部故障时，它提供较高的控制灵敏度，同时在发生外部故障时保持系统稳定。
关键词：继电器；馈线差动保护；电流互感器
1引言
电流差动保护继电器因其结构简单、对内部故障的高灵敏度和对外部故障的高稳定性而被广泛应用于电力系统的保护[1]。然而当应用于馈线时，由于线端之间的距离而出现一些问题，这使得继电器难以实现精确的电流比较。这个问题是通信信道时间延迟的变化、线路的电容充电电流、电流互感器和保护系统的误差等因素引起的。为了确保外部故障时继电器的稳定性，这种类型的继电器通常使用偏置特性，该特性随着直通电流的增加而增加其工作阈值[2]。然而，由于与通信链路相关的延迟可能会发生变化，连接到馈线电源的故障水平可能会发生变化，并且可能会使用不同的电流互感器，因此很难确定一个可接受的偏置特性，该特性能够对内部故障提供足够的灵敏度，并对所有外部故障和其他非故障条件提供良好的稳定性[3]。本文将研究这些问题对继电保护的影响。
本文介绍了一种GPS系统同步馈线保护系统。该系统可在两种模式下运行，馈线两端的采样数据通过GPS系统完全同步；包含与非同步运行相关的采样定时误差。给出并分析了同步系统和非同步系统结果的比较。最后，对同步系统进行进一步分析，研究改变主要系统参数，如故障位置和系统源的强度对馈线稳定运行的影响。
2数字差动继电保护系统
2.1差动馈线保护
目前的差动馈线保护可分为机械电子式、模拟信号式或最新的微处理器形式[4]。机电和模拟信号系统使用金属导线来传输工频电流信号。这种类型的保护系统容易受到电气干扰，并且随着微电子技术的迅速发展，这种类型的保护系统应用会越来越少。数字差动保护继电器通过使用数字通信链路克服了传统差动保护存在的大多数问题。但是同时产生了一个新的问题，现在有必要精确地测量通信信道的延迟并补偿该延迟。在基于微处理器的电流差动保护中，每个数据代表一个时刻的电流信号的瞬时值。为了确保在馈线一端获取的样本能够与在另一端获取的样本进行比较，必须提供某种形式的同步。同步确保来自两端的样本可以时间对齐。因此，可以忽略通道延迟变化对保护性能的影响。
由于缺乏统一的时间基准，所以很难在馈线终端精确同步取样。大多数现有的数字馈线保护继电器是不同步的，即馈线两端的数据是基于当地运行时钟进行采样的。为了克服这个采样时间误差问题，通常会采用雷达测量和补偿通信信道延迟等技术。这类方法的工作原理是即时反馈。而其局限性在于只有当输出和返回信道延迟时间相同时，它才能提供精确的延迟测量。如果这些时间不同，则会产生错误。此外还需要通过宽带通信信道来传输当前信号和即时反馈系统所需的定时信号。当专用宽带通信信道可用时该方法被证明有一定效果。此外还有另一种解决方案。该方法利用了三相局部电压和电流信号。由于理想情况下，电压信号与馈线末端的电力系统频率同步，因此电流信号可以参考电压信号进行同步。
2.2系统概述
随着GPS技术的迅速发展，有研究人员发现使用全球定位系统同步测量电力系统相关数据量是可行的。并且全球定位系统同步测量技术可以完全克服前面论述的测量时间差问题。利用全球定位系统可以在电网上的任何位置轻松精确地提供1μs精度的时间信号，因此不需要采用包含测量通信延迟的算法。由于只测量并传输当前信号，所以可以使用公共语音频率等级通信信道传输数据。
GPS系统接收器安装在馈线的每一端。三相和零线电流由电流互感器测量。由于GPS系统提供一个外部参考时钟信号，所以可以保证采样同步的时间精度小于1μs。馈线两端的同步样本由本地继电器进行处理和编码。然后，该中继站通过通信信道将其数据传输到远端的中继站。同时通过同一通道从该继电器接收数据。是否进行跳闸断电由计算流入馈线差动电流的数学算法算出。差动电流为馈线两端测量电流值之间的矢量差。如果高于线路电流标量总和得出的阈值，则立即跳闸断电。由于受保护馈线上的故障会产生差动电流，继电保护系统可以立即检测到故障。因此，对于受保护馈线上的各种故障，可以实现极短时间内的故障隔离，再由检修人员进行进一步处理。
3同步测试结果分析
3.1同步保护测试
对110kV馈线进行了同步保护测试。利用EMTP模拟器可以模拟各种内部和外部故障条件下的馈线。继电保护位置产生的电流波形被采集并储存到保护模拟器。保护模拟器对这些波形进行分析，并使用单周期傅立叶技术对其进行处理。在每个功率循环中，为两个中继位置和中性信号导出一个新的功率频率相量。将中继位置和中性信号与约束量进行比较。如果比较结果高于该特性，则向断路器发送跳闸信号。假设电流差动馈线保护由GPS系统完美同步。仿真该系统对四种不同条件的响应:故障前标称负载；外部低阻抗接地故障；内部高阻抗接地故障，故障阻抗为10Ω；内部低阻抗接地故障，故障阻抗为0Ω。当用电流互感器测量时，结果发现S端的低阻抗内部故障导致测量时产生较低的差分和抑制电流。原因是实际电流互感器在S端严重饱和，而在R端几乎不受影响。因此，保护系统对于内部故障的处理是没有问题的。然而，有必要区分高阻抗内部故障、大负载以及故障前额定负载情况。因为在这三种情况下差动电流都很小。当外部故障的约束电流高于负载电流时。高阻抗内部故障产生跳闸动作的差动电流。这些结果证明了同步差动保护的基本满足工作要求。
3.2非同步保护测试
本节分析了通道延迟测量误差引起采样失准对保护系统的影响。首先选择一个未校准的数据样本，采集在馈线S端和R端获取当前样本之间的30度差异数据。这种情况是针对前面提到的三种情况进行模拟的，即故障前标称负载、外部高负载和高阻抗内部故障。
测试结果表明，故障前标称负载和外部故障都会导致差动电流不为零。同时由外部短路引起的差动电流大于由负载引起的差动电流。这是因为外部故障时流过线路的电流比负载的电流大，数据不对中意味着差动电流很大。在测试过程中发现，外部故障不会引起跳闸动作，对于负载电流，差动电流高于偏置特性，这是因为设置了较高的偏置特性，以便在高阻抗内部故障时保持可接受的保护灵敏度。因此，如果设置较低的偏置特性，故障前负载电流会错误地引起跳闸动作，而偏置特性过高，会使保护系统灵敏度降低。
4结论
在电流差动馈线保护中，有两个功能是必不可少的：一个是馈线终端继电器之间的可靠高速数据交换，另一个是保护继电器的采样同步。在使用标准数字通信系统时，数据交换功能很容易实现，采用高安全性编码技术，保证了信道的可靠性。如果从外部源获得定时信号，就可以克服采样同步的问题。GPS系统提供时间基准以达到采样过程的高同步性。通过深入研究了基于GPS的同步差动馈线保护的系统性能馈线两端的电流信号是使用110KV配电馈线的EMTP模型生成的，该馈线在不同位置有不同类型的故障。这些信号用于评估同步和非同步差动保护。结果表明，精确的馈线数据能显著提高系统灵敏度，缩短继电器响应时间。并证明同步差动馈线保护可以在电力系统发生内部故障时提供高可靠性，在外部故障时保持稳定性的结论。
参考文献
[1]韩笑,孙杰,王凡,蒋剑涛.10kV馈线继电保护实用整定方案[J].电工电气,2021(02):24-28.
[2]李勋,肖隆恩.区域差动保护技术在馈线自动化中的应用[J].电工技术,2020(18):68-70.
[3]高玉雅,王佳玉,孙宇笛,康文博.考虑分布式电源与随机负荷的主动配电网继电保护新方法[J].电力与能源,2021,42(01):14-19+145.
[4]周永峰,慕杰,唐琪.继电保护与配电自动化配合的故障处理措施[J].现代工业经济和信息化,2020,10(03):98-99.
作者简介：王旭，男，重庆万盛人，1988年9月17日，本科，助理工程师，
研究方向：电力发电工程、输电线路、电力配电工程及电力系统继电保护安装与调试，电气自动化设备（DCS、PLC等）安装与调试